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玻璃瓶表面处理技术提高稳定性

         玻璃瓶的表面状态、组成和结构与其内部的组成、结构有很大差别。玻璃瓶的表面性质对其主体性质有重大影响。玻璃的化学稳定性,实际上取决于其表面的化学稳定性,玻璃的机械强度、抗冲击性能也在相当大程度上决定于玻璃表面的形态与结构。因此,玻璃的表面处理是制造高强度轻量化玻璃容器的重要技术手段之一。
玻璃瓶表面处理的目的,是改变容器表面的化学稳定性和消除玻璃表面的损伤,从而达到增强的目的。主要方法有制瓶时添加涂层、物理强化、化学强化、表面酸处理、塑料涂层等方法。
玻璃瓶涂层
热涂。热涂在制瓶成型后及退火处理前进行。成型后的玻璃瓶在缓缓冷却至500~600℃时,将金属涂敷剂(如氧化锡、氧化钛、氯化锡等)喷涂在容器表面,形成一定厚度的保护膜,增强表面强度约30%,又可使瓶经得起长期的水冲、水洗。
冷涂。冷涂是在玻璃瓶退火之后,将单硬脂酸盐、聚乙烯、油酸、硅烷、硅酮或其他聚合物乳液喷成雾状,附着在具有一定温度的玻璃瓶表面上(瓶温依喷涂材料而定,约为21~80°C),形成具有耐磨性和润滑性的保护层。
起霜。起霜是在玻璃瓶冷却过程中喷涂四氯化碳,或在退火炉中通人二氧化硫,二者均可在瓶的表面与碱性氧化物反应,使玻璃表面的钠离子析出而形成芒硝微粒(即浊白粉状的Na2S04),用水冲除后,由于碱性降低而使表面的化学稳定性增强。
表面有机硅涂层处理。玻璃表面使用有机硅蒸发涂层或用有机硅浸渍都可形成有机聚硅氧烷憎水膜和聚合(Si02)。硅氧膜,通过公用的硅氧键而与玻璃表面连接起来。经热处理后有机基团会挥发而剩下硅氧膜可填充于裂纹中,所具憎水性可避免活性介质在裂纹中的扩散而使表面裂纹愈合(俗称异相愈合),不仅玻璃强度和化学稳定性有较大提高,还使玻璃具有特殊的光学性能和抗冲击性能。常用的有机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为0.005mm,在容器标准重量下其压应力增大了10~12Pa。在内部压力相同的情况下,几不可回收标准玻璃瓶的重量可以由420g减少到大约300g。玻璃瓶重量减少了25%~30%。同时由于所镀的膜非常薄,这种玻璃容器的回炉不会造成任何环境问题,因此,在线聚合物镀膜容器可以纳入标准的循环再生过程。
物理强化(钢化)
物理强化(钢化)也叫风冷强化,目的是为了提高玻璃瓶罐的机械强度和热稳定性。物理强化处理方法如下:瓶罐由制瓶机脱模后,立即送人马弗式钢化炉内均匀加热到接近玻璃的软化温度(但不能达到软化温度),然后转入钢化室,用多孔喷嘴的风栅向瓶罐的内外壁上喷射冷空气,快速冷却瓶罐,或用液体作冷却介质进行突然冷却瓶罐,造成制品表面因突然收缩而形成的压应力层,制品内部的冷却因滞后于表面为张应力层,当这2种应力分布合理时,玻璃耐内压强度可以成倍提高。喷射瓶身的空气压力一般为15~21kPa,喷射瓶底的空气压力一般为6~7kPa。
化学强化(钢化)
对玻璃表面进行离子交换处理又称化学强化,常用方法有熔盐法和喷涂法。
熔盐法。以溶质中半径大的离子交换玻璃中半径小的离子或以溶质中半径小的离子置换玻璃中半径大的离子,使玻璃表面产生压应力,可使耐内压强度提高,经处理后制品的硬度高。耐磨损,制品的强度不会因长时间使用而降低。
喷涂法。喷涂法化学钢化具有增强效果好、生产及使用安全、生产效率高和生产成本低等优点,从综合评价的角度上分析,不失为目前一种比较理想的增强工艺。
        为了提高喷涂法化学钢化的增强效果和与工艺特性适应,经研究应选择比较理想的基础玻璃化学组成,基础玻璃化学组成不一样,喷涂液、喷涂液添加剂配方也应作相应的调整;
喷涂法化学钢化的每一个工艺环节,都将对其最终的增强效果产生举足轻重的影响,因此,必须把握好2个阶段的工艺参数:第一阶段,固相试剂层的形成必须控制好喷雾温度、溶液浓度、喷雾时间、喷雾液滴大小,固相试剂层的厚度、密度等参数;第二阶段,热处理(离子的扩散和交换)必须控制好温度。该法可使玻璃容器强度达到原始值的2倍左右,增强制品在运输和机械灌装过程中的损耗则降为原值的13左右,经喷涂法化学钢化的玻璃制品具有很好的光泽度和商品外观。
表面酸处理
表面酸处理可以消除玻璃表面较大数量的微裂纹或使微裂纹的宽度与深度变小,减少应力集中。处理方法通常是将玻璃制品置于低浓度的氢氟酸中浸蚀一定时间。为使浸蚀效果更好,也可在氢氟酸中加入适量的硫酸或磷酸。当浸蚀深度在100μm时,可使制品机械冲击强度提高50%~100%,再结合物理钢化,可使玻璃强度的提高更为显著。
聚酯涂层
用浸液、流延和静电等方法在瓶的外表面涂上0.2~0.3mm厚的树脂(环氧树脂、聚氨酯、聚氯乙烯或聚苯乙烯等)或合成橡胶涂层,涂层可为一层或多层,涂后加热硬化。这种方法简单、价廉,但涂层寿命较短。德国杜塞尔多夫市玻璃工厂开发出1kg装超薄聚酯涂层玻璃瓶,仅稍重于聚合物的瓶子,但玻璃瓶一点也不会影响内装饮料的味道。
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