玻璃和陶瓷包裝材料教程文件

玻璃和陶瓷包裝材料2

3.玻璃包裝材料的特點(diǎn) 玻璃包裝材料主要是鈉-鈣-硅玻璃。屬硅酸鹽玻璃。 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)良的光學(xué)性能；化學(xué)惰性和穩(wěn)定性好；阻隔性能好；抗內(nèi)壓強(qiáng)度高。 缺點(diǎn)：抗沖擊強(qiáng)度低；重量大；不能承受內(nèi)外溫差的急劇變化；生產(chǎn)耗能大。 發(fā)展趨向：高強(qiáng)度輕量化。3

4.1.2玻璃的結(jié)構(gòu)

一、晶體的結(jié)構(gòu) 晶體結(jié)構(gòu)中，原子、離子或分子的空間排列規(guī)則有序。 微觀尺度（幾個原子間距）和宏觀尺度（微米、米）上觀察，都由最小結(jié)構(gòu)單元（晶胞）重復(fù)周期性排列構(gòu)成。 如石英晶體，硅氧四面體排列規(guī)則有序，“短程”和“長程”都有很好的重復(fù)性和周期性。

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二、玻璃的結(jié)構(gòu)

玻璃結(jié)構(gòu)中，從幾個原子間距的微觀尺度來看，原子排列規(guī)則有序；但從較長的距離觀察，原子排列無規(guī)則。這種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)稱為短程有序、長程無序。

如石英玻璃，硅氧四面體排列短程有序、長程無序。5

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三、鈉-鈣-硅（Na2O-CaO-SiO2）系玻璃的結(jié)構(gòu) 在石英玻璃的硅氧四面體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，引入Na2O、CaO金屬氧化物。使原來互相連接的硅氧四面體網(wǎng)絡(luò)斷裂，“氧橋”（氧原子與2個硅原子相連）變?yōu)椤胺茄鯓颉保ㄑ踉又慌c1個硅原子相連），鈉、鈣離子在非氧橋附近，處于斷裂網(wǎng)絡(luò)形成的空隙中，以平衡氧離子的負(fù)電荷。7

四、晶體與玻璃的性質(zhì) 熱轉(zhuǎn)變：晶體——結(jié)晶溫度（熔點(diǎn)Tm）；玻璃——玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg。 導(dǎo)熱性、粘度、X光衍射、加工性能等。

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4.1.3玻璃的物理性質(zhì)

一、密度 密度主要決定于構(gòu)成玻璃的原子質(zhì)量、原子堆積和配位數(shù)。 普通玻璃2.5g/cm3左右。密度最小的石英玻璃2.21g/cm3，特種玻璃可高達(dá)8.0g/cm3。二、硬度 硬度主要決定于構(gòu)成玻璃的原子半徑、電荷大小和堆積密度。 石英玻璃硬度最大。加入鈉、鉀、鉛等離子使玻璃硬度降低。9

三、機(jī)械強(qiáng)度1.玻璃的理論強(qiáng)度 玻璃的理論強(qiáng)度可以由格里菲斯公式計(jì)算：

其中，E為彈性模量；a為比表面能；l為裂紋長度。 裂紋長度按分子間距離代入，玻璃理論強(qiáng)度可達(dá)10000MPa，2.玻璃的實(shí)際強(qiáng)度 但實(shí)際抗張強(qiáng)度或抗折強(qiáng)度不到理論強(qiáng)度的1%。原因主要是玻璃結(jié)構(gòu)存在缺陷、組成的不均勻、玻璃表面存在裂紋等。10

3.多組分玻璃的強(qiáng)度 按線性加和關(guān)系近似計(jì)算：四、粘度1.粘度的概念 彈性體受力-變形關(guān)系： 粘性流體受力-變形關(guān)系：11

2.溫度對粘度的影響 粘度隨溫度的變化：其中Q為粘流活化能。 實(shí)際玻璃組成復(fù)雜，需要修正：3.玻璃的料性 玻璃的料性是指粘度在10~105Pas范圍內(nèi)隨溫度變化的快慢。 長性玻璃（料性長），粘度隨溫度變化慢，適合于形狀復(fù)雜玻璃器皿的成型。 短性玻璃（料性短），粘度隨溫度變化快，適合于形狀簡單、速度快的制瓶機(jī)成型。12

五、熱性能1.線性熱膨脹系數(shù) 線性熱膨脹系數(shù) 不同組成的玻璃線性熱膨脹系數(shù)范圍為：6.8~15010-7K-1. 玻璃的熱膨脹系數(shù)決定了其抗熱沖擊性能，即玻璃能承受溫度劇變的能力。

T=115010-6

多組分玻璃的熱膨脹系數(shù)符合線性加和關(guān)系。

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2.玻璃的導(dǎo)熱性 玻璃的導(dǎo)熱性常用導(dǎo)熱系數(shù)表示： 玻璃是熱的不良導(dǎo)體。六、光學(xué)性能 玻璃具有優(yōu)異的光學(xué)性能。 為保護(hù)內(nèi)容物，加入某些過渡金屬或稀土金屬離子，制成有色玻璃。14

4.1.4玻璃的化學(xué)性質(zhì)

一、玻璃侵蝕機(jī)理1.玻璃與水及酸的作用

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2.玻璃與潮濕空氣的作用 玻璃表面吸附空氣中的水分子，形成OH原子團(tuán)。 玻璃在大氣中受到侵蝕的現(xiàn)象叫做風(fēng)化。3.玻璃與堿的作用 堿不僅影響玻璃中的硅酸鹽部分，也能侵蝕骨架上的硅氧。結(jié)果使玻璃表面全部脫落。 玻璃對堿的穩(wěn)定性遠(yuǎn)不如對酸和水的穩(wěn)定性，所以玻璃不宜作為堿性物質(zhì)的包裝容器。16

4.玻璃的脫片侵蝕 使用化學(xué)穩(wěn)定性不良的安瓶，在熱壓消毒中或長期貯存藥品后，因藥液對玻璃的侵蝕而產(chǎn)生脫片。17

二、玻璃的化學(xué)穩(wěn)定性與組成的關(guān)系 硅氧四面體越完整，化學(xué)穩(wěn)定性越好。 陽離子與非氧橋之間的化學(xué)鍵。三、化學(xué)穩(wěn)定性的測試1.粉末法2.表面法18

3.加速試驗(yàn) 玻璃侵蝕相當(dāng)緩慢，常用加速試驗(yàn)方法進(jìn)行測試。 換算關(guān)系用萊爾方程：其中a、b、c為常數(shù)；N為每立升NaOH的侵蝕量。為時間；T為絕對溫度。 對于瓶罐玻璃，建立了加速試驗(yàn)與真實(shí)使用條件相聯(lián)系的測試方法，萊爾方程改寫為：

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第二節(jié)玻璃容器的

成型與加工20

4.2.1熔制玻璃原料

玻璃原料分為主要原料和輔助原料。一、主要原料1.引入SiO2的原料 一般常用硅砂（又稱為石英砂）、砂巖、石英巖等。 硅砂的化學(xué)成分主要是SiO2，還含有少量的Al2O3、K2O、Na2O、CaO等。

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2.引入Al2O3和B2O3的原料 引入Al2O3的原料有：長石、粘土等天然礦物，也有用氧化鋁、氫氧化鋁等化工原料。主要是長石（鉀長石K2OAl2O36SiO2、鈉長石Na2OAl2O36SiO2、鈣長石CaOAl2O36SiO2）。粘土的化學(xué)成分為Al2O32SiO22H2O。 引入B2O3的原料為：硼酸和硼砂（Na2B4O710H2O）。3.一價金屬氧化物原料 Na2O——純堿（碳酸鈉）、芒硝（硫酸鈉）、硝酸鈉 K2O——硝酸鉀、碳酸鉀

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4.二價金屬氧化物原料 CaO——方解石、石灰石、白堊、沉淀碳酸鈣 MgO——白云石、菱鎂礦、沉淀碳酸鎂5.四價金屬氧化物原料二、輔助原料1.澄清劑 高溫時本身汽化或分解放出氣體，促進(jìn)排除玻璃中的氣泡。 常用的澄清劑有白砒、三氧化二銻、硫酸鹽（硫酸鈉等）、氟化物、氯化鈉等。23

2.著色劑 使玻璃著色的物質(zhì)，主要是某些過渡或稀土金屬的氧化物。 常用玻璃著色劑見表8-1。3.脫色劑 減弱鐵化合物對玻璃著色的影響。 化學(xué)脫色劑（硝酸鈉、硝酸鉀、硝酸鋇、白砒、氧化銻等）：氧化作用使著色能力強(qiáng)的FeO氧化為著色能力弱的Fe2O3。 物理脫色劑（二氧化錳、硒、氧化鈷等）：互補(bǔ)色的著色劑。 生產(chǎn)中物理脫色與化學(xué)脫色結(jié)合使用。24

4.乳化劑 使玻璃呈不透明乳白色的物質(zhì)。 常用乳化劑是冰晶石、氟硅酸鈉、螢石等。5.碎玻璃 回收利用、助熔劑。

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一、玻璃的熔制1.玻璃熔爐4.2.2玻璃的熔制與成型

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2.玻璃熔制過程（1）硅酸鹽形成階段：800~9000C（2）玻璃形成階段：1200~12500C（3）澄清階段：1400~15000C，粘度約100P。（4）均化階段（5）冷卻階段：溫度約為12000C，粘度約103P。27

二、玻璃容器的成型1.特征溫度與玻璃粘度（1）熔點(diǎn)。即熔融溫度。玻璃液的粘度為102P，鈉-鈣-硅玻璃的熔點(diǎn)為1500~15600C。（2）成型操作點(diǎn)。粘度約為104P，對應(yīng)溫度約為10000C。（3）軟化點(diǎn)。玻璃不能形變的最高溫度。粘度為4107P，對應(yīng)溫度約為7240C。（4）退火點(diǎn)。粘度為1013P，對應(yīng)溫度約為5500C。（5）應(yīng)變點(diǎn)。玻璃開始變?yōu)榇嘈怨腆w。粘度為31014P，對應(yīng)溫度約為5000C。28

2.玻璃容器的成型 料滴料泡成型 成型方法：吹-吹法、壓-吹法、壓制法

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3.成型缺陷 原料、機(jī)器、工藝。

影響強(qiáng)度、外觀、密封性等。31

玻璃制品生產(chǎn)使玻璃表面和內(nèi)部存在剩余應(yīng)力，退火就是消除玻璃中的剩余應(yīng)力的熱處理過程。一、玻璃瓶罐中的應(yīng)力1.結(jié)構(gòu)應(yīng)力：化學(xué)組成不均勻、缺陷引起熱膨脹不同而產(chǎn)生的應(yīng)力。2.熱應(yīng)力：玻璃各部分加熱或冷卻速率不一致而產(chǎn)生的應(yīng)力。（1）永久應(yīng)力：不存在溫度差時仍然存在的應(yīng)力稱為永久應(yīng)力或殘余應(yīng)力。（2）暫時應(yīng)力：隨溫差的消失而消失的熱應(yīng)力稱為暫時應(yīng)力。4.2.3玻璃容器的退火及表面處理

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二、玻璃瓶罐的退火1.退火溫度 普通玻璃退火溫度540~6000C，對應(yīng)的粘度為1013~1011P。2.退火工藝 加熱、保溫、緩慢降溫、快速降溫。

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三、玻璃表面與表面處理 玻璃表面性質(zhì)對玻璃制品的性能影響很大。1.玻璃表面的缺口敏感性 玻璃表面的裂痕對玻璃的強(qiáng)度影響極大。

其中m為裂痕處真實(shí)應(yīng)力；0為表觀應(yīng)力；c為裂痕深度；t為缺口尖端半徑。34

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2.玻璃表面的化學(xué)穩(wěn)定性3.玻璃表面處理技術(shù)（1）酸處理：腐蝕表面微小裂紋（2）火拋光：熔化，借助表面張力使裂紋愈合（3）涂敷有機(jī)化合物：甲基硅油、二甲基二氯硅烷等有機(jī)硅化合物涂敷（4）硫霜化反應(yīng)：玻璃堿性氧化物與爐氣中酸性氣體反應(yīng)生成硫酸鈉粉霜，洗去粉霜后玻璃表面富集二氧化硅。（5）雙層涂敷工藝：金屬涂敷劑+有機(jī)物涂敷劑36

一、強(qiáng)化玻璃技術(shù)1.風(fēng)冷強(qiáng)化法 冷空氣或油浴急劇冷卻處于高溫尚未軟化的玻璃。4.2.4強(qiáng)化玻璃與輕量玻璃容器37

2.化學(xué)強(qiáng)化處理 用半徑較大的鉀離子(0.133nm)置換玻璃中的鈉離子(0.097nm)，將壓應(yīng)力預(yù)先置入玻璃表面。 普通玻璃置于KNO3熔鹽中，一般處理溫度不超過4000C。

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二、輕量玻璃容器1.重容比 重容比：玻璃瓶罐的重量W(g)與其容積C(ml)之比。2.輕量化級L=0.44WV-0.77

重量級L>1.4；標(biāo)準(zhǔn)重量級L=1~1.4；輕量級L=0.7~1；超輕量級L<0.7