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DE10010831A1 - Niederdruck-Mikrowellenplasmabehandlung von Kunststoffflaschen - Google Patents

Niederdruck-Mikrowellenplasmabehandlung von Kunststoffflaschen

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DE10010831A1
DE10010831A1 DE2000110831 DE10010831A DE10010831A1 DE 10010831 A1 DE10010831 A1 DE 10010831A1 DE 2000110831 DE2000110831 DE 2000110831 DE 10010831 A DE10010831 A DE 10010831A DE 10010831 A1 DE10010831 A1 DE 10010831A1
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Germany
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plasma
plasma treatment
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low
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DE2000110831
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Pierre Flecher
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Abstract

Niederdruck-Mikrowellenplasmabehandlung von Kunststoffflaschen in 3 Varianten DOLLAR A Variante 1: Gleichzeitige Außen- und Innenbehandlung, DOLLAR A dadurch gekennzeichnet, dass die Flaschen in einem direkt gespeisten Multimoderesonator behandelt werden, dessen Druck um mindestens eine Größenordnung periodisch gepulst wird. DOLLAR A Variante 2: nur Innenbehandlung mit zwei Vakuumsystemen, DOLLAR A dadurch gekennzeichnet, dass die Flaschen in einem direkt gespeisten Multimoderesonator behandelt werden, dessen Druck außerhalb des Paschenbereiches liegt und der Innenbereich der Flaschen mit einem separaten Vakuum- bzw. Gaseinlaßsystem dicht verbunden ist. Das Plasma brennt daher nur in den Flaschen. DOLLAR A Variante 3: nur Innenbehandlung mit einem Vakuumsystem, DOLLAR A dadurch gekennzeichnet, das die Flaschen in den oben beschriebenen Multimoderesonator mit Arbeitsgas zunächst gefüllt werden, dann abgedichtet und schließlich mit Mikrowellen beaufschlagt werden, in einer Weise, dass nur im Innern ein Plasma brennt.

Description

Zwecks Oberflächenmodifizierung wie Aktivierung, Fluorierung, Passivierung Desin fektion oder Abscheidung von Sperrschichten, werden Kunstoffflaschen vorteilhaft mit einem Niederdruck-Mikrowellenplasma behandelt. In vielen Fällen ist eine Innenbe­ handlung wirkungsvoller als eine äußere, stellt aber größere technische Probleme, ins­ besondere bei, einer Beschichtung aus der Gasphase. Die bisher bekannten techni­ sche Lösungen sind umständlich und damit kostspielig.
Es werden hier verschiedene Varianten die das Problem einfach lösen beschrieben.
1) Variante 1 - gleichzeitige Außen- und Innenbehandlung
Stört eine Außenbehandlung bzw Beschichtung nicht, vereinfacht sich das Verfahren erheblich: in einer metallischen Vakuumkammer (Abb. 1 und 2) die vorteilhaft als Multimoderesonator, analog zum Garraum eines Mikrowellenherdes, ausgebildet ist, wird die Mikrowellenleistung mittels unseres bereits beschriebenen "Plasmakopf" (OS. DE 197 15 583 A1 bzw. DE 198 22 355 A1) auf einfachste Weise eingespeißt. Vor teilhaft ist eine Plasmadichteerhöhung mittels des dort beschriebenen Magnetkranzes. Eine oder auch eine Vielzahl von nicht verschlossenen Flaschen befinden sich in die­ sem Raum.
Nach Evakuierung der störende Luft wird das oder die gewünschten Gase eingelas­ sen, üblicher Arbeitsdruck 10 Pa. Aufgrund der besondere Eigenschaften der o. g. Einspeisung, die einem Druckbereich von 100 Pa bis, je nach Ausführung, 0,01 Pa für das Plasma zulässt, ist es möglich z. B. bei laufender Pumpe, durch periodisches Ein- und Auschalten der Gaszufuhr den Druck in der Kammer um eine oder mehrere Größenordungen zu varieren. Der Druck in den offenen Flaschen folgt der Kammerdruck und damit werden in das Innere der Flaschen die aktive Spezien befördet. Wie gut dieses Verfahren funktionniert, haben wir bereits bei der Sterilisieruntg von meterlangen nur 1 mm starken Kanülen bewiesen. (cf. og. OS)
2) Nur Innenbehandlung Variante 2-1 (Abb. 3 und 4)
Da die Kunstoffflaschen, im Gegensatz zu Glasflaschen in der Regel nicht Druckfest sind, können sie nicht als Atmosphäre-Vakuumbehälter verwendet werden und kön­ nen nur einem differentiellen Druck aushalten.
Die Kammer ist wie in Fall 1) gebildet. Um zu verhindern dass das Plasma um die Flasche brennt, muß der Druck in der Kammer außerhalb des Paschenbereiches lie­ gen. D. h. bei höheren oder niedrigeren Drücken. Da höhere Drücke nicht zulässsig sind, muß ein Hochvakuum herschen. In Normalfall reicht P < 0.01 Pa
Die Flasche ist mit einem separaten Vakuumsystem verbunden und mit dem Arbeitsgas versorgt. Da der Kunstoff für die Mikrowellen transparent ist, brennt das Plasma in der Flasche selbst.
Eine Überhitzung der Flasche durch dielektrische Verluste ist in der Regel auch bei Leistungen im Kilowattbereich nicht zu fürchten, da die Eindringtiefe des Mikro­ wellenfeldes weit größer ist als die Wandstärke der Flaschen und die Behandlungs­ zeit normalerweise dazu zu kurz ist.
Da das Plasma nicht unmittelbar in der Nähe des Plasmakopfes brennt, macht die oben erwähnte Magnetanordnung keinen Sinn. Sollte man dennoch nicht auf eine magnetische Unterstüzung des Plasma verzichten wollen, bietet sich eine andere Kombination der Magnete wie in Abb. 3 gezeichnet an. Auf den Feldlinien parallel zur Längsachse der Flaschen bewegen sich die Elektronen in der Flasche selbst auf Spiralbahnen und vergrössern damit die Plasmadichte.
Variante 2-2 (Abb. 5-1 bis 5-6)
Die Führung von 2 Vakuumsystemen, vor allem wenn man an einer In-Line mehrkam­ mer Produktionsline denk, ist ziemlich umständlich. Abhilfe kann geschaffen werden durch das hier beispielhaft an einem Einkammersystem beschriebene Verfahren:
  • - erster Schritt: die offenen Flaschen werden in einer Kammer nach Verfahren 1) mit der Kammer gemeinsamt auf Hochvakuum evakuiert.
  • - zweiter Schritt: in der Kammer bzw den Flaschen wird das Arbeitsgas mit dem nöti­ gen Druck eingelassen, z. B. 100 Pa. Auf dieser Weise kann ganz gezielt die erforderliche Reaktionsmenge des Arbeitsgases dosiert werden.
  • - dritter Schritt: eine Schliesßvorrichtung dichtet die gefüllten Flaschen ab.
  • - vierter Schritt: die Kammer wird auf Hochvakuum bzw. ausserhalb des Paschenberei­ ches evakuiert. Der geringe Überdruck in den Flaschen schadet diesen nicht.
Nach Evakuierung der störende Luft wird das oder die gewünschten Gase eingelas­ sen, üblicher Arbeitsdruck 10 Pa. Aufgrund der besondere Eigenschaften der o. g. Einspeisung, die einem Druckbereich von 100 Pa bis, je nach Ausführung, 0,01 Pa für das Plasma zulässt, ist es möglich z. B. bei laufender Pumpe, durch periodisches Ein- und Auschalten der Gaszufuhr den Druck in der Kammer um eine oder mehrere Größenordungen zu varieren. Der Druck in den offenen Flaschen folgt der Kammerdruck und damit werden in das Innere der Flaschen die aktive Spezien befördet. Wie gut dieses Verfahren funktionniert, haben wir bereits bei der Sterilisieruntg von meterlangen nur 1 mm starken Kanülen bewiesen. (cf. og. OS)
2) Nur Innenbehandlung Variante 2-1 (Abb. 3 und 4)
Da die Kunstoffflaschen, im Gegensatz zu Glasflaschen in der Regel nicht Druckfest sind, können sie nicht als Atmosphäre-Vakuumbehälter verwendet werden und kön­ nen nur einem differentiellen Druck aushalten.
Die Kammer ist wie in Fall 1) gebildet. Um zu verhindern dass das Plasma um die Flasche brennt, muß der Druck in der Kammer außerhalb des Paschenbereiches lie­ gen. D. h. bei höheren oder niedrigeren Drücken. Da höhere Drücke nicht zulässsig sind, muß ein Hochvakuum herschen. In Normalfall reicht P < 0.01 Pa
Die Flasche ist mit einem separaten Vakuumsystem verbunden und mit dem Arbeitsgas versorgt. Da der Kunstoff für die Mikrowellen transparent ist, brennt das Plasma in der Flasche selbst.
Eine Überhitzung der Flasche durch dielektrische Verluste ist in der Regel auch bei Leistungen im Kilowattbereich nicht zu fürchten, da die Eindringtiefe des Mikro­ wellenfeldes weit größer ist als die Wandstärke der Flaschen und die Behandlungs­ zeit normalerweise dazu zu kurz ist.
Da das Plasma nicht unmittelbar in der Nähe des Plasmakopfes brennt, macht die oben erwähnte Magnetanordnung keinen Sinn. Sollte man dennoch nicht auf eine magnetische Unterstüzung des Plasma verzichten wollen, bietet sich eine andere Kombination der Magnete wie in Abb. 3 gezeichnet an. Auf den Feldlinien parallel zur Längsachse der Flaschen bewegen sich die Elektronen in der Flasche selbst auf Spiralbahnen und vergrössern damit die Plasmadichte.
Variante 2-2 (Abb. 5-1 bis 5-6)
Die Führung von 2 Vakuumsystemen, vor allem wenn man an einer In-Line mehrkam­ mer Produktionsline denk, ist ziemlich umständlich. Abhilfe kann geschaffen werden durch das hier beispielhaft an einem Einkammersystem beschriebene Verfahren:
  • - erster Schritt: die offenen Flaschen werden in einer Kammer nach Verfahren 1) mit der Kammer gemeinsamt auf Hochvakuum evakuiert.
  • - zweiter Schritt: in der Kammer bzw den Flaschen wird das Arbeitsgas mit dem nöti­ gen Druck eingelassen, z. B. 100 Pa. Auf dieser Weise kann ganz gezielt die erforderliche Reaktionsmenge des Arbeitsgases dosiert werden.
  • - dritter Schritt: eine Schliesßvorrichtung dichtet die gefüllten Flaschen ab.
  • - vierter Schritt: die Kammer wird auf Hochvakuum bzw. ausserhalb des Paschenberei­ ches evakuiert. Der geringe Überdruck in den Flaschen schadet diesen nicht.
  • - fünfter Schritt: die Mikrowelle wird eingeschaltet und zündet das Plasma nur in den Flaschen und nicht im Resonator.
  • - sechster Schritt: die Mikrowelle wird ausgeschaltet, die Flaschen geöffnet und die Kammer belüftet. Ende des Prozeßes.

Claims (3)

1. Niederdruck-Mikrowellenplasmabehandlung von Kunststoffflaschen in 3 Varianten:
Variante 1: Gleichzeitige Außen- und Innenbehandlung, dadurch gekennzeichnet, dass die offenen Flaschen in einem evakuierbaren und mit Arbeitsgas füllbarem Multi­ moderesonator gebracht werden, der unmittelbar mit einem "Plasmakopf" mit Mi­ krowellenleistung gespeist wird.
Niederdruck-Mikrowellenplasmabehandlung von Kunststoffflaschen nach Patentan­ spruch Variante 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Plasmadruck periodisch um etwa eine Größenordnung gepulst wird, um die aktive Spezie in das Innen der Flaschen zu befördern.
Niederdruck-Mikrowellenplasmabehandlung von Kunststoffflaschen nach Patentan­ spruch Variante 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwecks der Plasmadichteerhöhung ein Magnetsystem nach OS. DE 197 09 642 A1 verwendet wird.
2. Variante 2 nur Innenbehandlung, Zweivakuumsystem; Niederdruck-Mikrowellenplasmabehandlung von Kunststoffflaschen nach Patentan­ spruch Variante 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Flaschen in einem evakuierbaren mit Plasmakopf gespeisten Multimodereso nator gebracht werden, der außerhalb des Paschenbereiches betrieben wird und deren Öffnung mit einem separaten Vakuum- bzw. Gaseinlaß-system verbunden ist.
Niederdruck-Mikrowelleplasmabehandlung von Kunststoffflaschen nach Patentan­ spruch Variante 1 dadurch gekennzeichnet, dass ein Permanentmagnetfeld parallel zur Achse das Plasma in der Flasche verstärkt
3. Variante 3 nur Innenbeschichtung ein Vakuumsysteme Niederdruck-Mikrowellenplasmabehandlung von Kunststoffflaschen nach Patentan­ spruch Variante 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Flaschen in einem evakuierbaren mit Plasmakopf gespeisten Multimodereso nator gebracht werden, der ausserhalb des Paschenbereiches betrieben wird und deren Öffnung in situ mit einem Schliesssystem abgedichtet werden kann.
Niederdruck-Mikrowellenplasmabehandlung von Kunststoffflaschen nach Patentan­ spruch Variante 2 dadurch gekennzeichnet, dass die mit Arbeitsgas gefüllten und abgedichteten Flaschen in dem evakuierbaren mit Plasmakopf gespeisten Multimoderesonator, der außerhalb des Paschenbereiches betrieben wird mit Mikrowellen beaufschlagt werden, und somit das Plasma in den Fla­ schen zündet.
Niederdruck-Mikrowelleplasmabehandlung von Kunststoffflaschen nach Patentan­ spruch Variante 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Magnetsystem nach Variante 2 verwendet wird.
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