玻璃包装材料讲课教案

玻璃包装材料玻璃包装材料 (4)玻璃的原料 (4)玻璃的结构 (7)玻璃的主要性能 (8)玻璃的热性能 (8)⑴热膨胀性 (8)⑵影响玻璃导热性的因素 (9)热冲击强度 (10)⑴热冲击强度定义 (10)⑵壁厚对热冲击强度的影响 (10)力学性能 (11)⑴玻璃的强度 (11)⑵玻璃容器的包装强度 (13)⑶影响玻璃瓶强度的主要因素 (15)玻璃包装容器的制造 (18)⑴吹制法 (18)⑵拉制法 (18)玻璃包装材料玻璃由无机材料熔融冷却而成。

我国关于玻璃的定义为：玻璃是介于晶态和液态之间的一种特殊状态，由熔融体过冷而得，其内能和构形熵高于相应的晶态，其结构为短程有序和长程无序，型脆透明。

作为包装材料，玻璃具有一系列非常可贵的特性：⑴透明；⑵坚硬耐压；⑶优良的阻隔、耐蚀、耐热和光学性能；⑷成型方法多，成型包装容器形状、大小各异；⑸原料来源丰富，价格相对较低。

⑹可回收利用。

玻璃材料的不足主要⑴耐冲击性能低，易碎；⑵比重高，2.2～2.5；⑶熔制玻璃时能耗较高。

玻璃一直是食品工业、化工工业、文教用品、医药卫生等行业的常用包装材料。

玻璃的原料主要原料各种氧化物原料，对玻璃的结构、物理和化学性质起主要作用。

辅助原料：改善玻璃性能的添加料。

按氧化物的性质分：⑴酸性氧化物原料⑵碱金属氧化物原料⑶碱土金属氧化物原料⑷二价、多价金属氧化物原料按氧化物在玻璃结构中的作用分：⑴玻璃形成体（网络形成体）氧化物原料：单独形成玻璃。

⑵玻璃中间体氧化物原料：在一定条件下形成玻璃。

⑶玻璃改变体（网络体外）氧化物原料：改变玻璃性质。

玻璃形成体氧化物原料⑴玻璃形成氧化物原料二氧化硅（2SiO ）和氧化硼（32O B ）硅砂（石英砂）组成：由石英岩、长石和其他岩石分解而成，主要成分为二氧化硅（2SiO ）。

此外，还含有32O Al 、CaO 、MgO 、O Na 2、O K 2、32O Fe 等少量杂质。

32O Fe 有害，使玻璃着色，降低玻璃的透明度。

2SiO 可以形成石英玻璃，其以硅氧四面体结构单元形成不规则的连续网络，玻璃的主体骨架。

⑵硼砂、硼酸及含硼矿物硼砂、硼酸及含硼矿物向玻璃种引入氧化硼（32O B ）。

在硼硅酸盐玻璃中， 32O B 以[4BO ]结构为单元，与硅氧四面体形成结构网络，因此32O B 是玻璃形成体氧化物。

作用：a 能降低玻璃的热膨胀系数；b 提高玻璃的化学稳定性和热稳定性；c 改善玻璃的光泽、提高玻璃的机械强度；d 助熔作用，加速玻璃的澄清，降低玻璃的结晶能力。

玻璃中间体氧化物⑴定义中间体氧化物自身不能形成玻璃，但可以连接二氧化硅（玻璃）链，使其保持玻璃态。

它既是玻璃网络结构的一部分，又可以改进结构内部的位置。

⑵种类一种是长石、瓷土、蜡石，向玻璃中引入氧化铝（32O Al ）；一种是斜锆石和锆石英，锆石英的主要成分为22ZrO SiO •，向玻璃中引入2ZrO 。

玻璃网络体外氧化物原料网络体外氧化物——改性剂⑴定义网络体外氧化物不参加玻璃的结构网络，居于网络之外，但能促使玻璃网络破裂而改变玻璃的性质。

⑵种类主要有氧化锂、氧化钠、氧化钾、氧化镁、氧化钙、氧化钡等。

⑶作用降低熔点和简化工艺。

玻璃的结构⑴石英玻璃石英玻璃的结构与石英晶体一样，都是由二氧化硅组成，但二者的存SiO]单元排列规则有序，无论在多大范在状态不同，石英晶体中的[4SiO]单元的排列围内，都有很好的重复性和周期性。

石英玻璃中的[4无规律性，从几个原子的小范围内看，有序；但超过此范围，则是无序，即近程有序，远程无序。

⑵钠钙玻璃钠钙玻璃引入了金属氧化物，改变了石英玻璃中单一的化学组成和O Si 的比例，使原来互相连接的[4SiO ]四面体网络断裂。

O Na 2、CaO 等氧化物的加入，改变了原来的四面体网络，引起玻璃的许多性质改变，如降低了玻璃的熔制温度和粘度，降低了硬度和强度，降低了化学稳定性，增大了热膨胀系数，从而导致抗热冲击性能下降 。

⑶硼硅酸盐玻璃硼硅酸盐玻璃中，32O B 有两种可能的存在形式，即硼氧四面体[4BO ]和三角平面结构[3BO ]，具体结构取决于O Na 2与32O B 的比例。

322O B O Na 的摩尔比＞1时，32O B 以硼氧四面体[4BO ]的结构形式存在；322O B O Na 的摩尔比＜1时，32O B 以三角平面结构[3BO ]的结构形式存在，进而产生分相，导致玻璃性能下降。

玻璃的主要性能玻璃的热性能定义：温度变化时，玻璃会因热胀冷缩在内部产生拉应力和压应力，致使其破裂。

玻璃在温度急剧变化时抵抗破裂的能力称为玻璃的热性能，包括热膨胀系数、导热性、比热和热稳定性等。

⑴热膨胀性材料的体积或长度随温度的升高而增大的现象称为热膨胀。

热膨胀通常用热膨胀系数表示。

玻璃的热膨胀系数（α）较小，一般在7-108.5⨯～7-10150⨯之间。

a 线膨胀系数温度变化1℃时，长度的变化值。

玻璃的线膨胀系数越小，耐温度变化性越好。

玻璃的热性能与线膨胀系数的关系玻璃的线膨胀系数影响玻璃的热稳定性以及玻璃的熔化、冷却和成型性，一般以其所能承受的温度差来衡量。

经验公式:Tl l l l ∆-•=00α b 体膨胀系数温度变化1℃时，体积的变化值。

⑵影响玻璃导热性的因素a 玻璃的组成在玻璃中引入2SiO 、32O Al 、32O B 等氧化物时，导热性增加；在玻璃中引入一价和二价金属氧化物时，导热性降低。

b 温度导热系数随着温度的增加而增加。

在绝对零度时，玻璃的导热系数为0。

随着温度的升高，导热系数增加。

c厚度玻璃的导热系数一定时，其厚度越小，越有利于导热速率的提高。

因此，玻璃种类一定时，适当减小容器的厚度，可提高耐热性。

热冲击强度⑴热冲击强度定义在急冷或急热时玻璃瓶壁上产生拉应力和压应力，当产生的最大应力超过玻璃的抗拉或抗压强度时，瓶破裂，称为热冲击破裂；破裂时的应力称为玻璃的抗热冲击强度。

热冲击强度是玻璃瓶耐急冷或急热的技术指标。

玻璃瓶的热冲击破裂常发生在瓶身与瓶底过渡部分的外表面。

当瓶外部受急热作用时，外表面的压应力远大于内表面的拉应力；急冷时则相反，即外表面的拉应力远大于内表面的压应力。

玻璃的耐压强度比拉伸强度大10多倍，所以温差相同时，急热造成的破坏要小于急冷时。

Moody实验表明，玻璃瓶承受降温的能力仅为升温时的1/2。

⑵壁厚对热冲击强度的影响热膨胀系数和导热系数一定时，瓶壁越薄，温变时产生的应力越小。

壁厚与抗热温度差之间的关系圆筒形玻璃瓶，在玻璃的种类一定时，急冷产生的拉应力与瓶壁厚度的平方根和温度差的乘积成正比：mm-C cm kg 5.3O 3容器壁厚，温度差，张应力，δδ-∆-∆=T S T S可见，温差一定时，壁厚越大，拉应力越大，热冲击强度越低，越易破裂。

热冲击强度都采用急冷法测试。

力学性能⑴玻璃的强度玻璃的力学性能主要包括强度、弹性、硬度和脆性及其密度等。

玻璃是一种脆性材料，其强度可用耐压、抗折、抗张、抗冲击强度等指标表示。

a 理论强度根据玻璃各组分之间的键强度计算出来的强度为理论强度。

其值大约为10000～15000MPa。

b实际强度玻璃的实测强度为实际强度，远低于理论强度，一般仅为理论强度的1/300～1/100，只有32～98MPa。

不同材料的弹性模量、理论强度与实际强度块状玻璃实际强度这样低的原因，是由于玻璃的脆性、玻璃中存在有微裂纹（尤其是表面微裂纹）和内部不均匀区及缺陷的存在造成应力集中所引起的（由于玻璃受到应力作用时不会产生流动，表面上的微裂纹便急剧扩展，并且应力集中，以致破裂）。

其中表面微裂纹对玻璃强度的影响尤为重要。

⑵玻璃容器的包装强度玻璃容器的破裂分析a 内压破裂：破裂形态以裂纹起点为中心，裂纹曲线向外呈放射状，裂纹端部为分叉形。

b 外部冲击破裂：裂纹稍粗，破裂块小。

c 热冲击破裂：破裂多发生在瓶底部或瓶壁厚薄差异较大的地方，裂纹粗、量少。

玻璃容器的包装强度是其包装应用中最重要的性能，其除与玻璃的质量（化学组成、表面及内部缺陷）有关外，容器的形状对强度起决定性作用。

a 内压强度指容器承受最大内部压力的能力，体现容器的综合强度。

常数瓶身直径，瓶壁厚度，最大内压强，----⨯=k P dk P cmd cmMPa2max max δδ瓶形对内压强度影响很大。

瓶壁越厚，形状越接近圆形，且直径越小，内压强度越大。

啤酒、汽水瓶一般要求内压强度大于 1.2MPa，普通玻璃瓶大于0.7MPa。

b热冲击强度指玻璃容器耐受冷热温度剧变不破碎的能力。

玻璃瓶受急冷或急热时，由于内外热胀冷缩的不均匀性，使瓶罐产生复杂的温变应力；当热应力大于容器的抗张强度时，瓶壁破裂。

罐头瓶耐受急冷温差一般要≥39℃。

瓶壁厚度越小，温差越小，热应力越小，容器的热冲击强度越高。

但瓶壁厚度小会导致其他强度下降。

c机械冲击强度容器承受外部机械冲击的能力。

容器在受到各种冲击后（翻倒、落下），在冲击点产生局部应力，造成容器破裂。

壁厚越大，机械冲击强度就越大。

瓶口部分的机械冲击强度较小，应尽量避免该部分受到冲击。

玻璃瓶罐冲击强度的影响因素壁厚随着瓶壁厚度的增加，冲击强度提高。

瓶径瓶罐的冲击强度随着瓶径的增加线性增加。

位置瓶身处的抗压强度比较大；瓶颈和瓶口是冲击强度的薄弱位置，瓶口最差。

d垂直载荷强度玻璃瓶在罐装、压盖、开盖和堆垛时都受到垂直负荷。

玻璃瓶承受垂直负荷的能力即垂直载荷强度。

它并非单纯反映玻璃的抗压强度，而是与瓶型有密切关系的综合指标。

瓶肩部的曲率半径越大，垂直荷重强度就越大。

e水锤强度玻璃容器底部承受短时内部水冲击的能力称为水锤强度。

包装食品在运输过程中受到振动、冲击时，容器内可能出现上端空气受压，底部局部地区形成真空的现象，由此导致瞬间产生的巨大冲击力冲击底部，水锤强度不足时，容器会发生破损。

⑶影响玻璃瓶强度的主要因素a玻璃容器的横截面主要影响其内压强度。

形状越复杂，强度越低；越接近圆形，强度越高。

截面形状与内压强度比b玻璃瓶的肩部设计曲率半径越大，各项指标越增强。

c玻璃瓶的底部设计底部形状对各项强度指标影响较复杂，以第二种，瓶身向瓶底圆弧过渡的综合强度较好。

d瓶的表面及底面设计在瓶表面围绕瓶有意识地设计出的凸条状或点状防冲击箍。

防冲击箍一般分布在最容易受到冲击的肩部和底部。

其作用主要是可以抵挡摩擦与冲击，可使玻璃瓶的强度提高50%。

玻璃瓶底面常设计成内凹面，并且围绕底面最外圈设计出点条状凸出花纹。

主要作用是增加容器的稳定性；减少接触面，减小温差带来的热应力；减少磨损，有利于间接提高内压强度和水锤强度。

玻璃瓶的形状变化无穷，对强度影响很大。

从整体的瓶型来看，瓶型接近球形，各部分之间缓和过渡，高度不大，稳定，线条简单，无尖棱尖角，有利于提高强度。

玻璃包装容器的制造玻璃容器是简单对称的中空制品。