Đối với người tiêu dùng bình thường, hộp thiếc chỉ là một loại hộp đựng thực phẩm. Đó là mặt hàng mà họ vứt bỏ mà không cần suy nghĩ, thường góp phần tạo nên rác thải rắn đô thị. Tuy nhiên, đối với các kỹ sư đóng gói, giám đốc nhà máy và cán bộ mua sắm, câu trả lời cho câu hỏi “hộp thiếc được làm từ gì” không phải là một câu hỏi đố vui. Đó là một thông số kỹ thuật rất quan trọng, quyết định toàn bộ cấu trúc của một dây chuyền sản xuất.

Các tính chất cơ học của lon, phản ứng của nó trước ứng suất nhiệt, cũng như khả năng tương thích với thiết bị chiết rót và hàn kín đều phụ thuộc vào thành phần vật liệu của lon. Một dây chuyền sản xuất được hiệu chỉnh để xử lý thép mạ thiếc sẽ mất kiểm soát khi chuyển sang sản xuất lon nhôm mà không có bất kỳ điều chỉnh nào. Tương tự như vậy, việc chuyển đổi từ các mối hàn sang thân lon không mối hàn đòi hỏi phải thiết kế lại triệt để các quy trình xử lý và tiệt trùng ở các công đoạn sau.

Cẩm nang này không chỉ dừng lại ở những định nghĩa hời hợt. Chúng ta sẽ tìm hiểu về kim loại học trong ngành đóng hộp hiện đại, nhưng quan trọng hơn cả, chúng ta sẽ nghiên cứu cách những lon kim loại này phản ứng trước các tác động vật lý trong quá trình đóng gói công nghiệp.

Thực tế hiện đại: Hộp thiếc thực sự được làm từ chất liệu gì?

Cái tên “hộp thiếc” thực ra là một cách gọi sai lầm về mặt lịch sử, đã tồn tại từ đầu thế kỷ XIX. Khi quan sát một chiếc hộp thiếc trong thế giới hiện đại, bạn sẽ nhận ra rằng nó chứa rất ít thiếc. Trong hầu hết các trường hợp, trọng lượng của thiếc chỉ chiếm dưới 1% tổng trọng lượng của hộp đựng. Đó chỉ là một lớp phủ hoặc lớp thiếc siêu mỏng nhằm ngăn chặn sự ăn mòn.

Trong ngành công nghiệp bao bì hiện đại, chúng tôi phân loại các thùng chứa kim loại thành ba loại vật liệu nền. Bước đầu tiên để lựa chọn máy móc phù hợp cho dây chuyền sản xuất của quý vị là hiểu rõ sự khác biệt giữa ba loại này.

• TPS (Thép mạ thiếc)

Đây là tiêu chuẩn thông thường của thực phẩm chế biến. Nó được làm từ một tấm thép, được mạ một lớp thiếc mỏng ở cả hai mặt. Thép mang lại độ bền kéo và tính toàn vẹn cấu trúc để duy trì hình dạng của lon. Lớp thiếc giúp chống ăn mòn và, quan trọng nhất, tạo độ trơn.

Về mặt sản xuất, công nghệ TPS vẫn chiếm vị trí dẫn đầu nhờ khả năng hàn chì và hàn điện của nó. Lớp thiếc này cho phép thực hiện hàn điện trở ở tốc độ cao, nhờ đó có thể sản xuất lon 3 mảnh trong thời gian ngắn.

• TFS (Thép không chứa thiếc) / ECCS (Thép mạ crom điện phân)

TFS được phát triển như một giải pháp thay thế kinh tế cho thép mạ thiếc. Lớp nền thép được phủ một lớp cực mỏng gồm crom và oxit crom thay vì thiếc.

Mặc dù TFS có độ bám dính sơn và khả năng chống ăn mòn rất tốt, nhưng nó không có độ trơn như thiếc. Quan trọng hơn, vật liệu TFS không thể được hàn chì hoặc hàn theo phương pháp truyền thống. Lớp crom đóng vai trò như một chất cách điện. Do đó, khi dây chuyền sản xuất của quý vị sử dụng lon TFS, quy trình sản xuất lon phải dựa trên phương pháp liên kết (bằng keo nylon) hoặc các công nghệ hàn laser chuyên dụng. Bạn không thể đơn giản thay thế TPS bằng TFS mà không kiểm tra tính tương thích của thiết bị hàn mép bên.

• Hợp kim nhôm

Nhôm không thường được sử dụng trong thực phẩm chế biến cần nấu ở nhiệt độ cao, nhưng lại là tiêu chuẩn trong ngành sản xuất lon đồ uống. Những lon này không phải là nhôm nguyên chất — được chiết xuất từ quặng bauxite — mà là các hợp kim, thường là hợp kim thuộc dãy 3000 (mangan) cho thân lon và dãy 5000 (magiê) cho nắp lon. Các nguyên tố hợp kim này làm cho kim loại cứng và bền hơn, đồng thời có thể được kéo thành các hình dạng kim loại rất mỏng mà không bị rách.

Đối với người quản lý cơ sở, việc phân biệt vật liệu chỉ có hai loại: Thép (có từ tính) và Nhôm (không có từ tính). Đây là một đặc tính vật lý cơ bản quyết định thiết kế của tất cả các băng tải, máy rửa và thang máy trong cơ sở của quý vị.

Thiết kế kết cấu: Cấu trúc 3 bộ phận so với cấu trúc 2 bộ phận

Thiết kế cấu trúc của thùng chứa là kết quả trực tiếp từ việc lựa chọn vật liệu. Ngành công nghiệp này phân loại cấu trúc thùng chứa thành hai loại chính: loại 3 mảnh và loại 2 mảnh. Đây không chỉ là sự khác biệt về mặt thẩm mỹ, mà còn là sự khác biệt quyết định các giới hạn cơ học của bao bì.

Bộ 3 hộp thép: Đường hàn chịu nhiệt độ cao

Sản phẩm chủ lực của ngành công nghiệp thực phẩm đóng hộp chính là lon 3 mảnh. Như tên gọi đã chỉ ra, loại lon này được cấu tạo từ ba bộ phận riêng biệt: tấm thân hình chữ nhật, nắp trên và đáy lon.

Quy trình sản xuất bao gồm việc cán tấm thép phẳng thành hình trụ. Sau đó, các mép được dán lại với nhau. Trước đây, công đoạn này thường được thực hiện bằng cách hàn chì, nhưng phương pháp này đã dần bị loại bỏ do các quy định về sức khỏe. Trong các dây chuyền sản xuất hiện đại, người ta áp dụng phương pháp hàn điện trở để tạo ra một đường nối bên, vốn có độ bền cao hơn so với phần kim loại còn lại.

Độ cứng là ưu điểm chính của kết cấu thép 3 mảnh. Sự kết hợp giữa lớp nền thép, đường hàn và các đường gân gia cố (gờ) được cán vào thân lon tạo thành một kết cấu có khả năng chịu được chênh lệch áp suất cực lớn.

Các quy trình tiệt trùng trong buồng áp suất không thể chấp nhận sự thiếu độ cứng này. Một hộp cá ngừ hoặc súp đã được niêm phong sẽ được đặt vào buồng áp suất, nơi nó được tiếp xúc với nhiệt độ cao hơn 121 °C (250 °F). Hộp được tiệt trùng và sau đó làm lạnh nhanh chóng. Quá trình làm lạnh này tạo ra chân không bên trong hộp. Một vật chứa có tính linh hoạt sẽ bị xẹp xuống do áp suất âm này. Hộp thép 3 mảnh không bị biến dạng và duy trì được độ kín hoàn hảo. Do đó, khi sản phẩm của bạn cần được đóng kín chân không hoặc tiệt trùng ở nhiệt độ cao, cấu trúc thép 3 mảnh có lẽ là lựa chọn duy nhất dành cho bạn.

Lọ nhôm 2 mảnh: Thân lọ liền mạch để tạo bọt

Thị trường đồ uống có thể bị chi phối bởi các lon đồ uống bằng nhôm hai mảnh. Loại lon này được làm từ một miếng kim loại dùng để tạo thành thân và đáy, sau đó mới được gắn nắp vào.

Tòa nhà này được xây dựng theo quy trình được gọi là “Drawing and Wall Ironing” (DWI). Một chiếc cốc được dập bằng cuộn kim loại, sau đó được kéo giãn và ủi phẳng thành một hình trụ cao và mảnh. Không có đường nối bên hông cũng như đường nối đáy, điều này có nghĩa là nguy cơ rò rỉ được giảm thiểu tối đa.

Mặc dù cấu trúc 2 mảnh trông rất thanh thoát, nhưng các tính chất cơ học của nó hoàn toàn khác biệt so với lon 3 mảnh. Thành lon nhôm cực kỳ mỏng — thường mỏng hơn 0,1 mm.

Tòa nhà này là một cấu trúc chịu áp suất bên trong. Áp suất khí khiến các thành mỏng trở nên cứng và dẻo dai (giống như một chiếc lốp xe được bơm căng) khi chúng chứa đầy đồ uống có ga. Đây là thiết kế tiêu chuẩn của các loại nước ngọt và bia. Tuy nhiên, điểm yếu là rất rõ ràng: lon có cấu trúc yếu khi không có áp suất bên trong. Ngay cả những lon rỗng cũng dễ bị hư hỏng. Chúng không thể chịu được áp suất ngược từ quá trình đóng gói chân không hoặc làm lạnh trong nồi hấp và sẽ bị xẹp xuống. Khi bạn định sử dụng lon nhôm hai mảnh để đựng các loại đồ uống không có ga (như trà hoặc nước trái cây), bạn sẽ cần các hệ thống hỗ trợ phụ để đảm bảo tính toàn vẹn về cấu trúc của dây chuyền sản xuất.

Lớp phủ bên trong: Lớp lót polymer và an toàn thực phẩm

Chúng ta đã đề cập đến chất nền kim loại; tuy nhiên, trong 90% các trường hợp sử dụng, thực phẩm thực tế không tiếp xúc trực tiếp với kim loại. Khi thép tiếp xúc với thực phẩm có tính axit, nó sẽ bị ăn mòn. Khi tiếp xúc với nhôm, nó có thể làm thay đổi hương vị của thực phẩm.

Để giải quyết vấn đề này, các loại lon hiện đại được phủ một lớp hoàn thiện hữu cơ bên trong. Đây là các lớp phủ polymer được phun lên thân lon và sấy khô trong quá trình sản xuất.

Trong nhiều thập kỷ qua, lớp phủ epoxy-phenolic đã trở thành tiêu chuẩn trong ngành nhờ độ bền và khả năng chống hóa chất. Tuy nhiên, áp lực từ các quy định và nhu cầu của người tiêu dùng đang thúc đẩy một sự chuyển đổi mạnh mẽ sang lớp phủ không chứa BPA (BPANI), nhằm loại bỏ BPA (Bisphenol A), bao gồm cả các lớp lót gốc polyester hoặc acrylic.

Sự thay đổi về thành phần hóa học này đã đặt ra những thách thức về mặt vật lý đối với dây chuyền đóng gói. Lớp phủ BPANI thường có độ bám dính kém hơn hoặc dễ giòn hơn so với các loại sơn epoxy tiền nhiệm. Chúng có xu hướng xuất hiện các vết nứt vi mô khi tiếp xúc với ứng suất cơ học.

Điều này khiến độ chính xác của các vòi chiết rót trở nên vô cùng quan trọng. Vòi chiết rót được đưa vào bên trong lon để phun sản phẩm trên dây chuyền sản xuất tốc độ cao. Khi vòi chiết rót cọ xát vào thành lon do rung động của máy móc, lớp phủ bên trong sẽ bị hư hại. Một vết xước không thể nhìn thấy bằng mắt thường sẽ làm lộ phần kim loại trần của sản phẩm. Điều này gây ra hiện tượng gỉ sét, phồng rộp hoặc hư hỏng sau vài tuần bảo quản. Do đó, việc chuyển sang sử dụng lon không chứa BPA có thể đòi hỏi phải hiệu chỉnh lại độ chính xác và độ ổn định của đầu chiết rót để đảm bảo hoạt động không tiếp xúc.

Độ bền cơ học: Tại sao thép lại chiếm ưu thế trong lĩnh vực bảo quản thực phẩm

“Độ bền” là một thuật ngữ không chính xác khi nói đến việc lựa chọn vật liệu đóng gói. “Độ cứng” và “khả năng chịu chân không” là hai thuật ngữ mà chúng ta đang đề cập đến trong bối cảnh đóng hộp.

Tại sao thép lại là vật liệu được sử dụng phổ biến nhất trong các sản phẩm thực phẩm bảo quản như rau củ, thịt và thực phẩm chế biến sẵn? Điều này không chỉ đơn thuần là thói quen, mà còn dựa trên các nguyên lý vật lý.

Để bảo quản thực phẩm có độ axit thấp, cần phải loại bỏ oxy nhằm ngăn chặn quá trình oxy hóa và sự phát triển của vi khuẩn hiếu khí. Điều này được thực hiện thông qua Hàn kín chân không. Trong quá trình này, không khí được loại bỏ khỏi khoảng trống phía trên sản phẩm trong lon ngay trước khi nắp được hàn kín. Ngoài ra, trong các quy trình chiết rót nóng, sản phẩm được chiết rót khi còn nóng và khi nguội đi, khí trong khoảng trống phía trên sản phẩm co lại, tạo ra chân không.

Áp suất chân không này tạo ra một lực hút mạnh hướng vào trong lên thành lon. Áp suất khí quyển liên tục tác động nhằm ép dẹp lon.

Mô-đun Young (độ cứng) của thép rất cao. Thép có khả năng chịu được lực ép vào trong này mà không bị biến dạng. Điều này cho phép các nhà sản xuất thực hiện các chu kỳ chân không mạnh mẽ để đạt được thời hạn sử dụng tối đa. Khi một nhà sản xuất thử áp dụng quy trình tương tự với lon nhôm thông thường, vỏ lon sẽ bị xẹp (lõm vào trong), làm hỏng hình thức thẩm mỹ và có thể làm hỏng lớp niêm phong.

Hơn nữa, quá trình biến đổi áp suất diễn ra rất mạnh mẽ trong quy trình tiệt trùng bằng nồi áp suất. Hộp đựng được làm nóng, dẫn đến sự giãn nở bên trong, sau đó được làm lạnh, dẫn đến sự co lại nhanh chóng. Độ cứng của thép đóng vai trò như một bộ giảm xóc trước những biến động áp suất này. Điều này cho phép nhà sản xuất tập trung vào các thông số an toàn thực phẩm (thời gian và nhiệt độ) mà không phải lo lắng về việc các thùng chứa bị hỏng hóc. Đối với các sản phẩm có giá trị cao như sữa bột cho trẻ sơ sinh hoặc thịt chất lượng cao, thép là vật liệu duy nhất đảm bảo được mức độ an toàn cần thiết.

Tính dẻo: Cách nhôm giúp tạo ra các sản phẩm đồ uống nhẹ

Nếu thép bền đến vậy, tại sao toàn bộ ngành công nghiệp đồ uống lại chuyển sang sử dụng nhôm? Câu trả lời nằm ở tính dẻo và khía cạnh hậu cần.

Nhôm mềm và dẻo hơn thép rất nhiều. Tính dẻo này cho phép nhôm được kéo thành các thành rất mỏng mà không bị gãy. Một lon đồ uống bằng nhôm hiện đại là một kỳ quan kỹ thuật nhẹ - nó được chế tạo từ lượng vật liệu ít nhất có thể để chứa chất lỏng. Điều này giúp tiết kiệm đáng kể chi phí vận chuyển và nguyên liệu thô.

Tuy nhiên, tính linh hoạt này lại gây ra một vấn đề trong dây chuyền sản xuất. Một lon nhôm rất mỏng manh, chỉ cần bóp nhẹ bằng tay là có thể bị bẹp, khiến sản phẩm có giá trị có nguy cơ biến thành phế liệu. Tuy nhiên, những lon này được đóng gói trên các pallet phải chịu tải trọng hàng nghìn pound khi được xếp chồng lên nhau và vận chuyển.

Làm thế nào để giải quyết nghịch lý này? Bằng cách sử dụng Liều lượng nitơ lỏng.

Do vật liệu này không đủ cứng để tự chịu được trọng lượng (đặc biệt là đối với các loại đồ uống không có ga), nên dây chuyền đóng gói phải tạo ra độ vững chắc cấu trúc một cách nhân tạo. Một giọt nitơ lỏng cực nhỏ được thêm vào đồ uống ngay trước khi đóng nắp. Nitơ lập tức bay hơi, làm thể tích tăng gấp 700 lần.

Sự giãn nở này gây căng thẳng bên trong lon. Nó biến lớp vỏ nhôm dẻo dai, linh hoạt thành một hình trụ cứng, chịu áp suất. Áp suất bên trong này bù đắp cho sự thiếu hụt về độ bền của vật liệu.

Đối với người mua thiết bị, điều này đặt ra một nguyên tắc rất đơn giản: Khi bạn vận hành các lon nhôm đựng nước, nước trái cây hoặc cà phê, bộ định lượng nitơ không phải là một phụ kiện; nó là một bộ phận thiết yếu của hệ thống đảm bảo tính toàn vẹn cấu trúc. Nếu thiếu thiết bị này, những lon nhôm được gọi là “dẻo” sẽ bị đổ do trọng lượng phân bố của chính chúng.

Khả năng chống ăn mòn: Vai trò của các lớp thiếc và crom

Chúng ta phải đi vòng qua lớp thiếc bên trong lon thiếc. Vậy tại sao chúng ta vẫn tiếp tục sử dụng lớp mạ thiếc hoặc mạ crôm khi đã có lớp phủ polymer bên trong?

Giải pháp là cơ chế dự phòng và bảo vệ điện hóa.

Lớp phủ bên trong có thể bị hỏng. Chúng có thể chứa các lỗ nhỏ li ti hoặc bị hư hỏng trong quá trình hàn mép. Nếu không có lớp ngăn cách bằng kim loại, tính axit của thực phẩm (chẳng hạn như tương cà chua hoặc nước ép dứa) sẽ ngay lập tức ăn mòn lớp thép nền. Rỉ sét (oxit sắt) sẽ hình thành, gây ô nhiễm thực phẩm và có thể dẫn đến hiện tượng lon phồng lên và vỡ tung.

Thiếc đóng vai trò như một lớp bảo vệ. Trong một số điều kiện axit nhất định, thiếc sẽ đóng vai trò bảo vệ thép. Nghĩa là, nó sẽ bị ăn mòn dần dần để bảo vệ lớp thép bên dưới. Crom (trong TFS) tạo ra một lớp oxit thụ động, có tính trơ về mặt hóa học.

Các lớp bảo vệ này rất mỏng. Thực tế, đôi khi độ dày của chúng chỉ tính bằng micron. Điều này gây ra áp lực rất lớn lên các thiết bị chiết rót và hàn kín.

Nếu một vòi nạp Nếu sản phẩm nhỏ giọt lên vành (mép) của lon, nó có thể làm thức ăn bị kẹt trong lớp niêm phong. Khi mâm kẹp hàn (dụng cụ giữ nắp) hoạt động quá mạnh, nó có thể làm nứt lớp mạ trên vành lon. Khi lớp mạ đó bị hư hại, thì tính “chống ăn mòn” sẽ bị mất.

Điều này đặc biệt quan trọng trong các dây chuyền đóng gói sản phẩm có độ axit cao. Thiết bị được sử dụng phải xử lý lon một cách hết sức cẩn trọng. Các bộ phận tiếp xúc phải được làm từ vật liệu không gây mài mòn hoặc thép không gỉ đã qua xử lý cứng với bề mặt được đánh bóng để tránh các vết xước vi mô trên lớp mạ bảo vệ của lon. Một máy móc vận hành không êm ái có thể không dẫn đến hỏng hóc ngay lập tức, nhưng sẽ gây ra sự gia tăng đột biến về số lượng lon bị rò rỉ và sản phẩm hư hỏng vài tuần sau khi sản phẩm rời khỏi nhà máy.

Kết luận: Điều chỉnh quy trình sản xuất cho phù hợp với thông số kỹ thuật của vật liệu

Câu hỏi “hộp thiếc được làm từ chất liệu gì” thực chất là một câu hỏi thuộc lĩnh vực vật lý. Đó có thể là độ cứng của thép TPS, tính dễ vỡ của nhôm, hoặc các yêu cầu liên kết đặc biệt của TFS, nhưng mỗi loại vật liệu đều đặt ra một số quy tắc nhất định cho dây chuyền sản xuất của bạn. Việc không tuân thủ các hướng dẫn này sẽ dẫn đến hư hỏng hộp thiếc, niêm phong bị hỏng và lãng phí sản phẩm.

Để đạt được thành công trong lĩnh vực đóng gói, cần phải đảm bảo khả năng của thiết bị phù hợp với các thông số kỹ thuật của vật liệu. Đây chính là lúc Levapack nổi bật so với các đối thủ. Với hơn 18 năm kinh nghiệm trong lĩnh vực kỹ thuật và sự hiện diện tại hơn 100 quốc gia, chúng tôi không chỉ đơn thuần bán máy móc; chúng tôi cung cấp các giải pháp được thiết kế riêng cho việc xử lý vật liệu một cách chính xác. Dù quý khách cần máy hàn chân không cho lon thép cứng, dây chuyền bơm nitơ cho lon nhôm nhẹ, hay máy chiết rót chính xác cao cho bột và hạt nhạy cảm, cơ sở sản xuất rộng 4.000m² cùng đội ngũ lắp ráp chuyên nghiệp của chúng tôi sẽ cung cấp thiết bị phù hợp với đặc tính kim loại của bao bì sản phẩm. Chúng tôi đảm bảo dây chuyền sản xuất của quý khách vận hành với độ chính xác mà nguyên liệu của quý khách yêu cầu.