Giáo trình Kỹ thuật bao bì thực phẩm (Phần 2)

177 trang ngocly 1030

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Kỹ thuật bao bì thực phẩm (Phần 2)", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

giao_trinh_ky_thuat_bao_bi_thuc_pham_phan_2.pdf

Nội dung text: Giáo trình Kỹ thuật bao bì thực phẩm (Phần 2)

96 Chương 5 BAO BÌ GIẤY - BAO BÌ VẬN CHUYỂN HÀNG HÓA (BAO BÌ ĐƠN VỊ GỞI ĐI) 5.1 GIỚI THIỆU BAO BÌ VẬN CHUYỂN HÀNG HÓA 5.1.1 Gỗ Từ cổ xưa, người ta đã dùng gỗ làm vật liệu để đóng kiện với số lượng hàng hóa lớn để để vận chuyển. Lúc đó, lượng hàng hóa được vận chuyển thương mại còn thấp, gỗ được tiêu dùng với số lượng không cao, chưa gây thiệt hại cho rừng và chưa ảnh hưởng lớn đến môi trường. Thương mại hàng hóa càng ngày càng phát triển, nhu cầu về bao bì vận chuyển càng tăng cao cùng với việc khai thác rừng vượt mức để dùng cho rất nhiều mục đích như xây dựng đã khiến cho nhu cầu về gỗ tăng cao nên không thể có đủ gỗ để đáp ứng nhu cầu, do đó bắt đầu có những vật liệu khác cạnh tranh với gỗ. Đây là điều nổi bật đáng quan tâm của giấy bìa gợn sóng vì tính nhẹ hơn gỗ rất nhiều, giúp cho chi phí vận chuyển giảm thấp. Tuy nhiên, hiện nay vẫn còn một số ít trường hợp hàng hóa vẫn được đóng kiện bằng thùng gỗ do tính chất cơ lý của gỗ cao. Những đặc tính của thùng bằng gỗ chứa hàng hóa chuyên chở phân phối tùy thuộc vào loại gỗ được dùng. Đặc tính quan trọng yêu cầu đối với thùng gỗ là chịu được tải trọng và chịu va chạm cơ học. Gỗ của những cây tùng, bách hay gỗ thân mềm thì có tính chịu của áp lực cao nhưng chịu tải trọng thấp hơn loại gỗ cứng; so với gỗ cứng thì gỗ thân mềm có thể bị vỡ ra khi đóng đinh. Việc khai thác gỗ để sản xuất thùng chứa đựng hàng hóa càng lúc càng tốn chi phí quá cao và càng tiến sâu vào sự phá hoại môi trường. Trung bình chỉ có 65% thân cây được tạo thành thùng gỗ. Với khuynh hướng tăng sự hữu dụng của vật liệu gỗ cho việc đóng thùng chứa hàng đã hình thành công nghệ sản xuất gỗ ghép và gỗ dán. Gỗ dán được dùng nhiều để sản xuất các thùng bằng gỗ hình tròn đựng chất lỏng mà ngày nay vẫn còn dùng để chứa rượu vang. Phương pháp ghép nối những tấm ván thành những thùng chứa đựng
97 được cho thấy ở hình 5.1. Hình 5.1: Thùng chứa đựng được cấu tạo bởi gỗ ghép 5.1.2 Bao bì vận chuyển bằng plastic Hiện nay bao bì vận chuyển hay bao bì ngoài bằng vật liệu HDPE như các két được dùng để chứa đựng chai thủy tinh, chứa bia hoặc nước ngọt có gas đang rất phổ biến và tiện lợi có khối lượng nhỏ hơn gỗ rất nhiều và tính tái sử dụng cao.
98 Hình 5.2: Két bằng HDPE chứa chai nước ngọt hoặc chai bia để vận chuyển phân phối Nguyên liệu HDPE chế tạo két được phối trộn HDPE phế thải với tỷ lệ cao khoảng 80÷90% và HDPE mới khoảng 10÷20% trên tổng nguyên liệu sử dụng; với điều kiện là nguyên liệu tái sinh không bị nhiễm bẩn làm giảm tính bền cơ của bao bì. Bên cạnh đó tính chất cơ học của két càng thấp khi được sản xuất từ nhựa tái sinh nhiều lần, sẽ chóng lão hóa, dễ vỡ hơn theo thời gian sử dụng, không thể cải thiện bằng các phụ gia ổn định. Cần chú ý rằng két có thể bị nứt vỡ trên bề mặt do sự oxy hóa, sự nhanh chóng lão hóa vật liệu bởi sự tiếp cận tia cực tím. Tùy thuộc vào thời gian phơi dưới ánh nắng mặt trời có thể ảnh hưởng đáng kể đến tính bền cơ học của két. Thời gian sử dụng két bằng HDPE có thể là 10 năm hoặc 15 năm, hoặc có thể hơn tùy theo điều kiện áp dụng. 5.2 CẤU TẠO BAO BÌ GIẤY - ỨNG DỤNG 5.2.1 Đặc tính Ngày nay giấy chiếm hơn phân nửa trong tổng số nguyên liệu để làm bao bì. Nhờ tiến bộ của khoa học kỹ thuật, giấy các loại được sản xuất đại trà với giá thành thấp. Giấy được sử dụng phổ biến bởi một số tính chất đặc trưng như: - Tính bền cơ học (tuy không cao như các loại vật liệu khác) - Nhẹ. - Dễ hủy, không gây ô nhiễm môi trường. - Tái sinh dễ dàng. Bên cạnh đó giấy có những khuyết điểm như: - Dễ rách, thấm nước, thấm khí, tính dễ xé rách càng cao khi hàm ẩm càng cao. - Độ ẩm cho phép đảm bảo tính bền của giấy là 6-7%. - Quy cách được quy định bởi trọng lượng trên một đơn vị diện tích giấy: g/m2. Để tăng độ bền cơ cho giấy, người ta thường ghép nhiều lớp giấy lại với nhau. Các loại giấy có chất lượng khác nhau là do sự kết hợp với những loại nguyên liệu khác nhau. Giấy là vật liệu bao bì lâu đời không gây hại môi trường, đã được xử lí để có thể tăng cường tính kháng hơi ẩm, chống oxy hóa,
99 kháng vi khuẩn, chống dính, khó cháy, chống thấm nước, bề mặt có độ trượt cao, độ bóng cao, chống thấm chất béo. Giấy hiện nay có thể có hàng loạt các tính chất quang học và độ xốp mong muốn, và bằng cách sử dụng các lớp tráng kép trên một mặt; có thể tái tạo hình ảnh chính xác khi in ống đồng. Ngoài ra, độ bền cơ học đã khiến cho giấy có khả năng chạy trên máy căng dãn theo chiều dọc của giấy mà không bị đứt hay xé rách. Giấy có thể làm từ nguyên liệu rơm rạ, gỗ vụn, vỏ cây, bột gỗ, giấy thải, gỗ thân mềm, gỗ thân cứng. Cấu tạo của nguyên liệu gỗ: Chất lượng thành phẩm được quyết định bởi nguyên liệu cellulose ban đầu hơn là các hóa chất phụ gia, đó chính là chiều dài của cellulose. Sự khác nhau giữa gỗ tỷ trọng cao và tỷ trọng thấp ảnh hưởng lớn đến cấu tạo của giấy. Thành phần chính của các tế bào gỗ Cellulose: Cellulose là một polyme gồm 8000-10000 gốc glucose. Tính chất của sợi cellulose phụ thuộc độ dài mạch polyme, mức độ thẳng, sự sắp xếp song song bởi các mạch polyme. Nó không bị hòa tan bởi kiềm, clorin, do đó giấy tẩy trắng chỉ có thể loại được lượng lignin mà không tổn thất cellulose, nhưng gây giảm đặc tính bền chắc của sợi cellulose. Hemicellulose: phân tử lượng thấp gồm 100-200 gốc monomer của xylose, mannose arabinose, galactose và axit uronic. Hemicellulose tan trong dung dịch kiềm, có khả năng bị thủy phân và có thể liên kết với các hóa chất phụ gia. Lignin: là polyme nhiệt dẻo, có nhánh, nhân thơm alkyl, có kích thước cũng như khối lượng phân tử không ổn định, gồm các monomer là phenyl propane tan trong kiềm và dung dịch nước clor cho dẫn xuất màu nâu đen và trở nên mềm dẻo ở 160oC pH 4. Gỗ thân mềm: loại gỗ này gồm 40-50% cellulose, 15-25% hemicellulose, 26-30% lignin. Thân gỗ mềm có sợi cellulose dài gấp 2,5 lần so với thân gỗ cứng. Thân gỗ cứng dùng để sản xuất ván, tấm phẳng mịn hơn nhưng kém bền cơ học hơn so với gỗ mềm. Như vậy phải cắt gỗ sao cho không phá vỡ sợi cellulose để làm giấy được tốt, bên cạnh đó lignin phải được loại bỏ đi để có thể thu được sợi cellulose và giúp chúng sắp xếp song songkhi làm giấy. Sợi cellulose có thể bị gãy nát tùy các công đoạn chế biến giấy. Trong quá trình chế tạo giấy, các sợi cellulose được sắp xếp lại vị trí bằng áp suất rất lớn ép lên bề mặt để tạo dạng tấm, có thể dùng phụ gia như casein và protein đậu nành hoặc tinh bột để tạo lớp áo bên ngoài tấm giấy.
100 - Chất màu vô cơ thường chiếm 70-90% chất khô của lớp áo giấy để tạo bề mặt khác biệt cho giấy bên trong, giúp lớp áo nâng cao tính phẳng, dễ in ấn, chất lượng in cao, tạo những tính chất đặc biệt theo yêu cầu, các chất tráng để áo giấy được dùng như kaolin, CaCO3, được dùng kết hợp với các khoáng chất khác để tạo nên độ bóng bề mặt giấy. Nhờ tiến bộ kỹ thuật mà vật liệu giấy được xử lý để tăng cường tính kháng hơi ẩm, khó cháy, ngăn được nước, độ trượt cao, độ bóng cao và có các lớp tráng chống thấm dầu. Giấy hiện nay có thể có hàng loạt các tính chất quang học và độ xốp mong muốn và bằng cách sử dụng các lớp tráng thích hợp, có khả năng in ấn cao (như giấy của các tạp chí đắt tiền), ngoài ra độ bền cơ học cao và khả năng chịu lực kéo (theo chiều dọc) khi chạy trên máy khiến giấy không bị đứt hoặc rách. Bảng 5.1: Phân loại nguồn nguyên liệu làm giấy (theo sự phân loại của Cộng hòa Liên bang Đức) Loại Nguồn nguyên liệu I Cellulose từ sợi cotton phế thải II Cotton phế thải cộng với 50% cellulose từ gỗ hoặc rơm rạ III Cellulose từ rơm rạ, bã mía (không có cellulose từ gỗ) IV Cellulose từ gỗ ≤ 50% V Cellulose từ gỗ > 50% Loại Nguồn nguyên liệu tráng bề mặt giấy để chống thấm Các loại vật liệu khác nhau được dùng để nâng cao chất lượng giấy cũng được đề cập dưới đây Dầu hỏa được sản xuất từ dầu mỏ thô hoặc từ than nâu. Dầu này có độ thấm 1 cao và điểm nóng chảy nằm giữa 52-56oC. Nó được thấm vào giấy bằng cách ngâm giấy vào dầu dạng lỏng, hoặc phun nó lên bề mặt giấy. (H.5.3) Sáp hay parafin rắn là nguyên liệu có nguồn gốc từ công nghệ tinh lọc 2 dầu hỏa được đun đến điểm nóng chảy trên 80oC và thẩm thấu vào giấy hoặc phun lên giấy (H.5.3). Màng polyethylen hay polypropylen phủ lên bề mặt giấy hoặc thẩm thấu dạng nhựa lỏng. Loại giấy được nâng cao tính chống thấm bằng nhựa thường được dùng trong sản xuất giấy bìa gợn sóng và giấy bìa cứng để làm những bao bì vận chuyển. 3 Những vật liệu plastic khác như là polyvinyl chloride, polyvinyl acetat, polyvynyl acrylate, cellulose, ete, latex, thường được dùng để làm các bao bì đẹp mắt. Những vật liệu này thường được phủ lên mặt giấy và được ép nhiệt (H.5.4). Giấy được xử lý như vậy gọi là giấy tráng bề mặt, có tính không thấm nước hay ẩm. 4 Lá nhôm cũng thường được dùng cùng với giấy. Ví dụ như giấy cải tiến được
101 làm thành ba lớp: lớp thứ nhất thường là giấy; lớp giữa là AI và lớp thứ ba là lớp polyethylene. Cuối cùng sản phẩm là một vật liệu bền chắc có thể chống thấm hơi nước và hơi gas và rất thích hợp cho bao bì thực phẩm. Loại nguyên liệu V là loại chất lượng cao vì lượng sợi cellulose từ gỗ có đặc tính bền cơ cao, và thường sử dụng sợi cellulose mới từ gỗ thường từ gỗ thân mềm. Sợi cellulose từ vải sợi phế thải hay từ giấy phế thải, được xử lý, tái sinh nhiều lần sẽ bị ngắn mạch, độ bền cơ kém. 5.2.2 Các loại giấy bao gói: thành phần và tính chất ứng dụng Giấy dùng để bao gói được chia thành các nhóm theo thành phần phối liệu: Giấy làm bao bì thực phẩm thường là dạng bao bì hở vì giấy có tính thấm khí hơi rất cao. Chỉ trường hợp giấy được tráng phủ các màng plastic hoặc màng plastic với Al lá chống thấm khí hơi rất cao ở mặt trong lẫn mặt ngoài nhằm ngăn cản hoàn toàn tác động của môi trường ngoài lên thực phẩm được chứa đựng và tác động gây hư hỏng bao bì. Do đó lượng giấy sử dụng trong ngành thực phẩm rất lớn, trong đó loại giấy bì cứng, giấy kraft làm carton gợn sóng chiếm lượng cao nhất, còn lượng giấy gói thực phẩm chỉ ở lượng thấp đối với các quốc gia phát triển cũng như đang phát triển. Chỉ riêng Nhật Bản sử dụng một lượng lớn giấy thường là giấy từ nguyên liệu rơm rạ, đay, cối vừa để gói bánh truyền thống từ ngũ cốc, vừa để trang trí; họ đã dùng giấy phân bố như sau: - Giấy bìa cứng làm hộp (bao bì ngoài) để đựng bánh - Túi, giỏ xách quà bằng giấy bìa cứng. Tất cả đều được in ấn trang trí đẹp. Giấy được sử dụng nhiều như thế nhưng sẽ được tái sinh dễ dàng không gây ô nhiễm môi trường, vừa tận dụng nguồn cellulose của đất nước (đay, cối, rơm rạ, bột gỗ, gỗ vụn từ ngành xây dựng dân dụng), giảm đi một lượng khá lớn plastic làm các loại bao bì trong cũng như bao bì ngoài cho loại bánh bảo quản ngắn ngày. Dưới đây là ký hiệu loại nguyên liệu giấy để bao gói: AP1 100% hỗn hợp các loại giấy phế liệu AP2 30% của AP1 + ; 70% giấy phế liệu chất lượng cao hơn AP3 25% sợi cellulose loại 2 và 75% giấy phế liệu chất lượng cao, hoặc 100% giấy phế liệu chất lượng cao AP4 30% sợi cellulose thuần khiết và 70% giấy vụn chất lượng cao hơn hoặc 100% giấy phế liệu chất lượng cao nhất
102 ZP1 100% sợi cellulose từ mắt gỗ (và có thể đến 30% giấy phế liệu) ZP2 100% sợi cellulose loại 2 tẩy bằng sulphite (và có thể phối đến 30% giấy phế liệu chất lượng cao hơn) ZP3 100% cellulose loại 2 tẩy bằng sulphite có thể phối đến 30% gỗ hoặc 30% giấy phế liệu chất lượng cao hơn) ZP4 65% cellulose thuần khiết đã dược tẩy trắng bằng sulphite và được phối trộn với 35% gỗ ZP5 100% sợi cellulose thuần khiết NaP1: 100% sợi cellulose thuần khiết đã sulphite hóa NaP2: 50% lượng NaP1 phối trộn với 50% giấy kraft phế liệu Ghi chú: - Giấy phế thải chất lượng cao: giấy văn phòng, giấy tập học sinh đã sử dụng. - Sợi cellulose loại 2: cellulose từ gỗ vụn hoặc cellulose còn lẫn hàm lượng khá lớn của hemicellulose hoặc lignin. - Giấy phế liệu chất lượng cao nhất: giấy phế thải từ quy trình sản xuất giấy chất lượng cao, cắt rìa, cắt theo kích thước chưa in ấn hay nhiễm bẩn. - Sợi cellulose thuần khiết là cellulose không lẫn hemicellulose hay lignin. Giấy được cuộn đi qua bể sáp hoặc parafin rắn đã được nấu chảy. Giấy sau khi được thấm sáp hoặc parafin được cho qua bể nước làm nguội và được sấy khô, cuộn lại. Hình 5.3: Công nghệ tráng sáp lên giấy Hạt plastic được gia nhiệt chảy lỏng và được qua máy đùn thổi thành màng và ghép lên bề mặt giấy. Giấy kraft làm bao bì: là loại giấy có màu hơi nâu, làm từ sợi cellulose được
103 xử lý với muối natrium sulfat (sulfat hóa) và không tẩy trắng bằng phương pháp sulphite. Giấy kraft dùng để làm các loại bao to để đựng ngũ cốc hay ximăng thường nặng từ 70-75g/m2; Giấy kraft mỏng nhất là 6-7g/m2; giấy kraft để chế tạo bìa gợn sóng làm thùng chứa, bao bì đơn vị gởi đi, có khối lượng 85÷180g/m2. Giấy kraft có thể tẩy được, nhưng khi bị tẩy độ dai của nó sẽ giảm đi. Hơn 60% sản lượng giấy kraft dùng để làm giấy bìa cứng, giấy bìa gợn sóng (hoặc carton gợn sóng). Hình 5.4: Công nghệ phủ (tráng) plastic lên bề mặt giấy 5.3 GIẤY BÌA GỢN SÓNG - CẤU TẠO BAO BÌ VẬN CHUYỂN Với tiến bộ kỹ thuật hiện nay, bao bì carton gợn sóng có thể có hầu hết các tính chất cơ học cần thiết như: chịu sự đè nén, va chạm, áp lực trong các điều kiện môi trường có độ ẩm cao, do tạo nên các lớp sóng, tăng cường số các lớp giấy bìa thành 3,5 hoặc 7 lớp. Ngoài ra có thể tăng cường độ bền cơ học của các thùng chứa bằng cách gia cường các góc, các bề mặt đạt độ ma sát thích hợp, để không trượt lên nhau giúp ổn định thùng trên pallet. Để tăng cường tính cách nhiệt cho thùng có thể đưa polyurethan xốp vào các rãnh sóng. Để bảo vệ an toàn cho các kho hàng, cũng có thể xử lý thích hợp để hạ thấp tính bốc cháy của thùng xuống 60%. Hiện nay bao bì carton dợn sóng đứng đầu trong các loại bao bì không gây hại môi trường, với tỷ lệ 75% số lượng nguyên liệu chế tạo là loại giấy kraft tái sinh (có thể đạt đến 100% nhưng chỉ nhằm mục đích thu nhặt lại). Tỷ lệ này được chấp nhận bởi qui định của EEC. Vì vậy một bao bì riêng lẻ được sản xuất sẽ chứa 75% sợi giấy tái sinh và 25% sợi giấy nguyên chất. Khi tính đến chất lượng thu được thì ta thấy đây là một tiến bộ kỹ thuật lớn đồng thời hiệu quả kinh tế lớn. 5.3.1 Cấu tạo của bìa giấy gợn sóng - Bao bì vận chuyển
104 Giấy bìa gợn sóng thực hiện chức năng đặc biệt quan trọng đó là vật liệu tạo nên bao bì ngoài hình khối chữ nhật để chứa đựng một lượng lớn đơn vị bán lẻ, giúp thuận tiện trong phân phối vận chuyển, lưu kho và kiểm tra quản lý. Quá trình cải tiến các nguyên liệu tạo nên, giấy bìa gợn sóng là một trong những bước tiến lớn nhất của thế kỷ 20 (giấy bìa gợn sóng được phát minh trong thế kỷ 19 và được sử dụng phổ biến, chế tạo bằng cơ giới vào đầu thế kỷ 20). Nó được sản xuất trên máy có tốc độ 50÷200m/phút, khổ rộng hơn 2m và có thể được ghép 3, 5 hoặc 7 lớp. Những đặc tính về cường lực của nó tùy thuộc vào loại giấy được dùng, biên độ gợn sóng và chất lượng của keo. Các dợn sóng có hình vòng cung nhằm mục đích tăng khả năng chịu lực lên cao nhất (như các giàn đỡ vòm, khung hình vòng cung trong kỹ thuật xây dựng dân dụng cũng như cầu đường). Hình 5.5 mô tả quy cách của các loại gợn sóng làm tăng cường độ chịu áp lực và tải trọng đối với giấy bìa gợn sóng làm bao bì vận chuyển hàng hóa (thùng chứa). Hình 5.5: Các loại gợn sóng A, B, C, D Hình 5.6: Các loại giấy bìa gợn sóng 5 lớp, 7 lớp kết hợp các loại sóng khác nhau Các loại giấy gợn sóng - tính chất
105 Tùy thuộc vào loại hàng và cách thức xếp hàng mà có những yêu cầu cường lực khác nhau. Hình 5.7 mô tả sự va chạm và phương chịu lực của bìa gợn sóng. Hình 5.7: Loại lực tác động và phương chịu lực của giấy bìa gợn sóng a) Phương chịu áp lực va chạm của giấy gợn sóng b) Phương chịu tải trọng của giấy gợn sóng. Loại gợn sóng A, có bước sóng dài và chiều cao sóng cao có đặc tính chịu lực va chạm tốt nhất. Giấy bìa gợn sóng loại A sẽ được dùng để đóng gói các loại hàng hóa có thể bị ảnh hưởng bởi va chạm cơ học. Loại gợn sóng B, có bước sóng ngắn và chiều cao sóng thấp cũng có khả năng chịu được va chạm cơ học nhưng đặc biệt có khả năng chịu tải trọng nặng so với loại gợn sóng A, do đó giấy bìa gợn sóng kiểu B chủ yếu được dùng để đóng gói các hàng hóa có tải trọng cao như đồ hộp. Loại gợn sóng C, kết hợp những đặc tính của loại A và loại B nên có tính năng chịu được tải trọng và va chạm. Loại gợn sóng D, có bước sóng ngắn chiều cao sóng rất thấp nên khả năng chịu tải trọng cũng như va chạm đều rất kém vì thế chỉ được dùng làm bao bì thương mại bao gói các loại hàng hóa có trọng lượng nhỏ và ít chịu tác động cơ học. Dựa vào những đặc tính của loại gợn sóng để xác định phương cách tạo thùng chứa hình khối chữ nhật bằng giấy bìa gợn sóng, có khả năng chịu lực
106 tác động và chịu tải trong tốt nhất. Cấu trúc triển khai của bao bì ngoài bằng bìa gợn sóng như hình 5.8a, khi lắp thành thùng chứa phải có cấu tạo gợn sóng như hình 5.8b: bề mặt xung quanh có đường nối đỉnh của gợn sóng thẳng đứng với mặt đáy, mặt đáy và nắp có phương của đường nối đỉnh sóng song song nhau và song song với một mặt phẳng đáy. Hình 5.8: Phương pháp tạo hình của bao bì giấy gợn sóng a) Hình triển khai của thùng giấy bìa gợn sóng (thùng carton) b) Cấu trúc hộp cơ bản (phương của gợn sóng biểu thị bằng mũi tên) 5.3.2 Cách sắp xếp hộp lon thực phẩm vào bao bì ngoài
107 Khi thiết kế thùng carton, phải quan tâm đến khả năng sử dụng, sự tiết kiệm vật liệu bìa gợn sóng và khả năng chứa nhiều nhất của thùng, đặc biệt chú ý khi bao gói ngoài các sản phẩm bán lẻ dạng chai thủy tinh thân trục, hoặc lon kim loại. Trường hợp của những đơn vị bán lẻ được bao gói dạng khối chữ nhật thì bao bì ngoài cũng có dạng khối chữ nhật sẽ được xác định kích thước một cách dễ dàng. Những hộp kim loại dạng trụ tròn và chai lọ có thể xếp theo cách xếp vuông hoặc xếp chéo như hình 5.9a,b. Cách xếp vuông góc: Tâm các hình tròn đáy lon nằm ở đỉnh của hình vuông cạnh bằng đường kính lon (d). Cách xếp chéo: Tâm các hình tròn đáy lon là đỉnh của tam giác đều có cạnh bằng đường kính lon. Hình 5.9: Các cách xếp hộp tròn vào thùng bìa gợn sóng Cách sắp xếp thích hợp nhất (vuông góc hay chéo) có thể được tính toán tương ứng với kích thước hộp, các thông số sắp xếp lon như sau: l - chiều dài đáy thùng carton b - chiều rộng đáy thùng; d - đường kính hộp h - chiều cao hộp (nếu hộp được xếp trong chỉ một tầng, h cũng là chiều cao của thùng carton) m - số lon xếp theo chiều rộng n - số lon xếp theo chiều dài hộp N - tổng số hộp xếp trong một tầng = m × n P - diện tích toàn bộ bề mặt giấy bìa carton V - thể tích của thùng chứa Kích thước thùng, số lon sắp xếp, đường kính của lon có quan hệ như sau:
108 - Theo cách xếp vuông: l = nd; b = md - Theo cách xếp chéo 3 l = nd; bmd=+[()]11 − 2 Từ đó có hệ số f biểu diễn mối quan hệ giữa các thông số theo các phương pháp xếp vuông hoặc chéo: Nd2 f = lb Với kiểu xếp thùng vuông góc thì f = 1, kiểu xếp chéo f ≤ 1,155. Ưu điểm của việc xếp hộp theo cách chéo được nhận thấy trong trường hợp (i) n > 4 (ii) m = 2 và n > 8 4 5 m > 16 và n > 4 Khi gấp hộp carton, ta cần phải chú ý sao cho nắp phải được xếp song song với chiều dài của thùng carton. Bên cạnh đó, việc sản xuất thùng bìa gợn sóng làm bao bì đơn vị gởi đi rất quan tâm đến tính kinh tế là tiết kiệm Hình 5.10 được giấy, có nghĩa là đạt được yêu cầu thùng chứa lợi về thể tích chứa và giảm tốn hao bìa giấy nguyên liệu. Hình 5.10 là các kích thước chiều dài, chiều rộng, chiều cao của một thùng carton. Tỷ lệ l: b: h = 2: 1: 2, là tỷ lệ giữa chiều dài, rộng và cao đáp ứng được yêu cầu thể tích thùng (lớn nhất) tốt nhất với diện tích bề mặt hộp tối thiểu. Nếu tỷ lệ này thay đổi thành 2: 2: 1, sẽ phải sử dụng thêm 33% nguyên liệu. Còn nếu tỷ lệ là 1: 1: 1 thì phải sử dụng thêm 12% nguyên liệu so với nguyên liệu dùng cho trường hợp tỷ lệ 2: 1: 2. Thực tế để hạ trong tâm thùng, bảo đảm an toàn thường không theo tỷ lệ 2: 1: 2. 5.4 QUY CÁCH CỦA BAO BÌ VẬN CHUYỂN
109 5.4.1 Quy định về kích thước thùng khối chữ nhật và khối lượng hàng được chứa đụng Bảng 5.2: Kích thước bên trong của thùng carton và khối lượng tối đa cho phép đóng trong một thùng Ký hiệu Kích thước (mm) Khối lượng tối đa được phép đóng thùng Dài Rộng cao trong thùng (kg) 8 512 307 198 30 10 458 305 253 30 12 512 409 150 26 13A 412 309 210 25 13B 508 410 133 21 14 391 234 285 19 Thông thường, người ta dùng thùng carton để đóng bao bì vận chuyển hàng hóa. Các thùng hàng hóa được xếp thành kiện hay khối chữ nhật trên các pallet gỗ để tránh không để trực tiếp trên nền kho. Hình 5.11: Một trong các cách sắp xếp thùng hàng hóa (các đơn vị gởi đi) trên một pallet để lưu kho 5.4.2 Ghi nhãn bao bì ngoài Bao bì giấy bìa gợn sóng (bao bì giấy carton) cũng được ghi nhãn nhưng yêu cầu đơn giản so với trường hợp ghi nhãn cho hàng hóa đơn vị bán lẻ,
110 thông thường có thể ghi: - Thương hiệu. - Tên sản phẩm (có thể ghi một số chi tiết về đặc tính vật phẩm). - Địa chỉ nhà sản xuất, nơi đóng bao bì - quốc gia sản xuất. - Hạn sử dụng. - Số lượng hay trọng lượng. - Mã số mã vạch. - Các ký hiệu, dấu hiệu phân hạng thực phẩm (nếu có) như dấu hiệu hàng Việt Nam chất lượng cao. 5.4.3 Ký hiệu bằng hình vẽ cho bao bì vận chuyển hàng hóa (bao bì đơn vị gửi đi) được quy định theo TCVN6405: 1998 và ISO780: 1997 Để có được bao bì tiện lợi trong vận chuyển và đảm bảo chất lượng hàng hóa bên trong ta cần quan tâm đến qui định chung như một ngôn ngữ riêng dành cho lĩnh vực này. Tiêu chuẩn TCVN6405: 1998 và ISO780: 1997qui định các ký hiệu quy ước ghi trên bao bì vận chuyển để hướng dẫn việc bốc xếp và bảo quản hàng hóa trong quá trình vận chuyển. 1- Quy cách ký hiệu - ý nghĩa Các ký hiệu được in trực tiếp trên bao bì đơn vị gởi đi không bắt buộc đóng khung đậm cho các ký hiệu. a) Màu sắc của ký hiệu Màu sắc dùng cho ký hiệu phải là màu đen. Nếu màu của bao bì làm cho màu đen của ký hiệu không rõ thì nên chọn màu sắc tương phản, thích hợp làm nền, tốt nhất là màu của giấy traft chế tạo thùng. Phải tránh các màu có thể nhằm lẫn với nhãn hàng hóa thuộc loại nguy hiểm. Tránh dùng màu đỏ, da cam hoặc vàng, trừ khi có các yêu cầu đặc biệt. b) Kích thước của ký hiệu Các chiều cao thông thường của ký hiệu là 100mm, 150mm hoặc 200mm. Tuy nhiên, tùy theo kích thước và hình dạng của bao bì có thể sử dụng các ký hiệu lớn hơn hoặc nhỏ hơn. c) Số, vị trí và hướng của ký hiệu
111 Số của ký hiệu sử dụng cho mỗi loại bao bì phụ thuộc vào kích thước hình dáng và hàng hóa chứa đựng bên trong. Đối với các ký hiệu số 1,3,7,11, và 16 (xem bảng 5.3) phải theo các nguyên tắc sau: Ký hiệu số 1- "Dễ vỡ", phải để ở góc bên trái của tất cả bốn mặt xung quanh bao bì (xem ví dụ trong số 1 bảng 5.3). Ký hiệu số 3- "Hướng lên trên", cũng để ở vị trí giống như ký hiệu 1 Ký hiệu số 7- "Trọng tâm", khi có thể, ký hiệu này cần phải để tất cả 6 mặt hoặc ít nhất phải để trên 4 mặt liên quan đến vị trí thực của trọng tâm Ký hiệu số 11- "Vị trí kẹp" - Chỉ những bao bì có các ký hiệu này mới được vận chuyển bằng kẹp. - Ký hiệu phải để ở hai mặt đối diện của bao bì trong tầm nhìn của người vận hành thiết bị khi bốc xếp hàng hóa. - Ký hiệu không được đặt ở mặt bao bì sẽ kẹp. Ký hiệu 16- "Quàng dây”, ở đây phải đặt ít nhất ở hai mặt đối diện của bao bì. - Khi bao bì vận chuyển được xếp thành đống, ký hiệu được để sau cho có thể nhìn thấy được. - Cần phải đặc biệt chú ý dùng chính xác ký hiệu tránh việc áp dụng sai. Ký hiệu số 7 và số 16 phải được để theo đúng hướng và vị trí tương ứng của nó. - Trong ký hiệu 14 "Giới hạn số lượng xếp chồng lên", n là số lượng tối đa bao bì được xếp chồng lên nhau. 2- Hình ảnh ký hiệu cụ thể Hướng dẫn phải được ghi rõ trên bao bì vận chuyển bằng cách sử dụng các ký hiệu tương ứng đưa ra trong bảng 5.3. Bảng 5.3: Ý nghĩa, hướng dẫn và lưu ý khi sử dụng các ký hiệu cho bao bì ngoài Số Hướng ký Ký hiệu Ý nghĩa Tham khảo/lưu ý - ví dụ dẫn hiệu
112 Số Hướng ký Ký hiệu Ý nghĩa Tham khảo/lưu ý - ví dụ dẫn hiệu Các vật đựng trong bao bì vận chuyển dễ 1 Dễ vỡ vỡ phải bốc xếp cẩn thận Không Không dùng móc để 2 dùng bốc xếp và vận móc tay chuyển hàng hóa Hướng Chỉ ra hướng đúng của 3 lên trên bao bì vận chuyển Tránh Bao bì vận chuyển 4 ánh nắng không được để dưới mặt trời ánh nắng mặt trời Vật đựng trong bao bì Tránh có thể bị hư hỏng hoặc 5 nguồn không thể dùng được phóng xạ do bị nhiễm phóng xạ Bao bì vận chuyển Tránh 6 không được để dưới mưa mưa Chỉ ra trọng tâm của Trọng bao bì vận chuyển 7 tâm được bốc xếp như một đơn vị lẻ Không Bao bì vận chuyển 8 được lăn không được lăn Không Không dùng xe kéo dùng xe tay đặt vào mặt này 9 kéo tay khi bốc xếp bao bì vận đặt ở đây chuyển Không Không được vận 10 dùng xe chuyển bao bì bằng xe nâng nâng
113 Số Hướng ký Ký hiệu Ý nghĩa Tham khảo/lưu ý - ví dụ dẫn hiệu Kẹp vào các mặt được 11 Vị trí kẹp đánh dấu để bốc xếp bao bì vận chuyển Bao bì vận chuyển bốc Dấu hiệu xếp bằng kẹp trên mặt 12 không có dấu hiệu không được kẹp được kẹp Giới hạn khối Chỉ ra khối lượng tối lượng đa được phép xếp 13 được chồng lên bao bì vận phép chuyển chồng lên Số lượng Chỉ ra số lượng tối đa tối đa bao bì vận chuyển 14 được xếp được phép xếp chồng chồng lên nhau "n" là số lên lượng bao bì giới hạn Không Không được phép xếp được xếp 15 chồng và chất tải lên chồng bao bì vận chuyển lên Dây quàng phải đặt Quàng vào vị trí có ký hiệu 16 dây ở để cẩu bao bì vận đây chuyển Chỉ ra giới hạn nhiệt Giới hạn 17 độ để bảo quản và bốc nhiệt độ xếp bao bì vận chuyển Câu hỏi 1 Phát biểu nào dưới đây sai: a) Thùng giấy carton nhẹ, dai, chống va đập tốt. b) Giấy carton có tráng phủ lớp plastic có tính cách ẩm và ngăn cản khí kém.
114 c) Các loại carton gợn sóng chịu được va đập và chịu nén và có nhiều công dụng. d) Khi mua giấy để chế tạo bìa giấy carton ta cần quan tâm đến độ dày, độ cứng của giấy. 2 Bao bì đơn vị gởi đi chứa số lượng 24 hộp, SP chứa trong mỗi hộp: 10SP/hộp; khối lượng 100g/SP. Số lượng được ghi trên bao bì đơn vị gửi đi như sau: a) 100g × 10 × 24 b) 100g × 240 gói c) 24 × 10SP × 100g/SP d) 10 hộp × 100g × 24. 3 Để dễ dàng phân phối vận chuyển bao bì thường có dạng: a) Khối chữ nhật và khối vuông. b) Khối trụ và khối vuông. c) Dạng gói. d) Khối chữ nhật. 4 Để tạo nên loại giấy bìa gợn sóng có tính chịu tải trọng cao nhất người ta thường ghép giữa các loại giấy gợn sóng sau: a) A ghép với B b) B ghép với B c) B ghép với C d) A ghép với E. 5 Cách xếp chéo các hộp trụ tròn vào hộp carton là cách xếp sao cho: a) Tâm các đáy tròn, nằm trên đỉnh của một tam giác. b) Đường nối tâm của các đáy tròn của hộp hình trụ chính là các cạnh của một tam giác đều. c) Diện tích bề mặt bị bỏ trống nhiều hơn so với phương pháp xếp vuông. d) Các phát biểu trên đều không đúng. Tài Liệu Tham Khảo 1. United Nations Industrial Development Organization Food industry studies No.5, Packaging and Packaging materials, New York, 1969. 2. Hanlon J. F., Paper and paper board, Handbook of Package Engineering, 2nd Edition, McGraw, Hill Inc, New York, 1984. 3. Schenk,R.U.,Bjorksten and L. yeager. Composition and consequences of aluminium in water,beverages and other ingestibles. In Environmental Chemistry and toxicology of Aluminium , T.E. Lewis(Ed.), Lewis
115 publisher,Inc.,Chelsea Michigan,1989,chap.14. 33. 4. Wade, P.Biscuit, cookies and crackers, vol.1, The Principles of the craft, Elservier Applied science Publishers Ltd.,Essex, England 1988, chap.4. Chương 6 BAO BÌ THỦY TINH 6.1 ĐẶC TÍNH CHUNG CỦA THỦY TINH 6.1.1 Đặc tính chung Bao bì thủy tinh đựng thực phẩm gồm những chai, lọ bằng thủy tinh silicat. Trước đây, thủy tinh là từ gọi chung cho những oxyt vô cơ dạng thủy tinh hay chính là dạng cấu trúc vô định hình. Vật chất vô cơ thường tồn tại dưới các dạng: Dạng khí, gồm tập hợp các phần tử như O2, N2, CO2, H2, Cl2, F2, SO2 , hoặc khí ion hóa plasma, hoặc dạng hơi như hơi H2O. Dạng lỏng như Br2, Hg Các dạng khí, hơi hoặc lỏng đều mang tính linh động và có hình dạng của vật chứa chúng. - Dạng rắn tinh thể, như các dạng muối kết tinh, có các hạt tinh thể rời rạc, kích thước tùy vào điều kiện kết tinh. - Dạng rắn vô định hình, còn gọi là dạng thủy tinh có thể gặp ở dạng hạt, dạng màng, gel, hoặc đóng rắn thành khối. Trạng thái thủy tinh thường là trạng thái đặc trưng của các hợp chất vô cơ, được xem là trạng thái trung gian của dạng kết tinh và dạng lỏng có đặc tính: trong suốt, cứng dòn ở nhiệt độ thường. - Khi được gia nhiệt thì thủy tinh mềm dần và trở nên linh động, chảy thành giọt hay thành dòng, độ nhớt càng giảm thấp khi nhiệt độ càng tăng; và độ nhớt sẽ tăng dần đến cực đại và mất cả tính linh động khi
115 publisher,Inc.,Chelsea Michigan,1989,chap.14. 33. 4. Wade, P.Biscuit, cookies and crackers, vol.1, The Principles of the craft, Elservier Applied science Publishers Ltd.,Essex, England 1988, chap.4. Chương 6 BAO BÌ THỦY TINH 6.1 ĐẶC TÍNH CHUNG CỦA THỦY TINH 6.1.1 Đặc tính chung Bao bì thủy tinh đựng thực phẩm gồm những chai, lọ bằng thủy tinh silicat. Trước đây, thủy tinh là từ gọi chung cho những oxyt vô cơ dạng thủy tinh hay chính là dạng cấu trúc vô định hình. Vật chất vô cơ thường tồn tại dưới các dạng: Dạng khí, gồm tập hợp các phần tử như O2, N2, CO2, H2, Cl2, F2, SO2 , hoặc khí ion hóa plasma, hoặc dạng hơi như hơi H2O. Dạng lỏng như Br2, Hg Các dạng khí, hơi hoặc lỏng đều mang tính linh động và có hình dạng của vật chứa chúng. - Dạng rắn tinh thể, như các dạng muối kết tinh, có các hạt tinh thể rời rạc, kích thước tùy vào điều kiện kết tinh. - Dạng rắn vô định hình, còn gọi là dạng thủy tinh có thể gặp ở dạng hạt, dạng màng, gel, hoặc đóng rắn thành khối. Trạng thái thủy tinh thường là trạng thái đặc trưng của các hợp chất vô cơ, được xem là trạng thái trung gian của dạng kết tinh và dạng lỏng có đặc tính: trong suốt, cứng dòn ở nhiệt độ thường. - Khi được gia nhiệt thì thủy tinh mềm dần và trở nên linh động, chảy thành giọt hay thành dòng, độ nhớt càng giảm thấp khi nhiệt độ càng tăng; và độ nhớt sẽ tăng dần đến cực đại và mất cả tính linh động khi
116 được đưa về nhiệt độ thường. - Thủy tinh có tính chuyển đổi trạng thái thuận nghịch theo sự tăng giảm nhiệt độ, tính chất ban đầu thường vẫn được giữ nguyên trong suốt quá trình biến đổi trạng thái thuận nghịch do gia nhiệt - làm nguội, hoặc khi bị nấu chảy và làm nguội nhiều lần theo cùng một chế độ. - Thủy tinh có tính đẳng hướng: xét theo mọi hướng thì cấu trúc thủy tinh đồng nhất như nhau, do đó ứng suất theo mọi hướng xuất hiện trong khối thủy tinh xem như tương đương nhau. 6.1.2 Phân loại thủy tinh vô cơ Thủy tinh (TT) đơn nguyên tử là thủy tinh chỉ tập hợp một loại nguyên tố hóa học, các nguyên tố này thuộc nhóm V, VI của bảng phân loại tuần hoàn; đây chính là dạng đóng rắn của S, P, Se, As Thủy tinh oxyt là dạng tập hợp các phân tử oxyt axit, hay oxyt bazơ cùng loại hay nhiều loại tồn tại ở nhiệt độ thường như B2O3, SiO2, GeO2 (oxyt germanium), P2O5. Gọi tên thủy tinh theo lớp rồi đến nhóm. Lớp là các oxyt có tỷ lệ thành phần cao và khá cao tạo nên thành phần chính của thủy tinh. Trong đó thành phần oxyt cơ bản chiếm tỷ lệ cao nhất tạo nên thủy tinh, được gọi theo tên muối và đặt ở cuối còn các oxyt khác được viết tận cùng bằng 0 (âm đọc là ô) và xếp theo chiều tăng nồng độ. Ví dụ: boroalumino silicat. Các oxyt kim loại được thêm vào ở lượng rất nhỏ so với các oxyt nguyên liệu chính thì được xếp vào nhóm; được gọi tên theo các nguyên tố kim loại của các oxyt này, và được sắp xếp theo thứ tự hóa trị tăng dần. Thủy tinh silicat là một loại thủy tinh oxyt rất phổ biến, chính là vật liệu làm chai lọ chứa đựng thực phẩm như các: - Chai nước giải khát có gas, bia, rượu, nước quả ép. - Lọ đựng rau quả, dầm dấm Ví dụ: boroalumino silicat, natri, kali, canxi. 6.1.3 Tính chất của thủy tinh bị ảnh hưởng bởi các cấu tử riêng phần Khi trộn các oxyt thành một hỗn hợp vật lý thì không có phản ứng hóa học xảy ra; mỗi oxyt vẫn mang tính chất như khi nó tồn tại độc lập. Nếu thủy tinh là hỗn hợp vật lý của các oxyt thì tính chất của các oxyt thành phần đó sẽ không đổi trong thủy tinh và được xem như tương đương với các tính chất của các oxyt đó ở dạng tinh thể hoặc dạng thủy tinh
117 thuần khiết. Nhưng trong thực tế, khi nấu chảy hỗn hợp các oxyt thì chúng tương tác nhau, sắp xếp vị trí trong mạch vô định hình làm thay đổi tính chất của chúng so với khi ở dạng tự do (hay tính chất riêng phần). Tính chất kỹ thuật này được áp dụng trong chế tạo thủy tinh silicat làm vật liệu bao bì thực phẩm và vật liệu cho nhiều ngành công nghiệp khác, các oxyt kim loại kiềm và kiềm thổ được cho vào ở lượng nhỏ đã tạo nên những tính năng mới cho thủy tinh silicat, đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật riêng biệt. 6.2 THỦY TINH SILICAT 6.2.1 Đặc điểm của bao bì thủy tinh silicat Bao bì thủy tinh silicat có những ưu khuyết điểm như sau: - Nguồn nguyên liệu tự nhiên phong phú (cát trắng ở bờ biển). - Tái sinh dễ dàng không gây ô nhiễm môi trường. - Dẫn nhiệt rất kém. - Tái sử dụng nhiều lần, nhưng phải có chế độ rửa chai lọ đạt an toàn vệ sinh. - Trong suốt. - Ít bị ăn mòn hóa học bởi môi trường kiềm và axit (sự ăn mòn xảy ra rất chậm và tùy theo nồng độ). Bao bì thủy tinh chứa thực phẩm không bị ăn mòn bởi pH của thực phẩm mà thường bị ăn mòn bởi môi trường kiềm, vệ sinh chai lọ để tái sử dụng - Có thể bị vỡ do va chạm cơ học - Nặng, khối lượng bao bì có thể lớn hơn thực phẩm được chứa đựng bên trong, tỷ trọng của thủy tinh: 2,2÷6,6. - Không thể in, ghi nhãn theo qui định nhà nước lên bao bì mà chỉ có thể vẽ, sơn logo hay thương hiệu của công ty nhà máy hoặc khi sản xuất chai có thể được tạo dấu hiệu nổi trên thành chai và nếu cần chi tiết hơn thì phải dán nhãn giấy lên chai như trường hợp sản phẩm rượu, bia, nước ngọt chứa đựng trong chai. 6.3 NGUYÊN LIỆU VÀ PHỐI LIỆU TRONG SẢN XUẤT THỦY TINH BAO BÌ TRONG CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM Nguyên liệu sản xuất thủy tinh (thủy tinh silicat) là các hợp chất vô cơ từ quặng thiên nhiên: các oxyt kim loại lưỡng tính, oxyt kiềm và oxyt kiềm thổ (thành phần này có thể tồn tại với lượng nhỏ). Nguyên liệu phụ: hỗ trợ kỹ thuật chế tạo các hợp chất vô cơ được dùng ở lượng nhỏ hoặc rất nhỏ để khử bọt, khử màu, nhuộm màu, làm đục thủy tinh hoặc rút ngắn quá trình nấu.
118 Trong thực tế người ta hay dùng các nguyên liệu như cát, đá vôi, tràng thạch đôlômi, sođa, sunfat, borat hoặc các oxyt tinh khiết, hoặc phế liệu thủy tinh để nấu thủy tinh silicat dùng trong công nghiệp thực phẩm. 6.3.1 Nguyên liệu nấu thủy tinh oxyt silic (SiO2) SiO2 Là thành phần chính của đa số thủy tinh công nghiệp. Phân tử SiO2 bị nấu chảy ở nhiệt độ cao sẽ chuyển thành SiO4, có cấu tạo khối tứ diện đều mà trọng tâm là nguyên tử S, nối với 4 nguyên tử O phân bố như đỉnh của khối tứ diện đều, tạo khung cơ bản cho thủy tinh. Thủy tinh silicat bền cơ, nhiệt, hóa. Thủy tinh silicat thuần khiết còn được gọi là thạch anh, rất quý và được nấu ở nhiệt độ rất cao. Thạch anh bền nhiệt, bền hóa, tính chiết quang rất cao. - Thủy tinh công nghiệp có thành phần SiO2 là 55÷75%. Nguồn nguyên liệu chính là cát biển (SiO2) thô, trong cát có thể lẫn chất bẩn thải trong biển. Ngoài SiO2 còn có Al2O3, CaO, MgO, K2O, Na2O, là thành phần cần được điều chỉnh trong thủy tinh công nghiệp. Bên cạnh đó có thể có những oxyt nhuộm màu; các oxyt ảnh hưởng độ chiết quang của thủy tinh như: Fe2O3, MnO2, TiO2, Cr2O3, V2O5. Yêu cầu cát nấu thủy tinh có hàm lượng SiO2 cao và hàm lượng tạp chất Fe2O3 rất nhỏ (Fe2O tạo thủy tinh màu vàng, FeO tạo cho thủy tinh màu xanh lá cây) do đó hàm lượng oxyt sắt tổng trong thủy tinh cho phép là 0,012÷0,3%. - Yêu cầu độ hạt cát 0,1 ÷ 0,8mm, nếu kích thước hạt >0,8 ÷ 2mm thì sẽ khó chế tạo thủy tinh đạt chất lượng cao do cát có trạng thái nóng chảy không đồng đều (do độ hạt cát to nhỏ khác nhau rất nhiều thường gây khuyết tật trong sản phẩm). Hạt cát nhỏ, mịn, đồng đều kích thước, tròn, trơn láng không có khía cạnh rất thuận lợi để sản xuất thủy tinh chất lượng cao. Ở Việt Nam có những nơi có cát tốt (gọi là cát thạch anh) như: Cát Bà, Phả Lại, Quảng Bình, Đà Nẵng. Oxyt kali (K2O) K2O được cho vào thủy tinh từ nguồn K2CO3, tạo cho thủy tinh vẻ bóng sáng bề mặt, nên K2O là phụ gia sản xuất thủy tinh cao cấp như pha lê, thủy tinh màu, thủy tinh quang học, thủy tinh dùng trong phân tích hóa học và thủy tinh kỹ thuật.
119 Oxyt canxi (CaO) CaO được cung cấp bởi nguồn đá vôi, đá phấn (có thể có chứa oxyt sắt), CaO là một trong những thành phần cơ bản của thủy tinh CaO giúp cho quá trình nấu, khử bọt dễ và thủy tinh có độ bền hóa học cao. Oxyt bari (BaO) BaO tạo cho thủy tinh vẻ sáng bóng, trọng lượng riêng tăng cao, do đó BaO là phụ gia để sản xuất thủy tinh quang học và rút ngắn quá trình nấu. Oxyt chì (Pb3O4) Trong thực tế thường dùng Pb3O4, thủy tinh chì thì dễ nấu, dễ khử bọt. Khi nấu oxyt chì sẽ cho thủy tinh có chiết suất cao, trọng lượng riêng lớn, dùng để sản xuất thủy tinh quang học, pha lê, thủy tinh bát đĩa cao cấp, ngọc thạch nhân tạo. Oxyt kẽm (ZnO) ZnO làm giảm hệ số giãn nở nhiệt của thủy tinh, gây đục thủy tinh, tạo tính bền nhiệt, bền hóa học cao và gây đục cho thủy tinh. Oxyt boric B2O3 Oxyt boric được cung cấp từ nguồn: - Axit boric H2BO3, borat (hàn the) Na2B4O7.10H2O. - Quặng asarit 2MgO.B2O3H2O Nếu cho B2O3 thay thế Na2O thì hệ số dãn nở nhiệt giảm tạo nên thủy tinh; bền nhiệt, bền hóa tăng lên, khử bọt tốt, rút ngắn quá trình nấu. B2O3 cần thiết cho sản xuất thủy tinh quang học, kỹ thuật và một số thủy tinh đặc biệt. Nhôm oxyt Al2O3 Để sản xuất thủy tinh alumino silicat cao cấp. Loại thủy tinh alumino silicat và các thủy tinh khác có hàm lượng Al2O3 ≥ 5%, từ nguồn các oxyt nhôm kỹ thuật hoặc hydroxyt nhôm. Nhóm oxyt canxi này tạo ảnh hưởng đến thủy tinh tương tự khi dùng B2O3, nhưng kéo dài thời gian nấu thủy tinh, khử bọt chậm, độ nhớt tăng, thủy tinh đóng rắn nhanh, nhưng tăng bền cơ, bền hóa học và bền nhiệt, do Al2O3 tác động làm giảm hệ số giãn nở của thủy tinh. Oxyt natri (Na2O)
120 Na2O có ảnh hưởng lớn trong sản xuất thủy tinh công nghiệp, hàm lượng Na2O cao sẽ làm giảm tính bền nhiệt, bền cơ, bền hóa và càng giảm tính dẫn điện của thủy tinh. Bên cạnh đó, Na2O có tác dụng hạ nhiệt độ nấu, do đó thủy tinh dễ bị bọt. Na2O được cung cấp từ các muối Na2CO3 và Na2SO4. Ngoài ra nếu có oxyt photpho (P2O5), các hợp chất flour, antimon, thiếc, chúng có thể gây đục thủy tinh. GeO2 GeO2 giúp tăng độ chiết quang cho thủy tinh, do đó được dùng phụ gia trong chế tạo thủy tinh cao cấp. 6.3.2 Nguyên liệu phụ Chất nhuộm màu thủy tinh gồm chất nhuộm màu phân tử hoặc nhuộm màu khuếch tán. Chất nhuộm màu phân tử sẽ không gây thay đổi tính chất của thủy tinh, cho màu ổn định và trong suốt, đối với tất cả các quá trình gia nhiệt sử dụng thủy tinh. Chất nhuộm màu dạng keo khuếch tán sẽ cho thủy tinh có màu thay đổi theo sự gia nhiệt (sau quá trình chế tạo), thủy tinh có màu đục cũng thay đổi tùy vào độ phân tán, kích thước hạt keo, màu, chế độ gia công thủy tinh. Thủy tinh có thể được nhuộm màu bởi các phụ gia FeS, oxyt sắt ba Fe2O3 làm cho thủy tinh có màu từ vàng chuyển sang màu vàng hung. Theo số liệu của Viện Hàn lâm Khoa học CHLB Nga, lượng oxyt sắt cho phép sử dụng trong các loại thủy tinh như ở bảng 6.1 và 6.2. Bảng 6.1: Hàm lượng sắt cho phép trong các loại thủy tinh theo công dụng Thủy tinh Hàm lượng oxyt sắt (%) Thủy tinh quang học (pha lê) 0,012 Thủy tinh y tế 0,2 Kính cửa 0,1 Bát đĩa cao cấp 0,025 Chai lọ thủy tinh đục 0,3 Bảng 6.2: Các chất nhuộm màu Chất nhuộm màu phân tử Màu sắc thủy tinh Mn (Mn2O3) Tím Co Xanh
121 Cr (Cr2O3, K2Cr2O7) Lục vàng Ni Không rõ ràng, tùy hàm lượng và thành phần thủy tinh (cho màu khói, tím đỏ) Fe2+ Vàng, hung, Fe3+ cho màu xanh lá cây Cu Xanh lam 6.3.3 Chất nhuộm màu dạng keo khuếch tán - Hợp chất selen: để nhuộm thủy tinh thành đỏ và hồng hàm lượng Se khoảng 0,05 ÷ 0,2%. - Hợp chất vàng (Au) có thể nhuộm màu cho thủy tinh từ hồng đến đỏ để tạo ngọc có thể thêm hàm lượng thiếc 0,01 ÷ 0,02%. - Hợp chất bạc (AgNO3) có thể nhuộm thủy tinh thành màu vàng. - Hợp chất đồng (Cu2O) tạo ra màu đỏ cho thủy tinh, nhưng trong môi trường có tính oxy hóa thì tạo màu xanh. g Các chất oxy hóa, có tác dụng khử bọt: - Chất oxy hóa: muối nitrat, các hợp chất asenic, MnO2, sẽ phóng thích o O2 trong quá trình nấu thủy tinh ở nhiệt độ cao 400 ÷ 925 C. Hỗn hợp chất oxy hóa thường dùng như asenic As2O3 (0,3%) và KNO3 (1,0 ÷ 1,5%) cũng là chất khử bọt cho quá trình nấu thủy tinh. Các chất khử bọt khác có thể dùng là: muối flourur và muối ammonium, bên cạnh đó CeO2 phân hủy thành CeO và O2 là chất chống sự biến màu, hay sự phai màu của thủy tinh, rất hiệu quả. - Chất khử: carbon (C) từ nguồn mạt cưa, than đá, muối natri, kali hoặc SnO, SnCl2 thường được dùng đề loại nguyên tố oxy từ các oxyt kim loại. g Các chất rút ngắn quá trình nấu giúp rút ngắn 10 ÷ 15% thời gian nấu thủy tinh khi thêm vào một lượng nhỏ các hợp chất flo, muối sunfat, NaCl, B2O3, BaO, muối nitrat. THỦY TINH SILICAT TRONG CÔNG NGHIỆP Các loại thủy tinh silicat sử dụng trong công nghiệp được phân loại dựa trên thành phần tham gia của các oxyt như sau: 1- Thủy tinh chứa kali và canxi. 2- Thủy tinh chứa natri và canxi. 3- Thủy tinh chứa kali và chì. 4- Thủy tinh chứa bo và nhôm.
122 Loại 1, có độ bền hóa học cao, độ bóng sáng bề mặt, dùng làm dụng cụ đo, thủy tinh cao cấp. Loại 2, có độ bền hóa học cao do sự có mặt của nguyên tố Ca, với lượng thấp Na, và nếu hàm lượng Na càng cao thì thủy tinh càng kém bền nhiệt cũng như kém bền hóa với hàm lượng Na thấp thủy tinh có thể dùng làm bao bì đựng rượu bia, nước giải khát hoặc dùng trong các phòng thí nghiệm. Loại 3, là thủy tinh đắt tiền, tỷ trọng cao, có độ bóng sáng bề mặt và độ chiết quang cao, dùng để làm vật dụng cao cấp, đồ trang sức. Loại 4, là thủy tinh bền nhiệt, bền hóa, bền cơ cao. Đây là thủy tinh kỹ thuật. Bảng 6.3: Công thức phối liệu sản xuất loại thủy tinh Na-Ca Thành phần oxyt Hàm lượng (%) SiO2 68 ÷ 73 CaO 10 ÷ 13 MgO 0,3 ÷ 3 Na2O 12 ÷ 15 Al2O3 1,5 ÷ 2 Fe2O3 0,05 ÷ 0,25 Na tồn tại trong thủy tinh với hàm lượng cao sẽ dễ tổn hại mạng lưới silicat ở bề mặt, do Na dễ nhường điện tử e– cho H+ khiến bề mặt thủy tinh dễ bị bào mòn bởi dung dịch axit và cả dung dịch kiềm. Trong môi trường axit H+ đến nhận e– từ Na, khiến Na+ sinh ra tan vào môi trường, gây rỗ bề mặt thủy tinh, nhưng sau đó thì thủy tinh trở nên có khả + năng bền với H do mạng lưới SiO4 vững chắc. Thủy tinh NaCa thường chiếm 90% sản lượng của thủy tinh. Thủy tinh Bor-Ca sẽ tạo nên thủy tinh (borosilicate) có thể chịu được sóng lò viba. Thủy tinh cao cấp như pha lê có chứa PbO, B2O3, K2O, Al2O3. Thủy tinh làm chai lọ thực phẩm: có thể chứa CaO (bền hóa học), Al2O3, ZnO; lượng Na2O càng thấp thì thủy tinh càng bền. 6.4 QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT THỦY TINH Nguyên liệu là cát: cần có độ hạt đồng đều theo yêu cầu, hàm lượng SiO2 tùy theo yêu cầu của loại thủy tinh. Nếu nguyên liệu cát lẫn các loại
123 oxyt hoặc kim loại không mong muốn thì có thể gây khuyết tật, ảnh hưởng đến chất lượng thủy tinh. Rửa - chà xát Cát được rửa bằng nước, đồng thời được chà xát để tách rời những hạt cát dính vào nhau, công đoạn này loại được một số tạp chất hòa tan trong nước, và lẫn trong nguyên liệu (như muối NaCl) và một số tạp chất dạng huyền phù. Phân loại theo kích thước hạt Cát sau khi chà xát, rửa sấy khô, được qua hệ thống rây để phân loại theo kích thước hạt, nhằm giúp quá trình nấu thủy tinh được dễ dàng. Do độ hạt đồng đều, thì thời gian và nhiệt độ nấu không bị dao động nhiều. Hình 6.1: Quy trình gia công thủy tinh Phân ly điện từ Nguyên liệu cát có thể có oxyt sắt (FeO, Fe2O3 hoặc FeS) với liều lượng cao hơn giới hạn cho phép trong sản xuất thủy tinh sẽ ảnh hưởng xấu đến tính chiết quang, cũng như tạo màu không mong muốn cho thủy tinh. Do đó, oxyt
124 sắt được loại đi bằng phương pháp điện từ. Nấu thủy tinh Giai đoạn nấu ảnh hưởng lớn đến chất lượng của thủy tinh. Khối nguyên liệu được gia nhiệt đến 1100 ÷ 1400oC để nấu chảy tạo thủy tinh, tùy theo thành phần nguyên liệu. Nếu thành phần nguyên liệu có kim loại Na cao thì sẽ làm giảm nhiệt độ nóng chảy của khối nguyên liệu. Đây chính là quá trình nóng chảy của SiO2, tạo cấu trúc đồng nhất giữa oxyt silic và các kim loại kiềm, kiềm thổ hoặc kim loại lưỡng tính, có mặt trong khối nguyên liệu. Trong quá trình nấu xảy ra sự tạo liên kết mới sắp xếp lại cấu trúc, SiO2 chuyển thành SiO4, có dạng khối tứ diện đều, nguyên tử Si nằm tại tâm, và nguyên tử oxyt phân bố ở bốn đỉnh của khối tứ diện. Trong quá trình nấu thủy tinh, có sự tham gia của carbon (C) để khử oxy từ các oxyt kim loại (khác SiO2), tạo thành khí CO, CO2 và thoát ra khỏi khối thủy tinh. Nếu nhiệt độ nấu thủy tinh được hạ thấp do thêm một số phụ gia hoặc hàm lượng Na cao khiến thời gian nấu thủy tinh diễn ra ngắn, tiêu hao năng lượng thấp nhưng quá trình khử bọt (thoát khí CO và CO2) xảy ra không triệt để, tạo bọt khí trong khối thủy tinh, gây ra khuyết tật cho thành phẩm. Ngoài ra nhiệt độ nấu thủy tinh thấp cũng như thời gian nấu ngắn đều là nguyên nhân làm cho một số oxyt kim loại không thể nóng chảy hoàn toàn, không được tạo cấu trúc đồng nhất, do đó gây khuyết tật dạng thủy tinh hoặc khuyết tật dạng tinh thể cho thành phẩm. Tạo hình thủy tinh
125 Hình 6.2: Công nghệ tạo hình sản phẩm thủy tinh Sơ đồ công nghệ tạo hình sản phẩm chai lọ thủy tinh được biểu diễn ở hình a hoặc b, gồm các giai đoạn từ 1-7. Thủy tinh được tạo hình bằng phương pháp đùn thổi hoặc ly tâm thổi với áp lực cao. Thủy tinh nóng chảy ở nhiệt độ ≥ 1000oC từ lò nấu được được tạo hình sơ bộ trong khuôn 1 và được dòng khí nén đi từ phía dưới khuôn 2 thổi nén thành hình dạng sơ bộ 2 và 3 và được tiếp tục tạo hình cho thành phẩm 7; ở giai đoạn này dùng áp lực của dòng khí nén hoặc dùng lực ly tâm để phân bố lại khối thủy tinh 5 tạo thành chai đều đặn trong khuôn 6 và tạo nên sản phẩm có hình dạng theo yêu cầu 7. Phủ nóng Phủ nóng bằng bột SnO2 nóng để bảo vệ bề mặt sản phẩm thủy tinh đang ở nhiệt độ cao, không bị nứt ra và đánh bóng bề mặt thủy tinh. Ủ, tôi thủy tinh Sau khi tạo hình, sản phẩm được ủ hoặc tôi để thay đổi ứng suất nội tồn tại trong quá trình tạo hình, nhằm làm tăng độ bền của thủy tinh trong sử sụng. Ủ thủy tinh: sản phẩm thủy tinh sau khi tạo hình đạt nhiệt độ khoảng 700÷800oC, được phủ nóng, được làm nguội xuống nhiệt độ 300oC, sau đó lại được gia nhiệt đến 700oC và được làm nguội chậm đến nhiệt độ thường, nhằm
126 để giảm ứng suất nội ở thành trong và thành ngoài của chai lọ thủy tinh, tạo cho thủy tinh có độ bền cơ cao. Tôi thủy tinh: thủy tinh sau khi được tạo hình, phủ nóng và làm nguội đến 300oC thì được gia nhiệt đến nhiệt độ 700oC và được làm nguội nhanh để tăng ứng suất bên trong thành chai lọ và tạo ứng suất đồng đều trong cả sản phẩm. Sản phẩm thủy tinh tôi chịu được sự chênh lệch nhiệt độ cao đến 270oC (thủy tinh không tôi chỉ có thể chịu được sự chênh lệch nhiệt độ là 70oC). Sản phẩm thủy tinh tôi bị vỡ sẽ tạo thành những mảnh vỡ vụn không sắc cạnh. Thủy tinh tôi được dùng chế tạo các loại kính đảm bảo an toàn cho người sử dụng trong trường hợp nó bị vỡ như: dùng làm kính xe ô tô, một số loại chai lọ, chén đĩa cao cấp và thủy tinh chịu nhiệt độ cao. 6.4.2 Các loại khuyết tật Chất lượng thủy tinh được đánh giá bởi độ đồng nhất hóa học (từ đó sẽ dẫn đến sự đồng nhất về vật lý). Sự có mặt các thành phần lạ không đồng nhất gọi là khuyết tật của thủy tinh. Tùy theo các nguyên nhân khác nhau tạo nên khuyết tật khác nhau về hình dạng, đặc tính hóa lý, và làm giảm chất lượng thủy tinh. Khi sản phẩm đã bị khuyết tật thì không thể khắc phục mà phải loại bỏ. Khuyết tật dạng bọt khí Bọt khí có nhiều kích thước khác nhau, không màu, trong suốt. Khuyết tật dạng này là do thành phần phối liệu không thích hợp hoặc kích thước hạt cát không đồng đều hoặc do chế độ nấu thủy tinh không hợp lý như nhiệt độ thấp hoặc thời gian khử bọt ngắn khiến cho khí tạo ra trong quá trình khử các oxyt không thể thoát khỏi thủy tinh một cách hoàn toàn. Khuyết tật dạng thủy tinh Các khuyết tật dạng này do thành phần nguyên liệu không thích hợp với chế độ nấu với thủy tinh do đó khác về mật độ, độ chiết suất, độ nhớt, sức căng bề mặt. Những thành phần lạ này sẽ tạo dạng vân, dạng sợi trong khối thủy tinh, gây giảm độ đồng nhất, giảm tính bền cơ, nhiệt của thủy tinh được chế tạo. Khuyết tật dạng tinh thể Khuyết tật dạng tinh thể tạo thành trong quá trình phối liệu trong nguyên liệu có những thành phần không phản ứng, không nóng chảy nằm lại trong thủy tinh; do chế độ nhiệt không thích hợp và thời gian nấu ngắn tạo nên những đốm, vết đục của các oxyt không hòa tan, không đồng thể với thủy
127 tinh. 6.5 TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA BAO BÌ THỦY TINH 6.5.1 Độ bền cơ Độ bền cơ học của bao bì thủy tinh được quyết định từ thành phần nguyên liệu, công nghệ chế tạo, cấu tạo hình dạng bao bì. Những loại chai lọ miệng rộng, thường không có cổ chai, miệng chai nối ngay với thân chai, loại này để đựng những thực phẩm dạng past, hoặc dạng hỗn hợp rắn lỏng (cái và nước), để dễ dàng cho sản phẩm vào (khi đóng bao bì) và lấy ra (khi người tiêu dùng sử dụng). Loại chai này không chịu tác động lớn của lực cơ học khi chiết rót trừ khi bị va chạm vào thành hoặc bị rơi vỡ. Loại chai được chiết rót chất lỏng như chai đựng nước ngọt có hoặc không có gas hoặc cồn, chai đựng các loại bia rượu thì thường chịu tác động của: - Lực theo phương thẳng đứng tác dụng lên đáy chai trong quá trình chiết rót và lực tác động lên cổ chai khi đóng nút chai. - Lực theo phương ngang (phương thẳng góc với đường trục của chai), chính là áp lực của khí CO2 tác động thẳng góc với thành chai, áp lực này càng lớn lúc thanh trùng, sau khi chiết rót, đóng nắp nút. Để đảm bảo chai được bền dưới tác động của lực trong quá trình chiết rót, đóng nắp chai luôn luôn được thiết kế: • Độ dày thành chai và đáy chai đồng đều nhau • Thân trụ thẳng đáy tròn. • Đáy là một mặt cầu lồi • Cổ chai phía bên trong có dạng mặt cầu lồi tròn xoay, và độ cong của cổ chai không thay đổi một cách đột ngột. - Bên trong và bên ngoài thân trụ các lực tác động có thể cân bằng như sau: có xuất hiện lực kéo, nén dạng vòng. Với đặc điểm cấu tạo như trên, áp lực tác động lên thân trụ luôn luôn được cân bằng bởi áp lực theo cùng phương có chiều ngược lại luôn luôn sinh ra các cặp ứng lực vòng ngược nhau nằm trên các mặt phẳng tiết diện chạy suốt chiều cao của thân chai, các ứng lực vòng có cường độ như nhau do độ dày thân trụ đều sẽ triệt tiêu nhau trên cả thân trụ (H.6.4).
128 Hình 6.3: Sự phân bố áp lực khí Hình 6.4: Sự phân bố áp lực do khí trong chai CO2 trên mặt cắt A-A Nếu độ dày của thành chai không đồng đều thì dưới tác dụng của lực, sẽ xuất hiện ứng lực không đồng đều trong thành chai gây vỡ chai. Chất lỏng chiết rót vào chai sẽ tạo nên lực tác động theo phương trục thẳng góc với bề mặt tiếp tuyến của đáy mặt cầu lồi, tạo ứng lực đối với mặt cầu như sau: - Ứng lực vòng kéo trên mặt đáy cầu tại điểm tác động lực thì thành phần chiếu của chúng lên mặt phẳng vuông góc trục thân trụ bị triệt tiêu, còn lại thành phần phương trục có cường độ thấp hơn rất nhiều so với trường hợp mặt phẳng chịu lực. Do đó xuất hiện ứng lực nén ở mặt ngoài đáy chai cũng nhỏ không đáng kể, không gây vô đáy chai. Một điểm thuận lợi của đáy có cấu tạo mặt cầu là sự tiếp xúc của đáy chai với bề mặt phẳng nằm ngang là đường tròn. Sự tiếp xúc này dễ dàng hơn trường hợp đáy chai tiếp xúc với mặt phẳng nằm ngang theo cả mặt tròn, dễ gây nên sự không vững của chai (khi đứng) khi chỉ xuất hiện một điểm lồi trên mặt đáy chai. - Trường hợp chai chịu tác động của lực từ bên ngoài thẳng góc với trục thân trục thì trên mặt phẳng thiết diện chai tại điểm chịu tác dụng lực sẽ xuất hiện các ứng lực vòng kéo thành chai bên ngoài và đồng thời xuất hiện ứng lực vòng nén ở thành chai bên trong; nếu ứng lực kéo và nén cân bằng nhau thì chai không bị vỡ. Nếu lực tác động quá nhanh và mạnh thì tạo nên ứng lực vòng ở thành ngoài lớn hơn thành phần trong của chai gây vỡ chai.
129 Hình 6.5 Hình 6.6: Chai thân trụ thẳng đáy tròn đựng Tâm mặt cầu lồi thực phẩm chịu tác động của lực từ bên ngoài của đáy chai thẳng góc với trục của chai, sinh ra ứng lực vòng phân bố trên mặt cắt ngang Do đó, hình dạng chai và độ dày đồng đều giữa thành và đáy và thành phần vật liệu chế tạo thủy tinh đã tạo nên độ bền vững cho chai lọ. Ứng lực vòng S được sinh ra dưới tác động của áp lực bên trong hay bên ngoài lên thành chai như sau: Pd S = 2t trong đó: P - áp suất trong chai; d - đường kính thân trụ chai t - độ dày thành chai Ở nhiệt độ thường, P trong chai nước giải khát có gas sẽ đạt đến 400kPa, tức là áp lực của CO2 có thể tích bằng 4 lần thể tích chai, áp lực P sẽ tăng lên 700kPa ở 40oC và đạt 1000kPa khi thanh trùng pasteur. Vì vậy thủy tinh phải chịu được áp lực tác động khoảng 1240-1380kPa mới có thể cân bằng được với lực tác động của khí (gas) bên trong chai. Thí nghiệm đã cho thấy chai mới sản xuất có thể có ứng lực 4054kPa; sau khi được đóng nút lần đầu tiên thì khả năng ứng lực chỉ còn 2331kPa; và sau một thời gian sử dụng ứng lực tiếp tục giảm dần cho đến khi ứng lực của chai S>1524KP thì chai vẫn còn có thể sử dụng được, và tương ứng ứng lực của cổ chai là > 690kPa. Ở các xí nghiệp sử dụng chai đựng các loại nước, thì chai được tái sử
130 dụng và không cần có sự kiểm tra ứng lực. Nếu chai đã bị mòn bề mặt do chu kỳ sử dụng tăng cao và vệ sinh chai bằng kiềm thì độ dày thành chai bị giảm hoặc trở nên không đồng đều, hoặc ứng lực chịu đựng của chai thấp dưới mức giới hạn <1500kPa (<1524kPa) thì chai có thể tự vỡ trong quá trình chiết rót, đóng nắp hoặc thanh trùng. 6.5.2 Độ bền nhiệt - Khi chai lọ được rót dịch nóng thì thành trong sẽ dãn nở tạo ứng lực vòng (ứng lực nén) như hình 6.7, chạy suốt chiều cao của thân trụ bên trong. Tương ứng, ở thành ngoài chai, khi chưa cân bằng nhiệt với thành trong, thì sẽ xuất hiện ứng lực kéo. Nếu nhiệt độ dung dịch và bao bì không chênh quá 70oC thì ứng lực kéo ở thành ngoài và ứng lực nén ở thành trong cũng không chênh nhiều một cách đột ngột, không gây vỡ chai. Trường hợp rót dung dịch lạnh cũng tương tự như trường hợp trên nhưng thành trong xem như không xuất hiện ứng lực không đáng kể, chỉ thành ngoài có xuất hiện ứng lực nén. Như vậy, chai đựng thực phẩm có áp lực khí hoặc được đun nóng, làm lạnh, cần thiết được cấu tạo thân trụ thẳng đáy tròn, cổ và thân chai không bị giảm nhanh sự chênh lệch đường kính, thì tăng độ bền cơ hơn các loại chai có cấu tạo khác. Hình 6.7: Tác dụng của nhiệt độ chiết rót dung dịch lên chai thủy tinh a) Ứng lực nén xuất hiện ở thành trong, và tạo ra ứng lực kéo ở thành phần ngoài b) Thành ngoài xuất hiện ứng lực nén khi rót dung dịch lạnh (như nước giải khát có gas, bia) 6.5.3 Tính chất quang học của thủy tinh Đặc tính quang học của thủy tinh được thể hiện ở khả năng hấp thụ ánh sáng và phản xạ ánh sáng: Tính chất hấp thụ còn phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng. Thủy tinh silicate có khả năng hấp thụ tia có λ ≈ 150nm và tia có λ≈600nm .
131 Kim loại Fe lẫn không tinh khiết sẽ ngăn cản sự truyền xuyên qua của tia tử ngoại (UV) và tia hồng ngoại (IR). Do đó có thể điều chỉnh sự truyền ánh sáng qua thủy tinh bằng cách thêm vào các chất tạo màu như: oxyt kim loại, hợp chất của lưu huỳnh, hợp chất của selen, các oxyt kim loại khác (bảng 6.4). Bảng 6.4: Các oxyt kim loại tạo màu cho thủy tinh có ảnh hưởng đến sự truyền của các tia Trạng thái màu Oxyt kim loại tạo màu Không màu, hấp thụ tia UV (không CeO2, TiO2, Fe2O3 cho tia UV truyền qua thủy tinh) Xanh da trời Co3O4, Cu2O + CuO (Purple) màu đỏ tía, xanh lam + đỏ Mn2O3, NiO Xanh lá cây Cr2O3, Fe2O3 + Cr2O3 + CuO, V2O3 Nâu MnO, MnO + Fe2O3, TiO2 + Fe2O3, MnO + CeO2 (Amber) màu vàng nâu Na2S Vàng CdS, CeO2 + TiO2 Cam CdS + Se Đỏ CdS + Se, Au, Cu, UO3 + Sb2S3 Đen Co3O4 (+ Mn, Ni, Fe, Cu, Cr dạng oxyt) Thủy tinh có chứa hỗn hợp của các oxyt kim loại như cobalt (Co) nickel (Ni), chromium (Cr), săét (Fe) đều có thể tăng sự hấp thu ánh sáng khả kiến, tia tử ngoại hoặc tia hồng ngoại. Riêng oxyt Fe tạo màu xanh lá cây cho thủy tinh có khả năng hấp thụ tia cực tím và hồng ngoại. Hiệp hội Dược học Mỹ đã định nghĩa các bao bì thủy tinh cản quang là loại chỉ cho xuyên qua khoảng 10% các ánh sáng có bước sóng khoảng 290 ÷ 450nm qua thành dày trung bình, do đó loại thủy tinh amber và thủy tinh xanh lá cây (theo bảng 6.4) là thủy tinh cản quang rất tốt. Thủy tinh có khuynh hướng hóa sẫm đen dưới năng lượng của bức xạ mạnh như trong trường hợp chiếu xạ thực phẩm. Tia bức xạ có thể gây nên sự thay thế, dịch chuyển điện tử trong mạng cấu trúc, làm thay đổi hóa trị tạo nên đa hóa trị đối với các oxyt kim loại, gây màu cục bộ khác với các vùng khác hoặc có thể làm tăng sự hấp thụ ánh sáng thường
132 Bảo vệ thủy tinh mang màu: màu của thủy tinh có thể bị giảm theo thời gian sử dụng, do đó một lượng CeO2 (bị khử thành Ce2O3 bởi sự chiếu xạ), khoảng 1,5%, được cho vào để cải thiện tính giảm màu của thủy tinh màu để bảo vệ thủy tinh mang màu, nhưng giá thành sẽ tăng cao. Thủy tinh amber và một số thủy tinh màu xanh lá cây (Cr2O3, Fe2O3 + Cr2O3 + CuO, V2O3) có khả năng ngăn cản tia tử ngoại do đó được dùng làm chai lọ đựng thuốc, hóa chất đắt tiền, đựng rượu vang, bia để tránh hư hỏng các thành bên trong sản phẩm. 6.5.4 Độ bền hóa học Độ bền hóa học là khả năng chống ăn mòn hóa học của môi trường tiếp xúc với thủy tinh. Độ bền hóa học của thủy tinh tùy thuộc thành phần nguyên liệu ban đầu và điều kiện của môi trường tiếp xúc với thủy tinh: Môi trường nước và axit Môi trường này có tính ăn mòn thủy tinh do thành phần H+ phân ly từ axit sẽ đến nhận điện tử của các kim loại kiềm, kiềm thổ, tạo thành khí H2, và các ion kim loại kiềm kiềm thổ bị khuếch tán vào môi trường, tạo nên các lỗ hỏng trong mạng cấu trúc bề mặt của thủy tinh: + o + 2H+ 2Na H2Na2 + Quá trình ăn mòn dừng lại khi không còn H+ trong môi trường hoặc khi tất cả kim loại kiềm, kiềm thổ ở bề mặt của thủy tinh bị chuyển thành ion và khuếch tán vào môi trường, còn lại các nguyên tử Si trên bề mặt của thủy tinh. Sự ăn mòn này tạo cho thủy tinh có bề mặt nhám, bị lõm thành những vết li ti, mất vẻ sáng bóng, ảnh hưởng đến tính chất quang học. Thủy tinh kiềm thổ bị ăn mòn bởi môi trường axit ở mức độ kém hơn so với thủy tinh kiềm. Môi trường kiềm Môi trường kiềm ăn mòn thủy tinh nhanh chóng hơn so với môi trường axit, vì oxyt Si là oxyt lưỡng tính, mạng lưới SiO4 bị ăn mòn dần trở nên những vết, khuyết rõ ràng hơn so với trường hợp của axit. Axit flourhydric HF ăn mòn thủy tinh rất mạnh. Thủy tinh có các thành phần như: TiO2, Cr2O, Al2O3 thì bền trong môi trường axit cũng như trong môi trường kiềm. Nhiệt độ môi trường ăn mòn càng cao thì thủy tinh bị ăn mòn càng nhanh hơn, nếu bề mặt thủy tinh có vết trầy sước thì cũng tạo điều kiện ăn mòn dễ dàng.
133 6.6 NẮP BAO BÌ THỦY TINH Nắp hoặc nút có thể được xem là thành phần quan trọng của bao bì thủy tinh. Nắp (đậy che phủ miệng chai) nút (nằm lọt vào bên trong miệng chai) và các thành phụ của chúng như đệm, nhôm lá để bọc góp phần đảm bảo độ kín của chai lọ, đảm bảo chức năng bảo quản thực phẩm được chứa đựng, chức năng tiện lợi trong phân phối tiêu thụ và không gây nhiễm độc cho thực phẩm. Hình 6.8: Các loại miệng cơ bản của chai thân trụ thẳng cao cổ Φ26,, 6± 0 3 Tùy theo dạng chai lọ chứa đựng thực phẩm, tính chất và giá trị thương phẩm của thực phẩm chứa bên trong, hạn sử dụng dài hay ngắn mà sử dụng loại nắp thích hợp, cùng với thiết kế kiểu miệng chai tương ứng các loại cấu tạo chai. Loại A: Miệng chai loại A có ren vặn để đóng nắp vào, nắp tương ứng cũng có cấu tạo ren. Chai thủy tinh miệng A chứa đựng chất lỏng không có áp lực khí như khí CO2, hoặc chỉ có áp lực riêng phần của ethanol trong sản phẩm rượu màu có độ cồn ≤ 40oGL. Loại nắp đậy cho miệng loại A làm bằng nhôm hoặc thiếc có phủ lớp sơn bên trong và bên ngoài, có đệm plastic để đảm bảo độ kín cho chai, ngoài ra cần có nút đệm, đậy miệng chai trước khi đậy nắp, nút đệm thường bằng vật liệu HDPE. Sau khi đậy nút đệm, vặn nắp thiếc vào theo đường ren thì miệng nắp đệm sẽ áp sát vào lớp đệm của nắp thiếc, tạo độ kín khít hoàn toàn. Loại B: Chai có miệng loại B, có cấu tạo thành miệng chai khá dày, để chứa các loại rượu vang, rượu champagn có áp lực CO2 cao, có thời hạn tồn trữ và sử dụng rất dài nên cần phải đậy nút kín và có khả năng chịu áp lực cao của khí CO2 được nén trong chai. Chai được đậy kín bằng nút bấc (bằng
134 gỗ bấc hay còn gọi là gỗ bần), nút có cấu tạo trụ tròn hoặc dạng hình trụ tròn có mũ nấm (H.6.9); thân trụ dài khoảng 4 cm. Nút bằng gỗ bấc có tính đàn hồi cao, sẽ đậy chặt khít miệng chai và nhô lên khỏi miệng chai khoảng 1,5cm, và dây thép được buộc bên ngoài miệng chai (nhờ có đai miệng chai) giúp cho nút bấc chịu được áp lực nén cao của CO2 bên trong chai. Kế đến lớp bọc ngoài là lớp giấy nhôm áp sát vào miệng chai, các mép giấy che phủ dây thép bên trong. Hình 6.9: Cấu tạo miệng ren và nắp ren a) Hình thiết diện đứng miệng chai b) Thiết diện đứng của nắp; c) Hình chiếu đứng của nắp ren Nút bấc cũng được mở một cách dễ dàng: dùng ngón tay cái bật nút bấc khỏi miệng chai (H.6.10) có thể dùng nút bấc để tái đóng kín chai. Hiện nay, một số chai rượu vang có cấu tạo nắp chai thay đổi về vật liệu nhưng vẫn theo nguyên tắc này: - Nút bậc được chế tạo bằng plastic có độ đàn hồi cao. - Dây thép được thay bằng nắp ren tương ứng với chai miệng ren (không dùng miệng đay). Nút cao su được đóng kín vào miệng chai không có phần nhô lên khoảng 13/÷1/4 chai, và sẽ được khui bằng dụng cụ khui chuyên dùng dạng vít xoắn. - Giấy nhôm bọc được thay thế bằng màng co plastic có in thương hiệu. Phương pháp đậy kín sản phẩm rượu vang có áp lực CO2 trong chai miệng đai đã đạt kết quả hữu hiệu; cho đến nay vẫn chưa có phương án nào hữu hiệu hơn có thể thay thế nguyên tắc này. Ngoài ra, cấu tạo chai, cách đóng gói này đã mang lại tính truyền thống cao cấp cho sản phẩm rượu vang. Loại C: Miệng chai loại C có cấu tạo thành miệng dầy và có gờ, được đậy bằng nắp mũ (nắp mũ miện (nắp phén)) nắp bằng thiếc có lót lớp đệm bằng gỗ bấc hoặc bằng cao su để có thể áp chặt khít vào miệng chai, tạo sự
135 kín hoàn toàn, khi nắp được dập trên miệng chai bằng một lực cơ học và tạo nên lớp gợn chung quanh (H.6.12). Loại chai miệng C đóng nắp mũ miện, được dùng chứa đựng nước giải khát có gas, sản phẩm có giá thành thấp, được tiêu thụ nhanh và áp lực CO2 trong chai không quá cao. Hình 6.10: Phương pháp đóng kín chai miệng đai a) Chai miệng đai được đóng kín hoàn chỉnh b) Đã bóc bỏ lớp giấy nhôm, còn lớp dây thép buộc chặt nút bấc với miệng chai c) Đã tháo lớp dây thép (còn lại nút bấc đậy kín miệng chai) Cách đóng chai miệng C không được dùng để bảo quản sản phẩm có CO2 trong thời gian dài như đối với loại B. Hình 6.11: Cách bậc nút bấc khỏi chai rượu vang Hình 6.12 Ngoài ba loại nút nắp chai cơ bản như trên, có thể dùng số nắp chai cấu tạo theo nguyên tắc A là vặn ren như chai miệng rộng dùng đựng rau quả có thể thanh trùng có nắp làm bằng thép có một đường ren.
136 Câu hỏi: 1 Các oxit dùng trong công nghệ sản xuất thủy tinh A- CaO B- Na2O C- ZnO D- B2O3 E- Al2O3 F- BaO Oxit nào giúp làm tăng độ bền hóa cho bao bì thủy tinh a) A + B + C + D b) A + C + D + E c) A + C + D + F d) A + B + C + F. 2 A- Tái sinh dễ dàng không gây ô nhiễm môi trường B- Trong suốt. C- Dẫn nhiệt tốt. D- Bền hóa cao. E- Bền cơ cao. Chọn câu trả lời đúng về ưu điểm của bao bì thủy tinh a) A + B + D b) A + B + C + D c) A + B + E + D d) A + B + C + D + E. 3. Cho các oxít sau: A- K2O B- BaO C- B2O3 D- Al2O3 E- Na2O
137 Trong công nghiệp nấu thủy tinh, chất nào trên đây tác động rút ngắn quá trình nấu a) A + E. b) E. c) B + C + D. d) A + B + C + D. 4 Hình bên cạnh: bao bì thủy tinh, đựng sirô quả, khuyết điểm của bao bì này là: A- Đường kính của cổ chai và thân chai giảm nhanh đột ngột, sự lệch đường kính quá lớn nên độ bền cơ giảm. B- Trọng tâm chai cao, không vững. C- Độ dày của chai không đồng đều. D- Chai không chứa được các loại rượu, bia, nước có CO2. E- Cổ chai quá cao dễ vỡ đối với quá trình chiết rót đóng nắp chai tự động. F- Không thể đựng dịch nước ép quả. Chọn câu trả lời đúng: a) A, B, E b) A, B, C, E c) A, B, C, D, E d) A, B, C, D, E, F. Tài Liệu Tham Khảo 1. Bộ môn Silicat, ĐHBK Hà Nội, Bài giảng chuyên môn Silicat, 1989. 2. Castelvetri,F. Microbiological implications of modified atmosphere packaing of fresh pasta products. In Proc. 6th Int. Conf. on controlled/Modified Atmosphere/Vaccum Packaing, Schotland Bussiness Rechearch Inc.,San Diego, California 1991,p.253 3 Coulon, M.and P.Louis.Modified Atmosphere packaing of precooked foods.In controlled Modified/Atmosphere/Vaccum packaing of foods, A.L.Brody(Ed.),Food&Nutriyion Press,inc.,Trumbull,Conecticut,1989,chap.8 4. Griff A.L Cacbonatedbeverage packaging. In the Wiley Encyclopedia of packaging technology, M.Pakker(Ed.), john Wiley & sons,
138 Inc.,Newyork,1986,p.691.
139 Chương 7 BAO BÌ KIM LOẠI 7.1 SỰ PHÁT TRIỂN VÀ TÍNH CHẤT CỦA BAO BÌ KIM LOẠI Bao bì kim loại được phát triển thành một ngành công nghệ vào thế kỷ 19 và phát triển mạnh nhất vào đầu thế kỷ 20. Bao bì kim loại chứa đựng bảo quản thực phẩm trong khoảng thời gian rất dài nhằm phục vụ nhu cầu ăn liền cho những vùng xa nơi mà không thể cung cấp, không thu hoạch được thực phẩm tươi sống hoặc đáp ứng yêu cầu của một số đối tượng do điều kiện sống và điều kiện công tác không có thời gian chế biến thực phẩm. Bao bì kim loại chứa đựng thực phẩm ăn liền đã đáp ứng được yêu cầu trên, có thể bảo quản thực phẩm trong thời gian dài từ 2-3 năm, thuận tiện cho việc chuyên chở phân phối nơi xa vì bao bì nhẹ và cứng vững. Ngành kỹ thuật bao bì kim loại ra đời và phát triển mạnh nhờ vào sự phát triển của ngành luyện kim và cơ khí chế tạo máy, đã chế tạo ra vật liệu kim loại tính năng cao và thiết bị đóng bao bì để cho ra các loại bao bì thực phẩm thích hợp (H.7.1). Hiện nay trên thế giới công nghệ đồ hộp đang ở mức ổn định không phát triển mạnh, vì càng ngày người ta càng thích ăn thực phẩm tươi vừa mới chế biến. Đồ hộp thực phẩm được sản xuất nhằm giải quyết vấn đề thời vụ, tránh ứ đọng và nhằm cung cấp thực phẩm ăn liền có thể được vận chuyển đi nơi xa, có thời gian bảo quản lâu dài. Tính chất chung của bao bì kim loại: - Nhẹ, thuận lợi cho vận chuyển. - Đảm bảo độ kín vì thân nắp đáy đều có thể làm cùng một loại vật liệu nên bao bì không bị lão hóa nhanh theo thời gian. - Chống ánh sáng thường cũng như tia cực tím tác động vào thực phẩm. - Bao bì kim loại có tính chịu nhiệt độ cao và khả năng truyền nhiệt cao, do đó thực phẩm các loại có thể được đóng hộp, thanh trùng hoặc tiệt trùng với chế độ thích hợp đảm bảo an toàn vệ sinh. - Bao bì kim loại có bề mặt tráng thiếc tạo ánh sáng bóng, có thể được in và tráng lớp vec-ni bảo vệ lớp in không bị trầy sước.
140 - Quy trình sản xuất hộp và đóng hộp thực phẩm được tự động hóa hoàn toàn. Hình 7.1: Các loại thực phẩm đóng hộp bằng kim loại 7.2 PHÂN LOẠI BAO BÌ KIM LOẠI 7.2.1 Phân loại theo vật liệu bao bì - Bao bì kim loại thép tráng thiếc (sắt tây, từ này được dùng từ thời Pháp thuộc): thép tráng thiếc có thành phần chính là sắt, và các phi kim, kim loại khác như cacbon hàm lượng ≤ 2,14%; Mn ≤ 0,8%; Si ≤ 0,4%; P ≤ 0,05%; S ≤ 0,05%. Có những loại thép có tỷ lệ carbon nhỏ 0,15 ÷ 0,5%. Hàm lượng carbon lớn thì không đảm bảo tính dẻo dai mà có tính dòn (điển hình như gang). Để làm bao bì thực phẩm, thép cần có độ dẻo dai cao để có thể dát mỏng thành tấm có bề dày 0,15 ÷ 0,5mm do đó, yêu cầu tỷ lệ carbon trong thép vào khoảng 0,2%. Thép có màu xám đen không có độ bóng bề mặt, có thể bị ăn mòn trong môi trường axit, kiềm. Khi được tráng thiếc thì thép có bề mặt sáng bóng. Tuy nhiên thiếc là một kim loại lưỡng tính (giống Al) nên dễ tác dụng với
141 axit, kiềm, do đó ta cần tráng lớp vec-ni (nhựa nhiệt rắn) có tính trơ trong môi trường axit và kiềm. - Bao bì kim loại Al: Al làm bao bì có độ tinh khiết đến 99%, và những thành phần kim loại khác có lẫn trong Al như Si, Fe, Cu, Mn, Mg, Zn, Ti. 7.2.2 Phân loại theo công nghệ chế tạo lon Lon hai mảnh Lon hai mảnh gồm thân dính liền với đáy, nắp rời được ghép mí với thân (như trường hợp ghép mí nắp lon ba mảnh). Lon hai mảnh chỉ có một đường ghép mí giữa thân và nắp, vật liệu chế tạo lon hai mảnh phải mềm dẻo, đó chính là nhôm (Al) cũng có thể dùng vật liệu thép có độ mềm dẻo cao. Hộp, lon hai mảnh được chế tạo theo công nghệ kéo vuốt tạo nên thân rất mỏng so với bề dày đáy, nên có thể dễ bị đâm thủng, hoặc dễ bị biến dạng do va chạm. Lon hai mảnh là loại thích hợp chứa các loại thực phẩm có tạo áp suất đối kháng bên trong như là sản phẩm nước giải khát có gas (khí CO2). Bao bì lon hai mảnh bằng Al có thể có chiều cao đến 110mm, lon hai mảnh bằng vật liệu thép có chiều cao rất thấp vì thép không có tính mềm dẻo, không thể kéo vuốt đến chiều cao như lon Al. Lon ba mảnh (lon ghép) Công nghệ chế tạo lon ba mảnh được áp dụng cho nguyên liệu thép. Lon ba mảnh gồm thân, đáy và nắp. Thân hộp được chế tạo từ một miếng thép chữ nhật, cuộn lại thành hình trụ và được hàn mí thân; nắp và đáy được chế tạo riêng, được ghép mí với thân (nắp được ghép với thân sau khi rót thực phẩm). Thân, đáy, nắp có độ dày như nhau vì thép rất cứng vững, không mềm dẻo như nhôm, không thể nong vuốt tạo lon có chiều cao như nhôm, mà có thể chỉ nong vuốt được những lon có chiều cao nhỏ. a) Sơ đồ công nghệ chế tạo lon ba mảnh
142 b) Sơ đồ công nghệ chế tạo lon hai mảnh Hình 7.2: Phương pháp chế tạo loại lon ba mảnh và loại hai mảnh 7.3 CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO THÉP TRÁNG THIẾC 7.3.1 Quy cách vật liệu thép - Quy trình sản xuất thép Theo đặc tính của thép công nghiệp (bảng 7.1), thép tấm dùng làm lon hộp bao bì thực phẩm thuộc loại L và MR. Loại MR được sử dụng phổ biến cho các loại thực phẩm: rau, quả, thịt, cá. Loại L có tính chống ăn mòn cao hơn loại MR, vì L có chứa các nguyên tố Ni, Cr, Mn. Quy trình sản xuất thép khá phức tạp và chi phí cao, từ thép tấm chế tạo lon, lon hộp đựng thực phẩm, bao bì này không thể tái sử dụng; đồng thời bao bì thải cũng rất tốn chi phí và công sức để tái chế, do đó công nghiệp đồ hộp thực phẩm vẫn còn tồn tại vấn đề ô nhiễm môi trường. Bảng 7.1: Thành phần và tính chất một số loại thép Thành phần các kim loại khác (theo % lớn nhất) Loại Tính chất Ứng dụng C Mn P S Si Cu Độ tinh sạch Dùng cho cao, hàm bao bì chứa L 0,13 0,6 0,015 0,05 0,01 0,06 lượng kim thực phẩm loại tạp thấp có tính ăn mòn cao Độ tinh sạch Thường khá cao, Cu, dùng làm P tăng, bao bì đựng MR 0,13 0,6 0,02 0,05 0,01 0,2 thường dùng rau quả, các chế tạo thép loại thực tấm tráng phẩm có tính thiếc ăn mòn thấp
143 Độ tinh sạch Làm các cao song thùng chứa thành phần có thể tích nitơ tăng nên lớn cần độ N 0,13 0,6 0,015 0,05 0,01 0,2 độ cứng tăng cứng vững cao, sản xuất nắp các bình phun tia. C giảm, P và Dùng để kéo Cu tăng nên sợi, để chế D 0,12 0,6 0,02 0,05 0,02 0,2 có độ bền tạo lon hai cơ, độ dẻo mảnh cao
144 Hình 7.3: Quy trình công nghệ sản xuất thép tấm tráng thiếc làm nguyên liệu bao bì thực phẩm Thép được chế tạo thông qua quy trình công nghệ sau: từ quặng sắt chứa các loại oxyt sắt và quặng than đá đã được xử lý loại tạp chất, được nhập liệu vào lò luyện thép, O2 được cung cấp vào lò nấu trong quá trình luyện thép. Sau khi kết thúc quá trình luyện thép, thép lỏng được tháo liệu khỏi lò và rót khuôn tạo phôi thép, phôi được gia nhiệt lại để cán thành tấm, qua nhiều giai đoạn. Sau đó thép tấm được làm lạnh và tôi bề mặt để đạt độ cứng yêu cầu. 7.3.2 Tiêu chuẩn của thép nền 1- Độ dày thép tấm được sản xuất theo các độ dày như sau (mm): 0,18 0,20 0,22 0,24 0,26 0,28 0,30 0,32 0,34 0,36 0,38 0,40 0,45 0,49 Tiêu chuẩn độ cứng của thép tấm tráng thiếc. Thép tấm được chia thành nhiều nhóm với chất lượng khác nhau thể hiện qua độ cứng của thép ROCKWELL, đo theo thang đơn vị THR 30T Bảng 7.2: Độ cứng tiêu chuẩn của sản phẩm thép cán nguội một lần Ký hiệu độ cứng Độ cứng ROCKWELL thang THR30T T-1 49 ± 3 T-2 53 ± 3 T-25 55 ± 3 T-3 57 ± 3 T-5 61 ± 3 T-5 65 ± 3 T-6 70 ± 3 Bảng 7.3: Độ cứng tiêu chuẩn và ứng lực tương ứng của thép tráng thiếc cán nguội hai lần Ký hiệu Độ cứng ROCKWELL thang T- Mức chuẩn chịu đựng độ cứng HR30T (N/mm2) DR-8 73 56 DR-9 76 63 DR-9M 77 67 DR-10 78 70
145 Chú ý: Thép có hàm lượng C càng thấp thì càng tốt 7.3.3 Tiêu chuẩn tráng thiếc Tùy theo yêu cầu sử dụng mà thép được tráng thiếc với lượng thiếc tráng khác nhau. Thép tráng thiếc có thể chế tạo theo phương pháp mạ điện hoặc phương pháp nhúng thép tấm vào thiếc nóng chảy, nhưng hiện nay thường chỉ sản xuất thép tráng thiếc theo phương pháp mạ điện. Lượng thiếc tráng danh nghĩa, lượng tráng trung bình và lượng tráng thấp nhất cho phép của thép tráng thiếc được ghi ở bảng 7.4. Tuy nhiên vẫn có trường hợp thép được phủ lớp thiếc có độ dày cao hơn trong bảng nếu được yêu cầu trong thực tế. Bảng 7.4: Độ tráng thiếc danh nghĩa, độ tráng thiếc bình quân và độ tráng ít nhất cho phép của thép tráng thiếc bằng phương pháp mạ điện Phân loại lượng thiếc Trọng lượng Trọng lượng tối Trọng lượng tráng trên hai bề mặt thông thường thiểu qui định thép tấm (g/m2) (g/m2) đạt được 2,8/2,8 2,8/2,8 4,9 5,6/5,6 5,6/5,6 10,5 Giống nhau 8,4/8,4 8,4/8,4 15,7 11,2/11,2 11,2/11,2 20,2 5,6/2,8 5,6/2,8 5,05/2,25 8,4/2,8 8,4/2,8 7,85/2,25 8,4/5,6 8,4/5,6 7,85/5,05 Khác nhau 11,2/2,8 11,2/2,8 10,1/2,25 11,2/5,6 11,2/5,6 10,1/5,05 11,2/8,4 11,2/8,4 10,1/7,85 Loại thép dùng chế tạo lon chứa đựng thực phẩm có độ tráng thiếc từ 5,6g ÷ 11,2g/m2, có thể đến 15,1 g/m2. Thiếc dùng để mạ điện lên bề mặt thép tấm có độ tinh khiết 99,75%. Theo tiêu chuẩn của EU RONORM, tấm thép tráng thiếc có kích thước 1000×850mm. Lượng thiếc tráng trên bề mặt tháp cũng ảnh hưởng đến chi phí, nhờ qua sự cải thiện phương pháp tráng thiếc, lượng thiếc tráng hiện nay đã giảm đi rất nhiều, chỉ cần 4-5kg thiếc cho 1 tấn thép tấm mạ thiếc trong khi phương pháp nhúng nhiệt tiêu tốn 13 ÷ 14 kg/tấn thép tấm. Theo các hệ tiêu chuẩn khác nhau thì lượng thiếc phủ và chất lượng của lớp thiếc cũng khác nhau. Dấu hiệu chỉ định độ tráng thiếc của hai mặt khác nhau: Việc đánh dấu
146 được thực hiện trên bề mặt có độ tráng thiếc cao hay thấp của thép tráng thiếc khác nhau, bề mặt cần đánh dấu, phương pháp đánh dấu phải có sự thỏa thuận giữa người mua và người sản xuất và cũng phải ghi rõ trong hợp đồng. Hệ thống đánh dấu thông thường được cho ở bảng 7.5. Bảng 7.5: Dấu hiệu qui định độ tráng thiếc trên bề mặt thép tấm Dấu hiệu Phương pháp đánh dấu Ví dụ chỉ định Được đánh dấu một đường liên tục khoảng D hơn 2mm bề rộng, ở bề mặt tráng thiếc thấp, 5,6/2,8D gần một cạnh bên Dấu hiệu được ghi trên bề mặt có độ tráng A thiếc thấp, được vẽ với một dấu hiệu hình học 5,6/11,2A với nét vẽ rộng 1mm Dấu hiệu được ghi trên bề mặt có độ tráng 5,6A/11,2 A thiếc cao, được vẽ bởi đường // liên tục khoảng 1mm bề rộng. Bề mặt hoàn thành của thép tráng thiếc bằng phương pháp mạ điện sẽ được phân loại theo độ bóng bề mặt, được cho ở bảng 7.6 Bảng 7.6: Phân loại bề mặt thép sau mạ thiếc Kí Phân Mặt hàng Đặc trưng hiệu loại B Sáng Bề mặt thiếc sáng bóng, trơn nhẵn, phản chiếu khá tốt. R Đá Bề mặt thiếc sáng có vân như bề mặt đá mài Sản phẩm cán S Bạc Bề mặt lớp thiếc bóng, có màu bạc đục nguội một lần M Xỉn Lớp thiếc không sáng bạc mà trở nên đục xám Sản phẩm cán R Đá Bề mặt sáng bạc có vân nguội hai lần Thép sau khi mạ điện sẽ được xử lý hóa học hay điện hóa để tạo sự bám dính chặt chẽ của lớp thiếc. - Lớp thiếc phủ bề mặt thép tạo vẽ mỹ quan cho sản phẩm: bên ngoài và bên trong hộp đều có màu sáng bạc và nhận thấy rõ thực phẩm trong hộp khi vừa mới khui nắp hộp. 7.3.4 Cấu tạo của thép tấm tráng thiếc Để tránh ăn mòn lớp thiếc bởi môi trường thực phẩm cũng như không khí, H2O, hơi nước tác động lên bề mặt ngoài bao bì, thì lớp thiếc được phủ
147 lớp vec-ni bảo vệ. Nếu không có lớp vecni thì: - Môi trường axit, muối của thực phẩm sẽ ăn mòn thiếc và sinh ra khí H2, ngoài ra còn tiếp tục ăn mòn lớp thép nền. - Không khí ẩm và H2O từ môi trường ngoài hoặc hơi H2O và H2O của quá trình tiệt trùng có thể gây hư hỏng lớp mặt ngoài bao bì - Sự trầy sước bề mặt do sự cọ sát tiếp xúc của bao bì với những kim loại khác. Do đó đa số bao bì thực phẩm bằng thép tráng thiếc cần thiết được tráng lớp vec-ni bằng nhựa nhiệt rắn ở mặt trong, và bề mặt ngoài được sơn và có thể tráng lớp vec-ni trong suốt để bảo vệ lớp sơn không bị bong tróc, và bảo vệ cả lớp thiếc tráng thép. - Dầu phủ bề mặt thép tráng thiếc: Thép tấm tráng thiếc sau khi xử lý hóa học hoặc điện hóa được phủ dầu cả hai bề mặt. Lớp dầu DOS (Di-octylsebacate) được phủ lên bề mặt thép tráng thiếc khoảng 2 ÷ 5mg/m2 nhằm mục đích bôi trơn bề mặt thép để thép tấm có thể trượt lên nhau dễ dàng mà không gây sự trầy sước lớp thiếc tráng, trong quá trình vận chuyển, nhập liệu, tạo hình lon. Lớp sắt nền Lớp thép nền hay nguyên liệu thép tấm dày 0,2÷0,36mm. Thành phần hóa học của lớp thép nền và đặc tính bề mặt ảnh hưởng đến cơ tính và tính chống ăn mòn của bao bì. Ngoài ra độ cứng của thép nền cũng ảnh hưởng đến việc chế tạo lon. Lớp hợp kim FeSn2 dày khoảng 0,15 μm Lớp sắt nền sau khi được tráng thiếc, thì được xử lý hóa học để hình thành lớp hợp kim Fe-Sn. Tính liên tục của lớp hợp kim và độ dày của nó ảnh hưởng tới tính chống ăn mòn của thép nguyên liệu. Nếu lớp thiếc bị hòa tan vào thực phẩm thì lớp hợp kim sẽ trở thành lớp bảo vệ thứ hai. Lớp thiếc dày khoảng 0,35 μm Thời gian bảo quản của lon và độ mạ thiếc tỷ lệ với nhau: lớp mạ thiếc càng dày thì trên bề mặt thiếc càng ít lỗ, do đó chống ăn mòn càng tốt. Lớp oxy hóa (lớp oxyt) Lớp dày khoảng 0,002 μm được tạo ra trong quá trình xử lý hóa học lớp
148 thiếc mạ bằng dung dịch Na2Cr2O7, có tác dụng bảo vệ lớp thiếc bên trong. Lớp dầu DOS phủ lên bề mặt thép tấm, sau khi đã xử lý hóa học oxyt thiếc nhằm để bôi trơn và che phủ tránh trầy sước; lớp dầu dày khoảng 0,002 μm . Đây là loại dầu khoáng có tên dioctyl sebacate hay acetyl tributyl cetrate. Hình 7.4: Cấu tạo của thép tráng thiếc làm nguyên liệu cho công nghệ chế tạo bao bì thực phẩm (tiết diện thép tấm)
149 7.4 QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO LON ĐỰNG THỰC PHẨM 7.4.1 Quy trình chế tạo lon ba mảnh Hình 7.5: Quy trình công nghệ chế tạo lon ba mảnh
150 Hình 7.6: Sơ đồ chế tạo lon và chiết rót thực phẩm tạo sản phẩm
151 Sắt nguyên liệu được rửa sạch lớp dầu, sấy khô In và tráng vec-ni Một bề mặt của thép tấm nguyên liệu được in nhãn hiệu, sau đó có thể được phủ vec-ni bảo vệ cả hai bề mặt hoặc chỉ phủ bề mặt không in là bề mặt trong đựng thực phẩm hoặc không phủ vec-ni cả hai mặt, tùy theo yêu cầu sản phẩm việc in được thực hiện hàng loạt nhằm tạo nhãn hiệu cung cấp thông tin cho từng loại sản phẩm, đồng thời cũng tạo lớp chống oxy hóa từ bên ngoài, tạo nét đẹp cho bao bì. - Tráng vec-ni nhằm chống sự oxy hóa, sự ăn mòn lớp thiếc tiếp xúc trực tiếp với thực phẩm chứa trong bao bì. Tùy loại sản phẩm chứa đựng mà sử dụng lớp vec-ni thích hợp nhằm không ảnh hưởng đến thực phẩm, và cũng không gây hư hỏng lớp vec-ni này. Lon đựng thực phẩm ta thường dùng vec-ni epoxy phenolic. Trường hợp lon đựng thịt cá thì cần tráng vec-ni có đưa vào bột Ti2O hoặc Al để hấp thu khí H2S thường sinh ra khi tiệt trùng thịt cá đóng hộp. Cắt sắt Thép tấm nguyên liệu sau khi được in nhãn hiệu và tráng vec-ni, được đưa qua máy cắt thành mảnh hình chữ nhật theo kích thước lon mà ta cần sản xuất. Thép tấm nguyên liệu được cắt như sau: Giai đoạn 1: Tấm sắt nguyên liệu được cắt thành nhiều tấm nhỏ có bề rộng bằng chiều cao lon Giai đoạn 2: Tấm sắt đã cắt lần 1 lại được cắt thành từng miếng nhỏ có chiều dài chính là chu vi đáy lon.
152 Giai đoạn 3: Tạo mí thân để ghép mí thân Hình 7.7: Giai đoạn cắt thép tấm để tạo thân lon Hàn Mảnh thép tạo thân lon được hàn ghép mí theo chiều cao lon, mối hàn càng mịn càng tốt vì ngoài việc tạo mối hàn phẳng đẹp còn tạo cho mối hàn thân lon được chặt khít không có khe hở. Sử dụng phương pháp hàn điện cao tần, tạo dòng điện cường độ cực cao khoảng 4000÷6000A, hàn theo nguyên lý cứ mỗi bán sóng thì tạo một nhân giọt hàn. Khác với công nghệ hàn thông thường, phương pháp hàn cao tần tạo một bước sóng sau 1/2 chu kỳ. Hàn cao tần tạo được càng nhiều bán sóng trên 1/2 chu kỳ thì càng tạo nhiều nhân giọt hàn làm tăng độ mịn của mối hàn. Hình 7.8: Nguyên tắc của phương pháp hàn thân lon Hiện nay có nhiều công nghệ hàn như: - Công nghệ hàn bướm: có tần số nhỏ khoảng 100Hz, công nghệ này có mối hàn tương đối lớn (>1mm). - Công nghệ wima: có tần số lớn hơn 100Hz, tạo mối hàn mịn hơn so với hàn bướm (<0,6mm). - Công nghệ supper wima: có tần số từ 400÷800Hz, có mối hàn rất mịn từ 0,4÷0,6mm.
153 Phủ vec-ni trong và ngoài mối hàn Trong quá trình hàn lớp thiếc ở nơi mối hàn bị chảy ra chỉ còn lại lớp sắt, do đó ta phải tráng vec-ni trong và ngoài mối hàn nhằm tránh sự ăn mòn của sản phẩm chứa trong nó, đồng thời chống sự oxy hóa từ bên ngoài. Hình 7.9: Thân trụ được ghép mí thân bằng phương pháp cơ học và phương pháp hàn điện Tách lon Giai đoạn này chỉ tiến hành khi sản xuất loại lon có chiều cao nhỏ hơn 9cm, vì ở máy hàn chỉ hàn được những lon có chiều cao lớn hơn. Do vậy đối với lon có kích thước nhỏ hơn 9cm thì thực hiện hàn 2 hoặc nhiều lon một lần sau đó tách lon. Loe Đây là giai đoạn viền miệng lon tạo gờ để chuẩn bị cho quá trình ghép mí. Làm gân Ở giai đoạn này sản phẩm được làm gân nhằm tạo độ vững chắc cho bao bì sản phẩm, có thể giảm giá thành sản phẩm do dùng thép mỏng. Nếu không tạo gân tăng cứng thì thép tấm nguyên liệu cần có độ dày là ≥0,25mm nhưng nếu có tạo gân thì nguyên liệu có thể độ dày thấp hơn. Nhưng tùy theo trọng lượng thực phẩm đóng hộp, thể tích hộp mà dùng nguyên liệu thép tấm có độ dày thích hợp. Ghép mí Ghép mí thân đáy, thân và nắp là giai đoạn quan trọng trong quá trình sản xuất đồ hộp, đây cũng có thể là một trong những nguyên nhân gây phế phẩm đồ hộp. Lon thực phẩm phải được ghép mí thật kín để tạo nên bao bì kín. Nếu ghép mí không tốt thì tạo phế phẩm đồ hộp, việc thanh trùng sẽ không có ý nghĩa.
154 Hình 7.10: Các công đoạn của công nghệ chế tạo lon ba mảnh Trong quá trình sản xuất mức sai số không thể vượt quá giới hạn cho phép, vì sẽ làm ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm. Do đó nhà máy cố gắng hạn chế tối đa các sự cố này. Thường các sự cố đó là: - Mối ghép thân bị lệch do sự sai lệch độ vuông góc của tấm sắt nguyên liệu, thường thì mức sai lệch cho phép là 2%, sự sai lỗi này thường dẫn đến hư hỏng mối ghép mí thân và nắp đáy. - Trầy sước lớp vec-ni: các thiết bị, máy móc ma sát với tấm sắt trong quá trình cuốn thân, ghép mí do đó sau khi ghép mí đáy và thân lon lại được phủ vec-ni ở những vị trí mối ghép, nhằm tăng tính an toàn cho lon, chống sự ăn mòn của thực phẩm và cả môi trường ngoài.
155 7.4.2 Quy trình công nghệ chế tạo nắp hoặc đáy lon ba mảnh Hình 7.11: Quy trình chế tạo nắp, và đáy lon ba mảnh loại nắp thường (không gắn khóa đòn bẩy)
156 7.4.3 Các loại hộp lon thành phẩm Bảng 7.7: Các cỡ lon thép tráng thiếc ba mảnh thường được sử dụng hiện nay Đường kính và chiều cao H Phạm vi sử dụng • 153 x H 178 Rau quả, thịt cá • 153 x H 114 Cá • 99 x H 119 Thực phẩm khô: sữa bột, cà phê bột, rau quả • 83 x H 113 Rau quả, thực phẩm dạng hạt khô • 74 x H 113 Rau quả, thịt cá • 50/52/50 x H 132 Nước quả, nước uống các loại. • 57/65/62 x H 91 nt • 52 x H 89 Cá, hạt giống Hình 7.12: Các hình dạng của lon ba mảnh a) Lon không có gân b) Lon có hai đường gân c) Lon có nhiều đường gân gợn sóng d) Lon có đáy và nắp nhỏ hơn thân e) Tiết diện ngang của lon ba mảnh có chiều cao thấp
157 Sắt nguyên liệu Thép tấm nguyên liệu đưa vào chế tạo nắp và đáy lon có độ dày cùng với thép nguyên liệu chế tạo thân lon. Tráng vec-ni trong và ngoài Thép tấm nguyên liệu được tráng vec-ni một hoặc cả hai mặt trong và ngoài tùy theo yêu cầu. Đối với trường hợp cần phủ cả hai mặt thì có thể tráng cùng loại vec-ni, hoặc ở mặt ngoài ta dùng vec-ni có độ sáng hơn nhằm tạo vẻ mỹ quan cho sản phẩm. Lớp vec-ni bên ngoài chống oxy hóa từ môi trường, bảo quản bề mặt ngoài đồ hộp theo thời gian. Mặt trong của thân lon và mặt trong của nắp lon được tráng cùng một loại vec-ni. Sấy khô Thép tấm nguyên liệu sau khi tráng vec-ni được sấy khô để làm bốc hơi hoàn toàn dung môi tạo nên lớp nhựa rắn chắc trong suốt bám dính vào bề mặt thiếc. Cắt tạo nắp, đáy Đây là giai đoạn cắt định hình. Tại đây tấm sắt nguyên liệu được cắt thành những miếng hình tròn có kích thước phù hợp với nắp và đáy đã được thiết kế theo kích cỡ hộp. Dập Giai đoạn dập tạo gân và móc nắp, gân nắp để tạo tính giãn nở của nắp theo sự giãn nở khí trong hộp khi thanh trùng, tiệt trùng sản phẩm. Viền Viền nhằm tạo đường cong ở viền nắp giúp cho việc tạo móc nắp trong quá trình ghép mí được dễ dàng. Phun keo Để đảm bảo độ kín hoàn toàn của lon thành phẩm sau khi đã ghép mí đáy cũng như nắp, một lớp cao su đàn hồi được phun vào viền nắp để tạo vòng đệm cho đáy hoặc nắp; sau khi ghép mí đáy và nắp trở nên chặt khít vào thân lon. Sấy khô Đệm cao su ở viền nắp, đáy được sấy khô ở 60oC nhằm làm khô lớp đệm này. Đây là giai đoạn cuối cùng của quy trình làm nắp, đáy lon.
158 Sơ đồ công nghệ chế tạo nắp và đáy lon ba mảnh Hình 7.13: Hình
159 7.4.4 Ghép mí thân và đáy hoặc nắp Hình 7.14: Quá trình tạo mối ghép giữa thân và đáy hoặc nắp
160 Hình 7.15: Mối ghép mí hoàn chỉnh giữa thân và nắp hoặc thân và đáy Hình 7.16: Các kích thước tiêu chuẩn của mối ghép: W, T, Z
161 Kiểm tra mối ghép mí của bao bì thép tráng thiếc: Kiểm tra nhanh bằng phương pháp đo các giá trị T, W, Z bằng thước kẹp: Một mối ghép đúng phải đảm bảo: T = 1,5 mm W = 3,2 mm Z = 3,25 mm Các giá trị này dùng để kiểm tra mức độ ghép đúng của các hộp có đường kính d = 54 ÷108 mm 7.4.5 Khuyết tật của mối ghép mí thân và đáy hoặc nắp Mối ghép mí thân và đáy nắp có thể bị hư hỏng sai lệch do các nguyên nhân sau: thân, nắp, đáy được cắt với kích thước không chính xác thiếu hoặc thừa tạo nên móc nắp hoặc móc thân sai lệch quá ngắn hoặc quá dài (H.7.17a,b,c,d). Hình 7.17: Các nguyên nhân gây hư hỏng mối ghép mí thân nắp hoặc thân đáy (a, b, c, d, e) Hình 7.18: Mối ghép mí bị nứt vỡ do những nguyên nhân trên - Máy ghép mí hoạt động không tốt, không đạt yêu cầu sẽ gây hư hỏng sản phẩm hàng loạt. Sự hư hỏng mối ghép mí thể hiện ở hình 7.17e, móc thân
162 và móc nắp không móc vào nhau, tạo bao bì không kín, tạo điều kiện nước xâm nhập trong quá trình thanh trùng và cả sự xâm nhập của không khí, vi sinh vật - chúng phát triển sinh khối gây hư hỏng thực phẩm. Sự hư hỏng này của bao bì và thực phẩm có thể được phát hiện do sự rò rỉ nước thực phẩm ra khỏi bao bì khi có sự đảo lắc lon, hộp; hoặc trong thời gian bảo ôn, sản phẩm bị lên men thối hay lên men tạo CO2 và ethanol. Các trường hợp khuyết tật khác đều do sự cắt định hình không đúng kích thước a) Trường hợp móc thân quá dài (a) hoặc móc nắp quá ngắn (b) tạo nên vùng rỗng ở phía trên và sau khi ép chặt mối ghép sẽ tạo gờ phía trên (H.7.18a). Gờ này không an toàn cho người tiêu dùng và gờ sẽ gây vỡ khiến đồ hộp không kín, bị hư hỏng. b) Trường hợp móc nắp quá dài (H.7.17c) hoặc móc thân quá ngắn (H.7.17d) đều tạo vùng rỗng phía dưới. Khi máy ghép mí ép chặt mối ghép thì sẽ tạo gờ nhọn ở phía dưới (H.7.18b); gờ bén có thể bị nứt vỡ (H.7.18c). Bất kỳ hình thức hư hỏng nào của mối ghép cũng gây mất giá trị cảm quan và cả giá trị dinh dưỡng, an toàn vệ sinh thực phẩm của sản phẩm. - Để kiểm tra độ kín của lon sau khi ghép mí lon được cho vào buồng khí nén của máy đo chuyên dụng rồi bơm khí nén vào với áp suất thích hợp po và duy trì po , nếu po giảm thì chứng tỏ lon này bị hở phải loại bỏ. Hình 7.19: Phương pháp thử độ kín của lon đã được ghép mí thân và đáy nắp - Có thể kiểm tra hoạt động của máy ghép mí bằng cách thử độ kín của lon rỗng hay đã đóng thực phẩm vào đã ghép đáy, nắp theo phương pháp: ngâm lon vào bể chứa nước nóng 90÷ 100°C (H.7.19). Nếu thấy bọt khí thoát ra thì lon này bị hở mối ghép, cần tìm nguyên nhân gây hư mối ghép từ máy ghép hay từ kích thước các bộ phận thân, đáy nắp.