Chương 6 bao bì thủy tinh

115 publisher,Inc.,Chelsea Michigan,1989,chap.14 33 Wade, P.Biscuit, cookies and crackers, vol.1, The Principles of the craft, Elservier Applied science Publishers Ltd.,Essex, England 1988, chap.4 Chương BAO BÌ THỦY TINH 6.1 ĐẶC TÍNH CHUNG CỦA THỦY TINH 6.1.1 Đặc tính chung Bao bì thủy tinh đựng thực phẩm gồm chai, lọ thủy tinh silicat Trước đây, thủy tinh từ gọi chung cho oxyt vô dạng thủy tinh dạng cấu trúc vô đònh hình Vật chất vô thường tồn dạng: Dạng khí, gồm tập hợp phần tử O2, N2, CO2, H2, Cl2, F2, SO2 , khí ion hóa plasma, dạng H2O Dạng lỏng Br2, Hg Các dạng khí, lỏng mang tính linh động có hình dạng vật chứa chúng - Dạng rắn tinh thể, dạng muối kết tinh, có hạt tinh thể rời rạc, kích thước tùy vào điều kiện kết tinh - Dạng rắn vô đònh hình, gọi dạng thủy tinh gặp dạng hạt, dạng màng, gel, đóng rắn thành khối Trạng thái thủy tinh thường trạng thái đặc trưng hợp chất vô cơ, xem trạng thái trung gian dạng kết tinh dạng lỏng có đặc tính: suốt, cứng dòn nhiệt độ thường - Khi gia nhiệt thủy tinh mềm dần trở nên linh động, chảy thành giọt hay thành dòng, độ nhớt giảm thấp nhiệt độ tăng; độ nhớt tăng dần đến cực đại tính linh động 116 đưa nhiệt độ thường - Thủy tinh có tính chuyển đổi trạng thái thuận nghòch theo tăng giảm nhiệt độ, tính chất ban đầu thường giữ nguyên suốt trình biến đổi trạng thái thuận nghòch gia nhiệt - làm nguội, bò nấu chảy làm nguội nhiều lần theo chế độ - Thủy tinh có tính đẳng hướng: xét theo hướng cấu trúc thủy tinh đồng nhau, ứng suất theo hướng xuất khối thủy tinh xem tương đương 6.1.2 Phân loại thủy tinh vô Thủy tinh (TT) đơn nguyên tử thủy tinh tập hợp loại nguyên tố hóa học, nguyên tố thuộc nhóm V, VI bảng phân loại tuần hoàn; dạng đóng rắn S, P, Se, As Thủy tinh oxyt dạng tập hợp phân tử oxyt axit, hay oxyt bazơ loại hay nhiều loại tồn nhiệt độ thường B2O3, SiO2, GeO2 (oxyt germanium), P2O5 Gọi tên thủy tinh theo lớp đến nhóm Lớp oxyt có tỷ lệ thành phần cao cao tạo nên thành phần thủy tinh Trong thành phần oxyt chiếm tỷ lệ cao tạo nên thủy tinh, gọi theo tên muối đặt cuối oxyt khác viết tận (âm đọc ô) xếp theo chiều tăng nồng độ Ví dụ: boroalumino silicat Các oxyt kim loại thêm vào lượng nhỏ so với oxyt nguyên liệu xếp vào nhóm; gọi tên theo nguyên tố kim loại oxyt này, xếp theo thứ tự hóa trò tăng dần Thủy tinh silicat loại thủy tinh oxyt phổ biến, vật liệu làm chai lọ chứa đựng thực phẩm các: - Chai nước giải khát có gas, bia, rượu, nước ép - Lọ đựng rau quả, dầm dấm Ví dụ: boroalumino silicat, natri, kali, canxi 6.1.3 Tính chất thủy tinh bò ảnh hưởng cấu tử riêng phần Khi trộn oxyt thành hỗn hợp vật lý phản ứng hóa học xảy ra; oxyt mang tính chất tồn độc lập Nếu thủy tinh hỗn hợp vật lý oxyt tính chất oxyt thành phần không đổi thủy tinh xem tương đương với tính chất oxyt dạng tinh thể dạng thủy tinh 117 khiết Nhưng thực tế, nấu chảy hỗn hợp oxyt chúng tương tác nhau, xếp vò trí mạch vô đònh hình làm thay đổi tính chất chúng so với dạng tự (hay tính chất riêng phần) Tính chất kỹ thuật áp dụng chế tạo thủy tinh silicat làm vật liệu bao bì thực phẩm vật liệu cho nhiều ngành công nghiệp khác, oxyt kim loại kiềm kiềm thổ cho vào lượng nhỏ tạo nên tính cho thủy tinh silicat, đáp ứng yêu cầu kỹ thuật riêng biệt 6.2 THỦY TINH SILICAT 6.2.1 Đặc điểm bao bì thủy tinh silicat Bao bì thủy tinh silicat có ưu khuyết điểm sau: - Nguồn nguyên liệu tự nhiên phong phú (cát trắng bờ biển) - Tái sinh dễ dàng không gây ô nhiễm môi trường - Dẫn nhiệt - Tái sử dụng nhiều lần, phải có chế độ rửa chai lọ đạt an toàn vệ sinh - Trong suốt - Ít bò ăn mòn hóa học môi trường kiềm axit (sự ăn mòn xảy chậm tùy theo nồng độ) Bao bì thủy tinh chứa thực phẩm không bò ăn mòn pH thực phẩm mà thường bò ăn mòn môi trường kiềm, vệ sinh chai lọ để tái sử dụng - Có thể bò vỡ va chạm học - Nặng, khối lượng bao bì lớn thực phẩm chứa đựng bên trong, tỷ trọng thủy tinh: 2,2÷6,6 - Không thể in, ghi nhãn theo qui đònh nhà nước lên bao bì mà vẽ, sơn logo hay thương hiệu công ty nhà máy sản xuất chai tạo dấu hiệu thành chai cần chi tiết phải dán nhãn giấy lên chai trường hợp sản phẩm rượu, bia, nước chứa đựng chai 6.3 NGUYÊN LIỆU VÀ PHỐI LIỆU TRONG SẢN XUẤT THỦY TINH BAO BÌ TRONG CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM Nguyên liệu sản xuất thủy tinh (thủy tinh silicat) hợp chất vô từ quặng thiên nhiên: oxyt kim loại lưỡng tính, oxyt kiềm oxyt kiềm thổ (thành phần tồn với lượng nhỏ) Nguyên liệu phụ: hỗ trợ kỹ thuật chế tạo hợp chất vô dùng lượng nhỏ nhỏ để khử bọt, khử màu, nhuộm màu, làm đục thủy tinh rút ngắn trình nấu 118 Trong thực tế người ta hay dùng nguyên liệu cát, đá vôi, tràng thạch đôlômi, sa, sunfat, borat oxyt tinh khiết, phế liệu thủy tinh để nấu thủy tinh silicat dùng công nghiệp thực phẩm 6.3.1 Nguyên liệu nấu thủy tinh oxyt silic (SiO2) SiO2 Là thành phần đa số thủy tinh công nghiệp Phân tử SiO2 bò nấu chảy nhiệt độ cao chuyển thành SiO4, có cấu tạo khối tứ diện mà trọng tâm nguyên tử S, nối với nguyên tử O phân bố đỉnh khối tứ diện đều, tạo khung cho thủy tinh Thủy tinh silicat bền cơ, nhiệt, hóa Thủy tinh silicat khiết gọi thạch anh, quý nấu nhiệt độ cao Thạch anh bền nhiệt, bền hóa, tính chiết quang cao - Thủy tinh công nghiệp có thành phần SiO2 55÷75% Nguồn nguyên liệu cát biển (SiO2) thô, cát lẫn chất bẩn thải biển Ngoài SiO2 có Al2O3, CaO, MgO, K2O, Na2O, thành phần cần điều chỉnh thủy tinh công nghiệp Bên cạnh có oxyt nhuộm màu; oxyt ảnh hưởng độ chiết quang thủy tinh như: Fe2O3, MnO2, TiO2, Cr2O3, V2O5 Yêu cầu cát nấu thủy tinh có hàm lượng SiO2 cao hàm lượng tạp chất Fe2O3 nhỏ (Fe2O tạo thủy tinh màu vàng, FeO tạo cho thủy tinh màu xanh cây) hàm lượng oxyt sắt tổng thủy tinh cho phép 0,012÷0,3% - Yêu cầu độ hạt cát 0,1 ÷ 0,8mm, kích thước hạt >0,8 ÷ 2mm khó chế tạo thủy tinh đạt chất lượng cao cát có trạng thái nóng chảy không đồng (do độ hạt cát to nhỏ khác nhiều thường gây khuyết tật sản phẩm) Hạt cát nhỏ, mòn, đồng kích thước, tròn, trơn láng khía cạnh thuận lợi để sản xuất thủy tinh chất lượng cao Ở Việt Nam có nơi có cát tốt (gọi cát thạch anh) như: Cát Bà, Phả Lại, Quảng Bình, Đà Nẵng Oxyt kali (K2O) K2O cho vào thủy tinh từ nguồn K2CO3, tạo cho thủy tinh vẻ bóng sáng bề mặt, nên K2O phụ gia sản xuất thủy tinh cao cấp pha lê, thủy tinh màu, thủy tinh quang học, thủy tinh dùng phân tích hóa học thủy tinh kỹ thuật 119 Oxyt canxi (CaO) CaO cung cấp nguồn đá vôi, đá phấn (có thể có chứa oxyt sắt), CaO thành phần thủy tinh CaO giúp cho trình nấu, khử bọt dễ thủy tinh có độ bền hóa học cao Oxyt bari (BaO) BaO tạo cho thủy tinh vẻ sáng bóng, trọng lượng riêng tăng cao, BaO phụ gia để sản xuất thủy tinh quang học rút ngắn trình nấu Oxyt chì (Pb3O4) Trong thực tế thường dùng Pb3O4, thủy tinh chì dễ nấu, dễ khử bọt Khi nấu oxyt chì cho thủy tinh có chiết suất cao, trọng lượng riêng lớn, dùng để sản xuất thủy tinh quang học, pha lê, thủy tinh bát đóa cao cấp, ngọc thạch nhân tạo Oxyt kẽm (ZnO) ZnO làm giảm hệ số giãn nở nhiệt thủy tinh, gây đục thủy tinh, tạo tính bền nhiệt, bền hóa học cao gây đục cho thủy tinh Oxyt boric B2O3 Oxyt boric cung cấp từ nguồn: - Axit boric H2BO3, borat (hàn the) Na2B4O7.10H2O - Quặng asarit 2MgO.B2O3H2O Nếu cho B2O3 thay Na2O hệ số dãn nở nhiệt giảm tạo nên thủy tinh; bền nhiệt, bền hóa tăng lên, khử bọt tốt, rút ngắn trình nấu B2O3 cần thiết cho sản xuất thủy tinh quang học, kỹ thuật số thủy tinh đặc biệt Nhôm oxyt Al2O3 Để sản xuất thủy tinh alumino silicat cao cấp Loại thủy tinh alumino silicat thủy tinh khác có hàm lượng Al2O3 ≥ 5%, từ nguồn oxyt nhôm kỹ thuật hydroxyt nhôm Nhóm oxyt canxi tạo ảnh hưởng đến thủy tinh tương tự dùng B2O3, kéo dài thời gian nấu thủy tinh, khử bọt chậm, độ nhớt tăng, thủy tinh đóng rắn nhanh, tăng bền cơ, bền hóa học bền nhiệt, Al2O3 tác động làm giảm hệ số giãn nở thủy tinh Oxyt natri (Na2O) 120 Na2O có ảnh hưởng lớn sản xuất thủy tinh công nghiệp, hàm lượng Na2O cao làm giảm tính bền nhiệt, bền cơ, bền hóa giảm tính dẫn điện thủy tinh Bên cạnh đó, Na2O có tác dụng hạ nhiệt độ nấu, thủy tinh dễ bò bọt Na2O cung cấp từ muối Na2CO3 Na2SO4 Ngoài có oxyt photpho (P2O5), hợp chất flour, antimon, thiếc, chúng gây đục thủy tinh GeO2 GeO2 giúp tăng độ chiết quang cho thủy tinh, dùng phụ gia chế tạo thủy tinh cao cấp 6.3.2 Nguyên liệu phụ Chất nhuộm màu thủy tinh gồm chất nhuộm màu phân tử nhuộm màu khuếch tán Chất nhuộm màu phân tử không gây thay đổi tính chất thủy tinh, cho màu ổn đònh suốt, tất trình gia nhiệt sử dụng thủy tinh Chất nhuộm màu dạng keo khuếch tán cho thủy tinh có màu thay đổi theo gia nhiệt (sau trình chế tạo), thủy tinh có màu đục thay đổi tùy vào độ phân tán, kích thước hạt keo, màu, chế độ gia công thủy tinh Thủy tinh nhuộm màu phụ gia FeS, oxyt sắt ba Fe2O3 làm cho thủy tinh có màu từ vàng chuyển sang màu vàng Theo số liệu Viện Hàn lâm Khoa học CHLB Nga, lượng oxyt sắt cho phép sử dụng loại thủy tinh bảng 6.1 6.2 Bảng 6.1: Hàm lượng sắt cho phép loại thủy tinh theo công dụng Thủy tinh Hàm lượng oxyt sắt (%) Thủy tinh quang học (pha lê) 0,012 Thủy tinh y tế 0,2 Kính cửa 0,1 Bát đóa cao cấp 0,025 Chai lọ thủy tinh đục 0,3 Bảng 6.2: Các chất nhuộm màu Chất nhuộm màu phân tử Màu sắc thủy tinh Mn (Mn2O3) Tím Co Xanh 121 Cr (Cr2O3, K2Cr2O7) Lục vàng Ni Không rõ ràng, tùy hàm lượng thành phần thủy tinh (cho màu khói, tím đỏ) Fe2+ Vàng, hung, Fe3+ cho màu xanh Cu Xanh lam 6.3.3 Chất nhuộm màu dạng keo khuếch tán - Hợp chất selen: để nhuộm thủy tinh thành đỏ hồng hàm lượng Se khoảng 0,05 ÷ 0,2% - Hợp chất vàng (Au) nhuộm màu cho thủy tinh từ hồng đến đỏ để tạo ngọc thêm hàm lượng thiếc 0,01 ÷ 0,02% - Hợp chất bạc (AgNO3) nhuộm thủy tinh thành màu vàng - Hợp chất đồng (Cu2O) tạo màu đỏ cho thủy tinh, môi trường có tính oxy hóa tạo màu xanh g Các chất oxy hóa, có tác dụng khử bọt: - Chất oxy hóa: muối nitrat, hợp chất asenic, MnO2, phóng thích O2 trình nấu thủy tinh nhiệt độ cao 400 ÷ 925oC Hỗn hợp chất oxy hóa thường dùng asenic As2O3 (0,3%) KNO3 (1,0 ÷ 1,5%) chất khử bọt cho trình nấu thủy tinh Các chất khử bọt khác dùng là: muối flourur muối ammonium, bên cạnh CeO2 phân hủy thành CeO O2 chất chống biến màu, hay phai màu thủy tinh, hiệu - Chất khử: carbon (C) từ nguồn mạt cưa, than đá, muối natri, kali SnO, SnCl2 thường dùng đề loại nguyên tố oxy từ oxyt kim loại g Các chất rút ngắn trình nấu giúp rút ngắn 10 ÷ 15% thời gian nấu thủy tinh thêm vào lượng nhỏ hợp chất flo, muối sunfat, NaCl, B2O3, BaO, muối nitrat THỦY TINH SILICAT TRONG CÔNG NGHIỆP Các loại thủy tinh silicat sử dụng công nghiệp phân loại dựa thành phần tham gia oxyt sau: 1- Thủy tinh chứa kali canxi 2- Thủy tinh chứa natri canxi 3- Thủy tinh chứa kali chì 4- Thủy tinh chứa bo nhôm 122 Loại 1, có độ bền hóa học cao, độ bóng sáng bề mặt, dùng làm dụng cụ đo, thủy tinh cao cấp Loại 2, có độ bền hóa học cao có mặt nguyên tố Ca, với lượng thấp Na, hàm lượng Na cao thủy tinh bền nhiệt bền hóa với hàm lượng Na thấp thủy tinh dùng làm bao bì đựng rượu bia, nước giải khát dùng phòng thí nghiệm Loại 3, thủy tinh đắt tiền, tỷ trọng cao, có độ bóng sáng bề mặt độ chiết quang cao, dùng để làm vật dụng cao cấp, đồ trang sức Loại 4, thủy tinh bền nhiệt, bền hóa, bền cao Đây thủy tinh kỹ thuật Bảng 6.3: Công thức phối liệu sản xuất loại thủy tinh Na-Ca Thành phần oxyt Hàm lượng (%) SiO2 68 ÷ 73 CaO 10 ÷ 13 MgO 0,3 ÷ Na2O 12 ÷ 15 Al2O3 1,5 ÷ Fe2O3 0,05 ÷ 0,25 Na tồn thủy tinh với hàm lượng cao dễ tổn hại mạng lưới silicat bề mặt, Na dễ nhường điện tử e– cho H+ khiến bề mặt thủy tinh dễ bò bào mòn dung dòch axit dung dòch kiềm Trong môi trường axit H+ đến nhận e– từ Na, khiến Na+ sinh tan vào môi trường, gây rỗ bề mặt thủy tinh, sau thủy tinh trở nên có khả bền với H+ mạng lưới SiO4 vững Thủy tinh NaCa thường chiếm 90% sản lượng thủy tinh Thủy tinh Bor-Ca tạo nên thủy tinh (borosilicate) chòu sóng lò viba Thủy tinh cao cấp pha lê có chứa PbO, B2O3, K2O, Al2O3 Thủy tinh làm chai lọ thực phẩm: chứa CaO (bền hóa học), Al2O3, ZnO; lượng Na2O thấp thủy tinh bền 6.4 QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT THỦY TINH Nguyên liệu cát: cần có độ hạt đồng theo yêu cầu, hàm lượng SiO2 tùy theo yêu cầu loại thủy tinh Nếu nguyên liệu cát lẫn loại 123 oxyt kim loại không mong muốn gây khuyết tật, ảnh hưởng đến chất lượng thủy tinh Rửa - chà xát Cát rửa nước, đồng thời chà xát để tách rời hạt cát dính vào nhau, công đoạn loại số tạp chất hòa tan nước, lẫn nguyên liệu (như muối NaCl) số tạp chất dạng huyền phù Phân loại theo kích thước hạt Cát sau chà xát, rửa sấy khô, qua hệ thống rây để phân loại theo kích thước hạt, nhằm giúp trình nấu thủy tinh dễ dàng Do độ hạt đồng đều, thời gian nhiệt độ nấu không bò dao động nhiều Hình 6.1: Quy trình gia công thủy tinh Phân ly điện từ Nguyên liệu cát có oxyt sắt (FeO, Fe2O3 FeS) với liều lượng cao giới hạn cho phép sản xuất thủy tinh ảnh hưởng xấu đến tính chiết quang, tạo màu không mong muốn cho thủy tinh Do đó, oxyt 124 sắt loại phương pháp điện từ Nấu thủy tinh Giai đoạn nấu ảnh hưởng lớn đến chất lượng thủy tinh Khối nguyên liệu gia nhiệt đến 1100 ÷ 1400oC để nấu chảy tạo thủy tinh, tùy theo thành phần nguyên liệu Nếu thành phần nguyên liệu có kim loại Na cao làm giảm nhiệt độ nóng chảy khối nguyên liệu Đây trình nóng chảy SiO2, tạo cấu trúc đồng oxyt silic kim loại kiềm, kiềm thổ kim loại lưỡng tính, có mặt khối nguyên liệu Trong trình nấu xảy tạo liên kết xếp lại cấu trúc, SiO2 chuyển thành SiO4, có dạng khối tứ diện đều, nguyên tử Si nằm tâm, nguyên tử oxyt phân bố bốn đỉnh khối tứ diện Trong trình nấu thủy tinh, có tham gia carbon (C) để khử oxy từ oxyt kim loại (khác SiO2), tạo thành khí CO, CO2 thoát khỏi khối thủy tinh Nếu nhiệt độ nấu thủy tinh hạ thấp thêm số phụ gia hàm lượng Na cao khiến thời gian nấu thủy tinh diễn ngắn, tiêu hao lượng thấp trình khử bọt (thoát khí CO CO2) xảy không triệt để, tạo bọt khí khối thủy tinh, gây khuyết tật cho thành phẩm Ngoài nhiệt độ nấu thủy tinh thấp thời gian nấu ngắn nguyên nhân làm cho số oxyt kim loại nóng chảy hoàn toàn, không tạo cấu trúc đồng nhất, gây khuyết tật dạng thủy tinh khuyết tật dạng tinh thể cho thành phẩm Tạo hình thủy tinh 125 Hình 6.2: Công nghệ tạo hình sản phẩm thủy tinh Sơ đồ công nghệ tạo hình sản phẩm chai lọ thủy tinh biểu diễn hình a b, gồm giai đoạn từ 1-7 Thủy tinh tạo hình phương pháp đùn thổi ly tâm thổi với áp lực cao Thủy tinh nóng chảy nhiệt độ ≥ 1000oC từ lò nấu được tạo hình sơ khuôn dòng khí nén từ phía khuôn thổi nén thành hình dạng sơ và tiếp tục tạo hình cho thành phẩm 7; giai đoạn dùng áp lực dòng khí nén dùng lực ly tâm để phân bố lại khối thủy tinh tạo thành chai đặn khuôn tạo nên sản phẩm có hình dạng theo yêu cầu Phủ nóng Phủ nóng bột SnO2 nóng để bảo vệ bề mặt sản phẩm thủy tinh nhiệt độ cao, không bò nứt đánh bóng bề mặt thủy tinh Ủ, thủy tinh Sau tạo hình, sả n phẩm ủ để thay đổi ứ n g suất nộ i tồn trình tạ o hình, nhằ m làm tăn g độ bền củ a thủ y tinh sử sụn g Ủ thủy tinh: sản phẩm thủy tinh sau tạo hình đạt nhiệt độ khoảng 700÷800oC, phủ nóng, làm nguội xuống nhiệt độ 300oC, sau lại gia nhiệt đến 700oC làm nguội chậm đến nhiệt độ thường, nhằm 126 để giảm ứng suất nội thành thành chai lọ thủy tinh, tạo cho thủy tinh có độ bền cao Tôi thủy tinh: thủy tinh sau tạo hình, phủ nóng làm nguội đến 300oC gia nhiệt đến nhiệt độ 700oC làm nguội nhanh để tăng ứng suất bên thành chai lọ tạo ứng suất đồng sản phẩm Sản phẩm thủy tinh chòu chênh lệch nhiệt độ cao đến 270oC (thủy tinh không chòu chênh lệch nhiệt độ 70oC) Sản phẩm thủy tinh bò vỡ tạo thành mảnh vỡ vụn không sắc cạnh Thủy tinh dùng chế tạo loại kính đảm bảo an toàn cho người sử dụng trường hợp bò vỡ như: dùng làm kính xe ô tô, số loại chai lọ, chén đóa cao cấp thủy tinh chòu nhiệt độ cao 6.4.2 Các loại khuyết tật Chất lượng thủy tinh đánh giá độ đồng hóa học (từ dẫn đến đồng vật lý) Sự có mặt thành phần lạ không đồng gọi khuyết tật thủy tinh Tùy theo nguyên nhân khác tạo nên khuyết tật khác hình dạng, đặc tính hóa lý, làm giảm chất lượng thủy tinh Khi sản phẩm bò khuyết tật khắc phục mà phải loại bỏ Khuyết tật dạng bọt khí Bọt khí có nhiều kích thước khác nhau, không màu, suốt Khuyết tật dạng thành phần phối liệu không thích hợp kích thước hạt cát không đồng chế độ nấu thủy tinh không hợp lý nhiệt độ thấp thời gian khử bọt ngắn khiến cho khí tạo trình khử oxyt thoát khỏi thủy tinh cách hoàn toàn Khuyết tật dạng thủy tinh Các khuyết tật dạng thành phần nguyên liệu không thích hợp với chế độ nấu với thủy tinh khác mật độ, độ chiết suất, độ nhớt, sức căng bề mặt Những thành phần lạ tạo dạng vân, dạng sợi khối thủy tinh, gây giảm độ đồng nhất, giảm tính bền cơ, nhiệt thủy tinh chế tạo Khuyết tật dạng tinh thể Khuyết tật dạng tinh thể tạo thành trình phối liệu nguyên liệu có thành phần không phản ứng, không nóng chảy nằm lại thủy tinh; chế độ nhiệt không thích hợp thời gian nấu ngắn tạo nên đốm, vết đục oxyt không hòa tan, không đồng thể với thủy 127 tinh 6.5 TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA BAO BÌ THỦY TINH 6.5.1 Độ bền Độ bền học bao bì thủy tinh đònh từ thành phần nguyên liệu, công nghệ chế tạo, cấu tạo hình dạng bao bì Những loại chai lọ miệng rộng, thường cổ chai, miệng chai nối với thân chai, loại để đựng thực phẩm dạng past, dạng hỗn hợp rắn lỏng (cái nước), để dễ dàng cho sản phẩm vào (khi đóng bao bì) lấy (khi người tiêu dùng sử dụng) Loại chai không chòu tác động lớn lực học chiết rót trừ bò va chạm vào thành bò rơi vỡ Loại chai chiết rót chất lỏng chai đựng nước có gas cồn, chai đựng loại bia rượu thường chòu tác động của: - Lực theo phương thẳng đứng tác dụng lên đáy chai trình chiết rót lực tác động lên cổ chai đóng nút chai - Lực theo phương ngang (phương thẳng góc với đường trục chai), áp lực khí CO2 tác động thẳng góc với thành chai, áp lực lớn lúc trùng, sau chiết rót, đóng nắp nút Để đảm bảo chai bền tác động lực trình chiết rót, đóng nắp chai luôn thiết kế: • Độ dày thành chai đáy chai đồng • Thân trụ thẳng đáy tròn • Đáy mặt cầu lồi • Cổ chai phía bên có dạng mặt cầu lồi tròn xoay, độ cong cổ chai không thay đổi cách đột ngột - Bên bên thân trụ lực tác động cân sau: có xuất lực kéo, nén dạng vòng Với đặc điểm cấu tạo trên, áp lực tác động lên thân trụ luôn cân áp lực theo phương có chiều ngược lại luôn sinh cặp ứng lực vòng ngược nằm mặt phẳng tiết diện chạy suốt chiều cao thân chai, ứng lực vòng có cường độ độ dày thân trụ triệt tiêu thân trụ (H.6.4) 128 Hình 6.3: Sự phân bố áp lực khí chai Hình 6.4: Sự phân bố áp lực khí CO2 mặt cắt A-A Nếu độ dày thành chai không đồng tác dụng lực, xuất ứng lực không đồng thành chai gây vỡ chai Chất lỏng chiết rót vào chai tạo nên lực tác động theo phương trục thẳng góc với bề mặt tiếp tuyến đáy mặt cầu lồi, tạo ứng lực mặt cầu sau: - Ứng lực vòng kéo mặt đáy cầu điểm tác động lực thành phần chiếu chúng lên mặt phẳng vuông góc trục thân trụ bò triệt tiêu, lại thành phần phương trục có cường độ thấp nhiều so với trường hợp mặt phẳng chòu lực Do xuất ứng lực nén mặt đáy chai nhỏ không đáng kể, không gây vô đáy chai Một điểm thuận lợi đáy có cấu tạo mặt cầu tiếp xúc đáy chai với bề mặt phẳng nằm ngang đường tròn Sự tiếp xúc dễ dàng trường hợp đáy chai tiếp xúc với mặt phẳng nằm ngang theo mặt tròn, dễ gây nên không vững chai (khi đứng) xuất điểm lồi mặt đáy chai - Trường hợp chai chòu tác động lực từ bên thẳng góc với trục thân trục mặt phẳng thiết diện chai điểm chòu tác dụng lực xuất ứng lực vòng kéo thành chai bên đồng thời xuất ứng lực vòng nén thành chai bên trong; ứng lực kéo nén cân chai không bò vỡ Nếu lực tác động nhanh mạnh tạo nên ứng lực vòng thành lớn thành phần chai gây vỡ chai 129 Hình 6.5 Tâm mặt cầu lồi đáy chai Hình 6.6: Chai thân trụ thẳng đáy tròn đựng thực phẩm chòu tác động lực từ bên thẳng góc với trục chai, sinh ứng lực vòng phân bố mặt cắt ngang Do đó, hình dạng chai độ dày đồng thành đáy thành phần vật liệu chế tạo thủy tinh tạo nên độ bền vững cho chai lọ Ứng lực vòng S sinh tác động áp lực bên hay bên lên thành chai sau: S= Pd 2t đó: P - áp suất chai; d - đường kính thân trụ chai t - độ dày thành chai Ở nhiệt độ thường, P chai nước giải khát có gas đạt đến 400kPa, tức áp lực CO2 tích lần thể tích chai, áp lực P tăng lên 700kPa 40oC đạt 1000kPa trùng pasteur Vì thủy tinh phải chòu áp lực tác động khoảng 1240-1380kPa cân với lực tác động khí (gas) bên chai Thí nghiệm cho thấy chai sản xuất có ứng lực 4054kPa; sau đóng nút lần khả ứng lực 2331kPa; sau thời gian sử dụng ứng lực tiếp tục giảm dần ứng lực chai S>1524KP chai sử dụng được, tương ứng ứng lực cổ chai > 690kPa Ở xí nghiệp sử dụng chai đựng loại nước, chai tái sử 130 dụng không cần có kiểm tra ứng lực Nếu chai bò mòn bề mặt chu kỳ sử dụng tăng cao vệ sinh chai kiềm độ dày thành chai bò giảm trở nên không đồng đều, ứng lực chòu đựng chai thấp mức giới hạn