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H.-C. Langowski Verpackungstechnik - Systeme Glas

Behälterglas


Vor- und Nachteile von Glas

Vorteile− große mechanische Festigkeit− Reinheit und mechanische Beständigkeit− vollkommene Undurchlässigkeit für Flüssigkeiten und Gase− Inertheit− Transparenz− häufige Verwertbarkeit durch Recycling− Wiederbefüllbarkeit (für Mehrweg)− heimische Rohstoffe

Nachteile− großes Gewicht (hohe Dichte und hohe erforderliche Dicke)− Sprödigkeit des amorphen Glases (Stoßempfindlichkeit)− Härte− Empfindlichkeit gegen Temperaturdifferenzen >50 K


Zusammensetzung und Herstellung


Zusammensetzung von Behälterglas(Kalk-Natron-Silikat-Glas)

Zusammensetzung, Anteile in Massenprozent Glasart SiO2 Na2O CaO MgO K2O Al2O3 B2O3 Sonstige Natronkalkglas 70-74 11-13 10-11 1-2 0,5-1 1-4 - Farbe 0,5-<3

Borosilicatglas 70-80 4-15 1-10 - - 3 13 -

Bleisilicatglas 54-58 Σ etwa 14 - - PbO 20-30

Quelle: Verband der BehälterglasindustrieStruktur


Rohstoff und Energieeinsparung durch Glas-Recycling


Duales System Deutschland AG

Schema Glasrecycling


Nicht alles Glas wird über den Container recycelt

Glas, das in den Container darf:

− Alle Getränkeflaschen sowie alle

− Konservengläser (Gemüse-, Obst- und Sauerkonserven, Marmelade, Mayonnaise, Ketchup, Babynahrung) und

− Glasbehälter von Pharma, Kosmetik und Parfüm

Glas, das nicht in den Container darf:

− Kochgeschirr aus Glas− Glühlampen,

Beleuchtungskörper− Spiegelglas, Fensterglas

und− Kochplatten aus Glas

haben einen höheren Schmelzpunkt als das normale Behälterglas


Glasrecycling in Deutschland

Quelle: Verband der Behälterglasindustrie


Glaswanne und Rauchgasreinigung


Behälterglasherstellung: Schema


Glasformung

Die Behälterglasproduktion ist ein Hochtemperaturprozess -bei 1590 °C werden die Rohstoffe zu Glas geschmolzen und über ein Rinnensystem zur Glasformungsmaschine geführt.

Oberland Glas AG


Glasformung: Press-Blas-Verfahren

Oberland Glas AG

Vor der Glasformungs-maschine werden einzelne Tropfen aus dem Glasfluss portioniert und den einzelnen Verarbeitungs-stationen zugeführt.


Blas-Blas-Verfahren


Flaschenblasmaschine


Oberflächenvergütung

Heißendvergütung− Oberflächenglättung (vorhandene Mikrorisse werden weniger leicht zu

makroskopischen Oberflächenverletzungen)− Haftgrund für Kaltendvergütung− Bei 500-700 °C wird eine Zinn- oder Titanoxidschicht aus Zinnchlorid

oder Titantetrachlorid aufgebracht− Überschuss verbrennt(Chlorfreisetzung!)

Kaltendvergütung− Bei 80-150 °C wird eine PE-Suspension aufgesprüht− Bei Mehrweg wird Schicht nach wenigen Umläufen abgetragen

→ ggf. Nachvergütung erforderlichAufgaben

− Erniedrigung der Gleitreibung Erhalt der Innendruckfestigkeit− Transportschutz Äußeres Erscheinungsbild


Heißendvergütung

Behältertemperatur 500–700 °CAuftrag Zinn- oder Titanoxid (aus Zinn- oder Titantetrachlorid) Schichtdicke 1 nm bis < 1 µm


Kaltendvergütung

Behältertemperatur 80–150 °Cwässrige Dispersionen von PP, PS


Beispiele: 0,7-l-Brunneneinheitsflasche


0,5-l-NRW-Bierflasche und 0,5-l-Aleflasche


Kennzeichnen von Glasmarken nach DIN 6121

1. Nennvolumen in ml, cl oder l unter Anfügung der Volumeneinheit oder ihres Einheitenzeichens. (Im Beispiel ein halber Liter)

2. Sonstige Angaben (z. B. Verbandszeichen DIN oder Braupfanne des Deutschen Brauerbundes)3. Soll-Randvolumen in Zentiliter ohne Anfügung der Volumeneinheit oder ihres Einheitenzeichens; oder Abstand

zwischen der dem Nennvolumen entsprechenden Füllhöhe und der oberen Randebene in Millimetern unter Anfügung des Einheitenzeichens. (Im Beispiel würden in eine randvolle Flasche 52 Zentiliter bzw. 0,52 l passen, d.h. 20 ml mehr als dem Nennvolumen von 0,5 l entspricht.)

4. Produktionsschlüssel5. Glasmarken. Die Herstellerzeichen sind von der Physikalisch Technische Bundesanstalt (PTB) ausgestellt und

können dort beantragt werden.6. Kennzeichen für Maßbehältnisse7. Herstellungsjahr (die letzten beiden Ziffern), z. B.: 1999 / 998. Quartalsbezeichnung z. B. für das Jahr 1999

1. Quartal 99 - 2. Quartal 99. - 3. Quartal 99: - 4. Quartal 99:.9. Codierung: Maschinenlesbarer Code des Produktionsschlüssels in Form einer Reihe von Punkten


Deutsche Glashütten und ihre Glasmarken

Saint-Gobain Oberland AG Bad Wurzach/Allgäu Werk Neuburg/Donau (1 Punkt neben O) Werk Essen (2 Punkte neben O) Werk Wirges (3 Punkte neben O)

Rexam Glass Nienburg Nienburg/Weser Werk Wahlstedt Werk Schleiden Werk Neuenhagen

Hermann Heye Germersheim Obernkirchen

PLM Glashütte Münder GmbH Bad Münder am Deister

Gerresheimer Glas AG Düsseldorf

Glashütte Achern GmbH Achern/Baden

Bayerische Flaschen-Glashüttenwerke Wiegand&Söhne GmbH & CO. KG Steinbach am Wald

Quelle: www.hvg-dgg.de/behaelterkennzeichnung.html


Flaschenausstattung

Bedrucken− Siebdruck− Transferdruck− Tampondruck

Beschichten− Pulverbeschichtung− Nasslackbeschichtung

Etikettieren− Papier-Etiketten− No-Label-Look-Etiketten

Schrumpfetikettierung− Folien-Sleeves

Mattieren− Sandstrahlen− Säuremattierung

Oberland Glas AG


Hohlglasbehälter: Technische Eigenschaften,

Anforderungen


Eigenschaften des Glases

ViskositätWärmedehnungDichteOptische Eigenschaften

− Lichtbrechung− Lichtdurchlässigkeit

Mechanische Eigen-schaften

− Elastische Eigenschaften− Festigkeit− Spannungen− Härte

Elektrische Eigenschaften

− Elektrische Leitfähigkeit− Dielektrizitätskonstante− Dielektrische Verluste

Oberflächenspannung

Chemische Beständigkeit

Thermische Eigenschaften


Festigkeit

Unterscheidung in− theoretische Festigkeit σ

Festigkeit wird durch Stärke der Bindungen zwischen einzelnen Komponenten festgelegt

σ = 0,7 - 3,0 1010 N/m2

− praktische Festigkeit σp

Die theoretische Festigkeit wird durch das Vorliegen von Fehlstellen herabgesetzt.

⇒ Oberflächenfehler, Rissbildung⇒ Ermüdung (nur in Gegenwart von H2O und erhöhter Temperatur)

Zeitabhängigkeit der Festigkeit⇒ Abhängig von Glaszusammensetzung

σp = 5 - 20 107 N/m2


Belastungsbeispiel: Scuffing an Mehrwegflaschen


Scuffinggrad S, die visuelle Beurteilung sowie die manuell gemessene, max. Reibringhöhe in mm der Scuffingklassen (0)-(6) für 0,7-l-GDB-Flaschen

Scuffing- klasse

S in mm2

Visuelle Beurteilung des Scuffings maximale Reibring-höhe in mm

(0) 0 hüttenneue Flaschen, kein Scuffing sichtbar - (0*) 0 hüttenneue Flaschen, einmal gereinigt, kein Scuffing

sichtbar -

(0') 0 hüttenneue Flaschen, ausschließlich chemisch bean-sprucht, kein Scuffing sichtbar

-

(1) 0,0-10,0 unterbrochene Reibringe 1,0 (2) 10,1-20,0 sehr schwache, teilweise oben und unten ausgefranste,

durchgehende Reibringe 1,5

(3) 20,1-30,0 stärkere, teilweise oben und unten ausgefranste, durch-gehende Reibringe

3,0

(4) 30,1-40,0 durchgehende, stark weiß erscheinende Reibringe 4,0 (5) 40,1-50,0 durchgehende, stark weiß erscheinende Reibringe

zusätzlicher zweiter nur schwacher, nicht durch-gehender Reibring unterhalb des ersten

5,0 (4,0)

(6) >50,1 durchgehende, stark weiß erscheinende Reibringe >5,0


Messverfahren für die Innendruckfestigkeit von Glasflaschen

Kurzzeit-Innendruckfestigkeit− Druckanstiegs- und Druckabfall-Geschwindigkeit 4 bar/s ± 1 bar/s, Prüfdruck muss

60 s ± 1 s lang innerhalb ± 3 % des Druck-Sollwertes konstant sein (DIN 52 320). Jeweils einminütige Druckbelastung und danach schlagartige Drucksteigerung in Schritten von 1 bar bis zum Berstdruck.

Gebrauchs-Innendruckfestigkeit− Man rechnet oft mit etwa 50 % der Kurzzeit-Innendruckfestigkeit.

1-Minuten -Innendruckfestigkeit− wird mit dem Ramp-Pressure-Tester entsprechend der amerikanischen Norm

ASTM C 147-86 bestimmt. Angegeben wird der Druck, dem die Flasche über eine Belastungszeit von 1 min widersteht.

Dauer-Innendruckfestigkeit− Mehrstündige bis mehrwöchige Druckbelastung bei einem bestimmten Druck wird

gehalten.


Prüfgeräte für die Innendruckfestigkeit von Glasflaschen

Bottle-Pressure-Tester von American Glass Research (AGR)

− Zur Prüfung eines vorzuwählenden 1-Minuten-Prüfdrucks. Die Prüfflaschen werden dabei in der Regel nicht zerstört.

Ramp-Pressure-Tester von American Glass Research (AGR)

− Drucktest von Flaschen bis zum Platzen. Der Berstdruck wird auf einen äquivalenten 1-Minuten-Berstdruck umgerechnet.

Prüfgerät nach Haffmans− Der Innendruck wird mittels einer Wasserpumpe bis zum Bersten

erhöht. Nachteilig bei diesem Gerät ist es, dass man keine gleichbleibende Druckanstiegsgeschwindigkeit erreicht.


Prüfgeräte für Innendruckfestigkeit

AGR Ramp-Pressure-Tester Prüfgerät nach Haffmans


Innendruckfestigkeit von GDB-Flaschen


Vergleich: Innendruckfestigkeit von NRW-Flaschen


Schlagfestigkeit von Glasflaschen

1 Einsatz für Widerlager

2 Messing-Widerlager

3 Schlagkörper

4 Kugellager

5 Höheneinstellung Pendel6 Seitliche Einstellung Pendel

Schlagpendelmessgerät


Schlagfestigkeit von Euroflaschen mit unterschiedlichem Zerkratzungsgrad


Schlagfestigkeit von NRW-Flaschen

0

20

40

60

80

100

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0

Schlagimpuls in kg m/s

Sum

men

häuf

igke

it in

%

(1-6)

oben oben

obenunten unten unten

(0*) (0)


Schlagfestigkeit von NRW-Flaschen

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

0 10 20 30 40 50 60

Zerkratzungsgrad in mm2/(20mm)

Schl

agim

puls

in k

g m

/s

21 3 4 5 5 6

0

0*

unterer Reibring

oberer Reibring


Lichtdurchlässigkeit

Die Lichtdurchlässigkeit eines beliebigen Stoffes beruht auf unterschiedlichen Mechanismen der Wechselwirkung mit Licht:

− Bei Gläsern sind die Elektronen von Nebengruppen-elementen (Fe, Mn, Cr, Co) in bestimmten Wellenlängenbereichen leicht anregbar: Gläser sind dann gefärbt, aber immer noch transparent.

− Reflexion: Reflexionsverluste an beiden Flächen (Lichteintritt, Lichtaustritt)

− Streuungsverluste durch Inhomogenitäten. Die Trübung hat ihr Maximum, wenn die Korngröße eines Partikels im Bereich der Wellenlänge des Lichts liegt.


Farbkationen

Kupfer− CuIIO6 schwach blau

Titan− TiIIIO6 violett

Vanadium− VIIIO6 grün

Chrom− CrIIIO6 grün− CrIVO4 gelb

Mangan− MnIIIO6 violett

Eisen− FeIIO6 blau− FeIIIO4 gelb

Kobalt− CoIIO4 blau− CoIIIO4 rosa− CoIIIO4 grün


Strahlung

Ultraviolettstrahlung− UV-C 100 - 280 nm− UV-B 280 - 315 nm− UV-A 315 - 380 nm

Sichtbare Strahlung, Licht− 380 - 780 nm

Infrarotstrahlung− IR-A 780 - 1400 nm− IR-B 1400 - 3000 nm− IR-C 3000 nm - 1 mm


Durchlässigkeiten in verschiedenen Strahlungsbereichen

Durchlässigkeit im ultravioletten Bereich− Absorption durch Wechselwirkung von Licht mit Sauerstoffionen des

Glases− Je schwächer die Sauerstoffionen gebunden sind, desto größer die

Absorption− Bei eingefärbten Gläsern treten auch im UV-Bereich starke

Absorptionsbanden auf. Besonders gute Absorption bereits bei wenigen ppm Fe3+-Ionen.

Durchlässigkeit im sichtbaren Bereich− Für das Einfärben von Glas sind die Nebengruppenelemente der 4.

Reihe (Cu, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co und Ni) wichtig.− Auftreten von Färbungen durch selektive Absorption− Färbung ist abhängig von der Elektronenanordnung und

Anwesenheit von Sauerstoff


Strahlungsdurchlässigkeit von Flaschenglas


Optische Eigenschaften

Φ

ΦR

ΦT

ΦA

ΦR1 ΦR2

L L: Schichtdicke

ΦR = Reflektiertes Licht

ΦA = Absorbiertes Licht

ΦT = Transmittiertes Licht

Φ = ΦR + Φ A+ Φ T

1 = R + A + T mit

Reflexionsvermögen R =Φ R/ Φ

Absorptionsvermögen A = ΦA/ Φ

Transmissionsvermögen T = ΦT / Φ


Durchlässigkeitmessungen

Lambertsches Gesetz

− In jedem Volumenelement dl des Materials wird der gleiche Bruchteil der Strahlung absorbiert

− a = Absorptionskoeffizient− Die Transmission nimmt mit zunehmender Schichtdicke

exponentiell ab

Φ = Φ0• e -a l


Lichtbrechung

Brechungsgesetz

Reflexionsvermögen Rfür senkrechten Lichteinfall Schichtdicke L

n1 n2 n3

α

βγ


Brechungsindex (Brechzahl)

BrechzahlenLuft: 1,000292Wasser: 1,3330Flaschenglas: 1,500Vollbier: 1,340Starkbier: 1,350Ethanol: 1,361

Beispiel für Reflexionsverluste: Übergang Luft - Glas - Luft

R ≈ 2n2 − n1n2 + n1

⎛

⎝ ⎜ ⎞

⎠ ⎟

2= 2

1,5 − 11,5 + 1

⎛ ⎝

⎞ ⎠

2= 0,08

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