1、第八章 陶瓷玻璃包装材料,第一节 陶瓷材料概述 第二节 粘土和粘土制品 第三节 玻璃制品,第一节 陶瓷材料概述,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、 陶瓷材料的性能 （一）陶瓷材料的机械性能 1. 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，比高聚物高24个数量级。,各种常见材料的弹性模量和硬度：,2. 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
2、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. 强度按照理论计算，陶瓷的强度应该很高，约为 ， 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、韧性或脆性陶瓷在室温下几乎没有塑性。陶瓷塑性开始的温度约为0.5Tm（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
3、其广泛应用的主要阻碍 。,（一）陶瓷的物理和化学性能 1. 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。陶瓷的线性膨胀系数：=（7300）10-7/。 2. 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
4、介质均有较强的抗蚀能力。,小结：陶瓷的性能特点,高耐热性； 高化学稳定性； 高耐老化性； 高的硬度； 良好的抗压能力； 脆性很高； 温度急变抗力很低； 抗拉、抗弯性能差。,第二节 粘土和粘土制品,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1.制造粘土制品时，要添加水以便使粘土具有可塑性。2.粘
5、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（CaOAl2O36SiO2）等
6、。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 玻璃制品,一、 玻璃的组成1. 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. 玻璃的组成氧化物按玻璃组成氧化物在玻璃结构中的作
7、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为二氧化硅（SiO2）和氧化硼（B2O3）。 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：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（B2O3）氧化
8、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。中间体氧化物主要有氧化铝（Al2O3），氧化铅（PbO），氧化锌（ZnO）等。,中间体氧化物作用： 降低
9、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（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 1.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
10、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：ZrOAl2O3SnOZnOPbOMgOCaOLi2OK2ONa2O,2. 强度和硬度 1）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：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
11、化物对硬度的影响是：SiO2B2O3（MgO、ZnO、BaO）Al2O3 Fe2O3K2ONa2OPbO,3. 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导热性很小，导热系数一般为0.0040.012J/(cms)。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。
12、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1.内压强度 我国规定，充气酒瓶内压强度不低于1.0MPa，不充气酒瓶不低于0.5MPa，啤酒瓶大于1.2MPa。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0.5，正方形截面的瓶子内压强度仅有0.10.25。 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
13、对瓶表面应力有一定的影响。,2. 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。,2,3. 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。,
