铝箔

背景

铝箔由含有 92% 至 99% 铝的铝合金制成。通常厚度在 0.00017 到 0.0059 英寸之间的箔片具有多种宽度和强度，可用于数百种应用。用于制造建筑业的绝热材料、空调的翅片、变压器的电气线圈、收音机和电视的电容器、储罐的绝缘材料、装饰产品以及容器和包装。铝箔在如此多的应用中广受欢迎是由于几个主要优势，其中最重要的优势之一是其制造所需的原材料充足。铝箔价格便宜、耐用、无毒且防油。此外，它还可以抵抗化学侵蚀并提供出色的电和非磁屏蔽。

铝箔的出货量（1991 年）总计 9.13 亿磅，其中包装占铝箔市场的 75%。铝箔作为包装材料的流行是由于其对水蒸气和气体具有出色的不渗透性。与许多其他包装材料相比，它还可以延长保质期、使用更少的存储空间并产生更少的废物。因此，在软包装中对铝的偏爱已成为一种全球现象。在日本，铝箔被用作软罐中的阻隔成分。在欧洲，铝制软包装在医药泡罩包装和糖果包装纸市场占据主导地位。使用一层薄薄的铝箔作为阻隔氧气、光线和气味的屏障的无菌饮料盒在世界范围内也颇受欢迎。

铝是现代工业大量使用的金属中最新发现的。被称为“氧化铝”的铝化合物在古埃及被用来制备药物，在中世纪被用来制作布料染料。到 18 世纪初期，科学家们怀疑这些化合物中含有一种金属，并且在 1807 年，英国化学家汉弗莱戴维爵士试图将其分离出来。尽管他的努力失败了，但戴维证实氧化铝有一种金属基体，他最初将其称为“铝”。戴维后来将其改为“铝”，虽然许多国家的科学家拼写“铝”一词，但大多数美国人使用戴维修改后的拼写。 1825 年，一位名叫 Hans Christian Ørsted 的丹麦化学家成功地分离出铝，二十年后，一位名叫 Friedrich Wohler 的德国物理学家能够制造出更大的金属颗粒；然而，沃勒的粒子仍然只有针头那么大。 1854 年，法国科学家亨利·圣克莱尔·德维尔 (Henri Sainte-Claire Deville) 改进了沃勒的方法，足以制造出像大理石一样大的铝块。 Deville 的工艺为现代铝工业奠定了基础，第一批铝棒于 1855 年在巴黎博览会上展出。

在这一点上，分离新发现的金属的高成本限制了它的工业用途。然而，在 1866 年，在美国和法国分别工作的两位科学家同时开发了所谓的 Hall-Héroult 方法，通过施加电流将氧化铝与氧气分离。虽然 Charles Hall 和 Paul-Louis-Toussaint Héroult 分别在美国和法国为他们的发现申请了专利，但 Hall 是第一个认识到他的净化过程的经济潜力的人。 1888年 拜耳精炼铝土矿工艺包括消化、澄清、沉淀和煅烧四个步骤。结果是氧化铝的白色细粉末。他和几位合伙人成立了匹兹堡还原公司，并于当年生产了第一批铝锭。使用水力发电为尼亚加拉瀑布附近的大型新转换厂供电并满足对铝的新兴工业需求，霍尔的公司——1907 年更名为美国铝业公司 (Alcoa)——蓬勃发展。 Héroult 后来在瑞士成立了 Aluminium-Industrie-Aktien-Gesellschaft。在第一次和第二次世界大战期间对铝的需求不断增长的鼓舞下，大多数其他工业化国家开始生产自己的铝。 1903 年，法国成为第一个用纯铝生产箔的国家。十年后，美国也效仿，首次使用新产品是腿带来识别赛鸽。铝箔很快被用于容器和包装，二战加速了这一趋势，确立了铝箔作为主要包装材料的地位。直到第二次世界大战，美铝仍然是美国唯一的纯铝制造商，但今天有七家主要的铝箔生产商位于美国。

原材料

铝是最丰富的元素之一：在氧和硅之后，它是地球表面发现的最丰富的元素，占地壳的 8% 以上，深达 10 英里，几乎出现在每一种常见的岩石中。然而，铝并不是以其纯金属形式存在，而是以水合氧化铝（水和氧化铝的混合物）与二氧化硅、氧化铁和二氧化钛结合的形式存在。最重要的铝矿是铝土矿，以 1821 年发现的法国莱博镇命名。铝土矿含有铁和水合氧化铝，后者是其最大的组成材料。目前，铝土矿足够丰富，因此只能开采氧化铝含量为 45% 或更高的矿床来生产铝。在北半球和南半球都发现了集中矿床，美国使用的大部分矿石来自西印度群岛、北美和澳大利亚。由于铝土矿离地表很近，开采程序相对简单。炸药用于在铝土矿床中打开大坑，然后清除顶层的污垢和岩石。然后用前端装载机取出暴露的矿石，堆放在卡车或有轨电车上，然后运送到加工厂。铝土矿很重（一般四到六吨矿石可以生产一吨铝），因此，要减少 连铸是铝的熔化和铸造的替代方法。连续铸造的一个优点是它不需要在箔轧制之前进行退火（热处理）步骤，熔化和铸造过程也是如此。运输成本，这些工厂通常位于尽可能靠近铝土矿的位置。

制造
过程

从铝土矿中提取纯铝需要两个过程。首先，对矿石进行精炼，去除氧化铁、二氧化硅、二氧化钛和水等杂质。然后，将所得氧化铝熔炼以生产纯铝。之后，铝被轧制成箔。

精炼 — 拜耳工艺

• 1 用于精炼铝土矿的拜耳工艺包括四个步骤：消化、澄清、沉淀和煅烧。在消化阶段，铝土矿被研磨并与氢氧化钠混合，然后被泵入大型加压罐。在这些称为蒸煮器的罐中，氢氧化钠、热量和压力的结合将矿石分解成铝酸钠和不溶性污染物的饱和溶液，然后沉淀到底部。
• 2 该过程的下一阶段，即澄清，需要将溶液和污染物通过一组罐和压机。在此阶段，布过滤器会捕获污染物，然后将其处理掉。再次过滤后，剩余的溶液被输送到冷却塔。
• 3 在下一个阶段，沉淀，氧化铝溶液进入一个大筒仓，在那里，在适应德维尔方法，流体中加入水合铝晶体以促进铝颗粒的形成。随着晶种吸引溶液中的其他晶体，大团的水合铝开始形成。这些首先被过滤掉，然后被冲洗掉。
• 4 煅烧是拜耳精炼过程的最后一步，需要将氢氧化铝暴露在高温下。这种极端的热量会使材料脱水，留下白色细粉的残留物：氧化铝。

冶炼

• 5 冶炼分离由拜耳法生产的铝氧化合物（氧化铝），是从铝土矿中提取纯金属铝的下一步。虽然目前使用的程序源自于 19 世纪后期由 Charles Hall 和 Paul-Louis-Toussaint Héroult 同时发明的电解方法，但它已经现代化。首先，将氧化铝溶解在熔炼室中，这是一个内衬碳并填充主要由铝化合物冰晶石组成的加热液体导体的深钢模具。
• 6 接下来，电流通过冰晶石，导致氧化铝熔体顶部形成外壳。当额外的氧化铝被周期性地搅拌到混合物中时，这个外壳会被打破并被搅拌进去。当氧化铝溶解时，它会电解分解，在熔炼池底部产生一层纯的熔融铝。氧气与用于排列细胞的碳合并，并以二氧化碳的形式逸出。
• 7 仍处于熔融状态的纯化铝从冶炼单元中取出，转移到坩埚中，然后倒入熔炉中。在这个阶段，可以添加其他元素来生产具有适合最终产品特性的铝合金，尽管箔片通常由 99.8% 或 99.9% 的纯铝制成。然后将液体倒入直接冷硬铸造设备中，在那里冷却成称为“铸锭”或“再轧材”的大板坯。经过退火——热处理以提高可加工性——钢锭适合轧制成箔。 铝箔是由铝材通过在重型辊之间滚动而制成的。滚动在箔上产生两种自然饰面，明亮和哑光。当箔片从滚筒中出来时，圆刀将其切成矩形块。
• 熔化和铸造铝的另一种方法称为“连续铸造”。该工艺涉及一条生产线，该生产线由熔炼炉、容纳熔融金属的保温炉、传输系统、铸造单元、夹送辊、剪切机和缰绳组成的组合单元以及收卷和卷板车组成。这两种方法都生产厚度范围为 0.125 到 0.250 英寸（0.317 到 0.635 厘米）和各种宽度的库存。连续铸造方法的优点是它不需要箔轧前的退火步骤，就像熔化和铸造过程一样，因为退火是在铸造过程中自动实现的。

卷箔

• 8 制作箔材后，必须将其厚度减薄以制作箔材。这是在轧机中完成的，材料在轧机中多次通过称为工作辊的金属辊。当铝板（或网）通过轧辊时，它们被挤压得更薄，并通过轧辊之间的间隙挤出。工作辊与称为支撑辊的较重的辊配对，它们施加压力以帮助保持工作辊的稳定性。这有助于将产品尺寸保持在公差范围内。工作辊和支撑辊以相反的方向旋转。添加润滑剂以促进轧制过程。在此轧制过程中，有时必须对铝进行退火（热处理）以保持其可加工性。
• 通过调整辊的转速和滚动润滑剂的粘度（流动阻力）、数量和温度来控制箔的减少量。辊缝决定了离开轧机的箔的厚度和长度。该间隙可以通过升高或降低上工作辊来调整。滚动在箔上产生两种自然饰面，明亮和哑光。当箔片与工作辊表面接触时，就会产生光亮的表面。要生产哑光饰面，必须将两张纸包装在一起并同时卷起；完成此操作后，相互接触的侧面最终会呈现哑光效果。通常在转换操作期间产生的其他机械精加工方法可用于产生某些图案。
• 9 当箔片通过滚筒时，它们会被安装在轧机上的圆形或剃刀状刀具修剪和切割。修剪是指箔片的边缘，而纵切则是将箔片切成几片。这些步骤用于生产较窄的卷曲宽度，修剪涂层或层压材料的边缘，以及生产矩形件。对于某些制造和加工操作，在轧制过程中断裂的网必须重新连接在一起或拼接。用于连接普通箔和/或背衬箔网的常见接头类型包括超声波、热封胶带、压力密封胶带和电焊。超声波接头在重叠金属中使用固态焊接（由超声波换能器制成）。

整理工序

• 10 在许多应用中，铝箔用于静脉注射/与其他材料结合使用。它可以涂上多种材料，例如聚合物和树脂，用于装饰、保护或热封目的。它可以层压到纸、纸板和塑料薄膜上。它还可以切割、成型为任何形状、印刷、压花、切成条状、压片、蚀刻和阳极氧化。一旦箔处于其最终状态，就会进行相应的包装并运送给客户。

质量控制

除了对温度、时间等参数进行过程控制外，箔成品还必须满足一定的要求。例如，已发现不同的加工过程和最终用途要求箔表面具有不同程度的干燥以获得令人满意的性能。润湿性测试用于确定干燥度。在该测试中，将乙醇在蒸馏水中的不同溶液以 10% 体积的增量均匀地倒在箔表面上。如果没有液滴形成，润湿性为零。该过程一直持续到确定酒精溶液的最低百分比将完全润湿箔表面。

其他重要的特性是厚度和拉伸强度。标准测试方法已由美国测试与材料协会 (ASTM) 制定。厚度是通过对样品称重并测量其面积，然后将重量除以面积乘以合金密度的乘积来确定的。箔的张力测试必须小心控制，因为测试结果可能会受到粗糙边缘和小缺陷的存在以及其他变量的影响。将样品置于夹具中并施加拉力或拉力直到样品发生断裂。测量破坏样品所需的力或强度。

未来

铝箔的普及，尤其是软包装，将继续增长。四面翅片密封袋在军事、医疗和零售食品应用中广受欢迎，在更大尺寸的机构食品服务包中也广受欢迎。还引入了用于包装 1.06 至 4.75 加仑（4-18 升） 葡萄酒 的小袋 适用于零售和餐饮市场以及其他食品服务市场。此外，其他产品还在继续开发用于其他应用。 微波炉的普及 烤箱导致开发了多种形式的铝基半刚性容器，专门为这些烤箱设计。最近，已经开发出用于烧烤的特殊烹饪箔。

然而，即使是铝箔也因其环境“友好”而受到审查。因此，制造商正在加大回收领域的力度；事实上，尽管铝箔的总吨位和捕获率远低于易于回收的铝罐，但所有美国铝箔生产商都已开始回收计划。铝箔已经具有重量轻、体积小的优势，这有助于减少其对固体废物流的贡献。事实上，层压铝箔包装仅占美国固体废物的 1% 的 17/100ths。

对于包装废弃物，最有前途的解决方案可能是源头减少。例如，包装 65 磅（29.51 公斤）的 咖啡 在钢罐中需要 20 磅（9.08 公斤）的钢，但仅需要 3 磅（4.08 公斤）的层压包装，包括铝箔。这种包装在垃圾填埋场中占用的空间也更少。铝业协会的铝箔部门甚至正在为大学和专业包装设计师开发铝箔教育计划，以帮助这些设计师了解改用软包装的好处。

铝箔在制造和分销过程中消耗的能源也更少，工厂内的废料被回收利用。事实上，回收铝，包括罐头和铝箔，占该行业年金属供应量的 30% 以上。这个数字多年来一直在增加，预计还会继续。此外，正在改进箔制造过程中使用的工艺，以减少空气污染和危险废物。