第12章 食品包装材料及容器(8)

与石英玻璃相比，Na2O、CaO等氧化物的加入，改变了原来的四面体网络，引起玻璃的许多性质改变：如降低了玻璃的熔制温度和黏度，降低了硬度和强度，降低了化学稳定性，增大了热膨胀系数，从而导致抗热冲击性能下降。这些性能变化在本质上都是由于出现了“非桥氧”。非桥氧的出现，使玻璃的加工性能变好，在较低的温度下易于加工成型。

③Na2O—B2O3—SiO2系玻璃的结构。向石英玻璃中引入大量B2O3的玻璃叫做硼硅酸盐玻璃。这种玻璃的结构和性质取决于Na2O与B2O3的摩尔比。根据Na2O/B2O3的摩尔比，玻璃中的B2O3可以有两种结构形式：一种为[BO3]三角形平面结构，另一种为[BO4]四面体结构。

当B2O3在系统中以[BO4]结构存在时，它能与[SiO4]四面体连接，参与形成玻璃的骨架网络。这时，网络外的Na+离子与[BO4]相匹配，达到电荷平衡，并形成单一、均匀、连续的相。

而当B2O3以[BO3]形式存在时，由于[BO3]是平面结构，不能与[SiO4]连接，从而在玻璃中形成层状分布，与硅氧四面体互不混溶，产生分相。这种结构将导致玻璃性能劣化。究竟Na2O/B2O3的比例是多少时才不致产生[BO3]分相呢？理论及实验分析表明，在Na2O/B2O3的摩尔比大于1时，B2O3在系统中以[BO4]结构形式存在，而摩尔比小于1时，产生[BO3]分相。所以，在向石英玻璃中引入B2O3时，必须控制Na2O/B2O3的摩尔比，如果原料中的B2O3含量过高，就会出现所谓“硼反常”特性，描述玻璃性质的一系列物理量，如折射率、密度、热膨胀系数等参数变化规律出现反常。这是由于出现[BO3]分相而产生的。

（3）普通玻璃的结构。普通玻璃的组成除含有Na2O（12%～16%），CaO（6%～12%），SiO2（66%～75%）外，还含有少量的Al2O3、MgO等氧化物，属于钠钙系玻璃。

与引入B2O3的情况类似，同时向玻璃中引入Al2O3与Na2O时，AI3+可以代替Si4+，形成铝氧四面体[ALO4]而参与形成[SiO4]的骨架网络。Na+离子分布在[ALO4]周围，以中和其负电荷。结构中没形成非桥氧。当引入的Na2O量不足时，AI3+不能形成[ALO4]四面体，而以AI3+离子状态存在于[SiO4]四面体孔隙中，这时虽然形成非桥氧，但因铝离子电荷较多，与非桥氧的吸引力很大，结构较紧密。在通常情况下，玻璃中的Al2O3含量为1%～3%，增加Al2O3含量将使玻璃熔体的黏度增加，不利于熔制和加工。

玻璃中MgO的作用是调节玻璃料的料性，但MgO含量增加会使玻璃耐水性变差。普通玻璃中MgO的含量为1%～4%。

（二）玻璃包装材料的性能

玻璃包装材料主要是钠钙玻璃，它具有非常好的化学情性和稳定性，几乎不与任何内容物相互作用。有很高的抗压强度。厚度均匀、设计良好的薄壁玻璃瓶，其静态抗内压强度可达1700kPa。这比金属三片罐的耐内压强度还高。良好的抗内压性使玻璃瓶适合于现代高速灌装生产线，并能承受含二氧化碳饮料所产生的压力。玻璃具有优良的光学性能，它可以制成透明、表面光洁的玻璃包装，也可根据需要制成某种颜色，以屏蔽紫外光和可见光对被包产品的光催化反应。这些优良的性能，使玻璃成为一种优良的包装材料。

玻璃的主要缺点是抗冲击强度不高。而当玻璃表面有损伤时，其抗冲击性能再度下降。容易破碎和重量大增加了玻璃包装的运输费用。玻璃的另一个缺点是不能承受内外温度的急剧变化。除非经过特殊设计和处理。玻璃能够承受的表面与内部之间最大急变温差为32℃，在需要对玻璃内容物热加工（加灭菌及热灌装）的场合，为了减少对玻璃容器的热冲击，防止玻璃瓶破碎，要保证玻璃内外温度均匀上升。另外，玻璃熔制是在很高的温度（1500～1600℃）下进行的。所以，玻璃生产需要耗费很大的能量。

近年来，已研制出高强度轻量玻璃容器，克服了玻璃包装材料重量大易破碎的缺点，使玻璃瓶罐成为性能完美的包装材料。高强度轻量玻璃瓶制造工艺中，除了采用严格的配方保证玻璃的固有性质外，还采用了表面喷涂金属氧化物和高分子化合物的双层涂敷工艺及强化技术，使轻量的薄壁瓶保持了原有的强度。开发生产高强度轻量玻璃容器是当今玻璃包装材料的一个主要发展趋向。

玻璃包装工业的进一步发展，在很大程度上决定于与塑料瓶的竞争。生产塑料所需的原料价格随石油的价格而波动，而玻璃原料却是非常丰富的，而且价格稳定。但由于玻璃生产需要消耗大量的能量，从而玻璃也同样受到燃料价格的影响。尽管如此，由于玻璃容器具有其他包装材料无可比拟的优点，它仍然是当今及未来的重要包装材料。

1.耐热性

玻璃有一定的耐热性，但不耐温度急剧变化。作为容器玻璃，在成分中加入硅、硼、铅、镁、锌等的氧化物，可提高其耐热性，以适应玻璃容器的高温杀菌和消毒处理。容器玻璃的热稳定受热膨胀系数、抗拉强度和弹性系数的影响最大，它与抗张强度成正比，与热膨胀系数成反比。容器玻璃的厚度不均匀，或存在结石、气泡、微小裂纹和不均匀的内应力，均会影响热稳定性。

2.机械性能

玻璃的强度和硬度是玻璃的物理机械性能的重要指标。玻璃的强度决定于其化学组成、制品形状、表面性质和加工方法。玻璃的理论强度很高，约10000MPa，而实际强度为理论强度的1%以下。这是因为玻璃制品内存在着未熔夹杂物、结石、节瘤或微细裂纹，造成应力集中，从而急剧降低其机械强度。

抗拉强度是决定玻璃品质的主要指标，通常为抗压强度的1/14～1/15，即40～120MPa。

玻璃的硬度取决于其组成成分。玻璃的硬度比较高，用普通的刀、锯等不能切割。

3.光学性能

玻璃具有优异的光学性能，许多现代科学仪器都离不开光学玻璃。玻璃的光学性质包括折射、反射和透射，这些性质主要取决于玻璃的组成，也与制造工艺与光的波长有关。对于玻璃容器来说，透明的玻璃包装可以促进产品在市场的销售，但可见光与紫外光的穿透可以加速玻璃容器中的食品、药品等产品的变质、氧化或腐败。某些光催化反应可以改变产品的颜色、气味或味道，因此需要用有色玻璃屏蔽光线，保护内容物。适当加入能选择吸收某些波长光的过渡金属或稀土金属离子（着色剂），和以使玻璃呈现与被吸收的光互补的颜色。这些有颜色的玻璃能够有效地遮隔紫外光和可见光。琥珀色玻璃能遮隔波长小于450nm的光；绿色玻璃能遮隔波长小于350nm的光。美国药典规定，包装药品的玻璃瓶的透光率应小于20%。玻璃的厚度、种类对透光率也有影响。

4.化学稳定性

玻璃具有良好的化学稳定性，耐化学腐蚀性强。只有氢氟酸能腐蚀玻璃。因此，玻璃容器盛装酸性或碱性食品以及针剂药液，显得格外重要。玻璃的种类很多，不同玻璃的化学稳定性不一样。影响玻璃性质的因素还有其他一些，包括玻璃的化学组成、腐蚀的温度和时间，以及玻璃是否与其他有害的元素接触过高。中性玻璃一般比碱性玻璃更耐化学腐蚀，后者会使水溶液呈碱性，因此，这种玻璃容器对其内装物的性质有所影响。

对于所有气体、溶液或溶剂，玻璃是完全不渗透的。因此，人们经常把玻璃作为气体的理想包装材料。

复习思考题

1.常用包装用纸和纸板的主要特性是什么？

2.评价纸和纸板的性能指标有哪些？

3.瓦楞纸板有哪些类型？各类瓦楞纸板在结构和性能上有什么特点？

4.瓦楞的形状有几种？各有什么特点？

5.评价瓦楞纸板的性能指标有哪些？

6.瓦楞纸箱抗压强度的影响因素有哪些？

7.塑料是由哪些成分组成的？各成分的作用是什么？

8.常见塑料包装材料的特性有哪些？

9.简述镀锡薄钢板、镀铬薄钢板、镀锌薄钢板和低碳薄钢板的结构、性能及用途？

10.铝和铝箔作为包装材料具有哪些优缺点？

11.玻璃的主要原料是什么？它们各起什么作用？

12.玻璃熔制通常经历哪几个阶段？其代表温度如何？