輕量化玻璃改進(jìn)趨向

    由于玻璃容器生產(chǎn)成本較高，加上質(zhì)重、易碎，在某些包裝領(lǐng)域已被金屬容器、塑料容器、復(fù)合材料軟包裝等取代。目前，啤酒包裝已有部分采用聚酯瓶；醫(yī)藥包裝方面，除高等營(yíng)養(yǎng)液瓶、輸液瓶外，常規(guī)包裝已為塑料瓶、軟管及泡罩包裝取代。從市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)角度看，玻璃包裝必須加快實(shí)施輕量化，降低成本，提高性能，才能重新找回和鞏固市場(chǎng)。本文根據(jù)玻璃包裝市場(chǎng)的要求，提出了改進(jìn)和嚴(yán)控生產(chǎn)工藝、廣泛使用表面處理技術(shù)、實(shí)施輕量化設(shè)計(jì)等玻璃包裝改進(jìn)措施。玻璃包裝的輕量化就是在保證強(qiáng)度一定條件下，降低玻璃瓶的重容比，目的是提高其經(jīng)濟(jì)性。重容比是評(píng)價(jià)相同容積的玻璃瓶罐質(zhì)量大小的尺度，根據(jù)用途不同，輕量瓶的重容比一般在0.15～0.8 之間，輕量瓶重容比小，瓶壁相對(duì)薄，重量輕。輕量瓶的壁厚平均為2－2.5mm。
    降低玻璃包裝容器重容比主要是靠減小壁厚。但是，在薄壁狀態(tài)下要保持較高的耐壓強(qiáng)度是非常困難的，必須從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)全過(guò)程的各個(gè)環(huán)節(jié)入手。
    生產(chǎn)工藝控制
    做好配料工作是實(shí)現(xiàn)輕量化生產(chǎn)的靠前步
    原料及配料配方設(shè)計(jì)、原料成分、粒度、水分、配料均勻度、碎玻璃的質(zhì)量及加入均勻性等都對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量有直接影響。做好配料工作必須執(zhí)行穩(wěn)定的配方、制定和嚴(yán)格執(zhí)行原料標(biāo)準(zhǔn)、配合料制備工藝要制度化。國(guó)內(nèi)高等輕量瓶生產(chǎn)都特別重視這些環(huán)節(jié)，在生產(chǎn)的稱量與精度上，配料系統(tǒng)采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)控制電子秤量設(shè)備，動(dòng)態(tài)精度應(yīng)達(dá)到1/500，確保配料質(zhì)量。
    熔制工藝是保證質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)
    玻璃熔制過(guò)程大致可分為硅酸鹽形成、玻璃形成、澄清、均化、冷卻5 個(gè)階段。這5 個(gè)階段是在熔爐的不同部位進(jìn)行的，以便分段控制準(zhǔn)確的熔制溫度。窯爐運(yùn)行工藝指標(biāo)的穩(wěn)定性至關(guān)重要，一般要求熔化溫度波動(dòng)不超過(guò)10℃，液面波動(dòng)不超過(guò)0.5mm，窯壓波動(dòng)不超過(guò)2Pa，防止窯爐空間冒火，從而防止結(jié)石、色彩、外觀、強(qiáng)度差等質(zhì)量問(wèn)題。高等輕量瓶生產(chǎn)中對(duì)分配料道溫度和玻璃液面的波動(dòng)精度要求非常高，有的分別控制在±2℃以內(nèi)及±0.2mm 以內(nèi)。要保證高精度的生產(chǎn)工藝指標(biāo)，必須推廣燃油窯爐，改進(jìn)窯型，使用高溫、寬截面、大型的輥道式馬蹄焰熔爐。對(duì)窯爐實(shí)行全保溫、爐底鼓泡、電助熔、窯坎、熱工參數(shù)使用微機(jī)控制等措施，使熔化率達(dá)到1.5～2.0（t·m－1），熔化質(zhì)量明顯提高。
    有效的成型控制是獲得預(yù)期成型效果和均勻壁厚的保證
    玻璃制品的生產(chǎn)過(guò)程可分為成型和定型兩個(gè)階段。成型和定型是連續(xù)進(jìn)行的，成型過(guò)程中，需要控制玻璃的粘度、溫度以及通過(guò)模具向周圍介質(zhì)的熱傳遞。通常從3 個(gè)特征溫度值來(lái)控制成型操作：軟化溫度、退火溫度和應(yīng)變點(diǎn)。不同產(chǎn)品，通過(guò)試驗(yàn)確定合理的參數(shù)是關(guān)鍵，先進(jìn)的制瓶、供料及加熱系統(tǒng)及采用先進(jìn)的成型工藝是獲得均勻壁厚、實(shí)現(xiàn)輕量化的根本保證。
    實(shí)施有效退火，清理有害殘余應(yīng)力
    退火是清理或減小玻璃中的剩余應(yīng)力至允許值的熱處理過(guò)程。任何玻璃制品在加工過(guò)程中都存在著剩余熱應(yīng)力或較久應(yīng)力。為了清理這些熱應(yīng)力，需將玻璃加熱到退火點(diǎn)進(jìn)行保溫、均熱，使玻璃內(nèi)部的結(jié)構(gòu)得以調(diào)整，應(yīng)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(gè)階段，要根據(jù)壁厚準(zhǔn)確控制保溫時(shí)間，緩慢降溫階段，要嚴(yán)格控制降溫速度，以免產(chǎn)生新的應(yīng)力。在快冷階段，要根據(jù)壁厚，采用不同的降溫速度，防止降溫時(shí)產(chǎn)生的暫時(shí)應(yīng)力超過(guò)玻璃的強(qiáng)度較限而引起破裂。
    表面處理技術(shù)
    玻璃的表面狀態(tài)、組成和結(jié)構(gòu)與其內(nèi)部的組成、結(jié)構(gòu)有很大差別。表面性質(zhì)對(duì)其主體性質(zhì)有很大影響。玻璃的化學(xué)穩(wěn)定性，實(shí)際上取決于其表面的化學(xué)穩(wěn)定性。玻璃的機(jī)械強(qiáng)度、抗沖擊性能也在相當(dāng)大程度上決定于其表面的形態(tài)與結(jié)構(gòu)。因此，玻璃的表面處理是制造高度度輕量化玻璃容器的重要技術(shù)手段之一。
    玻璃容器表面處理的目的，是改變?nèi)萜鞅砻娴幕瘜W(xué)穩(wěn)定性和清理玻璃表面的損傷，從而達(dá)到增強(qiáng)的目的。主要方法有添加涂層、物理強(qiáng)化、化學(xué)強(qiáng)化、表面酸處理、塑料涂層等方法。
    制瓶涂層
    熱涂：熱涂在制瓶成型后及退火處理前進(jìn)行。成型后的玻璃瓶在緩緩冷卻至500～600℃時(shí)，將金屬涂敷劑噴涂在容器表面，形成一定厚度的保護(hù)膜，增強(qiáng)表面強(qiáng)度約30%，又可使瓶經(jīng)得起長(zhǎng)期的水沖、水洗。
    冷涂：冷涂是在玻璃瓶退火之后，將單硬脂酸鹽、聚乙烯、油酸、硅烷、硅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（瓶溫依噴涂材料而定，約為21～80℃），形成具有耐磨性和潤(rùn)滑性的保護(hù)層。
    起霜：起霜是在玻璃瓶冷卻過(guò)程中噴涂四氯化碳，或在退火爐中通入二氧化硫，二者均可在瓶的表面與堿性氧化物反應(yīng)，使玻璃表面的鈉離子析出而形成芒硝微粒，用水沖除后，由于堿性降低而使表面的化學(xué)穩(wěn)定性增強(qiáng)。
     表面農(nóng)業(yè)生產(chǎn)體系硅涂層處理：玻璃表面使用農(nóng)業(yè)生產(chǎn)體系硅蒸發(fā)涂層或用農(nóng)業(yè)生產(chǎn)體系硅浸漬都可形成農(nóng)業(yè)生產(chǎn)體系聚硅氧烷憎水膜和聚合。硅氧膜，通過(guò)公用的硅氧鍵而與玻璃表面連接起來(lái)。經(jīng)熱處理后農(nóng)業(yè)生產(chǎn)體系基團(tuán)會(huì)揮發(fā)而剩下硅氧膜可填充于裂紋中。所具憎水性可避免活性介質(zhì)在裂紋中的擴(kuò)散而使表面裂紋變好，不僅玻璃強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性有非常大提高，還使玻璃具有特殊的光學(xué)性能和抗沖擊性能。
    容器表面的聚合物薄膜厚度為0.005mm，在容器標(biāo)準(zhǔn)重量下其壓應(yīng)力加大了10～12Pa。在內(nèi)部壓力相同的情況下，1L 不可回收標(biāo)準(zhǔn)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(shí)由于所鍍膜非常薄，回爐不會(huì)造成任何環(huán)境問(wèn)題。
    物理強(qiáng)化（鋼化）
    物理強(qiáng)化（鋼化）也叫風(fēng)冷強(qiáng)化，目的是提高玻璃瓶罐的機(jī)械強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性。物理強(qiáng)化處理方法如下：瓶罐由制瓶機(jī)脫模后，立即送入鋼化爐內(nèi)均勻加熱到接近玻璃的軟化溫度（但不能達(dá)到軟化溫度），然后轉(zhuǎn)入鋼化室，用多孔噴嘴的風(fēng)柵向瓶罐的內(nèi)外壁上噴射冷空氣，快速冷卻瓶罐。或用液體作冷卻介質(zhì)進(jìn)行突然冷卻瓶罐，造成制品表面因突然收縮而形成的壓應(yīng)力層，制品內(nèi)部的冷卻因滯后于表面為張應(yīng)力層，當(dāng)這兩種應(yīng)力分布合理時(shí)，玻璃耐內(nèi)壓強(qiáng)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(xué)強(qiáng)化（鋼化）
    對(duì)玻璃表面進(jìn)行離子交換處理又稱化學(xué)強(qiáng)化，常用方法有熔鹽法和噴涂法。
    熔鹽法：以溶質(zhì)中半徑大的離子交換玻璃中半徑小的離子或以溶質(zhì)中半徑小的離子置換玻璃中半徑大的離子，使玻璃表面產(chǎn)生壓應(yīng)力，可使耐內(nèi)壓強(qiáng)度提高。經(jīng)處理后制品的硬度高，耐磨損，制品的強(qiáng)度不會(huì)因長(zhǎng)時(shí)間使用而降低。
    噴涂法：噴涂法具有增效果好果好、生產(chǎn)及使用安全、生產(chǎn)效率高和生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)，從綜合評(píng)價(jià)的角度上分析，不失為一種比較理想的增強(qiáng)工藝。為了提高噴涂法化學(xué)鋼化的增效果好果和與工藝特性適應(yīng)，應(yīng)選擇比較理想的基礎(chǔ)玻璃化學(xué)組成，基礎(chǔ)玻璃化學(xué)組成不一樣，噴涂液、噴涂液添加劑配方也應(yīng)作相應(yīng)的調(diào)整。
    噴涂法化學(xué)鋼化的每一個(gè)工藝環(huán)節(jié)，都將對(duì)其較終的增效果好果產(chǎn)生舉足輕重的影響，因此，必須把握好兩個(gè)階段的工藝參數(shù)：靠前階段，固相試劑層的形成必須控制好噴霧溫度、溶液濃度、噴霧時(shí)間、噴霧液滴大小，固相試劑層的厚度、密度等參數(shù)；第二階段，熱處理必須控制好溫度。該法可使玻璃容器強(qiáng)度達(dá)到原始值的2 倍左右，制品在運(yùn)輸和機(jī)械灌裝過(guò)程中的損耗則降為原值的1/3 左右，經(jīng)噴涂法化學(xué)鋼化的玻璃制品具有很好的光澤度。
    表面酸處理
    表面酸處理可以清理玻璃表面的微裂紋或使微裂紋的寬度與高層度變小，減少應(yīng)力集中。處理方法通常是將玻璃制品置于低濃度的氫氟酸中浸蝕一定時(shí)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(dāng)浸蝕高層度在100μm 左右時(shí)，可使制品機(jī)械沖擊強(qiáng)度提高50%～高標(biāo)準(zhǔn)a，再結(jié)合物理鋼化，可使玻璃強(qiáng)度的提高更為顯著。
    聚酯涂層
    用浸液、流延和靜電等方法在瓶的外表面涂上0.2～0.3mm 厚的樹脂或合成橡膠涂層，涂層可為一層或多層，涂后加熱硬化。這種方法簡(jiǎn)單、價(jià)廉，但涂層壽命較短。
    輕量化設(shè)計(jì)
    調(diào)整玻璃配方：玻璃的內(nèi)在強(qiáng)度一定程度上取決于玻璃的主要成分（配方），包裝用瓶罐玻璃主要是NaO2－CaO－SiO2 系玻璃，醫(yī)藥上多用硬質(zhì)硼硅玻璃。輕量化玻璃容器要點(diǎn)考慮增加強(qiáng)度的成分，提高組成中網(wǎng)絡(luò)形成物含量，使玻璃結(jié)構(gòu)更趨緊密。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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：研究合理的結(jié)構(gòu)使玻璃容器壁厚減薄，雖然垂直荷重能力減小，但合理的結(jié)構(gòu)可使應(yīng)力分布均勻、冷卻均勻和增加容器的“彈性”，耐內(nèi)壓強(qiáng)度和耐沖擊強(qiáng)度反而得以提高，因此可采取如下措施以保證垂直荷重強(qiáng)度稍微降低或不被降低。
    玻璃瓶造型較好降低高度，瓶型越接近球形越好，而瓶型的線條則越簡(jiǎn)單越好，無(wú)尖角或尖棱，各部分之間采用緩和過(guò)渡的光滑線型；選擇瓶身形狀呈圓柱形；選擇瓶肩線的曲率半徑大的瓶肩結(jié)構(gòu)；瓶身與瓶底平緩過(guò)渡的構(gòu)型較好。另外，瓶罐口部的加強(qiáng)環(huán)要盡量小或取消加強(qiáng)環(huán)；小口瓶的瓶頸不要細(xì)而長(zhǎng)。
    運(yùn)用優(yōu)化設(shè)計(jì)手段：運(yùn)用優(yōu)化設(shè)計(jì)，探討玻璃較佳瓶型，使玻璃容器的重量小而容量大，降低原料耗量；運(yùn)用現(xiàn)代模具設(shè)計(jì)、加工手段，生產(chǎn)高精度的容器模具，保證容器尺寸精度，從而保證容器強(qiáng)度；根據(jù)確定的瓶型的不同部位應(yīng)力大小，準(zhǔn)確設(shè)計(jì)容器各部位的壁厚，做到厚薄分明，減小重量。
    工藝設(shè)計(jì)采用強(qiáng)化工藝：強(qiáng)化生產(chǎn)工藝技術(shù)，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的各環(huán)節(jié)，從原料籌備、配料、熔制、成型、退火等環(huán)節(jié)都必須嚴(yán)格控制，采用化學(xué)的和物理的強(qiáng)化工藝以及表面涂層強(qiáng)化方法等，在提高材料的物理機(jī)械強(qiáng)度的前提下，使玻璃容器薄壁化，從而實(shí)現(xiàn)輕量化。
    倡導(dǎo)綠色包裝消費(fèi)觀念
    現(xiàn)代社會(huì)產(chǎn)品銷售份額的多少，是否能博得顧客的喜愛，在相當(dāng)程度上取決于包裝是否精美，對(duì)酒瓶、食物瓶等玻璃包裝尤為如此。因此許多玻璃包裝廠家往往追求產(chǎn)品的造型和質(zhì)感，使酒瓶渾厚而敦實(shí)，造型多姿多彩而各異，這樣就造成過(guò)分包裝。
    解決這一問(wèn)題必須首先增強(qiáng)消費(fèi)者的環(huán)保和節(jié)約資源意識(shí)，樹立綠色消費(fèi)觀。同時(shí)在設(shè)計(jì)玻璃包裝容器時(shí)，必須大力推進(jìn)減量化，從源頭上減少包裝廢棄物。
    只有輕量化才能有市場(chǎng)
    目前，我國(guó)人均消費(fèi)玻璃包裝瓶5.5kg，遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國(guó)家人均消費(fèi)45kg 的平均水平。只要從改進(jìn)和嚴(yán)控生產(chǎn)工藝、廣泛使用表面強(qiáng)化處理技術(shù)、實(shí)施輕量化設(shè)計(jì)、大力加強(qiáng)新配方、新工藝及新設(shè)備研制、倡導(dǎo)玻璃包裝輕量化消費(fèi)觀念等方面深入研究，盡快實(shí)現(xiàn)輕量化，并適應(yīng)玻璃包裝市場(chǎng)和綠色化的要求，同時(shí)憑借玻璃材料優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性、氣密性、光潔透明、耐高溫、易消毒等一系列物理化學(xué)性質(zhì)，玻璃包裝仍有很大的市場(chǎng)。