工艺技术_玻璃包装材料与制品的讲解

玻璃包装材料与制品 包装材料学 玻璃是已知的最古老的材料之一 4500年以前 美索不达米亚发明玻璃制造技术 主要是制作玻璃珠等装饰品 公元前1500年 埃及人用 砂芯 法制造出玻璃容器 历史上发现最早的玻璃包装材料 公元前1世纪 叙利亚出现了玻璃吹制技术 公元3世纪 罗马在日常的生活用品和建筑中已有相当多的玻璃制品 12世纪到15世纪 玻璃制造中心在威尼斯 公元17 18世纪 蒸气机问世 发明了以食盐为原料制造纯碱的技术 19世纪中叶 蓄热室池炉用于玻璃熔制并发明了半机械化成形方法 1905年 欧文斯真空吸料全自动制瓶机研制成功1915年 滴料供料机问世 使玻璃包装工业进入了一个迅猛发展的时期 1925年 出现了行列式制瓶机 用吹 吹法生产小口瓶 1940年 用压 吹法制造大口瓶 之后 行列式制瓶机不断改进 进入20世纪 玻璃工业已达到了机械化和自动化的程度 第一章概论 包装材料学 在人类的生活 生产 文化和科学技术各方面 玻璃材料曾经并继续起着重要作用 由于玻璃包装材料的优异特性 它是食品工业 化学工业 医药卫生等行业的常用包装材料 平板玻璃也是重要的建筑材料 玻璃材料与容器的生产在国民经济中占有非常重要的地位 玻璃包装工业的进一步发展 在很大程度上决定于与塑料瓶的竞争 生产塑料所需的原料价格随石油的价格而波动 而玻璃原料却是非常丰富的 而且价格稳定 但由于玻璃生产需要消耗大量的能量 从而玻璃也同样受到燃料价格的影响 尽管如此 由于玻璃容器具有其他包装材料无可比拟的优点 它仍然是当今及未来的重要包装材料 一 玻璃的定义 包装材料学 1 定义 玻璃 一词有两种含义 一是作为一种材料和制品 二是指物质的一种物理化学状态 广义的玻璃包括无机物质和有机物两大类 传统的玻璃是指无机玻璃 美国的定义为 玻璃是熔融体冷却为固体时 不结晶的无机产物 二 玻璃的组成及分类 包装材料学 1 根据组成可分为元素玻璃 氧化物玻璃 卤化物玻璃 硫属玻璃等等 工业生产的商品玻璃主要是氧化物玻璃 它们由各种氧化物组成 氧化物玻璃的组成主要有 SiO2 B2O3 P205 CaO SrO BaO MgO BeO ZnO PbO Ti02 ZrO等等 1 玻璃形成体氧化物Si02 B2O3 P205等氧化物可以单独形成玻璃 2 网络外体氧比物碱金属和碱土金属氧化物本身不能单独形成玻璃 但可以改变玻璃的性质 3 中间体氧化物在一定条件下可以成为玻璃形成体的氧化物 玻璃的分类 包装材料学 2 根据玻璃形成体氧化物的不同 可以分为硅酸盐玻璃 硼酸盐玻璃 磷酸盐玻璃和铝酸盐玻璃等 由两种以上玻璃形成体氧化物组成的玻璃 则以其含量多少来命名 例如 硼硅酸盐玻璃 铝硼硅酸盐玻璃 也可将一价和二价金属氧化物包括在内 如钠 钙 硅玻璃 Na2O CaO SiO2系 等 3 根据用途把玻璃分为平板玻璃 瓶罐玻璃 器皿玻璃 医药玻璃 光学玻璃 电真空玻璃 乳浊玻璃 有色玻璃 玻璃纤维等等 玻璃包装材料主要为钠 钙 硅玻璃系统 包括瓶罐 器皿 医药 乳浊玻璃等 三 玻璃的结构 包装材料学 晶体与玻璃晶体结构中的原子 离子或分子的空间排列是规则有序的 不论从几个原子间距的微观尺度 还是从长距离的宏观尺度来观察 晶体可以由构成它的最小结构单元 晶胞 重复周期性排列得到 玻璃的结构与晶体不同 虽然从几个原子间距的微观尺度来看 原子的排列也有规则 但从较长的距离观察时 原子排列没有可重复的周期性 人们通常把玻璃的这种结构特点叫做短程有序 长程无序 晶体与玻璃的不同结构特点决定了它们有许多不同的性质 晶体比容随温度的变化在熔点处突然下降即出现了不连续性 在熔点以上 晶体以液态形式存在 在熔点以下为晶态 玻璃没有确定的熔点 比容随温度连续变化到转变温度Tg 然后 曲线出现弯折 但变化仍然是连续的 在玻璃转变温度之上 玻璃以过冷熔体的状态存在 在转变温度以下为玻璃态 晶体与玻璃比容随温度变化的不同规律是由它们不同的结构特点决定的 1 石英晶体与石英玻璃的结构 包装材料学 2 晶体与玻璃的比热曲线 包装材料学 3 普通玻璃的结构 包装材料学 第二章玻璃的主要性质 包装材料学 第一节玻璃的物理性质一 密度玻璃的密度主要涣定于构成玻璃的原子质量 也与原子的堆积及配伦数有关 玻璃的密度是一个对组成变化较敏感鲍性质 只要在组成上有微小变化 便能在密度上反映出来 因而密度是表征玻璃的一个重要物理量 二 硬度硬度是固体材料抵抗另一种固体深入其内部而不产生残余形变的能力 玻璃的硬度主要决定于愿子半径 电荷大小及堆积密度 在硅酸盐玻璃中 石英玻璃硬度最大 三 机械强度玻璃是一种脆性材料 它的机械强度一般用耐压 抗折 抗张 抗冲击强度等表示 玻璃的机械强度分为理论强度和实际强度 所谓理论强度是指玻璃在不存在任何缺陷的理想情况下 能承受的最大负荷 四 玻璃的黏度黏度是表征流体内摩擦力或者表示阻碍液体流动性质的物理量 五 玻璃的热性质1 线性热膨胀系数2 玻璃的导热性与热冲击强度六 玻璃的光学性质 玻璃的黏度 包装材料学 玻璃粘度曲线 包装材料学 玻璃壁厚与热冲击强度的关系 包装材料学 玻璃机械强度与结构的关系 包装材料学 第二节玻璃的化学稳定性 包装材料学 一 玻璃被侵蚀的机理1 玻璃与水及酸的作用2 玻璃与潮湿空气的作用3 玻璃与碱的作用4 玻璃的脱片侵蚀二 玻璃的化学稳定性与组成的关系三 玻璃化学稳定性的测试1 粉末法2 表面法3 加速实验 思考题 包装材料学 1 玻璃 第三章玻璃包装容器的制造 包装材料学 习惯上 把玻璃包装容器称为玻璃瓶 按制造方法的不同将其分为模制瓶和管制瓶 普通玻璃瓶都属于模制瓶 广泛用于食品 日用化工产品 药品 化工产品的包装 管制瓶有安瓿和管制药瓶 专门用于医药品的包装 第一节玻璃瓶罐的制造 包装材料学 玻璃瓶罐的生产工艺流程为 玻璃液的制备 瓶罐成型 退火 表面处理 检验 包装 一 玻璃液的制备 包装材料学 玻璃液的制备1 配料玻璃瓶的性能在很大程度上取决于玻璃的化学组成 钠钙玻璃一般瓶罐玻璃硼硅酸盐玻璃当对玻璃的化学稳定性要求比较高时 如盐水瓶 化工上用的试剂瓶 酸瓶等 2 玻璃的熔制 l 玻璃熔炉 2 玻璃的熔制过程 硅酸盐形成阶段 玻璃形成阶段 澄清阶段 均化阶段 冷却阶段 玻璃的熔制 包装材料学 二 玻璃瓶罐的成型 包装材料学 玻璃瓶罐的成型将圆柱形料滴制成玻璃瓶罐的过程叫做成型 玻璃容器的成型经历了人工吹制成型 半机械化成型 达到了目前的机械化成型 机械化成型有供料和制瓶两个环节 1 供料供料就是将熔炉中熔制好的玻璃液连续不断 定时定量地供给成型机 滴料供料是目前机械化制瓶采用的方法 2 制瓶制瓶工业大多数采用行列式制瓶机 行列式制瓶机所生产的产品数量占全部玻璃瓶罐的80 以上 1 供料 包装材料学 2 制瓶 包装材料学 l 吹一吹法吹一吹法是行列式制瓶机生产小口瓶的方法 a 装料 由料碗落下的料滴 装入初型模中 b 瓶口成型 补气 形成瓶口和瓶颈 c 吹成型坯 吹入压缩空气 得到中空的型坯 d 型坯翻送 移开闷头 打开初型模 用翻转机构把型坯翻转180转移到成型模中 e 吹气成型 型坯加热 向成型模内吹压缩空气 正吹气 使玻璃紧贴成型模壁 产生的硬化层 最后 打开成型模 用钳瓶机把已成型的瓶子从成型模中取出放在停置板上 2 压一吹法 a 装料 b 压成型坯 c 型坯翻送 接下来在成型模一侧进行的操作与吹一吹法相同 压一吹法即可用于制造大口瓶也可制造小口瓶 l 吹一吹法 包装材料学 2 压一吹法 包装材料学 三 退火 包装材料学 退火在玻璃容器成型过程中 型坯受到的温度变化极不均匀 如玻璃与模具接触 受到急冷 出模后 为了防止制品变形 其冷却速度也较快 温度变化的不均匀 导致瓶体各处收缩不均匀 使玻璃表面和内部产生了应力 由于瓶体各处厚度不一致 各部位冷却情况不同 也会产生较多的应力 创造一个温度适宜的外界环境 使玻璃容器在其中通过高温调整 各处化学组成均匀一致 把熔制过程中因温度不均 厚度不均和质地不均等原因而产生的应力降到最低限度 这个对成型后玻璃容器的热处理过程就是退火 1 玻璃的退火温度 包装材料学 玻璃没有固定的熔点 当玻璃从熔融态冷却到脆性固态时 要经过一个转变温度区 在转变温度以下的一段温度范围内 玻璃的结构基团仍然能够进行位移 玻璃内部可产生微观粘滞性流动 使玻璃组织均匀化 消除玻璃中的残余应力 这个温度范围称为退火温度范围 2 玻璃容器的退火工艺 包装材料学 玻璃容器的退火工艺玻璃容器的退火是在退火炉中进行的 玻璃容器在退火炉中经历加热 保温 慢冷却及快冷却四个阶段 1 加热阶段 玻璃容器进入退火炉中以一定的速度被加热到退火温度 2 达到退火温度后进行均热保温 在保温阶段 玻璃容器在退火温度下保持一段时间 使容器各部位温度均匀一致 尽可能消除内部剩余应力 3 保温后进入慢冷阶段 此阶段要严格控制降温速率 以免产生新的应力 4 温度下降到应变温度以后 进入快冷阶段 此时玻璃中只有暂时应力 不再产生永久性应力 退火工艺 包装材料学 四 玻璃瓶的表面处理 包装材料学 为了提高玻璃瓶罐的耐化学腐蚀性 增加其表面光滑性以及提高玻璃瓶罐的强度 常在瓶罐退火前后对它进行表面处理 常用的方法有以下几种 1 涂布法涂布法是对玻璃外表面进行增强保护的处理方法 1 金属氧化物涂敷 2 有机物涂敷 3 冷 热双层涂敷2 起霜法这是一种对玻璃瓶内表面进行增强处理的方法 用于医用药液包装的瓶罐通常用此法进行表面处理 3 离子交换法4 物理强化法5 辐射固化涂救 1 紫外线固化涂敷 2 电子束固化涂敷6 粒化强化 五 检验 包装 包装材料学 1 玻璃瓶的缺陷 1 外观缺陷种类 裂纹 剥落 伤疵 变形 模子线 错位 表面粗糙 瓶壁厚薄不均匀 气泡 波纹 2 规格和性能上的缺陷 质量不合格 容量不合格 规格尺寸不合格 应力不合格2 玻璃瓶的检验项目 l 外观检验 2 尺寸检验 3 物理检验 4 化学稳定性检验 5 强度检验3 玻璃瓶罐的包装玻璃瓶罐常用的包装形式有 厚纸板箱 木箱 塑料箱 收缩包装和托盘式包装 第二节安瓿和管制玻璃药瓶 包装材料学 安瓿和管制玻璃药瓶是用于医药品包装的玻璃容器 抗菌素药瓶用于包装注射剂的安瓶 制造这类瓶子的玻璃必须具备很好的化学稳定性 选用硼硅酸盐玻璃 成型方法称为拉制法 先制管 后拉制成瓶 因此 也称为管制瓶 安瓿和管制玻璃药瓶的生产工艺流程与瓶罐玻璃相似 原料混合 熔化 流料槽 拉管机 玻璃管 管制药瓶成型 或安瓿的成型 退火 成品 安瓿和管制瓶成型方法 包装材料学 安瓿瓶成型方法 包装材料学 管制瓶成型方法 包装材料学 第三节轻量玻璃瓶 包装材料学 一 轻量瓶表示方法1 重容比重容比是指玻璃瓶本身重量与瓶有效容积之比 常用W g C mL 表示 2 减重率减重率是轻量瓶与原瓶重比较而言 据日本窑业协会的资料 日本轻量瓶的减重率要求达到15 40 3 轻量瓶的级轻量瓶的级是指用Emhart公司的经验公式来表示的轻量瓶的轻量化程度 二 轻量瓶的设计与制造 包装材料学 轻量瓶可以节约原料 降低燃料消耗 提高出产率 降低成本和运输费用 还可提高玻璃容器的耐热冲击性 透明性等性能 重量瓶平均壁厚为3 5mm的玻璃瓶 轻量瓶平均壁厚为2mm 2 5mm 1 轻量瓶的设计一般地说 在轻量瓶瓶型设计中往往遵循两个基本原则 即单位体积下均最小表面积原则和最低应力水平原则 2 轻量瓶的制造 l 高质量的玻璃 2 成型的影响3 轻量瓶的表面处理热端和冷端涂布的双重施涂 表面钢化 紫外线固化涂布 电子束固化涂布等 思考题 包装材料学 1 玻璃的熔制分为哪几个阶段 各阶段的温度 粘度大致为多少 2 玻璃容器的退火分为哪几个阶段 为什么要控制各阶段的时间或升 降温速度 如何控制 3 为什么要对玻璃容器进行表面处理 主要的处理技术及其处理原理是什么 4 试述轻量瓶的表示方法和设计原则 第四章陶瓷包装 包装材料学 陶瓷的传统概念是指以粘土为主要原料与其它天然矿物经过粉碎混炼 成型 煅烧等过程而制成的各种制品 陶瓷制品是人类制造和使用的最早物品之一 距今已有几千年的历史 基于陶瓷制品独特的优异性能 在各种新材料 新工艺层出不穷的今天 陶瓷包装容器仍在现代产品包装中占有重要的一席之地 陶瓷制品分类 包装材料学 按陶瓷制品坯体的结构质地不同 陶瓷制品分为两大类 1 陶器陶器是一种坯体结构较为疏松 致密度较差的陶瓷制品 陶器通常有一定吸水率 断面粗糙无光 没有半透明性 敲之声音粗哑 2 瓷器瓷器的坯体致密 基本上不吸水 有一定的半透明性 断面呈石状或贝壳状 陶瓷包装的性能特点 包装材料学 1 陶瓷的原料是粘土及一些天然矿物 岩石等 来源广 费用低 2 陶瓷耐热性 耐火性与隔热性比玻璃好 且耐酸和耐药性能优良 陶瓷容器透气性极低 历经多年不变形 不变质 是理想的食品 化学品的包装容器 3 同时 陶瓷容器在成型与焙烧时伴随着不可避免的收缩与变形 尺寸误差较大 因而给自动包装作业带来一定的困难 4 陶瓷容器的生产多为间歇式 生产效率低 5 陶瓷容器耐冲击性差 密度也比较大 包装和运输成本也较高 陶瓷包装的应用 包装材料学 陶瓷包装的应用有一定的局限性 但也使陶瓷包装更具手工和自然特色 1 我国一些地方风味的酱菜 调味品 至今仍然采用古色古香 乡土气息浓厚的陶器包装 2 采用瓷器包装高档名酒更有独特的东方神韵 由于陶瓷容器在造型 色彩 工艺性等方面具有我国民族色彩 作为包装容器在国内外有广阔市场 第一节陶瓷原料 包装材料学 陶瓷的主要原料可归纳为三大类 1 具有可塑性的粘土类原料 2 具有非可塑性的石英类原料 3 能生成玻璃相的长石 滑石 钙镁的碳酸盐等溶剂性原料 4 各种特殊原料作为助剂 如助磨剂 助滤剂 解凝剂 增塑剂 增强剂等 以及作为陶瓷釉料的各种化工原料 一 粘土类原料 包装材料学 粘土类原料是陶瓷的三大主要原料之一 包括高岭土 多水高岭土 烧后是白色的各种类型粘土和作为增塑剂的膨润土等 在细瓷配料中粘土类原料的用量常达40 60 在陶器用量还可增多 1 粘土的组成粘土是多种微细矿物组成的混合体 主要的粘土矿物都是含水的铝硅酸盐 2 粘土在陶瓷中的作用 包装材料学 l 塑化作用塑造成各种形状 陶瓷生产的工艺基础 2 结合作用形成陶器主体结构 3 成瓷作用粘土是陶瓷坯体烧结时的主体 在焙烧中能保持一定形状 二 石英类原料 包装材料学 自然界中的二氧化硅结晶矿物统称为石英 有多种状态和不同纯度 1 石英属于瘠性材料 减粘物质 可降低坯料的粘性 对坯料的可塑性起调节作用 2 在烧成时 粘土因失水而收缩很容易产生龟裂 石英对粘度的降低和加热膨胀性可部分抵消坯体收缩的影响 3 在瓷器中 大小适宜的石英颗粒可以大大提高坯体的强度 还能使瓷器的透光度和强度得到改善 一般在日用陶瓷中 石英类原料占25 左右 三 长石类原料 包装材料学 长石的主要成分是钾 钠 钙的铝硅酸盐 长石类原料作用 长石则属于溶剂原料 高温下熔融后可以溶解一部分石英及高岭土分解产物 形成玻璃状的流体 并流入多孔性材料的孔隙中 起到高温胶结作用 并形成无孔性材料 在日用陶瓷中 长石类原料占25 左右 四 辅助原料 包装材料学 除上述三类主要原料外 有时还加入一些其它填加剂 1 烧制骨瓷时要加人动物的骨灰 它可以增加半透明性和强度 2 碳酸盐类辅料如石灰石 菱镁矿可降低烧结温度 缩短烧结时间 也有增加产品透明度的作用 3 滑石等含水碳酸镁盐类辅料在降低烧结温度的同时 还能改善陶瓷的性能 如白度 透明度 机械强度 热稳定性 第二节陶瓷包装容器的制造 包装材料学 一 陶瓷包装容器的分类陶瓷包装容器按结构形式可分类如下 缸 坛 罐 瓶 二 陶瓷包装容器的制造工艺过