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玻璃包裝容器的設計(二)

瀏覽次數: 日期:2021年2月8日 09:19

摘要:

4 玻璃包裝材料的特點

玻璃是已知最古老的材料之一。人們最早使用的玻璃,來自古羅馬普林尼的《自然史》,的記載在公元前5000年人們就發現了玻璃。玻璃在中國有著悠久的歷史,隋唐以來就有記載。根據我國發現的古玻璃制品和制造工場遺址,表明至少在宋元代已采用吹管吹制中空玻璃包裝容器。但是許多世紀以來,瓶子和餐具一直是用手工吹制的方法生產的。主要靠手工業工人的技藝制造空心玻璃制品 

約在公元前1600年,埃及已興起了正規的玻璃手工業,當時首批生產的有玻璃珠和花瓶。然而,由于熔煉工藝不成熟,玻璃還不透明,直到公元前1300年,玻璃才能做得略透光線。到公元17~18 世紀,蒸汽機問世,機械工業和化學工業有了很大發展,特別是氨堿法制造純堿,使生產實現了連續性生產產品質量純凈,因而被稱為純堿,但最大的優點還在于成本低廉。1867年索爾維設廠制造的產品在巴黎世界博覽會上獲得銅制獎章,此法被正式命名為索爾維法。發明了以鹽為原料制造純堿的技術,對玻璃工業的發展起了很大的促進作用。19世紀中葉,蓄熱室池爐用于玻璃熔制并發明了半機械化成型方法。18801890年發明了壓-吹法制造大口瓶和吹-吹法制造小口瓶的成型技術。1900年出現了第一臺用電動機傳動的制瓶機。1904-1905年,美國M.J.歐文斯創制全自動真空吸料式制瓶機。1915年,滴料供料機問世,使玻璃包裝工業進入了一個迅猛發展的時期。1925年,出現了行列式制瓶機,用吹一吹法生產小口瓶。1940年,用壓一吹法制造大口瓶,之后,行列式制瓶機不斷改進。進入20世紀,玻璃容器制造已達到了機械化和自動化的程度。現在,計算機已廣泛應用于玻璃生產線的自動控制。

我國玻璃發展也有悠久的歷史,中國古代稱之為璧流璃、琉璃、頗璃,近代也稱為料,是指熔融物冷卻凝固所得到的非晶態無機材料。從歷史的遺存可以發現,我國約在公元前8世紀已經有了玻璃飾物,中國在三千多年前的西周,玻璃制造技術就達到了較高的水平。在唐宋時已有使用吹管吹制的中空玻璃容器。

我國的玻璃容器生產自1936年秋上海晶華玻璃廠引進了一臺林取-10型的自動制瓶機,用來生產啤酒瓶。開始了中國采用自動成型機,以機械化、連續自動化大批量生產啤酒瓶的歷史。

今天,玻璃已經成為現代人們日常生活、生產發展、科學研究中不可缺少的一類材料,并且它的應用范圍隨著科學技術的發展和人民生活水平的不斷提高還在日益擴大。

⑴ 玻璃的定義

玻璃的什么?玻璃的定義是:玻璃是由熔融物過冷所得的非晶態固體。因此可以理解為:玻璃是熔融、冷卻、固化的非結晶(在特定的條件下也可能成為晶態)的無機物,是過冷的液體。

我們知道,玻璃是一種具有許多優良性能的材料,它透明、化學穩定性好,硬度大,不易磨損,在一定的溫度下具有良好的可塑性……。

作為一種材料,不是僅用于包裝容器材料,在儀器、醫用、電真空與電子、光學、生物、微晶、玻璃纖維、光電子、生態環境、核技術等方面都得到廣泛的應用。

⑵ 玻璃的特征

正因為玻璃是非晶態固體是過冷液體,所以它具有以下的特征:

① 各向同性 因為玻璃態的物質的質點排列是無規則的(統計均勻)。當玻璃中不存在內應力時,其理化性質(如硬度、熱膨脹系數、熱導率、折射率、電導率、彈性模量)在各個方向是的相同的。但是,一旦玻璃中存在了應力,結構的均勻性遭到破壞,就會顯示出各向異性,譬如出現明顯的光程差。

② 介穩性(亞穩定狀態) 這是因為玻璃在急冷過程中黏度急劇增大,質點來不及形成晶體的有規則排列,系統內能來不及釋放,而是處于介穩狀態(熱力學因素)。由于常溫下黏度很大,轉變成晶體的速率極小,不能自發地轉化為晶體(動力學因素)。

③ 無固定熔點 玻璃態物質由固體轉化為液體沒有一個固定的溫度,只有一個溫度區間(轉化溫度范圍,溫度范圍的大小取決于玻璃的化學組成)。在這個溫度區間內,玻璃液由黏性體經黏塑性體、黏彈性體逐漸轉變為彈性體。這種漸變的過程正是玻璃有良好的加工性能的基礎,根據這種性能,調整玻璃成分或冷卻速率可以控制玻璃成型的時間。

④ 性質變化的連續性  從熔融態冷卻成固態,如果是結晶體,它的體積或其它物化性質會在熔點發生突變,如水在0℃結成冰,密度從1g/cm³ 的水變成密度為0.9 g/cm³的冰。而玻璃液冷卻變成固態的玻璃時,它的體積(或其它理化性質)是逐漸變化的。甚至某些性能(如密度、折射率、黏度等)隨著溫度變化的快慢而變化。

⑤ 性質變化的可逆性  玻璃由固態向熔融態或相反的過程可以多次進行,而不會伴隨新相生成。

⑶ 形成玻璃的方法

制備玻璃態物質的傳統方法是熔體冷卻法。隨著科學技術的發展,出現了許多新的玻璃形成方法,如氣相和電沉積、真空蒸發和濺射、溶膠一凝膠等方法。其中有些方法已在實際生產中獲得應用,有些還處于不斷的研究和完善階段。這些新的形成方法的應用,不僅提高了玻璃的性能,而且也使玻璃態物質的種類得到了豐富。

常規的熔體冷卻法是目前工業生產普遍采用的方法,用常規的熔體冷卻法可以獲得硅酸鹽玻璃、硼酸鹽玻璃、磷酸鹽玻璃及重金屬氧化物玻璃等。

⑷ 玻璃性質

① 與容器成型密切相關的性質

玻璃的成形過程與玻璃的性質有著密切的關系。玻璃的成形性質包括玻璃的黏度、表面張力、結晶性能、熱膨脹性、傳熱性質和熱流動性質等。下面就其中幾個重要性質作扼要說明。

a 黏度viscosity

粘度,度量流體粘性大小的物理量。又稱粘性系數、動力粘度,記為μ。

粘度是衡量流體流動性的指標,表示流體流動的分子間摩擦而產生阻力的大小,有三種表示方法:

動力粘度:面積各為1m2并相距1m的兩層流體,以1m/s的速度作相對運動時所產生的內摩擦力。單位:Pa·S(帕.秒)

運動粘度:動力粘度與同溫度下該流體密度P之比。單位為m2/s

恩氏粘度:某濃度下,在恩氏粘度計中流出200ml液體所需時間與20流出同體積蒸餾水所需時間之比。

黏度是玻璃的重要性質之一。玻璃的黏度是溫度的函數,并屬于非線性的關系,這個關系有利于制品的成形。在玻璃制品的成形過程中,要充分地利用玻璃的黏度和溫度的這一關系。

玻璃制品的成形過程可分為兩個階段,即成形階段和定形階段。第一個階段賦予制品以要求的外形(內形),第二階段是使第一階段所成的形狀固定下來。

通常,玻璃在成形過程第一階段的粘度為102~103帕··秒,第二階段的粘度為105.6帕·秒。對于不同系統的玻璃、不同的制品和不同的成形方法,情況不盡相同。

玻璃的黏度與溫度的關系和玻璃的化學組成有著密切的和復雜的關系。不同的成形方法要求玻璃具有各不相同的黏度與溫度的關系。如澆注成形,要求玻璃粘度小,流動性好,機械化高速成形,則要求“短性”玻璃,而在壓制成形時則要求“長性”玻璃。

玻璃成形的工作黏度范圍,根據不同的成形方法、制品的大小和質量而不相同。概括地說為102~106Pa·s,一般工業玻璃其上限為5×102Pa·s或103Pa·s,下限通常為4×107Pa·s。小型玻璃制品,其成形的工作黏度范圍小;大型制品的工作黏度范圍大。

“長性”玻璃的黏度—度梯度較“短性”玻璃的小,硬化速度較慢,因此其成形的工作黏度范圍大,成形過程的持續時間長。在成形過程中如果成形機的結構不可改變,而玻璃制品成形各階段的持續時間也不能調整,為了適應成形操作的特點與機速的要求,就需要改變玻璃的長短性,即改變玻璃的組成,使之適合。

b 表面張力

表面張力指液體表面任意二相鄰部分之間垂直于它們的單位長度分界線相互作用的拉力。

玻璃的表面張力在制品成形過程中有著重要意義。如人工挑料、吹小泡或滴料式供料機,都是借助玻璃的表面張力而形成球形表面的雛形或料滴的。而在拉制玻璃管和玻璃棒時,由于玻璃的表面張力作用才獲得正確的圓柱形體。有些玻璃制品成形后還要進行爆口和燒口,也是借助玻璃的表面張力使鋒利不齊的邊口加熱軟化變圓滑的。

玻璃的表面張力取決于玻璃的化學組成和溫度。在一般情況下,溫度升高則玻璃的表面張力降低。熔融玻璃的表面張力比水高3~4倍,與熔融金屬相接近,約為0.15~0.35牛/米(150~350達因/厘米)。

c 傳熱性質

玻璃的傳熱方式為傳導和輻射。玻璃制品的成形是熱交換過程,特別是第二階段定形,依賴于玻璃溫度的降低。

玻璃是熱的不良導體,其傳導傳熱取決于導熱系數的大小。玻璃的化學組成和溫度決定了導熱系數的大小。還應該指出,玻璃在成形過程中的傳熱是不穩定傳熱。

輻射傳熱是玻璃在成形過程中的主要傳熱方式,特別是在300以上時,表現尤為明顯。

d 熱流動性

從玻璃的黏度性質和傳熱性質,不難看出,玻璃的成形過程實質上是屬于流變學范疇的問題。而玻璃制品的質量在很大程度上取決于成形過程中玻璃的流變狀態。這種情況不同于常溫的流變學,由于目前對高溫玻璃流變學方面的研究水平所限,還沒有較完整的理論來指導生產。

② 玻璃的密度

玻璃的密度是表示玻璃單位體積的質量。

玻璃的密度與其成分的關系密切。各種玻璃的密度相差較大。石英玻璃的密度最小,為2.21g/cm³,含有PbO、Bi2O3、Ta2O3、WO2的玻璃密度可達6g/ cm³左右。某些防輻射玻璃的密度可高達8 g/ cm³。一般醫用玻璃、瓶罐玻璃、平板玻璃等的密度均在2.5 g/ cm³左右。

玻璃的密度會隨著溫度的升高而下降,一般的工業玻璃,當溫度從室溫升到1300時,密度下降6%~12%。在彈性變形范圍內密度的下降與玻璃的膨脹系數有關。

玻璃的密度與熱歷史有關:玻璃從高溫狀態冷卻時急冷(淬火)比緩冷(退火)的密度低;冷卻速度愈快,偏離平衡密度的溫度愈高,其轉變點(Tg)溫度也愈高。

③ 玻璃的機械強度

玻璃是一種脆性材料,它的機械強度一般用耐壓、抗折、抗張、抗沖擊強度等指標表示。玻璃能得到廣泛應用,原因之一就是耐壓強度高,硬度也高,但抗折和抗張強度不高,脆性較大,可采用多種方法,例如退火、鋼化、表面處理與涂層、微晶化、與其它材料復合等,都有可能增加玻璃的抗折強度。

影響強度的因素:溫度、組成、玻璃缺陷、表面微裂紋、玻璃中的應力、疲勞現象等。

玻璃的脆性是指當負荷超過玻璃的極限強度時立即破裂的特性。通常用破壞時所受到的沖擊強度來表示,也可用玻璃的抗壓強度與抗沖擊強度之比來表示。玻璃的脆性除了與組成有關外,也決定于制品的形狀、厚度、熱處理條件等。所以在設計瓶型時要考慮避開對強度不利的造型。

④ 玻璃的熱學性質

玻璃的熱學性質包括熱膨脹系數、導熱性、比熱容、熱穩定性等。熱膨脹系數是玻璃的一個最重要的熱學性質。

玻璃經受劇烈的溫度變化而不破壞的性能稱為玻璃的熱穩定性(ΔT)。玻璃容器尤其是盛裝食品的,在灌裝后要經過加熱處理,對其的熱穩定性要求就會高些。凡是能降低玻璃機械強度的因素,都能使玻璃人穩定性降低。反之亦然。玻璃的熱膨脹系數越小,其熱穩定性就越好。

⑤ 玻璃的化學穩定性

玻璃制品在使用過程中要受到水、酸、堿、鹽、氣體及各種化學試劑和藥液的侵蝕,玻璃對這些侵蝕的抵抗能力稱為玻璃的化學穩定性。

玻璃具有較高的化學穩定性,常用于制造包裝容器,盛裝食品、藥液和各種化學制品。

在實驗室以及化學工業的生產過程中,也廣泛采用玻璃設備,如玻璃儀器、玻璃管道、耐酸泵、化學反應鍋等。

大多數工業用玻璃都能抵抗除氫氟酸以外酸的侵蝕。玻璃的耐堿腐蝕能力較差,高溫下水也能侵蝕玻璃。

例如,普通的窗玻璃在長期承受大氣和雨水的侵蝕下,玻璃表面失去光澤,使玻璃變得晦暗,并在表面出現油脂狀薄膜、斑點等受侵蝕的痕跡;光學儀器的各類透鏡在使用過程中,因受周圍介質的作用,使光學零件蒙上“霧”狀膜、聚滴薄膜或白斑等,影響透光性和成像質量,嚴重時將造成報廢;化學儀器因玻璃受侵蝕而影響分析、化驗結果;對于安瓿瓶、鹽水瓶,在熱壓滅菌及各種氣候條件下長期與藥液接觸,玻璃就會溶解于藥液中,甚至出現脫片現象。因此,對于任何玻璃制品,都必須具有符合規定的化學穩定性指標。玻璃的化學穩定性對玻璃的加工,如磨光、鍍銀、蝕刻以及玻璃制品的存放都有重要的意義;

玻璃的化學穩定性取決于玻璃的抗蝕能力以及侵蝕介質(水、酸、堿及大氣等)的種類和特性。此外,侵蝕時的溫度、壓力等對其也有很大影響。

⑥ 玻璃的電學性質

在常溫下一般玻璃是電絕緣材料,但是隨著溫度上升,玻璃的導電性迅速提高,特別是在轉變溫度(Tg)點以上,導電率有飛躍的增加,到熔融狀態,玻璃變成電的良導體。

利用玻璃在常溫下的低電導率可用來制造照明燈泡、電真空管、氣體放電管、高壓絕緣子、電阻、被覆絕緣導線等,玻璃已成為電子工業的重要材料。導電玻璃可用于光顯示,如數字鐘表和計算機等。利用玻璃在高溫下的較高電導率,可以進行玻璃電熔和電焊。玻璃的電導率與成分有關。

 ⑸ 玻璃材料的主要特點

玻璃作為傳統的包裝材料沿用至今,仍是現代包裝的主要材料之一。玻璃以其本身的優良特性以及玻璃制造技術的不斷進步,仍能適應現代包裝發展的需要。歸結其優點有:

① 保護性能優良,阻隔性能好。不透氣,不透濕,有紫外線屏蔽性,可加色料改善遮光性,密封性能好。

② 通透感強,易于造型,可見內容物,具有特殊的傳達美化商品的效果。

③ 化學穩定性優良,無毒無味,耐腐蝕,有效保存內裝物。

④ 加工性能良好,制成的品種規格多樣,尺寸精確,還可以根據需要,制成各種封裝形式的瓶口,適合內容物的密封和取存,對產品商品化的適應性強。

⑤ 耐熱,耐壓,耐清洗,可高溫殺菌,也可低溫儲藏。

⑥ 可回收復用,成本低,不會造成公害。

⑦ 原料資源豐富,價格便宜。成型性好,加工方便,品種形狀靈活。

玻璃用作包裝料也有缺點。傳統的玻璃容器重量/容積比大,耐沖擊強度低,碰撞時易破損,運輸成本高。但現代包裝中,由于裝備和工藝水平的提高,生產薄壁輕量瓶,可以大大提高瓶強度并減少壁厚,這種輕量瓶在商品包裝市場有很大的競爭力。

總之,玻璃具有高度的透明性及抗腐蝕性,與大多數化學品接觸都不會發生材料性質的變化。其制造工藝簡便,造型自由多變,硬度大,耐熱,潔凈、易清理,并具有可反復使用等特點。廣泛用于食品、飲料、醫藥、化工、化妝品、文化用品等等的液態、黏稠態(各種醬料、食品罐頭等)、固態物體(片劑、粉劑等)的包裝。

5玻璃容器的生產工藝

⑴ 玻璃容器的生產工藝過程

① 玻璃原料 用于制備玻璃配合料的各種物質通稱為玻璃原料。

其主要原料大部分是天然的原料:石英、長石、石灰石等;還有化工產品:純堿;碎玻璃;

輔助原料,用量不大,但對不同的玻璃獲得某些必要的性質和改善熔制狀況的作用很重要:澄清劑、著色劑、乳濁劑、氧化劑、助熔劑等等。

根據對玻璃容器盛裝不同的內容物,還要調整選用的原料,改變玻璃的組成,達到調整性能控制生產。

② 工藝過程

 

③ 成型方法

按玻璃的生產方式有;

1)手工生產,2)半自動化生產, 3)自動化生產。

手工生產 所有作業均系手工做,因此單位作業時間生產量不大,而整個作業循環取決手工人的技巧和能力。適合做批量很小,個性化要求的產品

半自動化生產 大部分作業均出機器完成,如果提高機器的自動化程度,則制瓶生產率也隨之提高,因此半自動化生產適用于生產大批單一制品。

自動化生產 各個生產環節都不需要工人的任何干預,作業是自動進行的,而且相互聯系綜合構成一個完整的循環。由于生產是全部自動化的,適合大批量的產品。

按制作容器的成型方法有:

1) 壓制法,2)壓吹法,3)吹制法。4)拉制成型(管制瓶)

壓制法利用沖頭把玻璃料壓入到模身,沖頭和口模構成的封閉空腔內

壓吹法  系用二個作業循環生產制品。首先用壓制法制作成容器的雛型,然后在成型模中將之制成制品的最終形狀。吹制法只借助壓縮空氣的作用吹制制品。初型和成品都是用壓縮空氣吹制而成

拉制成型  有些小型玻璃容器,如藥用管制抗生索瓶、管制口服液瓶和安瓿等,都是以玻璃管為坯料加工制成的。

管制玻璃容器加工成型的一般過程是:

選管→清洗→預燒→拉伸或瓶口、頸肩部成型→切斷→底部成型→退火→檢驗→包裝入庫。

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