1、玻璃包装材料,武汉大学印刷与包装系,第五章 玻璃包装材料,玻璃发明于3000年前的埃及，是一种历史悠久的包装用材料。 玻璃是由硅砂(或称石英砂：SiO2)、纯碱(Na2C03)、石灰石(CaC03)、长石(钾长石、钠长石、钙长石等)以及碎玻璃等为主要原料经高温炉(约1600)熔融、凝固而成的固体物质。,根据所用原料及化学成分不同，玻璃可分为钠钙玻璃、铅玻璃、硼硅酸玻璃等几种。钠钙玻璃相比之下，CaO、Na2O的含量较高，而且最易成型加工，成本低，通常用于耐热性和耐化学性能无特殊要求的场合，目前作为主要玻璃包装容器的玻璃瓶、罐以及其他玻璃器皿、平板玻璃等均采用此种玻璃。铅玻璃则是以PbO成分较多
2、的一种光学玻璃，具有较高的光折射率， 通常作为照明灯管使用。硼硅酸玻璃是一种含B203成分较多的中性硬质耐热玻璃。它具有耐化学性好、热膨胀系数低的特点，在包装上主要用来制作医用注射药的小玻璃瓶及其他玻璃管等。,玻璃的分类,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。,玻璃包装容器的优点,(1) 无毒
3、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。(4)成型性好，加工方便，品种形状灵活；可回收及重复使用。(5)耐热、耐压、耐清洗。(6)可高温杀菌，也可低温贮藏。,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。,(一)瓶罐玻璃的主要性能,玻璃是一种熔体受冷却，黏度逐渐增大而形成的非晶态刚体物质，它是种不规则 SiO2四面体网状结构，没有明显的软化点。这种结构类似于液体的原子排列，因此当温度升高时，玻璃就逐渐从接近固体的状态变成接近液体的状态而呈现流动性，而冷却时又朝相反状态变
4、化。,1化学性能,玻璃是一种惰性材料，一般认为它对固体和液体内容物均具有化学稳定性，对绝大部分内容物，玻璃不会与之发生化学反应。 但应注意的是，玻璃的耐蚀性对弱酸和水等内容物大多无任何影响，能耐一定程度的酸，但在氢氟酸溶液中会被完全溶解。 水解：如水解物溶于水或酸，则继续浸蚀；如产生硅酸凝胶层，则内层不会受到浸蚀。 玻璃对水及酸的稳定性与硅氧含量有关，Na2O较多的玻璃，对水及酸的稳定性较低。TiO2, PbO, Al2O3, B2O3, CaO;ZrO2-可提高抗水性,对碱性溶液或高酸性内容物会有一定的影响，特别是在长时间、高温、高压的条件下会加速玻璃的腐蚀。硅酸盐与碱反应。骨架上的游离硅氧
5、与碱作用。不宜包装碱性化合物,就玻璃本身来说，玻璃的酸碱性也会影响其耐化学性能。中性玻璃(含硼、铝量多者)较碱性玻璃(如钠钙玻璃)具有更高的耐蚀性能。 钠钙玻璃是瓶、罐包装容器的主要种类，其中的碱性物质（如Na2O)会慢慢地从玻璃中析出(蒸馏水接触一年：NaOH的浓度达10-1510-6g/ml)而影响内容物品质，析出的碱金属在玻璃表面呈白点或从表面脱落，发生所谓的风化现象、从而形成悬浮或沉淀。化学品、医药品基本上采用中性玻璃容器(蒸馏水接触一年：NaOH的浓度达0.510-6g/ml)进行包装。,2物理力学性能,玻璃的力学性能主要表现为机械强度的大小。玻璃是一种脆性材料，然而，它的理论强度却
6、比金属还大。可达100000Kg/cm2。由于玻璃表面经常会有细微伤痕、裂纹、刮伤等缺陷存在，因此其实际强度一般仅为理论强度的1(约200-1000Kgcm2范围)。也就是说，玻璃的强度与化学组成关系不大，主要取决于玻璃的表面状况，通常，人们用金刚石刮痕折断玻璃板也是这个原理的实际应用。,对于玻璃表面的缺陷，通常可经退火或表面增强处理而使强度增大，退火玻璃一般强度可达700kg/cm2以上，而通过钢化处理可使强度达1400-2800kgcm2，这种玻璃通常称为钢化玻璃。通过钢化处理可使外表面具有较高压力，而内部具有拉应力来提高强度。,玻璃的强度主要包括抗拉强度和抗压强度两项，而一般抗拉强度远小
7、于抗压强度，约为抗压强度的l20，因此，玻璃的拉应力是造成玻璃包装容器破损的主要因素。玻璃包装容器的结构形状不合理，壁厚不均、表面划伤、应力集中等均会在温差突变、瞬间冲击等作用下导致容器破损。 玻璃包装容器的强度足以能承受较高的内压，因此，它可以用于含气饮料的包装，并能经受各种处理性操作过程。,3光学性能,玻璃的光学性能表现为透明性和光泽度。玻璃最显著的特点是光亮、透明。当透明玻璃作为包装容器时，消费者对内容物可一目了然，并能少用或不用表面装饰而表现内容物的自然状态，同时，玻璃表现为各向同性、光亮，使玻璃包装容器具有极好的陈列效果，给人以明亮、清晰、高档的感觉。,大多数普通玻璃除了紫外线不能透
8、过外，其他光线(包括红外线)均能透过。然而，玻璃的高透明度对某些内容物包装却是不利的，为了防止有害光线对内容物的损害，玻璃可以通过不同着色来防止。在这方面玻璃具有很大的灵活性，如洗发膏通常用乳白色瓶，而啤酒大多用茶色或绿色瓶包装。 绿色、琥珀色、乳白色称为标准三色，玻璃的颜色可通过加入各种着色剂加以着色，着色剂的加入，除了影响光学性能外，其他性能基本上无影响。美国药典规定：药品包装瓶的透光率小于20，玻璃的厚度、种类对透光率有影响。,4.耐热性能,玻璃具有很高的耐热和导热性能及低的热膨胀系数，是铝的1/3，黄铜的25。它能经得起加工过程中540-570 的退火处理而不变形，因此，它能经得起加工
9、过程中的杀菌、消毒、清洗等高温处理，能应用于微波炉加工和果、蔬食品的热加工。 玻璃的导热性能与玻璃的厚度有关。厚度小、导热快；反之，厚度大，传热慢。玻璃的薄壁化对热加工食品来说能获得更有效的热渗透。,应该注意的是，普通玻璃对温度骤变而产生的热冲击的适应能力较差，特别是在厚度较大时极易发生破损。含硼量较高的耐热玻璃能较好地承受热冲击，包装上主要用作医用注射瓶包装；普通钠钙玻璃容器也非常适合于热充填工艺。,5阻隔性能,玻璃对气体、液体及溶剂均具有完全阻隔性能，作为容器，其密封性较好，对盛装含气饮料，其CO2的渗透率几乎是零。只要封口严密，玻璃容器将是一种完美的、高阻隔性的包装容器。,6.复用性能,
10、玻璃瓶可回收再用，碎玻璃可回收再熔融制造玻璃制品。,7.成型性能,玻璃是一种没有明显熔点的热塑性材料，因此，只要选择适当的模具、工艺就能制成各种形状和大小的容器及制品；如圆型、方型、矩型、异型等形状；其中包括长颈瓶、大口瓶(罐)、曲线型瓶及其他玻璃制品。 由于玻璃制品能从原料一次性成型而成，因此，其成型加工灵活、方便。,（二）玻璃瓶罐的制造,(1)配料 将主要原料（SiO2、Al2O3、B2O3、一价-网络外体氧化物、二价-网络外体氧化物、四价金属）、辅助原料（澄清剂、着色剂、脱色剂、乳化剂）及碎玻璃（助熔剂-降低熔点）经过干燥、粉碎；过筛后，按配方比例在混合机中混合。原料必须混合均匀否则玻璃
11、容器易出现条纹、节瘤和气泡等缺陷。,(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-钙一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。,硅酸盐形成阶段：800-900完成，物理化学反应，不透明烧结物，大量气体放出。玻璃形成阶段：1200-1250 ，烧结物、低熔点物开始熔化，并
12、转变成透明体，组成、性质很不均匀。澄清阶段：1400-1500 ，粘度下降。匀化阶段：长时间高温处理，热运动及扩散冷却阶段：温度由高下降200-300 （1200 ）,(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-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制成需要的形状。 吹-吹法：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-吹法：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。,(4)
13、退火,退火是指将玻璃制品加热到退火点后实施保温、匀热，使玻璃制品内部的结构调整，消除由于温度梯度而造成的结构梯度，即消除或减小玻璃中的剩余应力至允许值的热处理过程。 应力：永久应力与暂时应力应力；结构应力与暂时应力。结构应力：化学组成不均匀、熔制过程中产生的条纹、疙瘩、结石等缺陷引起的热膨胀不同而产生的应力，是一种永久应力。热应力：玻璃各部分加热或冷却速率不一致引起的温度不均匀而产生的应力，根据热应力产生的条件，可分为永久性应力与暂时性应力。,初制成的玻璃容器还要经过退火处理和加工整理才能得到合格产品。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，即加
14、热-保温-缓慢降温快速降温4个阶段。 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，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。,一次退火：成型后直接进入退火炉。 二次退火：经冷却后再进行退火。,(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
15、，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。,玻璃表面性质及表面处理,玻璃表面的缺口敏感性：实际强度远低于理论强度。表面化学稳定性：降低Na2O含量表面处理技术（1）酸处理；（2）火抛光；（3）涂覆有机物-异相愈合-有机硅；（4）硫霜化反应。,陶瓷包装材料,陶瓷按其概念和用途不同，可分为两大类，即普通陶瓷和特种陶瓷。根据陶瓷坯体结构及其基本物理性能的差异，陶瓷制品可分为陶器和瓷器。,普通陶瓷即传统陶瓷，是指以粘土为主要原料与其它天然矿物原料经过粉碎混练、成型、煅烧等过程而制成的各种制品。包括日用陶瓷、卫生陶瓷、
16、建筑陶瓷、化工陶瓷、电瓷以及其它工业用陶瓷。,普通陶瓷的分类方法,特种陶瓷是用于各种现代工业及尖端科学技术领域的陶瓷制品。包括结构陶瓷和功能陶瓷。结构陶瓷主要用于耐磨损、高强度、耐高温、耐热冲击、硬质、高刚性、低膨胀、隔热等场所。功能陶瓷主要包括电磁功能、光学功能、生物功能、核功能及其它功能的陶瓷材料。,常见高温结构陶瓷包括：高熔点氧化物、碳化物、硼化物、氮化物、硅化物。功能陶瓷包括:装置瓷（即电绝缘瓷）、电容器陶瓷、压电陶瓷、磁性陶瓷（又称为铁氧体）、导电陶瓷、超导陶瓷、半导体陶瓷（又称为敏感陶瓷）、热学功能陶瓷（热释电陶瓷、导热陶瓷、低膨胀陶瓷、红外辐射陶瓷等）、化学功能陶瓷（多孔陶瓷载体等）、生物功能陶瓷等。,根据陶瓷坯体结构及其基本物理性能的差异，陶瓷制品可分为陶器和瓷器。陶器包括粗陶器、普陶器和细陶器。陶器的坯体结构较疏松，致密度较低，有一定吸水率，断口粗糙无光，没有半透明性，断面成面状或贝壳状。,中国日用瓷分类标准,谢 谢 大 家,
