CN1158405C - 微波等离子体容器处理装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种用于容器表面处理的装置，其特征在于，容器放在一个旋转圆柱体的导电材料罩(12)内，其特征还在于，所述装置包括一波导管(15)，该管沿大致垂直于罩轴(A1)的方向延伸，以矩形窗口的形式开口于罩内，该窗口在罩轴方向的尺寸最小，其特征还在于，罩(12)的内径使得微波在罩内按一种主模传播，在该主模中，由微波的传播产生的电场呈轴向旋转对称。
Description
技术领域
本发明涉及容器，如热塑材料容器的表面处理方法领域。
本发明例如可应用于在热塑材料如聚对苯二甲酸乙二醇酯的瓶或罐上淀积薄阻隔层的领域。
背景技术
实际上，目前在尽力提高这些容器的隔离性能，尤其是为了降低它们的透气性或提高它们对某些射线特别是紫外线的蔽光性，以延长包装在这些容器里的产品的存贮寿命。
为此，提出了多种方法，它们或至少在表面上直接改变容器的材料，或再给容器覆上一有机或无机材料层以提高容器性能。要实施这些处理，一种特别有利的方法就是采用低压等离子处理。在这种方法里，罩里面形成真空，同时向罩里喷射绝对压力最好低于1mbar的反应流体。反应流体随所希望淀积的材料的性质而不同。它包括一种待淀积材料的前体，一般为一种气体或混合气体的形式。它还包括一种载体气体。
该反应流体承受微波电磁辐射，该辐射能激励前体以形成产生活性分子的等离子体。作淀积处理时，这些分子可以通过保证被淀积材料稳定性的很强的物理-化学结合力而淀积到容器表面。但在某些情况下，处理可能只是改变容器的组成材料的表面。这种情况下，就没有淀积新的材料层，而只是通过和等离子的活性分子或物质发生相互作用来改变容器的材料。
使用微波电磁辐射尤其可获得的一些淀积层，其特殊结构是采用其它辐射如运用最广泛的射频辐射不可能获得的。
实施这些方法时所遇到的一个困难就是，要使在所有待覆盖表面上的处理很均匀。作淀积处理时，这些均匀性方面的问题可能反映在淀积层的厚度及淀积层的组成上。当然，淀积层均匀性不好自然不会令人满意。
但要实现均匀的处理，特别得采用均匀性尽可能大的等离子体。
发明内容
因此，本发明的目的在于提出一种装置，该装置能使适合于保证等离子的良好均匀性的微波的传播最优。另外，为了进行淀积处理，该装置必须能获得这样的均匀性，同时使处理时间适应工业上的应用，也就是要有相对较快的淀积速度。
为此，本发明提出了一种用于容器表面处理的装置，其中，所述处理是通过由微波型电磁波激励反应流体而获得的低压等离子体进行的，所述容器放在一个导电材料罩里，微波通过一耦合装置被导入所述罩内，其特征在于，所述罩为围绕容器主轴的旋转圆柱体，其特征还在于，耦合装置包括一波导管，该管沿大致垂直于罩轴的方向延伸，以一个窗口的形式开口于所述罩的一个侧壁上，该窗口在罩的一切面上的投影为矩形，其在罩轴方向的尺寸最小，其特征还在于，所述罩的内径使得微波在罩内按一种主模传播，在该主模中，由微波的传播产生的电场呈轴向旋转对称。
根据本发明的其它特征：
—当微波被导入没有容器的罩内时，电场强度的变化在罩的一个半径上有两个极大值；
—微波的频率为2.45GHz，罩的内径在213到217毫米之间；
—当微波被导入没有容器的罩内时，电场强度的变化在罩的一个半径上有三个极大值；
—微波的频率为2.45GHz，罩的内径在334与340毫米之间；
—当微波被导入没有容器的罩内时，电场强度的变化在罩的一个半径上有四个极大值；
—微波的频率为2.45GHz，罩的内径在455与465毫米之间；
—所述波导管为矩形截面；
—微波的频率为2.45GHz，其特征在于，波导管截面的尺寸沿罩轴的方向约为43毫米，沿垂直方向约为86毫米；
—反应流体被导入容器内部，以处理容器的内表面；
—反应流体被导入罩内、容器外部，以处理容器的外表面；
—在罩内，由对微波基本上透明的材料实施的壁限定了一腔，容器放在该腔内；及
—处理包括一个用低压等离子淀积一种材料的步骤；
附图说明
本发明的其它特征和优点将在后文中参照附图更详细地进行描述，只有一个附图，简略地示出了根据本发明设计的一个装置。
具体实施方式
唯一的附图中简略示出的装置是根据本发明设计的处理装置10。它尤其用来实施以低压等离子在热塑材料容器的内表面上淀积覆盖层的方法。
譬如，容器可以为聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)材料的瓶，待形成的覆盖层可由一种碳基材料组成。但是，有利地是，本发明可适用于其它容器和其它类覆盖层，如基于二氧化硅或氧化铝的覆盖层。事实上，所有这些覆盖层都特别有好处，因为它们可以极大地降低PET瓶对诸如氧气或二氧化碳之类的气体的透过性。
该处理装置10用于一次处理一个瓶子。但是，该装置最好与有一系列相同装置的旋转机形成整体，以能在一定时间内处理大量的瓶子。
因此，装置10包括一导电材料如金属的外罩12。罩12是以A1为轴线的圆柱体，根据本发明，选择它的尺寸，以有利于微波型电磁场的特定耦合模式。
实际上，装置10包括一发生器14，该发生器安装在罩12的外面，可发射微波波段的电磁场。由发生器14发出的微波场的频率比如为2.45GHz。
发生器14安装在罩12外面的箱13里，它所发出的电磁辐射通过隧道形状的波导管15被送入罩12内，所述波导管沿圆柱形罩的半径延伸，穿过开在罩上的一个大致在罩的半腰位置上的窗口。
如后文详细说明的，波导管15的形状和尺寸也适合于微波场在罩12里顺利进行耦合。
罩12里面安放有一管16，它和罩同轴，对微波基本上透明，它在罩12里面限定了一个和罩12同轴的圆柱形腔18。管16比如用石英实施的。腔18的一轴向端，此处即底端，被罩12的一横向底壁26封闭住。相反，腔18的顶端是开放的，以把瓶子插进腔里进行处理。瓶子的放置大致和罩12、腔18同轴。
盖20用来密封住腔18的顶端，这样，里面能形成真空。为把容器24插入腔18里，盖20是轴向活动的。
盖20上装配有通过容器的颈部保持容器24的装置22，及可在腔18里形成不同真空度的装置。这样，当对容器内表面作处理时，在容器24里形成绝对压力约0.1mbar的真空，瓶子外面形成绝对压力约50mbar的真空。在容器24周围形成的真空避免了容器承受会导致容器变形的太大的压力差。但是，对于等离子体的形成，该真空度还不足够高，这是为了使微波携带的能量不被分散到不希望实施淀积的瓶子外部。另一工作方式是在容器24的周围形成足够高的真空度，比如低于0.01mbar，以使等离子不能在其中产生。这种工作方式技术上讲不太有利，因为必需更多的时间以达到这种低压水平。
当然，盖20还包括若干装置，以向罩内，此处即容器24内，喷射一种反应流体，该反应流体包含有至少一种人们希望淀积在容器内壁上的材料的前体。应注意到，对容器的处理还包括实施淀积过程的辅助过程。可考虑在淀积之前实施对容器表面的第一预处理过程，或在淀积后实施后续处理过程。
装置还包括若干以A1为轴的环形平台28、30，它们围绕石英管16安放在罩12里。两平台28、30彼此轴向偏移开，以轴向地装配在波导管15由之通至罩12内的所述窗口的两侧。但是，它们各自的轴向位置可根据待处理容器24的形状加以变化。事实上，用导电材料实施的平台28、30用来形成被导入罩12内的电磁场的短路，以轴向限制电磁场，在有效处理区获得最大场强。因此，平台28、30由轴向滑动杆32、34支撑，所述杆可快速、简单地调节平台的轴向位置。
根据本发明，所提出的装置必须在罩内部获得均匀性尽可能高的等离子体。为此，电磁场强度必须尽可能均匀地分布，尤其是要使罩内某点的场强不仅基本上与该点的轴向位置无关，还基本上与该点关于轴A1的角位置无关。
这样，使用上文所述的处理装置就可获得最佳效果。
沿关于轴A1的一个半径延伸的波导管15在径向向外方向由一大致安装在距离轴A1有185毫米的底壁36限定。波导管15有一恒矩形截面，该截面沿轴A1方向的高度约为43毫米，宽度约为86毫米。
发生器14安放的位置使其天线38相对于底壁36在径向上位于由发生器设计者推荐的预定距离上，所述天线通过波导管底壁上的一个孔进入波导管15里。
但是，要使电磁场的强度的分布最优，可看出，决定性参数是罩12的内径。
实际上，若使用2.45GHz的微波发生器，在下述三种情况下可获得特别有说服力的结果：
—罩的内径在213和217毫米之间，在这种情况下，当腔里没有容器并不是真空时，电场强度的变化在罩的半径上有两个极大值；
—罩的内径在334和340毫米之间，在这种情况下，当腔里没有容器并不是真空时，电场强度的变化在罩的半径上有三个极大值；
—罩的内径在455和465毫米之间，在这种情况下，当腔里没有容器并不是真空时，电场强度的变化在罩的半径上有四个极大值；
当为了获得罩内的电磁场图象，在罩内沿各种方向(径向、圆周方向及横向)放置热敏纸片，就可显现出这些结果。在这三种情况中，可注意到，电磁场绕轴A1轴向旋转对称。
当罩的内径约为215毫米时，比如可使用内径约为85毫米的石英管16。使用这样的装置，经实验证明：可以每秒约300至400埃的平均淀积速度，在容积为500毫升的PET瓶内表面上，淀积均匀的碳基材料层。因此，可获得有效隔离层的处理时间约为1至3秒，这表明可在工业化规模上应用所述装置。
因此，本发明可提供一种在非常短的时间内，在容器内壁上实现具备各种所要求性能，尤其是阻隔性能的淀积层的工业装置。另外，该装置足够简单、紧凑，可安装在每小时能处理大量容器的旋转机上。
此外，这种装置还可用来实施除淀积覆盖层以外的其它处理，如使用气体或混合气体如氧气、氮或氩等的处理，这些气体虽不会引起材料的淀积，但它们在等离子状态下，会从表面改变容器组成材料的结构。本发明还可用来处理容器的外表面。当然在此情况下，必须把反应流体喷射进所述腔内，但是在所述容器外。
Claims (13)
1.一种用于容器表面处理的装置，其中，所述处理是通过由微波型电磁波激励反应流体而获得的低压等离子体进行的，所述容器放在一个导电材料罩(12)里，微波通过一耦合装置被导入所述罩内，
其特征在于，所述罩(12)为围绕容器(24)主轴(A1)的旋转圆柱体，其特征还在于，耦合装置包括一波导管(15)，该管沿垂直于罩轴(A1)的方向延伸，以一个窗口的形式开口于所述罩的一个侧壁上，该窗口在罩的一切面上的投影为矩形，其在罩轴方向的尺寸最小，其特征还在于，所述罩(12)的内径使得微波在罩内按一种主模传播，在该主模中，由微波的传播产生的电场呈轴向旋转对称。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，当微波被导入没有容器(24)的罩(12)内时，电场强度的变化在罩的半径上有两个极大值。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，微波的频率为2.45GHz，罩(12)的内径在213与217毫米之间。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，当微波被导入没有容器的罩内时，电场强度的变化在罩的半径上有三个极大值。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，微波的频率为2.45GHz，罩(12)的内径在334与340毫米之间。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，当微波被导入没有容器的罩内时，电场强度的变化在罩的半径上有四个极大值。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，微波的频率为2.45GHz，罩的内径在455与465毫米之间
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述波导管(15)为矩形截面。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，微波的频率为2.45GHz，其特征还在于，波导管(15)截面的尺寸沿罩(12)轴(A1)的方向为43毫米，沿垂直方向为86毫米。
10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，反应流体被导入容器(24)内部，以处理容器的内表面。
11.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，反应流体被导入罩(12)内、容器(24)外部，以处理容器的外表面。
12.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，在罩(12)内，由对微波透明的材料实施的壁(16)限定了一腔(18)，其特征还在于，容器(24)放在该腔(18)内。
13.根据上述权利要求其中之一所述的装置，其特征在于，处理包括一个用低压等离子淀积一种材料的步骤。
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