日用玻璃中產量最大的是玻璃瓶罐, 約占80%以上。玻璃瓶罐是與人們生活息息相關的必需品,如:啤酒瓶、白酒瓶、罐頭瓶等。這是因為玻璃瓶具有良好的耐熱穩定性和化學穩定性,不與盛裝的物品發生變化而影響品質,是任何包裝材料(如塑料、紙、金屬)都不可替代的。玻璃還能回收循環利用,是綠色環保行業。
近幾年玻璃瓶包裝面臨著金屬、高分子材料、紙包裝的競爭。這些包裝材料具有脆性小、重量輕、成型耗能低、壁薄等優勢,但這些包裝材料或多或少對人身健康有影響,其中一些材料不能循環利用而污染環境。玻璃瓶雖有其他包裝材料不可替代的優勢,但玻璃熔化成型溫度高,需要的能耗高。由于玻璃密度大于其他包裝材料,單個瓶重大于其他包裝容器,因此日用玻璃,尤其是瓶罐企業如何適應全球綠色經濟的增長和低碳經濟,從資源、能源消耗型模式轉變為節能、環保型模式是眾所關心的問題。
在包裝行業這個廣闊的領域,各類包裝材料都在竟相發揮各自的優勢,相互補充,相互替代,相互競爭,以保持和發展所占據的一席之地。因此,做為大量用于包裝行業的玻璃瓶罐,在滿足其包裝使用要求的前提下,盡量降低制造成本,提高質量檔次,以增強同其他各類包裝材料的競爭力,已經成為今后的發展方向和趨勢。而提高玻璃瓶罐的物理性能,使其輕量化是玻璃包裝工業節能減排并降低制造成本的主要途徑。
要使玻璃瓶罐變輕,主要靠減小壁厚來實現降低玻璃瓶罐的重容比。但是,在薄壁狀態下要保持較高的強度是非常困難的,必須從設計到生產全過程的各個環節入手,通過玻璃成份改性、合理的結構設計、正確的工藝安排、有效的生產工藝指標控制、有效的表面處理等強化處理措施達到重量輕、強度高的目的。
鑒于玻璃瓶罐易碎易爆的特殊性,提高玻璃瓶罐的沖擊強度等物理性能,降低玻璃瓶罐的破損,應從提高玻璃瓶罐物理性能的幾項措施方面著手。
1.模具的改進
無論用現有的哪種成形方法均是在具有一定形狀的模具中完成的,模具在玻璃瓶罐成形中占有重要地位。模具質量的優劣直接影響玻璃瓶罐的質量,而且玻璃瓶罐的成形是在高溫軟化狀態下完成的,因此對模具的材料成分及金相組織要求相當的嚴格。一般模具的材質必須具備以下特性:組織致密均勻、表面光滑、抗氧化、耐磨、耐腐蝕、導熱性能好、熱膨脹系數小且易于機械加工。
模具的改進主要使玻璃瓶壁分布均勻合理,克服厚薄不均。合理的結構可使其壁厚減薄,但應力分布均勻、冷卻均勻,其沖擊強度反而有可能得以提高。具體采取如下措施:一是玻璃瓶造型高度不大,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,各部分之間采用緩和過渡的光滑線型;二是瓶身形狀呈圓柱形;三是瓶肩線的曲率半徑越大的瓶肩結構;四是瓶身與瓶底平緩過渡的構型較好。五是瓶罐口部的加強環要盡量小,或取消加強環;六是小口瓶的瓶頸不要細而長。七是吹吹法生產的輕量瓶的瓶身可能會有“斷腰”的特征,指數越小,該特征越明顯。設計時在雛形圖上加上一個合適的“反斷腰”,便可消除或降低斷腰風險,增加瓶子的強度。
2.采用科學的玻璃配方
玻璃的內在強度在一定程度上取決于玻璃的主要成分,包裝用玻璃瓶罐的主要成分是Na2O-CaO-SiO2系玻璃。配料中需重點考慮增加強度的成分,提高組成中網絡形成物的含量,使玻璃結構更趨緊密。
玻璃組分的優化是解決玻璃熔化質量的問題。在玻璃瓶配方中可引入鋰云母原料,一是降低玻璃熔化溫度,有明顯的助熔效果;二是降低熱膨脹系數,改善玻璃制品的化學穩定性、表面光潔度、透明度以及抗熱、抗震和耐酸耐堿腐蝕性能,有顯著的提高品質效果。
3.提高配合料的質量
在玻璃生產的工藝過程中有兩個均化過程,即原料均化(配合料)和玻璃液均化,制備質量合格的配合料,可以減輕玻璃液均化負擔,縮短玻璃液的均化時間,加速玻璃整個熔制過程,用配合料質量來保證玻璃的均化程度。
4.穩定的配料供給和優質的玻璃質量(配料和窯爐的運行要求)
窯爐是配合料經加熱熔化成玻璃液的主要設備,玻璃液的質量將直接關系到輕量瓶的生產。實行全保溫、鼓泡、窯坎等技術,窯爐溫度、液面、窯壓等均實施自動控制,同時根據不同的生產量及其它要求,合理調整窯爐工藝參數,保證高質量穩定的玻璃液供給。
5.采用合理的成型工藝與設備
使用先進的制瓶機(德國HEYE等)、供料機及料道加熱系統,配合先進的成型工藝,實施輕量化生產。
6.優化的退火制度
輕量化生產使得玻璃瓶壁厚減小,因此玻璃退火的要求也要更加準確。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,根據壁厚準確控制保溫時間,緩慢降溫階段,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,采用不同的降溫速度,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。
7.壁厚的在線監測
在玻璃瓶罐的生產過程中,還必須對瓶壁厚進行監測。要通過測量壁厚分布信息來保證生產維持在設定的工藝控制極限范圍內,如瓶底跟部、瓶身部、接觸點的壁厚。采用在線檢驗將有缺陷的玻璃瓶剔除掉,而不同的缺陷要求要配備不同的檢驗設備。
8.玻璃瓶罐表面強化
所謂玻璃瓶罐表面強化,是采用改變和改善玻璃表面組成和狀態的方法,使玻璃的化學穩定性機械強度提高,賦予玻璃表面以某些特殊性能的過程。
增強表面的方法有很多。一般通過兩種主要途徑:一是利用離子交換的物理化學增強方法,消除玻璃表面微裂紋。處理以后瓶子的沖擊性能明顯增強。二是基于玻璃抗張強度低于抗壓強度的原理,改變玻璃的表面組成和結構狀態,在玻璃表面形成壓應力層,利用表面微晶化提高瓶罐耐沖擊強度以及采用熱端噴涂與冷端噴涂技術提高玻璃性能。這種表面涂層法能夠用于大規模的瓶罐生產。
引起玻璃瓶罐破裂的原因很多,因而提高玻璃瓶罐耐沖擊強度物理性能等,降低瓶罐的破損,應從多方面著手,尋找有效途徑。以上方法不失為提高玻璃瓶罐耐沖擊強度的較好辦法。除此以外,玻璃瓶罐外涂塑料薄膜,可防止玻璃破片飛散,也可減少傷害事故的發生。
綜上所述,玻璃瓶罐輕量化的優越之處是很明顯的。近幾十年來,世界玻璃工業界都為玻璃瓶罐的輕量化進行了大量的研究,并且從瓶型設計,工藝措施,技術裝備等方面進行了重大改進,取得了較好的效果。國外五十年代已基本完成通過改變造型設計來達到減輕瓶重的輕量瓶研制初始階段,進入了在使玻璃瓶罐強度(包括抗沖擊強度和耐內壓強度)不降低甚至有所增加的基礎上,進一步降低瓶重,找出玻璃瓶罐破損的原因,采取相應的工藝措施來消除或彌補造成其強度降低的諸因素。并試制和建立一整套玻璃瓶罐制造的工藝技術和裝備,使之形成制造輕量瓶的最佳條件,以真正達到玻璃瓶罐重量輕、強度高的要求。