【精品课件】包装容器结构设计

《包装容器结构设计》冯梅第五章陶瓷包装容器结构设计天津商学院包装工程系天津商学院包装工程系第五章陶瓷包装容器结构设计第一节概述第二节陶瓷容器的成型加工第三节陶瓷包装容器的表面装饰第四节陶瓷包装容器的结构设计第一节概述陶瓷（Ceramics）的传统概念是指所有以粘土等无机非金属矿物为原料的人工工业产品。它包括由粘土或含有粘土的混合物经过混炼、成形、煅烧而制成的各种制品。一、陶瓷器的分类㈠按用途不同分类日用陶瓷：如餐具、茶具、缸、坛、盆、罐等。艺术陶瓷：如花瓶、雕塑品、陈设品等。工业陶瓷：如建筑、卫生、化工瓷，耐火材料、特殊瓷等。㈡按所用原料及坯体的致密程度的不同分类从土器（BrickwareorTerra-cotta）、陶器（Pottery）、炻器（Stoneware）、半瓷器（Semi-vitreousChina）到瓷器（porcelain），原料从粗到精，坯体从粗松多孔逐步到达致密，烧结烧成的温度也逐渐从低到高。⒈半陶器（普通陶器CommonPottery）表面粗糙，坯体带色、多孔、不透明，吸水率及渗透性大，主要有盆、罐、缸、瓮等。⒉精陶器（Fineearthenware）精陶器一般为白色，不透明，4～12%的吸水率，对坯料要求不高，烧成温度较低，主要有坛、罐、瓶及卫生陶器等。⒊炻器（Stoneware）介于陶和瓷之间的一种陶瓷制品。古时称石胎。坯体致密，以完全烧结，这一点已接近瓷器，但它还没有玻化（Vitification），仍有2%的吸水率，坯体不透明，多数制品略带颜色，也有白色的，如水缸、坛等。⒋半瓷器坯料接近于瓷器，但烧成后仍有3～5%的吸水率，（瓷器0.5%以下）所以，它的使用性能不及瓷器、比精陶好。⒌瓷器是陶瓷发展的最高阶段。它的特征是坯体完全烧结，完全玻化，因此很致密，对液体和气体都无渗透性，色白，胎薄处呈透明。二、陶瓷容器的包装特点陶瓷包装容器具有以下特征：①具有良好的耐热性、隔热性、耐酸、耐碱、化学稳定性好，不与内装物发生化学作用，对环境条件适应性强；②质地坚硬，不变形，对内装物有很好的保护作用；③抗压强度高，拉伸强度相对较低，抗机械冲击强度差；④陶瓷吸水率低，特别是瓷类容器几乎不吸水，无渗透，清洁卫生，很适宜食品、化学工业品的包装；⑤原料丰富，成型力便，但生产周期较长，生产率低，尺寸误差大，一般又不能回收复用，成本较高；⑥造型变化多，色彩古朴典雅，装饰风格独特，适宜高档、名贵、礼品等商品的包装；⑦不透明，看不见内装物，不便于消费者挑选，运输也不方便。三、陶瓷原料㈠可塑性原料可塑性原料也称“粘土原料”，是陶瓷生产的主要原料。用量常达40～60%，是一种疏松的或呈胶状的紧密含水铝硅酸盐矿物。㈡非可塑性原料非可塑性原料又称瘠性原料。主要有石英、长石、熟料及瓷粉等。㈢熔剂原料主要有长石、滑石以及钙镁的碳酸盐等。这些熔剂原料在坯体中可起瘠化作用；可缩短干燥时间，减少干燥收缩和变形；能降低坯体的烧结温度，缩短培烧过程；增强坯体的半透明度，是陶瓷生产中的主要熔剂性原料。四、陶瓷坯料坯料的制备方法不仅与瓷质有关，也因成型工艺方法的不同而有所不同。陶瓷包装容器的主要成型方法是可塑成型与注浆成型，所以坯料也分为可塑成型坯料与注浆成型坯料。㈠可塑成型坯料可塑法成型所需要的坯料称为可塑性坯料。坯料的可塑程度影响着陶瓷制品的成型，即要求坯料有足够的可塑性，使其易于成型，并具有一定的干坯强度，也要注意易使坯料收缩过大或不易干燥。坯料的含水率在20～29%之间，手工成型需要含水较高，机械滚压含水可低。㈡注浆成型坯料注浆成型用的泥料是呈泥浆状态的悬浮体。坯料要求有良好的流动性。含水量高达30～35%左右，含水量要求尽量可能少，以降低干燥收缩。在生产中多习惯于用比重来控制含水量。一般控制在1.65～1.9之间；为防止造成坯体表面已硬化，而中心尚有流浆的现象，泥浆要有良好的滤过性，使水分扩散快，成型时间短，坯料中应配一定量的瘠性原料或瓷粉。㈢组织结构组织结构为不均匀的多晶混合物。⒈晶相30～70%。对陶瓷器的物化性能起决定性作用（钢筋）。晶体可形成晶架。⒉玻璃相非晶低熔点的固体，20～60%（混凝土），填充与粘结作用。可把气体排出，光泽性好。⒊气相气孔，5～10%（微气孔）。第二节陶瓷容器的成型加工一、泥料制备泥料制备的一般过程如下：二、坯体成型成型即将制备好的坯料，用各种不同的方法制成具有一定形状和尺寸的坯件（生坯）。这只是半成品，其后还要进行干燥、上釉、烧成等多道工序。陶瓷种类很多，坯体性能各异，制品的形状、大小、烧成温度不一，以及对各类制品的性质和质量要求也不相同，因而所用成型方法也多种多样。一般分为三类：可塑法、注浆法、干压法。㈠可塑法成型⒈旋压成型可塑法成型是利用坯料的可塑性，将其塑造成一定形状的容器坯件。可分为手工与机械成型两类。手工成型主要包括拉坯、模印、雕镶等方法。机械成型主要有旋压成型与滚压成型两种，目前多用滚压成型。⒉滚压成型有些深形制品，不宜采用有倾角的滚压头，滚压头的大小（端面直径）不能小于坯体底面的半径，否则坯体中心部位无法成型；但也不宜超过坯体底面半径的120%，过大造成排泥困难、压力太大等问题。㈡注浆法成型使用注浆坯料，分空心注浆与实心注浆两种成型方式。⒈空心注浆成型时，将注浆坯料（泥浆）注入石膏模内，利用石膏模的吸水性，当水分渗入石膏模后，贴近模壁的泥浆变稠，形成和模具型腔形状相同的泥层，随着时间的延长，泥层逐渐增厚，当达到所需厚度时，将多余的泥料倒出，当泥层脱水收缩到一定的程度就与模壁脱离，即可取出，形成坯体。这种方法适用于形状复杂或不规则的容器成型。如图4-5所示。⒉实心注浆实心注浆是将泥浆注入两个合起来的石膏模之间的空腔中。由于石膏模不断吸收泥浆中的水分，泥浆量自然会不断减少，因此注浆时必须陆续补充泥浆，直到泥浆全部形成坯体，注浆口已无法续补泥浆为止，如图4-6所示。为了强化注浆过程，使坯体结构致密，缩短坯体生成时间，还有压力注浆、真空注浆及离心注浆等方法。㈢干压法泥料含6～10%水分。模具是金属的，只适用于尺寸小、大口、外形简单的陶瓷器。三、干燥经过成型的陶瓷坯件仍然含有大量的水分，没有足够的强度承受搬运或后续加工过程中的压力和震动。因此，要经过干燥，排除坯体中水分以达到所要求的程度。一般来说，搬运、修坯时坯件的水分应在16～18%以下，施釉时应在2～4%左右，烧成入窑时在2～3%左右。干燥方法很多，一般有自然干燥、热空气干燥以及较为先进的辐射干燥与微波干燥等。四、修坯、粘接粘接：是针对那些不能一体成型的容器，先把坯件主体和部件（如握柄、挂环等）分别成型，然后用泥浆将部件粘接在主体上。分湿接与干接。修坯：是对坯体进行打磨、刮边、割口、扎眼及挖底等加工。提高表面光洁度，去除毛刺、浮土，完成坯件的局部加工。五、施釉釉是附在陶瓷表面的一种玻璃或玻璃与晶体的连续粘着层。在陶瓷表面施釉可使其表面平滑、光泽、抗污染性增强，降低吸水性，同时提高强度、表面硬度及耐化学腐蚀性，加强了陶瓷容器的装饰性。施釉前必须对需施釉的表面进行处理（除去积尘、浮土、污垢、油渍等），以保证坯体对釉浆的良好附着。常用的施釉方法有以下几种：㈠浸釉法此法适用于素烧过的小件制品。原胎坯件。㈡喷釉法适用于器壁较薄、大型易碎生坯。㈢淋釉法（浇釉）一般适用于无法浸釉的大型陶瓷制品。㈣刷釉法适用于同时施几种不同的釉料。六、烧成坯体经高温煅烧成为瓷的工艺过程称为烧成。它是陶瓷制造工艺过程中最重要的工序之一。烧成分为一次烧成和二次烧成。一次烧成是将生坯施釉入窑煅烧成瓷。二次烧成是将素烧过的坯体施釉，再釉烧成瓷。坯体在烧成过程中会出现一系列的物理、化学变化，一般分为四个阶段：⒈水分蒸发阶段（室温～200℃或300℃）这个阶段主要是排除坯体内残余水分。⒉氧化分解及晶型转化阶段（200℃或300℃～900℃或1100℃）主要反应是结晶水排除，有机物氧化，碳酸盐、硫酸盐分解以及石英晶型的转化。⒊釉层玻化、坯体瓷化阶段（900℃或1000℃～烧成温度）这个阶段是整个烧成过程的关键。在此阶段，氧化和分解作用继续进行，形成液相及固相的熔融，形成新的结晶相，晶型转化，整个坯体致密化。⒋冷却阶段（烧成温度～室温）冷却阶段使液相逐渐变为玻璃相成分，最总是坯件硬化定型。七、石膏模与加放尺寸由于坯件成型后的干燥和烧成过程中都要产生收缩，为了获得合格的烧成后制品尺寸，石膏模相应的型腔尺寸应在烧成后制品尺寸的基础上，按收缩率加放尺寸，习惯称为放尺。放尺后的型腔尺寸，可按下式计算：第三节陶瓷包装容器的表面装饰一、施釉普通釉料分为白釉和色釉。白色清洁卫生，色釉具有良好的装饰效果。㈠原釉长石釉和石灰釉是一种本色釉，也是透明釉的一种，是由石英、长石、石灰石、高岭土、粘土及废瓷粉等组成。白云石釉和滑石釉是在石灰釉中引入长石之后又引入白云石和滑石，使釉的熔融范围加宽了，同时还大大提高了白度和透明度。㈡色釉是在原釉中加入着色金属氧化物或其盐类，使釉呈现美丽的颜色。例如以铁为着色剂在还原焰中烧成青色，以铜为着色剂在还原焰中烧成红色。㈢透明釉和乳浊釉绝大部分釉是具有玻璃光泽的透明釉。有时为了特殊装饰的要求，或为了遮盖不够洁白的坯体，也采用乳浊釉，它是在釉中添加乳浊剂，使其呈不透明的乳浊状。例如：TiO2SnO2CaF2NaF等乳浊剂。㈣特殊釉⒈裂纹釉⒉结晶釉⒊流动釉⒋光彩釉⒌无光釉⒍颗粒釉二、彩绘在生坯体或素烧坯体上彩绘而后是一层透明釉，彩绘分釉上、釉下和釉中彩三种。⒈釉下彩绘是将坯体先经低温素烧（700℃～800℃），然后进行手工彩绘，再低温素烧一次，最后施上无色透明釉（一般为石灰釉）入窑以高温烧成。⒉釉上彩绘是在已烧成的瓷器的釉面上饰以釉上彩料，置于烤花窑内以600℃～850℃的低温烧成。由于烧成温度较低，所以可以用的色彩种类较多，但其色料是施在釉层表面之上，结合不够牢固，易受磨损，不及釉下彩经久耐用。⒊釉中彩会由于釉上彩有铅和镉毒性的危害，因此设法在短时间内迅速提高烤烧温度，使颜料渗入釉中，冷却后釉面封闭，花面被浸在釉中，显现出近似于釉下彩的效果。三、贴花、印花、喷花彩绘依靠手工操作，对绘制人员要求较高，而贴花等操作技术简单，易于掌握，生产率高。⒈贴花釉下贴花：贴纸花（画、照片），再涂釉，然后入窑烤烧而成。釉上贴花：贴塑料膜的花与画，不再烧,涂透明树脂（PVC、PS）。⒉印花是利用刻有花纹图案的橡皮印戳，将印戳均布彩料，即可把花纹图案印到坯件上。印花也分釉上印花和釉下印花。印花效率更高，但只适用于单色。⒊喷花如同日常喷字技法一样，是利用镂空的模版，用压缩空气喷枪将彩料喷到模版上，在制品上形成花纹图案。第四节陶瓷包装容器的结构设计在陶瓷容器的结构设计中，既要考虑包装功能、材料的成型特性以及工艺过程，又要具有一定的艺术性。坯体在焙烧前的各个工序中都有产生变形的可能，焙烧时坯体的收缩将导致更大的变形，因此在结构设计中应根据力学性质考虑受力的平衡，设计出合理的造型与结构。在实用和美观的前提下，尽可能设计简单的外形，这是容器设计的基本原则。一、口部结构二、肩部结构口部之下是颈部，颈部的造型与结构缺乏独立性，因它既受口部的制约，同时又受到肩部的制约，是一过渡部位。肩部的造型加以改变，不仅使得整个容器外观得以改变，而且可以减少容器加工中的变形。三、腹部结构它是容器的主体部分，从属于整体造型设计。从腹部到足部之间的线型不宜太软，应采用挺拔有力的线段，增加支撑力，对减少变形有一定的作用，同时可防止容器上部泥料的下塌。四、足部、底部结构足部与口部都是容器整体造型的终端，对造型的整体效果具有重要的作用。足部也是容器稳定的关键。腹部和足部的大小、高低比例要合理。足不宜高而斜，如果腹大足小、足高而斜，则会因坯体收缩及重力作用使受力不平衡，产生腹部下陷或足部变形。如足大底低，则烧成中底容易下榻与垫片粘连。常见足部结构如图4-12所示。五、密封结构⒈一次密封内径密封：用直径大于口径的塞子紧配合。外径密封：扣盖加包封。螺纹瓶口可采用陶瓷或塑料盖，并配以密封衬垫或内塞。⒉二次密封涂可剥性树脂，进行收缩包装