CN102165089A - 用于在塑料衬底上沉积阻挡层的方法以及其涂覆装置和层系统 - Google Patents

用于在塑料衬底上沉积阻挡层的方法以及其涂覆装置和层系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于在塑料衬底上沉积阻挡层的涂覆装置，所述涂覆装置包括用于沉积包括金属的第一层的第一涂覆台，和用于沉积包括树脂的第二层的第二涂覆台，其中，用于处理所沉积的第一层的处理台设置在所述第一涂覆台和所述第二涂覆台之间，所述处理台包括溅射装置，所述溅射装置用于使沉积沉积材料的一个或多个原子层或者岛。本发明还涉及可以通过上述涂覆装置执行的适当方法和由此产生的层结构。

Description

用于在塑料衬底上沉积阻挡层的方法以及其涂覆装置和层系统
技术领域
本发明涉及用于在塑料衬底上沉积阻挡层的方法，其包括用于沉积包括金属的第一阻挡层的第一涂覆步骤，和用于沉积包括树脂的第二阻挡层的第二涂覆步骤；并且涉及用于执行上述方法的涂覆装置以及由上述方法所产生的层结构。
背景技术
在用于包装食品、化学品和药物以及技术产品或其他农产品的包装产业中，由塑料衬底和阻挡层制成的复合薄膜是众所周知的，阻挡层沉积在塑料衬底上用于防止水分和氧气穿过复合薄膜。为了防止所包装的物品与可能引起产品的环境降解的污染物和氧气接触，使用了不同的形成复合薄膜的层系统。在WO 02/02315A1、DE 4328767A1、DE 19935181A1、DE 19917076A1或JP 2006044130A中给出了示例。通常使用的一种层系统包括作为衬底的塑料薄膜，由铝或氧化铝制成的第一阻挡层沉积在该塑料薄膜上。在第一阻挡层上提供第二阻挡层。第二阻挡层由三聚氰胺树脂组成。两个阻挡层都可以通过蒸发过程沉积在塑料薄膜的表面。但是，尽管上述层系统具有对由上述薄膜包装的物品相对于水分和氧气的良好保护，但是铝层或氧化铝层上的三聚氰胺树脂的纯粘结性(pure adhesion)是非常严重的缺点。
发明内容
因此，本发明的目的是提高塑料薄膜上的铝阻挡层或氧化铝阻挡层上的三聚氰胺树脂的粘结性。通常，本发明的目的是提供用于使用阻挡层涂覆塑料衬底的方法以及涂覆装置，所述阻挡层具有良好的粘结性以及良好的整体防护水分和氧气的性能。此外，提供了适当的层系统。此外，涂覆装置应当易于使用和制造，上述方法应当易于实施。
通过具有权利要求1的特征的涂覆装置以及具有权利要求8的特征的方法以及具有权利要求17的特征的层系统实现上述目的。从属权利要求的内容是优选实施例。
本发明基于通过在第一阻挡层和第二阻挡层之间设置粘结层可以显著提高包括树脂的第二阻挡层在包括金属的第一阻挡层上的粘结性这一发现。根据本发明的粘结层包括通过溅射过程所沉积的沉积材料的单一或多个原子层或者沉积材料岛。因此，根据本发明的实施例，粘结层的表述包括非常薄的连续层以及仅具有分离岛形式的层的展开部分的非连续层。
用于沉积粘结层的材料可以从硅、氧化硅(特别是非化学计量SiOx)、铁、钢、不锈钢、铬、镍、钒、以及其合金和氧化物中选择。在单一或多个原子层中以及岛形式的分离凝聚块中沉积上述材料，导致显著提高粘结性，同时保持了其他特性，尤其是阻挡功能。多个或一些原子层的表述意味着一行接一行的2到20行原子或分子，尤其是5到50，特别是约10行。所沉积的材料的量可以小于沉积完全连续层的量，但是第一和第二阻挡层中只存在分离材料岛。可以通过在沉积过程中连续移动衬底来沉积上述薄粘结层。因此，沉积率和待涂覆衬底在溅射源上移动的传送速度，沉积材料的量可以是适合的。但是，也可以是衬底在沉积过程中不移动的静态沉积。
在第一和第二阻挡层之间沉积薄粘结层的发明方法可以应用于刚性塑料材料或软塑料材料。优选的，本发明用于可以用在包装产业中的软塑料薄膜。因此，衬底可以是卷绕带形式的软塑料薄膜，其可以在卷绕镀膜装置处理。上述卷绕镀膜装置可以包括两个卷绕辊，卷绕辊用于分别解绕和卷绕未涂覆的塑料薄膜或涂覆的塑料薄膜。沿着从解绕辊到卷绕辊的传送路径，可以放置用于沉积第一阻挡层的第一涂覆台、用于沉积第二涂覆层的第二涂覆台、和用于溅射沉积粘结层的处理台。
对于动态涂覆过程以及对于处理过程，在上述过程中衬底移动，衬底的移动速度可以设置成0.1到20m/s之间，尤其是3到14m/s，特别是5到11m/s。由于衬底的速度，可以设置适当的溅射条件，以实现所需的沉积薄粘结层。
第一涂覆步骤可以是蒸发步骤，在蒸发步骤过程中蒸发金属，并将金属涂覆到塑料材料的表面。可以通过热蒸发来实现蒸发，从而用于执行第一涂覆步骤的第一涂覆台可以包括热蒸发装置。但是，可以想到诸如电子束蒸发装置之类的其他蒸发装置、或者用于诸如电子束蒸发和空心阴极电弧激活沉积(HAD过程)的组合过程的装置。此外，例如，还能够通过提供用于向蒸发过程供应反应气体的气体供应装置来执行反应蒸发。
还可以通过蒸发执行用于沉积第二阻挡涂层的第二涂覆步骤。因此，可以向第二涂覆台提供用于蒸发树脂(特别是三聚氰胺树脂)的热蒸发装置。
如上所述，通过溅射过程在处理台中沉积粘结层或部分粘结层。为此，处理台可以包括溅射装置，该溅射装置具有至少一个阴极，例如可旋转阴极，尤其是平面阴极。阴极可以包括待溅射靶材，靶材在阴极前面或者靶材可以用作阴极。至少一个靶材可以是磁控管阴极，由于磁控管的磁体的磁场引起提高了靶材材料的原子化，磁控管阴极能提供更高的溅射产额，从而能够在更高的沉积率下执行溅射过程。
优选的，溅射装置可以包括所谓的“孪生磁控溅射靶”装置，其中两个磁控管电极可选的用作阴极。但是，上述孪生电极装置还可以使用没有磁体的电极，但是只是平面电极，尤其是平板电极。
电极从阴极切换到阳极的频率可以设置在1kHz到1MHz的范围内，尤其是10kHz到100kHz，优选是30kHz到50kHz。但是，除了交流电压外，还可以使用直流电源或脉冲直流电源。
通过执行上诉发明方法，可以产生包括塑料衬底层、包括金属的第一阻挡层、包括树脂的第二阻挡层、以及第一阻挡层和第二阻挡层之间的粘结中间层的层系统(也称为复合薄膜)。粘结层可以包括溅射沉积材料的单一或多个原子层，溅射沉积材料例如钢、不锈钢、铬、铁、镍、钒、硅、和其氧化物和合金。除了连续的粘结层之外，还可以只在第一阻挡层和第二阻挡层之间沉积单独的和分离的材料岛。
上述层系统可以与其他层组合，例如由另外的塑料薄膜等制成的顶层。
附图说明
根据下面参考附图对优选实施例的详细描述，本发明进一步的优点、特性和特征将显而易见。涂覆以纯粹示意性的形式示出，其中
图1是根据本发明的实施例的涂覆装置的侧视图；
图2是根据本发明的具有层系统的带的截面图；和
图3是第一阻挡层和沉积在第一阻挡层上的粘结层的俯视图。
具体实施方式
图1以纯粹示意性的形式示出了可以用于生产根据本发明的层系统以及用于执行发明方法的涂覆装置。
图1示出了涂覆卷绕带形式的软塑料薄膜的卷绕镀膜装置。除了软塑料材料之外，也可以想到涂覆刚性衬底。对于上述衬底，当如下所述的涂覆台以及处理台也可以用于刚性衬底时，只需要修改传送路径。
根据图1中的实施例，涂覆装置包括第一卷绕辊1，其用于从盘上解绕待涂覆的塑料薄膜3。塑料薄膜3或带被引导通过几个引导辊4、5、6和7，被第一处理辊8所接收。在第一处理辊8处，布置第一涂覆台9和处理台10。
第一涂覆台9包括蒸发器，通过蒸发器可以蒸发诸如铝之类的金属。此外，第一涂覆台9包括气体供应14，通过气体供应14可以向第一涂覆台9提供用于执行反应蒸发的诸如氧气之类的反应气体。在涂覆装置运行的过程中，在带或塑料薄膜3在第一处理辊8上移动并因此沿第一涂覆台9通过时，诸如铝之类的金属可以在第一涂覆台蒸发。在通过第一涂覆台的过程中，所蒸发的金属沉积在塑料薄膜3上，以形成例如由铝组成的第一阻挡层。如果在蒸发过程中，氧气被引导于第一涂覆台，则氧化铝Al2O3或AlOx可以沉积在塑料薄膜上作为可选的第一阻挡层。
在第一涂覆台9之后，沿处理辊8移动的塑料薄膜8通过执行溅射沉积处理的处理台10。为此，处理台包括所谓的“孪生磁控溅射靶”电极装置，其具有两个电极11和12，两个电极11和12可选择的充当阴极和阳极。因此，电极11和12连接到电源13，电源13提供具有40kHz频率的交流电压。电极11和12优选是长度延伸至塑料薄膜3的传送方向的平面电极。电极11和12包括溅射靶材，溅射靶材被原子化以产生将沉积在塑料薄膜3上的材料。靶材可以布置在电极11、12的前面，或者其自身可以形成电极。此外，电极11、12可以设计成磁控管，该磁控管在与溅射靶材相对的一侧上包括磁体装置(未示出)，以增大将加速冲击靶材的等离子体中的离子的产量。因此，可以提高溅射产额。
处理台还可以包括气体供应15，气体供应15能提供用于反应溅射的反应气体。但是，除了反应溅射(例如，在存在氧气的情况下的金属靶材的溅射)之外，也可以直接溅射诸如氧化硅SiOx等的氧化物自身。
在离开处理台10之后，包括第一阻挡层和溅射沉积材料的一个或多个原子层的塑料薄膜3被引导经过引导辊16和17到达第二处理辊22。
在第二处理辊22处，布置第二涂覆台18，第二处理辊22与第一处理辊8类似并且也可以指定为涂覆辊。第二涂覆台18包括用于蒸发三聚氰胺树脂20的蒸发装置，三聚氰胺树脂20容纳于可加热管19中，可加热管19的末端封闭以避免损失三聚氰胺树脂20。但是，管19包括沿着管的长度方向并在塑料薄膜3的传送方向上方延伸的狭缝，使得在将管19加热至约200到300℃的温度之后，三聚氰胺树脂的蒸气可以离开管19。因为管19中的狭缝指向处理辊22，待涂覆的塑料薄膜沿着处理辊22传送，所以三聚氰胺蒸气穿过第二处理台18的外罩的开口21，并到达预涂覆的塑料薄膜3，以产生包含三聚氰胺树脂的第二阻挡层。在离开第二涂覆台18的区域之后，通过引导辊23将塑料薄膜3引导至卷绕辊2，卷绕辊2将完全涂覆的塑料薄膜24卷绕成卷。
因为第一涂覆台9和第二涂覆台18处的涂覆过程以及在处理台19处执行的溅射过程是在真空条件下执行的过程，所以整个装置结合于真空密闭外壳，该真空密闭外壳为简化而在图1中未示出。
对于图1中所示的涂覆装置，能够执行发明方法，因为在第一涂覆台9中，能够沉积包括金属层(例如铝)或金属氧化物层(例如氧化铝)的第一阻挡层。
在下面的步骤中，在处理台10处，可以通过溅射技术沉积非常薄的粘结层。特别是，在从1kHz到1MHz频率下执行使用两个可选的切换为阴极和阳极的电极的高频溅射沉积，特别是10kHz到100kHz，更优选的是30kHz到50kHz，特别是约40kHz。作为靶材材料，可以使用硅或金属或金属合金以及其氧化物。例如，可以使用铬、钒、镍、铁、钢或不锈钢作为靶材材料。对于氧化物，可以特别使用Si反应溅射。此外，能够在包含氧气的环境下使用金属靶材或硅靶材，以执行反应溅射。以这样的方式执行溅射，即，只有待涂覆材料的一个原子层或只有一些层(例如2到20，或5到15原子层)可以沉积在已存在于衬底上的第一阻挡层上。此外，能够沉积比形成连续粘结层所需要的材料更少的材料。在这种情况下，除了连续的粘结层之外，粘结层岛或分别凝聚成团的沉积材料可以布置于第一阻挡层上。
图2和3中示意性示出了上述情况。
图2示出了穿过完全处理的塑料薄膜的横截面，该塑料薄膜具有塑料衬底30、第一阻挡层31、粘结层32和第二阻挡层33。因此，图2中所示的层系统可以包括聚乙烯或聚对苯二甲酸乙二酯以及聚丙烯或双向拉伸聚丙烯衬底30，在衬底30上沉积铝层或氧化铝层作为第一阻挡层。在第一阻挡层31上，提供连续的粘结层32(如图2所示)或分开的粘结层材料岛32’
粘结层32或32’提高了第二阻挡层33在第一阻挡层上的粘性，其中第二阻挡层优选是三聚氰胺树脂。
因此，本发明的特征尤其在于下列特征：
1.涂覆装置，其用于在塑料衬底上沉积阻挡层，所述涂覆装置包括用于沉积包括金属的第一层的第一涂覆台，和用于沉积包括树脂的第二层的第二涂覆台，
其中
用于处理所沉积的第一层的处理台设置在所述第一涂覆台和所述第二涂覆台之间，所述处理台包括溅射装置，所述溅射装置用于沉积沉积材料的一个或多个原子层、或者岛。
2.根据特征1的涂覆装置，
其中
所述涂覆装置适合于在沉积过程中连续移动待涂覆的衬底。
3.根据特征1或2的涂覆装置，
其中
所述涂覆装置是用于涂覆卷绕带形式的软塑料薄膜的卷绕镀膜装置。
4.根据特征2或3的涂覆装置，
其中
提供用于移动所述衬底的驱动装置，所述驱动装置设计成能在所述衬底通过所述处理台的过程中提供0.1到20m/s的衬底移动速度。
5.根据特征2或3的涂覆装置，
其中
提供用于移动所述衬底的驱动装置，所述驱动装置设计成能在所述衬底通过所述处理台的过程中提供3到14m/s的衬底移动速度。
6.根据特征2或3的涂覆装置，
其中
提供用于移动所述衬底的驱动装置，所述驱动装置设计成能在所述衬底通过所述处理台的过程中提供5到11m/s的衬底移动速度。
7.根据前述任一特征的涂覆装置，
其中
所述第一涂覆台包括用于蒸发金属的蒸发装置。
8.根据前述任一特征的涂覆装置，
其中
所述第一涂覆台包括电子束蒸发装置。
9.根据前述任一特征的涂覆装置，
其中
所述第一涂覆台包括用于执行空心阴极电弧激活沉积(HAD过程)。
10.根据前述任一特征的涂覆装置，
其中
所述第一涂覆台包括用于反应沉积的装置。
11.根据前述任一特征的涂覆装置，
其中
所述第一涂覆台包括用于向蒸发过程提供反应气体的气体供应装置。
12.根据前述任一特征的涂覆装置，
其中
所述第二涂覆台包括用于蒸发树脂的蒸发装置。
13.根据前述任一特征的涂覆装置，
其中
所述溅射装置至少包括平面阴极。
14.根据前述任一特征的涂覆装置，
其中
所述溅射装置至少包括磁控管阴极。
15.根据前述任一特征的涂覆装置，
其中
所述溅射装置包括可选择的充当阴极的至少两个电极或磁控管电极。
16.根据前述任一特征的涂覆装置，
其中
所述溅射装置包括向阴极提供直流电压或交流电压的电源，所述交流电压的频率设置在1kHz到1MHz之间。
17.根据特征16的涂覆装置，
其中
所述电源被设计成使得频率可以设置在10kHz到100kHz之间。
18.根据特征16或17的涂覆装置
其中
所述电源被设计成使得频率可以设置在30kHz到50kHz之间。
19.根据前述任一特征的涂覆装置，
其中
所述溅射装置包括靶材，所述靶材具有由包括钢、不锈钢、铬、铁、镍、钒、硅、及其氧化物的组合中的至少一种组分。
20.根据前述任一特征的涂覆装置，
其中
所述溅射装置包括用于反应溅射的装置。
21.根据前述任一特征的涂覆装置，
其中
所述溅射装置包括用于供应反应气体的气体供应装置。
22.根据前述任一特征的涂覆装置，
其中
所述第一涂覆台和所述处理台连接到第一处理辊，所述第二涂覆台连接到第二处理辊。
23.用于在塑料衬底上沉积阻挡层的方法，所述方法包括用于沉积包括金属的第一层的第一涂覆步骤，和用于沉积包括树脂的第二层的第二涂覆步骤，
其中
在所述第一涂覆步骤和所述第二涂覆步骤之间执行用于处理所述第一层的处理步骤，所述处理步骤包括在所述衬底上溅射沉积材料的一个或多个原子层。
24.根据特征23的方法，
其中
在所述第一涂覆步骤、所述第二涂覆步骤和所述处理步骤中的至少一个步骤过程中，连续移动所述衬底。
25.根据特征23的方法，
其中
在通过所述处理台的过程中，所述衬底的移动速度是0.1到20m/s。
26.根据特征23的方法，
其中
在通过所述处理台的过程中，所述衬底的移动速度是3到14m/s。
27.根据特征23的方法，
其中
在通过所述处理台的过程中，所述衬底的移动速度是5到11m/s。
28.根据特征23到27中任一特征的方法，
其中
所述衬底是卷绕带形式的软塑料薄膜。
29.根据特征23到28中任一特征的方法，
其中
从包括聚乙烯PE、聚对苯二甲酸乙二酯PET、双向拉伸聚丙烯BOPP、聚丙烯PP和醋酸盐的组合中选择所述衬底。
30.根据特征23到29中任一特征的方法，
其中
在所述第一涂覆步骤过程中，蒸发金属。
31.根据特征23到30中任一特征的方法，
其中
在所述第一涂覆步骤过程中，执行空心阴极电弧激活沉积(HAD过程)或反应蒸发。
32.根据特征23到31中任一特征的方法，
其中
在所述第一涂覆步骤过程中，沉积铝或氧化铝。
33.根据特征23到32中任一特征的方法，
其中
在所述第二涂覆步骤过程中，沉积树脂。
34.根据特征23到33中任一特征的方法，
其中
在所述第二涂覆步骤过程中，沉积三聚氰胺树脂。
35.根据特征23到34中任一特征的方法，
其中
在阴极处的直流电压或交流电压下执行所述溅射过程，所述交流电压的频率设置在1kHz到1MHz之间。
36.根据特征35的方法，
其中
所述频率设置在10kHz到100kHz之间。
37.根据特征35的方法，
其中
所述频率设置在30kHz到50kHz之间。
38.根据特征23到37中任一特征的方法，
其中
在所述处理步骤过程中，沉积由包括钢、不锈钢、铬、铁、镍、钒、硅、及其氧化物的组合中的至少一种组分。
39.根据特征23到38中任一特征的方法，
其中
在所述处理步骤过程中，执行反应溅射。
40.根据特征23到39中任一特征的方法，
其中
在真空条件下执行所述方法。
41.根据特征23到39中任一特征的方法，
其中
在根据特征1到22中任一特征的涂覆装置中执行所述方法。
42.层系统，其包括塑料沉底成、包括金属的第一阻挡层和包括树脂的第二阻挡层，
其中
在所述第一阻挡层和所述第二阻挡层之间，设置粘结层，所述粘结层具有材料的一个或多个原子层或材料岛。
43.根据特征42的层系统，
其中
所述粘结层包括由包括钢、不锈钢、铬、铁、镍、钒、硅、及其氧化物的组合中的至少一种组分。
44.根据特征42或43的层系统，
其中
所述第一阻挡层包括铝或氧化铝。
45.根据特征42到44中任一特征的层系统，
其中
所述第二阻挡层包括三聚氰胺树脂。
46.根据特征42到44中任一特征的层系统，
其中
提供至少一个顶层。
尽管参考实施例详细描述了本发明，但是本领域技术人员明白，本发明并不限于所描述的实施例，而是还覆盖了落入权利要求范围内的修改和替换。尤其，本发明覆盖了在此描述的单一特征的所有可能的组合，尤其是具有不同组合的特征的实施例或省略了单一特征的实施例。

Claims (19)

1.一种涂覆装置，其用于在塑料衬底上沉积阻挡层，所述涂覆装置包括用于沉积包括金属的第一层的第一涂覆台，和用于沉积包括树脂的第二层的第二涂覆台，
其中
用于处理所沉积的第一层的处理台设置在所述第一涂覆台和所述第二涂覆台之间，所述处理台包括溅射装置，所述溅射装置用于沉积沉积材料的一个或多个原子层、或者岛。
2.根据权利要求1所述的涂覆装置，
其中
所述涂覆装置是用于涂覆卷绕带形式的软塑料薄膜的卷绕镀膜装置。
3.根据权利要求1或2所述的涂覆装置，
其中
所述第一涂覆台包括用于蒸发金属的蒸发装置和/或用于反应沉积的装置。
4.根据前述任一权利要求所述的涂覆装置，
其中
所述第二涂覆台包括用于蒸发树脂的蒸发装置。
5.根据前述任一权利要求所述的涂覆装置，
其中
所述溅射装置包括至少一个平面阴极和/或可选择的充当阴极的至少两个电极或磁控管电极。
6.根据前述任一权利要求所述的涂覆装置，
其中
所述溅射装置包括向阴极提供直流电压或交流电压的电源，所述交流电压的频率设置在1kHz到1MHz之间。
7.根据前述任一权利要求所述的涂覆装置，
其中
所述第一涂覆台和所述处理台连接到第一处理辊，所述第二涂覆台连接到第二处理辊。
8.一种用于在塑料衬底上沉积阻挡层的方法，所述方法包括用于沉积包括金属的第一层的第一涂覆步骤，和用于沉积包括树脂的第二层的第二涂覆步骤，
其中
在所述第一涂覆步骤和所述第二涂覆步骤之间执行用于处理所述第一层的处理步骤，所述处理步骤包括在所述衬底上溅射沉积材料的一个或多个原子层。
9.根据权利要求8所述的方法，
其中
在所述第一涂覆步骤、所述第二涂覆步骤和所述处理步骤中的至少一个步骤过程中，连续移动所述衬底。
10.根据权利要求8或9所述的方法，
其中
所述衬底是卷绕带形式的软塑料薄膜，并且是从包括聚乙烯PE、聚对苯二甲酸乙二酯PET、双向拉伸聚丙烯BOPP、聚丙烯PP和醋酸盐的组合中选择的。
11.根据权利要求8到10中任一权利要求所述的方法，
其中
在所述第一涂覆步骤过程中，执行空心阴极电弧激活沉积(HAD过程)或反应蒸发。
12.根据权利要求8到11中任一权利要求所述的方法，
其中
在所述第一涂覆步骤过程中，沉积铝或氧化铝。
13.根据权利要求8到12中任一权利要求所述的方法，
其中
在所述第二涂覆步骤过程中，沉积树脂。
14.根据权利要求8到13中任一权利要求所述的方法，
其中
在所述第二涂覆步骤过程中，沉积三聚氰胺树脂。
15.根据权利要求8到14中任一权利要求所述的方法，
其中
在所述处理步骤过程中，沉积由包括钢、不锈钢、铬、铁、镍、钒、硅、及其氧化物的组合中的至少一种组分。
16.根据权利要求8到15中任一权利要求所述的方法，
其中
在所述处理步骤过程中，执行反应溅射。
17.一种层系统，其包括塑料沉底成、包括金属的第一阻挡层和包括树脂的第二阻挡层，
其中
在所述第一阻挡层和所述第二阻挡层之间，设置粘结层，所述粘结层具有材料的一个或多个原子层或材料岛。
18.根据权利要求17所述的层系统，
其中
所述粘结层包括由包括钢、不锈钢、铬、铁、镍、钒、硅、及其氧化物的组合中的至少一种组分。
19.根据权利要求17或18所述的层系统，
其中
提供至少一个顶层。
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