包裝材料學(xué)第七章玻璃的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)ppt課件

1、第七章 玻璃的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)第一節(jié)概述 第二節(jié)玻璃的結(jié)構(gòu) 第三節(jié)玻璃的物理性質(zhì) 第四節(jié)玻璃的化學(xué)穩(wěn)定性 第一節(jié)第一節(jié) 概述概述一 玻璃發(fā)展簡(jiǎn)史最古的包材及容器4500年前在美索不達(dá)米亞制作玻璃飾品。公元前1500年，埃及人用“砂芯法制造出玻璃容器。公元前1世紀(jì)，敘利亞發(fā)明玻璃吹制技術(shù)。12-15世紀(jì)，在威尼斯建立玻璃制造中心。19世紀(jì)中葉，歐文斯真空吸料全自動(dòng)制瓶機(jī)研制成功。1925年，出現(xiàn)了行列式制瓶機(jī)，用吹-吹法制造小口瓶。1940年，吹-吹法制大瓶。20世紀(jì)，計(jì)算機(jī)控制制瓶生產(chǎn)線。這里指無機(jī)玻璃：定義為熔融體冷卻為固體時(shí)，不結(jié)晶的無機(jī)產(chǎn)物。 蘇聯(lián)時(shí)期的定義：由過冷熔體制得的無定形物體，不論其

2、化學(xué)成分如何，冷凝范圍多大，統(tǒng)稱為玻璃。二 玻璃的定義及分類2.組成與分類1.定義： （1組成：玻璃形成體氧化物，“堿金屬和堿土金屬”改變體氧化 物，中間體氧化物三部分組成。（2品種：元素玻璃，氧化物玻璃，鹵化玻璃，硫?qū)俨Ａ?。也可分為：平板、瓶罐、器皿、醫(yī)療、光學(xué)、電真空、乳濁、有色、玻纖等玻璃。其他分法見下表 通性：衛(wèi)生安全，文雅，易脆，運(yùn)輸費(fèi)用高開展：面臨競(jìng)爭(zhēng)三.玻璃包裝材料的通性及其發(fā)展第二節(jié)第二節(jié) 玻璃的結(jié)構(gòu)玻璃的結(jié)構(gòu)一 晶體與玻璃晶體與玻璃的比容-溫度曲線比容溫度過冷熔體TmTg熔融態(tài)液態(tài)玻璃態(tài)玻璃結(jié)構(gòu)：短程有序，長(zhǎng)程無序。晶體結(jié)構(gòu)是有序的。二.玻璃的結(jié)構(gòu)1.石英晶體與石英玻璃的結(jié)構(gòu)

3、見圖7-2。石英組成，它以晶體與玻璃兩種結(jié)構(gòu)存在，石英結(jié)構(gòu)有序，石英玻璃為“短程有序，長(zhǎng)程無序”。 2.NaOCaO系玻璃的結(jié)構(gòu)見圖7-3 鈉鈣玻璃，其結(jié)構(gòu)為石英玻璃網(wǎng)絡(luò)中引入Na和Ca的氯化物。3. 系玻璃的結(jié)構(gòu)2Na O23B O向石英玻璃中引入大量的形成硼硅酸鹽玻璃，其結(jié)構(gòu)為兩種： 的三角形平面 和 四面體結(jié)構(gòu)。3BO3BO2SiO4.普通玻璃的結(jié)構(gòu)屬于Na，Ca，Si，Al，Mg的氯化物，結(jié)構(gòu)為四面體加骨架網(wǎng)絡(luò)。第三節(jié)玻璃的物理性質(zhì)第三節(jié)玻璃的物理性質(zhì) 概念：玻璃的性質(zhì)，組成，結(jié)構(gòu)之間存在有規(guī)律和共性 可將玻璃性質(zhì)分為兩大類： 其一，粘度、電導(dǎo)、離子擴(kuò)散及化學(xué)穩(wěn)定性等。 其二，密度，硬

4、度，折射率，彈性模量，熱膨脹系數(shù)等。 主要研究：密度，硬度，機(jī)械強(qiáng)度，粘度，熱學(xué)性質(zhì)，光學(xué)性質(zhì)是表征玻璃的重要物理量。不同玻璃有不同的密度，石英類為2.21 ， 3/g cm特種為8.0 ，瓶類包裝玻璃普通為2.5 。3/g cm3/g cm一.密度玻璃硬度決定于原子半徑，電荷大小及堆積密度。 在硅酸鹽玻璃中，石英玻璃硬度最大。 參與 ， 和 可降低硬度NaKPb二.硬度玻璃為脆材，其機(jī)械強(qiáng)度用耐壓，耐折，抗張，抗沖擊強(qiáng)度來表示。其分有理論和實(shí)際兩種強(qiáng)度。理論強(qiáng)度指玻璃不存在任何缺陷時(shí)的強(qiáng)度。三.機(jī)械強(qiáng)度理論強(qiáng)度計(jì)算公式格里菲斯公式）：2/Eal式中： 為玻璃斷裂應(yīng)力斷裂強(qiáng)度）；Ea為玻璃彈性

5、摸量；為表面積；l 為裂紋長(zhǎng)度。玻璃理論強(qiáng)度大約為10000MPa，實(shí)際強(qiáng)度不到理論強(qiáng)度的1/100。影響玻璃強(qiáng)度的因素有：濕度，組成及表面狀態(tài)。小范圍內(nèi)玻璃強(qiáng)度與組成有線性加和關(guān)系，即抗張或抗壓強(qiáng)度）1122.f pf p式中：f為計(jì)算因素；p為各組成氧化物的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)。四.玻璃的粘度 重點(diǎn)1.粘度是表征流體內(nèi)摩擦力或表示阻礙液體流動(dòng)性質(zhì)的物理量。由流體力學(xué)中兩平面移動(dòng)演示可知。2.玻璃的粘度與玻璃的組成和溫度有關(guān)，其粘度隨溫度變化為：expQART式中：A 為與溫度無關(guān)的常數(shù)；Q 為粘流活化能；R 是氣體常數(shù)，T 是絕對(duì)溫度。3.玻璃的粘度隨溫度升高逐漸減?。欢B(tài)物質(zhì)的粘度在熔點(diǎn)TM附近

6、有一突變，呈不連續(xù)化。玻璃粘度變化還與組成成分有關(guān) 4.玻璃料性問題與應(yīng)用常把粘度在10-10Pa.S的范圍隨溫度變化的快慢叫玻璃料性。（1長(zhǎng)性玻璃料性長(zhǎng)的粘度隨溫度變化慢，適合做復(fù)雜件。（2短性玻璃料性短的粘度隨溫度變化快，適合做簡(jiǎn)單件。為什么？學(xué)生分析。問題5.粘度一般性概念 粘度 可定義為剪切應(yīng)力 與速度剃度 之比 d vd y即：/dvdyAFvy流體的粘度見圖7-4五.玻璃的熱性能1.線形熱膨脹系數(shù)定義：1LLt式中： 為線形熱膨脹系數(shù)；L 為試樣長(zhǎng)度； 為加熱后試樣的伸長(zhǎng)量；L 為加熱前后的溫度差。t決定于玻璃組成且有加和性。石英玻璃的最小，增加CaO、BaO、 、 等氧化物的含量

7、能使增加； 、 、 、ZnO、 等氧化物的含量能使降低。 2Na O2K O2SiO23Al O23B O2ZrO 的作用：決定抗沖擊能力， 越小，抗沖擊能力越大。 2.玻璃的導(dǎo)熱性QAtt導(dǎo)熱性用導(dǎo)熱系數(shù) 表示：式中：Q 為單位時(shí)間內(nèi)通過物體的熱量為物體的厚度；A 為與熱源方向垂直的物體橫截面積；為物體相鄰表面的溫度差。玻璃導(dǎo)熱性與組成有關(guān)，在玻璃中加入 、 、 等氯化物， 增大；引入一價(jià)和二價(jià)金屬氧化物時(shí)， 減小。 2SiO23Al O23B O問題請(qǐng)結(jié)合包裝，有什么用？ 六.玻璃的光學(xué)性質(zhì)光學(xué)性包括：折射、反射和透射。玻璃光學(xué)性與玻璃組成，制造工藝和對(duì)光波長(zhǎng)吸收能力有關(guān)，對(duì)光的吸收能力在

8、加工中加入某些離子為著色劑。問題光學(xué)性在包裝上有何作用？ 第四節(jié)第四節(jié) 玻璃的化學(xué)穩(wěn)定性玻璃的化學(xué)穩(wěn)定性 化學(xué)穩(wěn)定性的定義商品的保護(hù)。 一.玻璃被侵蝕的機(jī)理1.玻璃與水及酸的作用機(jī)理：玻璃結(jié)構(gòu)由 相互聯(lián)接的骨架網(wǎng)絡(luò)及網(wǎng)絡(luò)外的堿金屬或堿土金屬離子構(gòu)成，其中的硅氧分為兩部分：4SiOa.由橋氧連接的位于骨架上的游離部分不與水、酸作用；b.非橋氧與金屬離子結(jié)合的硅酸部分能與水、酸作用。金屬離子 （玻璃表面G上的） M33MGH OH OGM2MGH OHGMOHMH或式中表明： 使水中的 降低或PH值增大。（即發(fā)生交換反應(yīng)）交換反應(yīng)結(jié)果：玻璃與水及酸作用就是使硅酸鹽水解。水解的金屬水解產(chǎn)物溶于水和酸

9、，則反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行，最終玻璃被侵蝕，反應(yīng)不溶于水和酸，產(chǎn)物成保護(hù)層。玻璃對(duì)水和酸的穩(wěn)定性取決于硅氧和堿金屬氧化物的含量。2.玻璃與潮濕空氣的作用潮濕空氣對(duì)玻璃的侵蝕表現(xiàn)為某些離子吸附空氣中的水分子， 形成原子團(tuán)，在吸附其他物質(zhì)形成薄層。如果玻璃中的鈉、鉀、鋇氯化物不多，則薄層不在產(chǎn)生。而遇空氣中的 和 等酸性物質(zhì)則產(chǎn)生中和反應(yīng)，玻璃得不到保護(hù)問題，這是玻璃被氧化的原因嗎？玻璃的風(fēng)化天氣侵蝕、與環(huán)境有關(guān)成分）OH2CO2SO3.玻璃與堿的作用結(jié)論：玻璃對(duì)堿的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定性遠(yuǎn)不如對(duì)酸及水的穩(wěn)定好，這就是玻璃不宜作堿性物質(zhì)包裝的原因。玻璃不能作堿裝。 堿可侵蝕硅酸鹽和骨架上的游離硅氧。 4.玻璃的脫片

10、侵蝕該內(nèi)容是指藥用包裝主要的質(zhì)檢內(nèi)容脫片侵蝕指玻璃的化學(xué)穩(wěn)定性差，在熱壓和長(zhǎng)時(shí)間變化與氯化物侵蝕而產(chǎn)生脫片的現(xiàn)象。產(chǎn)生脫片過程： 1.表面NA離子溶出；2.表面硅氧骨架受到侵蝕；3.脫片產(chǎn)生初期；4.脫片脫落：脫片侵蝕隨藥液化學(xué)氧化物濃度、貯藏溫度、侵蝕時(shí)間增加而加重；防止辦法：（1用中性料；（2加入提高穩(wěn)定性的氧化物。二.玻璃的化學(xué)穩(wěn)定性與組成的關(guān)系（1） 含量高，穩(wěn)定性高；（2硅氧網(wǎng)絡(luò)斷裂越少，穩(wěn)定性越高；（3陽離子半徑減少，穩(wěn)定性越高；（4加入CaO，穩(wěn)定性增加；（5適當(dāng)加入 、 、 ，穩(wěn)定性增加。4SiO23B O23Al O2ZrO三.玻璃化學(xué)穩(wěn)定性的測(cè)試常用粉末法和表面法1.粉末法：定義：用水、酸、堿液對(duì)一定粘度和一定質(zhì)量的玻璃粉進(jìn)行侵蝕，再測(cè)定其侵蝕量的方法。應(yīng)用：對(duì)新斷面侵蝕，粉末侵蝕量可用滴定、比色、電導(dǎo)等測(cè)定。2.表面法：定義：用上述方法對(duì)其玻璃表面測(cè)定應(yīng)用：測(cè)其容器表面。 3.加速實(shí)驗(yàn)： 用公式理論依據(jù)及公式） 式中：N 為NaOH的侵蝕量； 為時(shí)間(h)； T 為絕對(duì)溫度(k)； a、b、c 為依據(jù)