CN104245525A - 使用等离子体喷嘴进行容器涂层 - Google Patents

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Abstract

本发明是关于容器，例如塑料瓶和/或容器毛坯件，例如容器预制件的等离子增强喷涂的装置，包括至少一个高频源(216)，至少一个气体进口，用以注入工艺气体，以及至少一个等离子源(200)，例如一个等离子喷嘴，其中等离子源包含一个内电极(205)，并且该内电极(205)的周围绕着喷嘴管(220)，上述至少一个等离子源(200)置于需喷涂的容器内，并对其进行相应配置，使得其在环境压力下，比如在800-1200hPA的压力范围内，产生等离子体(204)，并且等离子体能通过喷嘴管末端(203)排出，此时，产生的等离子体的温度应在环境温度范围内，比如10到50℃，其特征是等离子源(200)的喷嘴管(220)包含一个纵向喷嘴管元件(201)和横向喷嘴管元件(202)。前述横向喷嘴管元件(202)从纵向喷嘴管元件(201)上横向伸出，并且等离子体通过横向喷嘴管末端(203)被排放。

Description

使用等离子体喷嘴进行容器涂层
现有技术
为了降低容器/空心物体外壁的渗透性，比如对不良物质的渗透性，比较有益的方式是为上述外壁喷涂阻挡层，比如，采用在EP0881197A2中描述的等离子体增强化学气相沉淀法(PECVD)。
举例来说，上述阻挡层可用于降低气体穿过容器塑料外壁的传输率。按照上述方法，可将产品冲入容器时造成的二氧化碳损耗或者进入产品的氧气量降到最低。并且，也可保护产品不受源于容器材料的物质的损害，也可防止产品受到可能引起其颜色或味道变化的物质的影响。
如果通过等离子体处理方式对容器进行喷涂，比如通过等离子体方式对塑料瓶内表面进行等离子涂层，在所谓的低压装置中可能采用所谓的高频等离子体。
为了达到此目的，应首先将容器内部压力排空，使其压力在1-10Pa的范围内。然后，将需喷涂的表面区域，比如容器的内表面，引入工艺气体中，该工艺气体可形成一层涂层，即所谓的“底层”，此时，容器内部的压力可能增加到10-30Pa。
借助电磁辐射，比如，微波或高频电场或其他电场，上述气体或混合气体，能够被部分或全部转化为等离子体态，并且，通过这种方式，可将其分解成其组成成分。部分气体在气相或需喷涂的底物表面发生等离子增强反应，比如在塑料瓶的内壁上，并且，在该表面进行凝结，进而形成一层密封层。
举例而言，上述涂层技术的一个缺点在于，要达到上述目的，需要复杂的真空技术，并且，有时，在底物上产生大量热负荷。前述问题对于塑料表面而言尤其严重，因为这些表面可能被此类处理方法损坏。
在此期间，在大气压力条件下能产生等离子体的等离子源是公知的，比如在EP1335641、US 2007116891、EP0761415和US20020179575中描述的，被称作等离子喷嘴。
发明目标
因而，当前发明的目的是对采用等离子处理方式喷涂容器和/或容器状物体的装置进行改进，比如塑料瓶和/或容器毛坯件的涂层，尤其是关于降低喷涂装置的复杂性，提高该装置的效率。
解决方案
依据当前发明，可通过权利要求1中的装置和权利要求10中的方法实现上述目标。从属权利要求的主题是有益的实施方式和进一步的发展。
依据当前发明，用于容器，比如塑料瓶和/或容器毛坯件，比如容器预制件的等离子体增强喷涂的装置，可能包含至少一个高频发生源，至少一个用于工艺气体注入的气体进口，和至少一个等离子源，比如等离子体喷嘴。等离子源可以包含一个内电极，并且，前述内电极四周围绕着一个喷嘴管。上述至少一个等离子源被设置在需喷涂的容器内，并对其进行相应配置，使得等离子源在环境压力，例如800-1200hPa的压力范围内，能够将工艺气体部分或者全部转化为等离子体，并且通过喷嘴管末端排出等离子体，此时，产生的等离子体的温度应在环境温度范围内，即10到50℃。等离子源的喷嘴管可以包含一个纵向喷嘴管元件和横向喷嘴管元件，并且所述横向喷嘴管元件从纵向喷嘴管元件横向伸出，并且等离子体可经由该横向喷嘴管末端排放。
其优点是在需喷涂容器内和/或容器外，能够避免等离子处理领域惯常采用的昂贵复杂的真空产生方式，并且，能够最大限度地降低需喷涂底物，比如塑料瓶表面的热负荷，进而避免底物损坏。
在此，用于沉淀石英层的工艺气体可以是，比如氧气与一个气相有机硅单体，如六甲基二硅醚(HMDSO)HMDSN、TEOS、TMOS、HMCTSO、APTMS、SiH4、TMS、OMCTS或类似成分的混合气体。
类似的，C2H2、C2H4、CH4、C6H6或其他富含碳的物质也可加入工艺气体，用以沉淀碳层(所谓类金刚石薄膜“DLC”层)
另外，等离子源可沿线性移动，比如比如沿与重力方向平行的方向运动和/或相对于重力方向的横向运动，和/或绕纵向喷嘴管元件的纵轴转动和/或绕纵向喷嘴管元件的平行轴转动。同样的，要喷涂的容器也可相对于等离子源线性移动，比如沿平行于重力方向的方向和/或相对于重力方向的横向运动，和/或绕着容器纵轴转动和/或绕着容器纵轴的平行轴转动。
也可以想象，容器也可能沿着其他轴旋转或横向移动，此处的其他轴不与重力方向或纵向喷嘴管元件的纵轴或平行轴平行。
这就允许比如等离子体的排放能够以需喷涂的容器壁为起点，以恒定的距离沿着容器轮廓进行。
上方描述的等离子源和/或需喷涂容器的移动程度能够提供很多便利，比如，配有一个或多个横向喷嘴管元件的等离子源更容易被引入容器中，并且使得从喷嘴管末端的等离子体排放能够在接近底物处发生，比如，较适宜的情况下，喷嘴管末端和底物间的距离应在0.1-2cm范围内。
进一步而言，可以想象的，喷嘴管末端是能移动的，例如配有可控旋片的控制元件，其作用是控制排放的等离子体的扩散方向和排放角度，并且用于限制，比如将等离子的出口角限制在30°到170°的范围内。
在此，等离子体的排放角度这个词一般理解为等离子扩散方向与纵向喷嘴管元件的纵轴之间的角度。
等离子源可以包括多个喷嘴管和电极。
举例而言，等离子源可以包括至少一个带电极的纵向喷嘴管，并且该纵向喷嘴管元件喷嘴管末端可以开在重力方向上等离子源的末端，并且可以进一步包含多个带电极的纵向喷嘴管元件，其以规律或不规律的间隔从纵向喷嘴管元件上横向伸出。在此，等离子体可以通过横向喷嘴管末端和纵向喷嘴管末端排放出。
然而，纵向喷嘴管在其纵向上也可以被封闭，使得等离子体只能通过横向喷嘴管末端排放出。
适合嵌入等离子源的电极可以是针形电极。电极两端可以是逐渐变细或者是磨圆的。
此外，依据当前发明，用于底物等离子增强喷涂的装置可能配置为回转机械，其中包含多个用于容器和/或容器毛坯件的等离子体增强喷涂的处理单元。
在对容器比如塑料瓶，和/或容器预制件，比如容器预制件等底物采用的等离子增强涂层方法中，等离子源可以产生工艺气体，并且该工艺气体可能被部分或全部转化为等离子体。等离子体在至少一个内电极的末端被点燃，在此，其在环境压力的条件下，即800到1200hPA压力范围以及10到50℃温度范围内，可能应用到高频发生源中，并且其可以通过围绕内电极的喷嘴管元件的末端排放出，对底物进行涂层，比如类似塑料瓶的容器，和/或容器毛坯件，比如容器预制件。
其也可以通过多个涂层步骤沉淀多层，比如包含不同成分和特征的层的多层系统。举例来说，中间层可能沉淀为底物，比如塑料瓶与实际涂层，比如气体保护层之间的粘合剂，比如含甲基残留的二氧化硅。
举例而言，首先可能采用包含非晶碳的粘合剂层，随后采用二氧化硅阻挡层。DLC层可以被应用，其取决于层厚，举例来说，就阻挡层而言，层厚的范围可能在50到200nm，或者就粘合层而言，层厚的范围可能在1到10nm.
可以在阻挡层上额外提供/喷涂一层保护层，用以保护阻挡层，比如，使其不受产品的化学损害。碱性产品或者弱酸性产品可能部分溶解并损坏SiOx层，或产生其他不良损害。
并且，可附上额外的功能层，其可以起到紫外线保护和磨损保护的作用，便于清除表面装饰产生的残余，减少喷涌情况(在装瓶过程中泄压后的突然发泡或者消费者开瓶时泡沫涌出)，表面装饰后，便于采用粘合剂贴标签或者直接印标签。
同样的，也可采用有杀菌作用的涂层，例如银离子涂层或有反应层的涂层，比如单态含氧层或单态生氧层。
也可以额外采用装饰层，用以达到上色，磨砂，光泽和反射效果。
另外，也可以有利的方式敷上“夹心”层。举例而言，上述涂层中，可在两粘合层之间设置保护层，或者在粘合层与其他功能层或装饰层之间设置保护层。
用这种方法，可做出有利的多层式涂层，相较于其他，该涂层有易于接合的特点。举例而言，优质的保护层一般都干脆易碎，粘合性差，然而粘合性好的涂层一般几乎没有保护作用(比如“软性”二氧化硅层)或者，其一般为不受欢迎的棕色色调(DLC涂层)。
并且，也可以通过一个或多个涂层步骤，完成单层或多层中涂层材料和/或涂层成分和/或涂层特性的顺利/持续过渡。举例而言，可形成二氧化硅层，其硬度可随着层厚的增加而提高。附图代表性的显示：
图1：等离子源
图2：容器中供选择的等离子源
图3：容器中供选择的等离子源
图4：容器中供选择的等离子源
图5：容器中供选择的等离子源
图1中给出了等离子源100作为等离子喷嘴的示意图。这里的等离子源可以包括一个喷嘴管101，以及该喷嘴管末端102.
喷嘴管101可以包含一个内电极103(比如针形电极)，该电极采用高频发生源107发射的高频率。喷嘴管101可以连接到接地或地电位106。向内电极与喷嘴管101之间的体腔110注入工艺气体108。在内电极的末端109，工艺气体可，经过放电，部分或全部被转化为等离子体105，并且该等离子体105经由喷嘴管末端102排放出，与需喷涂的底物104撞击，比如容器壁或容器毛坯件表面，其与喷嘴管末端102以一定距离111隔开，较适宜的距离范围为0.1-2cm。喷嘴管末端102的形状可进行加工，使得其逐渐变细，形成锥形等离子体排放口112。
另外，也可以在喷嘴管末端102设置可控旋片(未显示)，用以控制等离子体的扩散方向112和等离子体排放角度113，比如，等离子体的排放角度113应限制在30°到170°范围内。
图2给出了嵌入容器208内的等离子源200。该等离子源可以包括一个纵向喷嘴管元件201和一个横向喷嘴管元件202，其中横向喷嘴管202有一端口为203，所述的喷嘴管元件202从所述的喷嘴管元件201上横向伸出。横向喷嘴管元件202与纵向喷嘴管元件之间的角209可以在45°到135°之间。较适宜的情况下，角209的度数应在80°到100°之间，或者如图2所示，为90°角。
此处，也可以想象，横向喷嘴管元件202可以旋转，比如通过横向喷嘴管元件202与纵向喷嘴管元件201之间的球窝接头旋转。这是控制等离子体的扩散方向和排放角度的另一种可能性，比如，将等离子排放角度限制在30°到170°的范围内。
内电极205可以由喷嘴管元件201和202包围，已应用在来自高频源216的高频率中，能够依据喷嘴管元件201和202的几何轮廓工作。
等离子源可进行线性运动，比如沿平行于重力方向的方向210和/或垂直于重力的方向211运动，和/或绕着纵向喷嘴管元件的纵轴215和/或纵向喷嘴管元件的平行轴214转动。同样的，容器208也可相对于离子源200进行线性运动，比如沿平行于重力方向的方向和/或沿垂直于重力的方向运动，和/或绕着容器纵轴和/或容器纵轴的平行轴214转动。
也可以想象，容器208也可绕着和/或垂直于其他轴转动，所述的其他轴不是重力方向的平行轴，也不是纵向喷嘴管元件的纵轴215或平行轴214的平行轴。
这就便于等离子体的排放能够沿着容器轮廓进行，并且与需喷涂的容器壁保持固定距离。
可向内电极205和喷嘴管元件201和202之间的体腔内注入工艺气体216，并且，在电极205的末端206处，工艺气体被部分或全部转化为等离子体204，并可经由喷嘴管末端203上的排放口218排出，进而可用于比如容器208的内壁207的喷涂。
图3给出了其他可引入容器308的等离子源300的示范图。此处所说的等离子源300可能配有纵向喷嘴管元件301，多个横向喷嘴管元件302从该纵向喷嘴管元件侧边伸出。横向喷嘴管元件302可设置在纵向喷嘴管的纵轴的一侧或多侧。相邻横向喷嘴管元件间的垂直距离309，可能固定也可能不固定，比如其可能在1-4cm的范围内，较适宜的距离大约为2cm。位于纵向喷嘴管元件301重力方向上的端口312也可配置为一个喷嘴管端口，并为其配上等离子体排放口313，以便于用有力的方式用放出的等离子体315喷涂容器308的底盘314。前述纵向喷嘴管端口与其直接相邻的横向喷嘴管元件316之间的角度311应指定在比如45°到135°之间。
如图所示，横向喷嘴管元件302,316与纵向喷嘴管元件301之间的角度310可以为比如90°角，但是该角度也可落在45°到135°或在80°到100°之间。(就此方面也可比较参照图4).正如上面描述的等离子源200的情况一样，等离子源300也可进行线性运动，比如沿平行于重力方向的方向320和/或沿重力方向横向321运动，和/或绕径向喷嘴管元件的纵轴和/或径向喷嘴管元件301的平行轴或与其成一定角度的轴转动329。同样的，容器308也可随等离子源300的运动进行线性运动，比如沿平行于重力方向的方向和/或沿重力方向横向运动，和/或绕着容器纵轴和/或容器纵轴的平行轴转动。
容器308也可绕着其他轴转动和/或横向运动，该轴并不是重力方向的平行轴，也不是径向喷嘴管元件301的纵轴或其平行轴。
内电极元件322可能包含多了内部电极，其编号可能与喷嘴管元件的编号对应，比如，径向电极331由径向喷嘴管元件301围绕，而侧电极324则由侧向喷嘴管元件302,316围绕。可向内电极322和喷嘴管元件301，302和316之间的体腔330内注入工艺气体326，并且，在电极的末端323,325处，工艺气体被部分或全部转化为等离子体328，并且其可经由喷嘴管末端312,317和319上的排放口313排出，进而可用于比如容器308的内壁318和/或容器底盘314的涂层。
图4为另一等离子源400的示意图，该等离子源按照类似于上方描述等离子源300的配置方式进行配置，但是其展示了横向喷嘴管元件402,403，和404的标准装配，其方位与纵向喷嘴管元件401相关，其特征是纵向喷嘴管元件401与横向喷嘴管元件404,403,402之间的角度406,407和408可以不等于90°。
举例来说，纵向喷嘴管端口405与其相邻的喷嘴管端口404之间的角度406可能小于90°，比如在10°到85°之间，并且横向喷嘴管402与纵向喷嘴管元件401之间的角度408可能大于90°，比如处于95°到170°之间。
依据优选方案，位于靠近工艺气体进入纵向喷嘴管元件的进口418的位置的一个或多个横向喷嘴管元件402，403，404，可能向上述工艺气体进口418倾斜(如图4所示，比如上方)，也就是说，横向喷嘴管元件402与纵向喷嘴管元件401上工艺气体进口418之间的角度419可能小于90°，并且比较适宜的情况下，该角度应在10°到85°的范围内。位于离工艺气体进口418较远的一个或多个横向喷嘴管元件可能向远离工艺气体进口418的方向倾斜(如图4所示，比如下方)。
上述配置的一个优点是拐角处更容易喷涂，比如容器底盘413与容器壁414之间的拐角417，或者倾斜的容器壁，如容器壁斜坡415.
除了上方描述的角度，等离子源400的特点基本与等离子源300相同。比如，等离子源400也可进行线性运动，比如沿平行于重力方向的方向409和/或沿重力方向横向410运动，和/或绕纵向喷嘴管元件的纵轴和/或纵向喷嘴管元件的平行轴转动411。同样的，容器420也可随等离子源400的运动进行线性运动，比如沿平行于重力方向的方向和/或沿重力方向横向运动，和/或绕着容器纵轴转动和/或绕着容器纵轴的平行轴转动。
容器420也可绕着其他轴转动和/或横向运动，该轴并不是重力方向的平行轴，也不是纵向喷嘴管元件401的纵轴或其平行轴。
图5给出了另一各等离子源500的示意图，该等离子源可能包含一个纵向喷嘴管元件501，并且从该纵向喷嘴管元件501两侧对应伸出横向喷嘴管元件502和503。
横向喷嘴管元件502,503与纵向喷嘴管元件501之间的角度515,514可能在45°到135°之间。更适宜的情况下，这些角度可能每对都不同。纵向喷嘴管末端504与距其最近横向喷嘴管元件503之间的角度515最好小于90°，比如在10°到85°之间。
正如上方描述的等离子源200,300和400，等离子源500也可进行线性运动，比如沿平行于重力方向的方向506和/或沿重力方向横向507运动，和/或绕纵向喷嘴管元件的纵轴和/或纵向喷嘴管元件的平行轴转动508。同样的，容器500也可随等离子源500的运动进行线性运动，比如沿平行于重力方向的方向和/或沿重力方向横向运动，和/或绕着容器纵轴转动和/或绕着容器纵轴的平行轴转动。
容器500也可绕着其他轴转动和/或横向运动，该轴并不是重力方向的平行轴，也不是纵向喷嘴管元件501的纵轴或其平行轴。
相邻的喷嘴管元件也可各自进行垂直位移，并且其可能能够绕着比如纵向喷嘴管元件转动。相较于未成对设置其横向喷嘴管元件的方案，通过增加横向喷嘴管元件的数量，单位时间内能够喷涂的表面积也可增加，相应的，喷涂需要的时间量也会减少。进一步增加横向喷嘴管元件的数量可以优化喷涂时间，比如通过设置横向喷嘴管元件套管，每个套管中包含2个以上横向喷嘴管元件。
另外，等离子源包含的横向喷嘴管元件，也可通过调试，能够如望远镜般和/或呈伞状从纵向喷嘴管伸出和/或能够向上述纵向喷嘴管处折叠。
下方给出5个表单以及5个图。其使用的索引号与下列项目相关。
100,200,300,400,500 等离子源
101,220 喷嘴管
201,301,401,501 纵向喷嘴管元件
215 纵向喷嘴管元件的纵轴
214 容器的纵轴或容器纵轴的平行轴
212,329,411,508 绕纵向喷嘴管元件的纵轴的旋转运动
213 绕容器纵轴的旋转运动或者绕容器纵轴平行轴的旋转运动
202,302,316,404,403,402,503,502 横向喷嘴管元件
203 横向喷嘴管末端
102 喷嘴管末端
203,319,317 横向喷嘴管末端，横向喷嘴管元件的喷嘴管末端
312,405 纵向喷嘴管末端，纵向喷嘴管元件的喷嘴管末端
103,205 电极/内电极
322 电极元件/内电极元件
331,509 纵向电极元件
324,510,511,510 横向电极元件
325 横向电极元件的电极末端
323 纵向电极元件的电极末端
309 相邻横向电极元件的垂直距离
109,206 电极末端
110,217,330 喷嘴管与喷嘴管元件间的体腔以及电极与电极元件间的体腔
310,407,408,514 横向喷嘴管元件与纵向喷嘴管元件间的角度
311,406,515 纵向喷嘴管元件与与其直接相连的横向喷嘴管元件间的角度
105,204,328,315 等离子体
112 排放的等离子体的扩散方向
113 等离子体的排放角度/出口角
104 需喷涂的底物(比如容器，如塑料瓶，或容器毛坯件，如容器预制件)
208,308,420,505 容器
207,318,414 容器内壁
314,413 容器底壁
415 容器壁坡度
417 容器底盘与内壁的拐角
114,218,313 等离子体排放口
111 喷嘴管末端与底物的距离
106 电的接地电位与地电位
107,216,327,416,512 高频源
108,216,326,412,513 工艺气体，工艺气体进口
418,332,219,516 工艺气体进气口
210,320,409,506 与重力方向平行的运动
211,321,410,507 垂直于重力方向的运动

Claims (12)

1.用于容器，例如塑料瓶和/或容器毛坯件，例如容器预制件的等离子增强喷涂的装置，包括至少一个高频源(216)，至少一个气体进口，用以注入工艺气体，以及至少一个等离子源(200)，例如一个等离子体喷嘴，其中等离子源包含一个内电极(205)，并且该内电极(205)的周围绕着喷嘴管(220)，上述至少一个等离子源(200)置于需喷涂的容器内，并对其进行相应配置，使得其在环境压力下，比如在800-1200hPa的压力范围内，产生等离子体(204)，并且能通过喷嘴管末端(203)排出等离子体，此时，产生的等离子体的温度应在环境温度范围内，比如10到50℃，其特征是等离子源(200)的喷嘴管(220)包含一个纵向喷嘴管元件(201)和一个横向喷嘴管元件(202)，所述横向喷嘴管元件(202)从横向喷嘴管元件(201)上横向伸出，并且等离子体通过横向喷嘴管末端(203)排放。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征是，喷嘴管末端包括一个可控元件，比如可控旋片，通过使用该元件，能够控制排放的等离子体的扩散方向和排放角度，并且能够将排放的等离子的排放角度限制在30°到170°之间。
3.根据前面任一项权利要求所述的装置，其特征是，等离子源是能线性运动的，比如沿与重力方向平行的方向运动和/或相对于重力方向的横向运动，和/或绕纵向喷嘴管元件的纵轴转动和/或绕纵向喷嘴管元件的平行轴转动。
4.根据前面任一项权利要求所述的装置，其特征是，需涂层的容器相对于离子源是能线性运动的，比如沿平行于重力方向的方向和/或相对于重力方向的横向运动，和/或绕着容器纵轴转动和/或绕着容器纵轴的平行轴转动，和/或绕着其他轴转动和/或沿着其他会走横向运动，此处的其他轴不与重力方向或纵向喷嘴管元件的纵轴或平行轴平行。
5.根据前面任一项权利要求所述的装置，其特征是，等离子源包含多个喷嘴管和电极。
6.根据前面任一项权利要求所述的装置，其特征是，等离子源包含至少一个有电极的纵向喷嘴管，纵向喷嘴管元件开口的管端设置在等离子源中立方向上的端口处，并且，等离子源进一步包含多个有电极的横向喷嘴管元件，这些元件以固定或不固定的间隔从纵向喷嘴管元件上横向伸出，并且等离子经由横向喷嘴管末端，通过纵向喷嘴管末端排出。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征是，纵向喷嘴管在其纵向管末端处封闭。
8.根据前面任一项权利要求所述的装置，其特征是电极两端逐渐变细或被磨成圆形。
9.根据前面任一项权利要求所述的装置，其特征是，将该装置配置为回转机械，其中包含多个用于容器和/或容器毛坯件等离子体增强喷涂的处理单元。
10.一种容器，例如塑料瓶和/或容器毛坯件，例如，容器预制件的等离子增强喷涂的方法，包括以下步骤：
在环境压力，比如800到1200hPA的压力范围内，以及环境温度，比如10到50℃条件下，在等离子源，例如等离子喷嘴中产生等离子，并且
采用等离子源中产生的等离子喷涂底物，比如容器，例如塑料瓶和/或容器毛坯件，例如容器预制件。
11.根据权利要求10所述的方法，其包含底物的喷涂步骤，其中包含对包含不同成分和不同特征的多层式层次的喷涂步骤，比如，第一个喷涂步骤中，采用的中间层被用作底物，例如塑料瓶与第二涂层，例如气体保护层之间的粘合剂，例如含甲基残留的二氧化硅。
12.根据权利要求10或11所述的方法，其包含一个或多个喷涂底物的操作步骤，其中一层或不同层的涂层材料和/或涂层成分和/或涂层特征之间平稳过渡，比如其中二氧化硅层随着层厚的增加变得越来越坚硬。
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