基本介紹
- 中文名：玻璃包裝輕量化
- 目的：提高其綠色性與經濟性
- 重容比：0.15～0.8
- 壁厚：2～2.5mm
簡介,制瓶塗層,物理強化,化學強化,熔鹽法,噴塗法,表面酸處理,聚酯塗層,輕量化設計,行業前景,
簡介
玻璃包裝輕量化的生產工藝控制做好配料工作是實現輕量化生產的第一步
原料及配合料製備過程配方設計、原料成分、粒度、水份、配合料均勻度、碎玻璃的質量及加入均勻性都對產品質量有直接影響。做好配料工作必須執行穩定的配方、制定和嚴格執行原料標準、配合料製備工藝制度化。國內高檔輕量瓶生產都特別重視該環節，生產的稱量與精度上，配料系統採用先進的計算機控制電子秤量設備，動態精度應達到1/500，確保配料質量。
熔制工藝是保證玻璃包裝質量綠色化的關鍵
玻璃熔制過程大致可分為矽酸鹽形成、玻璃形成、澄清、均化、冷卻5個階段。熔制過程採用連續作業，這5個階段是在熔爐的不同部位進行的，以便分段控制準確的熔制溫度。窯爐運行工藝指標的穩定性至關重要。一般要求融化溫度波動不超過10℃，液面波動不超過0.5mm，窯壓波動不超過2Pa，防止窯爐空間冒火，從而防止結石、色彩、外觀、強度差等質量問題。高檔輕量瓶生產中對分配料道溫度和玻璃液面的波動精度要求非常高，有的分別控制在±2℃以內及±0.2mm以內。
當然，要保證高精度的生產工藝指標，必須推廣燃油窯爐，改進窯型，使用高溫、寬截面、大型的輥道式馬蹄焰熔爐。對窯爐實行全保溫、爐底鼓泡、電助熔、窯坎、熱工參數使用微機控制等一系列措施，使熔化率達到1.5～2.0（t·m－1），熔化質量明顯提高。
成型控制是獲得成型效果和均勻壁厚的保證
玻璃液生成玻璃製品的過程可以分為成型和定型2個階段。成型和定型是連續進行的，成型過程中，需要控制玻璃的粘度、溫度，以及通過模具向周圍介質的熱傳遞。玻璃容器通常從3個特徵溫度值來控制成型操作：軟化溫度、退火溫度和應變點。不同產品，通過試驗確定合理的參數是關鍵，先進的制瓶、供料及加熱系統及採用先進的成型工藝是獲得均勻壁厚、實現輕量化的根本保證。
實施有效退火消除有害殘餘應力
玻璃瓶罐的退火是消除或減小玻璃中的剩餘應力至允許值的熱處理過程。任何玻璃製品在加工過程中都存在著剩餘熱應力或永久應力。為了消除這些熱應力，需將玻璃加熱到退火點進行保溫、均熱，使玻璃內部的結構進行調整，應力釋放。
玻璃的退火工藝包括加熱、保溫、緩慢降溫及快速降溫4個階段，要根據壁厚準確控制保溫時間，緩慢降溫階段，要嚴格控制降溫速度，以免產生新的應力，在快冷階段，要根據壁厚，採用不同的降溫速度，防止降溫時產生的暫時應力超過玻璃的強度極限而引起破裂。
運用表面處理技術提高玻璃容器的表面性質
玻璃的表面狀態、組成和結構與其內部的組成、結構有很大差別。玻璃的表面性質對其主體性質有重大影響。玻璃的化學穩定性，實際上取決於其表面的化學穩定性，玻璃的機械強度、抗衝擊性能也在相當大程度上決定於玻璃表面的形態與結構。因此，玻璃的表面處理是製造高強度輕量化玻璃容器的重要技術手段之一。
玻璃容器表面處理的目的，是改變容器表面的化學穩定性和消除玻璃表面的損傷，從而達到增強的目的。主要方法有制瓶時添加塗層、物理強化、化學強化、表面酸處理、塑膠塗層等方法。
制瓶塗層
熱塗。熱塗在制瓶成型後及退火處理前進行。成型後的玻璃瓶在緩緩冷卻至500～600℃時，將金屬塗敷劑（如氧化錫、氧化鈦、氯化錫等）噴塗在容器表面，形成一定厚度的保護膜，增強表面強度約30%，又可使瓶經得起長期的水沖、水洗。
冷塗。冷塗是在玻璃瓶退火之後，將單硬脂酸鹽、聚乙烯、油酸、矽烷、矽酮或其他聚合物乳液噴成霧狀，附著在具有一定溫度的玻璃瓶表面上（瓶溫依噴塗材料而定，約為21～80°C），形成具有耐磨性和潤滑性的保護層。
起霜。起霜是在玻璃瓶冷卻過程中噴塗四氯化碳，或在退火爐中通人二氧化硫，二者均可在瓶的表面與鹼性氧化物反應，使玻璃表面的鈉離子析出而形成芒硝微粒（即濁白粉狀的Na2S04），用水沖除後，由於鹼性降低而使表面的化學穩定性增強。
表面有機矽塗層處理。玻璃表面使用有機矽蒸發塗層或用有機矽浸漬都可形成有機聚矽氧烷憎水膜和聚合（Si02）。矽氧膜，通過公用的矽氧鍵而與玻璃表面連線起來。經熱處理後有機基團會揮發而剩下矽氧膜可填充於裂紋中，所具憎水性可避免活性介質在裂紋中的擴散而使表面裂紋癒合（俗稱異相癒合），不僅玻璃強度和化學穩定性有較大提高，還使玻璃具有特殊的光學性能和抗衝擊性能。常用的有機矽溶液有甲基氟矽烷、二甲基二氯矽烷、二苯基二氟矽烷和苯基三氯矽烷等。
容器表面的聚合物薄膜厚度為0．005mm，在容器標準重量下其壓應力增大了10～12Pa。在內部壓力相同的情況下，幾不可回收標準玻璃瓶的重量可以由420g減少到大約300g。玻璃瓶重量減少了25%～30%。同時由於所鍍的膜非常薄，這種玻璃容器的回爐不會造成任何環境問題，因此，線上聚合物鍍膜容器可以納入標準的循環再生過程。
物理強化
（鋼化）
物理強化（鋼化）也叫風冷強化，目的是為了提高玻璃瓶罐的機械強度和熱穩定性。物理強化處理方法如下：瓶罐由制瓶機脫模後，立即送人馬弗式鋼化爐內均勻加熱到接近玻璃的軟化溫度（但不能達到軟化溫度），然後轉入鋼化室，用多孔噴嘴的風柵向瓶罐的內外壁上噴射冷空氣，快速冷卻瓶罐，或用液體作冷卻介質進行突然冷卻瓶罐，造成製品表面因突然收縮而形成的壓應力層，製品內部的冷卻因滯後於表面為張應力層，當這2種應力分布合理時，玻璃耐內壓強度可以成倍提高。噴射瓶身的空氣壓力一般為15～21kPa，噴射瓶底的空氣壓力一般為6～7kPa。
化學強化
（鋼化）
對玻璃表面進行離子交換處理又稱化學強化，常用方法有熔鹽法和噴塗法。
熔鹽法
以溶質中半徑大的離子交換玻璃中半徑小的離子或以溶質中半徑小的離子置換玻璃中半徑大的離子，使玻璃表面產生壓應力，可使耐內壓強度提高，經處理後製品的硬度高。耐磨損，製品的強度不會因長時間使用而降低。
噴塗法
噴塗法化學鋼化具有增強效果好、生產及使用安全、生產效率高和生產成本低等優點，從綜合評價的角度上分析，
為了提高噴塗法化學鋼化的增強效果和與工藝特性適應，經研究應選擇比較理想的基礎玻璃化學組成，基礎玻璃化學組成不一樣，噴塗液、噴塗液添加劑配方也應作相應的調整；
噴塗法化學鋼化的每一個工藝環節，都將對其最終的增強效果產生舉足輕重的影響，因此，必須把握好2個階段的工藝參數：第一階段，固相試劑層的形成必須控制好噴霧溫度、溶液濃度、噴霧時間、噴霧液滴大小，固相試劑層的厚度、密度等參數；第二階段，熱處理（離子的擴散和交換）必須控制好溫度。該法可使玻璃容器強度達到原始值的2倍左右，增強制品在運輸和機械灌裝過程中的損耗則降為原值的1/3左右，經噴塗法化學鋼化的玻璃製品具有很好的光澤度和商品外觀。
表面酸處理
表面酸處理可以消除玻璃表面較大數量的微裂紋或使微裂紋的寬度與深度變小，減少應力集中。處理方法通常是將玻璃製品置於低濃度的氫氟酸中浸蝕一定時間。為使浸蝕效果更好，也可在氫氟酸中加入適量的硫酸或磷酸。當浸蝕深度在100μm時，可使製品機械衝擊強度提高50%～100%，再結合物理鋼化，可使玻璃強度的提高更為顯著。
聚酯塗層
用浸液、流延和靜電等方法在瓶的外表面塗上0.2～0.3mm厚的樹脂（環氧樹脂、聚氨酯、聚氯乙烯或聚苯乙烯等）或合成橡膠塗層，塗層可為一層或多層，塗後加熱硬化。這種方法簡單、價廉，但塗層壽命較短。德國杜塞道夫市玻璃工廠開發出1kg裝超薄聚酯塗層玻璃瓶，僅稍重於聚合物的瓶子，但玻璃瓶一點也不會影響內裝飲料的味道。
輕量化設計
調整玻璃配方。玻璃的內在強度一定程度上取決於玻璃的主要成分（配方），包裝用瓶罐玻璃主要是Na2O—CaO—SiO2系玻璃，醫藥上多用硬質硼矽玻璃。輕量化玻璃容器重點考慮增加強度的成份。提高組成中網路形成物含量，使玻璃結構更趨緊密的材料。組成中引入的氧化物離子的電荷要高，離子半徑要小。
輕量化結構設計。研究合理的結構使玻璃容器壁厚減薄，玻璃容器的壁厚減小後，垂直荷重能力減小，但合理的結構可使應力分布均勻、冷卻均勻和增加容器的“彈性”，使耐內壓強度和衝擊強度反而得以提高，因此可採取如下措施以保證垂直荷重強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，而瓶型的線條則越簡單越好，無尖角或尖棱，各部分之間採用緩和過渡的光滑線型；瓶身形狀呈圓柱形；瓶肩線的曲率半徑越大的瓶肩結構；瓶身與瓶底平緩過渡的構型較好。另外，瓶罐口部的加強環要儘量小，或取消加強環；小口瓶的瓶頸不要細而長。
運用最佳化設計手段。運用最佳化設計，探討玻璃最佳瓶型，使玻璃容器的重量小而容量大，降低原料耗量；運用現代模具設計、加工手段，生產高精度的容器模具，保證容器尺寸精度，從而保證容器強度。運用先進的理論和現代化的手段，根據確定的瓶型的不同部位應力大小，準確設計容器各部位的壁厚，做到厚薄分明，減小重量。
工藝設計採用強化工藝。強化生產工藝技術，對生產過程的各環節，從原料組織、配料、熔制、成型、退火等環節都必須嚴格控制，採用化學的和物理的強化工藝以及表面塗層強化方法等，在提高材料的物理機械強度的前提下，使玻璃容器薄壁化從而實現輕量化目的。因此，必須在設計階段明確規定強化工藝。
行業前景
我國人均消費包裝瓶5.5kg，遠低於已開發國家人均消費45kg的平均水平。只要從改進和嚴控生產工藝、廣泛使用表面強化處理技術、實施輕量化設計、大力加強新配方、新工藝及新設備研製、倡導玻璃包裝輕量化消費觀念等方面一齊努力，實現輕量化，適應玻璃包裝市場化和綠色化的要求，同時憑藉玻璃包裝優秀的化學穩定性、氣密性、光潔透明、耐高溫、易消毒等一系列物理化學性質，玻璃包裝必定會有廣闊的發展前景。
