在GB/T 24694 - 2009 玻璃容器 白酒瓶和GB 4544 - 1996啤酒瓶以及QB∕T 2142-2017 玻璃容器 含氣飲料瓶等玻璃容器的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中，都要求這些玻璃容器的真實(shí)應(yīng)力≤4級(jí)。

 

目前，國家包裝產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心已經(jīng)開始對(duì)玻璃容器生產(chǎn)單位進(jìn)行玻璃容器產(chǎn)品的內(nèi)應(yīng)力抽查。2019年10月由中國計(jì)量測(cè)試學(xué)會(huì)玻璃分析檢驗(yàn)專業(yè)委員會(huì)、國家包裝產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心召開的濟(jì)南會(huì)議上，國家包裝產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心對(duì)玻璃容器生產(chǎn)單位進(jìn)行玻璃容器產(chǎn)品的內(nèi)應(yīng)力抽查情況進(jìn)行了通報(bào)。

 

因此關(guān)于玻璃容器產(chǎn)品的理化性能指標(biāo)：耐內(nèi)壓力、抗熱震性、抗沖擊、內(nèi)應(yīng)力、內(nèi)表面耐水性全部都開始實(shí)行國家抽查。

力、內(nèi)表面耐水性全部都開始實(shí)行國家抽查。
 

一、玻璃容器的應(yīng)力

 

物質(zhì)內(nèi)部單位截面上的相互作用力稱為內(nèi)應(yīng)力。

 

玻璃容器的生產(chǎn)過程中，制作完成后的玻璃容器產(chǎn)品中因各種原因，還或多或少地存在應(yīng)力。根據(jù)產(chǎn)生應(yīng)力的原因可以分為：

① 結(jié)構(gòu)應(yīng)力  因化學(xué)組成不均勻?qū)е陆Y(jié)構(gòu)不均勻形成結(jié)構(gòu)應(yīng)力，這屬于永久性應(yīng)力。包括但不限于氣泡、結(jié)石、條紋產(chǎn)生的應(yīng)力、在熔化過程由于混料不均勻產(chǎn)生的應(yīng)力，這些應(yīng)力存在于不均勻的結(jié)合界面上，由于成份不一，熱膨脹系數(shù)不同，而形成玻璃容器裂紋源。

 

另外由于造型設(shè)計(jì)而產(chǎn)生的應(yīng)力，比如帶棱或角的玻璃容器的棱角部位是張應(yīng)力較大的地方，這也屬于結(jié)構(gòu)應(yīng)力。

 

由于成分不均勻而形成的微小不均勻所造成的應(yīng)力也稱為結(jié)構(gòu)應(yīng)力或微觀應(yīng)力。這種微觀應(yīng)力非常小，一般對(duì)玻璃容器的機(jī)械強(qiáng)度影響不大。

 

② 機(jī)械應(yīng)力  是玻璃容器在受外力作用時(shí)，在玻璃容器中引起的應(yīng)力，當(dāng)外力除去時(shí)，應(yīng)力隨即消失。

 

③ 熱應(yīng)力  在玻璃容器成型過程中，由于冷卻時(shí)散熱不均勻出現(xiàn)溫差所產(chǎn)生的應(yīng)力稱為熱應(yīng)力。

 

玻璃中的熱應(yīng)力按其存在的特點(diǎn)，分為暫時(shí)應(yīng)力和永久應(yīng)力。

 

玻璃在加熱或冷卻過程，因內(nèi)外的溫度差會(huì)形成一定的溫度梯度，產(chǎn)生一定的熱應(yīng)力，這種熱應(yīng)力隨著溫度梯度的存在而存在，隨著溫度梯度的消失而消失，所以稱為暫時(shí)應(yīng)力。

 

玻璃在常溫下，外層溫度均衡后，即溫度梯度消失后，在玻璃中仍然存在著熱應(yīng)力，這種應(yīng)力稱為永久應(yīng)力或殘余應(yīng)力。

 

玻璃容器中的熱應(yīng)力通常是極不均勻的，嚴(yán)重時(shí)會(huì)降低玻璃容器的機(jī)械強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性，影響玻璃容器的安全使用，甚至?xí)l(fā)生玻璃容器自裂現(xiàn)象。

 

因此，為了保證使用時(shí)的安全，對(duì)各種玻璃容器都規(guī)定其殘余的內(nèi)應(yīng)力不能超過某一規(guī)定值。測(cè)量玻璃容器的內(nèi)應(yīng)力是控制質(zhì)量的 一種手段。

 

二、玻璃容器內(nèi)應(yīng)力測(cè)量

 

2.1 玻璃中的內(nèi)應(yīng)力與光程差

 

玻璃是透明材料，而且是一種均質(zhì)體，它具有各向同性的性質(zhì)，當(dāng)單色光通過玻璃時(shí)，光速與其傳播方向和光波的偏振面無關(guān)，不會(huì)發(fā)生雙折射現(xiàn)象。

 

但是，由于外部的機(jī)械作用或者玻璃容器成型后從軟化點(diǎn)以上的不均勻冷卻，使玻璃容器具有殘余應(yīng)力時(shí)，各向同性的玻璃在光學(xué)上就成為各向異性體。這種情況下，單色光通過玻璃時(shí)就會(huì)分離為兩束光，一束光（O光）在玻璃內(nèi)的光速及其傳播方向、光波的偏振面都不變，所以仍沿原來的入射方向前進(jìn)，到達(dá)第二個(gè)表面時(shí)所需的時(shí)間較少，所經(jīng)過的路程較短；另一束光（E光）在玻璃內(nèi)的光速及其傳播方向、光波的偏振面都發(fā)生變化，因此偏離原來的入射方向，到達(dá)第二個(gè)表面時(shí)所需的時(shí)間較多，所經(jīng)過的路程較長。第一束光和第二束光的這種路程之差稱為光程差。測(cè)出這種光程差的大小，就可計(jì)算玻璃的內(nèi)應(yīng)力。

 

圖一  光線通過有應(yīng)有力玻璃時(shí)的雙折射現(xiàn)象
 

 

2.2 玻璃容器內(nèi)應(yīng)力測(cè)量原理

 

應(yīng)力儀的工作原理如圖2所示。由光源1發(fā)出的光經(jīng)起偏鏡 2 后，變成平面偏振光(假設(shè)其振動(dòng)方向?yàn)榇怪狈较?，當(dāng)旋轉(zhuǎn)檢偏鏡 5 與之正交時(shí)，偏振光不能通過，用眼睛 6 觀察時(shí)視場(chǎng)呈黑色。若在光路中放入有應(yīng)力的玻璃試樣 3 時(shí)，該偏振光通過玻璃后被分解為具有程差的水平偏振 光和垂直偏振光。當(dāng)兩束偏振光通過1／4 波片 4 后，被合成為平面偏振光，但此時(shí)的平面偏振光的偏振面對(duì)起偏鏡產(chǎn)生的平面偏振光的振動(dòng)方向有一個(gè)角的旋轉(zhuǎn)。因此，在視場(chǎng)中就可看到兩條黑色條紋隔開的明亮區(qū)。旋轉(zhuǎn)檢偏鏡，重新使玻璃中心變黑，根據(jù)檢偏鏡的角度差，就可計(jì)算玻璃的光程差。

 

圖2  補(bǔ)償器測(cè)定法原理
 

 

三、玻璃容器的退火

 

為了解決玻璃容器在生產(chǎn)過程中，由于溫差所產(chǎn)生的熱應(yīng)力，所以在玻璃容器生產(chǎn)工藝中有退火的工序。

 

3.1 玻璃容器退火原理

 

玻璃容器在成型過程中，經(jīng)過轉(zhuǎn)變溫度區(qū)域（Tf～Tg）時(shí)，玻璃由典型的液態(tài)轉(zhuǎn)變成脆性狀態(tài)。而在點(diǎn)以下的相當(dāng)?shù)臏囟确秶鷥?nèi)玻璃分子仍然能夠進(jìn)行遷移，可以消除玻璃中結(jié)構(gòu)狀態(tài)的不均勻性和熱應(yīng)力。同時(shí)因?yàn)椴Ａд扯认喈?dāng)大，以致幾乎不發(fā)生其外形的改變，這段溫度區(qū)域成為玻璃的退火區(qū)域。

 

由于玻璃在應(yīng)變點(diǎn)以上時(shí)具有粘彈性，它不能長時(shí)間承受各方向不平衡力的作用，玻璃內(nèi)結(jié)構(gòu)基團(tuán)在力的作用下產(chǎn)生位移和變形，使溫度梯度所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力得以消失。

 

玻璃容器的退火過程就是將玻璃放置在某一溫度下保持足夠時(shí)間后再以緩慢的速度冷卻，以便不再產(chǎn)生超過允許范圍的永久應(yīng)力和暫時(shí)應(yīng)力。實(shí)質(zhì)就是減小或消除應(yīng)力并防止新的應(yīng)力產(chǎn)生。

 

玻璃容器退火是一個(gè)創(chuàng)建勻熱和結(jié)構(gòu)調(diào)整所需的、均勻的溫度場(chǎng)，減小各部之間的結(jié)構(gòu)差，使冷至剛體被固定的。

 

3.2 玻璃容器退火溫度與退火溫度范圍

 

為了消除玻璃容器中的永久應(yīng)力，必須將玻璃容器加熱到低于玻璃轉(zhuǎn)變溫度附近的某一溫度進(jìn)行保溫均熱，以消除玻璃容器各部分的溫度梯度，使應(yīng)力松弛。這個(gè)選定的保溫均熱溫度，稱為退火溫度。玻璃在退火溫度下，由于粘度較大，應(yīng)力雖然能夠松弛，但不會(huì)發(fā)生可測(cè)得出的變形。玻璃的最高退火溫度是指在此溫度下經(jīng)過三分鐘能消除應(yīng)力95%，一般相當(dāng)于退火點(diǎn)(η=1012帕·秒）的溫度，也叫退火上限溫度；最低退火溫度是指在此溫度下經(jīng)三分鐘只能消除應(yīng)力5%，也叫退火下限溫度。最高退火溫度至最低退火溫度之間稱為退火溫度范圍。

 

大部分器皿玻璃最高退火溫度為550±20℃；瓶罐玻璃為550～600℃。

 

實(shí)際上，一般采用的退火溫度都比最高退火溫度低20～30℃，低于最高退火溫度50～150℃時(shí)為最低退火溫度。

 

由于退火爐測(cè)溫元件的安裝位置和插入深度的影響，實(shí)際退火溫度與理論退火溫度是有差距的。

 

玻璃容器退火溫度的設(shè)定是為保證玻璃容器熱應(yīng)力的消除，關(guān)鍵是要根據(jù)玻璃容器的外型和壁厚來制定玻璃容器的冷卻速度，如果冷卻速度不合適會(huì)使玻璃容器的退火質(zhì)量不好。形狀復(fù)雜的玻璃容器，應(yīng)力更容易集中，所以保溫時(shí)，溫度應(yīng)適當(dāng)?shù)靥岣?；冷卻的速度也要慢一些。

 

3.3 玻璃容器退火工藝

 

玻璃容器的退火工藝可分為四個(gè)階段：加熱階段、均熱保溫階段、慢冷階段和快冷階段。

 

圖3   常用退貨曲線（溫度僅供參考）

 

① 加熱階段

 

加熱時(shí)玻璃容器表面為壓應(yīng)力，升溫速度可較快。

           Ｈ（最大速度）＝130／a²　（℃／分）

其中  ａ：玻璃容器的總厚度，單位：厘米

② 保溫階段

 

主要目的是消除玻璃容器在快速加熱時(shí)以及成型時(shí)產(chǎn)生的溫度梯度，并消除玻璃容器中所固有的內(nèi)應(yīng)力。這一階段的主要參數(shù)時(shí)退火溫度和在此溫度下的保溫時(shí)間。

 

一般保溫時(shí)間是：

 

　　　?。裕ū貢r(shí)間）＝ 520 a² ／△n

 

其中    △n:允許永久應(yīng)力的雙折射值，納米／厘米。

 

ａ：玻璃容器厚度的一半，單位：厘米。 

 

③ 慢冷階段

 

在玻璃容器中原有應(yīng)力消除后，必須防止就在降溫過程中由于溫度梯度而產(chǎn)生新的應(yīng)力。這主要靠正確的制定并嚴(yán)格的控制玻璃容器在退火溫度范圍的冷卻制度來實(shí)現(xiàn)。這個(gè)階段的冷卻速度應(yīng)當(dāng)很低，尤其在溫度較高階段，因?yàn)檫@時(shí)由溫度梯度嘗試的熱彈性應(yīng)力松弛很大，轉(zhuǎn)變成永久應(yīng)力的趨勢(shì)也大，所以冷卻速率應(yīng)最低。慢冷卻主要由玻璃容器所允許的永久應(yīng)力決定。慢冷階段的結(jié)束溫度，必須低于玻璃的應(yīng)變點(diǎn)。也就是說，要把玻璃容器慢冷到玻璃的結(jié)構(gòu)完全固定以后，才不會(huì)有永久應(yīng)力產(chǎn)生的可能。

 

④ 快冷階段

 

快冷階段是指從應(yīng)變溫度到室溫這段溫度區(qū)間。在本階段內(nèi)，只能引起暫時(shí)應(yīng)力，在保證玻璃容器不致因熱應(yīng)力而破壞的前提下，可以盡快冷卻玻璃容器。

 

快冷階段速度一般是：

 

       Ｈ（快冷速度）＝　65／a²　（℃／分）

 

       ａ：玻璃容器厚度的一半，單位：厘米。

 

 

四、玻璃容器內(nèi)應(yīng)力不合格時(shí)的應(yīng)對(duì)

 

企業(yè)在玻璃容器的生產(chǎn)過程中，有時(shí)會(huì)遇到玻璃容器內(nèi)應(yīng)力檢測(cè)不合格。前面我們已介紹了應(yīng)力和退火的關(guān)系，那么出現(xiàn)玻璃容器內(nèi)應(yīng)力檢測(cè)不合格就要在退火設(shè)備和退火工藝兩個(gè)方面去尋找原因。

 

4.1 正常生產(chǎn)時(shí)出現(xiàn)應(yīng)力不合格

 

正常生產(chǎn)時(shí)，玻璃容器產(chǎn)品的內(nèi)應(yīng)力檢測(cè)程序應(yīng)該是最少每個(gè)小時(shí)測(cè)試一次，每次從退火爐橫向上按照 左、中、右各取一個(gè)共取3個(gè)瓶子進(jìn)行應(yīng)力檢測(cè)；如果發(fā)現(xiàn)應(yīng)力大于4級(jí)則進(jìn)行復(fù)查，按照不合格產(chǎn)品的區(qū)位重新取樣。

 

正常生產(chǎn)時(shí)，玻璃容器產(chǎn)品的內(nèi)應(yīng)力不合格，一般來講是退火設(shè)備出現(xiàn)故障。由于退火爐的故障，使退火工藝無法得到保證。

 

退火爐的故障包括電加熱器、循環(huán)風(fēng)機(jī)、吸排氣口的開度和退火爐進(jìn)出口的閘板。特別是要仔細(xì)檢查電加熱器，一般電加熱器是三相供電，如果有一相出現(xiàn)故障，電加熱器發(fā)熱效率會(huì)大大下降影響退火爐的溫度。

 

4.2 非正常生產(chǎn)時(shí)出現(xiàn)應(yīng)力不合格

 

成型出現(xiàn)設(shè)備故障，使進(jìn)退火爐的玻璃容器產(chǎn)品不足，排列稀疏。如果成型設(shè)備故障需要維修時(shí)間不長，對(duì)玻璃容器產(chǎn)品退火后應(yīng)力影響不大。但是成型設(shè)備故障需要維修時(shí)間較長，也可能會(huì)使玻璃容器產(chǎn)品退火后出現(xiàn)應(yīng)力不合格。這種情況下應(yīng)提前對(duì)退火爐的溫度作適當(dāng)調(diào)整。

 

退火爐一般是在兩側(cè)壁安裝有電加熱器，同時(shí)測(cè)溫元件也安裝在側(cè)壁，因此退火爐的溫度控制系統(tǒng)基本上可以保證退火爐兩邊的溫度在控制范圍。但是當(dāng)成型出現(xiàn)設(shè)備故障，退火爐進(jìn)瓶數(shù)減少使退火爐網(wǎng)帶中間玻璃容器排列稀疏。這種情況就有可能因?yàn)檫M(jìn)瓶數(shù)減少使玻璃容器帶進(jìn)退火爐的熱量減少，使退火爐網(wǎng)帶中間溫度不達(dá)標(biāo)而產(chǎn)生玻璃容器應(yīng)力問題。這種情況退火爐的測(cè)溫元件不一定能夠檢測(cè)到。

 

4.3 玻璃容器退火溫度的設(shè)定不合理

 

對(duì)于產(chǎn)品品種多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜的生產(chǎn)線，必須正確設(shè)定玻璃容器退火溫度。

 

由于市場(chǎng)的需要，企業(yè)可能在一臺(tái)成型設(shè)備上同時(shí)生產(chǎn)單重差不多的多個(gè)產(chǎn)品，因此會(huì)在一個(gè)退火爐對(duì)不同的玻璃容器進(jìn)行退火。這些產(chǎn)品的玻璃組成是一樣的，退火爐的退火溫度就要按產(chǎn)品壁厚最薄的玻璃容器的壁厚數(shù)據(jù)來確定，以免由于溫度高使玻璃容器產(chǎn)生變形。升溫和降溫的速度按壁厚最厚的玻璃容器的壁厚數(shù)據(jù)來確定，以保證壁厚較厚玻璃容器產(chǎn)品不致因熱應(yīng)力而產(chǎn)生裂紋。

 

化學(xué)組成不同的制品在同一退火爐內(nèi)退火時(shí)，應(yīng)選擇退火溫度最低的玻璃制品作為保溫溫度，同時(shí)采取延長保溫時(shí)間的措施。

 

解決玻璃容器內(nèi)應(yīng)力不合格的問題并不復(fù)雜，第一個(gè)關(guān)鍵是要管理好退火設(shè)備即退火爐。第二個(gè)關(guān)鍵是正確設(shè)定退火工藝即退火溫度曲線。