包装容器结构设计

《包装容器结构设计》冯梅第四章玻璃包装容器结构设计天津商学院包装工程系第四章玻璃包装容器结构设计第一节概述第二节玻璃瓶的装饰第三节瓶罐玻璃的性能第四节玻璃包装容器结构设计第五节瓶口结构设计第六节玻璃瓶设计要点第一节概述一、玻璃材料及其特性㈠玻璃加热熔解成为液体，冷却不析晶，硬化成为固体（无定型）。⒈特性①有亚稳定性不流动的液体；②没有固定的熔点，成分不同熔点不同，由熔融到冷固过程连续可逆；③没有固定的组分，组分变，性能变；④可以透明、半透明，各向同性的硬脆材料；⑤不透气、不透湿，永不变质。⒉特点①原材料丰富、价廉，碎玻璃可回收；②透明，可展示商品，也可着色，放光；③外观多彩晶莹、生动；④玻璃瓶口经研磨，密封性好。㈡常用玻璃⒈Na,Ca,Si玻璃（苏打玻璃，石灰玻璃）又称瓶罐玻璃，器皿玻璃。主要成分：SiO272%,CaO11%，NaO15%,Al2O32%SiO2为网络骨架结构。主要特点：在玻璃中成本最低，易熔制、加工，耐热性、化学稳定性好，没有特殊要求的容器适宜。⒉Na，B，Si玻璃（医用玻璃）中性玻璃。主要成分：SiO267-75%，Na2O6.4-11.5%B2O36-9%,Al2O34-8.5%主要特点：耐水、耐热、耐酸、碱性均比前者强，长期贮存中性液体其PH值不变。二、瓶罐玻璃的熔制㈠原料⒈主料⒉辅料⒊特殊用料㈡熔制⒈原料准备⒉熔制过程⒈主料（1）硅砂或石英粉作用：引入SiO2，构成玻璃的网络骨架结构。（2）纯碱（Na2CO3）作用：引入Na2O，还可以助熔。（3）石灰石（CaCO3）作用：引入CaO，还可以防止碱结晶，可提高玻璃的化学稳定性。（4）长石作用：引入Al2O3，可节省纯碱。因长石能引入碱金属氧化物，如：Na2O，K2O。（5）白云石（CaCO3．MgCO3的复盐）作用：可提高化学稳定性。（6）芒硝（Na2SO4）作用：引入Na2O，节省纯碱，主要作用是除渣（SiO2）。（7）碎玻璃（炉料的25-30%）作用：主要为了节省纯碱、能源，促进溶化。⒉辅料（1）澄清剂在高温时分解放出气体的物质，可促进玻璃中气泡的排除。一般为硫酸盐，如：CaSO4,Na2SO4。用量1%以下。（2）助熔剂硝酸盐，硫酸盐。用量1%以下。⒊特殊用料（1）无色玻璃加入脱色剂。①化学脱色剂（氧化剂）用澄清剂即可。②物理脱色剂两色互补而失色。TiO2，FeO使玻璃呈绿色。Mn+3着紫色，Se+2(硒)着浅玫瑰色，它们可与玻璃中浅绿色互补，CoO呈蓝色，可与绿色互补，增加玻璃的透明度。（2）彩色玻璃Fe+3淡青色，Cr+3+Mn+3黑色，Mn+3+Fe+3橙黄色至暗紫色，Fe2O3黄色，Cr2O3蛋黄色。（3）乳白色玻璃加入乳浊剂。氟化物，炉料的3-10%。（二）原料制备⒈原料准备按成分比，计算出各主料的用量，称量混合，放入重油熔窑熔制。⒉熔制过程⑴硅酸盐形成阶段（800℃-900℃）作用：去除所有水（混合进去的与结构水），生成硅酸盐与未熔硅砂（未发生反应）的烧结物。（含大量气泡）⑵玻璃形成阶段（1200℃）作用：烧结物全部变成玻璃液，但组分不均匀，含大量气泡。⑶澄清阶段（1400℃-1600℃）气体搅拌作用，使组织均匀，同时气体排除。⑷均化阶段（温度下降）通过对流、扩散进行。⑸冷却阶段（成型温度稍高，约1150℃）冷却到适合成型的温度。三、成型㈠滴料供给由滴料供料机将一定量的玻璃料滴至模具中。㈡容器成型⒈吹-吹法成型⒉压吹法成型⒊压制法成型⒋管（拉）制成型四、玻璃包装容器的类型⑴按所盛装的内装物分有罐头瓶、酒瓶、调料瓶、饮料瓶、输液瓶、化妆品瓶、广告色瓶等。⑵按瓶口瓶盖形式分有普通塞瓶、冠盖瓶、螺纹盖瓶、滚压盖瓶、防盗盖瓶、凸耳盖瓶及喷洒瓶等。⑶按瓶口尺寸大小分有大口瓶、小口瓶、玻璃杯瓶。一般瓶口内径小于Φ30mm的为小口瓶，大于Φ30mm的为大口瓶，而对于瓶颈和瓶肩直径相差不大的大口瓶，有时也称玻璃罐。⑷按玻璃容器的颜色分有透明的白玻璃瓶、绿色瓶、茶色瓶、蓝色瓶、黑色瓶等，还有不透明的乳浊色瓶。⑸按容器的制造方法分有模制瓶和管制瓶。⑹按瓶罐的结构特征分有普通瓶、长颈瓶、短颈瓶、凸颈瓶、溜肩瓶、端肩瓶及异型瓶等。五、玻璃包装容器的一般构成第二节玻璃瓶的装饰一、毛面装饰无光泽的麻面。作用：可显示图文；遮光；明暗对比。有三种方法：喷砂法：将瓶的非麻面用橡胶、纸板或白铁皮等包盖保护，用压缩空气高速喷出的石英砂、金刚砂打在裸露上形成平面。耗能高。腐蚀法：用氟化物腐蚀需装饰的表面。抛磨法：在研磨机、抛光机上进行。研磨时施加研磨粉，抛光时施加抛光粉，通过高速机械摩擦去除玻璃表面的粗糙不平，得到平整光滑、透明光亮的玻璃表面。四、彩饰二、着色三、浮雕㈠印花彩饰（机械印刷）⒈玻璃色彩（有机油墨）由三部分组成：⑴易熔玻璃细粉氧化铝（氧化铅、氧化铜），二氧化硅，碳酸钠，二氧化钛。⑵着色剂a．透明玻璃釉（有机玻璃）b．半透明玻璃釉（加着色剂与乳浊剂的玻璃）c.不透明的玻璃釉（低熔点的玻璃加无机矿物颜料）⑶挥发的有机油混合使其成为稠糊状。⒉烧成一般经500℃烧成，使釉粘在玻璃上。㈡喷涂彩饰适用于瓶型复杂的表面。第三节瓶罐玻璃的性能一、化学性能总的化学性能好，比陶瓷差。耐酸：氢氟酸、弱磷酸可熔玻璃；碱性氧化物含能量高，抗酸能力下降。玻璃耐酸程度分为三级：耐酸、中溶于酸及微溶于酸。从炉料上解决。耐碱：酸性氧化物含量高时，抗碱能力下降，可使二氧化硅解体。但表面形成膜后里面不再腐蚀。可分为：（微、中）强溶于碱。二、物理性能密度：瓶罐玻璃2.5-2.6g/cm3,硬度：莫氏硬度5级，热胀系数：9.2×10-8三、机械性能㈠断裂强度玻璃的理论抗拉强度为：104MPa；实际抗拉强度为：20-70MPa；抗压强度为抗拉强度的10-20倍。实际抗拉强度没有理论值那么大，其主要原因：⒈内部有不可避免的缺陷,组织不均匀；微观组织有裂纹，这两个因素均使玻璃产生应力集中。⒉模具表面摩擦玻璃，使其产生伤痕，也将产生应力集中例如：新瓶耐内压能力为1经轻划后耐内压能力为0.3经砂纸打磨耐内压能力为0.1金刚石划痕耐内压能力为0.08⒊温、湿度变化如相对湿度从0%RH增至100%RH，强度降低15%。温度低于200℃或高于200℃时，均无影响，正好在200℃是有影响，这是因为在此温度水汽作用剧烈所致。㈡机械冲击强度⒈侧壁冲击当玻璃容器受到冲击时，受冲击的部位即冲击点处产生局部应力，内部产生弯曲应力，离冲击点45°出产生扭转应力。三种应力的破坏形态：⒉倾倒冲击是指瓶子放在桌子上倒下时的强度，也是一种冲击强度。与机械冲击强度的区别在于它同瓶重量和形状有关。例如，瓶的重心位置、倾倒冲击位置不同，瓶倾倒时所受的冲击程度就不一样，从而倾倒强度也不同。瓶倾倒强度与瓶本身的稳定性有关。短颈、宽肩的瓶子，重心高、不易碰到瓶口，因而不易破损。重心高破损率低。㈢内压强度是玻璃容器的一个重要强度指标。玻璃瓶罐在密闭状态下，内压力产生器壁周向应力和平行于纵轴的轴向应力，其轴向应力要比周向应力小得多。器壁的周向应力可根据薄壁圆筒内压强度理论进行考虑计算。公式为：㈣垂直荷重强度是玻璃容器在垂直负荷的作用下所体现的强度，是容器承受载荷的能力指标。其值与容器的形状结构关系很大。㈤热冲击强度（热震强度）是玻璃容器的一个重要强度指标。是玻璃包装容器承受温度急变而不破裂的性能。当玻璃瓶受急冷急热作用，因其导热性差，在玻璃内产生很大的温差，发生不均匀的热胀冷缩，使瓶壁内产生复杂的应力，当此应力超过玻璃强度时，瓶子破裂。⒈外部急冷（内急热）当瓶表面受急冷作用时，瓶壁外表面受到的拉应力远大于内表面的压应力，此值超过玻璃的许用应力，瓶子破坏。这种破裂常发生在瓶与瓶底的过渡下部的外表面。⒉外部急热当外部受急热作用时，瓶壁外表面的压应力远大于内表面的拉应力，因内表面状况较好，缺陷少，所以玻璃容器的耐急热性能好。圆瓶在急冷作用下产生的拉应力：㈥水冲强度主要由于内装物的惯性所致。当受到震动时，瓶内装物并不立即下移，于是在瞬间产生瓶底与内装物之间的空隙，瓶口空间被压缩，此压力经内装无最后传递给瓶底，造成剧烈的冲击内应力。万分之一秒内产生0.25-1.8MPa的冲击力，甚至会更大，致使瓶罐破裂。㈦跌落强度是水冲与机械冲击的综合评定指标。把瓶子装满内装物，然后横、竖、斜跌落（1m高处落在地板上）看是否破坏。四、瓶型对结构强度的影响㈠瓶肩瓶肩与垂直荷重关系极大，通常在瓶肩部外表面产生最大拉应力，因此垂直荷重强度随瓶肩的变化而变化。一般来说，瓶型越复杂则应力集中越大，强度越小。瓶型越接近于球形，应力集中越小，强度越大。如图3-9，瓶肩宽度B越宽，倾斜角α越小，瓶肩过渡圆弧的半径R越小，瓶的垂直载荷强度越差，反之，瓶的垂直载荷强度越好。㈡瓶足㈢瓶底凹球形为佳。稳定，耐内压、水冲击强度好。常采用球冠。㈣瓶身瓶型复杂耐内压强度就越低，如表3-2所示，瓶罐截面形状与内压强度的关系。又如图3-12所示，异型瓶截面应力分布状态。①应力集中。②瓶内真空与有内压力同样使四角突起处产生压应力，四面部位产生拉应力。两种应力状态，即周向的压应力与拉应力是交变的。玻璃承受交变应力的能力很差，强度明显下降。第四节玻璃包装容器的结构设计一、形状㈠棱角圆弧过渡圆棱角便于玻璃料在模具内流动，容器壁厚均匀。尖角过渡处会产生内应力而起裂纹。㈡外形尽量简单，可以简化模具⒈型腔为圆柱锥面易加工⒉压制成型时尽量避免有斜孔、曲线孔⒊如表面有环向凹凸，需要双瓣模；如异型瓶各向凹凸不同时要用多瓣模㈢合缝线（分型痕）要尽量少，尽量隐藏㈣瓶身加筋防止成型时发生翘曲；另外，在不增加壁厚的条件下增加强度；筋条不可以为封闭图形。二、壁厚壁厚尽量均匀。如果壁厚过大，致使玻璃料熔化和容器冷却的热耗大为增加，而且在瓶壁内产生应力，使容器在脱模和冷却时产生变形，增加壁厚虽然能提高垂直荷重强度和内压强度，但其机械冲击强度和热冲击强度会降低。生产周期延长。⒈如需不同壁厚时，进行圆弧过渡。⒉壁厚与垂直荷重呈线性关系抗垂直载荷强度随容器壁厚的减薄成比例地降低。⒊抗内压强度与壁厚呈线性关系如图3-11。R相同，壁厚越薄，内应力越大；同一壁厚，外径R越大，内应力越大。⒋壁薄时，抗机械冲击、热冲击性好⑴冲击强度与壁厚呈正变在弹性撞击范围内，不管壁厚的大小，冲击能量终归要被伴生的变形所吸收，于是有可能减少破损。如上图所示，随着壁厚的增加，冲击强度增加，但当壁厚增加到一定的程度，冲击强度增加不显著。其原因如下图，瓶壁厚时，瓶相对呈刚性，变形小，与摆锤相对接触时间短，所吸收能量少，瓶易破损。下图是悬吊摆锤冲击不同壁厚瓶与接触时间关系。选用的瓶颈相差无几。当壁厚小于2mm时，接触时间随壁厚的减薄而增加；当壁厚在1～1.5mm之间时，接触时间差不多达到普通壁厚时的2倍；小于1mm时甚至可以达到若干倍。所以，接触时间越长，所吸收的能量越多，即玻璃瓶壁的厚度减薄到一定程度，实际上有可能提高耐破度。⑵壁薄温差迅速均匀，由温差引起的应力小⒌壁厚与生产条件的关系合理的壁厚取决于原料成分、容器重量及成型工艺（料温、模温、料的流程）等多种因素。⑴可控因素瓶玻璃成分：调解它，可以使玻璃获得所需的粘度。具有这样的粘度的玻璃很容易充满型腔。玻璃料的粘度越小，压制出来的薄壁容器的质量越好。模具温度：料温虽然可以调节，但大多是在送入模具之前进行的。一旦玻璃接触模壁，其表面就开始冷却，冷却越甚，料、模之间的温差就越大。模温越高，玻璃制品质量就越好，但模温要保持在玻璃粘附温度以下，即以玻璃不粘附模壁为适度。模温取决于送入的玻璃料温，通常为400-600℃。⑵过于细长、短粗都难以吹制均匀的壁厚，短粗来不及吹，底厚。⑶瓶的壁厚应适当。过薄，强度低，难成型；过厚，壁厚很难均匀，制造过程中冷却也不均匀，易产生内应力，不经济。表3-3，3-4，3-5是玻璃容器常用的壁厚，表中数据之壁厚平均值。三、脱模斜度（主要以压制成型为主考虑）在压制成型中，为了易于从玻璃料中拔出冲头（阳模）或从模具中取出制品，玻璃容器的侧壁内外必须具有一定的斜度。斜度的大小取决于压制制品的深度或高