4玻璃包装材料的特点

　　玻璃是已知最古老的材料之一。人们最早使用的玻璃，来自古罗马普林尼的《自然史》，的记载在公元前5000年人们就发现了玻璃。玻璃在中国有着悠久的历史,隋唐以来就有记载。根据我国发现的古玻璃制品和制造工场遗址,表明至少在宋元代已采用吹管吹制中空玻璃包装容器。但是许多世纪以来，瓶子和餐具一直是用手工吹制的方法生产的。主要靠手工业工人的技艺制造空心玻璃制品

　　约在公元前1600年，埃及已兴起了正规的玻璃手工业，当时首批生产的有玻璃珠和花瓶。然而，由于熔炼工艺不成熟，玻璃还不透明，直到公元前1300年，玻璃才能做得略透光线。到公元17～18世纪，蒸汽机问世，机械工业和化学工业有了很大发展，特别是氨碱法制造纯碱，使生产实现了连续性生产产品质量纯净，因而被称为纯碱，但最大的优点还在于成本低廉。1867年索尔维设厂制造的产品在巴黎世界博览会上获得铜制奖章，此法被正式命名为索尔维法。发明了以盐为原料制造纯碱的技术，对玻璃工业的发展起了很大的促进作用。19世纪中叶，蓄热室池炉用于玻璃熔制并发明了半机械化成型方法。1880～1890年发明了压-吹法制造大口瓶和吹-吹法制造小口瓶的成型技术。1900年出现了第一台用电动机传动的制瓶机。1904-1905年，美国M.J.欧文斯创制全自动真空吸料式制瓶机。1915年，滴料供料机问世，使玻璃包装工业进入了一个迅猛发展的时期。1925年，出现了行列式制瓶机，用吹一吹法生产小口瓶。1940年，用压一吹法制造大口瓶，之后，行列式制瓶机不断改进。进入20世纪，玻璃容器制造已达到了机械化和自动化的程度。现在，计算机已广泛应用于玻璃生产线的自动控制。

　　我国玻璃发展也有悠久的历史，中国古代称之为璧流璃、琉璃、颇璃，近代也称为料，是指熔融物冷却凝固所得到的非晶态无机材料。从历史的遗存可以发现，我国约在公元前8世纪已经有了玻璃饰物，中国在三千多年前的西周，玻璃制造技术就达到了较高的水平。在唐宋时已有使用吹管吹制的中空玻璃容器。

　　我国的玻璃容器生产自1936年秋上海晶华玻璃厂引进了一台林取-10型的自动制瓶机，用来生产啤酒瓶。开始了中国采用自动成型机，以机械化、连续自动化大批量生产啤酒瓶的历史。

　　今天，玻璃已经成为现代人们日常生活、生产发展、科学研究中不可缺少的一类材料，并且它的应用范围随着科学技术的发展和人民生活水平的不断提高还在日益扩大。

　　⑴玻璃的定义

　　玻璃的什么？玻璃的定义是：玻璃是由熔融物过冷所得的非晶态固体。因此可以理解为：玻璃是熔融、冷却、固化的非结晶（在特定的条件下也可能成为晶态）的无机物，是过冷的液体。

　　我们知道，玻璃是一种具有许多优良性能的材料，它透明、化学稳定性好，硬度大，不易磨损，在一定的温度下具有良好的可塑性……。

　　作为一种材料，不是仅用于包装容器材料，在仪器、医用、电真空与电子、光学、生物、微晶、玻璃纤维、光电子、生态环境、核技术等方面都得到广泛的应用。

　　⑵玻璃的特征

　　正因为玻璃是非晶态固体是过冷液体，所以它具有以下的特征：

　　①各向同性因为玻璃态的物质的质点排列是无规则的（统计均匀）。当玻璃中不存在内应力时，其理化性质（如硬度、热膨胀系数、热导率、折射率、电导率、弹性模量）在各个方向是的相同的。但是，一旦玻璃中存在了应力，结构的均匀性遭到破坏，就会显示出各向异性，譬如出现明显的光程差。

　　②介稳性（亚稳定状态）这是因为玻璃在急冷过程中黏度急剧增大，质点来不及形成晶体的有规则排列，系统内能来不及释放，而是处于介稳状态（热力学因素）。由于常温下黏度很大，转变成晶体的速率极小，不能自发地转化为晶体（动力学因素）。

　　③无固定熔点玻璃态物质由固体转化为液体没有一个固定的温度，只有一个温度区间（转化温度范围，温度范围的大小取决于玻璃的化学组成）。在这个温度区间内，玻璃液由黏性体经黏塑性体、黏弹性体逐渐转变为弹性体。这种渐变的过程正是玻璃有良好的加工性能的基础，根据这种性能，调整玻璃成分或冷却速率可以控制玻璃成型的时间。

　　④性质变化的连续性从熔融态冷却成固态，如果是结晶体，它的体积或其它物化性质会在熔点发生突变，如水在0℃结成冰，密度从1g/cm³的水变成密度为0.9 g/cm³的冰。而玻璃液冷却变成固态的玻璃时，它的体积（或其它理化性质）是逐渐变化的。甚至某些性能（如密度、折射率、黏度等）随着温度变化的快慢而变化。

　　⑤性质变化的可逆性玻璃由固态向熔融态或相反的过程可以多次进行，而不会伴随新相生成。

　　⑶形成玻璃的方法

　　制备玻璃态物质的传统方法是熔体冷却法。随着科学技术的发展，出现了许多新的玻璃形成方法，如气相和电沉积、真空蒸发和溅射、溶胶一凝胶等方法。其中有些方法已在实际生产中获得应用，有些还处于不断的研究和完善阶段。这些新的形成方法的应用，不仅提高了玻璃的性能，而且也使玻璃态物质的种类得到了丰富。

　　常规的熔体冷却法是目前工业生产普遍采用的方法，用常规的熔体冷却法可以获得硅酸盐玻璃、硼酸盐玻璃、磷酸盐玻璃及重金属氧化物玻璃等。

　　⑷玻璃性质

　　①与容器成型密切相关的性质

　　玻璃的成形过程与玻璃的性质有着密切的关系。玻璃的成形性质包括玻璃的黏度、表面张力、结晶性能、热膨胀性、传热性质和热流动性质等。下面就其中几个重要性质作扼要说明。

　　a黏度viscosity

　　粘度，度量流体粘性大小的物理量。又称粘性系数、动力粘度，记为μ。

　　粘度是衡量流体流动性的指标，表示流体流动的分子间摩擦而产生阻力的大小，有三种表示方法：

　　动力粘度：面积各为1m2并相距1m的两层流体，以1m/s的速度作相对运动时所产生的内摩擦力。单位：Pa·S(帕．秒)

　　运动粘度：动力粘度与同温度下该流体密度P之比。单位为m2/s

　　恩氏粘度：某浓度下，在恩氏粘度计中流出200ml液体所需时间与20℃流出同体积蒸馏水所需时间之比。

　　黏度是玻璃的重要性质之一。玻璃的黏度是温度的函数，并属于非线性的关系，这个关系有利于制品的成形。在玻璃制品的成形过程中，要充分地利用玻璃的黏度和温度的这一关系。

　　玻璃制品的成形过程可分为两个阶段，即成形阶段和定形阶段。第一个阶段赋予制品以要求的外形（内形），第二阶段是使第一阶段所成的形状固定下来。

　　通常，玻璃在成形过程第一阶段的粘度为102～103帕··秒，第二阶段的粘度为105.6帕·秒。对于不同系统的玻璃、不同的制品和不同的成形方法，情况不尽相同。

　　玻璃的黏度与温度的关系和玻璃的化学组成有着密切的和复杂的关系。不同的成形方法要求玻璃具有各不相同的黏度与温度的关系。如浇注成形，要求玻璃粘度小，流动性好，机械化高速成形，则要求“短性”玻璃，而在压制成形时则要求“长性”玻璃。

　　玻璃成形的工作黏度范围，根据不同的成形方法、制品的大小和质量而不相同。概括地说为102～106Pa·s，一般工业玻璃其上限为5×102Pa·s或103Pa·s，下限通常为4×107Pa·s。小型玻璃制品，其成形的工作黏度范围小；大型制品的工作黏度范围大。

　　“长性”玻璃的黏度—度梯度较“短性”玻璃的小，硬化速度较慢，因此其成形的工作黏度范围大，成形过程的持续时间长。在成形过程中如果成形机的结构不可改变，而玻璃制品成形各阶段的持续时间也不能调整，为了适应成形操作的特点与机速的要求，就需要改变玻璃的长短性，即改变玻璃的组成，使之适合。

　　b表面张力

　　表面张力指液体表面任意二相邻部分之间垂直于它们的单位长度分界线相互作用的拉力。

　　玻璃的表面张力在制品成形过程中有着重要意义。如人工挑料、吹小泡或滴料式供料机，都是借助玻璃的表面张力而形成球形表面的雏形或料滴的。而在拉制玻璃管和玻璃棒时，由于玻璃的表面张力作用才获得正确的圆柱形体。有些玻璃制品成形后还要进行爆口和烧口，也是借助玻璃的表面张力使锋利不齐的边口加热软化变圆滑的。

　　玻璃的表面张力取决于玻璃的化学组成和温度。在一般情况下，温度升高则玻璃的表面张力降低。熔融玻璃的表面张力比水高3～4倍，与熔融金属相接近，约为0.15～0.35牛／米(150～350达因／厘米)。

　　c传热性质

　　玻璃的传热方式为传导和辐射。玻璃制品的成形是热交换过程，特别是第二阶段定形，依赖于玻璃温度的降低。

　　玻璃是热的不良导体，其传导传热取决于导热系数的大小。玻璃的化学组成和温度决定了导热系数的大小。还应该指出，玻璃在成形过程中的传热是不稳定传热。

　　辐射传热是玻璃在成形过程中的主要传热方式，特别是在300℃以上时，表现尤为明显。

　　d热流动性

　　从玻璃的黏度性质和传热性质，不难看出，玻璃的成形过程实质上是属于流变学范畴的问题。而玻璃制品的质量在很大程度上取决于成形过程中玻璃的流变状态。这种情况不同于常温的流变学，由于目前对高温玻璃流变学方面的研究水平所限，还没有较完整的理论来指导生产。

　　②玻璃的密度

　　玻璃的密度是表示玻璃单位体积的质量。

　　玻璃的密度与其成分的关系密切。各种玻璃的密度相差较大。石英玻璃的密度最小，为2.21g/cm³，含有PbO、Bi2O3、Ta2O3、WO2的玻璃密度可达6g/cm³左右。某些防辐射玻璃的密度可高达8 g/cm³。一般医用玻璃、瓶罐玻璃、平板玻璃等的密度均在2.5 g/cm³左右。

　　玻璃的密度会随着温度的升高而下降，一般的工业玻璃，当温度从室温升到1300℃时，密度下降6%～12%。在弹性变形范围内密度的下降与玻璃的膨胀系数有关。

　　玻璃的密度与热历史有关：玻璃从高温状态冷却时急冷（淬火）比缓冷（退火）的密度低；冷却速度愈快，偏离平衡密度的温度愈高，其转变点（Tg）温度也愈高。

　　③玻璃的机械强度

　　玻璃是一种脆性材料，它的机械强度一般用耐压、抗折、抗张、抗冲击强度等指标表示。玻璃能得到广泛应用，原因之一就是耐压强度高，硬度也高，但抗折和抗张强度不高，脆性较大，可采用多种方法，例如退火、钢化、表面处理与涂层、微晶化、与其它材料复合等，都有可能增加玻璃的抗折强度。

　　影响强度的因素：温度、组成、玻璃缺陷、表面微裂纹、玻璃中的应力、疲劳现象等。

　　玻璃的脆性是指当负荷超过玻璃的极限强度时立即破裂的特性。通常用破坏时所受到的冲击强度来表示，也可用玻璃的抗压强度与抗冲击强度之比来表示。玻璃的脆性除了与组成有关外，也决定于制品的形状、厚度、热处理条件等。所以在设计瓶型时要考虑避开对强度不利的造型。

　　④玻璃的热学性质

　　玻璃的热学性质包括热膨胀系数、导热性、比热容、热稳定性等。热膨胀系数是玻璃的一个最重要的热学性质。

　　玻璃经受剧烈的温度变化而不破坏的性能称为玻璃的热稳定性（ΔT）。玻璃容器尤其是盛装食品的，在灌装后要经过加热处理，对其的热稳定性要求就会高些。凡是能降低玻璃机械强度的因素，都能使玻璃人稳定性降低。反之亦然。玻璃的热膨胀系数越小，其热稳定性就越好。

　　⑤玻璃的化学稳定性

　　玻璃制品在使用过程中要受到水、酸、碱、盐、气体及各种化学试剂和药液的侵蚀，玻璃对这些侵蚀的抵抗能力称为玻璃的化学稳定性。

　　玻璃具有较高的化学稳定性，常用于制造包装容器，盛装食品、药液和各种化学制品。

　　在实验室以及化学工业的生产过程中，也广泛采用玻璃设备，如玻璃仪器、玻璃管道、耐酸泵、化学反应锅等。

　　大多数工业用玻璃都能抵抗除氢氟酸以外酸的侵蚀。玻璃的耐碱腐蚀能力较差，高温下水也能侵蚀玻璃。

　　例如，普通的窗玻璃在长期承受大气和雨水的侵蚀下，玻璃表面失去光泽，使玻璃变得晦暗，并在表面出现油脂状薄膜、斑点等受侵蚀的痕迹；光学仪器的各类透镜在使用过程中，因受周围介质的作用，使光学零件蒙上“雾”状膜、聚滴薄膜或白斑等，影响透光性和成像质量，严重时将造成报废；化学仪器因玻璃受侵蚀而影响分析、化验结果；对于安瓿瓶、盐水瓶，在热压灭菌及各种气候条件下长期与药液接触，玻璃就会溶解于药液中，甚至出现脱片现象。因此，对于任何玻璃制品，都必须具有符合规定的化学稳定性指标。玻璃的化学稳定性对玻璃的加工，如磨光、镀银、蚀刻以及玻璃制品的存放都有重要的意义；

　　玻璃的化学稳定性取决于玻璃的抗蚀能力以及侵蚀介质（水、酸、碱及大气等）的种类和特性。此外，侵蚀时的温度、压力等对其也有很大影响。

　　⑥玻璃的电学性质

　　在常温下一般玻璃是电绝缘材料，但是随着温度上升，玻璃的导电性迅速提高，特别是在转变温度（Tg）点以上，导电率有飞跃的增加，到熔融状态，玻璃变成电的良导体。

　　利用玻璃在常温下的低电导率可用来制造照明灯泡、电真空管、气体放电管、高压绝缘子、电阻、被覆绝缘导线等，玻璃已成为电子工业的重要材料。导电玻璃可用于光显示，如数字钟表和计算机等。利用玻璃在高温下的较高电导率，可以进行玻璃电熔和电焊。玻璃的电导率与成分有关。

　　⑸玻璃材料的主要特点

　　玻璃作为传统的包装材料沿用至今，仍是现代包装的主要材料之一。玻璃以其本身的优良特性以及玻璃制造技术的不断进步，仍能适应现代包装发展的需要。归结其优点有：

　　①保护性能优良，阻隔性能好。不透气，不透湿，有紫外线屏蔽性，可加色料改善遮光性，密封性能好。

　　②通透感强，易于造型，可见内容物，具有特殊的传达美化商品的效果。

　　③化学稳定性优良，无毒无味，耐腐蚀，有效保存内装物。

　　④加工性能良好，制成的品种规格多样，尺寸精确，还可以根据需要，制成各种封装形式的瓶口，适合内容物的密封和取存，对产品商品化的适应性强。

　　⑤耐热，耐压，耐清洗，可高温杀菌，也可低温储藏。

　　⑥可回收复用，成本低，不会造成公害。

　　⑦原料资源丰富，价格便宜。成型性好，加工方便，品种形状灵活。

　　玻璃用作包装料也有缺点。传统的玻璃容器重量／容积比大，耐冲击强度低，碰撞时易破损，运输成本高。但现代包装中，由于装备和工艺水平的提高，生产薄壁轻量瓶，可以大大提高瓶强度并减少壁厚，这种轻量瓶在商品包装市场有很大的竞争力。

　　总之，玻璃具有高度的透明性及抗腐蚀性，与大多数化学品接触都不会发生材料性质的变化。其制造工艺简便，造型自由多变，硬度大，耐热，洁净、易清理，并具有可反复使用等特点。广泛用于食品、饮料、医药、化工、化妆品、文化用品等等的液态、黏稠态（各种酱料、食品罐头等）、固态物体（片剂、粉剂等）的包装。

　　5玻璃容器的生产工艺

　　⑴玻璃容器的生产工艺过程

　　①玻璃原料用于制备玻璃配合料的各种物质通称为玻璃原料。

　　其主要原料大部分是天然的原料：石英、长石、石灰石等；还有化工产品：纯碱；碎玻璃；

　　辅助原料，用量不大，但对不同的玻璃获得某些必要的性质和改善熔制状况的作用很重要：澄清剂、着色剂、乳浊剂、氧化剂、助熔剂等等。

　　根据对玻璃容器盛装不同的内容物，还要调整选用的原料，改变玻璃的组成，达到调整性能控制生产。

　　②工艺过程

　　③成型方法

　　按玻璃的生产方式有；

　　1)手工生产，2）半自动化生产，3)自动化生产。

　　手工生产所有作业均系手工做，因此单位作业时间生产量不大，而整个作业循环取决手工人的技巧和能力。适合做批量很小，个性化要求的产品

　　半自动化生产大部分作业均出机器完成，如果提高机器的自动化程度，则制瓶生产率也随之提高，因此半自动化生产适用于生产大批单一制品。

　　自动化生产各个生产环节都不需要工人的任何干预，作业是自动进行的，而且相互联系综合构成一个完整的循环。由于生产是全部自动化的，适合大批量的产品。

　　按制作容器的成型方法有：

　　1)压制法，2）压吹法，3）吹制法。4）拉制成型（管制瓶）

　　压制法利用冲头把玻璃料压入到模身，冲头和口模构成的封闭空腔内

　　压吹法系用二个作业循环生产制品。首先用压制法制作成容器的雏型，然后在成型模中将之制成制品的最终形状。吹制法只借助压缩空气的作用吹制制品。初型和成品都是用压缩空气吹制而成

　　拉制成型有些小型玻璃容器，如药用管制抗生索瓶、管制口服液瓶和安瓿等，都是以玻璃管为坯料加工制成的。

　　管制玻璃容器加工成型的一般过程是：

　　选管→清洗→预烧→拉伸或瓶口、颈肩部成型→切断→底部成型→退火→检验→包装入库。