玻璃和陶瓷包装材料.pptx

1 9.1.1 概述概述 一、玻璃一、玻璃发展展简史史 二、玻璃的定二、玻璃的定义和分和分类 1.定义 熔融体冷却为固体时，不结晶的无机产物。广义是指物质的一种物理化学状态。介于晶态和液态之间的一种特殊状态，由熔融体过冷而得，其结构为短程有序、长程无序。第1页/共42页2 2.组成与分类（1）组成 主要是氧化物玻璃，由各种氧化物组成。玻玻璃璃形形成成体体氧氧化化物物：可以单独形成玻璃。如SiO2，B2O3，P2O5 改改变体氧化物体氧化物：不能单独形成玻璃，但可以改变玻璃的性质。主要是碱金属氧化物和碱土金属氧化物，如Na2O，K2O，CaO等。中中间体氧化物体氧化物：在一定条件下可以形成玻璃。如Al2O3，ZnO等（2）分类 按组成分：硅硅酸酸盐玻玻璃璃、硼酸盐玻璃、磷酸盐玻璃、铝酸盐玻璃等。按用途分：平板玻璃、瓶罐玻璃、器皿玻璃、医药玻璃、光学玻璃等。(3)命名：如果氧化物中SiO2 B2O3Al2O3，称为铝硼 硅酸盐玻璃。第2页/共42页3 3.玻璃包装材料的特点 玻璃包装材料主要是钠-钙-硅硅玻玻璃璃。属硅酸盐玻璃。优点：优良的光学性能；化学惰性和稳定性好；阻隔性能好；抗内压强度高（1700kpa）。缺点：抗冲击强度低；重量大；不能承受内外温差的急剧变化；生产耗能大。发展趋向：高强度轻量化。第3页/共42页4 9.1.2 玻璃的玻璃的结构构 一、晶体的一、晶体的结构构 晶体结构中，原子、离子或分子的空空间排排列列规则有序。微观尺度（几个原子间距）和宏观尺度（微米、米）上观察，都由最小结构单元（晶胞）重复周期性排列构成。如石英晶体，硅氧四面体排列规则有序，“短程”和“长程”都有很好的重复性和周期性。第4页/共42页5 二、玻璃的二、玻璃的结构构 玻璃结构中，从几个原子间距的微观尺度来看，原子排列规则有序；但从较长的距离观察，原子排列无规则。这种结构特点称为短短程程有有序序、长程无序。程无序。如石英玻璃，硅氧四面体排列短程有序、长程无序。第5页/共42页6 第6页/共42页7 三三、钠-钙-硅硅（Na2O-CaO-SiO2）系玻璃的）系玻璃的结构构 在石英玻璃的硅氧四面 体 网 络 结 构 中，引 入Na2O、CaO金属氧化物。使原来互相连接的硅氧四面体网络断裂，“氧氧桥”（氧原子与2个硅原子相连）变为“非非氧氧桥”（氧原子只与1个硅原子相连），钠、钙离子在非氧桥附近，处于断裂网络形成的空隙中，以平衡氧离子的负电荷。Na2O-B2O3-SiO2系玻璃硼硅酸盐玻璃 第7页/共42页8 四、晶体与玻璃的性四、晶体与玻璃的性质 热转变：晶体结晶温度（熔点Tm）；玻璃玻璃化转变温度Tg。导热性、粘度、X光衍射、加工性能等。第8页/共42页9 9.1.3 玻璃的物理性玻璃的物理性质 一、密度一、密度 密度主要决定于构成玻璃的原子质量、原子堆积和配位数。普通玻璃3左右。密度最小的石英玻璃2.21 g/cm3，特种玻璃可高达8.0 g/cm3。二、硬度二、硬度 硬度主要决定于构成玻璃的原子半径、电荷大小和堆积密度。石英玻璃硬度最大。加入钠、钾、铅等离子使玻璃硬度降低。第9页/共42页10 三、机械三、机械强度度 1.玻璃的理论强度 玻璃的理论强度可以由格里菲斯公式计算：其中，E为弹性模量；a为比表面能；l为裂纹长度。裂纹长度按分子间距离代入，玻璃理论强度可达10000MPa，2.玻璃的实际强度 但实际抗张强度或抗折强度不到理论强度的1%。原因主要是玻璃结构存在缺陷、组成的不均匀、玻璃表面存在裂纹等。第10页/共42页11 3.多组分玻璃的强度 按线性加和关系近似计算：四、粘度四、粘度 1.粘度的概念 弹性体受力-变形关系：粘性流体受力-变形关系：第11页/共42页12 2.温度对粘度的影响 粘度随温度的变化：其中Q为粘流活化能粘流活化能。实际玻璃组成复杂，需要修正：3.玻璃的料性 玻璃的料性是指粘度在10105Pas范围内随温度变化的快慢。长性玻璃（料性长），粘度随温度变化慢，适合于形状复杂玻璃器皿的成型。短性玻璃（料性短），粘度随温度变化快，适合于形状简单、速度快的制瓶机成型。第12页/共42页13 五、五、热性能性能 1.线性热膨胀系数 线性热膨胀系数 不同组成的玻璃线性热膨胀系数范围为：6.815010-7K-1.玻璃的热膨胀系数决定了其抗热冲击性能，即玻璃能承受温度剧变的能力。T=115010-6 多组分玻璃的热膨胀系数符合线性加和关系。第13页/共42页14 2.玻璃的导热性 玻璃的导热性常用导热系数系数表示：玻璃是热的不良导体。六、光学性能六、光学性能 玻璃具有优异的光学性能。为保护内容物，加入某些过渡金属或稀土金属离子，制成有色玻璃。第14页/共42页15 9.1.4 玻璃的化学性玻璃的化学性质 一、玻璃侵一、玻璃侵蚀机理机理 1.玻璃与水及酸的作用 第15页/共42页16 2.玻璃与潮湿空气的作用 玻璃表面吸附空气中的水分子，形成OH原子团。玻璃在大气中受到侵蚀的现象叫做风化化。3.玻璃与碱的作用 碱不仅影响玻璃中的硅酸盐部分，也能侵蚀骨架上的硅氧。结果使玻璃表面全部脱落。玻璃对碱的稳定性远不如对酸和水的稳定性，所以玻璃不宜作为碱性物质的包装容器。第16页/共42页17 4.玻璃的脱片侵蚀 使用化学稳定性不良的安瓶，在热压消毒中或长期贮存药品后，因药液对玻璃的侵蚀而产生脱片。第17页/共42页18 二、玻璃的化学二、玻璃的化学稳定性与定性与组成的关系成的关系 硅氧四面体越完整，化学稳定性越好。阳离子与非氧桥之间的化学键。三、化学三、化学稳定性的定性的测试 1.粉末法 2.表面法第18页/共42页19 3.加速试验 玻璃侵蚀相当缓慢，常用加速试验方法进行测试。换算关系用莱尔方程：其中a、b、c为常数；N为每立升NaOH的侵蚀量。为时间；T为绝对温度。对于瓶罐玻璃，建立了加速试验与真实使用条件相联系的测试方法，莱尔方程改写为：第19页/共42页20 第二第二节 玻璃容器的玻璃容器的成型与加工成型与加工第20页/共42页21 熔制玻璃原料熔制玻璃原料 玻璃原料分为主要原料和辅助原料。一、主要原料一、主要原料 1.引入SiO2的原料 一般常用硅砂（又称为石石英英砂砂）、砂岩、石英岩等。硅砂的化学成分主要是SiO2，还含有少量的Al2O3、K2O、Na2O、CaO等。第21页/共42页22 2.引入Al2O3和B2O3的原料 引入Al2O3的原料有：长石石、粘土等天然矿物，也有用氧化铝、氢氧化铝等化工原料。主要是长石（钾长石K2OAl2O36SiO2、钠长石Na2OAl2O36SiO2、钙 长 石 CaOAl2O36SiO2）。粘土的化学成分为Al2O32SiO22H2O。引 入 B2O3的 原 料 为：硼 酸 和 硼硼 砂砂（Na2B4O710H2O）。3.一价金属氧化物原料 Na2O纯碱（碳酸钠）、芒硝（硫酸钠）、硝酸钠 K2O 硝酸钾、碳酸钾 第22页/共42页23 4.二价金属氧化物原料 CaO方解石、石灰石、白垩、沉淀碳酸钙 MgO白云石、菱镁矿、沉淀碳酸镁 5.四价金属氧化物原料 二、二、辅助原料助原料 1.澄清剂 高温时本身汽化或分解放出气体，促进排除玻璃中的气泡。常用的澄清剂有白砒、三氧化二锑、硫酸盐（硫酸钠等）、氟化物、氯化钠等。第23页/共42页24 2.着色剂 使玻璃着色的物质，主要是某些过渡或稀土金属的氧化物。常用玻璃着色剂见表8-1。3.脱色剂 减弱铁化合物对玻璃着色的影响。化学脱色剂（硝酸钠、硝酸钾、硝酸钡、白砒、氧化锑等）：氧化作用使着色能力强的FeO氧化为着色能力弱的Fe2O3。物理脱色剂（二氧化锰、硒、氧化钴等）：互补色的着色剂。生产中物理脱色与化学脱色结合使用。第24页/共42页25 4.乳化剂 使玻璃呈不透明乳白色的物质。常用乳化剂是冰晶石、氟硅酸钠、萤石等。5.碎玻璃 回收利用、助熔剂。第25页/共42页26 一、玻璃的熔制一、玻璃的熔制 1.玻璃熔炉9.2.2 玻璃的熔制与成型玻璃的熔制与成型 第26页/共42页27 2.玻璃熔制过程（1）硅酸盐形成阶段：8009000C（2）玻璃形成阶段：120012500C（3）澄清阶段：140015000C，粘度约100P。（4）均化阶段（5）冷却阶段：温度约为12000C，粘度约103P。第27页/共42页28 二、玻璃容器的成型二、玻璃容器的成型 1.特征温度与玻璃粘度（1）熔熔点点。即熔融温度。玻璃液的粘度为102P，钠-钙-硅玻璃的熔点为150015600C。（2）成成型型操操作作点点。粘度约为104P，对应温度约为10000C。（3）软化化点点。玻璃不能形变的最高温度。粘度为4107P，对应温度约为7240C。（4）退退火火点点。粘度为1013P，对应温度约为5500C。（5）应变点点。玻璃开始变为脆性固体。粘度为31014P，对应温度约为5000C。第28页/共42页29 2.玻璃容器的成型 料滴料泡成型 成型方法：吹吹-吹法吹法、压-吹法、压制法 第29页/共42页30 第30页/共42页31 3.成型缺陷 原料、机器、工艺。影响强度、外观、密封性等。第31页/共42页32 玻璃制品生产使玻璃表面和内部存在剩余应力，退火就是消除玻璃中的剩余应力的热处理过程。一、玻璃瓶罐中的一、玻璃瓶罐中的应力力 1.结构应力：化学组成不均匀、缺陷引起热膨胀不同而产生的应力。2.热应力力：玻璃各部分加热或冷却速率不一致而产生的应力。（1）永久应力：不存在温度差时仍然存在的应力称为永久应力或残余应力。（2）暂时应力：随温差的消失而消失的热应力称为暂时应力。9.2.3 玻璃容器的退火及表面玻璃容器的退火及表面处理理 第32页/共42页33 二、玻璃瓶罐的退火二、玻璃瓶罐的退火 1.退火温度 普通玻璃退火温度5406000C，对应的粘度为10131011P。2.退火工艺 加热、保温、缓慢降温、快速降温。第33页/共42页34 三、玻璃表面与表面三、玻璃表面与表面处理理 玻璃表面性质对玻璃制品的性能影响很大。1.玻璃表面的缺口敏感性 玻璃表面的裂痕对玻璃的强度影响极大。其中m为裂痕处真实应力；0为表观应力；c为裂痕深度；t为缺口尖端半径。第34页/共42页35 第35页/共42页36 2.玻璃表面的化学稳定性 3.玻璃表面处理技术（1）酸处理：腐蚀表面微小裂纹（2）火抛光：熔化，借助表面张力使裂纹愈合（3）涂敷有机化合物：甲基硅油、二甲基二氯硅烷等有机硅化合物涂敷（4）硫霜化反应：玻璃碱性氧化物与炉气中酸性气体反应生成硫酸钠粉霜，洗去粉霜后玻璃表面富集二氧化硅。（5）双层涂敷工艺：金属涂敷剂+有机物涂敷剂第36页/共42页37 一、一、强化玻璃技化玻璃技术 1.风冷强化法 冷空气或油浴急剧冷却处于高温尚未软化的玻璃。9.2.4 强化玻璃与化玻璃与轻量玻璃容器量玻璃容器第37页/共42页38 2.化学强化处理 用半径较大的钾离子(0.133nm)置换玻璃中的钠离子(0.097nm)，将压应力预先置入玻璃表面。普通玻璃置于KNO3熔盐中，一般处理温度不超过4000C。第38页/共42页39 二、二、轻量玻璃容器量玻璃容器 1.重容比 重容比：玻璃瓶罐的重量W(g)与其容积C(ml)之比。2.轻量化级 重量级；标准重量级；轻量级L=0.71；超轻量级第39页/共42页40 广义陶瓷：无机非金属材料。狭义陶瓷：陶器和瓷器。晶相(微晶)+玻璃相+气相 一、原料一、原料 粘土（高岭土）：塑性，加工成型。石英或燧石：陶瓷的强度。长石：助熔剂，降低熔点、形成玻璃相。9.2.5 陶瓷包装材料陶瓷包装材料 第40页/共42页41 二、坯料成型二、坯料成型 1.塑性料团成型 2.浆料成型 3.粉料成型 4.固体成型 三三、制制品品焙焙烧（烧结）四、表面装四、表面装饰 第41页/共42页感谢您的观看！第42页/共42页