12.2.4 玻璃及陶瓷包装材料与容器

品 种	玻璃组成分含量/%
	SiO2	Al2O3	Fe2O3	CaO	MgO	BaO	Na2O	K2O	Cr2O3
棕色啤酒瓶(硫碳着色)	72.5	1.85	0.23	10.40	1.60	—	13.20	0.07	—
绿色啤酒瓶	69.98	3.06	0.51	9.02	2.72	—	13.65		0.16
香槟酒瓶	61.38	8.26	1.30	15.76	0.82	—	8.51	2.44	1.64
汽水瓶(淡青色)	69.0	3.80	0.50	9.60	2.20	0.2	14.50		—
罐头瓶(淡青色)	705	3.0	0.40	7.5	3.6	0.30	14.90		—

(2) 瓶、罐用玻璃的主要性能 玻璃是一种熔体，它是在受冷却时，黏度逐渐增大的 非晶态刚性物质，没有明显的软化点，当温度升高时，玻璃就逐渐从接近固体的状态变成 黏流态，冷却时，又朝相反状态变化，这就形成了玻璃易于加工成型的特点。玻璃的性能 除取决于其化学组成外，还受加热过程温度变化的影响。

①化学性能： 玻璃是一种惰性材料，具有化学稳定性，对绝大部分内容物，玻璃不会 与之发生化学反应。

②力学性能： 玻璃是一种脆性材料，其理论强度比金属还大，可达10⁵N/cm²，但如 玻璃表面具有细微伤痕、裂纹、刮伤等缺陷，将使其实际强度仅为理论强度的1%(约 2000～10000N/cm²)，即玻璃的强度与化学组成关系不大，主要取决于玻璃的表面状况。 对于玻璃表面的缺陷，通常可经退火或表面增强处理而使其强度增大。退火玻璃一般强 度可达7000N/cm²，而通过钢化处理可使其强度达14000～28000N/cm²。

玻璃强度包括抗拉强度和抗压强度两项，一般，抗拉强度远小于抗压强度，约为抗压 强度的1/20，因此，玻璃拉应力是造成玻璃包装容器破损的主要因素。通过钢化处理，可 使玻璃外表面具有较高的压应力状态。玻璃包装容器的结构形状不合理、壁厚不均、表面 划伤、应力集中等，均可使其在温差突变、瞬间冲击等作用下，导致破损。

③光学性能： 玻璃最显著的特点是光亮、透明。这使玻璃包装容器具有极好的陈列 效果，给人以明亮、清晰、高档的感觉。

除紫外线以外，其他光线均能透过普通玻璃。为防止光线对内容物的影响，可对玻璃 着色，绿色、琥珀色、乳白色称为标准三色。着色剂的加入除影响其光学性能外，对其他性 能基本上无影响。

④耐热性能： 玻璃具有很高的耐热和导热性能及低的热膨胀系数，能耐食品的高温 杀菌、消毒和清洗处理，能用于微波加工处理。玻璃的导热性与玻璃厚度有关，玻璃的薄 壁化对热加工食品可获得更有效的热渗透。

应注意的是，普通玻璃对温度骤变产生的热冲击适应能力较差，特别是在厚度较大 时，极易发生破损，但钠钙玻璃容器能适应食品的热充填工艺。

⑤阻隔性能： 玻璃具有对各种气体、液体完全阻隔的性能。

⑥成型和使用性能： 玻璃是一种没有明显熔点的热塑性材料，只要选择适当的模具 和工艺，就能制成各种形状和大小的容器及制品。其使用性能表现在可重复使用和回收 后再熔制。由于玻璃容器无包装废弃物对环境造成严重污染的问题，故近年来玻璃包装 容器的使用量有所增长。

12.2.4.2 玻璃容器的包装强度及设计

在玻璃瓶的包装应用中，强度已成为最重要的性能指标，除与玻璃的化学组成及质量 有关外，容器表面状况和形状结构设计的合理性、科学性，均对其强度起决定性的作用。

(1)玻璃容器的包装强度

①内压强度： 指容器承受最大内部压力的能力，在一定程度上被作为容器的综合强 度。内压强度可以下式表示：

P_max＝2d/Dσ

式中 P_max——内压强度

d——容器壁厚

D——直径

σ——玻璃强度

形状越复杂、壁厚越小，内压强度越低。圆形瓶的内压强度较高，啤酒及碳酸饮料用 瓶一般要求内压大于2～6MPa。

②热冲击强度： 是用来衡量容器耐热变化的能力，其大小主要取决于内、外表面的 温差所产生的内应力大小，瓶壁厚度越小，产生的内应力越小，热冲击强度就越大，但壁厚 变小，会导致其他强度的下降，设计时应综合考虑。容器底部的热冲击强度往往最小，最 易发生破损。

③机械冲击强度： 是指容器承受外部冲击的能力，它是造成容器破损的主要原因。 玻璃瓶受到机械冲击后，在冲击点产生局部应力，相对应的内表面产生较大的弯曲应力， 而在瓶身外表面产生剪切应力，而剪切应力的允许值最小，因而造成破裂。由于瓶的各部 位形状与相对位置不同，因而各部位的冲击强度也不同。图12-30表示了以钢球冲击玻 璃各部位所得到的结果，薄弱部位在瓶颈和瓶口处。

玻璃瓶在使用、运输及销售中可能出现以下两种形式的机械冲击：

a. 翻倒冲击： 翻倒时冲击强度与瓶的质量大小及瓶型有关，图12-31是翻倒冲击 试验结果，表明质量大小相同的玻璃瓶，重心位置高的瓶型翻倒冲击强度高，翻倒破损率 小。这一结论与重心位置高而稳定性差是两个不同概念。

图12-30 玻璃瓶各部位的冲击强度

图12-31 玻璃瓶翻倒冲击试验

b. 跌落冲击： 将充填食品用的玻璃瓶，以瓶底处于水平或歪斜等方式从一定高度自 由落下，观察瓶的各部分是否破损。

④垂直荷重强度： 指玻璃瓶承受垂直负荷的能力，在灌装、压盖、堆垛时最为明显。 它与瓶型密切相关，普通型的玻璃瓶承受垂直荷重的能力很高，至少能承受4kN的承载 能力。结构合理、质量优良的玻璃瓶承载能力可达50kN。

玻璃瓶垂直荷重强度的大小主要取决于容器肩部的形状即曲率半径的大小，见图 12-32。曲率半径越大，垂直荷重强度就越大。

图12-32 瓶肩曲率半径与荷重强度的关系曲线

⑤ 水锤强度： 也称水冲击强度，指 瓶底承受短时内部水冲击的能力。由于 它常发生于运输过程中，故不作为容器本 身的强度指标。在运输过程中，瓶子受到 振动、冲击，虽然上下位移很小，也常会造 成内容物液体的上端空气受压，下端形成 真空的现象，一旦瓶子突然停止振动或反 向振动，瓶内液体在上压、下吸联合作用 下，产生瞬间冲击力冲击瓶底，有时在万 分之一秒内会产生18MPa以上的冲击压力，长期作用会使瓶底产生疲劳破坏。

(2) 影响包装强度的因素

①瓶型： 玻璃瓶的造型变化无穷，对包装强度有很大的影响。实践表明，形状越 复杂，强度越低;越接近圆形，强度越高，故对于大批量生产的玻璃瓶、罐一般采用圆形， 其结构简单，造型简洁、美观并富有时代感，且成型及使用方便，机械操作适应性好，成 本也低。

瓶肩曲线半径对强度的影响如图12-32，故现代玻璃瓶造型均采用大曲率半径圆滑 过渡，一方面提高其垂直荷重强度，另一方面体现了现代审美观点。

瓶底过渡部分对强度的影响很大，瓶身向瓶底过渡不可垂直硬拐，应尽量缓和地圆滑 过渡。一般地，瓶底角与瓶肩都是玻璃瓶的薄弱部位，在灌装输送过程中的倾倒、撞击和 摩擦等都极大地影响瓶的强度和寿命，甚至发生破裂。

②瓶壁厚： 除热冲击强度外，玻璃瓶的强度一般随壁厚而提高，如图12-33，在壁 厚约3～4mm的范围内，其冲击强度较高，壁厚再提高，对强度的提高不显著，而其质量却 大大增加，故设计对壁厚的选择应综合考虑强度和质量等因素。

③玻璃瓶的使用年限： 如图12-34所示，玻璃瓶承受内压的强度随使用年限而降 低。因此，回收再用的玻璃瓶应确定使用年限。

图12-33 玻璃容器壁厚与冲击强度的关系

图12-34 玻璃容器使用年限与承压的关系

12.2.4.3 薄壁轻瓶

玻璃瓶有卫生、抗耐性好、高阻隔性等优点，同时又有质量大、易破碎等缺点，因而在 现代多种包装材料竞争的形势冲击下，薄壁轻瓶成为现代玻璃容器的发展方向。

玻璃容器轻量化的程度用重容比表示，即玻璃容器的质量与容量之比或单位容积的 瓶的质量。显然，重容比越小，则瓶壁越薄。在保证使用强度的前提下，通过降低瓶壁厚 度减轻重量而制得的瓶称轻量瓶或薄壁轻瓶。

瓶、罐的轻量化研究早在20世纪30年代就已开始，70年代对轻量瓶有了较全面的 研究，通过综合改善其性能，可使同容量瓶的质量减轻20%～60%。瓶、罐轻量化可降低 贮运费用、方便热加工处理、提高生产率、增加美感。

轻量瓶的制造工艺与普通瓶基本相同，但整个制造过程各生产环节要求更严格，原材 料和辅料质量必须特别稳定，玻璃的化学稳定性、热性能及机械强度等必须满足要求，造 型设计更需避免应力集中。

除此之外，还必须采取一系列强化措施，以满足轻量瓶的强度和综合性能的要求。

(1)物理强化 瓶、罐由制瓶机脱模后，立即送入钢化炉内均匀加热至软化温度，然 后再在钢化室内用多孔风栅向瓶内外壁喷冷空气。将瓶快速冷却，使表面获得均匀的压 应力，达到提高强度的目的。

(2)化学强化 通过离子交换反应，用半径较大的K⁺(0.133μm)置换表层玻璃中半 径较小的Na⁺(0.098μm)，从而使玻璃表面形成高强度的压缩层而使之具有均匀的压应 力。工业上常采用的方法是将瓶、罐浸于熔融的硝化钾溶液中，使其发生钾、钠离子交换 反应。

(3) 表面涂层强化

①热端涂层： 在瓶、罐退火后送入退火炉之前，用液态的SnCl₄或TiCl₄喷射到热的 瓶罐上，经分解氧化使其在瓶、罐表面形成氧化锡层或氧化钛层。这种方法又叫热涂，既 可提高表面强度(30%左右)，又可提高其润滑性和耐清洗性。

②冷端涂层： 瓶罐退火后，将单硬脂酸、聚乙烯、油酸、硅烷、硅酮等喷成雾状覆盖在 瓶、罐上，形成抗磨损及具有润滑性的保护层。瓶、罐温度取决于喷涂物料的性质，一般为 21～80℃。

也可同时采用冷端和热端处理，即双重涂覆，使瓶、罐的性能更佳。

(4) 用高分子树脂强化

①静电喷涂： 将聚胺酯类树脂等塑料粉末用喷枪喷射，喷出的粉末带有静电被玻璃 瓶表面吸附，然后加热玻璃，使表面吸附的树脂粉末熔化，形成薄膜包覆在玻璃瓶表面，使 玻璃的润滑性增加、强度增大，并可减小破损时玻璃碎片向外飞散。

②悬浮流化法： 将预先加热的玻璃瓶送入微细塑料粉末悬浮流化体系中，塑料粉末 熔结在玻璃瓶表面，再将玻璃瓶移出流化系统并加热，使表面的树脂熔化，冷却后形成膜 包覆在玻璃瓶表面。

③热收缩薄膜套箍： 将热收缩筒膜套在瓶身或瓶口，加热收缩形成保护套，既可增 加润滑缓冲性，又可提高强度。也可设计成筒形标签进行印刷装潢，标签兼作保护套，如 果需要，还可同时贴覆在瓶体和瓶肩部。

12.2.4.4 陶瓷包装容器

我国是使用陶瓷制品历史最悠久的国家。在食品包装中陶瓷主要用于酒、咸菜、传统 食品和风味食品等的包装。陶瓷容器具有耐火、耐热、隔热性好、可反复使用、原材料丰 富、废弃物不污染环境等优点。与塑料、金属及复合材料容器相比，陶瓷容器保护食品风 味的性能更佳。用陶瓷容器包装的食品常给消费者以纯净、天然、传统的感觉。造型和色 彩美观的陶瓷容器既可包装食品，又可作为装饰品，因此，我国许多传统风味的食品常采 用陶瓷包装容器，以体现中华民族传统的、优秀的饮食文化。但陶瓷容器重容比大、易碎， 且也有重金属溶出等的卫生安全问题，因而应用受到一定的限制。

(1) 陶瓷容器的主要原料

①黏性原料： 也称可塑性原料，是制造陶瓷容器泥坯的主要原料。常用的有高岭 土、黏土、陶土等。高岭土的主要成分是Al₂O₃·2SiO₂·2H₂O;黏土的成分更复杂些。黏性 材料具有可塑性，在适当条件下加入适量水可制成一定形状的泥坯。

②减黏性原料： 如果黏性原料的黏性太强，加工时不易成型。干燥后收缩过大，易 变形开裂，所以还必须使用适量的减黏性材料，如石英、硅砂及经过500～700℃烧制的黏 土熟料或相同成分的陶瓷废料等。减黏材料在烧制时与其他成分相结合，能增强陶瓷的 强度。

③助熔性原料： 加入适宜的助熔性原料，如长石、白云石、菱镁矿石等，可降低陶瓷 原料的烧结温度，同时耐火度也降低。

④釉料： 釉是陶瓷坯体表面的一种玻璃态物质，其化学成分主要是由某些金属氧化 物和非金属氧化物的硅酸盐溶液组成。这些氧化物熔融体硬化时与坯体发生化学反应， 牢固地结合在坯体上，并形成一层薄釉膜，保护坯体，增加其阻气、阻水和保香性，提高陶 瓷容器的耐化学性和防渗透性，并可提高强度。

(2) 陶瓷包装容器的造型设计和表面装饰 陶瓷容器最能体现传统与现代审美意识 的高度统一，因此，容器造型必须具有科学性、商品性和艺术性。它首先是包装容器，作为 商品的重要组成部分，应突出或体现其商品性;它又是一种商品实用艺术，通过艺术造型 和表面装饰，赋予包装一定的艺术美感，达到提高商品价值和促进销售之目的。

容器造型设计，常运用如下的形式法则，即：变化与统一;对比与谐调;重复与呼应;节 奏与韵律;整体与局部;平面与立体;静态与生动;模拟与概括等。详细内容可参阅有关 专著。

陶瓷容器的表面装饰可通过施釉、上彩创造出丰富多彩、千姿百态的包装艺术形象。 在成型后的坯体上进行施釉、上彩有以下几种方法：

a. 彩绘： 在生坯体或素烧坯体上彩绘，然后施加一层透明釉再进行釉烧的方法，称 为釉下彩绘;而在釉烧坯体上用低温颜料彩绘，然后在低于釉烧温度下(600～900℃)彩 烧，称为釉上彩绘。上述两种彩绘用手工绘画完成，如青花瓷、釉里红等彩绘制品。

釉下贴花，即将印刷或剪制的画面或图案贴在瓷器上，再涂透明釉而后进行釉烧。批 量包装容器装饰常采用一种简便、价廉的贴花方法，即将印有图案的塑料膜或花纸用胶直 接贴在陶瓷容器表面。

光泽彩是将金属及其氧化物微粒用毛笔或喷嘴均匀地涂覆在瓷器的釉面上，干燥后 彩烧，制品映现出装饰效果独特的光泽彩虹。

b. 施釉： 釉层使陶瓷表面具有一定的硬度光泽性和阻隔性，当包装容器阻隔性要求 较高时，可在容器内表面施釉。

普通釉料分白釉和色釉两种。白色的瓷器给人以洁净之感，适用于包装酒类。色釉 是在白釉中加入适量的熔烧制成的陶瓷颜料，操作较为简便，成本也不高，可遮盖坯体上 的缺陷并具有良好装饰效果。

目前，新型陶瓷颜料和色釉的品种不断出现，还有如裂纹釉、无光釉、流动釉等，可制 做出五彩缤纷的陶瓷包装容器。