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1、第八章第八章 陶瓷玻璃包装材料陶瓷玻璃包装材料第一节第一节 陶瓷材料概述陶瓷材料概述第二节第二节 粘土和粘土制品粘土和粘土制品第三节第三节 玻璃制品玻璃制品第一节第一节 陶瓷材料概述陶瓷材料概述一、概述一、概述 陶瓷材料（主要由Al2O3和SiO2组成）由于硬度高，对高温、水和其他化学介质有腐蚀抗力以及特殊的光学和电学性能，在包装领域中得到广泛的应用。陶瓷材料包括水泥、玻璃、陶瓷、耐火材料、砖瓦等。二、二、陶瓷材料的性能陶瓷材料的性能（一）陶瓷材料的机械性能（一）陶瓷材料的机械性能 1.刚度刚度 刚度由弹性模量衡量，弹性模量反映结合键的强度，具有强化学键的陶瓷都有很高的弹性模量。比金属高若干倍
2、，比高聚物高24个数量级。各种常见材料的弹性模量和硬度：各种常见材料的弹性模量和硬度：材料材料弹性模量弹性模量/MPa硬度硬度/Hv橡胶橡胶6.9很低很低塑料塑料138017镁合金镁合金413003040铝合金铝合金72300170钢钢207000300800氧化铝氧化铝4000001500金刚石金刚石11710006000100002.硬度硬度 陶瓷也具有很高的硬度。这是它的最大特点。例如，陶瓷的硬度多为10005000 Hv，淬火钢约为500800 Hv，高聚物最硬不超过20 Hv陶瓷的硬度随温度的升高而降低，但在高温下仍有较高的硬度。3.强度强度 按照理论计算，陶瓷的强度应该很高，约为
3、，但实际上一般只为 ，甚至更低。陶瓷的实际强度受致密度、杂质和各种缺陷的影响很大。陶瓷对应力状态特别敏感，同时强度具有统计性质，与受力的体积或表面有关。4.塑性、韧性或脆性塑性、韧性或脆性 陶瓷在室温下几乎没有塑性。陶瓷塑性开始的温度约为m（Tm为熔点）。由于开始塑性变形的温度很高，所以陶瓷都具有较高的高温强度。陶瓷常温下受到拉伸力或冲击力作用时，未发生塑性变形就断裂，因此韧性低或脆性高。脆性是陶瓷的最大弱点，是其广泛应用的主要阻碍。（一）陶瓷的物理和化学性能（一）陶瓷的物理和化学性能 1.热膨胀热膨胀 热膨胀是温度升高时物质的原子振动振幅增大，原子间距增大所导致的体积胀大现象。陶瓷的线性膨胀
4、系数：=（7300）10-7/。2.导热性导热性 导热性为在一定温度梯度作用下热量在固体中的传导速率。陶瓷的热传导主要依靠于原子的热振动。由于没有自由电子的传热作用，陶瓷的导热性比金属小，受其组成和结构的影响，导热系数=10-210-5W/(mK)。3.热稳定性热稳定性 热稳定性就是抗热振性，为陶瓷在不同温度范围波动时的寿命，一般用急冷到水中不破裂所能承受的最高温度来表征。4.化学稳定性化学稳定性 由于陶瓷的结构非常稳定，因此陶瓷对酸、碱、盐等腐蚀性很强的介质均有较强的抗蚀能力。小结：陶瓷的性能特点小结：陶瓷的性能特点高耐热性；高耐热性；高化学稳定性；高化学稳定性；高耐老化性；高耐老化性；高的
5、硬度；高的硬度；良好的抗压能力；良好的抗压能力；脆性很高；脆性很高；温度急变抗力很低；温度急变抗力很低；抗拉、抗弯性能差。抗拉、抗弯性能差。第二节第二节 粘土和粘土制品粘土和粘土制品一、粘土的成分一、粘土的成分 粘土是一种土状的含水铝硅酸盐矿物，常含有铁的氧化物等杂质。其主要成分为Al2O3、SiO2和水。瓷器是最纯的粘土制品，一般由Al2O3和SiO2组成。其成分范围在SiO2和高铝红柱石（Al2O3 2 SiO2）之间，即含有大约20%50%Al2O3。为了调整熔点，还加入一些如碱金属氧化物那样的其他物质。二、粘土制品的制造二、粘土制品的制造 1.制造粘土制品时，要添加水以便使粘土具有可塑
6、性。2.粘土成形后，还要进行干燥。在干燥时，间隙处的水分蒸发了，干燥的粘土的强度比湿的要大一些。干燥速率很重要。如干燥过快，则干燥时的正常收缩将会引起制品的开裂。所以必须控制从表面排出水的速率，使它大致与水通过间隙扩散到表面的速率相等。3.在干燥以后要进行烧成，烧成分为以下四个阶段：低温阶段（室温300）；分解及氧化阶段（300950）；高温阶段（900烧成阶段）；冷却阶段（烧成温度室温）。三、传统陶瓷三、传统陶瓷 传统陶瓷为粘土-长石-石英所组成。长石是由R2OAl2O36SiO2组成。长石分为：钾长石（K2OAl2O36SiO2）；钠长石（Na2OAl2O36SiO2）钙长石（CaOAl2
7、O36SiO2）等。石英（SiO2）主要来自石英砂。石英砂的主要成分是石英（即SiO2），高质量的石英砂中石英的含量在99.8%以上。其他为Al2O3、TiO2、CaO、MgO、Fe2O3、Na2O、K2O等杂质。传统陶瓷一般要求良好的白度、光泽度、热稳定性和机械强度，主要为瓷器。按采用的瓷质分为：长石质瓷；绢云母（K2O3Al2O36SiO2）质瓷；骨灰（磷石灰，含大量Ca3(PO4)2质瓷；日用滑石（3MgO4SiO2H2O）质瓷等。第三节第三节 玻璃制品玻璃制品一、一、玻璃的组成玻璃的组成 1.玻璃的化学组成玻璃的化学组成 所谓玻璃的化学组成，指该玻璃由何种氧化物和其他辅助原料所组成。2
8、.玻璃的组成氧化物玻璃的组成氧化物 按玻璃组成氧化物在玻璃结构中的作用，可分为玻璃形成氧化物、中间体氧化物和网络外体氧化物三大类。1）玻璃形成氧化物）玻璃形成氧化物 玻璃形成氧化物为二氧化硅（SiO2）和氧化硼（B2O3）。二氧化硅（二氧化硅（SiO2）单独的二氧化硅可以形成石英玻璃，在一般玻璃中，二氧化硅以硅氧四面体结构单元形成结构网络。（a）硅氧四面体示意图（b）硅氧四面体模型的照片。浅色圆点原子表示未被其他离子或分子连接的不饱和氧二氧化硅二维网络结构示意图（a）晶体（b）低序玻璃结构二氧化硅作用二氧化硅作用：降低玻璃的热膨胀系数、密度，提高玻璃的热稳定性、化学稳定性、粘度、机械强度等；但
9、含量高，需要较高的熔融温度。一般瓶罐玻璃二氧化硅含量约为73%左右。氧化硼（氧化硼（B2O3）氧化硼也可以单独形成玻璃，它以硼氧三角体BO3和硼氧四面体BO4为结构单元。在硼硅酸盐玻璃中与硅氧四面体共同组成结构网络。作用：能降低玻璃的热膨胀系数（硼的加入量应适当，过量时玻璃的热膨胀系数等反而增大，热稳定性差）；提高玻璃的化学稳定性和热稳定性；改善玻璃的光泽、提高玻璃的机械强度；少量的氧化硼有助熔作用，加速玻璃的澄清，降低玻璃的结晶能力。2）中间体氧化物）中间体氧化物 中间体氧化物自身不能形成玻璃，但可以连接二氧化硅（玻璃）链使其保持玻璃态。它既是玻璃网络结构的一部分，又可以改进结构内部的位置。
10、中间体氧化物主要有氧化铝（Al2O3），氧化铅（PbO），氧化锌（ZnO）等。作为中间体氧化物的氧化铅，其离子既出现于网络上（如Pb ），作为改性剂也出现于网络内部（如Pb ）2+中间体氧化物作用：中间体氧化物作用：降低玻璃的热膨胀系数；提高玻璃的热稳定性、化学稳定性、机械强度和粘度；用量不宜过多，要适当。3）网络外体氧化物）网络外体氧化物改性剂改性剂 网络外体氧化物不参加玻璃的结构网络，居于网络之外，但能促使玻璃网络破裂而改变玻璃的性质。主要有：氧化锂（Li2O）、氧化钠（Na2O）、氧化钾（K2O）、氧化镁（MgO）、氧化钙（CaO）、氧化钡（BaO）等。作用：降低熔点和简化工艺。改性剂（
11、Na+）对二氧化硅玻璃网络结构的影响 下表列出了几种商业玻璃的组成。下表列出了几种瓶罐玻璃的组成。二、玻璃的性能二、玻璃的性能1.化学稳定性化学稳定性 玻璃具有较高的化学稳定性，只有氢氟酸除外，其他酸都不能使玻璃发生腐蚀。玻璃对碱抗力较差。高温受热，水也可以侵蚀玻璃，加压可使腐蚀加剧。如硅酸盐类玻璃长期受水汽作用，能水解生成碱和硅酸。Na2O2SiO2+(n+1)H2O2NaOH+2SiO2nH2O玻璃中氧化物耐水侵蚀的顺序为：ZrOAl2O3SnOZnOPbOMgOCaOLi2OK2ONa2O2.强度和硬度强度和硬度1）强度：）强度：玻璃的强度决定于化学组成、制品形状、表面性质和加工方法。玻
12、璃的理论强度很高，约为10000MPa，而实际强度为理论强度的1%以下。原因：玻璃制品内存在未熔夹杂物、结石、节瘤；表面具有微细裂纹，造成应力集中，从而急剧降低其机械强度。2）硬度：）硬度：玻璃的硬度取决于其组成成分。玻璃的硬度比较大，用普通的刀、锯等不能切割。各种氧化物对硬度的影响是：SiO2B2O3（MgO、ZnO、BaO）Al2O3 Fe2O3K2ONa2OPbO3.不渗透性不渗透性 对于所有的气体、溶液或溶剂，玻璃是完全不渗透的。经常把玻璃作为气体的理想包装材料。玻璃作为包装容器，其气密性能是无与伦比的。4.玻璃的热性能玻璃的热性能 玻璃的导热性很小，导热系数一般为0.012J/(cm
13、s)。所以一般玻璃不耐温度急剧变化。玻璃的热膨胀系数较小，一般在5.810-715010-7之间。玻璃的热膨胀性决定于化学组成及其纯度，纯度越高热膨胀系数越小。5.玻璃的光学性质玻璃的光学性质 玻璃既能透过光线，还有反射光线和吸收光线的能力，所以厚玻璃和重叠多层的玻璃，往往是不易透光的。玻璃对光线的吸收能力随着化学组成和颜色而异。无色玻璃可透过各种颜色的光线。各种颜色的玻璃能透过同色光线而吸收其它颜色的光线。三、玻璃瓶罐的强度要求三、玻璃瓶罐的强度要求 1.内压强度内压强度 我国规定，充气酒瓶内压强度不低于，不充气酒瓶不低于，啤酒瓶大于。内压强度与瓶罐形状有关，形状越复杂，内压强度越低。若圆形
14、截面的瓶子的内压强度为1的话，则长短轴为2：1的椭圆形截面瓶子的内压强度仅为，正方形截面的瓶子内压强度仅有。圆柱形瓶子其瓶表面应力S与受内压力的关系为：式中 S瓶子表面圆周方向应力；P瓶内压力，MPa；D瓶体直径，cm；t瓶壁厚度，cm；由上式可知，壁厚对瓶表面应力有一定的影响。2.热冲击强度热冲击强度 温度变化时，玻璃瓶所受张应力大致可用下式计算：式中：S为张应力，kg/cm ；T为温差，；t为瓶壁厚，cm。由上式可知，壁厚越大，其受急冷急热时产生的张应力越大，因而也越易破碎，其热冲击强度就越低。23.机械冲击强度机械冲击强度 在玻璃瓶生产中，一般采用适当地增加瓶子壁厚的方法来提高机械冲击强度。4.翻倒强度翻倒强度 与瓶子质量、重心位置和瓶子形状关系很大，设计瓶形时应使之稳定性高，即使其瓶底加大，重心降低以提高翻倒强度。5.垂直荷重强度垂直荷重强度 一般瓶子受垂直荷重时，瓶肩处产生一个最大的张应力，因而瓶肩的形状不同，其垂直荷重强度也不同。另外垂直荷重强度也与瓶身和瓶底直径有关。