BRPI0617529A2 - aparelho resfriado para o depàsito por plasma de uma camada de barreira sobre um recipiente - Google Patents

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Abstract

<B>APARELHO RESFRIADO PARA O DEPàSITO POR PLASMA DE UMA CAMADA DE BARREIRA SOBRE UM RECIPIENTE<D>Aparelho (1) para o depósito por plasma de uma camada fina de um material com efeito de barreira sobre uma parede interna de um recipiente (2), o aparelho (1) compreendendo: - um gerador (3) de ondas eletromagnéticas; - uma cavidade (5) ligada ao gerador (3) e feita de um material condutor; e - um compartimento (6) disposto na cavidade (5) e feito em um material transparente às ondas eletromagnéticas provenientes do gerador (3); o aparelho (1) sendo caracterizado pelo fato de compreender meios para o resfriamento (14, 15, 16) do compartimento (6)

Description

APARELHO RESFRIADO PARA O DEPÓSITO POR PLASMA DE UMA CAMADADE BARREIRA SOBRE UM RECIPIENTE
A invenção refere-se à fabricação dos recipientesno decorrer da qual se reveste sua parede interna com umacamada que compreende um material com efeito de barreira.
É conhecido efetuar o depósito do material comefeito de barreira por plasma. Essa tecnologia é bemexplicitada na patente européia N0 EP 1 068 032 em nome darequerente, ou ainda na patente americana N0 US 5 522 351.
Um aparelho empregado para esse depósito é tambémdescrito no documento pré-citado EP 1 068 032. Esseaparelho compreende um gerador de ondas eletromagnéticas,uma cavidade ligada ao gerador e feita de um materialcondutor (geralmente metálico) , com um compartimentodisposto na cavidade e feito de um material (geralmentequartzo) transparente às ondas eletromagnéticasprovenientes do gerador.
Após introdução do recipiente no compartimento,um vácuo médio (da ordem de 30 mbar a 100 mbar) é formadono compartimento, enquanto que um vácuo impulsionado (dealguns pbars) é formado no recipiente. Um gás precursor(tal como acetileno) é introduzido no recipiente, esseprecursor sendo ativado por bombardeamento eletromagnético(trata-se geralmente de microondas UHF a 2,45 GHz, de baixapotência) para fazê-lo passar ao estado de plasma frio e,assim, gerar espécies tais como carbono hidrogenado(compreendendo CH, CH2, CH3) que se depositam em camadafina (de aproximadamente 60nm a 200nm) sobre a paredeinterna do recipiente.
O recipiente a tratar é geralmente feito de ummaterial polimérico termoplástico, tal como PET(polietileno tereftalato), o qual é, a 20 °C, transparenteàs microondas eletromagnéticas. 0 mesmo acontece com oquartzo, cujas propriedades dielétricas, favoráveis (a umatemperatura da ordem de 20 °C) à transmissão dasmicroondas, o tornam particularmente atraente para arealização do compartimento que envolve o recipiente.
Em condições de laboratório, o tratamento de umrecipiente, incluindo a colocação do material, depoiscolocação em condição (notadamente de temperatura e depressão), pode consumir vários minutos até mesmo váriashoras.
Para uma produção industrial, uma série deaparelhos do tipo pré-citado (por exemplo duas dezenas) sãomontados sobre um carrossel e funcionam continuamente parao tratamento horário de vários milhares de recipientes. Otempo de ciclo unitário (isto é, por aparelho) é de algunssegundos.
Nesse ritmo, surgem problemas com os quais ostécnicos de laboratório não se defrontam geralmente. Assim,os inventores constataram, no decorrer do processoindustrial, o aparecimento de irregularidades na espessurada camada de barreira e de deformações sobre os recipientesde PET.
A invenção visa notadamente prevenir esseproblema propondo uma solução que permite garantir melhorrepartição da camada de barreira e uma redução dasdeformações do recipiente quando de um tratamento porplasma.
Para isso, a invenção propõe um aparelho para 'odepósito por plasma de uma camada fina de um material comefeito de barreira sobre uma parede interna de umrecipiente, esse aparelho compreende:
- um gerador de ondas eletromagnéticas;
- uma cavidade ligada ao gerador e feita de ummaterial condutor;- um compartimento disposto na cavidade e feitode um material transparente às ondas eletromagnéticasprovenientes do gerador; e
- meios de resfriamento do compartimento.
Na seqüência de estudos aprofundados, osinventores formularam a hipótese de que as irregularidadesna camada de barreira podiam ser devidas a dois fenômenos,ambos conseqüências de uma mesma causa.
O primeiro: um aquecimento intempestivo dosrecipientes no decorrer do processo. A transmissão dasmicroondas pelo PET é, com efeito, uma função decrescenteda temperatura do material. Se a 20°C se pode considerarque o PET é totalmente transparente às microondas, aaproximadamente 50°C essa transparência não é maissuficiente, o que se traduz por uma certa falta dehomogeneidade do plasma. O aquecimento do recipiente podeter uma outra conseqüência no caso dos recipientes comparede fina (inferior ou igual a 200 μm aproximadamente),que tendem a se multiplicar atualmente com o aumento dopreço da matéria-prima (PET), oriunda da indústria quimiçapetrolífera: o estiramento por sopro de recipientes comparede fina gera, com efeito, no recipiente formadoconseqüências residuais. Na ausência de tratamentoposterior essas conseqüências não são problemáticas. Aocontrário, se no decorrer do tratamento por plasma orecipiente for aquecido, as conseqüências residuaisliberadas por esse aquecimento provocarão deformaçõeslocais do recipiente (tanto mais consideráveis quanto maisse acharem próximas da temperatura de transição vítrea). Épreciso, então, eliminar o recipiente.
Os inventores supuseram que esse aquecimentopodia, na realidade, provir de um aquecimento docompartimento de quartzo, da transferência de calor docompartimento para o recipiente efetuando-se por convecçãotérmica. Essa suposição é audaciosa, pois a pressãopredominante entre as paredes do compartimento e orecipiente é muito baixa (da ordem de 30 a 100 mbar, como vimos) por comparação com a pressão atmosférica.
0 segundo fenômeno é uma diminuição datransparência do compartimento às microondaseletromagnéticas, traduzindo-se por um bombardeamento n^ohomogêneo do precursor. Os inventores supuseram que arelativa opacidade do compartimento era devida ao aumentode sua temperatura, a presença de impurezas no materialescolhido (no caso, o quartzo) suficiente para provocar umaquecimento do compartimento sob a ação das microondaseletromagnéticas. Essa suposição aparece também como audaciosa, pois, no conhecimento dos inventores, umapequena elevação da temperatura de um material supostoperfeitamente transparente às microondas (no caso, atemperatura do compartimento foi medida a 60 0C em situaçãode produção industrial, enquanto que essa temperatura é de 20 0C em condições de laboratório) jamais fora antesconsiderada conao problemática.
A pertinência das hipóteses formuladas peloinventores foi demonstrada pela utilização da soluçãoproposta: resfriando-se o compartimento (para mantê-lo a uma temperatura inferior a 30 0C aproximadamente),consegue-se efetivamente uma repartição mais homogênea dacamada de barreira, assim como a supressão das deformaçõesda garrafa.
Segundo um modo de realização, os meios de resfriamento compreendem uma pluralidade de orifíciosabertos na cavidade, preferencialmente orientados de modoparalelo uns aos outros, por exemplo, uma direção que formaum ângulo com uma trajetória do aparelho. Esses orifíciospermitem, quando do deslocamento do ar, o estabelecimentode uma corrente de ar que resfria o compartimento.
0 ângulo formado pelo eixo dos orifícios com atrajetória do aparelho está, por exemplo, compreendidoentre 5o e 45°. Um ventilador pode, além disso, serdisposto a montante da cavidade, face a esta, parafavorecer a circulação do ar na cavidade em torno docompartimento.
Os orifícios são, de preferência, repartidossensivelmente por toda a circunferência e/ou sensivelmentepor toda a altura da cavidade. Por outro lado, a densidadedos orifícios sobre a cavidade está, por exemplo,compreendida entre l/cm2 e 10/cm2.
Os meios de resfriamento podem compreender, alémdos orifícios ou de maneira alternativa, um dispositivopróprio para gerar no compartimento uma circulação de ar.Esse dispositivo compreende, por exemplo, um ventiladordisposto sob ou sobre o compartimento, ou ainda umacanalização de fornecimento de ar, assim como uma bomba avácuo, ambas ligadas à câmara.
Outros objetos e vantagens da invenção aparecerãocom a leitura da descrição feita a seguir com referênciaaos desenhos anexados, nos quais:
- a figura 1 representa um vista de elevação emcorte, mostrando um aparelho para o depósito por plasma deuma camada de barreira sobre a parede interna de umrecipiente;
- a figura 2 representa uma vista esquemática,mostrando dois aparelhos adjacentes montados sobre um mesmocarrossel;
a figura 3 representa uma vista similar àfigura 2, de acordo com uma variante de realização;- a figura 4 é uma vista em corte transversalparcial, mostrando um aparelho atravessado por um fluxo dear;
- a figura 5 representa uma vista de elevação emcorte parcial, mostrando um aparelho de acordo com umavariante de realização; e
- as figuras 6 e 7 representam vistas detalhadas,mostrando a repartição dos orifícios sobre a cavidade, deacordo com duas configurações consideradas.
Na figura 1 está representado um aparelho 1 parao depósito por plasma de uma camada de barreira sobre aparede interna de um recipiente 2 previamente enformado porsopro ou com estiramento por sopro, a partir de um esboçoem matéria termoplástica tal como PET.
Esse aparelho 1, a seguir denominado reator, porrespeito pela terminologia industrial em vigor, compreendeum gerador 3 de microondas eletromagnéticas de baixapotência a uma freqüência de 2,45 GHz, ligado por um guiade ondas 4 a uma cavidade 5 feita de um material condutor,por exemplo, de aço ou (de preferência) de alumínio, ou deuma liga de alumínio. Na cavidade 5, é disposta umcompartimento 6 feita em um material próprio paratransmitir as microondas eletromagnéticas, tal como oquartzo. Deve ser observado que a espessura da parede dacavidade 5 é da ordem de 5 mm, enquanto que a da parede docompartimento 6 está compreendida entre 2 e 3 mm.
O reator 1 é montado, com uma série de seussemelhantes, sobre um carrossel 7 colocado em rotação, parao tratamento simultâneo, entre um ou vários postos de cargae um ou vários postos de descarga, de vários recipientes 2.Esse carrossel 7 é materializado nas figuras 2 e 3 por suatrajetória circular passando pelos eixos X das cavidades 5.A cavidade 5 e o compartimento 6 sãoconjuntamente sobremontados por uma tampa 8 amovível,permitindo a colocação estanque do recipiente 2 nocompartimento 6. A tampa 8 é atravessada por um injetor 9para a introdução no recipiente 2 de um gás precursor, talcomo o acetileno. Sobre a tampa 8 é montado um suporte 10,na qual o recipiente 2 é encaixado. Esse suporte 10 éatravessado por um orifício 11 que desemboca em uma câmara12 de pós-descarga pela qual transitam as espéciesresiduais em fim de reação. A câmara 12 de pós-descarga secomunica com um circuito 13 de evacuação das espéciesresiduais ligada a uma bomba (não representada) que serve,ao mesmo tempo, para estabelecer um vácuo impulsionado (dealguns pbars) no recipiente 2, antes da introdução do gásprecursor, e para bombear as espécies residuais em fim dereação.
O compartimento 6 é também ligado ao circuito 13por intermédio de uma válvula, permitindo isolar ocompartimento 6 do interior do ; recipiente 2, apósintrodução deste, com um vácuo médio (compreendido entre30 e 100 mbaç) sendo realizado no compartimento 6. Apressão no compartimento 6 depende da espessura dorecipiente 2: um vácuo de 100 mbar aproximadamente, queconvém para os recipientes de espessura normal (nasproximidades de 0,35 mm), não é adaptado aos recipientes depouca espessura (aproximadamente 0,2 mm), o diferencial depressão entre o interior e o exterior podendo bastar paraprovocar sua queda. Para esses recipientes de espessuraestreita, estabelece-se, portanto, o vácuo no compartimentoa aproximadamente 30 mbar.
Para evitar o aquecimento do compartimento 6 etodos os inconvenientes citados na introdução que daídecorrem, cada reator 1 é equipado com meios deresfriamento de seu compartimento 6.
Esses meios de resfriamento podem assumirdiversas formas.
De acordo com um primeiro modo de realização, ocompartimento 6 é resfriado pelo exterior, a cavidade 5sendo atravessada por uma pluralidade de orifícios 14,repartidos, de preferência, por toda a circunferência dacavidade 5 (ou sobre uma parte somente desta) e por toda aaltura (um ou sobre uma parte somente desta). A rotação docarrossel 7 provoca, conforme ilustrado na figura 4, oaparecimento ha cavidade 5 de uma corrente de ar(materializada na figura 4 por linhas de campo L) quç,atravessando-a de lado a lado, resfria o compartimento 6,mantendo-o a uma temperatura suficientemente baixa(inferior ou igual a 30 °C) para qüe a transmissão dasmicroondas não seja afetada e que a transferência de calorentre o compartimento 6 e o recipiente 2 sejasuficientemente pequena para não acarretar um aquecimentosubstancial deste.
Os orifícios 14 podem ser de seção circular ouretangular. Seu diâmetro (ou seu lado) está, depreferência, compreendido entre 1 mm e 10 mm, enquanto quesua densidade pode estar compreendida entre 1 /cm2 e 10/ cm2, segundo a velocidade de rotação do carrossel Ieoefeito de resfriamento que se deseja obter.
Dois exemplos de modelos de distribuição dosorifícios 14 são dados nas figuras 6 e 7.
De acordo com um primeiro exemplo (figura 6), osorifícios 14, com um diâmetro de 3 mm, são dispostos emquincôncio em fileiras superpostas, o afastamento E entredois orifícios 14 de uma mesma fileira sendo de 5 mmaproximadamente e a distância H que separa duas fileirasadjacentes de 4,3 mm aproximadamente (em outros termos, oângulo entre a reta unindo os centros dos orifícios 14 deuma mesma fileira e a reta que une os centros de doisorifícios vizinhos de duas fileiras adjacentes é de 60 °aproximadamente).
De acordo com um segundo exemplo (figura 7), osorifícios 14, de um diâmetro de 4 mm aproximadamente, sãodispostos em quadriculado, o afastamento E' entre doisorifícios 14 próximos de uma mesma fileira sendo de 9 mmaproximadamente, enquanto a distância que separa duasfileira adjacentes é de 8 mm aproximadamente.
A orientação dos orifícios 14 pode ser radial;todavia, para otimizar o fluxo de ar é preferível orientá-los paralelamente uns aos outros. Assim, podem serorientados paralelamente à tangente T local à trajetória docarrossel 7 (tal como representado na figura 2 onde foramtraçadas linhas em pontilhados, materializando os eixos dosorifícios 14) ou formar com esta um ângulo, sendo viradospara o exterior do carrossel 7, considerando-se o sentidode rotação (tal como representado na figura 3), de modo aaspirar essencialmente o ar fresco na cavidade 5, evitandoaspirar o ar quente proveniente da cavidade 5' adjacente.
Na ausência de circulação forçada de ar, umângulo de inclinação dos eixos dos orifícios 14 está, depreferência, compreendido entre 5° e 45°.
Todavia, é possível equipar cada reator 1 com umventilador 15, disposto no eixo dos orifícios 14 face àcavidade 5, diante esta (isto é, a montante desta,considerando-se o sentido de rotação do carrossel 7). Nessecaso, o ângulo de inclinação dos eixos dos orifícios 14 temmenor importância (é, por exemplo, possível orientar oseixos dos orifícios 14 perpendicularmente à tangente Tlocal à trajetória), embora seja, todavia, preferível queesse ângulo seja superior a 5o para evitar a aspiração dofluxo de ar quente proveniente da cavidade 5 precedente.
Como variante, um fluxo de ar é gerado no própriocompartimento 6. Esse fluxo pode ser gerado (assumindo-seque a pressão no compartimento está compreendida entre 30mbar e 10 mbar) por um ventilador 16 disposto sob ocompartimento 6 e separado deste por uma grade 17 (porexemplo metálica) de isolamento preservando-o dos efeitosdas ondas eletromagnéticas. Conforme ilustrado na figura 5,o ventilador 16 é, de preferência, desviado para aperiferia do compartimento 6 de maneira a criar umacirculação de ar em circuito em torno do recipiente 2. Emum outro modo de realização, não representado nas figuras,o ventilador 16 pode ser instalado sobre a parte superiordo compartimento 6. Mesmo às pressões mencionadas, essacirculação de ar aparece como suficiente para limitar aconvecção térmica entre o compartimento 6 e o recipiente 2e mantê-los a uma temperatura na qual uma boa transmissãodas microondas é assegurada e na qual não são liberadas aseventuais tensões residuais no recipiente 2.
Como variante, é possível gerar no compartimento6 uma circulação forçada por injeção de ar (ou de qualqueroutro gás neutro) fresco por uma extremidade e,simultaneamente, por bombeamento do ar em uma outraextremidade, de modo que o resfriamento seja assegurado,mantendo estável o vácuo médio predominante nocompartimento 6. Na prática, é considerável, por exemplo,ligar o compartimento 6 por uma parte (por exemplo por seufundo) a uma canalização de fornecimento de ar e por outraparte (por exemplo por sua parte superior) a uma bomba devácuo, a regulagem das vazões de alimentação e debombeamento sendo, por exemplo, comandadas por retroação emfunção da pressão no compartimento 6, que pode ser medidapor um captador de pressão.
As diversas disposições que acabam de serdescritas podem ser combinadas: pode-se assim resfriar ocompartimento 6 ao mesmo tempo pelo exterior, por meio deorifícios na cavidade 5, acoplados ou não a um ventilador,e pelo interior por meio de uma circulação de ar, se^agerada por um ventilador, seja gerada por um dispositivo deinjeção e de bombeamento conjuntos.
Independentemente da disposição retida,constatou-se que o resfriamento do compartimento 6, peloexterior e/ou pelo interior, permite se livrar dosproblemas acima evocados de má repartição da camada debarreira sobre a parede interna do recipiente 2. Pelo menosessa repartição é mais homogênea do que as do estado datécnica e coristata-se melhor manutenção mecânica dosrecipientes de peso pequeno.

Claims (12)

1. Aparelho (1) para o depósito por plasma de umacamada fina de um material com efeito de barreira sobre umaparede interna de um recipiente (2), o aparelho (1)compreendendo:- um gerador (3) de ondas eletromagnéticas;- uma cavidade (5) ligada ao gerador (3) e feitade um material condutor; e- um compartimento (6) disposto na cavidade (5) efeito de um material transparente às ondas eletromagnéticasprovenientes do gerador (3);caracterizado pelo fato de compreender meios deresfriamento (14, 15, 16) do compartimento (6).
2. Aparelho (1), de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pelo fato de que os meios de resfriamento(14, 15, 16) compreendem uma pluralidade de orifícios (14)feitos na cavidade (5).
3. , Aparelho (1), de acordo com a reivindicação 2,caracterizado pelo fato de que os orifícios (14) sãoorientados paralelamente.
4. Aparelho (1), de acordo com a reivindicação 3,caracterizado pelo fato de que os orifício (14) sãoorientados segundo uma direção que forma um ângulo com umatrajetória do aparelho (1).
5. Aparelho (1), de acordo com a reivindicação 4,caracterizado pelo fato de que o referido ângulo estácompreendido entre 5o e 45°.
6. Aparelho(I) , de acordo com a reivindicação 2ou 3 ou 4 ou 5, caracterizado pelo fato de que compreende um ventilador (15) disposto a montante da cavidade (5),defronte da mesma.
7. Aparelho (1), de acordo com a reivindicação 2ou 3 ou, 4 ou 5 ou 6, caracterizado pelo fato de que osorifícios (14) são repartidos sensivelmente por toda acircunferência da cavidade (5).
8. Aparelho (1), de acordo com a reivindicação 2ou 3 ou 4 ou 5 ou 6 ou 7, caracterizado pelo fato de queos orifícios (14) são repartidos sensivelmente por toda aaltura da cavidade (5).
9. Aparelho (1), de acordo com a reivindicação 2ou 3 ou 4 ou 5 ou 6 ou 7 ou 8, caracterizado pelo fato deque a densidade dos orifícios (14) sobre a cavidade (5)está compreendida entre l/cm2 e 10/cm2.
10. Aparelho (1), de acordo com a reivindicação 1ou 2 ou 3 ou 4 ou 5 ou 6 ou 7 ou 8 ou 9, caracterizadopelo fato de que os meios de resfriamento compreendem umdispositivo próprio para gerar no compartimento (6) umacirculação de ar.
11. Aparelho (1), de acordo com a reivindicação-10, caracterizado pelo fato de que o referido dispositivocompreende um ventilador (16) disposto no compartimento(6) .
12. Aparelho (1), de acordo com a reivindicação-10, caracterizado pelo fato de que o referido dispositivocompreende uma canalização de fornecimento de ar e umabomba a vácuo ligadas ao compartimento (6).
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