זנים וביצועים של זכוכית בקבוק

(1) זכוכית בקבוק צריכה להיות בעלת חוזק מכני מסוים זכוכית הבקבוק תהיה נתונה ללחצים שונים עקב תנאי שימוש שונים. באופן כללי, ניתן לחלק את זה לחוזק לחץ פנימי, עמידות בפני הלם חום, חוזק פגיעה מכני, חוזק היפוך בקבוק, חוזק עומס אנכי וכו'. עם זאת, מנקודת המבט של גרימת שבירה של בקבוקי זכוכית, הסיבה הישירה היא כמעט תמיד השפעה מכנית, במיוחד כאשר בקבוקי זכוכית נשרטים ונפגעים שוב ושוב במהלך הובלה ומילוי. לכן, בקבוקי זכוכית צריכים להיות מסוגלים לעמוד בפני מתחים פנימיים וחיצוניים כלליים, רעידות והשפעות במהלך מילוי, אחסון והובלה. חוזקה של זכוכית הבקבוק משתנה מעט בהתאם אם מדובר בבקבוק מלא בגז או בבקבוק שאינו מלא בגז, בבקבוק חד פעמי או בבקבוק ממוחזר, אך עליו להיות בטוח לשימוש ולא להתפוצץ. לא רק שיש לבדוק את עמידות הלחץ לפני היציאה מהמפעל, אלא יש לקחת בחשבון גם את בעיית הפחתת החוזק של בקבוקים ממוחזרים במהלך המיחזור. לפי נתונים זרים, לאחר 5 שימושים, החוזק מופחת ב-40% (רק 60% מהחוזק המקורי); לאחר 10 שימושים, החוזק מופחת ב-50%. לכן, בתכנון צורת הבקבוק, יש לקחת בחשבון שלחוזק הזכוכית יש מקדם בטיחות מספיק כדי למנוע מהבקבוק "להתפוצץ" ולפצוע אנשים.
(2) גורמים המשפיעים על החוזק המכני של זכוכית הבקבוק הלחץ השיורי המחולק בצורה לא אחידה בזכוכית הבקבוק מפחית מאוד את החוזק. הלחץ הפנימי במוצרי זכוכית מתייחס בעיקר למתח תרמי, וקיומו יוביל להפחתת חוזק מכני ויציבות תרמית לקויה של מוצרי זכוכית.
פגמי מאקרו ומיקרו בזכוכית, כמו אבנים, בועות, פסים וכו', גורמים לרוב ללחץ פנימי עקב הרכב לא עקבי עם הרכב הזכוכית הראשי ומקדמי התפשטות שונים, ובכך גורמים לסדקים, המשפיעים בצורה רצינית על חוזק מוצרי הזכוכית.
בנוסף, לשריטות ובלאי על משטח הזכוכית יש השפעה רבה על חוזק המוצר. ככל שהצלקות גדולות וחדות יותר, כך הפחתת החוזק משמעותית יותר. סדקים הנוצרים על פני השטח של זכוכית בקבוקים נגרמים בעיקר משריטות על פני הזכוכית, במיוחד שריטות פני השטח בין זכוכית לזכוכית. עבור זכוכית בקבוק שצריכה לעמוד בלחץ גבוה, כמו בקבוקי בירה ובקבוקי סודה, הירידה בחוזק תגרום למוצר להתפוצץ במהלך העיבוד והשימוש, ולכן יש לאסור בהחלט התנגשות, שחיקה ובלאי במהלך ההובלה והמילוי.
עובי דופן הבקבוק קשור ישירות לחוזק המכני של הבקבוק וליכולתו לעמוד בלחץ פנימי. אם יחס העובי של דופן הבקבוק גדול מדי ועובי דופן הבקבוק אינו אחיד, לדופן הבקבוק יהיו חוליות חלשות, ובכך ישפיעו על עמידות הפגיעה וביצועי עמידות הלחץ הפנימית. התקן הלאומי GB4544-1996 "בקבוק בירה" קובע בקפדנות שיחס העובי של דופן הבקבוק הוא<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.

במהלך תהליך החיטוי והעיקור, זכוכית הבקבוק צריכה לעמוד בשינויי טמפרטורה דרסטיים. כאשר מתח המתיחה עולה על חוזק הזכוכית, היא תישבר. לכן, היציבות התרמית של זכוכית בקבוק חייבת לעמוד בדרישות, להיות בעלת מידה מסוימת של עמידות בפני זעזועים תרמיים, ולהיות מסוגלת לעמוד בתהליכי חימום וקירור כגון כביסה ועיקור.
הגורמים העיקריים המשפיעים על היציבות התרמית של זכוכית בקבוק הם כדלקמן.
מקדם ההתפשטות הליניארי a של זכוכית משתנה מאוד עם השינוי בהרכב, ולכן למקדם ההתפשטות הליניארי יש משמעות מכרעת ליציבות התרמית של הזכוכית. ככל שמקדם ההתפשטות התרמית של זכוכית קטן יותר, כך היציבות התרמית שלו טובה יותר, והטמפרטורה שהדגימה יכולה לעמוד בה גדולה יותר ולהיפך. לכן, כל רכיב שיכול להפחית את מקדם ההתפשטות התרמית של זכוכית יכול לשפר את היציבות התרמית של זכוכית, כגון SiO2, B2O3, Al2 03, ZrO2, ZnO, Mg0 וכו'. תחמוצת מתכת אלקלית R20 יכול להגדיל את מקדם ההתפשטות התרמית של זכוכית, ולכן לזכוכית המכילה כמות גדולה של תחמוצות מתכת אלקליות יש יציבות תרמית ירודה.
היציבות התרמית של הזכוכית קשורה גם לעובי המוצר. ככל שהדופן של מוצר זכוכית עבה יותר, כך הפרש הטמפרטורה הפתאומי שהוא יכול לעמוד בו קטן יותר. כאשר הוא נתון להלם תרמי, נוצר לחץ לחיצה על פני הזכוכית, בעוד כאשר היא מתקררת במהירות, נוצר מתח מתיחה על פני הזכוכית. חוזק הלחיצה של זכוכית גדול פי 10 מחוזק המתיחה שלה. לכן, כאשר מודדים את היציבות התרמית של זכוכית, הניסוי מתבצע בדרך כלל בתנאי קירור מהיר.
כיבוי יכול להגביר את היציבות התרמית של זכוכית פי 1.5 עד 2. הסיבה לכך היא שלאחר כיבוי, פני הזכוכית מחולקים באופן אחיד מתח דחיסה, אשר יכול לקזז את מתח המתיחה הנוצר על פני המוצר כאשר הוא מתקרר במהירות.

במהלך השימוש, מוצרי זכוכית נתונים לקורוזיה על ידי מים, חומצה, אלקלי, מלח, גז, וריאגנטים כימיים שונים ותרופות נוזליות. היכולת של זכוכית לעמוד בפני קורוזיות אלו נקראת היציבות הכימית של הזכוכית. בקבוקי זכוכית ופחיות שונות משמשים בדרך כלל בחיי היומיום של אנשים. עבור בקבוקים ופחיות המכילים יין, משקאות ומזון, צריכה להיות להם יציבות כימית מסוימת, במיוחד עבור בקבוקי מלח ובקבוקי אמפולה המשמשים ברפואה. דרישות היציבות הכימית גבוהות יותר, אחרת הרכיבים בכוס יתמוססו בתרופה הנוזלית, ואף יתרחש קילוף שיגרם נזק מסוים לגוף האדם.
עם הניסוח של תקני הערכת מוצרים ירוקים ושיפור טכנולוגיית הבדיקה, זיהוי חומרים מזיקים בזכוכית בקבוק נעשה יותר ויותר מחמיר, במיוחד האיחוד האירופי משתמש לעתים קרובות במחסומים ירוקים כדי להגביל את הייצוא של מוצרים סיניים, המשפיעים על כניסת מוצרים לתוך השוק הבינלאומי. לשם כך, המינהל הכללי לפיקוח איכות, פיקוח והסגר ומינהל המדינה לתקינה הוסיפו את ערכי הגבול המותרים של ארסן ואנטימון המבוססים על ערכי הגבול המותרים של עופרת וקדמיום ב-IS{{0} }:2000 "מוצרי זכוכית חלולים במגע עם מזון--ערכי גבול מותרים של פירוק עופרת וקדמיום" לפי המצב בסין (טבלה 2-1).
הגורמים המשפיעים על היציבות הכימית של זכוכית הם כדלקמן.
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 כאשר קיימות שתי תחמוצות מתכת אלקליות בזכוכית בו זמנית, היציבות הכימית של הזכוכית מגיעה לערך קיצוני עקב "אפקט אלקלי מעורב", והשפעה זו בולטת יותר בזכוכית עופרת.
③ כאשר מתכות אדמה אלקליות או תחמוצות מתכות דו ערכיות אחרות מחליפות סיליקון וחמצן בזכוכית סיליקט, היציבות הכימית של הזכוכית תופחת גם היא. עם זאת, ההשפעה של הפחתת היציבות חלשה יותר מזו של תחמוצות מתכות אלקליות. מבין תחמוצות דו ערכיות, ל-BaO ו-PbO יש את ההשפעה החזקה ביותר בהפחתת היציבות הכימית, ואחריהן MgO ו-CaO.
④ בזכוכית הבסיסית עם הרכב כימי של 100SiO2+(33.3-x)Na2O+xRO(R2O3 או RO2), לאחר החלפת חלק מ-Na2O בתחמוצות כגון CaO, MgO, AlO3, TiO2, ZrOz ו-BaO ברצף, סדר העמידות למים ועמידות החומצה הוא כדלקמן.
Water resistance: ZrO2>AlO3>TiOz>ZnO>MgO>CaO>BaO.
Acid resistance: ZrO2>Al2O3>ZnO>CaO>TiOz>MgO>BaO.
מבין הרכבי הזכוכית, ל-ZrO₂ יש את העמידות הטובה ביותר למים וחומצות, כמו גם את עמידות האלקליות הטובה ביותר, אך קשה להמיס אותו. BaO אינו טוב בשני המקרים.
בין תחמוצות תלת ערכיות, תחמוצת אלומיניום ותחמוצת בורון תהיה גם תופעת "אנומליה בורון" מבחינת היציבות הכימית של הזכוכית.
בזכוכית סודיום-סיד סיליקט xNa2O·yCaO·zSiO2, אם תכולת התחמוצת עונה על הקשר (2-1), ניתן לקבל זכוכית יציבה למדי.
לסיכום, כל תחמוצת שיכולה לחזק את רשת מבנה הזכוכית ולהפוך את המבנה לשלם וצפוף יכולה לשפר את היציבות הכימית של הזכוכית; אחרת, זה יפחית את היציבות הכימית של הזכוכית.

זכוכית בקבוק יכולה לנתק ביעילות את הקרניים האולטרה סגולות ולמנוע את הידרדרות התוכן. לדוגמה, בירה תיצור ריח לאחר חשיפה לאור עם אורך גל מתחת ל-550nm (אור כחול או אור ירוק), שהוא מה שנקרא ריח אור השמש. איכות המזונות כמו יין ורוטב תושפע גם לאחר חשיפה לקרניים אולטרה סגולות מתחת ל-250 ננומטר. חוקרים גרמנים הציעו כי ההשפעה הפוטוכימית של האור הנראה נחלשת בהדרגה מאור ירוק לגלים ארוכים ומסתיימת בכ-520 ננומטר. במילים אחרות, 520 ננומטר הוא אורך הגל הקריטי. לאור הקצר מאורך הגל הזה תהיה השפעה פוטוכימית על תכולת הבקבוק, מה שיגרום לבירה להיפגע. לכן, זכוכית בקבוק נדרשת לספוג אור מתחת ל-520nm, ולבקבוקים חומים יש את האפקט הטוב ביותר.
כאשר חלב נחשף לאור, הוא מייצר "ריח קל" ו"ריח" עקב יצירת פרוקסידים ותגובות עוקבות. גם ויטמין C וחומצה אסקורבית מופחתים. גם לוויטמין A, לוויטמין B2 ולוויטמין D יש מצבים דומים. אם מוסיפים להרכב הזכוכית רכיב הסופג קרניים אולטרה סגולות אך בעל השפעה מועטה על הצבע, ניתן להימנע מהשפעת האור על איכות החלב.
עבור בקבוקים ופחיות המכילות תרופות, נדרשת זכוכית בעובי 2 מ"מ כדי לספוג 98% מאורך הגל של 410 ננומטר ולשדר 72% ב-700 ננומטר, מה שיכול למנוע תגובות פוטוכימיות ולצפות בתכולת הבקבוק.
מלבד זכוכית קוורץ, רוב זכוכית סודה-ליים-סיליקה הרגילה יכולה לסנן את רוב הקרניים האולטרה סגולות. זכוכית סודה-ליים-סיליקה אינה יכולה לשדר אור אולטרה סגול (200~360nm), אבל יכולה לשדר אור נראה (360~1000nm), מה שאומר שזכוכית סודה-ליים-סיליקה רגילה יכולה לספוג את רוב הקרניים האולטרה סגולות.
על מנת לעמוד בדרישות הצרכנים לשקיפות של בקבוקי זכוכית ופחיות, עדיף לגרום לזכוכית הבקבוק לספוג קרניים אולטרה סגולות מבלי להפוך אותו לכהה. הוספת CeO2 להרכב יכולה לעמוד בדרישה זו. סריום יכול להתקיים בשתי צורות, Ce3+ או Ce4+, ושני היונים מייצרים ספיגה אולטרה סגולה חזקה. פטנטים יפניים מדווחים שהרכב זכוכית מכיל 0.01%~1.0% תחמוצת ונדיום ו-0.05%~0.5% תחמוצת צריום. כאשר נחשפים לאור אולטרה סגול, מתרחשת התגובה הבאה:
Ce3++V3+-Ce4++V2+
ככל שזמן החשיפה גדל, מינון הקרינה האולטרה סגול גדל, יחס ה-V2+ גדל וצבע הזכוכית מעמיק. למשל, קל להתקלקל בסאקה בחשיפה לאור אולטרה סגול, ושימוש בבקבוקי זכוכית צבעוניים משפיע על השקיפות, ומקשה על התצפית על התוכן. כאשר מוסיפים CeO2 ו-V203, הזכוכית חסרת צבע ושקופה כאשר זמן האחסון קצר ומינון הקרינה האולטרה סגול קטן, אך כאשר זמן האחסון ארוך ומינון הקרינה האולטרה סגול גבוה מדי, הזכוכית משנה את צבעה. ניתן להשתמש בעומק של שינוי הצבע כדי לשפוט את משך זמן האחסון.