Стеклянная тара. Технические требования, конструкторские решения и используемые материалы

Как упаковочный материал для пищевой продукции стекло имеет ряд преимуществ:

   а) cтекло устойчиво к химическому воздействию, является гигиеническим материалом, не влияет на свойства и аромат пищевой продукции;

б) cтеклянная тара – недорогой вид упаковки вследствие низкой стоимости сырьевых материалов, из которых она производится. Кроме того, стекло больше, чем какой-либо другой материал поддается переработке, что также снижает стоимость стеклотары;

в) потребитель может видеть содержимое, находящееся в стеклянной упаковке. Это, в свою очередь, заставляет повышать качество упаковываемых продуктов с целью придать им надлежащий товарный вид и, когда требуется – прозрачность .

К недостаткам стеклотары относятся малая механическая прочность и относительно большая масса на единицу затрачиваемой продукции.

Стеклянная тара бывает с внутренним диаметром горла до 30 мм (узкогорлая) и свыше 30 мм (широкогорлая).

Узкогорлая стеклотара (бутыли и бутылки) предназначена для розлива и хранения жидких пищевых продуктов. Широкогорлая стеклотара (консервные банки и бутыли) используется для хранения полужидкой и твердой продукции .

Стекло для тары должно быть хорошо проваренным, однородным и, по возможности, без пороков. Оно должно быть химически стойким, не переходить в содержимое тары и не портить качество этого содержимого. Совершенно недопустимы поверхностные пузыри, а также пузыри с сизым налетом (щелочные); внутренние воздушные пузыри небольших размеров допускаются лишь в ограниченном количестве .

Стеклянная тара должна быть тщательно изготовлена в соответствии  с  установленными  для  нее  формами  и допустимыми отклонениями в линейных размерах, массе и вместимости. Стекло должно быть распределено по корпусу тары равномерно, без резких утолщений и утоньшений.

Особые требования предъявляются к оформлению горла: оно должно быть без заусениц и подпрессовок – выступов стекла на месте стыка отдельных частей формовочного комплекта. Все углы венчика горла должны быть округлыми. Щербления, а также посечки, нарушающие механическую прочность горла не допускаются.

Стеклянная тара должна быть механически прочной с достаточным сопротивлением внутреннему гидростатическому давлению, а также раздавливанию под нагрузкой. Она должна быть термостойкой в пределах установленного перепада температур. Для этого стеклотара должна быть хорошо отожжена .

Так, например, к бутылкам для пищевых жидкостей (ГОСТ 13906 – 68) и к стеклотаре для консервов (ГОСТ 5717 – 70) предъявляются следующие технические требования:

По механической прочности. Бутылки должны выдерживать в течение 60 с. внутреннее давление: для шампанских вин резервуарного выпуска (полученных путем брожения в специальных резервуарах) – не менее 1,4 МПа; для шампанских вин тиражного выпуска (полученных путем брожения в бутылках) – не менее 1,7 МПа; для пива, минеральных вод, и т. д. – не менее 0,8 МПа.

Стеклотара для консервов должна выдерживать в зависимости от вместимости:

   а) внутреннее давление 0,3 – 0,5 МПа;

   б) общее давление по высоте 3000 – 5000 Н;

   в) общее давление на корпус не менее 1500 Н.

По термоустойчивости (ГОСТ 13903 – 68). Бутылки должны выдерживать перепад температур: для шампанских вин 25 – 70 – 47 – 20 °С; для остальных пищевых жидкостей 70 – 35 °С.

Стеклотара для консервов должна выдерживать перепад температур 40 – 100 – 60 °С.

Стекло для тары может быть бесцветным; полубелым (необесцвеченным), а также окрашенным в защитные цвета (оранжевый, темно-зеленый и т. д.) для предотвращения влияния света на содержимое тары .

Формование стеклянных изделий начинается с формообразования и заканчивается фиксацией формы, которая, по существу, продолжается в течение всего данного процесса

В процессе формования расплавленная стекломасса превращается в готовое изделие. При этом происходит непрерывное нарастание вязкости стекломассы. Общий ход этого процесса во времени обусловлен двумя наиболее важными и характерными его стадиями: формообразованием и фиксацией формы.

На стадии формообразования происходит придание пластичной стекломассе требуемой конфигурации изделия в результате приложенных внешних сил, характер которых обусловлен видом изделия и применяемым способом его формования. Поведение стекломассы на этой стадии определяется следующими свойствами: вязкостью, поверхностным натяжением, упругостью, а также характером температурного изменения этих свойств.

На стадии фиксации формы происходит закрепление конфигурации сформованного изделия в результате затвердевания стекломассы, характер которого обусловлен видом изделия и применяемым способом его охлаждения. Важную роль на этой стадии формования играют особенности изменения вязкости и упругости стекломассы при ее охлаждении, скорость охлаждения стекломассы и скорость твердения стекла.

Процесс формования стеклянных изделий характеризуется следующими условиями

v1 > v2 и t1 < t2 ,   (2. 1)

где v1 и t1 – скорость и время формообразования;

       v2 и t2 – скорость и время фиксации формы .

При формовании стеклянных изделий решающее значение имеют следующие факторы: вид формующих устройств и характер их контакта со стекломассой при формовании; температурный режим формования изделия и условия его охлаждения.

Каждый из этих факторов влияет на скорость твердения стекломассы, что, в конечном счете, определяет качество изделия и производительность стеклоформующих машин.

Основные способы формования стеклотары – выдувание, прессование и прессовыдувание .

Типы и основные размеры бутылей описаны в ГОСТ 14182 – 69. В зависимости от формы горловины бутыли бывают двух типов: бутыли с горловиной под завинчиваемую крышку; бутыли с горловиной под притертую полиэтиленовую или стеклянную пробку.

Основные размеры горловин бутылей и пробок для них должны соответствовать указанным на чертеже и в таблице, которые приведены в данном ГОСТе.

Типы и основные размеры бутылок, предназначенных для пищевых жидкостей указаны в ГОСТ 10117 – 72.

Стеклотара для консервов изготовляется согласно ГОСТ 5717 – 70.

Форма, основные размеры, вместимость, масса банок и бутылей должны соответствовать указанным на чертежах и в таблице, которые приведены в данном ГОСТе.

Венчики горловин банок и бутылей, в зависимости  от способов укупорки, изготовляются трех типов: обкатной, обжимной и резьбовой.

Стеклотара изготовляется с фигурным или сферическим дном.

Материалы для производства стеклотары делятся на основные и вспомогательные. Основные сырьевые материалы используются для ввода в стекломассу кислотных, щелочных и щелочноземельных окислов. Вспомогательные сырьевые материалы подразделяются на следующие группы:

ускорители  варки, применяемые для облегчения условий варки стекла;

осветлители, применяемые для интенсификации процесса дегазации (осветления) стекломассы;

обесцвечиватели, применяемые для устранения нежелательных цветовых оттенков в стекле и разделяемые на физические и химические;

красители, применяемые для придания стеклу той или иной окраски, разделяются на молекулярные и коллоидные;

глушители, применяемые для придания стеклу эффекта равномерного светорассеивания и ограничения светопропускания .

Основные сырьевые материалы

Пески. Основным материалом для введения в стекло SiO2 является кварцевый песок, в котором содержатся примеси различных минералов: магнезита, слюды, полевого шпата, каолина, карбонатов кальция, магния и др. Наиболее вредными примесями являются соединения железа, окрашивающие стекло в желтый или зеленый цвет.

Кроме того, в песках содержатся красящие окислы TiO2 и Cr2O3. Из этих окислов наиболее вредным является Cr2O3 .

Качество песков также характеризуется гранулометрическим составом. Для варки стекла можно использовать пески, у которых размер зерен находится в пределах 0,15 – 0,6 мм. Оптимальный размер зерен 0,25 – 0,5 мм .

Размер зерен оказывает большое влияние на время варки стекла. О. К. Ботвинкин установил, что время стеклообразования прямо пропорционально третей степени радиуса зерен песка:

t = k × r3,   (2. 2)

где t – время стеклообразования;

       k – постоянная;

       r – радиус зерна песка.

Поэтому, для варки стекла  следует применять, по возможности, мелкие пески .

Для варки стекла лучше всего использовать песок с остроугольной формой зерен, так как их реакционная поверхность по сравнению с зернами сферической формы больше. В этом случае процесс варки ускоряется.

Глиноземные материалы. При добавлении в стекло глинозема (Al2O3) снижаются коэффициент расширения, склонность к кристаллизации, теплопроводность; повышаются термостойкость и механическая прочность. Кроме того, улучшаются выработочные свойства, что имеет значение при производстве стекла механизированным способом, и уменьшается разъедание огнеупоров. В глушеные стекла, содержащие соединения фтора, глинозем добавляют для более равномерного глушения.

В производстве стеклотары могут использоваться природные минералы, содержащие глинозем. Эти минералы относятся к классу многокомпонентного сырья, в котором содержится определенное количество оксидов, пригодных для стекловарения, В большинстве случаев глинозем вводят в шихту (смесь сырья для стекловарения) в виде полевошпатных и нефелиновых горных пород .

Борсодержащие материалы. Борный ангидрид придает стеклу ряд ценных свойств: понижает склонность стекла к кристаллизации; увеличивает скорость провара (борный ангидрид – один из наиболее активных ускорителей процесса варки стекла); улучшает термическую и химическую стойкость, а также механические свойства стекла. При введении в стекло до 2 % борного ангидрида (вместо SiO2) повышается производительность стекловаренных печей, улучшается качество стекломассы и ее выработочные свойства, поэтому борные соединения широко применяются в производстве хрусталя, а также цветных и специальных стекол.

Окись бора вводится в стекло в виде борной кислоты H3BO3 и буры Na2B4O7 × 10H2O .

Калийсодержащие материалы. K2O, введенный в стекло в определенных количествах вместо Na2O, улучшает оттенок стекла, придает стеклу блеск и прозрачность, уменьшает склонность стекла к кристаллизации. Примеси железа в калийном стекле менее заметны при окрашивании, чем в натриевом.

Для ввода K2O в состав стекла используется поташ (K2CO3). Он бывает кристаллический и кальцинированный. В стекольной промышленности главным образом используется кальцинированный поташ.

Кроме поташа попутными источниками ввода K2O в состав стекла являются разные горные породы .

Литийсодержащие материалы вводят в стекло в небольших количествах, главным образом при варке тугоплавких стекол. Li2O придает стеклу ряд положительрых свойств: повышает термостойкость, снижает коэффициент термического расширения и т. д. Для ввода в стекло Li2O главным образом используется лепидолит (LiF × KF × Al2O3 × 3SiO2), сподумен (Li2O × Al2O3 × 4SiO2) и др. Иногда применяется химически изготовленный Li2CO3 .

Кальций- и магнийсодержащие материалы. Оксид кальция повышает химическую стойкость стекла, содействует облегчению варки и осветлению стекломассы. CaO вступает в реакцию с SiO2 при сравнительно низкой температуре, что также является весьма ценным его свойством. CaO обычно вводят в стекло в составе известняка и мела. Эти породы различны по внешнему виду, но одинаковы по химическому составу. В известняке и мелу, применяемых в стекольной промышленности, содержится до 90 – 98 % CaCO3, остальную же часть составляют примеси (SiO2, Al2O3, MgO, Fe2O3) и органические вещества. SiO2, Al2O3, MgO для стекла не вредны.

Вредными примесями являются окислы железа, допустимое содержание которых для известняка и мела по установленным техническим нормам составляет 0,1 – 0,3 %. Для производства посуды и стеклотары известняк и мел должны иметь постоянный химический состав и не должны содержать химических элементов, способных придать нежелательную окраску.

Вспомогательные материалы

Среди ускорителей варки стекла особое место занимают фториды, способствующие появлению жидкой фазы при более низких температурах и увеличению скорости процесса силикатообразования. Фториды могут снижать температуру завершения реакции силикатообразования на 100 – 200 ˚С.

Однако, в применении фторидов есть и отрицательные стороны. Фториды разрушают огнеупорный материал стекловаренных печей. Помимо этого фториды в количестве более 1,5 % усиливают кристаллизацию стекломассы и, вследствие сильной летучести, выходят в окружающую среду вместе с дымовыми газами, поэтому при использовании фторидов необходимо правильно учитывать экономические и экологические факторы .

Осветлители – материалы, вводимые в шихту и, при высоких температурах, способствующие освобождению стекломассы от крупных и мелких пузырей. В качестве осветлителей стекломассы применяются Na2SO4, NaCl, As2О3, NaNO3, KNO3, а также аммонийные соли .

Обесцвечиватели. Основные сырьевые материалы, применяемые в стекловарении содержат FeO, окрашивающий стекло в голубовато-зеленый цвет, или Fe2O3, окрашивающий стекло в желто-зеленый цвет. Для многих стекол такая окраска недопустима; для ее устранения и получения относительно бесцветного стекла в состав шихты вводят обесцвечивающие вещества. Эти вещества эффективны только при небольшом содержании в сырьевых материалах примесей железа. А так как в основном наибольшее количество примесей железа содержится в кварцевом песке, для получения бесцветного стекла песок предварительно обезжелезивается.

Существует два способа обесцвечивания стекла: физический и химический.

При физическом обесцвечивании подбирают и дозируют вещества, которые окрашивают стекломассу в цвет, дополнительный к зеленому, и нейтрализуют нежелательную окраску стекла путем поглощения избытка зеленых лучей. Такими веществами являются селен, закись никеля, окись кобальта, перекись марганца и окислы редкоземельных металлов .

Химический способ обесцвечивания сводится к тому, что чтобы закись железа перевести в окисную форму. Для химического обесцвечивания применяют селитру, трехокись мышьяка, Na2SO4, окись сурьмы. Обесцвечиванию также способствуют фториды .

Красители. С помощью красителей стекло окрашивают в различные цвета. В основе своей красители представляют соединения различных металлов, которые при варке стекла либо растворяются в стекломассе (молекулярные красители), либо равномерно распределяются в стекломассе в виде коллоидных частичек. Окрашивание стекол зависит не только от характера и свойств красителя, но и от атмосферы печи, условий варки, содержания в стекле окислителей или восстановителей, а также от химического состава стекла в целом.

В качестве молекулярных красителей используются соединения кобальта, никеля, марганца, двухвалентной меди и т. д.

Соединения кобальта придают стеклу синий цвет, соединения никеля – фиолетовый, красновато-фиолетовый и дымчатый цвета; соединения марганца – пурпурно-фиолетовый; соединения меди – синий, голубой, зеленый, зеленовато-голубой и красный цвета (в зависимости от концентрации, состава стекла и условий окрашивания); соединения селена – розовый; соединения хрома – зеленый; соединения кадмия – ярко-желтый.

К группе коллоидных соединений относятся вещества, находящиеся в стекле в коллоидно-дисперсном состоянии. Получение окраски возможно лишь при вторичном нагревании – «наводке», которая вызывает рост окрашивающих центров. Золото, медь, селен, сурьма образуют красные стекла, известные пол названиями «золотой рубин», «медный рубин», «селеновый рубин», «сурьмяный рубин». Коллоидное серебро придает стеклу темный цвет .

Глушители. Для глушения (придания стеклу непрозрачности) обычно применяются фтористые и фосфорнокислые соединения, а также соединения олова, мышьяка и т. д. Для этой же цели широко применяются соединения фосфора, так как соединения фтора способствуют загрязнению окружающей среды. Однако при использовании соединений фосфора в качестве глушителей имеются технологические затруднения .