Производство стеклянной и металлической тары

ЛЕКЦИЯ 23

 

Производство стеклянной и металлической тары

 

1. Основные материалы, используемые для производства стеклянной и металлической тары.

Как упаковочный материал для пищевой продукции стекло имеет ряд преимуществ:

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

2) 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;

3) 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.

Основные  сырьевые материалы при производстве стеклянной тары:

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.

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. 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.

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.

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.

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, 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.

Основные  сырьевые материалы при производстве металлической тары:

Жесть. Для производства банок используют белую жесть горячего лужения толщиной 0,17–0,38 мм. Она представляет собой тонкую листовую или рулонную сталь, покрытую с двух сторон оловом. Толщина слоя оловянного покрытия составляет 2–3 мкм. Дополнительно жесть может иметь лаковое или эмалевое защитное покрытие.

Белая жесть электролитического лужения более экономична, так  как для нее толщина слоя оловянного покрытия составляет 0,4–1,1 мкм. Однако такая жесть имеет худшие антикоррозионные свойства и может применяться для производства консервной тары только будучи лакированной с двух сторон.

Для изготовления штампованных банок обычно применяют белую  рулонную или листовую холоднокатанную жесть, для литографированных банок – белую листовую жесть, так как имеющееся оборудование приспособлено для нанесения печати только на листы.

Кроме белой жести  в производстве консервной тары применяется черная или хромированная рулонная жесть, покрытая с обеих сторон лаком. Такая жесть более дешевая по сравнению с белой и используется главным образом для производства укупорочных изделий.

Листы и  ленты из алюминия. Алюминий обладает удовлетворительными антикоррозионными и механическими свойствами и производится в достаточном количестве, поэтому он получает все более широкое применение для производства штампованных банок, туб и других видов специальной тары, а также крышек к стеклянным банкам.

Для получения герметичного соединения корпуса с дном и крышкой жестяной банки применяют уплотняющие материалы – тонкие пленки высушенной пасты и резиновые кольца. Резиновые кольца используют главным образом при выработке фигурных жестяных банок и крышек для стеклянных банок, а при производстве цилиндрических банок уплотняющим материалом является пленка высушенной пасты.

Водно-аммиачная  паста применяется для герметизации двойного закаточного шва цилиндрической консервной тары и не должна содержать вредных примесей.

Перед наложением на крышки водно-аммиачная паста представляет собой густую вязкую жидкость. Консистенция и состав пасты однородные, она должна быть ярко окрашена безвредной пищевой краской.

Пасту разливают по полю крышки равномерным слоем. После  высушивания при температуре 80–90°С , продолжающегося в течение 12–18 мин в туннельной или вертикальной роторной сушилке, пленка должна быть однородной, без пузырьков и пробелов. Перед закатыванием банок содержание влаги в уплотняющей пленке должно составлять не более 2 %.

Паста должна хорошо растекаться по жести и прилипать к ней. Высушенная пленка должна быть прочно связана с жестью, без изменений выдерживать в течение 2 часов температуру стерилизации 120°С, а также быть стойкой в течение длительного срока хранения консервов.

Резиновые кольца для жестяных консервных банок. Для уплотнения закаточного шва фигурных банок обычно применяют прокладочные кольца прямоугольного сечения, изготовленные из каучука без вулканизации. В материалах, используемых для производства этих колец не должно содержаться вредных примесей.

Кольца должны быть эластичными, относительное удлинение при  их растяжении составляет не менее 40% первоначальной длины. Кроме того они должны быть пластичными и не разрываться при сплющивании при температуре 70–100°С. При нагревании до 120°С в течение 30 мин с последующим охлаждением на воздухе форма их сечения и другие свойства не должны изменяться.

Кольца не должны растворяться в жире и масле, при их кипячении  в течение 30 мин в растворах кислот, сахара или поваренной соли в этих растворах не должно появляться ни вкуса, ни запаха, ни окраски. Кольца хранят при температуре 0–20°С в темном помещении или укупоренной таре. Их нельзя хранить в таре, подверженной коррозии. Срок хранения колец – 1год с момента изготовления.

Припои. Для пропайки продольного шва сборных банок применяют оловяно–свинцовый сплав (припой). Ввиду дефицитности и высокой стоимости олова разрабатываются способы применения новых видов припоев с низким содержанием олова и обладающих достаточно высокими физико-механическими свойствами.