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玻璃瓶如何实现轻量化
专栏:Industry information
发布日期:2020-06-09
阅读量:1086
作者:汇丰玻璃
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一、简述  玻璃包装轻量化就是在保证强度一定条件下,降低玻璃瓶的重容比,目的是提高其绿色性与经济性。  玻璃容器表面处理的目的,是改变容器表面的化学稳定性和消除玻璃表面的损伤,从而达到增强的目的。

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一、简述

     玻璃包装轻量化就是在保证强度一定条件下,降低玻璃瓶的重容比,目的是提高其绿色性与经济性。重容比是评价相同容积的玻璃瓶罐其质量大小的尺度,据用途不同,轻量瓶的重容比一般在0.15~0.8之间,轻量瓶重容比小,瓶壁相对薄,重量轻。轻量瓶的壁厚平均为2~2.5mm。

     降低玻璃包装容器重容比主要是靠减小壁厚。但是,在薄壁状态下要保持较高的耐压强度是非常困难的,必须从设计到生产全过程的各个环节入手,通过玻璃成份改性、合理的结构设计、正确的工艺安排、有效的生产工艺指标控制、有效的表面处理等强化处理措施达到壁厚小、强度高的目的。下面将就这些方面进行探讨。

二、玻璃包装轻量化的生产工艺控制

 1、做好配料工作是实现轻量化生产的第一步

     原料及配合料制备过程配方设计、原料成分、粒度、水份、配合料均匀度、碎玻璃的质量及加入均匀性都对产品质量有直接影响。做好配料工作必须执行稳定的配方、制定和严格执行原料标准、配合料制备工艺制度化。国内高档轻量瓶生产都特别重视该环节,生产的称量与精度上,配料系统采用先进的计算机控制电子秤量设备,动态精度应达到1/500,确保配料质量。

 2、熔制工艺既是保证玻璃包装质量,又是玻璃包装绿色化的关键环节

     玻璃熔制过程大致可分为硅酸盐形成、玻璃形成、澄清、均化、冷却5个阶段。熔制过程采用连续作业,这5个阶段是在熔炉的不同部位进行的,以便分段控制准确的熔制温度。窑炉运行工艺指标的稳定性至关重要。一般要求熔化温度波动不超过10℃,液面波动不超过0.5mm,窑压波动不超过2Pa,防止窑炉空间冒火,从而防止结石、色彩、外观、强度差等质量问题。高档轻量瓶生产中对分配料道温度和玻璃液面的波动精度要求非常高,有的分别控制在±2℃以内及±0.2mm以内。

     当然,要保证高精度的生产工艺指标,必须推广燃油窑炉,改进窑型,使用高温、宽截面、大型的辊道式马蹄焰熔炉。对窑炉实行全保温、炉底鼓泡、电助熔、窑坎、热工参数使用微机控制等一系列措施,使熔化率达到1.5~2.0(t?m-1),熔化质量明显提高。

 3、有效的成型控制是获得预期成型效果和均匀壁厚的保证

    玻璃液生成玻璃制品的过程可以分为成型和定型2个阶段。成型和定型是连续进行的,成型过程中,需要控制玻璃的粘度、温度,以及通过模具向周围介质的热传递。玻璃容器通常从3个特征温度值来控制成型操作:软化温度、退火温度和应变点。不同产品,通过试验确定合理的参数是关键,先进的制瓶、供料及加热系统及采用先进的成型工艺是获得均匀壁厚、实现轻量化的根本保证。

 4、实施有效退火,消除有害残余应力

    玻璃瓶罐的退火是消除或减小玻璃中的剩余应力至允许值的热处理过程。任何玻璃制品在加工过程中都存在着剩余热应力或永久应力。为了消除这些热应力,需将玻璃加热到退火点进行保温、均热,使玻璃内部的结构进行调整,应力释放。

    玻璃的退火工艺包括加热、保温、缓慢降温及快速降温4个阶段,要根据壁厚准确控制保温时间,缓慢降温阶段,要严格控制降温速度,以免产生新的应力,在快冷阶段,要根据壁厚,采用不同的降温速度,防止降温时产生的暂时应力超过玻璃的强度极限而引起破裂。

三、运用表面处理技术提高玻璃容器的表面性质

    玻璃的表面状态、组成和结构与其内部的组成、结构有很大差别。玻璃的表面性质对其主体性质有重大影响。玻璃的化学稳定性,实际上取决于其表面的化学稳定性,玻璃的机械强度、抗冲击性能也在相当大程度上决定于玻璃表面的形态与结构。因此,玻璃的表面处理是制造高强度轻量化玻璃容器的重要技术手段之一。

    玻璃容器表面处理的目的,是改变容器表面的化学稳定性和消除玻璃表面的损伤,从而达到增强的目的。主要方法有制瓶时添加涂层、物理强化、化学强化、表面酸处理、塑料涂层等方法。

 1、制瓶涂层

    热涂。热涂在制瓶成型后及退火处理前进行。成型后的玻璃瓶在缓缓冷却至500~600℃时,将金属涂敷剂(如氧化锡、氧化钛、氯化锡等)喷涂在容器表面,形成一定厚度的保护膜,增强表面强度约30%,又可使瓶经得起长期的水冲、水洗。

    冷涂。冷涂是在玻璃瓶退火之后,将单硬脂酸盐、聚乙烯、油酸、硅烷、硅酮或其他聚合物乳液喷成雾状,附着在具有一定温度的玻璃瓶表面上(瓶温依喷涂材料而定,约为21~80°C),形成具有耐磨性和润滑性的保护层。

    起霜。起霜是在玻璃瓶冷却过程中喷涂四氯化碳,或在退火炉中通人二氧化硫,二者均可在瓶的表面与碱性氧化物反应,使玻璃表面的钠离子析出而形成芒硝微粒(即浊白粉状的Na2S04),用水冲除后,由于碱性降低而使表面的化学稳定性增强。

    表面有机硅涂层处理。玻璃表面使用有机硅蒸发涂层或用有机硅浸渍都可形成有机聚硅氧烷憎水膜和聚合(Si02)。硅氧膜,通过公用的硅氧键而与玻璃表面连接起来。经热处理后有机基团会挥发而剩下硅氧膜可填充于裂纹中,所具憎水性可避免活性介质在裂纹中的扩散而使表面裂纹愈合(俗称异相愈合),不仅玻璃强度和化学稳定性有较大提高,还使玻璃具有特殊的光学性能和抗冲击性能。常用的有机硅溶液有甲基氟硅烷、二甲基二氯硅烷、二苯基二氟硅烷和苯基三氯硅烷等。

    容器表面的聚合物薄膜厚度为0.005mm,在容器标准重量下其压应力增大了10~12Pa。在内部压力相同的情况下,几不可回收标准玻璃瓶的重量可以由420g减少到大约300g。玻璃瓶重量减少了25%~30%。同时由于所镀的膜非常薄,这种玻璃容器的回炉不会造成任何环境问题,因此,在线聚合物镀膜容器可以纳入标准的循环再生过程。

 2、物理强化(钢化)

    物理强化(钢化)也叫风冷强化,目的是为了提高玻璃瓶罐的机械强度和热稳定性。物理强化处理方法如下:瓶罐由制瓶机脱模后,立即送人马弗式钢化炉内均匀加热到接近玻璃的软化温度(但不能达到软化温度),然后转入钢化室,用多孔喷嘴的风栅向瓶罐的内外壁上喷射冷空气,快速冷却瓶罐,或用液体作冷却介质进行突然冷却瓶罐,造成制品表面因突然收缩而形成的压应力层,制品内部的冷却因滞后于表面为张应力层,当这2种应力分布合理时,玻璃耐内压强度可以成倍提高。喷射瓶身的空气压力一般为15~21kPa,喷射瓶底的空气压力一般为6~7kPa。

 3、化学强化(钢化)

    对玻璃表面进行离子交换处理又称化学强化,常用方法有熔盐法和喷涂法。

    熔盐法。以溶质中半径大的离子交换玻璃中半径小的离子或以溶质中半径小的离子置换玻璃中半径大的离子,使玻璃表面产生压应力,可使耐内压强度提高,经处理后制品的硬度高。耐磨损,制品的强度不会因长时间使用而降低。

    喷涂法。喷涂法化学钢化具有增强效果好、生产及使用安全、生产效率高和生产成本低等优点,从综合评价的角度上分析,不失为目前一种比较理想的增强工艺。

    为了提高喷涂法化学钢化的增强效果和与工艺特性适应,经研究应选择比较理想的基础玻璃化学组成,基础玻璃化学组成不一样,喷涂液、喷涂液添加剂配方也应作相应的调整;

    喷涂法化学钢化的每一个工艺环节,都将对其最终的增强效果产生举足轻重的影响,因此,必须把握好2个阶段的工艺参数:第一阶段,固相试剂层的形成必须控制好喷雾温度、溶液浓度、喷雾时间、喷雾液滴大小,固相试剂层的厚度、密度等参数;第二阶段,热处理(离子的扩散和交换)必须控制好温度。该法可使玻璃容器强度达到原始值的2倍左右,增强制品在运输和机械灌装过程中的损耗则降为原值的1/3左右,经喷涂法化学钢化的玻璃制品具有很好的光泽度和商品外观。

 4、表面酸处理

    表面酸处理可以消除玻璃表面较大数量的微裂纹或使微裂纹的宽度与深度变小,减少应力集中。处理方法通常是将玻璃制品置于低浓度的氢氟酸中浸蚀一定时间。为使浸蚀效果更好,也可在氢氟酸中加入适量的硫酸或磷酸。当浸蚀深度在100μm时,可使制品机械冲击强度提高50%~100%,再结合物理钢化,可使玻璃强度的提高更为显著。

 5、聚酯涂层

    用浸液、流延和静电等方法在瓶的外表面涂上0.2~0.3mm厚的树脂(环氧树脂、聚氨酯、聚氯乙烯或聚苯乙烯等)或合成橡胶涂层,涂层可为一层或多层,涂后加热硬化。这种方法简单、价廉,但涂层寿命较短。德国杜塞尔多夫市玻璃工厂开发出1kg装超薄聚酯涂层玻璃瓶,仅稍重于聚合物的瓶子,但玻璃瓶一点也不会影响内装饮料的味道。

四、玻璃包装容器轻量化设计

    调整玻璃配方。玻璃的内在强度一定程度上取决于玻璃的主要成分(配方),包装用瓶罐玻璃主要是Na2O—CaO—SiO2系玻璃,医药上多用硬质硼硅玻璃。轻量化玻璃容器重点考虑增加强度的成份。提高组成中网络形成物含量,使玻璃结构更趋紧密的材料。组成中引入的氧化物离子的电荷要高,离子半径要小。

    轻量化结构设计。研究合理的结构使玻璃容器壁厚减薄,玻璃容器的壁厚减小后,垂直荷重能力减小,但合理的结构可使应力分布均匀、冷却均匀和增加容器的“弹性”,使耐内压强度和冲击强度反而得以提高,因此可采取如下措施以保证垂直荷重强度稍微降低或不被降低。

    玻璃瓶造型最好是高度不大,瓶型越接近球形越好,而瓶型的线条则越简单越好,无尖角或尖棱,各部分之间采用缓和过渡的光滑线型;瓶身形状呈圆柱形;瓶肩线的曲率半径越大的瓶肩结构;瓶身与瓶底平缓过渡的构型较好。另外,瓶罐口部的加强环要尽量小,或取消加强环;小口瓶的瓶颈不要细而长。

    运用优化设计手段。运用优化设计,探讨玻璃最佳瓶型,使玻璃容器的重量小而容量大,降低原料耗量;运用现代模具设计、加工手段,生产高精度的容器模具,保证容器尺寸精度,从而保证容器强度。运用先进的理论和现代化的手段,根据确定的瓶型的不同部位应力大小,准确设计容器各部位的壁厚,做到厚薄分明,减小重量。

    工艺设计采用强化工艺。强化生产工艺技术,对生产过程的各环节,从原料组织、配料、熔制、成型、退火等环节都必须严格控制,采用化学的和物理的强化工艺以及表面涂层强化方法等,在提高材料的物理机械强度的前提下,使玻璃容器薄壁化从而实现轻量化目的。因此,必须在设计阶段明确规定强化工艺。

五、玻璃包装轻量化的行业前景

    目前,我国人均消费包装瓶5.5kg,远低于发达国家人均消费45kg的平均水平。只要从改进和严控生产工艺、广泛使用表面强化处理技术、实施轻量化设计、大力加强新配方、新工艺及新设备研制、倡导玻璃包装轻量化消费观念等方面一齐努力,实现轻量化,适应玻璃包装市场化和绿色化的要求,同时凭借玻璃包装优秀的化学稳定性、气密性、光洁透明、耐高温、易消毒等一系列物理化学性质,玻璃包装必定会有广阔的发展前景。

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