玻璃包裝容器結構設計教學文稿

1、玻璃包裝容器結構設計第一節(jié) 概述一、玻璃材料及其特性 玻璃 加熱熔解成為液體，冷卻不析晶，硬化成為固體（無定型）。 特性 有亞穩(wěn)定性不流動的液體； 沒有固定的熔點，成分不同熔點不同，由熔融到冷 固過程連續(xù)可逆； 沒有固定的組分， 組分變，性能變； 可以透明、半透明，各向同性的硬脆材料； 不透氣、不透濕，永不變質。 特點 原材料豐富、價廉，碎玻璃可回收； 透明，可展示商品，也可著色，放光； 外觀多彩晶瑩、生動； 玻璃瓶口經(jīng)研磨，密封性好。 常用玻璃 Na, Ca, Si 玻璃（蘇打玻璃，石灰玻璃） 又稱瓶罐玻璃，器皿玻璃。 主要成分： SiO2 72%, CaO 11%， NaO 15%, Al

2、2O3 2% SiO2為網(wǎng)絡骨架結構。 主要特點： 在玻璃中成本最低，易熔制、加工，耐熱性、化學穩(wěn)定性好，沒有特殊要求的容器適宜。 Na，B ，Si 玻璃（醫(yī)用玻璃） 中性玻璃。 主要成分： SiO2 67-75%， Na2O 6.4-11.5% B2O3 6-9%, Al2O3 4-8.5% 主要特點： 耐水、耐熱、耐酸、堿性均比前者強，長期貯存中性液體其PH值不變。二、瓶罐玻璃的熔制 原料 主料 輔料 特殊用料 熔制 原料準備 熔制過程主料 （1）硅砂或石英粉 作用：引入SiO2，構成玻璃的網(wǎng)絡骨架結 構。 （2）純堿（Na2CO3） 作用：引入Na2O，還可以助熔。 （3）石灰石（CaC

3、O3） 作用：引入CaO，還可以防止堿結晶， 可提高玻璃的化學穩(wěn)定性。 （4）長石 作用：引入Al2O3 ，可節(jié)省純堿。因長石能引入 堿金屬氧化物，如： Na2O ，K2O。（5）白云石（CaCO3MgCO3的復鹽） 作用：可提高化學穩(wěn)定性。（6）芒硝（Na2SO4） 作用：引入Na2O ，節(jié)省純堿，主要作用是除渣 （ SiO2）。（7）碎玻璃（爐料的25-30%） 作用：主要為了節(jié)省純堿、能源，促進溶化。 輔料（1）澄清劑 在高溫時分解放出氣體的物質，可促進玻璃中氣泡的排除。一般為硫酸鹽，如：CaSO4, Na2SO4。用量1%以下。（2）助熔劑 硝酸鹽，硫酸鹽。用量1%以下。 特殊用料（1

4、）無色玻璃 加入脫色劑。 化學脫色劑（氧化劑） 用澄清劑即可。 物理脫色劑 兩色互補而失色。TiO2， FeO使玻璃呈綠色。Mn+3著紫色，Se+2(硒)著淺玫瑰色，它們可與玻璃中淺綠色互補，CoO呈藍色，可與綠色互補，增加玻璃的透明度。（2）彩色玻璃 Fe+3淡青色，Cr+3+Mn+3黑色，Mn+3+ Fe+3橙黃色至暗紫色，F(xiàn)e2O3黃色，Cr2O3蛋黃色。（3）乳白色玻璃 加入乳濁劑。氟化物，爐料的3-10%。（二）原料制備 原料準備 按成分比，計算出各主料的用量，稱量混合， 放入重油熔窯熔制。 熔制過程 硅酸鹽形成階段 （800-900 ） 作用：去除所有水（混合進去的與結構水）， 生

5、成硅酸鹽與未熔硅砂（未發(fā)生反應） 的燒結物。（含大量氣泡） 玻璃形成階段 （ 1200） 作用：燒結物全部變成玻璃液，但組分不均 勻，含大量氣泡。 澄清階段 （1400-1600） 氣體攪拌作用，使組織均勻，同時氣體排除。 均化階段 （溫度下降） 通過對流、擴散進行。 冷卻階段 （成型溫度稍高，約 1150） 冷卻到適合成型的溫度。三、成型 滴料供給 由滴料供料機將一定量的玻璃料滴至模具中。 容器成型 吹-吹法成型 壓吹法成型 壓制法成型管（拉）制成型四、玻璃包裝容器的類型按所盛裝的內裝物分 有罐頭瓶、酒瓶、調料瓶、飲料 瓶、輸液瓶、化妝品瓶、廣告色瓶等。按瓶口瓶蓋形式分 有普通塞瓶、冠蓋瓶、

6、螺紋蓋瓶、滾 壓蓋瓶、防盜蓋瓶、凸耳蓋瓶及噴灑瓶等。按瓶口尺寸大小分 有大口瓶、小口瓶、玻璃杯瓶。一般 瓶口內徑小于30mm的為小口瓶，大于30mm的為大口瓶，而對于瓶頸和瓶肩直徑相差不大的大口瓶，有時 也稱玻璃罐。按玻璃容器的顏色分 有透明的白玻璃瓶、綠色瓶、茶色瓶、藍色瓶、黑色瓶等，還有不透明的乳濁色瓶。按容器的制造方法分 有模制瓶和管制瓶。按瓶罐的結構特征分 有普通瓶、長頸瓶、短頸瓶、凸頸瓶、溜肩瓶、端肩瓶及異型瓶等。五、玻璃包裝容器的一般構成第二節(jié) 玻璃瓶的裝飾一、毛面裝飾一、毛面裝飾 無光澤的麻面。作用：可顯示圖文；遮光；無光澤的麻面。作用：可顯示圖文；遮光；明暗對比。有三種方法：明

7、暗對比。有三種方法： 噴砂法：將瓶的非麻面用橡膠、紙板或白鐵皮等包噴砂法：將瓶的非麻面用橡膠、紙板或白鐵皮等包 蓋保護，用壓縮空氣高速噴出的石英砂、蓋保護，用壓縮空氣高速噴出的石英砂、 金剛砂打在裸露上形成平面。耗能高。金剛砂打在裸露上形成平面。耗能高。 腐蝕法：用氟化物腐蝕需裝飾的表面。腐蝕法：用氟化物腐蝕需裝飾的表面。 拋磨法：在研磨機、拋光機上進行。研磨時施加研拋磨法：在研磨機、拋光機上進行。研磨時施加研 磨粉，拋光時施加拋光粉，通過高速機械磨粉，拋光時施加拋光粉，通過高速機械 摩擦去除玻璃表面的粗糙不平，得到平整摩擦去除玻璃表面的粗糙不平，得到平整 光滑、透明光亮的玻璃表面。光滑、透明

8、光亮的玻璃表面。 四、彩飾 二、二、 著色著色 三、三、 浮雕浮雕 印花彩飾（機械印刷） 玻璃色彩（有機油墨） 由三部分組成： 易熔玻璃細粉 氧化鋁（氧化鉛、氧化銅）， 二氧化硅，碳酸鈉，二氧化鈦。 著色劑 a透明玻璃釉（有機玻璃） b半透明玻璃釉（加著色劑與乳濁劑的玻璃） c. 不透明的玻璃釉（低熔點的玻璃加無機礦 物顏料） 揮發(fā)的有機油 混合使其成為稠糊狀。 燒成 一般經(jīng)500燒成，使釉粘在玻璃上。 噴涂彩飾 適用于瓶型復雜的表面。 第三節(jié) 瓶罐玻璃的性能 一、化學性能 總的化學性能好，比陶瓷差。耐酸：氫氟酸、弱磷酸可熔玻璃；堿性氧化物含能量高，抗酸能力下降。玻璃耐酸程度分為三級：耐酸、中

9、溶于酸及微溶于酸。從爐料上解決。耐堿：酸性氧化物含量高時，抗堿能力下降，可使二氧化硅解體。但表面形成膜后里面不再腐蝕?？煞譃椋海ㄎⅰ⒅校娙苡趬A。二、物理性能 密度： 瓶罐玻璃 2.5-2.6g/cm3, 硬度： 莫氏硬度5級， 熱脹系數(shù)：9.210-8 三、機械性能 斷裂強度 玻璃的理論抗拉強度為：104MPa；實際抗拉強度為：20-70MPa；抗壓強度為抗拉強度的10-20倍。實際抗拉強度沒有理論值那么大，其主要原因： 內部有不可避免的缺陷,組織不均勻；微觀組織有 裂 紋，這兩個因素均使玻璃產(chǎn)生應力集中。 模具表面摩擦玻璃，使其產(chǎn)生傷痕，也將產(chǎn)生應 力集中 例如： 新 瓶 耐內壓能力為1

10、經(jīng)輕劃后 耐內壓能力為0.3 經(jīng)砂紙打磨 耐內壓能力為0.1 金剛石劃痕 耐內壓能力為0.08 溫、濕度變化 如相對濕度從0%RH增至100%RH，強度降低15%。溫度低于200或高于200時，均無影響，正好在200是有影響，這是因為在此溫度水汽作用劇烈所致。 機械沖擊強度 側壁沖擊 當玻璃容器受到?jīng)_擊時，受沖擊的部位即沖擊點處產(chǎn)生局部應力，內部產(chǎn)生彎曲應力，離沖擊點45出產(chǎn)生扭轉應力。 三種應力的破壞形態(tài)： 傾倒沖擊 是指瓶子放在桌子上倒下時的強度，也是一種沖擊強度。與機械沖擊強度的區(qū)別在于它同瓶重量和形狀有關。例如，瓶的重心位置、傾倒沖擊位置不同，瓶傾倒時所受的沖擊程度就不一樣，從而傾倒強

11、度也不同。 瓶傾倒強度與瓶本身的穩(wěn)定性有關。短頸、寬肩的瓶子，重心高、不易碰到瓶口，因而不易破損。重心高破損率低。 內壓強度 是玻璃容器的一個重要強度指標。玻璃瓶罐在密閉狀態(tài)下，內壓力產(chǎn)生器壁周向應力和平行于縱軸的軸向應力，其軸向應力要比周向應力小得多。器壁的周向應力可根據(jù)薄壁圓筒內壓強度理論進行考慮計算。 公式為： 垂直荷重強度 是玻璃容器在垂直負荷的作用下所體現(xiàn)的強度，是容器 承受載荷的能力指標。其值與容器的形狀結構關系很大。 熱沖擊強度（熱震強度）熱沖擊強度（熱震強度） 是玻璃容器的一個重要強度指標。是玻璃包裝容器承受溫度急變而不破裂的性能。當玻璃瓶受急冷急熱作用，因其導熱性差，在玻璃內

12、產(chǎn)生很大的溫差，發(fā)生不均勻的熱脹冷縮，使瓶壁內產(chǎn)生復雜的應力，當此應力超過玻璃強度時，瓶子破裂。 外部急冷（內急熱）外部急冷（內急熱） 當瓶表面受急冷作用時，瓶壁外表面當瓶表面受急冷作用時，瓶壁外表面受到的拉應力受到的拉應力 遠大于內表面的壓應力，此遠大于內表面的壓應力，此值超過玻璃的許用應力，瓶子破壞。這種值超過玻璃的許用應力，瓶子破壞。這種破裂常發(fā)生在瓶與瓶底的過渡下部的外表破裂常發(fā)生在瓶與瓶底的過渡下部的外表面。面。 外部急熱外部急熱 當外部受急熱作用時，瓶壁外表面的當外部受急熱作用時，瓶壁外表面的壓應力遠大于內表面的拉應力，因內表面壓應力遠大于內表面的拉應力，因內表面狀況較好，缺陷少，

13、所以玻璃容器的耐急狀況較好，缺陷少，所以玻璃容器的耐急熱性能好。熱性能好。圓瓶在急冷作用下產(chǎn)生的拉應力：圓瓶在急冷作用下產(chǎn)生的拉應力： 水沖強度 主要由于內裝物的慣性所致。當受到震動時，瓶內裝物并不立即下移，于是在瞬間產(chǎn)生瓶底與內裝物之間的空隙，瓶口空間被壓縮，此壓力經(jīng)內裝無最后傳遞給瓶底，造成劇烈的沖擊內應力。萬分之一秒內產(chǎn)生0.25-1.8MPa的沖擊力，甚至會更大，致使瓶罐破裂。 跌落強度 是水沖與機械沖擊的綜合評定指標。把瓶子裝滿內裝物，然后橫、豎、斜跌落（1m高處落在地板上）看是否破壞。 四、瓶型對結構強度的影響 瓶肩瓶肩 瓶肩與垂直荷重關系極大，通常在瓶肩部外表瓶肩與垂直荷重關系極

14、大，通常在瓶肩部外表面產(chǎn)生最大拉應力，因此垂直荷重強度隨瓶肩的變面產(chǎn)生最大拉應力，因此垂直荷重強度隨瓶肩的變化而變化。一般來說，瓶型越復雜則應力集中越化而變化。一般來說，瓶型越復雜則應力集中越大，強度越小。瓶型越接近于球形，應力集中越大，強度越小。瓶型越接近于球形，應力集中越小，強度越大。如圖小，強度越大。如圖3-9，瓶肩寬度，瓶肩寬度B越寬，傾斜角越寬，傾斜角越小，瓶肩過渡圓弧的半徑越小，瓶肩過渡圓弧的半徑R越小，瓶的垂直載越小，瓶的垂直載荷強度越差，反之，瓶的垂直載荷強度越好荷強度越差，反之，瓶的垂直載荷強度越好。 瓶足 瓶底 凹球形為佳。穩(wěn)定，耐內壓、水沖擊強度好。常采用球冠。 瓶身瓶身

15、 瓶型復雜耐內壓強度就越低，如表3-2所示，瓶罐截面形狀與內壓強度的關系。又如圖3-12所示，異型瓶截面應力分布狀態(tài)。 應力集中。 瓶內真空與有內壓力同樣使四角突起處產(chǎn)生壓應力，四面部位產(chǎn)生拉應力。兩種應力狀態(tài)，即周向的壓應力與拉應力是交變的。玻璃承受交變應力的能力很差，強度明顯下降。 第四節(jié) 玻璃包裝容器的結構設計 一、形狀 棱角圓弧過渡 圓棱角便于玻璃料在模具內流動，容器壁厚均勻。尖角過渡處會產(chǎn)生內應力而起裂紋。 外形盡量簡單，可以簡化模具 型腔為圓柱錐面易加工 壓制成型時盡量避免有斜孔、曲線孔 如表面有環(huán)向凹凸，需要雙瓣模；如異型瓶各向凹凸不同時要用多瓣模 合縫線（分型痕）要盡量少，盡量

16、 隱藏 瓶身加筋 防止成型時發(fā)生翹曲；另外，在不增加壁厚的條件下增加強度；筋條不可以為封閉圖形。 二、壁厚二、壁厚 壁厚盡量均勻。如果壁厚過大，致使玻璃料熔化和容器冷卻的熱耗大為增加，而且在瓶壁內產(chǎn)生應力，使容器在脫模和冷卻時產(chǎn)生變形，增加壁厚雖然能提高垂直荷重強度和內壓強度，但其機械沖擊強度和熱沖擊強度會降低。生產(chǎn)周期延長。 如需不同壁厚時，進行圓弧過渡。 壁厚與垂直荷重呈線性關系 抗垂直載荷強度隨容器壁厚的減薄成比例地降低。 抗內壓強度與壁厚呈線性關系 如圖3-11。R相同，壁厚越薄，內應力越大；同一壁厚，外徑R越大，內應力越大。 壁薄時，抗機械沖擊、熱沖擊性好 沖擊強度與壁厚呈正變 在彈

17、性撞擊范圍內，不管壁厚的大小，沖擊能量終歸要被伴生的變形所吸收，于是有可能減少破損。如上圖所示，隨著壁厚的增加，沖擊強度增加，但當壁厚增加到一定的程度，沖擊強度增加不顯著。其原因如下圖，瓶壁厚時，瓶相對呈剛性，變形小，與擺錘相對接觸時間短，所吸收能量少，瓶易破損。 下圖是懸吊擺錘沖擊不同壁厚瓶與接觸時間關系。選用的瓶頸相差無幾。當壁厚小于2mm時，接觸時間隨壁厚的減薄而增加；當壁厚在11.5mm之間時，接觸時間差不多達到普通壁厚時的2倍；小于1mm時甚至可以達到若干倍。所以，接觸時間越長，所吸收的能量越多，即玻璃瓶壁的厚度減薄到一定程度，實際上有可能提高耐破度。 壁薄溫差迅速均勻，由溫差引起的

18、應力小 壁厚與生產(chǎn)條件的關系 合理的壁厚取決于原料成分、容器重量 及成型工藝（料溫、模溫、料的流程）等多種因素。 可控因素瓶 玻璃成分：調解它，可以使玻璃獲得所需 的粘度。具有這樣的粘度的玻 璃很容易充滿型腔。玻璃料的 粘度越小，壓制出來的薄壁容 器的質量越好。模具溫度：料溫雖然可以調節(jié)，但大多是在 送入模 具之前進行的。一旦玻 璃接觸模壁，其表面就開始冷 卻，冷卻越甚，料、模之間的溫 差就越大。模溫越高，玻璃制品 質量就越好，但模溫要保持在玻 璃粘附溫度以下，即以玻璃不粘 附模壁為適度。模溫取決于送入 的玻璃料溫，通常為400-600。 過于細長、短粗都難以吹制均勻的 壁厚，短粗來不及吹，底

19、厚。 瓶的壁厚應適當。過薄，強度低， 難成型；過厚，壁厚很難均勻，制 造過程中冷卻也不均勻，易產(chǎn)生內 應力，不經(jīng)濟。 表3-3，3-4，3-5是玻璃容器常用的壁厚，表中數(shù)據(jù)之壁厚平均值。 三、脫模斜度（主要以壓制成型為主考慮） 在壓制成型中，為了易于從玻璃料中拔出沖頭（陽模）或從模具中取出制品，玻璃容器的側壁內外必須具有一定的斜度。斜度的大小取決于壓制制品的深度或高度以及玻璃料的收縮率。 表3-20為壓制法成型玻璃容器的最小脫模斜度推薦值。 最小脫模斜度取決于模壁加工光潔程度，玻璃容器脫模時的冷卻程度以及玻璃料的成分。 容器冷卻程度同開模至容器取出之間的時間長短有關。時間越長，容器冷卻越甚，其

20、收縮就越快。容器收縮時，仍位于容器內的沖頭受到容器內表面擠壓，結果難于從成型空中取出。從表3-20可以看出，隨著開模至容器脫模之間時間的增加，容器內表面的脫模斜度逐漸增加，而外表面的脫模斜度逐漸減小，這樣使得開模時能夠首先取出沖頭，然后再從模具中取出制品。 四、瓶底結構設計 瓶罐的底部起支撐作用，承受瓶體及內裝物全部質量，因此要求瓶底擺放平穩(wěn)可靠，有相對較高的強度。 瓶底一般都設計成內凹型，這樣可減少接觸平面內的接觸點，增加穩(wěn)定性。瓶底與瓶根采用圓弧過渡，過渡圓弧較大有利于提高瓶罐的強度指標，但過渡圓弧過大，將縮減支撐面積，削弱瓶罐的穩(wěn)定性。第五節(jié) 玻璃包裝容器的瓶口結構設計一、冠形瓶口 二、

21、塞形瓶口 三、螺紋瓶口 單頭螺紋 多頭螺紋防盜螺紋瓶口 四、卷邊蓋瓶口 卷邊蓋瓶口采用鐵皮或鋁皮蓋，內置彈性瓶塞，通過壓緊使蓋裙下緣與瓶口卷邊固定密封。其結構和尺寸見圖3-41，3-42和表3-26，3-27所示。五、真空封蓋瓶口 采用真空封蓋瓶口結構，因承受較高的壓力，一般采用強度較高的馬口鐵皮蓋。結構見圖3-44。六、噴灑瓶口 其結構形式如圖3-45所示，內裝液體在自身重力的作用下，通過小瓶口噴灑出來。目前已逐漸被氣壓式閥口所代替。七、磨砂瓶口 第六節(jié) 玻璃瓶罐設計要點 一、選定合理瓶罐成分 依據(jù)： 內裝物的化學性質（如PH值、防 紫外線等） 包裝食用、藥用品時須殺菌，就 存在熱沖擊問題

22、成型工藝及方法 外觀要求 二、確定合理瓶型 商品的性能與使用 長期保存的用小口瓶。粒、粉、糊、膏狀產(chǎn) 品又要長期貯存，也只能 用大口瓶； 大溜肩瓶型，可使液體連續(xù)流出； 寬肩瓶，不能使液體連續(xù)流出，但可存渣； 瓶型必須便于手握瓶高適當 大口瓶最高不能超過匙長。是匙長的 3/4；最矮不能小于口徑， 太小成型工藝 難，罐裝時飛揚。 便于包裝作業(yè) 1小口瓶 如短頸，無法放漏斗；長頸， 難于清洗，液面高度難于一致。 2異型瓶 有死角，難清洗，難真空。 省料且成品質量好 適當?shù)膹姸?根據(jù)不同的使用、運輸情況，確定垂直 荷重、各種沖擊強度、耐內壓等，要適度。 裝飾要求 三、確定壁厚 經(jīng)驗法 見表3-3，表3-4，表3-5。 計算法 薄壁容器： 厚壁容器： 我國部頒標準規(guī)定酒瓶內壓強度為： 充氣酒瓶瓶不低于 10kgf/cm2； 不充氣酒瓶不低于 5kgf/cm2； 啤酒瓶不低于 12 kgf/cm2。 四、瓶容設計計算 確定直徑與高度 尺寸公差： 尺寸偏差是玻璃瓶罐的尺寸偏離標準規(guī)定的范圍，用以補償模具和產(chǎn)品生產(chǎn)過程中可能發(fā)生的一切誤差和產(chǎn)品的變形。除了瓶口尺寸偏差最為重要之外，瓶徑與瓶高的尺寸偏差也不容忽視。 非標準瓶罐的瓶徑和瓶高尺寸偏差的精確計算公式： 瓶容量計算 公稱容量 在20時，罐裝到罐裝標線時瓶罐容量應有的容積。 實際容量 玻璃容器