玻璃包裝材料與制品

玻璃是已知的最古老的材料之一。4500年以前，美索不達(dá)米亞發(fā)明玻璃制造技術(shù)．主要是制作玻璃珠等裝飾品。公元前1500年，埃及人用“砂芯”法制造出玻璃容器，歷史上發(fā)現(xiàn)最早的玻璃包裝材料。公元前1世紀(jì)，敘利亞出現(xiàn)了玻璃吹制技術(shù)。公元3世紀(jì)，羅馬在日常的生活用品和建筑中已有相當(dāng)多的玻璃制品。12世紀(jì)到15世紀(jì)，玻璃制造中心在威尼斯。公元17—18世紀(jì)，蒸氣機(jī)問世，發(fā)明了以食鹽為原料制造純堿的技術(shù)。19世紀(jì)中葉，蓄熱室池爐用于玻璃熔制并發(fā)明了半機(jī)械化成形方法。1905年，歐文斯真空吸料全自動制瓶機(jī)研制成功1915年，滴料供料機(jī)問世，使玻璃包裝工業(yè)進(jìn)入了一個迅猛發(fā)展的時期。1925年，出現(xiàn)了行列式制瓶機(jī)，用吹—吹法生產(chǎn)小口瓶；1940年，用壓—吹法制造大口瓶，之后，行列式制瓶機(jī)不斷改進(jìn)。進(jìn)入20世紀(jì)，玻璃工業(yè)已達(dá)到了機(jī)械化和自動化的程度。第一章概論在人類的生活、生產(chǎn)、文化和科學(xué)技術(shù)各方面，玻璃材料曾經(jīng)并繼續(xù)起著重要作用。由于玻璃包裝材料的優(yōu)異特性，它是食品工業(yè)、化學(xué)工業(yè)、醫(yī)藥衛(wèi)生等行業(yè)的常用包裝材料。平板玻璃也是重要的建筑材料。玻璃材料與容器的生產(chǎn)在國民經(jīng)濟(jì)中占有非常重要的地位。玻璃包裝工業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，在很大程度上決定于與塑料瓶的競爭。生產(chǎn)塑料所需的原料價格隨石油的價格而波動，而玻璃原料卻是非常豐富的，而且價格穩(wěn)定。但由于玻璃生產(chǎn)需要消耗大量的能量，從而玻璃也同樣受到燃料價格的影響。盡管如此，由于玻璃容器具有其他包裝材料無可比擬的優(yōu)點(diǎn)，它仍然是當(dāng)今及未來的重要包裝材料。一、玻璃的定義1、定義“玻璃”一詞有兩種含義：一是作為一種材料和制品；二是指物質(zhì)的一種物理化學(xué)狀態(tài)；廣義的玻璃包括無機(jī)物質(zhì)和有機(jī)物兩大類，傳統(tǒng)的玻璃是指無機(jī)玻璃。美國的定義為：玻璃是熔融體冷卻為固體時，不結(jié)晶的無機(jī)產(chǎn)物。二、玻璃的組成及分類1.根據(jù)組成可分為元素玻璃、氧化物玻璃、鹵化物玻璃、硫?qū)俨ＡУ鹊取９I(yè)生產(chǎn)的商品玻璃主要是氧化物玻璃，它們由各種氧化物組成。氧化物玻璃的組成主要有：SiO2。，B2O3，P205，CaO，SrO，BaO，MgO，BeO，ZnO，PbO，Ti02，ZrO等等。（1）玻璃形成體氧化物

Si02，B2O3，P205等氧化物可以單獨(dú)形成玻璃；（2）網(wǎng)絡(luò)外體氧比物

堿金屬和堿土金屬氧化物本身不能單獨(dú)形成玻璃，但可以改變玻璃的性質(zhì)；（3）中間體氧化物在一定條件下可以成為玻璃形成體的氧化物。

玻璃的分類2.根據(jù)玻璃形成體氧化物的不同，可以分為硅酸鹽玻璃、硼酸鹽玻璃、磷酸鹽玻璃和鋁酸鹽玻璃等。由兩種以上玻璃形成體氧化物組成的玻璃，則以其含量多少來命名。例如，硼硅酸鹽玻璃；鋁硼硅酸鹽玻璃；也可將一價和二價金屬氧化物包括在內(nèi)，如鈉—鈣—硅玻璃(Na2O-CaO—SiO2系)等。3.根據(jù)用途把玻璃分為平板玻璃、瓶罐玻璃、器皿玻璃、醫(yī)藥玻璃、光學(xué)玻璃、電真空玻璃、乳濁玻璃、有色玻璃、玻璃纖維等等。玻璃包裝材料主要為鈉—鈣—硅玻璃系統(tǒng)，包括瓶罐、器皿、醫(yī)藥、乳濁玻璃等。三、玻璃的結(jié)構(gòu)

晶體與玻璃晶體結(jié)構(gòu)中的原子、離子或分子的空間排列是規(guī)則有序的，不論從幾個原子間距的微觀尺度，還是從長距離的宏觀尺度來觀察，晶體可以由構(gòu)成它的最小結(jié)構(gòu)單元(晶胞)重復(fù)周期性排列得到。玻璃的結(jié)構(gòu)與晶體不同，雖然從幾個原子間距的微觀尺度來看，原子的排列也有規(guī)則，但從較長的距離觀察時，原子排列沒有可重復(fù)的周期性。人們通常把玻璃的這種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)叫做短程有序，長程無序。晶體與玻璃的不同結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了它們有同的性質(zhì)。晶體比容隨變化在熔點(diǎn)處突然下降即出現(xiàn)了不連續(xù)性。在熔點(diǎn)以上，晶體以液態(tài)形式存在，在熔點(diǎn)以下為晶態(tài)。玻璃沒有確定的熔點(diǎn)，比容隨續(xù)變化到轉(zhuǎn)變Tg，然后，曲線出現(xiàn)彎折，但變化仍然是連續(xù)的。在玻璃轉(zhuǎn)變上，玻璃以過冷熔體的狀態(tài)存在，在轉(zhuǎn)變下為玻璃態(tài)。晶體與玻璃比容隨化的不同規(guī)律是由它們不同的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定的。1.石英晶體與石英玻璃的結(jié)構(gòu)2.晶體與玻璃的比熱曲線3.普通玻璃的結(jié)構(gòu)第二章玻璃的主要性質(zhì)第一節(jié)玻璃的物理性質(zhì)一、密度玻璃的密度主要渙定于構(gòu)成玻璃的原子質(zhì)量，也與原子的堆積及配倫數(shù)有關(guān)。玻璃的密度是一個對組成變化較敏感鮑性質(zhì)，只要在組成上有微小變化，便能在密度上反映出來。因而密度是表征玻璃的一個重要物理量。

二、硬度硬度是固體材料抵抗另一種固體深入其而不產(chǎn)生殘余形變的能力。玻璃的硬度主要決定于愿子半徑、電荷大小及堆積密度。在硅酸鹽玻璃中，石英玻璃硬度最大。三、機(jī)械強(qiáng)度玻璃是一種脆性材料，它的機(jī)械強(qiáng)度一般用耐壓、抗折、抗張、抗沖擊強(qiáng)度等表示。玻璃的機(jī)械強(qiáng)度分為理論強(qiáng)度和實際強(qiáng)度。所謂理論強(qiáng)度是指玻璃在不存在任何缺陷的理想情況下，能承受的最大負(fù)荷。四、玻璃的黏度黏度是表征流體內(nèi)摩擦力或者表示阻礙液體流動性質(zhì)的物理量！五、玻璃的熱性質(zhì)1、線性熱膨脹系數(shù)2、玻璃的導(dǎo)熱性與熱沖擊強(qiáng)度六、玻璃的光學(xué)性質(zhì)玻璃的黏度玻璃粘度曲線玻璃壁厚與熱沖擊強(qiáng)度的關(guān)系玻璃機(jī)械強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)的關(guān)系第二節(jié)玻璃的化學(xué)穩(wěn)定性一、玻璃被侵蝕的機(jī)理1、玻璃與水及酸的作用2、玻璃與潮濕空氣的作用3、玻璃與堿的作用4、玻璃的脫片侵蝕二、玻璃的化學(xué)穩(wěn)定性與組成的關(guān)系三、玻璃化學(xué)穩(wěn)定性的測試1、粉末法2、表面法3、加速實驗思考題1．玻璃第三章玻璃包裝容器的制造

習(xí)慣上，把玻璃包裝容器稱為玻璃瓶，按制造方法的不同將其分為模制瓶和管制瓶。普通玻璃瓶都屬于模制瓶，廣泛用于食品、日用化工產(chǎn)品、藥品、化工產(chǎn)品的包裝；管制瓶有安瓿和管制藥瓶，專門用于醫(yī)藥品的包裝。第一節(jié)玻璃瓶罐的制造

玻璃瓶罐的生產(chǎn)工藝流程為：

玻璃液的制備—瓶罐成型—退火—表面處理—檢驗、包裝。一、玻璃液的制備

玻璃液的制備1．配料

玻璃瓶的性能在很大程度上取決于玻璃的化學(xué)組成。鈉鈣玻璃一般瓶罐玻璃硼硅酸鹽玻璃當(dāng)對玻璃的化學(xué)穩(wěn)定性要求比較高時，如鹽水瓶、化工上用的試劑瓶、酸瓶等。2．玻璃的熔制（l）玻璃熔爐（2）玻璃的熔制過程①硅酸鹽形成階段。

②玻璃形成階段③澄清階段④均化階段⑤冷卻階段玻璃的熔制二、玻璃瓶罐的成型

玻璃瓶罐的成型

將圓柱形料滴制成玻璃瓶罐的過程叫做成型。玻璃容器的成型經(jīng)歷了人工吹制成型、半機(jī)械化成型，達(dá)到了目前的機(jī)械化成型。機(jī)械化成型有供料和制瓶兩個環(huán)節(jié)。

1．供料

供料就是將熔爐中熔制好的玻璃液連續(xù)不斷、定時定量地供給成型機(jī)。滴料供料是目前機(jī)械化制瓶采用的方法。2．制瓶制瓶工業(yè)大多數(shù)采用行列式制瓶機(jī)。行列式制瓶機(jī)所生產(chǎn)的產(chǎn)品數(shù)量占全部玻璃瓶罐的80％以上。

1．供料2．制瓶（l）吹一吹法吹一吹法是行列式制瓶機(jī)生產(chǎn)小口瓶的方法：（a）裝料：由料碗落下的料滴，裝入初型模中；（b）瓶口成型：補(bǔ)氣—形成瓶口和瓶頸；（c）吹成型坯：吹入壓縮空氣—得到中空的型坯；（d）型坯翻送：移開悶頭，打開初型模，用翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)把型坯翻轉(zhuǎn)180轉(zhuǎn)移到成型模中；（e）吹氣成型：型坯加熱—向成型模內(nèi)吹壓縮空氣（正吹氣），使玻璃緊貼成型模壁—產(chǎn)生的硬化層。最后，打開成型模，用鉗瓶機(jī)把已成型的瓶子從成型模中取出放在停置板上。

（2）壓一吹法（a）裝料；（b）壓成型坯；（c）型坯翻送。接下來在成型模一側(cè)進(jìn)行的操作與吹一吹法相同。

壓一吹法即可用于制造大口瓶也可制造小口瓶。

（l）吹一吹法（2）壓一吹法三、退火

退火在玻璃容器成型過程中，型坯受到的化極不均勻，如玻璃與模具接觸，受到急冷；出模后，為了防止制品變形，其冷卻速度也較快?；牟痪鶆颍瑢?dǎo)致瓶體各處收縮不均勻，使玻璃表面和產(chǎn)生了應(yīng)力。由于瓶體各處厚度不一致，各部位冷卻情況不同，也會產(chǎn)生較多的應(yīng)力。

創(chuàng)造一個宜的外界環(huán)境，使玻璃容器在其中通過高，各處化學(xué)組成均勻一致，把熔制過程中因均、厚度不均和質(zhì)地不均等原因而產(chǎn)生的應(yīng)力降到最低限度。這個對成型后玻璃容器的熱處理過程就是退火。1．玻璃的退火

玻璃沒有固定的熔點(diǎn)，當(dāng)玻璃從熔融態(tài)冷卻到脆性固態(tài)時，要經(jīng)過一個轉(zhuǎn)變。在轉(zhuǎn)變下的一段圍內(nèi)，玻璃的結(jié)構(gòu)基團(tuán)仍然能夠進(jìn)行位移，玻璃可產(chǎn)生微觀粘滯性流動，使玻璃組織均勻化，消除玻璃中的殘余應(yīng)力，這個圍稱為退火圍。2．玻璃容器的退火工藝

玻璃容器的退火工藝玻璃容器的退火是在退火爐中進(jìn)行的。玻璃容器在退火爐中經(jīng)歷加熱、保溫、慢冷卻及快冷卻四個階段。(1)加熱階段，玻璃容器進(jìn)入退火爐中以一定的速度被加熱到退火。(2)達(dá)到退火進(jìn)行均熱保溫。在保，玻璃容器在退火保持一段時間，使容器各部位勻一致，盡可能消除剩余應(yīng)力。(3)保入慢冷階段，此階段要嚴(yán)格控制降，以免產(chǎn)生新的應(yīng)力。(4)降到應(yīng)變后，進(jìn)入快冷階段。此時玻璃中只有暫時應(yīng)力，不再產(chǎn)生永久性應(yīng)力。退火工藝四、玻璃瓶的表面處理

為了提高玻璃瓶罐的耐化學(xué)腐蝕性，增加其表面光滑性以及提高玻璃瓶罐的強(qiáng)度，常在瓶罐退火前后對它進(jìn)行表面處理。常用的方法有以下幾種：

1．涂布法涂布法是對玻璃外表面進(jìn)行增強(qiáng)保護(hù)的處理方法：

（1）金屬氧化物涂敷

（2）有機(jī)物涂敷

（3）冷、熱雙層涂敷

2．起霜法這是一種對玻璃瓶內(nèi)表面進(jìn)行增強(qiáng)處理的方法，用于醫(yī)用藥液包裝的瓶罐通常用此法進(jìn)行表面處理。3．離子交換法

4．物理強(qiáng)化法

5．輻射固化涂救

（1）紫外線固化涂敷

（2）電子束固化涂敷

6．?；瘡?qiáng)化

五、檢驗、包裝

1．玻璃瓶的缺陷（1）外觀缺陷種類

①裂紋；②剝落、傷疵；③變形；④模子線；⑤錯位；⑥表面粗糙；⑦瓶壁厚薄不均勻；⑧氣泡；⑨波紋。（2）規(guī)格和性能上的缺陷

①質(zhì)量不合格②容量不合格③規(guī)格尺寸不合格④應(yīng)力不合格2．玻璃瓶的檢驗項目（l）外觀檢驗；（2）尺寸檢驗；（3）物理檢驗；（4）化學(xué)穩(wěn)定性檢驗；（5）強(qiáng)度檢驗

3．玻璃瓶罐的包裝

玻璃瓶罐常用的包裝形式有：厚紙板箱、木箱、塑料箱、收縮包裝和托盤式包裝。第二節(jié)安瓿和管制玻璃藥瓶

安瓿和管制玻璃藥瓶是用于醫(yī)藥品包裝的玻璃容器。

抗菌素藥瓶用于包裝注射劑的安瓶。制造這類瓶子的玻璃必須具備很好的化學(xué)穩(wěn)定性，選用硼硅酸鹽玻璃。成型方法稱為拉制法:

先制管，后拉制成瓶，因此，也稱為管制瓶。安瓿和管制玻璃藥瓶的生產(chǎn)工藝流程與瓶罐玻璃相似：原料混合、熔化

流料槽

拉管機(jī)

玻璃管

管制藥瓶成型（或安瓿的成型）

退火

成品。安瓿和管制瓶成型方法安瓿瓶成型方法管制瓶成型方法第三節(jié)輕量玻璃瓶

一、輕量瓶表示方法

1．重容比

重容比是指玻璃瓶本身重量與瓶有效容積之比，常用W（g）／C（mL）表示。

2．減重率

減重率是輕量瓶與原瓶重比較而言，據(jù)日本窯業(yè)協(xié)會的資料，日本輕量瓶的減重率要求達(dá)到15％－40％。

3．輕量瓶的級

輕量瓶的級是指用Emhart公司的經(jīng)驗公式來表示的輕量瓶的輕量化程度。

二、輕量瓶的設(shè)計與制造輕量瓶可以節(jié)約原料，降低燃料消耗，提高出產(chǎn)率，降低成本和運(yùn)輸費(fèi)用，還可提高玻璃容器的耐熱沖擊性、透明性等性能。重量瓶平均壁厚為3.5mm的玻璃瓶，輕量瓶平均壁厚為2mm－2.5mm。1．輕量瓶的設(shè)計

一般地說，在輕量瓶瓶型設(shè)計中往往遵循兩個基本原則：即單位體積下均最小表面積原則和最低應(yīng)力水平原則。2．輕量瓶的制造（l）高質(zhì)量的玻璃（2）成型的影響3．輕量瓶的表面處理熱端和冷端涂布的雙重施涂、表面鋼化、紫外線固化涂布、電子束固化涂布等。

思考題1．玻璃的熔制分為哪幾個階段？各階段的、粘度大致為多少？2．玻璃容器的退火分為哪幾個階段？為什么要控制各階段的時間或升、降？如何控制？3．為什么要對玻璃容器進(jìn)行表面處理？主要的處理技術(shù)及其處理原理是什么？4．試述輕量瓶的表示方法和設(shè)計原則。第四章陶瓷包裝陶瓷的傳統(tǒng)概念是指以粘土為主要原料與其它天然礦物經(jīng)過粉碎混煉、成型、煅燒等過程而制成的各種制品。陶瓷制品是人類制造和使用的最早物品之一，距今已有幾千年的歷史。基于陶瓷制品獨(dú)特的優(yōu)異性能，在各種新材料、新工藝層出不窮的今天，陶瓷包裝容器仍在現(xiàn)代產(chǎn)品包裝中占有重要的一席之地。陶瓷制品分類按陶瓷制品坯體的結(jié)構(gòu)質(zhì)地不同，陶瓷制品分為兩大類（1）陶器

陶器是一種坯體結(jié)構(gòu)較為疏松，致密度較差的陶瓷制品，陶器通常有一定吸水率，斷面粗糙無光，沒有半透明性，敲之聲音粗啞。（2）瓷器

瓷器的坯體致密，基本上不吸水，有一定的半透明性，斷面呈石狀或貝殼狀。陶瓷包裝的性能特點(diǎn)(1)陶瓷的原料是粘土及一些天然礦物、巖石等，來源廣、費(fèi)用低。(2)陶瓷耐熱性、耐火性與隔熱性比玻璃好，且耐酸和耐藥性能優(yōu)良，陶瓷容器透氣性極低，歷經(jīng)多年不變形、不變質(zhì)，是理想的食品、化學(xué)品的包裝容器。(3)同時，陶瓷容器在成型與焙燒時伴隨著不可避免的收縮與變形，尺寸誤差較大，因而給自動包裝作業(yè)帶來一定的困難。(4)陶瓷容器的生產(chǎn)多為間歇式，生產(chǎn)效率低。(5)陶瓷容器耐沖擊性差，密度也比較大，包裝和運(yùn)輸成本也較高。陶瓷包裝的應(yīng)用陶瓷包裝的應(yīng)用有一定的局限性，但也使陶瓷包裝更具手工和自然特色。(1)我國一些地方風(fēng)味的醬菜、調(diào)味品，至今仍然采用古色古香、鄉(xiāng)土氣息濃厚的陶器包裝。(2)采用瓷器包裝高檔名酒更有獨(dú)特的東方神韻。由于陶瓷容器在造型、色彩、工藝性等方面具有我國民族色彩，作為包裝容器在國內(nèi)外某省市場。

第一節(jié)陶瓷原料陶瓷的主要原料可歸納為三大類：（1）具有可塑性的粘土類原料（2）具有非可塑性的石英類原料（3）能生成玻璃相的長石、滑石、鈣鎂的碳酸鹽等溶劑性原料。（4）各種特殊原料作為助劑，如助磨劑、助濾劑、解凝劑、增塑劑、增強(qiáng)劑等，以及作為陶瓷釉料的各種化工原料。

一、粘土類原料

粘土類原料是陶瓷的三大主要原料之一，包括高嶺土、多水高嶺土，燒后是白色的各種類型粘土和作為增塑劑的膨潤土等。在細(xì)瓷配料中粘土類原料的用量常達(dá)40％－60％，在陶器用量還可增多。1．粘土的組成

粘土是多種微細(xì)礦物組成的混合體，主要的粘土礦物都是含水的鋁硅酸鹽。2．粘土在陶瓷中的作用（l）塑化作用塑造成各種形狀，陶瓷生產(chǎn)的工藝基礎(chǔ)。（2）結(jié)合作用形成陶器主體結(jié)構(gòu)（3）成瓷作用粘土是陶瓷坯體燒結(jié)時的主體，在焙燒中能保持一定形狀。

二、石英類原料

自然界中的二氧化硅結(jié)晶礦物統(tǒng)稱為石英，有多種狀態(tài)和不同純度。（1）石英屬于瘠性材料（減粘物質(zhì)），可降低坯料的粘性，對坯料的可塑性起調(diào)節(jié)作用。（2）在燒成時，粘土因失水而收縮很容龜裂，石英對粘度的降低和加熱膨脹性可部分抵消坯體收縮的影響。（3）在瓷器中，大小適宜的石英顆?？梢源蟠筇岣吲黧w的強(qiáng)度，還能使瓷器的透光度和強(qiáng)度得到改善。一般在日用陶瓷中，石英類原料占25％左右。三、長石類原料長石的主要成分是鉀、鈉、鈣的鋁硅酸鹽。長石類原料作用：長石則屬于溶劑原料，高融后可以溶解一部分石英及高嶺土分解產(chǎn)物，形成玻璃狀的流體，并流入多孔性材料的孔隙中，起到高作用，并形成無孔性材料。在日用陶瓷中，長石類原料占25％左右。

四、輔助原料除上述三類主要原料外，有時還加入一些其它填加劑（1）燒制骨瓷時要加人動物的骨灰，它可以增加半透明性和強(qiáng)度。（2）碳酸鹽類輔料如石灰石、菱鎂礦可降低燒結(jié)，縮短燒結(jié)時間，也有增加產(chǎn)品透明度的作用。（3）滑石等含水碳酸鎂鹽類輔料在降低燒結(jié)同時，還能改善陶瓷的性能，如白度、透明度、機(jī)械強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性。第二節(jié)

陶瓷包裝容器的制造

一、陶瓷包裝容器的分類

陶瓷包裝容器按結(jié)構(gòu)形式可分類如下：①缸；②壇；③罐；④瓶。二、陶瓷包裝容器的制造工藝過程

首先根據(jù)陶瓷的種類和用途制備坯料，通過不同的成型方法制成