冻干过程中西林瓶破裂原因

西林瓶破裂在冻干过程中虽然罕见，但一旦出现，不仅会造成产品的损失，也给清理破碎的西林瓶、清洗和验证冻干设备带来很大的挑战，西林瓶的碎玻璃存在进入其他“敞开”状态西林瓶中的风险，而且还可能划破排水阀密封圈从而导致设备真空密封性的问题。

一些专家认为，冻干破损与热应力有关，因此可以通过改变西林瓶的热性能来减少冻干破损。今天，我们主要讨论，当发生最常见形式的冻裂时，玻璃中的应力是由冷冻过程中产品膨胀的内力引起的，而不是由加工温度产生的热应力引起的。

断口学是用于任何玻璃制品发生破裂时用于研究原因的常用和有效的方法；

当力作用在玻璃物体上时，玻璃会发生弹性变形(应变)，从而产生“压应力”和“拉应力”；

这些应力在玻璃中的分布状态取决于容器外形的设计因素、玻璃厚度分布和施加在物体上的力的类型；

玻璃仅在“拉应力”的影响下会发生破裂，裂纹沿垂直于拉应力分布的方向扩展；

因此，裂纹模式可以精准反应作用在玻璃物体上的力的类型，可用于后期分析玻璃瓶破裂的原因。

图1 冻干过程中常见的西林瓶破裂模式

外侧玻璃表面的下侧壁区域出现垂直裂缝，有时在起始点的上方和/或下方出现分叉

图2 内部压力使得西林瓶破裂而出现的形态（内部膨胀力） 

试验方法：

在瓶子内灌满水然后施压，起初压力很低然后逐渐增大，直到瓶子破裂。

a）小瓶为较高的压力下破裂，表现为广泛的裂缝

b）小瓶为较低压力下破裂，呈现出相对简单的模式，只有一条垂直的直线裂缝，下端有环状裂缝。

图3 热应力导致的西林瓶破裂形态（玻璃温度差） 

试验方法：将西林瓶在烘箱中加热然后浸入冷水浴。

a)为在较高的温度差下产生的裂纹，表现出广泛的裂缝，分布在整个侧壁和基部区域。

b)为在较低的温度差下产生的裂纹，在瓶底周围出现一个圆周裂纹

计算机模拟应力分析

     图4 西林瓶厚度分布     图5 有限元分析冷冻产品膨胀引起的拉应力模式

·水平力模拟了水结冰时膨胀产生的力；

·有限元分析结果如图5所示，向外膨胀的力在玻璃内部和外部产生了几乎相等大小的拉应力；

·由于与内表面相比，西林瓶外表面有缺陷的可能性（西林的上游处理工艺可能会对外表面造成划痕等），因此断裂起源多发生在西林瓶外表面，此结果和图2显示的结果是一致的。

·根据对在商业冻干过程中破裂的51个西林瓶进行的破裂诊断得知，导致西林瓶的拉伸破裂应力范围为27.6至69.0 MPa。

·为了达到27.6 MPa的总断裂应力，玻璃瓶的内外表面之间需要125°C的温差。断裂应力为69.0 MPa时，需要314℃的温差。

·冻干过程中升降温速率都比较缓慢，几乎不可能产生如此高的温度梯度。

因此，断裂模式和断裂应力表明，最常见的西林瓶破裂形式最可能的原因是冷冻产品的向外膨胀。

（参考文献：Failure of Glass Tubing Vials during Lyophilization.）

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