包装结构设计第四章 玻璃包装容器结构设计

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。
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
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
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。
第四章 玻璃包装容器结构设计
《包装容器结构设计》
冯 梅
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 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 概述 玻璃瓶的装饰 瓶罐玻璃的性能 玻璃包装容器结构设计 瓶口结构设计 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。
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。
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、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。
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
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。
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。
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。
⒉ Na，B ，Si 玻璃（医用玻璃） 中性玻璃。 主要成分： SiO2 67-75%， Na2O 6.4-11.5% B2O3 6-9%, Al2O3 4-8.5% 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。
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。
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 ⒈ Na, 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： SiO2 72%, CaO 11%， NaO 15%, Al2O3 2%
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）
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（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。
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。
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。
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。
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。
（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。
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。
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0.08 ⒊ 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。
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。
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。