Universitatea tefan cel Mare Suceava Facultatea de Inginerie Alimentar Specializarea Ingineria Produselor Alimenatre

STICLA- MATERIAL DE AMBALAJ

Student : Carcea Gabriela, IPA, anul IV

CUPRINS

CAPITOLUL I PREZENTARE GENERALA1.1.Istoric1.2. Introducere1.3. Compoziia i structura sticlei1.4. Obinerea sticlei1.4.1. Amestecarea i topirea1.4.2. Prelucrarea sticlei topite1.4.3. Recoacerea recipientelor din sticl1.4.4. Tratamente de suprafaa1.5. Proprietile sticlei1.5.1 Proprietile fizico-mecanice ale sticlei1.5.2. Proprietile chimice ale sticlei1.5.3. Proprietile termice ale sticlei1.5.4. Proprietile optice ale sticle1.6 Tipuri de sticl

CAPITOLUL I PREZENTARE GENERALA

Originea sticlei se pierde in antichitate i legenda, primele vase din sticl se pare c au fost sculptate din blocuri solide cu circa 3000 ani i.e.n. Sticla a fost descoperit de ctre civilizaiile egiptene i siriene, contemporane i rivale, aa cum dovedesc atat obiectele i recipientele datand din acea epoc cat i inscripiile cuneiforme care conin primele reete ale sticlei. Acestea s-au rspandit, prin negutorii fenicieni, spre Asia Mic i India i spre Occident pan la celi i in Spania. Ulterior Roma a continuat rspandirea artei sticlei in teritoriile in care ii exercita dominaia dar invazia popoarelor migratoare a determinat migrarea artitilor sticlari din Galia i Italia spre Bizant. Tehnicile de turnare a sticlei topite sau de suflare a firelor de sticl peste matrie de nisip sau dezvoltat cu circa 1000 ani i.e.n., avand ca rezultat obinerea unor obiecte folositoare din sticl. Dar adevrata revoluie in obinerea sticlei a avut loc cu circa 200 ani i.e.n., odat cu introducerea tubului metalic de suflare. Materialul topit fierbinte i vascos ader la acest tub i se umfl atunci cand se sufl pe la cellalt capt, permiand obinerea de obiecte goale din sticl. in anii 200 e.n. 1.2. IntroducereSticla a fost definit de Societatea American de testare i materiale ca un produs anorganic amorf de fuziune, care este rcit in condiii dure fr cristalizare.

Sticla este considerat materialul ideal pentru ambalaje datorit caracteristicilorsale i a avantajelor pe care le ofer ca ambalaj. La temperaturi mai nalte se comport ca lichidele subrcite cu vscozitate mare. Nu au punct de topire definit. Prin nclzire se nmoaie treptat, pn la lichefiere, ceea ce permite prelucrarea sticlei prin suflare, presare, turnare, laminare.Sticla este utilizat cu precdere la ambalarea produselor lichide sau vscoase n domeniul alimentar, dar i n industria farmaceutic, la ambalarea produselor chimice etc.Exist dou tipuri de ambalaje de sticl utilizate n industria alimentar i anume: sticle i borcane.Avantajele utilizrii sticlei ca material de ambalare sunt urmtoarele: este impermeabil la gaze, vapori, lichide; este inert din punct de vedere chimic fa de produsele alimentare i nu pune probleme de compatibilitate cu produsul ambalat; este un material igienic, uor de splat i care suport sterilizarea; nu transmite i nu modific gustul alimentelor; este transparent, permind vizualizarea produselor; poate fi colorat, aducnd astfel o protecie suplimentar a produsului mpotriva radiaiilor ultraviolete; este un material rigid care poate fii realizat n forme variate; are o bun rezisten la presiuni interne ridicate, fiind utilizat la ambalarea unor buturi ca: ampanie, cidru etc.; este reciclabil, nu polueaz mediul; se poate inscripiona uor prin ataarea de etichete.Utilizarea sticlei ca material de ambalaj prezint i dezavantaje legate de: rezistent la oc mecanic, rezultnd dificulti n transport i depozitare; rezisten sczut la oc termic; mas proprie mare.Din sticl sunt realizate ambalajelor sub form de pahare, borcane, butelii, flacoane etc, pentru produsele alimentare lichide, pstoase i chiar pentru cele solide.Convenional, ambalajele de sticl se pot grupa n dou mari categorii: ambalaje de sticl cu gt ngust (diam. interior sub 30 mm) - butelii pentru ambalarea lichidelor; ambalaje de sticlcu gt larg - borcane pentru ambalarea produselor semilichide sau solide.1.3. Compoziia i structura sticleiSticla este un material transparent cu formula SiO2(Na2O)m(CaO)n. Oxidul de siliciu este elementul care confer prin excelen transparenta sticlei dar fiind foarte refractar, este ajutat de un metal care se topete (fondant) pentru ajuta trecerea sa la starea sticloas prin reducerea temperatura de topire a amestecului. Principalul fondant este oxidul de sodiu Na2O introdus in compoziie prin carbonat de sodiu sau sulfat de sodiu. Sulfatul de sodiu conine oxid de fier Fe2O3 astfel c nu se folosete la fabricarea sticlei albe - incolore dar se folosete la confecionarea buteliilor din sticl O asemenea sticla este foarte alterabil, putandu-se chiar dizolva in ap (sticla solubil) astfel ca in compoziia materialului trebuie s se adauge un stabilizator de obicei o baz alcalino-praantoas. Cei mai utilizai stabilizatori sunt carbonai de calciu i de magneziu (calcarul i dolomitul) care previn dizolvarea sticlei in ap. Componentele fundamentale ale sticlelor obinuite care ajut ca elemente secundare sunt:- alumina Al2O, care intarzie devitrificarea, mrete rezistenta mecanic a sticlei i rezistenachimic la ap, ageni atmosferici i reactivi acizi sau alcalini. Se introduce sub form de feldspatsau alumin hidratat- afntori care produc eliminarea bulelor gazoase coninute de sticla in curs de topire.Aceste substane se descompun i degaj un volum mare de gaz contribuind la omogenizareaamestecului. Cei mai obinuii sunt anhidrida arsemea, mtratul de potasiu, nitratul de sodiu isulfatul de sodiu - sticl rebut provenit din fabricaiile anterioare care uureaz topirea atunci cand esteadaugat la amestec, avand avantajul economisirii de materii prime- decoloranti folosii in cazul obinerii sticlei incolore deoarece materialele utilizate laobinerea sticlei nu sunt prea pure. Printre impuritti se numr fierul, aflat indeosebi in nisip i calcar, care transmite sticlei, in timpul topirii, o tent ce trebuie neaprat corectat dac se dorete obinerea sticlei incolore' Principalii decolorand folosii sunt dioxidul de mangan, anhidrida arsenic i oxizii de Ni, Co, Se.- opacificatori i colorani care modific aspectul i culoarea sticlei.Alte ingrediente sunt adugate pentru a imbunti unele proprieti fizice ale sticlei. Ocompoziie tipic pentru sticl este 'urmtoarea: SiO2 68-73% Na2O 12-15%, CaO 10-13%, MgO 0,3-3%, Al203 1,5-2%, Fe2O 0,05-0,25% i SO2 0,05-0,2% cu uoare variaii in funcie de productor i de materiile prime folosite. In afara acestora se mai pot folosi ca adaosuri oxizi de plumb, zinc, bariu, potasiu, litiu, crom, nichel etc. De exemplu plumbul ii confer claritate i strlucire, dei pe seama inmuierii sticlei, iar adaosul de bor diminueaz pierderea sediului din reea care antreneaz cu el i siliciu din sticl. 1.4. Obinerea sticleiPrincipalul constituent al sticlei este oxidul de siliciu (68-73%), urmtorul fiind sticla spart i reciclat provenit de la fabrici sau de la consumatori. Preocuprile legate de protecia mediului inconjurtor au luat in considerare aspectul reciclrii sticlei. Dei folosirea deeurilor de sticl poate produce probleme produciei unor anumite tipuri de sticl dac nu se face o separare corect in funcie de culoare i indeprtarea materialelor asociate cum sunt etichetele, folosirea sticlei reciclate este economic deoarece cantitatea de energie necesar pentru topirea acesteia este mult mai mic decat pentru topirea materiilor prime. De asemenea, se reduce cantitatea de praf i alte particule care insoesc adesea materiile prime.

1.4.1. Amestecarea i topireaPrima etap a fabricrii sticlei const in omogenizarea amestecului format din constitueni, in prealabil adui in stare pulverulent, dozai corespunztor i introdui in amestectoare rotative. Compoziia omogenizat ete introdus in cuptoare din crmid refractar in vederea obinerii propriu-zise a sticlei prin topire la temperatur ridicat (1450-1500C). in cuptor amestecul rezultat este transformat in sticl topit care la final trebuie s fie omogen din punct de vedere chimic i liber de incluziuni gazoase. Procesul de topire const din dou faze: trecerea din stare solid in stare lichid i stabilizarea (rafinarea) lichidului. Fenomenele fizice i chimice care au loc la topirepot fi explicate astfel: a) Din punct de vedere fizic se produce o dizolvare reciproc a materialelor solideprezente cu formarea de combinaii, adesea complexe, dar aspectul esenial este faptul ctopirea se produce spre 1300C, o temperatur mult mai 'sczut decat temperatura de topire aprincipalelor elemente iniiale (circa:1750C pentru SiO2 i 2500C pentru calcar). b) Din punct de vedere chimic pot avea loc deshidratri, disocieri prin cldur, oxidoreducerei interaciuni succesive sau simultane ale diverilor componeni care particip laprepararea sticlei

1.4.2. Prelucrarea sticlei topiteSticla este prelucrat in stare vascoas, intr-un interval de temperatur in care vascozitatea variaz mult. Este deci important s se cunoasc variaiile acestei vascoziti care depind de temperatur i de compoziia sticlei. Sticia se aduce i se menine uor la temperatura de lucru dorit dar trebuie s se evite un fenomen oricand posibil i anume, cristalizarea parial a masei topite, cunoscut mai ales sub numele de devitrificare. Pentru evitarea acestui fenomen, trebuie, inainte de toate, s se aleag corect, compoziia sticlei i s se treac rapid peste temperaturile periculoase pentru a se ajunge la o vasco-zitate la care nu se poate produce cristalizarea.Sticla topit este trecut din furnal in maina de formare intr-o structur canelat, numit antecreuzet, care este meninut cald cu un anumit numr de arztoare mici, scopul fiind asigurarea unei distribuii uniforme de temperatur in masa de sticl topit. La captul acestui dispozitiv se afl mecanismul de formare a picturilor de sticl care const dintr-o sit rotativ i un plunger vertical. Este necesar controlul exact al temperaturii i formei in timpul formrii picturilor de sticl pentru o producie cu vitez mare a unor recipiente din sticl corecte, temperatura fiind de 1100 C. Procesul de convertire a formei cilindrice intr-o butelie sau un borcan se numete formare i se realizeaz pe maini de formare, principalul tip de astfel de maini fiind IS (Individual Sections) care const din mai multe seciuni cu funcionare individual, in funcie de capacitate. Aceste maini efectueaz dou operaii: modeleaz sticla topit intr-un recipient gol i preiau cldura de la materialul topit pentru a preveni deformarea semnificativ sub aciunea propriei greuti. Se folosesc dou procese de baz: suflare + suflare (blow & blow) i presare + suflare(press & blow).

1.4.3. Recoacerea recipientelor din sticla Fabricarea sticlei se incheie cu recoacerea, operaie care are ca obiectiv eliminarea, dinrecipientele obinute a tensiunilor interne dezvoltate in timpul modelarii, tensiunilor carecompromit soliditatea. Recoacerea efectuat la temperaturi bine stabilite, in funcie de tipul desticl, restabileste echilibrul molecular al materialului, temperatura de recoacere fiind cea carepermite ca acest lucru sa se realizeze in cateva minute. Recoacerea se realizeaz prin creterea temperaturii recipientelor la circa 540 C, aproape de temperatura de topire a sticlei, mentmerea la aceast temperatura timp de cateva minute, apoi rcirea cu o vitez corespunztoare pentru indeprtarea tensiunilor din pereii recipientelor. In timpul rciri suprafaa interioara este mai fierbinte decat cea exterioara ceea ce determina o comprimare a suprafetei interioare si aparitia de tensiuni in suprafata interioara.

1.4.4. Tratamente de suprafa Rezistena recipientelor din sticl noi poate fi redusa rapid prin actiunea umiditatii sau prin frecare, de aceea sunt necesare tratamente ale suprafetei. Aceasta s-a realizat pentru prima data intamplator, cu ani in urma, prin formarea unui strat de sulfat de sodiu pe suprafata sticlei in timpul recoacerii, datorita SO2 prezent in mediul de incalzire. Recipientele din sticl sunt supuse la dou tipuri de tratament de suprafata: unul interior pentru imbunatatirea proprietetilor chimice si unul exterior pentru modificarea proprietilor mecanice. Suprafaa interioar poate fi imbuntit prin doua metode, prima conta in injectarea SO2 gazos adesea de sulfat de moniu, in recipientul aflat la temperatura de 550-600C. Gazul reacioneaz cu atomii de sodiu formand un depozit ceos de sulfat de sodiu pe suprafa. Acest strat ceos este ulterior splat de materialul de umplere, lsand o suprafa extrna de rezistent la atac chimic. Cu toate c era des folosit in trecut pentru buteliile de ampanie, in prezent aceast metod este scoas din uz.Cea de a doua metod de imbuntire a rezistenei chimice a suprafeei interioare arecipientelor din sticl implic folosirea unei fluorocarburi gazoase in locul SO2. Cu toate cmecanismul exact este neclar, se crede fie c se formeaz fluorur.de sodiu care apoi sevolatilizeaz, fie c atomii de fluor ptrund in structura sticlei i imobilizeaz ionii de sodiu.

1.5. Proprietile sticleiUtilizarea sticlei pentru confecionarea de ambalaje este condiionat de o serie deproprieti: fragilitatea, transparena, rezistena la temperatur, protecia asigurat de ctre sticl.1.5.1 Proprietile fizico-mecanice ale sticlei Datorit structurii amorfe sticla este strlucitoare i se sparge la aciunea unor tensiuni. La lovituri sau la contactul cu orice corp tare pe suprafaa sticlei apar fisuri mici care pot fi invizibile cu ochiul liber. Aceste fisuri, datorit ingustimii lor produc o concentrare a tensiunilor care, uneori, pot fi mai mari decat tensiunea total la care este supus seciunea care le conine, acest lucru conducand in final la crpare. Rezistena mecanic a unui recipient din sticl este o msur a capacitii acestuia de arspunde la aciunea forelor aplicate. Sticla se deformeaz elastic pan se sparge proporional cu mrimea forelor aplicate. Fragilitatea este caracteristica sticlei de a crpa sub aciunea ocurilor mecanice sau termice.

1.5.2. Proprietile chimice ale sticleiRezistena chimic a recipientelor de sticl este incontestabil mult superioar altor materiale de ambalare. Totui datorit faptului c relaia ambalaj -produs alimentar are uneori aspecte foarte complexe, s-a creat o gam mare de sticle cu rezisten chimic variabil, fiecare fiind utilizabil in domenii bine determinate. Silicaii alcalini sunt solubili in ap, deci sticla ce conine numai Si02 i Na20 sau K20, in contact cu apa d reacie alcalin, pierzand totodat ionii alcalini. Cand se impune stabilitate mrit fa de ap i fat de produsele cu caracter acid sau alcalin se utilizeaz ambalaje din sticl 'cu adaos de oxizi de calciu, magneziu, zinc, bariu, plumb i aluminiu.

1.5.3. Proprietile termice ale sticlei Rezistenta termic a unei butelii este o msur a capacitatii de a suporta o modificarebrusca a temperaturii. Intrucat sticla rezista la tempe aturi de pana la 500-600C, rezistena sa latemperaturi ridicate este adecvata oricarei utilizri in ambalarea produselor alimentare. In industria alimentara comportarea sticlei la temperatur are o importana deosebita deoarece in comparaie cu alte ambalaje pentru produse alimentare ea are cea mai mica rezistent la oc termic. Rezistena maxim la oc termic este de 35oC si depinde de tipul de sticl folosit, forma recipientului i grosimea peretelui. Principalele situaii in care rezistena la temperatur a prezint importan sunt splarearecipientelor, umplerea fierbinte cu produs tratamentul termic al produselor ambalate (pasteurizate, sterilizare) i sterilizarea ambalajului gol pentm umplerea aseptica. Umplerea fierbinte cu produs este necesar atunci cand produsul este vascos la temperatur normal (unt de araliide) sau cand se urmrete realizarea unei ambalri aseptice (gemuri care se toarn fierbini pentru a preveni creterea mucegaiurilor). De obicei, temperaturile nu sunt mai mari de 100C.

1.5.4. Proprietile optice ale sticleiSticla nu are structur cristalin astfel c, atunci cand este omogen i nu este supus la stres este izotrop din punct de vedere optic. Proprietile optice ale sticlei sunt legate de gradul de penetrare a luminii i de efectul ulterior al acestei transmisii care este, la randul ei, funcie de lungimea de und. Transmisia spectral a sticlei este determinat de reflexia pe suprafaa sticlei i de absorbia optic prin sticl. In cazul sticlei silicice transmisia este limitat de absorbia siliciului la circa 150 nm in UV i la 6000 nm in IR. Impuritile de fier reduc transmisia in UV i IR. Transparena sticlei este un factor important al vanzrii, fcand posibil vizualizarea produsului coninut. Radiaiile care cad asupra unui ambalaj din sticl se impart in radiaiireflectate, radiaii absorbite de sticl i transformate in alt form de energie, radiaii transmise care trec prin sticl. Absorbia in vizibil. Se consider c sticla cu o grosime nu prea mare las s treac o mare parte din lumina inciden; astfel sticla incolor cu grosimea de 1 mm las s treac 92% din lumina inciden. Absorbia in ultraviolet. Sticla folosit curent (silico-calco-sodic sau potasic) este foarte puin permeabil ia radiaii ultraviolete; radiaiile cu lungimea de und de 3 500 sunt absorbite complet la grosimi de sticl de 2-3 mm. Permeabilitatea la radiaii ultraviolete este mrit dac in compoziia sticlei intra 0x121 de potasiu, bariu i zinc.

1.6 Tipuri de sticl In funcie de compoziia chimic exist urmtoarele tipuri de sticl:

Sticla silicic, cu coninut ridicat de SiO2 are punctul de topire foarte ridicat muta printopire la temperatur foarte ridicat (1723C) Este rezistenta la acizii slabi concentrai cu excepia acidului fluorhidric (HF) Se utilizeaza pentru apl.caii speciale, incluzand unele sticle de laborator. Sticla calco-sodic reprezint aproape 90% din intreaga producie global fiind folositpentru confecionarea recipientelor care nu necesit rezistent termic i durabilitate chimicexcepionale. Are un continut mai ridicat in calcar, o elasticitate mrit i este mai puin fragil, fiind folosit pentru confecionarea buteliilor. Sticla boro-silicic se obine prin inlocuirea oxizilor metalelor alcaline cu oxid bone astfelincat s conin circa 6% bor. Este folosit pentru confecionarea recipientelor care se introduc in cuptor cu produsele coninute. Sticla silico-calco-sodic are rezisten chimic mai mic i este folosit pentruconfecionarea de pahare i flacoane din sticl. Sticla alumino-silicic conine aluminiu in cantitate mic i este mai rezistent din punct devedere chimic. Pentru obinerea sticlei colorate se adaug diferite cantitti de oxizi Oxidul de fier confer sticlei o culoare albastr dac se gsete in starea FeO i o culoare galben atunci cand este sub forma Fe2O3. in realitate cele dou forme se gsesc impreun, culoarea sticlei variind de la albastru la verde i la galben culoarea verde putand fi verde-albstruie sau verde-glbuie.

In funcie de culoare, sticla se clasific in urmtoarele tipuri: Sticla incolor numit i sticl alb nu trebuie s conin oxizi de fier decat in cantitinesemnificative, astfel c trebuie s se obin plecand de la matern prime iipsite de fier.Dac materiile prime (nisipul i calcarul) conin urme de fier, acestea trebuie neutralizate intimpul topirii printr-o operaie suplimentar de decolorare. Aceasta const in adaosul deoxizi de mangan sau de nichel sau seleniu metalic care confer sticlei o culoare roz sauviolacee, neutralizand culoarea verde dat de urmele de oxizi de fier. Sticla incolor conine0,02-0,8 % oxid de fier. Sticla semialb nu mai poate fi decolorat, astfel c ea conine intre 0,08-0,15 % oxid defier. Culoarea sa variaz intre albastra (butelii pentru ap mineral) i galben (butelii pentruvin alb). Sticla verde deschis i verde nchis, destinat confecionrii buteliilor pentru ampanieconine 0,8-1,2 % respectiv 2-2,5 % oxid de fier. Pentru a se obine culoarea verde cu tentgalben se formeaz un complex colorant fier -mangan in care oxizii de fier sunt inechilibru cu oxidul de mangan, predominand Fe2O3 respectiv MnO2 De mai mult timp acesttip de sticl se obine prin adaosul, in timpul topirii, de sruri sau oxid de crom, care dau oculoare verde smarald. Sticla galben nchis (frunze moarte), caracteristic buteliilor pentru vin rou deriv dinsticla verde deschis prin adaosul unei cantiti mai mari de oxid de mangan. Sticla brun sau ambr, specific buteliilor pentru bere este obinut tot prin adaos de fier,dar nu sub form de oxizi, ci sub form de sulfuri sau polisulfuri.

BIBLIOGRAFIE

Tutoi, Maria, 2000, Materiale de ambalaj si ambalaje pentru produsele alimentare ,Editura Alma, Galati