CN102844280B - 固化玻璃容器上的涂层 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及对玻璃容器施用涂层的方法，其包括以下步骤：用含有导电纳米粒子(20)的可热固化的涂覆材料(18)涂覆玻璃容器(12)的外表面(16)，和将涂覆的容器暴露于射频辐射(24)，使得由所述纳米粒子吸收的所述射频辐射内部加热并固化在玻璃容器的外表面上的所述可热固化的涂覆材料，以在玻璃容器上产生固化的涂层。

Description

固化玻璃容器上的涂层
本发明涉及涂覆的玻璃容器、包括用于涂覆玻璃容器的方法和材料的涂覆方法和固化玻璃容器涂层。
背景和发明概述
已经研发了各种方法来出于包括装饰、粘合和使玻璃强化以防破坏的不同目的而对玻璃容器施用涂层。例如，美国专利4,009,301公开了用于粉末涂覆玻璃容器的方法和装置。将未涂覆的玻璃容器在烘箱中预热到约150-425℉(约65.6-218.3℃)，在喷雾隧道中用粉末涂料喷雾，且随后在对流烘箱中加热到约400-425℉(约204.4-218.3℃)以固化在玻璃容器上的涂层。这种常规热涂层的固化需要数十分钟来完成，且因此不能以在线方式在当前容器生产线速度下进行。
根据本发明的一方面，本发明的总体目的在于消除在脱机或下游操作中对于使用单独固化烘箱的需要、提供比对流烘箱热固化更迅速但具有通常与烘箱固化的涂层相关的耐久性益处的涂层固化技术和提供强化涂层性质的固化材料。
本发明包括可单独或彼此组合地实施的许多方面。
根据本发明的一个方面，对玻璃容器施用涂层的方法包括以下步骤：用含有导电纳米粒子的可热固化的涂覆材料涂覆玻璃容器的外表面和将涂覆的容器暴露于射频辐射以使得由纳米粒子吸收的射频辐射内部加热并固化在玻璃容器的外表面上的可热固化的涂覆材料，以在玻璃容器上产生固化的涂层。
根据本发明的另一方面，提供了对玻璃容器施用涂层的方法。所述方法包括用可热固化的涂覆材料涂覆玻璃容器的外表面，所述可热固化的涂覆材料由选自硅烷、硅氧烷、聚硅氧烷、聚氨酯、丙烯酸酯和环氧树脂的成员中的至少一种构成且具有沿其最大尺寸为1-100纳米且由选自铜、金、银、铂、铝、氧化锌(无掺杂和/或掺杂有氟、铝、镓和/或铟)、锡酸锌(ZnSnO3或Zn2SnO4)、二氧化锡(无掺杂和/或掺杂有氟、锑、磷和/或硼)和氧化锡铟的成员中的至少一种构成的导电纳米粒子。所述方法还包括将涂覆的容器暴露于小于1吉赫的射频辐射以使得由纳米粒子吸收的射频辐射内部加热并固化在玻璃容器的外表面上的可热固化的涂覆材料，以在玻璃容器上产生固化的涂层。
根据本发明的又一方面，提供了对玻璃容器施用涂层的方法。所述方法包括用可热固化的涂覆材料涂覆玻璃容器的外表面以赋予玻璃容器包括强度、颜色或紫外防护性质中的至少一种的一种或多种所需性质。所述方法还包括用导电纳米粒子涂覆玻璃容器的外表面，所述导电纳米粒子用作感受器以吸收射频辐射且将热内部传递到可热固化的涂覆材料，以及还用于以下至少一者中：在赋予玻璃容器所述一种或多种所需性质方面对可热固化的涂覆材料进行增补或对可热固化的涂覆材料进行补充以赋予玻璃容器包括强度、颜色、紫外防护或抗微生物性质中的至少一种的一种或多种额外的所需性质。所述方法还包括将涂覆的容器暴露于射频辐射以使得由纳米粒子吸收的射频辐射内部加热并固化在玻璃容器的外表面上的可热固化的涂覆材料以在玻璃容器上产生固化的涂层。
根据本发明的另一方面，提供了包括玻璃容器的产品，所述玻璃容器包括外表面和固化在玻璃容器的外表面上的涂层。所述固化的涂层包含经射频辐射辐照的导电纳米粒子和通过由经辐射的导电纳米粒子产生的热而固化的可热固化的涂覆材料。
附图简述
本发明以及其其他目的、特征、优势和方面将通过以下描述、随附权利要求书和附图被更好地理解，其中：
图1为根据本发明的一个例示性实施方案的用于玻璃容器的涂层施用方法的示意图；
图2为在图1的方法的下游且根据本发明的另一例示性实施方案的涂层固化方法的示意图；和
图3为根据本发明的例示性实施方案用于玻璃容器的可热固化的涂覆材料性质和纳米粒子性质的各种组合的表。
优选实施方案的详细说明
图1说明玻璃容器涂层施用方法10的例示性实施方案。所述方法10可包括例如经由材料处理装置14接收玻璃容器12。玻璃容器12包括瓶子(如所示)、罐子或任何其他合适类型的容器且包括外表面16。材料处理装置14包括用以固定、旋转、反转、升高、降低或以其他方式移动玻璃容器12的任何合适的设备。
并且，方法10包括接收涂覆材料18和导电纳米粒子20。可热固化的涂覆材料18用于在现有的容器制造线速度下赋予玻璃容器12一种或多种所需特性或性质，该现有的容器制造线速度通常为约25-600个容器/分钟。例如，可热固化的涂覆材料18可赋予容器12以下性质中的一种或多种：强度、颜色和/或紫外线(UV)防护。导电纳米粒子20主要用作固化材料来固化可热固化的涂覆材料18。优选地，纳米粒子20用作感受器以吸收电磁能量且将其转化成热能，其用于将热从纳米粒子20传递到在可热固化的涂覆材料18中的分子以加热且由此固化在玻璃容器12上的可热固化的涂覆材料18。纳米粒子20还可具有如下文将描述的一种或多种次要用途。
另外，方法10包括例如使用任何合适类型的施用器22将可热固化的涂覆材料18和纳米粒子20施用到玻璃容器12上。例如，施用器22可包括喷雾器、浴或可用于将可热固化的涂覆材料18和纳米粒子20施用到玻璃容器12的任何其他合适的一种或多种装置。在一个实施方案中，施用器22可将可热固化的涂覆材料18和纳米粒子20共混或混合在一起且将其组合施用为共混施用的涂层19。在另一实施方案中，可热固化的涂覆材料18和纳米粒子20可通过一个或多个施用器单独施用到容器12。并且，有可能但并不一定用任何合适的有机部分使纳米粒子表面改性或官能化以改善纳米粒子的溶解性或可分散性。
此外，方法10包括例如使用任何合适类型的电磁(EM)发射器26对施用到玻璃容器12的纳米粒子20施用电磁(EM)辐射24。一般来讲，EM辐射包括两种正交分量：磁分量和电分量，且对于目标在于吸收EM辐射的材料来讲，该材料与电分量或磁分量中的任一种耦合。例如，磁性粒子的直径通常为10-1,000微米且包括铁磁性氧化物和金属(如铁、钴和镍)。但这类粒子的不利之处可能在于它们的尺寸比可见光的波长大且因此在施用到玻璃容器12时不会产生所需水平的透明度。在另一实例中，电极性粒子包括离子或极性化合物，诸如锂盐，如高氯酸锂和乙酸锂；或其他无机盐，诸如氯化锡或氯化锌及其水合物和离聚物。认为这类粒子在目前公开的涂覆材料中的分散将特别困难且将对所得涂层和玻璃产品的透明度具有不利影响。
所施用的EM辐射24为排除微波辐射的射频(RF)辐射。具体地讲，辐射24可为30-300千赫(KHz)的低频辐射、300KHz-3兆赫(MHZ)的中频辐射和/或3-30MHZ的高频辐射。尽管如此，辐射24可包括小于微波辐射的超高和极高频RF能带。本文使用的术语微波辐射通常包括具有约0.3-30厘米的波长且对应于1吉赫(GHz)-100GHz的频率的电磁波。并且，辐射24可包括极低到特低频RF谱带。
在任何情况下，辐射24为纳米粒子20提供强烈的局部加热。优选纳米粒子20吸收射频辐射的电分量或与射频辐射的电分量耦合且随后加热并固化在玻璃容器12的外表面上的可热固化的涂覆材料18。换句话说，通过热传导或热传递，被加热的纳米粒子20将热量提供到包含可热固化的涂覆材料18分子的邻近纳米粒子20的区域。并且，经纳米粒子加热的可热固化的涂覆材料18分子可将热量提供到可热固化的涂覆材料18的其他分子。因此，所施用的涂层被固化且在玻璃容器12上产生固化的涂层119，由此产生固化的涂覆的容器112。
可热固化的涂覆材料18可以液态或粉末形式，且优选为有机材料。例如，可热固化的涂覆材料18可包括以下材料中的一种或多种：硅烷、硅氧烷、聚硅氧烷、聚氨酯、丙烯酸酯或环氧树脂(epoxy)材料或任何其他合适的聚合材料，且认为这类材料可提供有或没有连接剂、填料等。在任何情况下，可热固化的涂覆材料18可为相对透明的材料。例如，可热固化的涂覆材料18优选不使容器12的透明度降低(或不透度增加)超过约15%。
纳米粒子20沿其最大尺寸可为例如约1-500纳米。优选的范围为约1-250纳米且更优选的范围为约1-100纳米。该纳米尺寸使得固化的涂覆材料18基本保持透明。例如，该含粒子的涂层优选不使容器的透明度降低(或不透度增加)超过约15%。纳米粒子相对于所施用涂层总重量的百分数的例示性范围为约0.5%-10%。优选范围为约0.5-5重量%，且更优选的范围为约0.5-1重量%。
纳米粒子20可以任何合适的形式。例如，纳米粒子20可以纳米管、纳米球、纳米棒、纳米纤维、纳米杯形式或以任何其他合适的形式。
纳米粒子20可由任何合适的非磁性导电材料构成。优选纳米粒子20可由任何合适的(一种或多种)非铁导电材料构成。例如，纳米粒子20可包含过渡和/或后过渡元素，包括但不限于铜、金、银、铂和/或铝。在其他实例中，纳米粒子20可包括一种或多种导电氧化物。所述导电氧化物可为非磁性或非铁金属氧化物，且特定实例可包括以下各物中的一种或多种：氧化锌(无掺杂和/或掺杂有氟、铝、镓和/或铟)、锡酸锌(ZnSnO3、Zn2SnO4)、二氧化锡(无掺杂和/或掺杂有氟、锑、磷和/或硼)或氧化锡铟(ITO)。
除了用作感受器来吸收射频辐射且内部传递热至可热固化的涂覆材料18并固化可热固化的涂覆材料18以外，纳米粒子20也可用于一种或多种次要用途，例如，在赋予玻璃容器12所需(一种或多种)性质方面对可热固化的涂覆材料18作出增补(supplement)，和/或通过赋予玻璃容器12一些额外的所需性质来对可热固化的涂覆材料18作出补充(complement)。更详细地讲，纳米粒子20可赋予容器12一种或多种以下性质：强度、颜色、紫外防护和/或抗微生物性质。
可使用可热固化的涂覆材料18和纳米粒子20的性质的任何合适组合。例如，图3说明容器12的可热固化的涂覆材料性质和纳米粒子性质的各种组合。下文进一步详细论述这些例示性组合中的几个。
在一个例示性实施方案中，容器12可包含用于强化容器12的可热固化的涂覆材料，且纳米粒子20可用来以一种或多种方式对可热固化的涂覆材料18作出增补和/或补充。在该实施方案的第一实施例中，纳米粒子20可用来对可热固化的涂覆材料18的强化性质作出增补以进一步强化容器12。在第二实施例中，纳米粒子20赋予容器12颜色性质。例如，过渡元素可出于其感受器性质而使用以及用于赋予容器12尺寸依赖性颜色(吸收)。认为涂层的颜色可通过控制纳米粒子的尺寸和尺寸分布和通过纳米粒子在固化涂层中浓度来细调。在这方面，纳米粒子尺寸的例示性范围为约1-250纳米。铜和/或金纳米粒子为可用以赋予颜色的过渡元素的具体实例。在第二实施例的另一情况下，铝和/或银纳米粒子可出于其感受器性质以及出于其相对无色性而使用以在玻璃容器12上产生相对无色的涂层。本文使用的术语颜色性质可例如包括非彩色颜色(如白色、灰色和黑色)、无色或彩色(如红色和蓝色)。在第三实施例中，纳米粒子20赋予容器12紫外防护。例如，氧化锌纳米粒子(掺杂的或无掺杂的)可用与赋予容器12紫外防护。本领域的普通技术人员应了解紫外防护性质可包括UV阻断或UV过滤所需要百分数的紫外光。在第四实施例中，纳米粒子20赋予容器12抗微生物性质。例如，银纳米粒子可用来赋予容器12抗微生物性质。
在另一例示性实施方案中，容器12可包含用于使容器12着色的可热固化的涂覆材料18和对可热固化的涂覆材料18作出增补或补充的纳米粒子20。在该实施方案的第一实施例中，纳米粒子20强化容器12。在第二实施例中，纳米粒子20通过进一步赋予容器12颜色来对可热固化的涂覆材料18作出增补。在第三实施例中，纳米粒子20赋予容器12紫外防护。在第四实施例中，纳米粒子20赋予容器12抗微生物性质。
在另一例示性实施方案中，容器12可包含赋予容器12 UV防护的可热固化的涂覆材料18和对可热固化的涂覆材料18作出增补或补充的纳米粒子20。在该实施方案的第一实施例中，纳米粒子20强化容器12。在第二实施例中，纳米粒子20赋予容器12颜色。在第三实施例中，纳米粒子20对可热固化的涂覆材料18的UV防护性质作出增补以进一步赋予容器12紫外防护。在第四实施例中，纳米粒子20赋予容器12抗微生物性质。
与常规认知相反，认为小尺寸的纳米粒子20可能对于可热固化的涂覆材料18的迅速且透彻的加热特别有利，从而产生良好的涂层。常规上认为对于，当结合在微波功率和频率设置下固化涂层使用时，大约150微米的粒度最佳。目前认为，因为纳米粒子具有特别高的表面积：体积之比，所以使用纳米粒子将能够在使用低于微波功率和频率、在相对较低的固化温度下和/或历时比以前可能更短的固化时间来使涂层固化。例如，目前认为本发明公开的方法会引起固化时间降到数秒或数分之一秒(fractions of a second)，由此容许以在线方式在现有的容器制造线速度下涂覆容器。
因此，已经公开了固化在玻璃容器上的涂层的方法，其完全满足先前陈述的所有目的和目标。本发明结合数个例示性实施方案来呈现，且已经论述了额外的修改和变化。鉴于上述论述，其他修改和变化对于普通技术人员是易于想到的。

Claims (20)

1.对玻璃容器施用涂层的方法，所述方法包括以下步骤：
(a) 用含有导电纳米粒子(20)的可热固化的涂覆材料(18)涂覆玻璃容器(12)的外表面(16)，和
(b) 将涂覆的容器暴露于射频辐射(24)，使得由所述纳米粒子吸收的所述射频辐射内部加热并固化在玻璃容器的外表面上的所述可热固化的涂覆材料，以在玻璃容器上产生固化的涂层。
2.权利要求1所述的方法，其中所述导电纳米粒子(20)没有磁性且由过渡元素、后过渡元素或导电氧化物中的至少一种构成。
3.权利要求2所述的方法，其中所述导电纳米粒子(20)由选自以下的一种或多种材料构成：铜、金、银、铂、铝、氧化锌、锡酸锌、二氧化锡和氧化锡铟。
4.权利要求1所述的方法，其中所述可热固化的涂覆材料(18)由选自硅烷、硅氧烷、聚硅氧烷、聚氨酯、丙烯酸酯和环氧树脂的成员中的至少一种构成。
5.权利要求1所述的方法，其中所述可热固化的涂覆材料(18)赋予玻璃容器一种或多种所需性质，包括强度、颜色或紫外线防护性质中的至少一种。
6.权利要求1所述的方法，其中所述导电纳米粒子(20)在所述步骤(b)期间用作感受器以吸收射频辐射且将热内部传递到所述可热固化的涂覆材料。
7.权利要求6所述的方法，其中所述导电纳米粒子(20)包括出于其感受器性质以及其相对无色性而使用的铝或银纳米粒子中的至少一种。
8.权利要求1所述的方法，其中所述导电纳米粒子(20)在赋予玻璃容器一种或多种所需性质方面对所述可热固化的涂覆材料作出增补和/或对所述可热固化的涂覆材料作出补充以赋予玻璃容器一种或多种额外的所需性质。
9.权利要求8所述的方法，其中所述导电纳米粒子(20)包括铜或金纳米粒子中的至少一种。
10.权利要求1所述的方法，其中所述可热固化的涂覆材料(18)赋予所述玻璃容器强化性质，且所述导电纳米粒子(20)对所述可热固化的涂覆材料作出增补或补充以赋予玻璃容器强度、颜色、紫外防护或抗微生物性质中的至少一种。
11.权利要求10所述的方法，其中所述导电纳米粒子(20)包括银或氧化锌纳米粒子中的至少一种。
12.权利要求1所述的方法，其中所述射频辐射(24)为30千赫-30兆赫且所述导电纳米粒子(20)沿其最大尺寸为1-100纳米。
13.权利要求3所述的方法，其中所述氧化锌是无掺杂和/或掺杂有氟、铝、镓和/或铟。
14.权利要求3所述的方法，其中所述锡酸锌是ZnSnO3或Zn2SnO4。
15.权利要求3所述的方法，其中所述二氧化锡是无掺杂和/或掺杂有氟、锑、磷和/或硼。
16.对玻璃容器施用涂层的方法，其包括以下步骤：
(a) 用可热固化的涂覆材料(18)涂覆玻璃容器(12)的外表面(16)，所述可热固化的涂覆材料(18)由选自硅烷、硅氧烷、聚硅氧烷、聚氨酯、丙烯酸酯和环氧树脂的至少一种材料构成且具有沿其最大尺寸为1-100纳米且由选自铜、金、银、铂、铝、氧化锌、锡酸锌、二氧化锡和氧化锡铟的至少一种材料构成的无磁性导电纳米粒子(20)，和
(b) 将涂覆的容器暴露于小于1吉赫的射频辐射(24)，使得由所述纳米粒子吸收的所述射频辐射内部加热并固化在玻璃容器的外表面上的所述可热固化的涂覆材料以在玻璃容器上产生固化的涂层。
17.权利要求16所述的方法，其中所述导电纳米粒子(20)在赋予玻璃容器一种或多种所需性质方面对所述可热固化的涂覆材料进行增补和/或对所述可热固化的涂覆材料进行补充以赋予玻璃容器一种或多种额外的所需性质。
18.权利要求16所述的方法，其中所述氧化锌是无掺杂和/或掺杂有氟、铝、镓和/或铟。
19.权利要求16所述的方法，其中所述锡酸锌是ZnSnO3或Zn2SnO4。
20.权利要求16所述的方法，其中所述二氧化锡是无掺杂和/或掺杂有氟、锑、磷和/或硼。
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