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1、第四篇 玻璃包装材料,一、玻璃材料的特性1玻璃包装材料优点（1）化学惰性。（2）阻隔性高。（3）透明度高，且可制成有色玻璃。（4）刚性大，耐内部压力强。（5）耐热性好。（6）制造原料易得充分，成本低廉。（7）可重复使用，环保性能好。,第一章 概 述,2玻璃包装材料缺点（1）脆性 玻璃的耐冲击强度不大，尤其当表面受到损伤或制造时组成不均匀时更严重，而这可能造成严重后果。 （2）重量大 每个瓶子用了过量的玻璃以确保各点有足够的强度。这样就提高了成本且使运输费用增大。,第一章 概 述,二、玻璃原料,用于制造玻璃的各种原始物料，可分为主要原料和辅助原料两大类。主要原料指向玻璃中引入各种氧化物的原料，对
2、玻璃的结构和物理、化学性质起主要作用；辅助原料是为了改善某一方面的性能或加速玻璃的熔制过程而加入的物料。玻璃的组成氧化物： 按玻璃组成氧化物在玻璃结构中的作用，可分为玻璃形成体氧化物、中间体氧化物和网络外体氧化物三大类。,第一章 概 述,1.玻璃形成体氧化物 玻璃形成氧化物为二氧化硅（SiO2）和氧化硼（B2O3）。 二氧化硅（SiO2） 单独的二氧化硅可以形成石英玻璃，在一般玻璃中，二氧化硅以硅氧四面体结构单元形成结构网络。 作用：降低玻璃的热膨胀系数、密度，提高玻璃的热稳定性、化学稳定性、粘度、机械强度等；但含量高，需要较高的熔融温度。一般瓶罐玻璃二氧化硅含量约为73%左右。,第一章 概
3、述, 氧化硼（B2O3） 氧化硼也可以单独形成玻璃，它以硼氧三角体BO3和硼氧四面体BO4为结构单元。在硼硅酸盐玻璃中与硅氧四面体共同组成结构网络。作用：能降低玻璃的热膨胀系数（硼的加入量应适当，过量时玻璃的热膨胀系数等反而增大，热稳定性差）；提高玻璃的化学稳定性和热稳定性；改善玻璃的光泽、提高玻璃的机械强度；少量的氧化硼有助熔作用，加速玻璃的澄清，降低玻璃的结晶能力。,第一章 概 述,2.中间体氧化物 中间体氧化物自身不能形成玻璃，但可以连接二氧化硅（玻璃）链使其保持玻璃态。它既是玻璃网络结构的一部分，又可以改进结构内部的位置。 中间体氧化物主要有氧化铝（Al2O3），氧化铅（PbO），氧化
4、锌（ZnO）等。用量不宜过多，要适当。作用：降低玻璃的热膨胀系数；提高玻璃的热稳定性、化学稳定性、机械强度和粘度；,第一章 概 述,3.网络外体氧化物改性剂 网络外体氧化物不参加玻璃的结构网络，居于网络之外，但能促使玻璃网络破裂而改变玻璃的性质。 主要有：氧化锂（Li2O）、氧化钠（Na2O）、氧化钾（K2O）、氧化镁（MgO）、氧化钙（CaO）、氧化钡（BaO）等。 作用：降低熔点和简化工艺。,第一章 概 述,一般玻璃瓶罐的化学组成范围为： SiO2：6675% Al2O3 ： 0.77.0% Na2O：1216% K2O：0.14.0% MgO：0.15.0% CaO：612% BaO：0
5、4.5%,第一章 概 述,三、玻璃的结构,结构最简单的石英玻璃：石英是由二氧化硅组成的，它有两种结构状态，晶体与玻璃，从几个原子间距的近距离观察，石英晶体与石英玻璃的基本结构单元都是由硅氧四面体SiO4构成的，即每个硅原子被4个氧原子包围组成四面体，各四面体之间通过顶角相连接，形成向3度空间发展的网络结构。石英晶体中的硅氧排列得非常规则有序，即不论从“短程”还是从“长程”来看，都有很好的重 复性和周期性。而在石英玻璃中，硅氧排 列的规律性只在几个原子间距的“短程”内 保持着，从较大的范围看，没有可重复的 周期性，是短程有序，长程无序。,第一章 概 述,石英晶体和石英玻璃中原子的排列,引入了金属
6、氧化物，改变了石英玻璃中单一的化学组成和SiO的比例，使原来互相连接的SiO4四面体网络断裂，“桥氧”变为“非桥氧”，只与1个硅离子相连，引入的Na+、Ca2+离子在非桥氧附近，处于断裂网络形成的空隙中，以平衡氧离子的负电荷。 Na2O、CaO等氧化物的加入，改变了原来的四面体网络，引起玻璃的许多性质改变，如降低了玻璃的熔制温度和粘度，降低了硬度和强度，降低了化学稳定性，增大了热膨胀系数，从而导致抗热冲击性能下降 。,钠钙玻璃的结构,第一章 概 述,四、玻璃材料的种类 玻璃包装材料根据形成体氧化物的种类，把玻璃分成硅酸盐玻璃、硼酸盐玻璃、磷酸盐玻璃和铝酸盐玻璃等。常用的包装玻璃为钠钙玻璃，其次
7、是硼（B）硅酸盐玻璃。,表 4-1 几种常用玻璃的组成及性能,第一章 概 述,表4-2 几种玻璃瓶的化学组成,第一章 概 述,作为玻璃包装容器，其8090是玻璃瓶和罐，所谓玻璃瓶通常指的是饮料用的小口瓶，玻璃罐通常指的是食品用的广口瓶。玻璃瓶罐的种类很多，主要包括啤酒瓶、各种酒瓶，饮料瓶、牛奶瓶、油瓶、调味品瓶、化妆品瓶、药瓶、果酱瓶、食品水果瓶等。玻璃瓶罐是一种古老而又新颖引人的包装容器，在激烈的竞争中，它始终能介于食品、饮料、化工、医药等包装领域而立于不败之地。,第二章 玻璃包装容器,第二章 玻璃包装容器,一、玻璃瓶罐的制造1.配料 将主要原料、辅助原料及碎玻璃经过干燥、粉碎；过筛后，按配
8、方比例在混合机中混合。 原料必须混合均匀，否则玻璃容器易出现条纹、节瘤和气泡等缺陷。,第二章 玻璃包装容器,2.熔制 混合均匀的原料通过加料机加到用耐火材料砌成的熔窑中熔制。原料经过高温加热形成无气泡、无条纹并符合成型要求的均匀的玻璃液的过程称熔制。熔制瓶罐生产的关键环节与产量、质量、能耗、成本有密切关系。熔窑通过燃料燃烧或少数用电加热。钠-钙-硅玻璃的熔窑温度一般为1400-1600 。在熔窑中将发生一系列的物理和化学变化，使结晶原料组成的配合料转变成非结晶的、质地均匀的玻璃熔体。在熔窑中，各种原料之间的反应极复杂。,第二章 玻璃包装容器,玻璃的熔制过程,玻璃的熔制过程，大致分为五个阶段：硅
9、酸盐形成、玻璃形成、澄清、均化和冷却。 硅酸盐形成 配合料中的各组分在加热中经过一系列的物理和化学变化，配合料变成了由硅酸盐和SiO2组成的不透明烧结物。对于普通的硅酸盐玻璃，这一阶段约在800900时基本结束。 玻璃的形成 烧结物继续加热时即开始熔融。易熔的低共熔混合物首先开始熔化，原先形成的硅酸盐与SiO2相互扩散与熔解。,玻璃的熔制过程,这一阶段结束时，烧结物变成了透明体，再没有未起反应的配合料颗粒。但此时的玻璃带有大量的气泡、条纹，在玻璃液的化学成分上是不均匀的。对于普通的瓶罐玻璃钠钙玻璃而言，此阶段于1200左右结束。 玻璃液的澄清 玻璃液继续加热，其粘度进一步降低，并放出玻璃中的气
10、体，到可见气泡基本排除。对通常的钠钙玻璃而言，其澄清温度为14001600，粘度为100Pa.s。,玻璃的熔制过程, 玻璃的均化 当玻璃液长时间地处于高温下，其化学组成就逐渐趋向均化。玻璃液中的条纹由于扩散、溶解而清除。溶制普通玻璃时，均化可在低于澄清温度下完成。 玻璃液的冷却 将已澄清和均化的玻璃液降温，使玻璃液具有成形所需的粘度，在冷却阶段中，应以不损坏玻璃的质量为前提。,3.成型 供料机将在熔窑中制得的与玻璃瓶罐的重量相当的、粘稠的玻璃熔体料滴供给制瓶机，吹制成型。有吹-吹法和压一吹法两种成型方法。其原理都是利用玻璃在一定温度范围内有可塑性，并且能随温度降低而硬化、因而采用各种方法使之塑
11、制成需要的形状。吹一吹法是先做成瓶罐雏形(雏形料泡)，再将雏形料泡翻转到成型模，并向成型模吹入压缩空气，即制得成型瓶。压一吹法是将落入雏形模的料滴用金属冲头压制成瓶子雏形，然后在成型模中吹制成瓶罐。,第二章 玻璃包装容器,4.退火 退火是将成型后的玻璃容器置于退火炉中，加热到退火温度并保持一定时间，然后缓慢冷却的过程。玻璃瓶罐在成形过程中与模具接触，表面受到急冷。出模后为防止变形，冷却速度也比较快，由于内外层的温度梯度造成收缩不致，从而产生应力。由于瓶罐各部位的厚度不完全相同，因此应力也不均衡，这使得瓶罐的机械强度和热稳定性大大降低，容易破裂。为此，在退火温度(一般为520600)维持一定时间
12、，使其内外温度一致，应力消除。然后以不致重新产生应力的冷却速度，使之缓慢冷却，制得玻璃结构均匀、应力符合要求的容器。,第二章 玻璃包装容器,5.瓶罐的二次加工 经退火后的瓶罐大部分可以直接使用，也有部分产品根据用户的不同要求进行二次加工，如烧口(如啤酒瓶、汽水瓶等需耐内压力的容器，需对瓶口进行烘烧，以消除微小裂纹，保证密封)、钢化、化学强化、研磨、抛光、印花等。,第二章 玻璃包装容器,一、玻璃包装容器的优点： (1)无毒无味，化学稳定性极好，卫生清洁，耐 气候性好。 (2)光亮、透明、美观，阻隔性能极好，不透气。 (3)原料来源丰富、价格便宜；成型性好，加工 方便，品种形状灵活；可回收及重复使
13、用。 (4)耐热、耐压、耐清洗；可高温杀菌，也可低温 贮藏。,第二章 玻璃包装容器,玻璃包装容器的缺点： 重量大，运输费用高；脆性大、易破碎，加工能耗大；印刷等二次加工性差。,第二章 玻璃包装容器,二、玻璃包装容器分类：1.按容器制造方法分为根据模具成型的模制瓶和通过拉制成 型再二次加工成型的管制瓶。2.按色泽分为无色透明瓶、有色瓶和不透明的混浊玻璃瓶；3.按瓶口形式分为磨口瓶、普通塞瓶、螺旋盖瓶、凸耳瓶、 冠形盖瓶、滚压盖瓶；4.按容积分有小型瓶和大型瓶；按使用次数还可分为一次用 瓶和复用瓶。5.按瓶壁厚度可分为厚壁瓶和轻量瓶。6.按瓶口尺寸分类：大口瓶（瓶口内径大于30mm）和小口瓶（瓶口
14、内径小于30mm）。,第二章 玻璃包装容器,玻璃包装容器的结构,1瓶口 2瓶颈 3瓶肩 4瓶身 5瓶根 6瓶底图4-1 玻璃瓶结构,第二章 玻璃包装容器,1.无色透明且能遮隔紫外线的玻璃容器 在能引起内容物变质劣化的光线中，最为有害的是波长为280nm400nm的紫外线。 吸收紫外线的无色透明玻璃（UVA）加工方法： 通过在玻璃中添加能吸收紫外线的金属氧化物，同时利用颜色互补效应，再添加某些金属或其氧化物使带有颜色的玻璃褪色。目前已商品化的UVA玻璃一般是添加氧化钒(V)、氧化铈(Ce)两种金属氧化物。,三、新型玻璃包装容器及其加工技术,第二章 玻璃包装容器,图 UVA玻璃与普通玻璃紫外线透射
15、率对比曲线图（玻璃厚度3.5mm）,第二章 玻璃包装容器,2.涂覆玻璃容器 在玻璃容器表面涂覆一层聚合物薄膜称为涂覆玻璃容器。这种薄膜可制成各种颜色和外表形状，使玻璃的颜色种类最大限度地减少。优点：（1）聚合涂覆薄膜的厚度一般为5m20m，不影响玻璃容器废弃后的回收利用。（2）可防止容器之间因碰撞摩擦等引起玻璃瓶表面的损伤；（3）可遮盖玻璃容器原有的细微伤痕，使容器的耐压强度提高40%以上。,第二章 玻璃包装容器,3.生态玻璃瓶 以废玻璃为主要原料的玻璃容器称为“生态玻璃瓶”。当然严格意义上的“生态玻璃”要求废玻璃的比例占90%以上。,第二章 玻璃包装容器,4.强化玻璃 又叫钢化玻璃。采用物理的(热处理)或化学的(离子交换)方法，将能抵抗拉应力的压应力层预先置入玻璃表面，使玻璃在受到拉应力时，首先抵消表面层的压应力，从而提高玻璃的抗拉强度。,
