铝箔：隔热与工业应用的优质多功能材料

背景

铝箔由含铝92%-99%的铝合金制成。厚度通常0.00017-0.0059英寸，多宽度多强度供数百种应用。用于建筑隔热、空调翅片料、变压器电工线圈、收音机电视电容器、储罐隔热、装饰制品、容器包装。铝箔广泛应用得益多重优势，首推原料丰富。铝箔廉价、耐用、无毒、防油。耐化学腐蚀，提供优异电屏蔽与非磁屏蔽。

1991年铝箔出货量9.13亿磅，包装占市场75%。铝箔作包装材料因其对水汽气体优异阻隔性，延长保质期、省储存空间、产生废弃物少于多种包材。柔性包装偏好铝箔已成全球现象。日本用铝箔作软罐阻隔层；欧洲药用泡罩包装与糖果包装主导柔性包装市场。无菌饮料盒以薄铝箔阻氧、避光、阻味，全球普及。

铝为现代工业大量利用的金属中发现最晚者。称“氧化铝”，古埃及用铝化合物制药，中世纪用作媒染剂。18世纪初科学家推测其含金属，1807年英国化学家戴维爵士尝试分离虽失败，但确认氧化铝有金属基，初名“alumium”，后改“aluminum”。多国拼“aluminium”，美多用戴维改拼。1825年丹麦化学家厄斯特成功分离铝，二十年后德国物理学家伍勒制得较大颗粒，仍仅针尖大。1854年法国科学家德维尔改进伍勒法制得弹珠大铝块。德维尔法奠定现代铝工业基础，1855年巴黎世博展出首批铝锭。

此时分离新金属成本高昂限制工业应用。1866年美法两国科学家独立同步开发霍尔-埃鲁法电解氧化铝分离氧。查尔斯·霍尔与保罗·路易-图桑·埃鲁分别在美法申请专利，霍尔最先看到商业潜力。1888年 拜耳法提炼铝土矿四步：消化、澄清、沉淀、煅烧。产出细白氧化铝粉。 他与合伙人创匹兹堡还原公司，当年产出首批铝锭。利用尼亚加拉瀑布水电驱动大型电解厂供工业需求，霍尔公司——1907年更名美国铝业公司（Alcoa）——蓬勃发展。埃鲁后在瑞士创铝业股份公司。两次世界大战刺激铝需求，多数工业国始自产铝。1903年法国首产铝箔，美国十年后跟进，首用作赛鸽脚环识别。铝箔随用于容器包装，二战加速此趋势确立铝箔主流包装地位。二战前Alcoa为美唯一纯铝制造商，今美有七大铝箔生产商。

原材料

铝居元素丰度第三位：仅次氧、硅，占地壳十英里深度8%以上，几乎所有常见岩石均含。但铝不以纯金属态存在，而为水合氧化铝（水与氧化铝混合物）结合二氧化硅、氧化铁、钛酸盐。最重要铝矿为铝土矿，1821年发现于法国莱博村得名。铝土矿含铁与水合氧化铝，后者为最大成分。现仅开采氧化铝含量≥45%矿床。富矿分布南北半球，美用矿主产西印度群岛、北美、澳洲。铝土矿浅埋，开采相对简易。炸药剥离表土露矿床，清表层泥岩，铲车装卡车/火车运选矿厂。铝土矿重（通常4-6吨矿产1吨铝），为降运费选矿厂常建矿区附近。 连续铸造是熔铸铝的替代法。优势：轧箔前无需退火（热处理），熔铸法则需退火。

制造工艺

从铝土矿提纯铝分两阶段。先精炼除铁、硅、钛、水杂质得氧化铝；再电解冶炼得纯铝；最后轧制成箔。

精炼 — 拜耳法

• 1 拜耳法精炼铝土矿四步：消化、澄清、沉淀、煅烧。消化阶段铝土矿磨细拌氢氧化钠泵入大型压力消化罐。氢氧化钠、热、压力分解矿石得饱和偏铝酸钠溶液与不溶杂质（沉底）。
• 2 澄清阶段：溶液与杂质经系列罐与压机。布滤器截留杂质弃置。再滤后余液送冷却塔。
• 3 沉淀阶段：偏铝酸钠溶液入大料仓，仿德维尔法接种水合氧化铝晶种促铝颗粒成长。种晶吸引溶液中其他晶体形成大团水合氧化铝。滤出后水洗。
• 4 煅烧为拜耳法终步：高温脱水水合氧化铝，得细白粉末：氧化铝。

冶炼

• 5 冶炼分离拜耳法产氧化铝（氧化铝），是提纯金属铝关键步。现用工艺源自霍尔与埃鲁19世纪末同期发明电解法，经现代化改良。先将氧化铝溶于电解槽——深钢模衬碳、装加热液态导电体，主成分冰晶石铝化合物。
• 6 通电流经冰晶石，氧化铝熔面结壳。定期搅入新氧化铝打碎壳混入。氧化铝溶解电解分解，电解槽底沉积纯熔融铝。氧与槽衬碳合生成二氧化碳逸出。
• 7 熔融态纯铝从电解槽引出，入坩埚注入炉。此阶段可加其他元素制适配终端产品铝合金，箔材通常用99.8%或99.9%纯铝。液态铝注入直接冷却铸造装置，冷却成大板锭称“锭”或“复轧坯”。退火——热处理改善加工性——后适宜轧箔。 箔材由铝锭经重辊轧制而成。轧制产生箔材天然亮面与雾面。出辊时圆刀切割成矩形片。
• 替代熔铸法称“连续铸造”。含熔炉、蓄熔炉、输送系统、铸造单元、复合单元（压延辊、剪切、牵引）、收卷与卷车。两法均产0.125-0.250英寸（0.317-0.635厘米）不同宽度锭料。连铸优势：轧箔前免退火，因铸造过程自动完成退火。

轧制箔材

• 8 箔坯经轧机多道次通过工作辊减薄。铝板（或卷）穿辊隙挤压变薄。工作辊配重备辊施压稳定工作辊，保尺寸公差。工作辊与备辊反向旋转。加润滑剂助轧制。轧制中偶尔需退火保加工性。
• 箔材减薄由调工作辊转速、润滑剂粘度/量/温控制。辊隙决定出轧箔厚长，可升降上工作辊调整。轧制产生亮面雾面：亮面为箔接触工作辊面；雾面需双层叠轧，相互接触面成雾面。其他机械饰面通常在后加工中产出特定花纹。
• 9 箔带出辊时圆刀/刀刃修边分切。修边指箔边，分切指切多条。用于窄卷宽度、修整涂层/复合锭边、产矩形片。轧制中断带需重新连接/拼接。普通箔及/或背衬箔拼接法：超声波、热封带、压敏带、电焊。超声波拼接用超声换能器固态焊接重叠金属。

后加工

• 10 许多应用箔需与他材复合。可涂聚合物/树脂装饰/防护/热封。可复合纸、纸板、塑料膜。亦可切割、成型、印刷、压花、分切、切片、蚀刻、阳极氧化。终态后按需包装发运客户。

质量控制

除工艺参数温度时间在线控制，成品箔须达特定指标。如不同后加工与终端用途要求箔表面干燥度不同。润湿测试测定干燥度：梯度乙醇水溶液（体积增量10%）匀流淋箔面。不成滴即润湿度零。递增测至完全润湿箔面的最低酒精浓度。

厚度与抗拉强度为其他关键性能。美国材料试验协会（ASTM）建立标准测试法。厚度通过称样品重、量面积、重除以面积×合金密度得出。箔拉伸试验须严控因粗糙边缘、微小缺陷等变量影响结果。样品夹持施拉力至断裂，测断裂所需力/强度。

未来展望

铝箔尤柔性包装受欢迎度将持续增长。四边封袋在军用、医用、零售食品及大规格团餐包装广泛应用。袋装1.06-4.75加仑（4-18升）葡萄酒面向零售餐饮及团餐市场推出。其他应用产品持续开发。微波炉普及催生专用铝基半硬质容器。近年开发烧烤专用铝箔。

但铝箔环保“友好度”亦受审视。厂商加大回收力度；美所有箔厂已启动回收计划，虽铝箔总吨位与回收率远低于易回收铝罐。铝箔轻薄优势已减少固废贡献。复合铝箔包装仅占美固废1.7%。

包装废弃物最优解或为源头减量。例：65磅（29.51公斤）咖啡装钢罐需20磅（9.08公斤）钢，而含铝箔复合包装仅3磅（4.08公斤），且占填埋空间更小。美国铝业协会箔分会开发高校与专业包装设计师铝箔教育项目，推广柔性包装优势。

铝箔制造分销能耗更低，厂内废料回收。再生铝（含罐箔）占行业年金属供应超30%，比例连年上升且将持续。箔制造工艺持续改进减少大气污染与危废。