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CN1196168C - 利用等离子增强法处理塑料瓶内表面的方法及设备 - Google Patents

利用等离子增强法处理塑料瓶内表面的方法及设备 Download PDF

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CN1196168C CNB98811674XA CN98811674A CN1196168C CN 1196168 C CN1196168 C CN 1196168C CN B98811674X A CNB98811674X A CN B98811674XA CN 98811674 A CN98811674 A CN 98811674A CN 1196168 C CN1196168 C CN 1196168C
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Abstract

用于利用等离子增强法处理瓶子(1)的内表面的设备，包括一个真空室(2)、一个带有微波发生器(4)的微波密封室(3)、排气装置和供气装置(5)。微波密封室(3)基本为圆筒形，其形状尽可能与待处理瓶子(1)的至少主体部分的形状一致。微波从瓶子(1)的底部与微波密封室(3)耦合，并且微波密封室以横向磁场谐振方式激励。本发明的设备非常紧凑而且非常简便。它可以集成于拉伸吹塑设备或装填设备中，为了提高生产率，可将多个单瓶设备排成一行或者一个阵列并将所有单瓶设备与一个能量、真空和气体输送管线的网络相连。每个单瓶设备可具有其自身的真空室或者多个微波密封室(3)可位于一个共用真空室中。

Description

利用等离子增强法处理塑料 瓶内表面的方法及设备
本发明属于包装工业领域，涉及一种根据相应独立权利要求的前序部分所述的方法及设备，用于利用等离子增强法处理塑料瓶的内表面.
在本文中，塑料瓶这一术语用于描述一种容器，它由塑料材料制成，具有一个主体部分，一个底部和一个肩颈部，其中主体部分为直立圆筒的形式，横截面为圆形或非圆形，底部位于主体部分的一个端面上，而肩颈部位于主体部分的另一个端面上且具有一个较狭小的开口。此类容器特别是指由例如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚丙烯(PP)或高密度聚乙烯(HDPE)制成的瓶子，它们通过拉伸吹塑法制得。为了提高瓶子的阻气性，这些瓶子要用等离子增强化学蒸气淀积方法进行涂层处理，以便将其内表面涂上一层氧化硅。
其它用于处理塑料瓶内表面的等离子增强法为例如消毒方法或用于活化或以其它方式改变表面的方法。
用于处理塑料瓶内表面的等离子增强法及实施这些方法的设备已在以下出版物中进行了描述，其中有J.Weichart，B.Meyer，J.Müller(Vakuum in der Praxis Nr.1，pages 22-26，1991)，US-5521351(Wisconsin Alumni Research)、JP-0853117(KirinBrewery)、US-5378510(Polar Materials Inc.)、DE-3632748(Vereinigung Zur Frderung des Instituts fur Kunststoffverar-beitung in Industrie und Handuerk an der TH Aachen)和WO-95/22413(Coca-Cola Company)。
用于处理瓶子内部的等离子增强法一般包括以下各步骤，使瓶内降压，通过开动适当的动力源(直流电、射频、高频、微波动力源)在瓶内点燃并保持等离子区、使适当的处理气体或处理气体混合物流过等离子区。在大多数情况下，需要排空瓶子外部的空间并防止瓶子塌缩。有利的是，瓶子外部的空间被抽空至压力大约低于瓶内压力的十倍，以防止等离子体在瓶外点燃。
因此用于实施这些方法的设备包括：一个真空室，待处理的瓶子放于其中，用于抽空真气室的装置和用于抽空瓶子内部的装置(通常降至两个不同的压力)，用于点燃并保持等离子区的装置(如射频或高频发生器或微波发生器)以及用于向瓶内供给处理气体的装置。
本发明的目的是提供一种利用等离子增强法、如氧化硅涂层的等离子增强化学蒸汽淀积法来处理塑料瓶内表面的方法及设备。利用本发明的方法和设备就可以经济可行地生产高质量的产品并且本发明的设备易于提高生产率。
根据本发明的一个方面，提供了利用等离子增强法处理瓶子内表面的方法，该瓶子具有一个基本为圆筒形的主体、位于主体的一个端面上的底部和位于主体的另一个端面上且带有一个较小开口的肩颈部，这种等离子增强法包括以下步骤，同时抽空瓶子内部和瓶子外部的空间、在瓶子内点燃并保持等离子区并且使处理气体流过瓶子预定的处理时间，在经过预定处理时间后同时使瓶子的内部和外部排气，其特征在于为进行各操作步骤，瓶子被大致同轴地置于一个基本为圆筒形的微波密封室中以便点燃并保持瓶子部的等离子区，微波从瓶子底部所面向的微波密封室的一个端面与微波密封室耦合，从而使微波密封室受激发而处于横向磁场谐振模式。
根据本发明的另一方面，提供了利用等离子增强法处理瓶子内表面的设备，这种设备包括一个被抽真空的真空室、将真空室内的瓶子开口与一个真空泵相连的真空管线、用于点燃并保持瓶内等离子区的微波装置以及将瓶子内部与处理气体源相连的供气管线，其特征在于这种设备还包括一个瓶子可以基本同轴地放于其中的基本为圆筒形的微波密封室，并且它还包括微波发生器、和用于从瓶子的底部所面向的一端使所述微波发生器产生的微波与微波密封室耦合的微波导向装置，从而微波发生器、微波耦合装置和微波密封室的结构设计和调谐可按横向磁场模式激励微波密封室。
本发明的设备包括一个真空室和一个基本为圆筒形的微波密封室，由微波发生器产生的微波借助于适当的耦合装置通过其中的一个面与微波密封室耦合，其中微波密封室和真空室的功能可部分或全部由同一设备部件取代。它还包括排气装置和供气装置。微波密封室的形状尽可能地与瓶子的至少主体部分的形状接近。微波密封室、耦合装置和微波发生器的结构设计和调谐使得微波密封室以横向磁场谐振方式即由横向磁场波激励，其中磁场不具有轴向分量。此外，可通过固定磁体产生一个永久磁场，它使得在待处理的瓶内可达到电子回旋加速谐振条件。
本发明的设备既非常紧凑又非常简便。为提高生产率，可将多个单瓶设备排成一行或者一个阵列并将所有单瓶设备与一个能量、真空和气体供给管线网络相连。每个单瓶设备可具有其自身的真空室，或者多个微波密封室可位于一个共用的真空室中。
本发明的设备的示例性实施方案参照以下各图进行描述。其中
图1和图2示出了工作或封闭状态(图1)和打开状态(图2)时的用于一次处理一个瓶子的本发明设备的示例性实施方案的工作原理；
图3示出了集成于一个拉伸吹塑设备中的本发明设备的另一个实施方案，在该设备中瓶子被拉伸吹塑而成并且随后立即用等离子增强法进行处理；
图4示出了集成于一个装填设备中的本发明的设备的另一个实施方案，在该设备中，瓶子用等离子增强法进行处理后立即装填；
图5和图6示出了用等离子增强法同时处理多个瓶子的本发明的设备的概略示例性实施方案；
图7示出图5中的本发明设备的实施方案的三维图；
图8概略示出了用于对本发明的单瓶设备阵列中的多个瓶子成批进行等离子处理的另一个示例性设备。
图1和图2示出了用于一次处理一个瓶子1的本发明的设备的一个示例性实施方案。本设备包括一个真空室2和圆筒状微波密封室3或位于真空室中的部分微波密封室，待处理的瓶子1可放于其中。它还包括用于激励微波密封室的一个微波发生器4和适当的耦合装置(10/11)以及一个供气管5，供气管5穿过瓶口进入瓶内，其由多孔或带孔材料构成。图1示出了处于工作或封闭状态下的设备，其中微波密封室和真空室已被封闭。图2示出了打开状态下的设备，打开状态用于将另一个待处理的瓶子换下已处理过的瓶子。
微波密封室3由一种微波不能透过但可在其内部与外部之间达到压力平衡的材料构成(如由带孔金属薄板构成)并位于真空室2内，或者它既不可以透过微波又是真空密封，即它同时取代了真空室的功能。在图1和图2的实施方案中，微波密封室3包括一个尽可能与瓶1的圆筒状主体部分形状接近的带孔圆筒部分3.1。圆筒部分3.1的一侧由颈板3.2封住，颈板3.2构成真空室2的室壁的一部分，并且还包括用于固定住待处理瓶子1之颈部的装置和用于将瓶内与瓶外密封隔绝的装置，并且颈板3.2上装有供气管5。颈板还包括用于使供气管与处理气体G源相连的装置，用于使瓶口与真空V.1源相连的装置以及用于使真空室与真空V.2源相连的装置。
在与颈板3.2相对且面向着待处理瓶子底部的端面3.3处，由微波发生器14产生的微波耦合于微波封闭室中，例如借助于空心波导11穿过可通过微波的窗口10来实现耦合，该窗口10同时构成真空室壁。窗口10由如石英玻璃或塑料制成。
也可以使用可透过微波的真空室(由石英或塑料制成)并将其全部或部分置于微波密封室内。
微波发生器4、微波密封室3和微波耦合装置的结构设计和调谐可达到横向磁场谐振模式，优选TMoln模式，其中n在1到4之间。在出版物US-5311103和US-4777336中描述了显示这种谐振模式的设备。
为在待处理的瓶1内产生一个固定磁场，供气管5上可带有多个位于其内部或外部的固定磁体。供气管还可包括用于冷却供气管和磁体并使它们以较小变化范围保持于恒定温度下的冷却装置。
供气管还可设计成一种简单的带孔管，或者简化为一个可放于待处理瓶子的颈部中的供气喷嘴。
为将待处理的瓶子1定位于微波密封室3内(请参看图2)、将颈板3.2从微波密封室3的圆筒部分3.1上拆下，将用于固定瓶颈的装置打开。然后将瓶子1置于供气管5或供气喷嘴的上方，并用颈部固定装置将其固定住。然后将颈板3.2向圆筒部分3.1移动直到它同时与真空室的其余室壁部分以及微波密封室的圆筒部分3.1形成紧密的密封，从而将瓶子放于真空室2和微波密封室3中。
图3示出了用于一次涂敷一个瓶子1的本发明的设备的另一个示例性实施方案。这种设备完全集成于一种用于拉伸吹塑瓶子1的设备中，真空室和微波密封室的作用由吹塑模20的空腔所代替。为了完成新的功能，吹塑模包括一个微波窗口10和至少一个通道21，微波窗口10由如石英玻璃制成，由微波发生器4产生的微波通过波导11与窗口10耦合，而通过通道21，可将吹塑模腔抽空(V.2)。
拉伸吹塑设备的拉伸杆22可由线性电动机23移至不同位置。拉伸杆空心，且由多孔或带孔材料制成，用作等离子增强过程中的供气管5。因此它包括一个与处理气体源G相连的接头，
图3的设备按如下方式进行操作：
——将预热过的瓶子料坯30(用虚线表示)置于塑模20的空腔中。拉伸杆/供气管22/5处于初始位置，其末端顶靠在料坯的底部上。塑模的真空接头关闭。
——向料坯内部施加压力P，并向前推动拉伸杆/供气管22/5直到它到达或将近到达与瓶口相对的塑模底部，从而将料坯拉伸至待要制造的瓶子的轴向长度左右。
——然后增大压力P以便吹动料坯壁并将其压在塑模20的内侧上。
——随后将拉伸杆/供气管22/5置于供气位置(其末端离开瓶底一段距离)，同时抽空瓶内和塑模空腔，从而使瓶内所降至的压力适于点燃等离子区，并使瓶外所降至的压力优选地高于或低于点燃或保持等离子区所需的压力、但适于防止瓶子塌缩。
——启动微波发生器，将处理气体送至拉伸杆/供气管22/5，并同时通过瓶口(V.1)排出处理气体，从而保持适当的处理压力。
——在经过预定处理时间后，停止微波发生器，并停止送进处理气体，使瓶子1和塑模空腔排气。
——打开塑模并将拉伸吹塑而成并经处理过的瓶子从塑模中取出。
图4示出了用于一次处理一个瓶子1的本发明的设备的另一个示例性实施方案。这种设备基本与图1和图2的设备接近。此处微波密封室3的作用由真空室2所代替。这种设备还包括用于将供气管5移于瓶子1外部的位置(以虚线(5)表示)的装置(未示出)和一个位于颈板3.2中的接头，接头与待要装入经处理瓶子中的液体C的来源相连。
图4的设备按如下方式进行操作：
——将瓶子1置于微波密封室/真空室中。将供气管5置于瓶内的供气位置(其末端离开瓶底一段距离)。
——同时抽空瓶子1内部和真空室2，从而使瓶内所降至的压力适于点燃等离子区，并使瓶外所降至的压力优选地高于或低于点燃或保持等离子区所需的压力、但适于防止瓶子塌缩。
——启动微波发生器并将处理气体送至供气管5，同时通过瓶口(V.1)排出处理气体，从而保持适当的处理压力。
——在经过预定处理时间后，停止微波发生器和送入的处理气体。
——如果需要，用清洗气体清洗瓶子，同时保持所降的压力。
——打开与液体C源相连的接头，从而使瓶子充满因真空而吸入瓶内的液体。
——将已处理过且已装好的瓶子密封并将其从微波密封室/真空室中取出。
图4所示设备的优点不仅在于利用真空来装满瓶子，而且还在于在进行等离子处理后立即装满瓶子，等离子处理使得瓶子内表面不仅已经涂上涂层，而且还已消过毒。因此，利用图4的设备就不再需要用于将已处理过的瓶子无菌运至装填装置所需的消毒设备或装置。
也可以将图3所示设备的特征与图4所示设备的特征组合在一起，从而得到一种组合于同一设备中的拉伸吹塑/等离子处理/装填设备。
图5和图6示出了用于一次处理多个瓶子的非常概略的示例性系统。这种系统的基本思想是提供多个基本与图1和图2所示设备或图4所示设备相对应的多个装置50、51、52、……，这些装置可以位于一个共用的真空室内(图5)，或者可以分别包括一个独立的真空室(图6)。
每个装置50、51、52……与用于抽空瓶子的真空管线55网络相连，与处理气体所用的供气管线56网络相连，并且如果可适用的话，与用于抽空各独立真空室的真空管线57网络相连，并与待要装入瓶内的液体的供给管线相连。
图5和6的系统中的装置排成一行或一个阵列，并且有利地利用一个共用的驱动装置来打开和关闭。多个装置也可构成一行或一圈，其中各装置连续地或者递进地移动。
图7更详细地示出了图5的系统70，即一个带有在共用真空室71中排成一行的十二个(图1和图2所示)装置50至61的系统。
待处理的瓶子通过输送传送带72和分支传送带73送往系统中，并排成与装置所在行相平行的一行74。这行可以置于真空锁定中。为将瓶子行74中的瓶子置于装置50至61中，真空室被打开并用一行夹持器75夹紧瓶子。将瓶子翻转并移至位于共用颈板76下面的供气管5的上方。然后将供气管5升高并将真空室关闭。随后对瓶子进行处理，并且在经过处理之后，打开真空室、降低供气管，将瓶子翻转至拆卸传送带77上，从而将瓶子取下。
图8示出了用于对本发明的单瓶设备阵列中的多个瓶子成批进行等离子处理的另一个示例性设备。单瓶设备阵列包括多个微波密封室3，如上所述每个微波密封室各装有一个微波发生器4和适当的耦合装置10/11，如参照图5所示，微波密封室位于一个共用的带有一个真空泵的真空室2中，从而使得微波密封室3和真空室2利用颈板82封闭住。阵列还包括一个结构80和一个供气装置5阵列，结构80包括一个与真空泵V.1相连的压力通风系统81，其具有多个开口，这些开口与各微波密封室3的轴线对齐，并且其可以紧密地与瓶口或颈板82中的对应开口相连，而供气装置5也与微波密封室的轴线对齐并可与处理气体G源相连。
图8从左到右示出了对瓶子1进行分批等离子处理的三个阶段。首先(图的左侧)，一批瓶子被置于颈板82上，它们的轴线与各开口对准并且瓶颈用适当的固定装置固定住。然后(图的中间)，带有瓶子1的颈板82被置于微波密封室阵列与结构80之间。然后(图的右侧)，颈板82升高以将瓶子1置于微波密封室3中并将密封室3和真空室2封闭住。结构80也被升高以便将供气管5置于瓶子1中并使压力通风系统81的开口与瓶口或颈板82的开口相连。
可以不使用只包括有微波密封室并且在每次更换瓶子时需要排气的真空室2，而可以使用更大的真空室，使它还包含着结构80，通过真空锁将带有瓶子的颈板移进和移出真空室，即将带有瓶子的颈板置入与带有一个真空密封入口门的真空室相连的前置室中，抽空前置室，打开入口门并将颈板置于真空室中。为在进行处理后取出瓶子，真空室还包括一个出口门和一个真空后置室，将真空后置室打开以取出带有处理过的瓶子的颈板。这种结构方案的优点在于在各批更换时不需要使真空室排气，因而可以缩短周期。
在所有上述实例中，等离子处理过程都是一个利用一种处理气体或处理气体混合物进行的单步骤过程。然而同样也可进行包括多个步骤的等离子处理。这种过程所需要做出的唯一的设备调整就是用于将处理气体输送装置的接头从第一处理气体源相应转换至另一种处理气体源的装置。
上文中已经提到，用于处理瓶子内表面的等离子方法的一个实例就是用SiOx涂层涂在内表面上以便改善瓶子的阻气性。使用以下处理参数在上述设备中对市场上可买到的500ml PET瓶子上进行这种淀积过程可得到如下结果：
——瓶内处理压力            0.2毫巴
——瓶外处理压力            0.01毫巴
——六甲基二硅醚流          2sccm
——氧气流                  16sccm
——所用微波功率            150瓦
——处理时间                12秒
——经过处理的瓶子与未处理过的瓶子的氧气透过能力比较(透过能力用标准MOCON设备测得)：
未涂敷的瓶子0.050 0.0025立方厘米O2/瓶/天/0.21大气压
涂敷过的瓶子0.006 0.0025立方厘米O2/瓶/天/0.21大气压
结果显示在氧气透过能力方面提高到八倍。
所有在如所附权利要求所述的本发明的思想和范围之内的改动、改型和变化都包括在本发明中。

Claims (15)

1.利用等离子增强法处理瓶子(1)内表面的方法，该瓶子(1)具有一个基本为圆筒形的主体、位于主体的一个端面上的底部和位于主体的另一个端面上且带有一个较小开口的肩颈部，这种等离子增强法包括以下步骤，同时抽空瓶子(1)内部和瓶子外部的空间、在瓶子内点燃并保持等离子区并且使处理气体(G)流过瓶子预定的处理时间，在经过预定处理时间后同时使瓶子的内部和外部排气，其特征在于为进行各操作步骤，瓶子(1)被大致同轴地置于一个基本为圆筒形的微波密封室(3)中以便点燃并保持瓶子(1)内部的等离子区，微波从瓶子(1)底部所面向的微波密封室的一个端面与微波密封室(3)耦合，从而使微波密封室受激发而处于横向磁场谐振模式。
2.权利要求1的方法，其特征在于谐振的横向磁场谐振模式为TMoln模式，其中n为1、2、3、4中的一个。
3.权利要求1或2的方法，其特征在于瓶子(1)借助于拉伸杆(22)在吹塑模(20)中拉伸吹塑而成，并且瓶子在拉伸吹塑而成后立即用等离子增强法进行处理，其中吹塑模(20)被抽空而微波通过吹塑模(20)端面中的微波窗口(10)耦合到吹塑模(20)中，并且处理气体(G)通过用作供气管(5)的拉伸杆(22)送入瓶中。
4.权利要求3的方法，其特征在于用作供气管(5)的拉伸杆(22)被置于供气位置以便进行等离子增强处理，在供气位置中，其末端与瓶子(1)的底部离开一段距离。
5.权利要求1或2的方法，其特征在于在用等离子增强法进行处理之后立即将瓶子(1)装满，其中液体(C)被吸入瓶中。
6.权利要求1或2的方法，其特征在于，等离子增强法是包括一种等离子增强处理的单步骤方法，或者是一种包括连续实施多个不同等离子增强处理的多步骤方法，其中所述不同的等离子增强处理中的任何一个均包括在塑料瓶的内表面涂上一层SiOx以便改善瓶子的阻气性。
7.利用等离子增强法处理瓶子内表面的设备，这种设备包括一个被抽真空的真空室(2)、将真空室(2)内的瓶子的开口与一个真空泵相连的真空管线、用于点燃并保持瓶内等离子区的微波装置以及将瓶子内部与处理气体源相连的供气管线，其特征在于这种设备还包括一个瓶子可以基本同轴地放于其中的基本为圆筒形的微波密封室(3)，并且它还包括微波发生器(4)、和用于从瓶子的底部所面向的一端使所述微波发生器(4)产生的微波与微波密封室(3)耦合的微波导向装置，从而微波发生器(4)、微波耦合装置和微波密封室(3)的结构设计和调谐可按横向磁场模式激励微波密封室。
8.权利要求7的设备，其特征在于用于将处理气体送入瓶子(1)内的装置为一根可置于瓶子(1)内的供气管或一个可置于瓶口中的供气喷嘴。
9.权利要求7或8的设备，其特征在于用于使微波与微波密封室(3)耦合的装置包括一个微波窗口(10)。
10.权利要求9的设备，其特征在于微波密封室(3)由真空室(2)内的圆筒部分(3.1)和颈板(3.2)及相对板(3.3)构成，两块板(3.2和3.3)为真空室(2)的一部分，并且相对板(3.3)包括一个可透过微波的微波窗口(10)。
11.权利要求7或8的设备，其特征在于微波密封室(3)和真空室(2)为拉伸吹塑设备的吹塑模(20)的空腔，吹塑模(20)还包括至少一个可与真空源相连的通道(21)和一个可在底部区域透过微波的微波窗口(10)，并且拉伸吹塑设备的拉伸杆(22)为空心带孔供气管，其与处理气体(G)源相连。
12.权利要求7或8的设备，其特征在于供气管(5)可从瓶子(1)中取出并且瓶口可与待要装入瓶子(1)内的液体(C)的来源相连。
13.权利要求7或8的设备，其特征在于它被置于一行或一个阵列的相似装置(50至61)中，这些装置与相同的真空管线(55、57)和供气管线(56)相连。
14.权利要求13的设备，其特征在于阵列或行包括一个共用真空室(71)，其中安放着多个装置。
15.权利要求13的设备，其特征在于阵列或行包括一个真空压力通风系统(81)，它延伸穿过阵列或行的整个区域并与一个真空泵相连，所有待处理的瓶子的颈部可与真空压力通风系统(81)相连。
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