Rodzaje i wydajność szkła butelkowego

(1) Szkło butelkowe powinno mieć określoną wytrzymałość mechaniczną Szkło butelkowe będzie poddawane różnym naprężeniom ze względu na różne warunki użytkowania. Ogólnie rzecz biorąc, można je podzielić na wytrzymałość na ciśnienie wewnętrzne, odporność na szok cieplny, wytrzymałość na uderzenia mechaniczne, wytrzymałość na przechylanie butelki, wytrzymałość na obciążenia pionowe itp. Jednak z perspektywy powodowania pękania szklanych butelek, bezpośrednią przyczyną jest prawie zawsze uderzenie mechaniczne, zwłaszcza gdy szklane butelki są wielokrotnie zarysowywane i uderzane podczas transportu i napełniania. Dlatego szklane butelki powinny być w stanie wytrzymać ogólne naprężenia wewnętrzne i zewnętrzne, wibracje i uderzenia napotykane podczas napełniania, przechowywania i transportu. Wytrzymałość szkła butelkowego nieznacznie różni się w zależności od tego, czy jest to butelka wypełniona gazem, czy nie, butelka jednorazowa lub butelka poddana recyklingowi, ale musi być bezpieczna w użyciu i nie pękać. Przed opuszczeniem fabryki należy sprawdzić nie tylko odporność na ciśnienie, ale należy również wziąć pod uwagę problem zmniejszenia wytrzymałości butelek poddanych recyklingowi podczas recyklingu. Według danych zagranicznych po 5 użyciach wytrzymałość zmniejsza się o 40% (tylko 60% pierwotnej wytrzymałości); po 10 użyciach wytrzymałość spada o 50%. Dlatego projektując kształt butelki, należy wziąć pod uwagę, że wytrzymałość szkła ma wystarczający współczynnik bezpieczeństwa, aby zapobiec „eksplozji” butelki i zranieniu ludzi.
(2) Czynniki wpływające na wytrzymałość mechaniczną szkła butelkowego Nierównomiernie rozłożone naprężenia szczątkowe w szkle butelkowym znacznie zmniejszają wytrzymałość. Naprężenia wewnętrzne w produktach szklanych odnoszą się głównie do naprężeń cieplnych, a ich występowanie prowadzi do zmniejszenia wytrzymałości mechanicznej i słabej stabilności termicznej produktów szklanych.
Makro- i mikrouszkodzenia szkła, takie jak kamienie, pęcherzyki, smugi itp., często powodują naprężenia wewnętrzne z powodu niezgodności składu z głównym składem szkła oraz różnych współczynników rozszerzalności, co powoduje pęknięcia, które poważnie wpływają na wytrzymałość wyrobów szklanych.
Ponadto zarysowania i zużycie powierzchni szkła mają duży wpływ na wytrzymałość produktu. Im większe i ostrzejsze blizny, tym bardziej znacząca jest redukcja wytrzymałości. Pęknięcia powstające na powierzchni szkła butelkowego są spowodowane głównie przez zarysowania na powierzchni szkła, zwłaszcza zarysowania powierzchni między szkłem a szkłem. W przypadku szkła butelkowego, które musi wytrzymać wysokie ciśnienie, takiego jak butelki na piwo i butelki na napoje gazowane, spadek wytrzymałości spowoduje pęknięcie produktu podczas przetwarzania i użytkowania, dlatego zderzenia, ścieranie i zużycie powinny być surowo zabronione podczas transportu i napełniania.
Grubość ścianki butelki jest bezpośrednio związana z wytrzymałością mechaniczną butelki i jej zdolnością do wytrzymywania ciśnienia wewnętrznego. Jeśli stosunek grubości ścianki butelki jest zbyt duży i grubość ścianki butelki jest nierówna, ścianka butelki będzie miała słabe ogniwa, co wpłynie na odporność na uderzenia i ciśnienie wewnętrzne. Krajowa norma GB4544-1996 „Beer Bottle” ściśle stanowi, że stosunek grubości ścianki butelki wynosi<2:1. The optimal annealing temperature, insulation time and cooling time are different for different bottle wall thicknesses. Therefore, in order to avoid deformation or incomplete annealing of the product and ensure the quality of the bottle, the thickness ratio of the bottle wall should be strictly controlled.

Podczas procesu dezynfekcji i sterylizacji szkło butelkowe musi wytrzymać drastyczne zmiany temperatury. Gdy naprężenie rozciągające przekroczy wytrzymałość szkła, pęknie. Dlatego stabilność termiczna szkła butelkowego musi spełniać wymagania, mieć pewien stopień odporności na szok termiczny i być w stanie wytrzymać procesy ogrzewania i chłodzenia, takie jak mycie i sterylizacja.
Główne czynniki wpływające na stabilność termiczną szkła butelkowego są następujące.
Współczynnik rozszerzalności liniowej a szkła zmienia się znacznie wraz ze zmianą składu, więc współczynnik rozszerzalności liniowej ma decydujące znaczenie dla stabilności termicznej szkła. Im mniejszy współczynnik rozszerzalności cieplnej szkła, tym lepsza jego stabilność termiczna i wyższa temperatura, jaką może wytrzymać próbka i odwrotnie. Dlatego każdy składnik, który może zmniejszyć współczynnik rozszerzalności cieplnej szkła, może poprawić stabilność termiczną szkła, taki jak SiO2, B2O3, Al2 03, ZrO2, ZnO, Mg0, itp. Tlenek metalu alkalicznego R20 może zwiększyć współczynnik rozszerzalności cieplnej szkła, więc szkło zawierające dużą ilość tlenków metali alkalicznych ma słabą stabilność termiczną.
Stabilność termiczna szkła jest również związana z grubością produktu. Im grubsza jest ścianka produktu szklanego, tym mniejszą nagłą różnicę temperatur może wytrzymać. Poddane szokowi termicznemu na powierzchni szkła powstają naprężenia ściskające, natomiast gdy szkło jest szybko chłodzone, na powierzchni szkła powstają naprężenia rozciągające. Wytrzymałość szkła na ściskanie jest 10 razy większa niż jego wytrzymałość na rozciąganie. Dlatego też, mierząc stabilność termiczną szkła, eksperyment zazwyczaj przeprowadza się w warunkach szybkiego chłodzenia.
Hartowanie może zwiększyć stabilność termiczną szkła o 1,5 do 2 razy. Dzieje się tak, ponieważ po hartowaniu powierzchnia szkła ma równomiernie rozłożone naprężenia ściskające, które mogą zrównoważyć naprężenia rozciągające generowane na powierzchni produktu podczas szybkiego chłodzenia.

Podczas użytkowania produkty szklane są narażone na korozję spowodowaną przez wodę, kwasy, zasady, sól, gaz i różne odczynniki chemiczne oraz płynne leki. Zdolność szkła do opierania się tym korozjom nazywana jest stabilnością chemiczną szkła. Różne szklane butelki i puszki są powszechnie używane w codziennym życiu ludzi. W przypadku butelek i puszek zawierających wino, napoje i żywność powinny one mieć pewną stabilność chemiczną, szczególnie w przypadku butelek z solą fizjologiczną i butelek ampułkowych stosowanych w medycynie. Wymagania dotyczące stabilności chemicznej są wyższe, w przeciwnym razie składniki w szkle rozpuszczą się w płynnym leku, a nawet wystąpi łuszczenie, powodując pewne szkody dla ludzkiego ciała.
Wraz z formułowaniem norm oceny produktów ekologicznych i udoskonalaniem technologii testowania, wykrywanie szkodliwych substancji w szkle butelkowym stało się coraz bardziej rygorystyczne, zwłaszcza UE często stosuje zielone bariery, aby ograniczyć eksport produktów chińskich, co wpływa na wejście produktów na rynek międzynarodowy. W tym celu Generalna Administracja Nadzoru Jakości, Kontroli i Kwarantanny oraz Państwowa Administracja Normalizacyjna dodały dopuszczalne wartości graniczne arsenu i antymonu na podstawie dopuszczalnych wartości granicznych ołowiu i kadmu w IS07086-2:2000 „Wyroby ze szkła pustego w kontakcie z żywnością--dopuszczalne wartości graniczne rozpuszczania ołowiu i kadmu” zgodnie z sytuacją w Chinach (Tabela 2-1).
Czynniki wpływające na stabilność chemiczną szkła są następujące.
① The water resistance and acid resistance of silicate glass are mainly determined by the content of silicon oxide and alkali metal oxide. The higher the silicon dioxide content, the greater the degree of interconnection between silicon oxide tetrahedrons, and the higher the chemical stability of the glass. As the content of alkali metal oxide increases, the chemical stability of the glass decreases. And as the radius of the alkali metal ion increases and the bond strength weakens, its chemical stability generally decreases, that is, water resistance Li+>Na+>K+.
② Jeżeli w szkle występują jednocześnie dwa tlenki metali alkalicznych, stabilność chemiczna szkła osiąga wartość ekstremalną ze względu na „mieszany efekt alkaliczny”, a efekt ten jest bardziej widoczny w szkle ołowiowym.
③ Gdy metale ziem alkalicznych lub inne tlenki metali dwuwartościowych zastępują krzem i tlen w szkle krzemianowym, stabilność chemiczna szkła również ulegnie zmniejszeniu. Jednak efekt redukcji stabilności jest słabszy niż w przypadku tlenków metali alkalicznych. Spośród tlenków dwuwartościowych BaO i PbO mają najsilniejszy wpływ na redukcję stabilności chemicznej, a następnie MgO i CaO.
④ W szkle bazowym o składzie chemicznym 100SiO2+(33.3-x)Na2O+xRO(R2O3 lub RO2), po zastąpieniu części Na2O tlenkami, takimi jak CaO, MgO, AlO3, TiO2, ZrOz i BaO w kolejności, kolejność odporności na wodę i kwasy jest następująca.
Water resistance: ZrO2>AlO3>TiOz>ZnO>MgO>CaO>BaO-
Acid resistance: ZrO2>Al2O3>ZnO>CaO>TiOz>MgO>BaO-
Spośród kompozycji szklanych ZrO₂ ma najlepszą odporność na wodę i kwasy, a także najlepszą odporność na alkalia, ale trudno się topi. BaO nie jest dobry w obu przypadkach.
Spośród tlenków trójwartościowych, tlenek glinu i tlenek boru również będą wykazywać zjawisko „anomalii boru” w kontekście stabilności chemicznej szkła.
W szkle krzemianowo-sodowym xNa2O·yCaO·zSiO2, jeżeli zawartość tlenku spełnia zależność (2-1), można otrzymać szkło dość stabilne.
Podsumowując, każdy tlenek, który wzmacnia sieć struktury szkła i sprawia, że ​​struktura staje się kompletna i gęsta, może poprawić stabilność chemiczną szkła; w przeciwnym razie obniży stabilność chemiczną szkła.

Szkło butelkowe może skutecznie odcinać promienie ultrafioletowe i zapobiegać pogorszeniu się zawartości. Na przykład piwo wydziela zapach po wystawieniu na działanie światła o długości fali poniżej 550 nm (światło niebieskie lub zielone), co jest tak zwanym zapachem światła słonecznego. Jakość żywności, takiej jak wino i sos, również ulegnie pogorszeniu po wystawieniu na działanie promieni ultrafioletowych poniżej 250 nm. Niemieccy uczeni zaproponowali, że efekt fotochemiczny światła widzialnego stopniowo słabnie od światła zielonego do fal długich i kończy się przy około 520 nm. Innymi słowy, 520 nm jest krytyczną długością fali. Światło krótsze od tej długości fali będzie miało efekt fotochemiczny na zawartość butelki, powodując uszkodzenie piwa. Dlatego szkło butelkowe musi pochłaniać światło poniżej 520 nm, a brązowe butelki mają najlepszy efekt.
Gdy mleko jest wystawione na działanie światła, wytwarza „lekki zapach” i „zapach” z powodu wytwarzania nadtlenków i późniejszych reakcji. Witamina C i kwas askorbinowy również ulegają redukcji. Witamina A, witamina B2 i witamina D również mają podobne sytuacje. Jeśli do składu szkła zostanie dodany składnik, który pochłania promienie ultrafioletowe, ale ma niewielki wpływ na kolor, można uniknąć wpływu światła na jakość mleka.
W przypadku butelek i puszek zawierających leki wymagane jest szkło o grubości 2 mm, aby absorbować 98% długości fali 410 nm i przepuszczać 72% fali o długości 700 nm, co może zapobiegać reakcjom fotochemicznym i umożliwiać obserwację zawartości butelki.
Poza szkłem kwarcowym, większość zwykłego szkła sodowo-wapniowo-krzemionkowego może filtrować większość promieni ultrafioletowych. Szkło sodowo-wapniowo-krzemionkowe nie może przepuszczać światła ultrafioletowego (200~360nm), ale może przepuszczać światło widzialne (360~1000nm), co oznacza, że ​​zwykłe szkło sodowo-wapniowo-krzemionkowe może absorbować większość promieni ultrafioletowych.
Aby spełnić wymagania konsumentów dotyczące przejrzystości szklanych butelek i puszek, najlepiej jest sprawić, aby szkło butelki pochłaniało promienie ultrafioletowe bez przyciemniania jego koloru. Dodanie CeO2 do składu może spełnić ten wymóg. Cer może występować w dwóch formach, Ce3+ lub Ce4+, a oba jony powodują silną absorpcję promieniowania ultrafioletowego. Japońskie patenty informują, że skład szkła zawiera 0.01%~1.0% tlenku wanadu i 0.05%~0.5% tlenku ceru. Po wystawieniu na działanie światła ultrafioletowego zachodzi następująca reakcja:
Wpisz ...
W miarę wydłużania się czasu ekspozycji, zwiększa się dawka promieniowania ultrafioletowego, wzrasta współczynnik V2+, a kolor szkła staje się głębszy. Na przykład sake łatwo ulega pogorszeniu, gdy jest wystawione na działanie światła ultrafioletowego, a używanie kolorowych szklanych butelek wpływa na przejrzystość, utrudniając obserwację zawartości. Gdy dodane zostaną CeO2 i V2O3, szkło jest bezbarwne i przezroczyste, gdy czas przechowywania jest krótki, a dawka promieniowania ultrafioletowego jest mała, ale gdy czas przechowywania jest długi, a dawka promieniowania ultrafioletowego jest zbyt wysoka, szkło zmienia kolor. Głębokość zmiany koloru można wykorzystać do oceny długości czasu przechowywania.