專利名稱：制備不透氣層的設(shè)備和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及根據(jù)權(quán)利要求1和8前序部分制備透明不透氣涂層的設(shè)備和方法。
通常，合成容器不是完全不漏氣的，這對盛放含氣飲料(如含碳酸的檸檬水或啤酒)的容器有副作用，其中的碳酸通過擴(kuò)散逐漸從容器中溢出，因為容器中二氧化碳濃度比容器外高。例如，若PET瓶(PET是指聚對苯二甲酸乙二醇酯)僅用二氧化碳填充，擴(kuò)散過程將會在瓶內(nèi)和瓶外混合氣體的濃度達(dá)到相同時停止。因為不僅僅二氧化碳從瓶中溢出，而且氧氣和氮氣也會擴(kuò)散到瓶子中，經(jīng)過足夠長的時間，瓶子將會被充滿與環(huán)境空氣中成分相同的氣體混合物。若瓶子填充有過量的CO2氣體，擴(kuò)散過程結(jié)束時瓶內(nèi)的CO2將變得稀薄，并且外部的氣壓將會壓迫瓶子。為了防止碳酸或水蒸氣從瓶中溢出以及防止氧氣進(jìn)入瓶中，合成瓶子具有氣體阻擋層。
但是，這些氣體阻擋層通常因被覆蓋的容器膨脹或收縮而產(chǎn)生裂紋。
已知合成瓶體的層系統(tǒng)包括直接涂覆在合成瓶體上的丙烯酸脂層。在該丙烯酸酯層上涂覆不透氣材料層，再輪流在該不透氣材料層上涂覆丙烯酸脂層(US 6 231 939)。使用不透氣材料嵌入其中的兩層丙烯酸脂層，所有涂層需要具有一定的彈性。作為不透氣金屬使用二氧化硅、氧化鋁或金屬。
但是這些方法的不足在于不透氣層相對較厚，若其中含有金屬，則不透明或相對無彈性。
本發(fā)明解決的問題是使用濺射設(shè)備將透明的不透氣性涂層涂覆到合成材料基材上，并用相同的濺射設(shè)備制備反射阻擋層。
該問題可用本發(fā)明權(quán)利要求1和8的特征部分得到解決。
因此本發(fā)明涉及制備不透氣層制品的設(shè)備和方法，特別涉及制備不透氣性合成基材涂層的設(shè)備和方法。利用該設(shè)備或該方法僅使用一套濺射裝置便可制得不透光和不透氣的氣體阻擋層。在該方法中發(fā)生從一種供氣(例如氬氣)到另一種供氣(例如氬氣、氧氣和氮氣)的簡單轉(zhuǎn)換，或發(fā)生相反的轉(zhuǎn)變過程。
本發(fā)明的優(yōu)點特別包括通過相同的濺射設(shè)備使用鋁作為濺射材料可制備透明及不透明的阻擋層。另外，使用氧氮化鋁作為阻擋層可反復(fù)使用被涂覆的基材。另外，被涂覆的基材可耐加熱殺菌。為了確保在PET瓶熱灌注過程中以及瓶在壓力下的膨脹過程中不產(chǎn)生裂紋，涂層還可以是彈性的。
本發(fā)明的具體實現(xiàn)方式如圖中所述，并在下文作詳細(xì)描述。在圖中描述如下

圖1 基材上的本發(fā)明的涂層圖2 帶有外涂層的合成瓶子圖3 為涂覆合成瓶子的濺射裝置圖1表示帶有涂層的基材1的斷面。該基材1是例如PET瓶壁的一部分。在該基材1上沉積有0.2～1.5μm厚的聚合物層2(例如聚丙烯酸層)，其上具有1～100nm厚的氧氮化鋁層3。在該AlOxNy層3上還有厚為0.2～1.5μm的聚合物層4，該層也可為丙烯酸酯。
圖2表示合成瓶5，其包括飲料容器6、瓶頸7和封口8。容器6和瓶頸7由例如PET組成，并且是透明的。為了確保該透明的合成瓶1防止氣體擴(kuò)散，涂層9施加在該容器6的全部或部分。該涂層僅表示在圖1中容器6的外部，且該層厚度為層2、3、4厚度的總和。
其目的在于涂層9任選制備成透明或不透明。AlOxNy是透明的，而Al層是不透明的。
圖3表示可選地用氧氮化鋁或鋁作為阻擋層涂覆合成瓶子所用設(shè)備示意圖。真空涂層室30包括在兩個面上的至少一個磁電管陰極31、32。除了陰極，也可將多個陰極一個接一個地設(shè)置在每個面上。這些陰極安裝有鋁靶。在陰極31、32間還可設(shè)置有分隔壁35。在真空涂層室30的入口設(shè)置有聯(lián)鎖室33，其具有設(shè)置在環(huán)面上的多個接收室34、11～14。該聯(lián)鎖室33以如箭頭15表示的順時針方向旋轉(zhuǎn)。在聯(lián)鎖室33的入口16處與大氣壓相通。此處未涂覆的合成瓶17、18、19放置到(未顯示)線性傳輸設(shè)備上，隨后被輸送到環(huán)形傳輸設(shè)備中。從而位于傳輸設(shè)備上的瓶子從大氣中被移入高真空涂層室30中。其中用標(biāo)記20～25表示的、繞著它們的縱向軸(用箭頭28表示)旋轉(zhuǎn)的瓶子，在其所經(jīng)過的磁電陰極32或磁電陰極串聯(lián)組的作用下，再次被輸送到(未顯示)線性傳輸設(shè)備中。通過磁電陰極的鋁靶濺射出金屬粒子，其隨后與氧和氮反應(yīng)。得到的氧氮化鋁沉積到瓶子的外壁上。所有在真空涂層室30中的瓶子繼續(xù)繞它們的縱向軸旋轉(zhuǎn)，特別是至少以瓶子經(jīng)過磁電陰極32前可旋轉(zhuǎn)360°的旋轉(zhuǎn)速度旋轉(zhuǎn)。若瓶子旋轉(zhuǎn)重復(fù)多次可得到更均勻的涂層。在右側(cè)涂覆路徑的末端26處，將旋轉(zhuǎn)的瓶子翻轉(zhuǎn)約180°，利用磁電陰極31涂覆氧氮化鋁。瓶子的新位置用21′～25′表示。
在分隔壁35和磁電陰極31、32間的空間可被認(rèn)為是真空濺射室。其中至少一個濺射室具有三個進(jìn)氣口，通過這些進(jìn)氣口除了可引入氬氣外，還可引入氧氣和氮氣。
圖3中顯示了帶有截止閥40、41、42的三個氣缸37、38、39，其通過進(jìn)氣口43、44、45與濺射空間相連。當(dāng)關(guān)閉氧氣和氮氣的進(jìn)氣口44、45時，純鋁沉積到瓶子上。若其沒被氧化，這些純鋁可象銀那樣反射。若打開所有閥門40～42，則形成AlOxNy并沉積到瓶子上。除了氣缸38、39外，也可僅提供一個盛放空氣的氣缸?？諝庥?0.084％N2和20.946％O2組成。
在瓶子被傳輸?shù)秸婵諡R射室中之前，其上涂覆有丙烯酸酯層。用不透氣層Al或AlOxNy涂覆后，可再涂覆丙烯酸酯層。其中涂覆丙烯酸酯層的設(shè)備沒有顯示。
利用鋁作為濺射材料，使用相同的涂覆設(shè)備可制備裝飾性金屬以及透明的阻擋層，并且不需要轉(zhuǎn)換多次便可實現(xiàn)這一點。該透光的及不透光的層均可通過低廉的DC濺射法來制備。
厚度約4nm的AlOxNy層足以獲得所需的阻擋性能。可在完全亞化學(xué)劑量條件下且不損失所需的透明性和阻擋性制備該厚度的層。此處的x和y優(yōu)選滿足條件0＜x＜0.6或0＜y＜0.5，該條件可通過對濺射參數(shù)的相應(yīng)調(diào)整來滿足。
除了用簡單的DC濺射法外，相同的Al和AlOxNy層也可用更精密的MF/RF濺射技術(shù)來獲得，但該技術(shù)會顯著增加涂覆費用。
為了獲得這些層，在下列實驗室條件下選擇濺射參數(shù)在4×10-3mbar壓力下的16立方厘米的空氣和110立方厘米的氬氣氣流。電壓為500W時，通過繞著其縱向軸旋轉(zhuǎn)，而不是經(jīng)過所述陰極來涂覆合成瓶子。
僅由空氣流在13～19標(biāo)準(zhǔn)立方厘米間變動?？諝獾慕M成保持不變。氬氣流被調(diào)整至80～140標(biāo)準(zhǔn)立方厘米，且涂覆時間在3～7秒之間。濺射層厚度為2～9納米，并發(fā)現(xiàn)至少需要6～7nm厚的層可使BIF值＞5。BIF值(BIF＝阻擋改進(jìn)因子)可被理解為帶涂層基材的透氣性與不帶涂層基材的透氣性的比值。
如圖3所示的設(shè)備每小時可涂覆約20,000個瓶子，涂覆時間被降低至約5.55秒。為此，濺射功率可被提高至630W，從而使產(chǎn)品的涂覆時間和陰極功率保持常數(shù)，因此如第一次估算，結(jié)果可沉積相同厚度的層。因為與實驗室條件相比，設(shè)備是連續(xù)傳輸設(shè)備，可動態(tài)進(jìn)行涂覆，即基材經(jīng)過陰極32、31的同時繞其縱向軸旋轉(zhuǎn)。除了增加其濺射功率外，也可使用更長的陰極，從而可保持實驗室試驗的濺射功率，且瓶子以可確保每5.55內(nèi)秒瓶子從濺射設(shè)備移至聯(lián)鎖室的傳輸速度移動。
濺射陰極31、32和基材21～25及21′～25′間的距離對涂層的生長速度也有影響。若設(shè)備中的該距離與實驗室設(shè)備中的距離不同，功率也必須作相應(yīng)的調(diào)整。距離越大需要的功率越高，在距離較短時可降低功率。
設(shè)備中氬氣與空氣的比率與實驗室設(shè)備中的相似，但準(zhǔn)確的氣流取決于設(shè)備的電導(dǎo)系數(shù)和電容。設(shè)備電導(dǎo)系數(shù)取決于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，而設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)根據(jù)與實驗室設(shè)備的不同需要決定。
以上描述了與涂覆瓶子相關(guān)的涂層。
但是，應(yīng)當(dāng)理解具有相同結(jié)構(gòu)的層和其它網(wǎng)狀材料也可被涂覆。適當(dāng)?shù)膰娊z涂層設(shè)備已知，參考EP申請04 012 165.9。除了裝有O2或N2的兩個氣缸38、39或同時裝有兩種氣體的一個氣缸外，也可直接與環(huán)境氣體相通，并且可完全省略氣缸38、39。在這種情況下，第二個氣體容器是環(huán)境空氣。
權(quán)利要求
1.一種制備不透氣層的設(shè)備，特別是制備不透氣合成材料基材涂層的設(shè)備，其特征在于a)具有至少一個鋁靶(31、32)的真空濺射室(30)；b)至少兩個氣體容器(37、38)，其通過至少一個可被關(guān)閉的氣體進(jìn)入管線(43～45)與真空濺射室(30)連接。
2.如權(quán)利要求1的設(shè)備，其特征在于第一個氣體容器(37)含有氬氣，第二個氣體容器(38或39)含有空氣。
3.如權(quán)利要求1的設(shè)備，其特征在于提供三個氣體容器(37、38、39)，第一個氣體容器(37)含有氬氣，第二個氣體容器(38)含有氧氣，第三個氣體容器(39)含有氮氣。
4.如權(quán)利要求1、2或3任一項的設(shè)備，其特征在于兩個或三個氣體進(jìn)入管線(43～45)全部是開啟的。
5.如權(quán)利要求1，2或3任一項的設(shè)備，其特征在于僅氬氣的進(jìn)入管線(43)是開啟的。
6.如權(quán)利要求4和5的設(shè)備，其特征在于安裝有轉(zhuǎn)換設(shè)備(40～42)，通過該設(shè)備可在供應(yīng)氬氣與供應(yīng)氬氣、氧氣和氮氣間相互轉(zhuǎn)換。
7.如權(quán)利要求1的設(shè)備，其特征在于合成材料基材是中空體(5)。
8.一種制備不透氣層的方法，其特征在于如下步驟a)在真空室中安裝鋁靶；b)將氬氣引入真空室作為濺射氣體，氧氣和氮氣作為反應(yīng)氣體，c)鋁靶被濺射。
9.一種制備不透氣層的方法，其特征在于如下步驟a)在真空室中安裝鋁靶；b)將氬氣引入真空室作為濺射氣體；c)鋁靶被濺射。
10.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其特征在于空氣被引入真空室作為反應(yīng)氣體。
11.如權(quán)利要求8的方法，其特征在于這樣設(shè)置濺射過程的操作參數(shù)，以得到透明的、不透氣的AlOxNy涂層，其中0＜x＜0.6且0＜y＜0.5。
12.如權(quán)利要求9的方法，其特征在于這樣設(shè)置濺射過程中的操作參數(shù)，以得到不透明的Al涂層。
13.如權(quán)利要求11的方法，其特征在于AlOxNy層厚度為1～100nm。
14.如權(quán)利要求11～13的方法，其特征在于AlOxNy層被嵌入在聚合物層之間。
15.如權(quán)利要求14的方法，其特征在于聚合物層為厚度0.2～1.5μm的丙烯酸酯層。
16.如權(quán)利要求8的方法，其特征在于反應(yīng)氣體包括約65％～90％氮氣和約10％～35％的氧氣。
17.如權(quán)利要求8的方法，其特征在于反應(yīng)氣體含有高于50％的氮氣。
18.如權(quán)利要求14的方法，其特征在于聚合物層包括厚度為0.2～1.5μm的陽離子聚合材料。
19.一種用于具有不透氣壁中空體的氣體阻擋涂層，其特征在于氣體阻擋涂層包括至少一層AlOxNy，其中0＜x＜0.6且0＜y＜0.5。
20.一種用于具有不透氣壁中空體的氣體阻擋涂層，其特征在于氣體阻擋涂層包括至少一層Al。
全文摘要
本發(fā)明涉及制備不透氣層的設(shè)備和方法，特別涉及制備不透氣合成材料基材涂層的設(shè)備和方法。使用所述設(shè)備或所述方法，僅用一種濺射設(shè)備即可制備可透光的以及不可透光的氣體阻擋層。并可進(jìn)行從一種供氣如氬氣到第二種供氣如氬氣、氧氣和氮氣的簡單轉(zhuǎn)換，或進(jìn)行相反的轉(zhuǎn)換過程。
文檔編號C23C14/14GK1730717SQ20041006154
公開日2006年2月8日 申請日期2004年12月24日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月6日
發(fā)明者托馬斯·黑格曼, 伊麗莎白·佐默 申請人:應(yīng)用薄膜有限公司