[摘要] 根據(jù)玻璃包裝市場化和綠色化的要求，提出改進和嚴控生產(chǎn)工藝、廣泛使用表面處理技術(shù)、實施輕量化設(shè)計、倡導(dǎo)玻璃包裝輕量化消費觀念等玻璃包裝輕量化措施。 關(guān)鍵詞：玻璃包裝；輕量化；措施 20世紀(jì)80年代以來，由于玻璃容器生產(chǎn)成本上升，加上玻璃容器較重、易碎，一些領(lǐng)域被金屬容器、塑料瓶、復(fù)合材料軟包裝等取代，尤其在近年，各類包裝材料都在以其獨特的性能優(yōu)勢在包裝領(lǐng)域相互競爭、相互取代，玻璃包裝市場正在面臨嚴峻的考驗。目前，歐美及日本，啤酒包裝已有部分為聚酯瓶取代，醫(yī)藥包裝方面，除高檔營養(yǎng)液瓶、輸液瓶外，常規(guī)包裝已為塑料瓶、軟管及泡罩包裝替代。從市場經(jīng)濟角度，玻璃包裝必須加緊實施輕量化，降低成本，提高性能，才能重新找回和鞏固市場。 同時，綠色包裝成為全球包裝發(fā)展的趨勢，傳統(tǒng)的玻璃包裝生產(chǎn)，由于生產(chǎn)工藝及設(shè)備落后，配方不佳，未進行強化處理，能源消耗大，極不符合綠色包裝的要求。輕量化的實施，強化技術(shù)的推廣，正好使瓶壁變薄的同時，保持或增加強度，材料耗費低，設(shè)備及工藝改進又極大降低能耗，成本大大降低。因此，玻璃包裝輕量化是綠色包裝的迫切要求。 1 輕量化概述 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，目的是提高其綠色性與經(jīng)濟性。重容比是評價相同容積的玻璃瓶罐其質(zhì)量大小的尺度，據(jù)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(tài)下要保持較高的耐壓強度是非常困難的，必須從設(shè)計到生產(chǎn)全過程的各個環(huán)節(jié)入手，通過玻璃成份改性、合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計、正確的工藝安排、有效的生產(chǎn)工藝指標(biāo)控制、有效的表面處理等強化處理措施達到壁厚小、強度高的目的。下面將就這些方面進行探討。 2 輕量化的生產(chǎn)工藝控制 2．1 做好配料工作是實現(xiàn)輕量化生產(chǎn)的第一步 原料及配合料制備過程配方設(shè)計、原料成分、粒度、水份、配合料均勻度、碎玻璃的質(zhì)量及加入均勻性都對產(chǎn)品質(zhì)量有直接影響。做好配料工作必須執(zhí)行穩(wěn)定的配方、制定和嚴格執(zhí)行原料標(biāo)準(zhǔn)、配合料制備工藝制度化。國內(nèi)高檔輕量瓶生產(chǎn)都特別重視該環(huán)節(jié)，生產(chǎn)的稱量與精度上，配料系統(tǒng)采用先進的計算機控制電子秤量設(shè)備，動態(tài)精度應(yīng)達到1／500，確保配料質(zhì)量。 2．2 熔制工藝既是保證玻璃包裝質(zhì)量，又是玻璃包裝綠色化的關(guān)鍵環(huán)節(jié) 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。熔制過程采用連續(xù)作業(yè)，這5個階段是在熔爐的不同部位進行的，以便分段控制準(zhǔn)確的熔制溫度。窯爐運行工藝指標(biāo)的穩(wěn)定性至關(guān)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(jié)石、色彩、外觀、強度差等質(zhì)量問題。高檔輕量瓶生產(chǎn)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(nèi)及±0.2mm以內(nèi)。 當(dāng)然，要保證高精度的生產(chǎn)工藝指標(biāo)，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(shù)使用微機控制等一系列措施，使熔化率達到1.5～2.0（t•m－1），熔化質(zhì)量明顯提高。 2．3 有效的成型控制是獲得預(yù)期成型效果和均勻壁厚的保證 玻璃液生成玻璃制品的過程可以分為成型和定型2個階段。成型和定型是連續(xù)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(zhì)的熱傳遞。玻璃容器通常從3個特征溫度值來控制成型操作：軟化溫度、退火溫度和應(yīng)變點。不同產(chǎn)品，通過試驗確定合理的參數(shù)是關(guān)鍵，先進的制瓶、供料及加熱系統(tǒng)及采用先進的成型工藝是獲得均勻壁厚、實現(xiàn)輕量化的根本保證。 2．4 實施有效退火，消除有害殘余應(yīng)力 玻璃瓶罐的退火是消除或減小玻璃中的剩余應(yīng)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(yīng)力或永久應(yīng)力。為了消除這些熱應(yīng)力，需將玻璃加熱到退火點進行保溫、均熱，使玻璃內(nèi)部的結(jié)構(gòu)進行調(diào)整，應(yīng)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(jù)壁厚準(zhǔn)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(chǎn)生新的應(yīng)力，在快冷階段，要根據(jù)壁厚，采用不同的降溫速度，防止降溫時產(chǎn)生的暫時應(yīng)力超過玻璃的強度極限而引起破裂。 3 運用表面處理技術(shù)提高玻璃容器的表面性質(zhì) 玻璃的表面狀態(tài)、組成和結(jié)構(gòu)與其內(nèi)部的組成、結(jié)構(gòu)有很大差別。玻璃的表面性質(zhì)對其主體性質(zhì)有重大影響。玻璃的化學(xué)穩(wěn)定性，實際上取決于其表面的化學(xué)穩(wěn)定性，玻璃的機械強度、抗沖擊性能也在相當(dāng)大程度上決定于玻璃表面的形態(tài)與結(jié)構(gòu)。因此，玻璃的表面處理是制造高強度輕量化玻璃容器的重要技術(shù)手段之一。 玻璃容器表面處理的目的，是改變?nèi)萜鞅砻娴幕瘜W(xué)穩(wěn)定性和消除玻璃表面的損傷，從而達到增強的目的。主要方法有制瓶時添加涂層、物理強化、化學(xué)強化、表面酸處理、塑料涂層等方法。 3．1 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（如氧化錫、氧化鈦、氯化錫等）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(jīng)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°C），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，或在退火爐中通人二氧化硫，二者均可在瓶的表面與堿性氧化物反應(yīng)，使玻璃表面的鈉離子析出而形成芒硝微粒（即濁白粉狀的Na2S04），用水沖除后，由于堿性降低而使表面的化學(xué)穩(wěn)定性增強。 表面有機硅涂層處理。玻璃表面使用有機硅蒸發(fā)涂層或用有機硅浸漬都可形成有機聚硅氧烷憎水膜和聚合（Si02）。硅氧膜，通過公用的硅氧鍵而與玻璃表面連接起來。經(jīng)熱處理后有機基團會揮發(fā)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(zhì)在裂紋中的擴散而使表面裂紋愈合（俗稱異相愈合），不僅玻璃強度和化學(xué)穩(wěn)定性有較大提高，還使玻璃具有特殊的光學(xué)性能和抗沖擊性能。常用的有機硅溶液有甲基氟硅烷、二甲基二氯硅烷、二苯基二氟硅烷和苯基三氯硅烷等。 容器表面的聚合物薄膜厚度為0．005mm，在容器標(biāo)準(zhǔn)重量下其壓應(yīng)力增大了10～12Pa。在內(nèi)部壓力相同的情況下，幾不可回收標(biāo)準(zhǔn)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％。同時由于所鍍的膜非常薄，這種玻璃容器的回爐不會造成任何環(huán)境問題，因此，在線聚合物鍍膜容器可以納入標(biāo)準(zhǔn)的循環(huán)再生過程。 3．2 物理強化（鋼化） 物理強化（鋼化）也叫風(fēng)冷強化，目的是為了提高玻璃瓶罐的機械強度和熱穩(wěn)定性。物理強化處理方法如下：瓶罐由制瓶機脫模后，立即送人馬弗式鋼化爐內(nèi)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(zhuǎn)入鋼化室，用多孔噴嘴的風(fēng)柵向瓶罐的內(nèi)外壁上噴射冷空氣，快速冷卻瓶罐，或用液體作冷卻介質(zhì)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(yīng)力層，制品內(nèi)部的冷卻因滯后于表面為張應(yīng)力層，當(dāng)這2種應(yīng)力分布合理時，玻璃耐內(nèi)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。 3．3 化學(xué)強化（鋼化） 對玻璃表面進行離子交換處理又稱化學(xué)強化，常用方法有熔鹽法和噴涂法。 熔鹽法。以溶質(zhì)中半徑大的離子交換玻璃中半徑小的離子或以溶質(zhì)中半徑小的離子置換玻璃中半徑大的離子，使玻璃表面產(chǎn)生壓應(yīng)力，可使耐內(nèi)壓強度提高，經(jīng)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。噴涂法化學(xué)鋼化具有增強效果好、生產(chǎn)及使用安全、生產(chǎn)效率高和生產(chǎn)成本低等優(yōu)點，從綜合評價的角度上分析，不失為目前一種比較理想的增強工藝。 為了提高噴涂法化學(xué)鋼化的增強效果和與工藝特性適應(yīng)，經(jīng)研究應(yīng)選擇比較理想的基礎(chǔ)玻璃化學(xué)組成，基礎(chǔ)玻璃化學(xué)組成不一樣，噴涂液、噴涂液添加劑配方也應(yīng)作相應(yīng)的調(diào)整； 噴涂法化學(xué)鋼化的每一個工藝環(huán)節(jié)，都將對其最終的增強效果產(chǎn)生舉足輕重的影響，因此，必須把握好2個階段的工藝參數(shù)：第一階段，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(shù)；第二階段，熱處理（離子的擴散和交換）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，增強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(jīng)噴涂法化學(xué)鋼化的玻璃制品具有很好的光澤度和商品外觀。 3．4 表面酸處理 表面酸處理可以消除玻璃表面較大數(shù)量的微裂紋或使微裂紋的寬度與深度變小，減少應(yīng)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(dāng)浸蝕深度在100μm時，可使制品機械沖擊強度提高50％～100％，再結(jié)合物理鋼化，可使玻璃強度的提高更為顯著。 3．5 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（環(huán)氧樹脂、聚氨酯、聚氯乙烯或聚苯乙烯等）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。德國杜塞爾多夫市玻璃工廠開發(fā)出1kg裝超薄聚酯涂層玻璃瓶，僅稍重于聚合物的瓶子，但玻璃瓶一點也不會影響內(nèi)裝飲料的味道。 4 玻璃包裝容器輕量化設(shè)計 調(diào)整玻璃配方。玻璃的內(nèi)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Na2O—CaO—SiO2系玻璃，醫(yī)藥上多用硬質(zhì)硼硅玻璃。輕量化玻璃容器重點考慮增加強度的成份。提高組成中網(wǎng)絡(luò)形成物含量，使玻璃結(jié)構(gòu)更趨緊密的材料。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(jié)構(gòu)設(shè)計。研究合理的結(jié)構(gòu)使玻璃容器壁厚減薄，玻璃容器的壁厚減小后，垂直荷重能力減小，但合理的結(jié)構(gòu)可使應(yīng)力分布均勻、冷卻均勻和增加容器的“彈性”，使耐內(nèi)壓強度和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。 玻璃瓶造型最好是高度不大，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；瓶身形狀呈圓柱形；瓶肩線的曲率半徑越大的瓶肩結(jié)構(gòu)；瓶身與瓶底平緩過渡的構(gòu)型較好。另外，瓶罐口部的加強環(huán)要盡量小，或取消加強環(huán)；小口瓶的瓶頸不要細而長。 運用優(yōu)化設(shè)計手段。運用優(yōu)化設(shè)計，探討玻璃最佳瓶型，使玻璃容器的重量小而容量大，降低原料耗量；運用現(xiàn)代模具設(shè)計、加工手段，生產(chǎn)高精度的容器模具，保證容器尺寸精度，從而保證容器強度。運用先進的理論和現(xiàn)代化的手段，根據(jù)確定的瓶型的不同部位應(yīng)力大小，準(zhǔn)確設(shè)計容器各部位的壁厚，做到厚薄分明，減小重量。 工藝設(shè)計采用強化工藝。強化生產(chǎn)工藝技術(shù)，對生產(chǎn)過程的各環(huán)節(jié)，從原料組織、配料、熔制、成型、退火等環(huán)節(jié)都必須嚴格控制，采用化學(xué)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(xiàn)輕量化目的。因此，必須在設(shè)計階段明確規(guī)定強化工藝。 5 倡導(dǎo)綠色包裝消費觀念 現(xiàn)代社會產(chǎn)品銷售份額的多少，是否能博得顧客的喜愛在相當(dāng)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(chǎn)品的氣質(zhì)和造型，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(huán)保和節(jié)約資源意識，樹立綠色消費觀。同時玻璃包裝容器設(shè)計必須大力推進減量化，從源頭上減少包裝廢棄物。 6 結(jié) 語 目前，我國人均消費包裝瓶5.5kg，遠低于發(fā)達國家人均消費45kg的平均水平。只要從改進和嚴控生產(chǎn)工藝、廣泛使用表面強化處理技術(shù)、實施輕量化設(shè)計、大力加強新配方、新工藝及新設(shè)備研制、倡導(dǎo)玻璃包裝輕量化消費觀念等方面一齊努力，實現(xiàn)輕量化，適應(yīng)玻璃包裝市場化和綠色化的要求，同時憑借玻璃包裝優(yōu)秀的化學(xué)穩(wěn)定性、氣密性、光潔透明、耐高溫、易消毒等一系列物理化學(xué)性質(zhì)，玻璃包裝必定會有廣闊的發(fā)展前景。