Vorrichtung und Verfahren zum Beschichten von Behältern
Beschreibung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Beschichten von Behältern, insbesondere aus PET, sowie ein Verfahren zum Beschichten von PET-Behältern mit Hilfe dieser Vorrichtung.
PET (Polyäthylentherephthalat) findet zunehmende Verbreitung zur Herstellung von Behältern beispielsweise für Lebensmittel, insbesondere für Getränkeflaschen. Ein Nachteil dieses Materials ist jedoch die vergleichsweise hohe Durchlässigkeit für Gase, d.h. insbesondere Sauerstoff oder Kohlendioxid. Dies verringert die Lagerdauer von Lebensmitteln, da durch die Wandung in den Behälter eindringender Sauerstoff Veränderungen hervorrufen kann. Bei kohlendioxidhaltigen Getränken kann außerdem durch einen Kohlendioxidtransport in umgekehrter Richtung, d.h. von innen nach außen, eine Verarmung des Getränks an Kohlensäure auftreten.
Man hat bereits versucht, wie beispielsweise in der DE 30 44 930 AI oder der US-PS 4 254 170 beschrieben, die Gasbarriereeigenschaften von PET-Behältern durch Beschichtungen mit geeigneten Materialien zu erhöhen. In beiden Druckschriften wird ein Beschichtungsmittel auf der Basis von Polyvinylalkohol verwendet. Dieses Material ist jedoch wasserlöslich, so dass insbesondere bei Mehrwegbehältern oder Getränkeflaschen die Gefahr besteht, dass die Gasbarriereschicht durch Reinigungsvorgänge bzw. durch 'außen an der Flasche herablaufendes Getränk beim
Befüllen beschädigt wird. In beiden Druckschriften wird demzufolge die Gasbarriereschicht durch eine Deckschicht geschützt. In der US-PS 4 254 170 wird das Beschichtungsmittel auf Polyvinylalkoholbasis mit einem geeigneten Latex abgedeckt. Die DE 30*44 9.30 AI beschreibt eine Gasbarriereschicht aus Äthyl-Vinyl-Alkohol- Copolymeren, die mit einer feuchtigkeitsfesten Schicht aus einem Kunststoffmaterial abgedeckt ist. Das Material für die feuchtigkeitsfeste Schicht ist nicht beschrieben. Die Gasbarriereschicht wird offensichtlich bereits beim Herstellen des Behälters aus PET-Material durch Blasformen aufgebracht, während das Verfahren, mit dem die feuchtigkeitsfeste Schicht aufgebracht wird, nicht beschrieben ist.
Es ist weiterhin aus der W099/65613 bekannt, Flaschen mittels mehreren Spritzköpfen durch Sprühen mit einer Beschichtung zu versehen. Eine Zerstäubungsbeschichtung wird nicht beschrieben. Weiterhin wird nicht beschrieben, wie verfahren werden uss, wenn zwei unterschiedliche Beschichtungen aufgebracht werden sollen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, mit der Behälter auf konstruktiv einfache Weise und mit hoher Leistung mit einem ersten und einem zweiten Beschichtungsmittel versehen werden können.
Diese Aufgabe wird durch die Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und durch das Verfahren gemäß Anspruch 17 gelöst.
Durch den Einsatz von Zerstäubungsstationen zum Aufbringen beider Beschichtungen ist ein sehr schneller Durchlauf der
Behälter möglich, der auch eine zwischengeschaltete Trockenstation gestattet, ohne dass die Beschichtung die Herstellungszeit der Behälter unakzeptabel verlängert. Die dazwischen geschaltete Trockenstation ermöglicht, im Gegensatz zu einer Nass-in-Nas6-Beschichtung, eine qualitätsmäßig gute Beschichtung, auch wenn z.B. Beschichtungsmaterialien mit unterschiedlichen Lösungsmitteln verwendet werden. Das Beschichten durch Zerstäubung führt darüber hinaus zu einer dünnen und äußerst gleichmäßigen Schicht.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen. So eignet sich zum Aufbringen der Beschichtung besonders der in den Ansprüchen 9 bis 11 beschriebene Rotationszerstäuber, der bislang nur in der Automobilindustrie eingesetzt wurde. Durch diesen Zerstäuber ist es möglich, sehr schnell und gezielt auf Formabweichungen und Formunterschiede der Behälter zu reagieren, so dass beispielsweise ein Flaschenhals mit einer relativ geringen Flächengröße die gleiche Schichtdicke der Beschichtung aufweist, wie der Bauch der Flasche mit der vergleichsweise wesentlich größeren zu beschichtenden Fläche. Darüber hinaus ist ein Rotationszerstäuber sehr wirksam. Er kann beispielsweise in zwei bis drei Sekunden eine gleichmäßige Beschichtung von 1 bis 5 μm aufbringen, bei einer Durchsatzleistung von etwa 20.000 Flaschen pro Stunde. Mit dem Rotationszerstäuber ist es weiterhin möglich, trotz des relativ großen Abstandes zum zu beschichtenden Behälter von bis zu Im, und der zentrifugalen Zerstäubungsrichtung, auch den Boden des Behälters problemlos zu beschichten.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Vorrichtung in schematischer Darstellung,
Fig. 2 die Vorrichtung gemäß Fig. 1 in geschnittener Seitenansicht,
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Fördermittels, und
Fig. 4 eine Draufsicht ähnlich Fig. 1 auf ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung.
In den Fig. 1 und 2 sind in schematischer Darstellung die wesentlichsten Teile einer Vorrichtung 1 zum Beschichten von Außenflächen von Behältern, insbesondere von Behältern aus Kunststoff, wie beispielsweise aus
Polyäthylentherephthalat (PET) ersichtlich. Die Vorrichtung 1 ist speziell auf das Beschichten von Einweg-PET-Flaschen ausgelegt .
Die Vorrichtung 1 enthält eine erste Zerstaubungsstation 2 zum Aufbringen einer Gasbarriereschicht, eine zweite Zerstäubungsstation 3 zum Aufbringen einer Deckoder Schutzschicht, eine zwischen der ersten Zerstäubungsstation 2 und der zweiten Zerstäubungsstation 3 angeordnete, erste Trocknungsstation 4 sowie eine sich an die zweite Zerstäubungsstation 3 anschließende, zweite Trocknungsstation 5. Die Stationen 2, 3, 4 und 5 sind durch eine insgesamt mit 6 bezeichnete Fördereinrichtung verbunden.
Die beiden Zerstäubungsstationen 2 und 3 sind im Wesentlichen konstruktiv ähnlich aufgebaut, so dass nachfolgend nur die erste Zerstäubungsstation 2 näher erläutert wird.
Die Zerstäubungsstation 2 enthält einen abgeschlossenen Zerstäubungsbehälter 7, der eine Beschichtungskammer 8 mit einem Ein- und Auslass 8a umschließt. Im Inneren der Beschichtungskammer 8 ist ein als Rotationszerstäuber 9 ausgebildeter Zerstäuber, beispielsweise ein Scheibenzerstäuber oder ein Glockenzerstäuber, angeordnet. Der Rotationszerstäuber 9 ist über eine Antriebswelle 10 um eine senkrechte Achse 10' drehbar und wird durch einen Motor 11 rotierend angetrieben. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Rotationszerstäuber 9 weiterhin durch den Motor 11 in Richtung des Pfeils A entlang der vertikalen Achse 10' auf- und abbewegbar. Der Verschiebungsweg ist bevorzugt kleiner oder gleich der axialen Länge von Behältern 12, die in der Vorrichtung 1 beschichtet werden sollen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind schematisch als Flaschen dargestellte Behälter 12 zu sehen. Die Hubfrequenz beträgt etwa 1 Hub pro Sekunde.
Die Fördereinrichtung 6 enthält einen ersten Förderer 13, der an einer Übergabestelle 14 mit den Behältern 12 beschickt wird, sich durch den Ein- und Ausgang 8a in die Beschichtungskammer 8 hinein und dort in einer fast geschlossenen, kreisbogenförmigen Bahn konzentrisch um den Rotationszerstäuber 9 herum erstreckt. Der erste Förderer 13 enthält eine über den gesamten Weg durchlaufende Schiene 15 und Fördermittel 16, an denen die Behälter 12 einzeln
und hängend gefördert und um ihre senkrechte Achse gedreht werden können. Die Fördermittel 16 folgen dicht aufeinander und sind miteinander gekoppelt, wobei in den Figuren die Fördermittel nur bereichsweise angedeutet sind, um die Übersichtlichkeit der Zeichnungen zu gewährleisten.
Die Übergabestation 14 enthält einen Stützstern 18 zum Ausrichten der Fördermittel 16, sowie einen Transferstern 19 mit einer Stützscheibe 20 für den Boden der Behälter 12.
Die Zerstäubungsstation 2 ist für eine elektrostatische Unterstützung der Zerstäubung ausgerüstet. Zu diesem Zweck wird das Beschichtungsmittel elektrostatisch aufgeladen, kann im Inneren der Behälter 12 eine über die Schiene 15 geerdete, nicht gezeigte Elektrode untergebracht werden, wird der Beschichtungsbereich innerhalb der Beschichtungskammer 8 durch eine isolierende Abdeckung 17 begrenzt und im Ein- und Ausgang 8a ein nicht gezeigter, unter positiver Hochspannung stehender Zylinder angeordnet, der gleichsinnig geladene Teilchen des Beschichtungsmittels abstößt .
Das Beschichtungsmittel wird dem Rotationszerstäuber 9 über die hohle Antriebswelle 10 zugeführt und kann in einer nicht gezeigten Mischeinrichtung zerstäubungsfähig aufbereitet, insbesondere auf die gewünschte Konsistenz verdünnt, und elektrostatisch aufgeladen werden. An die Vorrichtung zur elektrostatischen Aufladung ist ebenfalls die Antriebswelle 10 und/oder der Rotationszerstäuber 9 angeschlossen, so dass die den Rotationszerstäuber 9 verlassenden Tröpfchen des Beschichtungsmittels ein positives Potential von ca. 85 kV aufweisen.
Wie Fig. 3 zeigt, enthält das Fördermittel 16 zumindest auf dem Förderer 13 und/oder 26 einen auf der Schiene 15 laufenden Wagen 40 mit einer Abstandslasche 41 zum abstandskonstanten Ankoppeln an benachbarte Fördermittel und einer einen großen Abstand zur Schiene 15 herstellenden Halteeinrichtung mit einem in das Innere des Behälters 12 eingreifenden, über einen federbelasteten Stößel 42 betätigbaren Klemmkopf, die durch ein Schutzrohr 43 abgedeckt ist. Am unteren Ende des metallischen Schutzrohrs 43 ist ein Ring 44 aus besonders gut leitfähigem Material, insbesondere ein Kupferring angeordnet, der eine elektrisch leitende Verbindung zur aufgebrachten Beschichtung auf dem Behälter 12 herstellt, so dass die Beschichtung über den Ring 44 und die Schiene 15 geerdet werden kann, auch wenn das Material des Behälters 12 ein sehr guter Isolator ist.
Vom ersten Förderer 13 werden die Behälter 12 nach dem Verlassen der Beschichtungskammer 8 auf bekannte Weise, z.B. durch einen Übergabestern, auf einen zweiten Förderer 21 der Fördereinrichtung 6 übergeben. Der zweite Förderer 21 ist ebenfalls mit einer Schiene 15 ausgerüstet, auf der die Fördermittel 16 für die Behälter 12 einzeln und hängend dicht aufeinanderfolgend und gegebenenfalls gekoppelt gefördert werden können. Der zweite Förderer 21 enthält im Anschluss an den Förderer 13 eine längere Förderstrecke 21a, die als Verdunstungsstrecke ausgebildet ist und tritt dann über einen Eingang 22a in eine Trocknungskammer 22 im Inneren eines Trocknungsbehälters 23 ein. Die Verdunstungsstrecke 21a verläuft in freier Atmosphäre und, bevorzugt weil platzsparend, außen um den Trocknungsbehälter 23 herum. Der Eingang 22a in den Trocknungsbehälter 23 befindet sich bevorzugt im oberen Bereich der Trocknungskammer 22, d.h. im heißesten Bereich.
Der Förderer 21 verläuft dann in einem zweiten Bereich 21b wendeiförmig innerhalb der Trockenkammer 22 nach unten und verlässt den Trocknungsbehälter 23 am unteren Bereich über einen Auslass 22b.
Die Trocknungsstation enthält eine Heißluftzufuhr 24 und eine Abluftführung 25, die für eine laminare Luftströmung ausgelegt sind. Der Förderer 21 gelangt im Anschluss an den Auslass 22b zu einem dritten Förderer 26 der Fördereinrichtung 6, der die Behälter übernimmt und in die zweite Zerstäubungsstation 3 fördert, wo die Behälter wiederum mit Hilfe eines Zerstäubers 27 mit einem zweiten Beschichtungsmittel, ggf. elektrostatisch unterstützt, versehen werden. Anschließend fördert der dritte Förderer 26 die Behälter zu einem vierten Förderer 28 der Fördereinrichtung 6, der sie durch die zweite Trocknungsstation 5 fördert. Die Trocknungsstation 5 enthält einen Lineartrockner 29, durch den wenigstens ein Trum des als endlos umlaufende Förderkette ausgebildeten Förderers 28 läuft. Der Lineartrockner 29 ist entweder als Heißlufttrockner für eine laminare Luftströmung ausgebildet, oder enthält einen Infrarottrockner bzw. einen Mikrowellentrockner oder ist als Mischtrockner mit einer Kombination dieser Trocknungsarten ausgebildet. Der Förderer 28 ist bevorzugt als am Behälterkopf angreifender Taschenförderer ausgebildet, so dass die Trocknung die gesamte Beschichtung erreicht. Nach dem Verlassen des Lineartrockners 29 der zweiten Trocknungsstation 5 können die Behälter einer weiteren Ubergabestation 30 übergeben werden, von der sie einer Weiterverarbeitung zugeführt werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 arbeitet wie folgt:
In der ersten Zerstäubungsstation 2 wird durch den ersten Rotationszerstäuber 9 mit elektrostatischer Unterstützung auf die Behälter 12 eine Gasbarriereschicht aufgebracht. Als Beschichtungsmaterial wird bevorzugt ein Beschichtungsmaterial auf der Basis von Polyvinylalkohol in wässriger Lösung verwendet. Als Polyvinylalkohol können alle bekannten Polyvinylalkohole eingesetzt werden, wobei jedoch Polyvinylalkohole mit einem Hydrolysegrad von 60 bis 99,9 Mol-%, insbesondere 80 bis 99,9 Mol-% und einer Viskosität der 4 Gew.-%igen wässrigen Lösung von 2 bis 100 mPas, besser 8 bis 80 mPas, bevorzugt sind. In einer speziellen Ausführungsform können auch Polyvinylalkohol- Copolymere eingesetzt werden.
Die Bewegung (Rotation und Hub) des Rotationszerstäubers 9 wird entsprechend der Außenform des zu beschichtenden Behälters 12 gesteuert, wobei Bereiche des Behälters mit kleiner Außenfläche, die demzufolge weniger Beschichtungsmittel benötigen, schneller überstrichen werden als Außenbereiche des Behälters mit einer größeren Beschichtungsflache, so dass insgesamt eine im Wesentlichen gleichmäßig dicke Beschichtung erreicht wird. Gegebenenfalls sind auch Rotationszerstäuber einsetzbar, deren Zerstäubungsebene gegenüber ihrer Drehachse gekippt ist, so dass der Zerstäubungsstrahl ohne Hubbewegung auf- und abwärts bewegt wird. Als Fördermittel werden bevorzugt solche Fördermittel eingesetzt, die eine Drehung der Behälter um ihre Längsachse gestatten, so dass die gesamte Außenfläche des Behälters beim Umlauf um den Rotationszerstäuber 9 gleichmäßig beschichtet wird.
Anschließend werden die Behalter über die
Verdunstungsstrecke 21a des zweiten Forderers 21 gefordert, wo bereits ein Großteil des Losungsmittels Wasser verdunstet. Der Rest des als Wasser verwendeten Losungsmittels wird dann in der Trocknungskammer 22 durch die von unten nach oben im Gegenstrom zur Bewegung der Behalter stromende, erwärmte Luft ausgetrieben.
Die Behalter 12 mit der ausgeharteten bzw. durchgetrockneten Gasbarriere-Beschichtung werden dann der zweiten Zerstaubungsstation 3 übergeben und mit Hilfe des zweiten Rotationszerstaubers 27 mit einer zweiten, deckenden und/oder schutzenden Beschichtung versehen, die die wasserlösliche Gasbamere-Beschichtung gegen den Emfluss von Feuchtigkeit schützt und bevorzugt auch die mechanische Festigkeit der Beschichtung erhöht. Für diese Schutzschicht eignen sich besonders Polyvmylacetale, insbesondere Polyvmylformale oder Polyvmylbutyrale, wobei letztere besonders bevorzugt sind. Ein besonders geeignetes Beschichtungsmittel für die Schutzschicht ist eine 10%ιge alkoholische Polyvmylbutyral-Losung.
Die Schichtdicke jeder der Schichten kann bei jeweils etwa 2 μm gehalten werden, was ausreicht, um die Gasbarrierewirkung von PET um das Dreifache bei gleichzeitiger Wasserresistenz zu erhohen. Dies erhöht das Gewicht einer 0,5 1 Flasche lediglich um ca. 0,2 g.
Anschließend wird die Schutzschicht in der zweiten Trockenstation 5 getrocknet.
Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausfuhrungsbeispiel einer erfmdungsgemaßen Vorrichtung 1', die sich von der
Vorrichtung 1 der Fig. 1 nur dadurch unterscheidet, dass anstelle der Fördereinrichtung 6 eine Fördereinrichtung 60 mit einem durchlaufenden Förderer 61 vorgesehen ist, wobei der Förderer 61 sich durch alle Stationen ohne Übergabestelle hindurch bewegt.
In Abwandlung der beschriebenen und gezeichneten Ausführungsbeispiele kann die zweite Trocknungsstation 5 entfallen, wenn z.B. ein schnell trocknendes Beschichtungsmittel in der zweiten Zerstäubungsstation 3 aufgebracht wird oder die Behälter nach der zweiten Zerstaubungsstation 3 über einen größeren Förderweg zur nächsten Bearbeitungsstation transportiert werden, auf dem die zweite Beschichtung ohne zusätzliche Zwangstrocknung trocken wird. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung können auch Behälter aus anderen Materialien, beispielsweise andere Kunststoff oder Glas beschichtet werden. Die Trocknung in beiden Trocknungsstationen kann durch Heißluft oder durch andere Trocknungsmittel, beispielsweise Infrarotstrahlung oder dgl . erfolgen. Auch andere Beschichtungsmittel können eingesetzt werden.
Gegebenenfalls kann auch die erste Trocknungsstation 4 entfallen, wenn in der ersten Zerstäubungsstation 2 ein ensprechend schnell trocknendes Beschichtungsmittel verarbeitet wird.
Um die Haftung der Barrierebeschichtung auf den Behältern 12 zu verbessern, kann es zweckmäßig sein, diese vorher einer Korona- oder Plasmabehandlung zu unterwerfen. Eine entsprechende Behandlungsstation 31 ist in Fig. 1 strichpunktiert angedeutet.