輕量化玻璃改進趨向

    由于玻璃容器生產成本較高，加上質重、易碎，在某些包裝領域已被金屬容器、塑料容器、復合材料軟包裝等取代。目前，啤酒包裝已有部分采用聚酯瓶；醫藥包裝方面，除高等營養液瓶、輸液瓶外，常規包裝已為塑料瓶、軟管及泡罩包裝取代。從市場經濟角度看，玻璃包裝必須加快實施輕量化，降低成本，提高性能，才能重新找回和鞏固市場。本文根據玻璃包裝市場的要求，提出了改進和嚴控生產工藝、廣泛使用表面處理技術、實施輕量化設計等玻璃包裝改進措施。玻璃包裝的輕量化就是在保證強度一定條件下，降低玻璃瓶的重容比，目的是提高其經濟性。重容比是評價相同容積的玻璃瓶罐質量大小的尺度，根據用途不同，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，在薄壁狀態下要保持較高的耐壓強度是非常困難的，必須從設計到生產全過程的各個環節入手。
    生產工藝控制
    做好配料工作是實現輕量化生產的靠前步
    原料及配料配方設計、原料成分、粒度、水分、配料均勻度、碎玻璃的質量及加入均勻性等都對產品質量有直接影響。做好配料工作必須執行穩定的配方、制定和嚴格執行原料標準、配合料制備工藝要制度化。國內高等輕量瓶生產都特別重視這些環節，在生產的稱量與精度上，配料系統采用先進的計算機控制電子秤量設備，動態精度應達到1/500，確保配料質量。
    熔制工藝是保證質量的關鍵環節
    玻璃熔制過程大致可分為硅酸鹽形成、玻璃形成、澄清、均化、冷卻5 個階段。這5 個階段是在熔爐的不同部位進行的，以便分段控制準確的熔制溫度。窯爐運行工藝指標的穩定性至關重要，一般要求熔化溫度波動不超過10℃，液面波動不超過0.5mm，窯壓波動不超過2Pa，防止窯爐空間冒火，從而防止結石、色彩、外觀、強度差等質量問題。高等輕量瓶生產中對分配料道溫度和玻璃液面的波動精度要求非常高，有的分別控制在±2℃以內及±0.2mm 以內。要保證高精度的生產工藝指標，必須推廣燃油窯爐，改進窯型，使用高溫、寬截面、大型的輥道式馬蹄焰熔爐。對窯爐實行全保溫、爐底鼓泡、電助熔、窯坎、熱工參數使用微機控制等措施，使熔化率達到1.5～2.0（t·m－1），熔化質量明顯提高。
    有效的成型控制是獲得預期成型效果和均勻壁厚的保證
    玻璃制品的生產過程可分為成型和定型兩個階段。成型和定型是連續進行的，成型過程中，需要控制玻璃的粘度、溫度以及通過模具向周圍介質的熱傳遞。通常從3 個特征溫度值來控制成型操作：軟化溫度、退火溫度和應變點。不同產品，通過試驗確定合理的參數是關鍵，先進的制瓶、供料及加熱系統及采用先進的成型工藝是獲得均勻壁厚、實現輕量化的根本保證。
    實施有效退火，清理有害殘余應力
    退火是清理或減小玻璃中的剩余應力至允許值的熱處理過程。任何玻璃制品在加工過程中都存在著剩余熱應力或較久應力。為了清理這些熱應力，需將玻璃加熱到退火點進行保溫、均熱，使玻璃內部的結構得以調整，應力釋放。
    玻璃的退火工藝包括加熱、保溫、緩慢降溫及快速降溫4 個階段，要根據壁厚準確控制保溫時間，緩慢降溫階段，要嚴格控制降溫速度，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較限而引起破裂。
    表面處理技術
    玻璃的表面狀態、組成和結構與其內部的組成、結構有很大差別。表面性質對其主體性質有很大影響。玻璃的化學穩定性，實際上取決于其表面的化學穩定性。玻璃的機械強度、抗沖擊性能也在相當大程度上決定于其表面的形態與結構。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手段之一。
    玻璃容器表面處理的目的，是改變容器表面的化學穩定性和清理玻璃表面的損傷，從而達到增強的目的。主要方法有添加涂層、物理強化、化學強化、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行。成型后的玻璃瓶在緩緩冷卻至500～600℃時，將金屬涂敷劑噴涂在容器表面，形成一定厚度的保護膜，增強表面強度約30%，又可使瓶經得起長期的水沖、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滑性的保護層。
    起霜：起霜是在玻璃瓶冷卻過程中噴涂四氯化碳，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，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穩定性增強。
     表面農業生產體系硅涂層處理：玻璃表面使用農業生產體系硅蒸發涂層或用農業生產體系硅浸漬都可形成農業生產體系聚硅氧烷憎水膜和聚合。硅氧膜，通過公用的硅氧鍵而與玻璃表面連接起來。經熱處理后農業生產體系基團會揮發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在裂紋中的擴散而使表面裂紋變好，不僅玻璃強度和化學穩定性有非常大提高，還使玻璃具有特殊的光學性能和抗沖擊性能。
    容器表面的聚合物薄膜厚度為0.005mm，在容器標準重量下其壓應力加大了10～12Pa。在內部壓力相同的情況下，1L 不可回收標準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%。同時由于所鍍膜非常薄，回爐不會造成任何環境問題。
    物理強化（鋼化）
    物理強化（鋼化）也叫風冷強化，目的是提高玻璃瓶罐的機械強度和熱穩定性。物理強化處理方法如下：瓶罐由制瓶機脫模后，立即送入鋼化爐內均勻加熱到接近玻璃的軟化溫度（但不能達到軟化溫度），然后轉入鋼化室，用多孔噴嘴的風柵向瓶罐的內外壁上噴射冷空氣，快速冷卻瓶罐。或用液體作冷卻介質進行突然冷卻瓶罐，造成制品表面因突然收縮而形成的壓應力層，制品內部的冷卻因滯后于表面為張應力層，當這兩種應力分布合理時，玻璃耐內壓強度可以成倍提高。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。
    化學強化（鋼化）
    對玻璃表面進行離子交換處理又稱化學強化，常用方法有熔鹽法和噴涂法。
    熔鹽法：以溶質中半徑大的離子交換玻璃中半徑小的離子或以溶質中半徑小的離子置換玻璃中半徑大的離子，使玻璃表面產生壓應力，可使耐內壓強度提高。經處理后制品的硬度高，耐磨損，制品的強度不會因長時間使用而降低。
    噴涂法：噴涂法具有增效果好果好、生產及使用安全、生產效率高和生產成本低等優點，從綜合評價的角度上分析，不失為一種比較理想的增強工藝。為了提高噴涂法化學鋼化的增效果好果和與工藝特性適應，應選擇比較理想的基礎玻璃化學組成，基礎玻璃化學組成不一樣，噴涂液、噴涂液添加劑配方也應作相應的調整。
    噴涂法化學鋼化的每一個工藝環節，都將對其較終的增效果好果產生舉足輕重的影響，因此，必須把握好兩個階段的工藝參數：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、噴霧時間、噴霧液滴大小，固相試劑層的厚度、密度等參數；第二階段，熱處理必須控制好溫度。該法可使玻璃容器強度達到原始值的2 倍左右，制品在運輸和機械灌裝過程中的損耗則降為原值的1/3 左右，經噴涂法化學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。當浸蝕高層度在100μm 左右時，可使制品機械沖擊強度提高50%～高標準a，再結合物理鋼化，可使玻璃強度的提高更為顯著。
    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。這種方法簡單、價廉，但涂層壽命較短。
    輕量化設計
    調整玻璃配方：玻璃的內在強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，醫藥上多用硬質硼硅玻璃。輕量化玻璃容器要點考慮增加強度的成分，提高組成中網絡形成物含量，使玻璃結構更趨緊密。組成中引入的氧化物離子的電荷要高，離子半徑要小。
    輕量化結構設計：研究合理的結構使玻璃容器壁厚減薄，雖然垂直荷重能力減小，但合理的結構可使應力分布均勻、冷卻均勻和增加容器的“彈性”，耐內壓強度和耐沖擊強度反而得以提高，因此可采取如下措施以保證垂直荷重強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；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構；瓶身與瓶底平緩過渡的構型較好。另外，瓶罐口部的加強環要盡量小或取消加強環；小口瓶的瓶頸不要細而長。
    運用優化設計手段：運用優化設計，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；運用現代模具設計、加工手段，生產高精度的容器模具，保證容器尺寸精度，從而保證容器強度；根據確定的瓶型的不同部位應力大小，準確設計容器各部位的壁厚，做到厚薄分明，減小重量。
    工藝設計采用強化工藝：強化生產工藝技術，對生產過程的各環節，從原料籌備、配料、熔制、成型、退火等環節都必須嚴格控制，采用化學的和物理的強化工藝以及表面涂層強化方法等，在提高材料的物理機械強度的前提下，使玻璃容器薄壁化，從而實現輕量化。
    倡導綠色包裝消費觀念
    現代社會產品銷售份額的多少，是否能博得顧客的喜愛，在相當程度上取決于包裝是否精美，對酒瓶、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品的造型和質感，使酒瓶渾厚而敦實，造型多姿多彩而各異，這樣就造成過分包裝。
    解決這一問題必須首先增強消費者的環保和節約資源意識，樹立綠色消費觀。同時在設計玻璃包裝容器時，必須大力推進減量化，從源頭上減少包裝廢棄物。
    只有輕量化才能有市場
    目前，我國人均消費玻璃包裝瓶5.5kg，遠低于發達國家人均消費45kg 的平均水平。只要從改進和嚴控生產工藝、廣泛使用表面強化處理技術、實施輕量化設計、大力加強新配方、新工藝及新設備研制、倡導玻璃包裝輕量化消費觀念等方面深入研究，盡快實現輕量化，并適應玻璃包裝市場和綠色化的要求，同時憑借玻璃材料優良的化學穩定性、氣密性、光潔透明、耐高溫、易消毒等一系列物理化學性質，玻璃包裝仍有很大的市場。