Các loại và hiệu suất của chai thủy tinh

(1) Thủy tinh chai phải có độ bền cơ học nhất định Thủy tinh chai sẽ phải chịu các ứng suất khác nhau do các điều kiện sử dụng khác nhau. Nhìn chung, có thể chia thành độ bền áp suất bên trong, khả năng chịu sốc nhiệt, độ bền va đập cơ học, độ bền lật chai, độ bền tải trọng thẳng đứng, v.v. Tuy nhiên, xét theo góc độ khiến chai thủy tinh bị vỡ, nguyên nhân trực tiếp hầu như luôn là do va đập cơ học, đặc biệt là khi chai thủy tinh bị trầy xước và va đập nhiều lần trong quá trình vận chuyển và chiết rót. Do đó, chai thủy tinh phải có khả năng chịu được ứng suất bên trong và bên ngoài nói chung, độ rung và tác động gặp phải trong quá trình chiết rót, lưu trữ và vận chuyển. Độ bền của thủy tinh chai thay đổi đôi chút tùy thuộc vào chai chứa khí hay chai không chứa khí, chai dùng một lần hay chai tái chế, nhưng phải an toàn khi sử dụng và không bị vỡ. Không chỉ phải kiểm tra khả năng chịu áp suất trước khi xuất xưởng mà còn phải xem xét vấn đề giảm độ bền của chai tái chế trong quá trình tái chế. Theo số liệu của nước ngoài, sau 5 lần sử dụng, độ bền giảm 40% (chỉ còn 60% độ bền ban đầu); sau 10 lần sử dụng, độ bền giảm 50%. Vì vậy, khi thiết kế hình dáng chai cần phải tính đến độ bền của thủy tinh có hệ số an toàn đủ để tránh tình trạng chai “nổ” gây thương tích cho người.
(2) Các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền cơ học của thủy tinh chai Ứng suất dư phân bố không đều trong thủy tinh chai làm giảm đáng kể độ bền. Ứng suất bên trong sản phẩm thủy tinh chủ yếu liên quan đến ứng suất nhiệt, sự tồn tại của nó sẽ dẫn đến độ bền cơ học giảm và độ ổn định nhiệt của sản phẩm thủy tinh kém.
Các khuyết tật vĩ mô và vi mô trong kính như đá, bọt khí, vệt, v.v. thường gây ra ứng suất bên trong do thành phần không đồng nhất với thành phần thủy tinh chính và hệ số giãn nở khác nhau, từ đó gây ra các vết nứt, ảnh hưởng nghiêm trọng đến độ bền của sản phẩm kính.
Ngoài ra, vết xước và hao mòn trên bề mặt thủy tinh có ảnh hưởng lớn đến độ bền của sản phẩm. Vết xước càng lớn và sắc nét thì độ bền giảm càng đáng kể. Các vết nứt hình thành trên bề mặt thủy tinh chai chủ yếu là do vết xước trên bề mặt thủy tinh, đặc biệt là vết xước bề mặt giữa thủy tinh và thủy tinh. Đối với thủy tinh chai cần chịu áp lực cao, chẳng hạn như chai bia và chai soda, độ bền giảm sẽ khiến sản phẩm bị vỡ trong quá trình gia công và sử dụng, do đó, trong quá trình vận chuyển và chiết rót, cần nghiêm cấm va chạm, mài mòn và hao mòn.
Độ dày của thành chai có liên quan trực tiếp đến độ bền cơ học của chai và khả năng chịu áp suất bên trong của chai. Nếu tỷ lệ độ dày của thành chai quá lớn và độ dày của thành chai không đồng đều, thành chai sẽ có các liên kết yếu, do đó ảnh hưởng đến khả năng chống va đập và hiệu suất chống áp suất bên trong. Tiêu chuẩn quốc gia GB4544-1996 "Chai bia" quy định nghiêm ngặt rằng tỷ lệ độ dày của thành chai là<2:1. The optimal annealing temperature, insulation time and cooling time are different for different bottle wall thicknesses. Therefore, in order to avoid deformation or incomplete annealing of the product and ensure the quality of the bottle, the thickness ratio of the bottle wall should be strictly controlled.

Trong quá trình khử trùng và tiệt trùng, chai thủy tinh cần phải chịu được sự thay đổi nhiệt độ đột ngột. Khi ứng suất kéo vượt quá độ bền của thủy tinh, nó sẽ bị vỡ. Do đó, độ ổn định nhiệt của chai thủy tinh phải đáp ứng các yêu cầu, có một mức độ nhất định về khả năng chống sốc nhiệt và có thể chịu được các quá trình gia nhiệt và làm mát như rửa và tiệt trùng.
Các yếu tố chính ảnh hưởng đến độ ổn định nhiệt của chai thủy tinh như sau.
Hệ số giãn nở tuyến tính a của thủy tinh thay đổi rất nhiều theo sự thay đổi của thành phần, do đó hệ số giãn nở tuyến tính có ý nghĩa quyết định đối với độ ổn định nhiệt của thủy tinh. Hệ số giãn nở nhiệt của thủy tinh càng nhỏ thì độ ổn định nhiệt của thủy tinh càng tốt và nhiệt độ mà mẫu có thể chịu được càng lớn và ngược lại. Do đó, bất kỳ thành phần nào có thể làm giảm hệ số giãn nở nhiệt của thủy tinh đều có thể cải thiện độ ổn định nhiệt của thủy tinh, chẳng hạn như SiO2, B2O3, Al2 03, ZrO2, ZnO, Mg0, v.v. Oxit kim loại kiềm R20 có thể làm tăng hệ số giãn nở nhiệt của thủy tinh, do đó thủy tinh chứa một lượng lớn oxit kim loại kiềm có độ ổn định nhiệt kém.
Độ ổn định nhiệt của kính cũng liên quan đến độ dày của sản phẩm. Thành của sản phẩm kính càng dày thì độ chênh lệch nhiệt độ đột ngột mà nó có thể chịu được càng nhỏ. Khi chịu tác động của sốc nhiệt, ứng suất nén được tạo ra trên bề mặt kính, trong khi khi làm lạnh nhanh, ứng suất kéo được hình thành trên bề mặt kính. Độ bền nén của kính lớn hơn độ bền kéo gấp 10 lần. Do đó, khi đo độ ổn định nhiệt của kính, thí nghiệm thường được tiến hành trong điều kiện làm lạnh nhanh.
Làm nguội có thể tăng độ ổn định nhiệt của kính lên 1,5 đến 2 lần. Điều này là do sau khi làm nguội, bề mặt kính có ứng suất nén phân bố đều, có thể bù đắp ứng suất kéo phát sinh trên bề mặt sản phẩm khi làm nguội nhanh.

Trong quá trình sử dụng, các sản phẩm thủy tinh phải chịu sự ăn mòn của nước, axit, kiềm, muối, khí và các loại thuốc thử hóa học và thuốc dạng lỏng. Khả năng chống lại sự ăn mòn này của thủy tinh được gọi là độ ổn định hóa học của thủy tinh. Các loại chai và lon thủy tinh thường được sử dụng trong cuộc sống hàng ngày của con người. Đối với các chai và lon đựng rượu, đồ uống và thực phẩm, chúng phải có độ ổn định hóa học nhất định, đặc biệt là đối với các chai nước muối và chai ống dùng trong y học. Yêu cầu về độ ổn định hóa học cao hơn, nếu không, các thành phần trong thủy tinh sẽ hòa tan trong thuốc dạng lỏng, thậm chí sẽ bị bong tróc, gây ra một số tác hại nhất định cho cơ thể con người.
Với việc xây dựng các tiêu chuẩn đánh giá sản phẩm xanh và cải tiến công nghệ thử nghiệm, việc phát hiện các chất có hại trong chai thủy tinh ngày càng trở nên nghiêm ngặt hơn, đặc biệt là EU thường sử dụng các rào cản xanh để hạn chế xuất khẩu các sản phẩm của Trung Quốc, ảnh hưởng đến việc đưa sản phẩm vào thị trường quốc tế. Để đạt được mục đích này, Tổng cục Giám sát, Kiểm tra và Kiểm dịch Chất lượng và Tổng cục Tiêu chuẩn hóa Nhà nước đã bổ sung các giá trị giới hạn cho phép của asen và antimon dựa trên các giá trị giới hạn cho phép của chì và cadmium trong IS07086-2:2000 "Các sản phẩm thủy tinh rỗng tiếp xúc với thực phẩm--các giá trị giới hạn cho phép của chì và cadmium hòa tan" theo tình hình của Trung Quốc (Bảng 2-1).
Các yếu tố ảnh hưởng đến độ ổn định hóa học của thủy tinh như sau.
① The water resistance and acid resistance of silicate glass are mainly determined by the content of silicon oxide and alkali metal oxide. The higher the silicon dioxide content, the greater the degree of interconnection between silicon oxide tetrahedrons, and the higher the chemical stability of the glass. As the content of alkali metal oxide increases, the chemical stability of the glass decreases. And as the radius of the alkali metal ion increases and the bond strength weakens, its chemical stability generally decreases, that is, water resistance Li+>Na+>K+.
② Khi hai oxit kim loại kiềm tồn tại đồng thời trong thủy tinh, độ ổn định hóa học của thủy tinh đạt đến giá trị cực đại do "hiệu ứng kiềm hỗn hợp", và hiệu ứng này thể hiện rõ hơn ở thủy tinh chì.
③ Khi kim loại kiềm thổ hoặc các oxit kim loại hóa trị hai khác thay thế silic và oxy trong thủy tinh silicat, độ ổn định hóa học của thủy tinh cũng sẽ giảm. Tuy nhiên, hiệu ứng làm giảm độ ổn định yếu hơn so với oxit kim loại kiềm. Trong các oxit hóa trị hai, BaO và PbO có tác dụng làm giảm độ ổn định hóa học mạnh nhất, tiếp theo là MgO và CaO.
④ Trong thủy tinh nền có thành phần hóa học là 100SiO2+(33.3-x)Na2O+xRO(R2O3 hoặc RO2), sau khi thay thế một phần Na2O bằng các oxit như CaO, MgO, AlO3, TiO2, ZrOz và BaO theo trình tự, thứ tự khả năng chống nước và khả năng chống axit như sau.
Water resistance: ZrO2>AlO3>TiOz>ZnO>MgO>CaO>Bảo.
Acid resistance: ZrO2>Al2O3>ZnO>CaO>TiOz>MgO>Bảo.
Trong các thành phần thủy tinh, ZrO₂ có khả năng chống nước và axit tốt nhất, cũng như khả năng chống kiềm tốt nhất, nhưng khó nóng chảy. BaO không tốt trong cả hai trường hợp.
Trong số các oxit hóa trị ba, oxit nhôm và oxit bo cũng có hiện tượng "dị thường bo" về mặt độ ổn định hóa học của thủy tinh.
Trong thủy tinh silicat natri vôi xNa2O·yCaO·zSiO2, nếu hàm lượng oxit đáp ứng mối quan hệ (2-1), có thể thu được loại thủy tinh khá ổn định.
Tóm lại, bất kỳ loại oxit nào có thể tăng cường mạng lưới cấu trúc thủy tinh và làm cho cấu trúc hoàn chỉnh và dày đặc đều có thể cải thiện tính ổn định hóa học của thủy tinh; nếu không, nó sẽ làm giảm tính ổn định hóa học của thủy tinh.

Thủy tinh chai có thể cắt hiệu quả tia cực tím và ngăn ngừa sự hư hỏng của nội dung. Ví dụ, bia sẽ tạo ra mùi sau khi tiếp xúc với ánh sáng có bước sóng dưới 550nm (ánh sáng xanh hoặc ánh sáng xanh lục), đây là cái gọi là mùi ánh sáng mặt trời. Chất lượng của các loại thực phẩm như rượu vang và nước sốt cũng sẽ bị ảnh hưởng sau khi tiếp xúc với tia cực tím dưới 250nm. Các học giả người Đức đề xuất rằng hiệu ứng quang hóa của ánh sáng khả kiến ​​​​sẽ suy yếu dần từ ánh sáng xanh lục sang sóng dài và kết thúc ở khoảng 520nm. Nói cách khác, 520nm là bước sóng quan trọng. Ánh sáng ngắn hơn bước sóng này sẽ có hiệu ứng quang hóa đối với nội dung của chai, khiến bia bị hư hỏng. Do đó, thủy tinh chai bắt buộc phải hấp thụ ánh sáng dưới 520nm và chai màu nâu có hiệu ứng tốt nhất.
Khi sữa tiếp xúc với ánh sáng, nó tạo ra "mùi nhẹ" và "mùi" do sự tạo thành các peroxide và các phản ứng tiếp theo. Vitamin C và axit ascorbic cũng bị khử. Vitamin A, vitamin B2 và vitamin D cũng có tình trạng tương tự. Nếu thêm một thành phần hấp thụ tia cực tím nhưng ít ảnh hưởng đến màu sắc vào thành phần thủy tinh, có thể tránh được tác động của ánh sáng đến chất lượng sữa.
Đối với chai, lon đựng thuốc, cần dùng kính dày 2mm để hấp thụ 98% bước sóng 410nm và truyền qua 72% ở bước sóng 700nm, có thể ngăn ngừa phản ứng quang hóa, quan sát được nội dung bên trong chai.
Ngoại trừ thủy tinh thạch anh, hầu hết thủy tinh soda-lime-silica thông thường có thể lọc được hầu hết các tia cực tím. Thủy tinh soda-lime-silica không thể truyền tia cực tím (200~360nm), nhưng có thể truyền ánh sáng khả kiến ​​(360~1000nm), điều này có nghĩa là thủy tinh soda-lime-silica thông thường có thể hấp thụ hầu hết các tia cực tím.
Để đáp ứng yêu cầu của người tiêu dùng về độ trong suốt của chai thủy tinh và lon, tốt nhất là làm cho thủy tinh chai hấp thụ tia cực tím mà không làm cho nó tối màu. Thêm CeO2 vào thành phần có thể đáp ứng yêu cầu này. Xeri có thể tồn tại ở hai dạng, Ce3+ hoặc Ce4+, và cả hai ion đều tạo ra khả năng hấp thụ tia cực tím mạnh. Bằng sáng chế của Nhật Bản báo cáo rằng một thành phần thủy tinh chứa 0.01%~1.0% vanadi oxit và 0.05%~0.5% xeri oxit. Khi tiếp xúc với ánh sáng cực tím, phản ứng sau xảy ra:
C3++V3+-Ce4++V2+
Khi thời gian tiếp xúc tăng, liều lượng bức xạ cực tím tăng, tỷ lệ V2+ tăng và màu thủy tinh đậm hơn. Ví dụ, rượu sake dễ bị hỏng khi tiếp xúc với tia cực tím và sử dụng chai thủy tinh màu sẽ ảnh hưởng đến độ trong suốt, khiến việc quan sát nội dung trở nên khó khăn. Khi thêm CeO2 và V203, thủy tinh không màu và trong suốt khi thời gian lưu trữ ngắn và liều lượng bức xạ cực tím nhỏ, nhưng khi thời gian lưu trữ dài và liều lượng bức xạ cực tím quá cao, thủy tinh sẽ đổi màu. Độ sâu của sự thay đổi màu có thể được sử dụng để đánh giá thời gian lưu trữ dài.