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第九章陶瓷玻璃包装材料第三节玻璃制品在人类的生活、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。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。根据玻璃组成在玻璃结构中的作用，可分为：（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－－改性剂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。Al2O3、PbO、ZnO玻璃的分类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①硅酸盐形成阶段。②玻璃形成阶段③澄清阶段④均化阶段⑤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①裂纹；②剥落、伤疵；③变形；④模子线；⑤错位；⑥表面粗糙；⑦瓶壁厚薄不均匀；⑧气泡；⑨波纹。（2）规格和性能上的缺陷①质量不合格②容量不合格③规格尺寸不合格④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)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