DE102020105000A1 - Process for coating containers and coated containers - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschichtung von Behältern mittels eines PECVD-Verfahrens zur mikrowelleninduzierten Plasmareaktion zur Abscheidung von SiOxauf der Behälterinnenoberfläche mittels Abscheidungsschritten im Vakuum mit einem Plasma, wobei der Behälter aus einem Papiersubstrat besteht, welches aus zellulosehaltigem Material besteht oder dieses umfasst, und wobei das Papiersubstrat an der Innenoberfläche vor dem Abscheiden der Coatingschicht eine Oberflächenrauheit Ravon kleiner 20 nm, bevorzugt kleiner 10 nm und besonders bevorzugt zwischen 2 nm und 5 nm, aufweist.Außerdem betrifft die Erfindung einen Behälter aus einem Papiersubstrat, der mittels Plasmaverfahren mindestens auf der inneren Oberfläche beschichtet ist.The invention relates to a method for coating containers by means of a PECVD process for microwave-induced plasma reaction for the deposition of SiOx on the inner surface of the container by means of deposition steps in a vacuum with a plasma, the container consisting of a paper substrate which consists of or comprises cellulosic material, and wherein the paper substrate on the inner surface before the deposition of the coating layer has a surface roughness ravon less than 20 nm, preferably less than 10 nm and particularly preferably between 2 nm and 5 nm Surface is coated.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschichtung von Behältern mittels eines PECVD-Verfahrens zur mikrowelleninduzierten Plasmareaktion zur Abscheidung von SiOx auf der Behälterinnenoberfläche mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Beschichtung von Behältern mittels eines Acetylen-Beschichtungsverfahrens mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 2. Des Weiteren betrifft die Erfindung einen Behälter, insbesondere in der Form einer Flasche, aus einem Papiersubstrat, der zumindest auf Teilbereichen seiner Innenoberfläche eine Beschichtung aufweist.The invention relates to a method for coating containers by means of a PECVD process for microwave-induced plasma reaction for the deposition of SiO x on the inner surface of the container with the features of the preamble of claim 1. The invention also relates to a method for coating containers by means of an acetylene coating process the features of the preamble of claim 2. Furthermore, the invention relates to a container, in particular in the form of a bottle, made of a paper substrate which has a coating at least on partial areas of its inner surface.
Die Beschichtung der Innenflächen von Kunststoffbehältern mittels PECVD-Verfahrens ist seit geraumer Zeit bekannt. Beispielsweise wird dies in der
Im Prozessgaserzeuger der
Für jeden zu beschichtenden Flaschentyp wird ein spezielles Rezept erstellt, in dem unter anderem die Prozessgasmischung aus O2, Ar, HMDSO und HMDSN definiert ist. Diese Mischung wird während des Betriebs der Maschine (mit dem gewählten Rezept) nicht verändert. Da sich auch die maßgeblichen Rohrleitungen nicht wesentlich verändern, ergeben sich sehr stabile Druckverhältnisse während des Beschichtungsbetriebs beziehungsweise in den Bereitschaftsphasen, wenn gerade keine Flaschen in der Vorrichtung beschichtet werden. Die Vorrichtung wird erst für die Beschichtung freigegeben, wenn ein stabiler Zustand im Vakuumsystem erreicht ist. Aufgrund der beschriebenen Stabilität des Systems (Druckgefälle) können die für ein gegebenes Rezept zu erwartenden Druckwerte im Normalzustand berechnet beziehungsweise vorhergesagt und zur Prozesskontrolle gemessen werden.A special recipe is created for each type of bottle to be coated, in which, among other things, the process gas mixture of O 2 , Ar, HMDSO and HMDSN is defined. This mixture is not changed during operation of the machine (with the selected recipe). Since the relevant pipelines do not change significantly either, very stable pressure conditions result during the coating operation or in the standby phases when no bottles are being coated in the device. The device is only released for coating when a stable state has been reached in the vacuum system. Due to the stability of the system described (pressure gradient), the pressure values to be expected for a given recipe in the normal state can be calculated or predicted and measured for process control.
Anstatt zur Verpackung von Flüssigkeiten Kunststoffflaschen zu verwenden, kann auch ein Behälter aus Papier oder Pappe verwendet werden, dessen Innenfläche flüssigkeitsundurchlässig gemacht wurde. Aus der CH 60994 ist es bekannt, die Innenfläche des Behälters nach seiner Zusammenfaltung mit Paraffin zu überziehen. Alternativ ist es aus der AT 135352 bekannt, Papierbehälter durch Imprägnierung mittels Gummilatex, Gummi, Guttapercha, Balata oder sonstiger pflanzlicher Harze sowie mineralischer oder pflanzlicher Wachse, beispielsweise Bienenwachs, wasserundurchlässig zu machen.Instead of using plastic bottles for packaging liquids, a container made of paper or cardboard, the inner surface of which has been made impervious to liquids, can also be used. From CH 60994 it is known to coat the inner surface of the container with paraffin after it has been folded. Alternatively, it is known from AT 135352 to make paper containers impermeable to water by impregnation using rubber latex, rubber, gutta-percha, balata or other vegetable resins and mineral or vegetable waxes, for example beeswax.
Aufgrund der Umweltverschmutzungsproblematik und zur Schonung von nicht-nachwachsenden Ressourcen, ist die Verwendung von Alternativen zu Kunststoffen sehr sinnvollDue to the pollution problem and to protect non-renewable resources, the use of alternatives to plastics is very useful
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen flüssigkeitsundurchlässigen Behälter, der umweltverträglicher als die oben beschriebenen beschichteten Kunststoffbehälter bei gleichwertiger Sicherheit ist, und ein Verfahren zu dessen Herstellung zur Verfügung zu stellenIt is an object of the present invention to provide a liquid-impermeable container which is more environmentally friendly than the coated plastic containers described above with equivalent safety, and a method for the production thereof
Gelöst wird diese Aufgabe für den gattungsgemäßen Behälter und für die gattungsgemäßen Verfahren durch die Merkmale des jeweiligen unabhängigen Anspruchs. This object is achieved for the generic container and for the generic method by the features of the respective independent claim.
Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Behälter und des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen genannt.Advantageous developments of the container according to the invention and of the method according to the invention are mentioned in the dependent claims.
Dadurch, dass bei der Erfindung vorgesehen ist, dass die Behälter, die aus einem zellulosehaltigen Material bestehen oder dieses umfassen - ein solches Material wird im Rahmen dieser Anmeldung als Papiersubstrat bezeichnet - auf ihrer Innenfläche mit einer Coatingschicht als Haftvermittler und mindestens einer darauf aufgebrachten Barriereschicht mittels eines PECVD-Verfahrens beschichtet werden, werden die Behälter flüssigkeitsundurchlässig gemacht, so dass sie anstatt von Kunststoffbehältern für Flüssigkeiten eingesetzt werden können. Für die Coatingschicht wird ein Gemisch aus HMDSO und O2 oder aus HMDSO und Ar oder aus HMDSO und O2 und Ar verwendet. Für die Barriereschicht beziehungsweise die Barriereschichten wird ein Gemisch aus HMDSN und O2 oder aus HMDSN und Ar oder aus HMDSN und O2 und Ar verwendet. Derart beschichtete Behälter aus Papiersubstrat hat gegenüber Kunststoffbehältern, wie beispielsweise aus PET, PE, PP, POC - die heutzutage verwendet werden - den Vorteil, dass er umweltverträglicher ist, da er aus nachwachsenden Rohstoffen herstellbar ist und biologisch leichter abgebaut wird. Das Aufbringen einer solchen Barriereschicht ist aus dem Stand der Technik für Behälter aus Kunststoff gut bekannt und kann - wie sich nach aufwendigen Versuchen überraschenderweise gezeigt hat - auch für Behälter aus Papiersubstrat mit den bekannten Beschichtungsvorrichtungen erfolgen.The fact that the invention provides that the containers, which are made of a cellulose-containing material or comprise this - such a material is referred to in the context of this application as a paper substrate - on their inner surface with a coating layer as an adhesion promoter and at least one barrier layer applied thereon by means of a PECVD process are coated, the containers are made liquid-impermeable so that they can be used instead of plastic containers for liquids. A mixture of HMDSO and O 2 or of HMDSO and Ar or of HMDSO and O 2 and Ar is used for the coating layer. A mixture of HMDSN and O 2 or of HMDSN and Ar or of HMDSN and O 2 and Ar is used for the barrier layer or the barrier layers. Such coated containers made of paper substrate has the advantage over plastic containers such as PET, PE, PP, POC - which are used today - that it is more environmentally friendly because it can be made from renewable raw materials and is more easily biodegraded. The application of such a barrier layer is well known from the prior art for containers made of plastic and can - as surprisingly shown after extensive experiments - also be carried out for containers made of paper substrate with the known coating devices.
Der im Rahmen dieser Anmeldung verwendete Begriff der Rauheit bezieht sich auf den Mittenrauwert, dargestellt durch das Symbol Ra. Er gibt den mittleren Abstand eines Messpunktes - auf der Oberfläche - zur Mittellinie an. Die Mittellinie schneidet innerhalb der Bezugsstrecke das wirkliche Profil so, dass die Summe der Profilabweichungen in einer parallelen Ebene zur Mittellinie auf die Länge der Messstrecke verteilt wird. Der Mittenrauwert entspricht dem arithmetischen Mittel der betragsmäßigen Abweichung von der Mittellinie. Vereinfacht gesagt, ist die mittlere Rauheit (in einer Dimension) als die Höhe des Rechtecks, das die gleiche Länge wie die zu untersuchende Strecke und den gleichen Flächeninhalt wie jene Fläche zwischen Bezugshöhe und Profil hat.The term roughness used in this application relates to the mean roughness value, represented by the symbol R a . It indicates the mean distance of a measuring point - on the surface - to the center line. The center line intersects the real profile within the reference section in such a way that the sum of the profile deviations in a plane parallel to the center line is distributed over the length of the measuring section. The mean roughness corresponds to the arithmetic mean of the absolute deviation from the mean line. Put simply, the mean roughness (in one dimension) is the height of the rectangle, which has the same length as the line to be examined and the same area as the area between the reference height and profile.
Eine möglichst geringe Rauigkeit ist vorteilhaft, damit eine weitgehend geschlossene und homogene Schicht aufwachsen kann. Zu große Poren oder sprunghafte Höhenunterschiede in der Oberfläche können entweder nicht vollständig bedeckt werden oder erzeugen natürliche Schichtgrenzen, an denen möglicherweise bevorzugt Risse beginnen.The lowest possible roughness is advantageous so that a largely closed and homogeneous layer can grow. Excessively large pores or sudden differences in height in the surface either cannot be completely covered or create natural layer boundaries at which cracks may begin.
Prinzipiell gilt dasselbe auch für Behälter aus Papiersubstrat, die mittels PECVD beschichtet werden, wobei zur Beschichtung Acetylen (C2H2) verwendet wird. Dabei entsteht eine CHx-Schicht die als Coatingschicht und/oder als Barriereschicht wirkt.In principle, the same also applies to containers made of paper substrate that are coated by means of PECVD, with acetylene (C 2 H 2 ) being used for the coating. This creates a CH x layer that acts as a coating layer and / or as a barrier layer.
Vorteilhafterweise kann auf der Barriereschicht, beziehungsweise den Barriereschichten, eine Schutzschicht aus HMDSO und Ar oder aus Acetylen aufgebracht sein. Das Aufbringen einer solchen Schutzschicht ist aus dem Stand der Technik für Behälter aus Kunststoff gut bekannt und ist auch für Behälter aus Papiersubstrat mit den bekannten Beschichtungsvorrichtungen einfach zu realisieren.A protective layer made of HMDSO and Ar or of acetylene can advantageously be applied to the barrier layer or the barrier layers. The application of such a protective layer is well known from the prior art for containers made of plastic and can also be easily implemented for containers made of paper substrate with the known coating devices.
Vorteilhafterweise kann das Papiersubstrat eine Steifigkeit aufweisen, bei der sich das Volumen des Behälters bei einem Druck bis 5 bar um höchstens 10%, bevorzugt um nicht mehr als 3%, vergrößert. Es hat sich gezeigt, dass ab dieser Steifigkeit eine Microrissbildung in der Beschichtung bei Innendruck in dem Behälter wirksam vermieden werden kann.The paper substrate can advantageously have a rigidity at which the volume of the container increases by at most 10%, preferably by no more than 3%, at a pressure of up to 5 bar. It has been shown that from this stiffness onwards, micro-cracking in the coating can be effectively avoided when there is internal pressure in the container.
Vorteilhafterweise kann die Innenoberfläche des Papiersubstrates mit einem aufgeschwemmten oder aufgesprühten Fluid, wie beispielsweise einem Lack beziehungsweise einer Farbe beschichtet sein, bevorzugt einem wasserlöslichen, besonders bevorzugt einem organisch-wasserlöslichen Lack, wie beispielsweise Schellack, beziehungsweise Farbe. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn das Papiersubstrat sehr porös ist, so dass effektiv und wirtschaftlich mit einem Fluid in einem ersten Coatingschritt eine egalisierte, gleichmäßige Oberfläche geschaffen wird, die nachfolgend hochwertig final beschichtet werden kann. Die Farb- oder Lackschicht hat dabei den großen Vorteil, dass diese die Rauheit des Substrates deutlich verringert.The inner surface of the paper substrate can advantageously be coated with a floating or sprayed fluid, such as a lacquer or a paint, preferably a water-soluble, particularly preferably an organic-water-soluble lacquer, such as shellac or paint. This is particularly advantageous if the paper substrate is very porous, so that a leveled, uniform surface is created effectively and economically with a fluid in a first coating step, which can then be finally coated with high quality. The color or lacquer layer has the great advantage that it significantly reduces the roughness of the substrate.
Bei üblichen Beschichtungsverfahren wird der Behälter in eine Vakuumkammer eingebracht, die vor dem eigentlichen Abscheidevorgang auf ein prozessübliches Vakuumniveau gebracht wird, insbesondere auf ein mittleres bis hohes Vakuumniveau. Es hat sich gezeigt, dass Hohlräume und Lufteinschlüsse im Papiersubstrat nachteilig sind und ein definierter Gradient des Porenvolumens vorteilhaft und ein Maß für einen schadfreien, schnellen Abtransport von Gasanteilen im Inneren des Papiersubstrats ist. Vorteilhafterweise kann das Papiersubstrat deshalb von der Innenoberfläche zur Außenoberfläche auf mindestens 60%, bevorzugt mindestens 80% und besonders bevorzugt mindestens 90%, ein zumindest abschnittsweise gleichbleibendes und/oder stetig zunehmendes mittleres Porenvolumen aufweisen. Vorteilhafterweise weist das Papiersubstrat keine inneren, abgeschlossenen Hohlräume, außer eventuell vorhandener Gasabflussporen, auf. Ein derartiges Porenvolumen beziehungsweise ein derartiger Verlauf von Porenvolumina hat den Vorteil, dass bei der Erzeugung von Vakuum die inneren Gasanteile leichter aus dem Inneren des Papiersubstrates entweichen können. Eingeschlossene Gasvolumina, die nicht abfließen können, blähen sich unter Vakuum auf und können zu Rissbildungen oder größeren Beschädigungen im Papiersubstrat führen.In conventional coating processes, the container is placed in a vacuum chamber, which is brought to a normal process vacuum level, in particular to a medium to high vacuum level, before the actual deposition process. It has been shown that cavities and air inclusions in the paper substrate are disadvantageous and a defined gradient of the pore volume is advantageous and a measure of the damage-free, rapid removal of gas components in the interior of the paper substrate. The paper substrate can therefore advantageously have at least 60%, preferably at least 80% and particularly preferably at least 90%, from the inner surface to the outer surface, an at least sectionally constant and / or steadily increasing average pore volume. The paper substrate advantageously has no internal, closed cavities, apart from any gas drainage pores that may be present. Such a pore volume or such a course of pore volumes has the advantage that when a vacuum is generated, the internal gas components can more easily escape from the interior of the paper substrate. Trapped gas volumes that cannot flow away expand under vacuum and can lead to the formation of cracks or major damage to the paper substrate.
Es versteht sich, dass die oben und nachfolgend erläuterten Merkmale und Ausführungsformen nicht nur in den jeweils angegebenen Kombinationen offenbart sind, sondern auch in Alleinstellung sowie in anderen Kombinationen zur Offenbarung gehörend anzusehen sind.It goes without saying that the features and embodiments explained above and below are not only disclosed in the respectively specified combinations, but are also to be regarded as belonging to the disclosure on their own and in other combinations.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsformen näher erläutert.The invention is explained in more detail below on the basis of preferred embodiments.
Die Behälter aus Papiersubstrat - im Folgenden wird für alle stellvertretend eine Papierflasche beschrieben - werden beispielsweise über ein rotierendes Plasmarad, wie es beispielsweise aus der oben
Der Aufbau der Plasmastationen ist aus dem Stand der Technik für Beschichtungsvorrichtungen für Kunststoffbehälter bekannt und es wird zur konkreten Ausgestaltung lediglich beispielhaft auf die
In der Plasmastation wird die Papierflasche gas- und/oder luftdicht eingesetzt und positioniert. Über einen Vakuumkanal kann eine Gaslanze in den Behälterinnenraum der Papierflasche eingefahrenen werden. Je nach Ausführung der Beschichtungsstation wird durch das Einfahren der Gaslanze in den Behälterinnenraum und/oder durch das Schließen des Prozessreaktors der Behälterinnenraum gegen den Reaktor abgedichtet. Bei abgesenkter Gaslanze beziehungsweise geöffnetem Reaktor besteht hingegen eine gasdurchlässige Verbindung zwischen Behälterinnenraum und Reaktor.The paper bottle is inserted and positioned gas-tight and / or airtight in the plasma station. A gas lance can be inserted into the interior of the paper bottle via a vacuum channel. Depending on the design of the coating station, the interior of the container is sealed against the reactor by moving the gas lance into the interior of the container and / or by closing the process reactor. When the gas lance is lowered or the reactor is open, however, there is a gas-permeable connection between the interior of the container and the reactor.
Die Gaslanze ist über eine beispielweise zentrale Prozessgasleitung mit beispielweise drei Prozessgasleitungen gekoppelt, über die jeweils unterschiedliche Prozessgaszusammensetzungen insbesondere dem Behälterinnenraum mittels der Gaslanze zuführbar sind.The gas lance is coupled, for example, to a central process gas line with, for example, three process gas lines, via which different process gas compositions, in particular, can be supplied to the container interior by means of the gas lance.
Ein typischer Beschichtungsvorgang an einer Plasmastation wird im Folgenden erläutert:
- Zuerst wird der Behälterinnenraum der in die Plasmastation eingeförderten Papierflasche mitsamt dem Kammerinnenraum evakuiert.
- First, the interior of the container of the paper bottle conveyed into the plasma station, including the interior of the chamber, is evacuated.
Danach wird die Gaslanze in den Behälterinnenraum der Papierflasche eingefahren und eine Abdichtung des Behälterinnenraums gegenüber dem Kammerinnenraum durchgeführt. Es ist ebenfalls möglich, dass die Gaslanze bereits synchron zur beginnenden Evakuierung des Kammerinnenraums in die Papierflasche hinein verfahren wird. Anschließend kann der Druck im Behälterinnenraum noch weitergehend abgesenkt werden. Darüber hinaus ist auch daran gedacht, die Positionierbewegung der Gaslanze wenigstens teilweise bereits parallel zur Positionierung der Kammerwandung durchzuführen. Nach Erreichen eines ausreichend tiefen Unterdrucks wird Prozessgas über die zentrale Prozessgasleitung in den Behälterinnenraum der Papierflasche eingeleitet und mit Hilfe eines Mikrowellengenerators das Plasma gezündet. Als erste Schicht wird dabei ein Haftvermittler - auch Coatingschicht genannt - auf die raue Behälterinneroberfläche der Papierflasche, die beispielsweise eine Rauheit Ra von 10 nm hat, abgeschieden. Das hierfür verwendete Prozessgas ist beispielsweise ein Gemisch aus HMDSO und O2.The gas lance is then moved into the interior of the container of the paper bottle and the interior of the container is sealed off from the interior of the chamber. It is also possible that the gas lance is already moved into the paper bottle synchronously with the beginning of the evacuation of the chamber interior. The pressure in the interior of the container can then be further reduced. In addition, it is also contemplated that the positioning movement of the gas lance should already be carried out at least partially parallel to the positioning of the chamber wall. After a sufficiently low negative pressure has been reached, process gas is introduced into the interior of the container of the paper bottle via the central process gas line and the plasma is ignited with the aid of a microwave generator. As a first layer, an adhesion promoter - also called a coating layer - is deposited on the rough inner surface of the container of the paper bottle, which has a roughness R a of 10 nm, for example. The process gas used for this is, for example, a mixture of HMDSO and O 2 .
Nachdem die Coatingschicht abgeschieden wurde, wird die eigentliche Barriereschicht aus Siliziumoxiden auf diese Coatingschicht abgeschieden. Das hierfür verwendete Prozessgas ist beispielsweise ein Gemisch aus HMDSN und O2. Ansonsten entspricht dieser Abscheidevorgang demjenigen zur Abscheidung der Coatingschicht.After the coating layer has been deposited, the actual barrier layer made of silicon oxides is deposited on this coating layer. The process gas used for this is, for example, a mixture of HMDSN and O 2 . Otherwise, this deposition process corresponds to that for the deposition of the coating layer.
Nachdem die Barriereschicht beziehungsweise die Barriereschichten abgeschieden wurden, wird die Gaslanze aus dem Behälterinnenraum abgesenkt. Nach einer ausreichenden Belüftung des Behälterinnenraums und der Plasmastation bis auf vorzugsweise Atmosphärendruck, beziehungsweise Umgebungsdruck, wird die Plasmastation geöffnet es erfolgt eine Entnahme beziehungsweise Übergabe der beschichteten Papierflasche an ein Ausgaberad.After the barrier layer or the barrier layers have been deposited, the gas lance is lowered from the interior of the container. After the interior of the container and the plasma station have been adequately ventilated to preferably atmospheric pressure or ambient pressure, the plasma station is opened and the coated paper bottle is removed or transferred to an output wheel.
Bei Verwendung von Acetylen wird anstelle von HMDSO mit O2 beziehungsweise HMDSN mit O2 lediglich Acetylen in die Kammer eingelassen. Die Erzeugung des Plasmas erfolgt in der Regel mittels einer Mikrowelle, wobei sich hierdurch eine CHx-Schicht abscheidet.When using acetylene, only acetylene is admitted into the chamber instead of HMDSO with O 2 or HMDSN with O 2. The plasma is usually generated by means of a microwave, a CH x layer being deposited as a result.
Typischerweise wird nur ein Prozess verwendet, um eine oder mehrere CHx-Schichten abzuscheiden. Es ist unter anderem auch möglich, mehrere Lagen zu erzeugen, die sich zum Beispiel in Fluss und Mikrowellenleistung unterscheiden.Typically only one process is used to deposit one or more CH x layers. Among other things, it is also possible to create several layers that differ, for example, in terms of flow and microwave power.
Die Erfindung wurde voranstehend an Ausführungsbeispielen beschrieben. Es versteht sich, dass zahlreiche Änderungen sowie Abwandlungen möglich sind, ohne dass dadurch der der Erfindung zugrunde liegende Erfindungsgedanke verlassen wird.The invention was described above using exemplary embodiments. It goes without saying that numerous changes and modifications are possible without thereby departing from the inventive concept on which the invention is based.
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- DE 10258681 A1 [0002]DE 10258681 A1 [0002]
- DE 102016105548 A1 [0002, 0021]DE 102016105548 A1 [0002, 0021]
- WO 2017/102280 A2 [0003, 0020]WO 2017/102280 A2 [0003, 0020]
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