DE60315871T2

DE60315871T2 - Verfahren und vorrichtung zum beschichten mittels mikrowellen-plasmas auf einer fläche eines behälters aus thermoplastischem material

Info

Publication number: DE60315871T2
Application number: DE60315871T
Authority: DE
Inventors: Jean-Michel Rius; Yann Pernel
Original assignee: Sidel Participations SAS
Current assignee: Sidel Participations SAS
Priority date: 2002-11-28
Filing date: 2003-11-25
Publication date: 2008-05-15
Anticipated expiration: 2023-11-26
Also published as: ATE371359T1; CN100334924C; EP1566081B1; ES2293076T3; FR2847912B1; CN1717961A; CA2507319C; US7678430B2; PT1566081E; US20090229521A1; US20060062931A1; DE60315871D1; JP2006508247A; AU2003294085A1; KR20050085174A; FR2847912A1; CA2507319A1; BR0315692A; EP1566081A1; WO2004052060A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Weiterbildungen auf dem Gebiet des Auftragens einer Beschichtung auf einer Seite eines Behälters aus thermoplastischem Material mit Hilfe eines Niederdruckplasmas durch Erregung eines Vorläufergases durch elektromagnetische UHF-Wellen in einem den Behälter aufnehmenden runden Vakuum-Hohlraum (oder Reaktor).
Insbesondere handelt es darum, innen in Flaschen oder Gefäßen aus thermoplastischem Material wie PET eine Sperrschicht aufzutragen, um die Sperreigenschaften gegenüber inneren oder äußeren Gasen zu verbessern und um gegebenenfalls die Isolierung des in die Flaschen oder Gefäße eingefüllten Produkts nach außen zu verbessern.
Eine Vorrichtung, die das Auftragen einer derartigen Beschichtung mit Hilfe eines Niederdruckplasmas durch Erregung eines Vorläufergases mittels elektromagnetsicher UHF-Wellen erlaubt, ist in dem Dokument FR 2 799 994 beschrieben und dargestellt. Der UHF-Generator ist mit dem Hohlraum durch einen UHF-Wellenleiter, der in einem Fenster der Seitenwand des Hohlraums mündet, mit einem Kopplungsmodus TM 120, der in dem Hohlraum ein axiales mittleres Feld erzeugt, verbunden. Der zu behandelnde Behälter wird zur Vornahme der beabsichtigten Behandlung daher in der Mitte des Hohlraums in einem zum Hohlraum koaxialen Quarz-Gehäuse angeordnet.
Bei Anlagen für den gewerblichen Einsatz befinden sich mehrere Vorrichtungen (typischerweise 20 Stück) gemeinsam auf einer Umlaufanlage, die etwa 10.000 Flaschen/Stunde behandeln kann.
Diese Anlagen liefern hinsichtlich der Qualität der erzielten Behälter ein befriedigendes Ergebnis.
Jedoch sind die Anwender sehr an einem höheren Behandlungstakt interessiert.
Eine Takterhöhung könnte natürlich durch Anbringen einer größeren Anzahl Vorrichtungen auf der Umlaufanlage erreicht werden. Eine derartige Vermehrung der Vorrichtungen ließe sich allerdings nur durch Vergrößern des Umfangs der Umlaufanlage realisieren. Hieraus ergäbe sich eine noch mehr Platz beanspruchende, schwerere und somit auch teurere Maschine, was nicht akzeptabel ist.
Durch den Einsatz einer zweiten, parallel zur ersten arbeitenden Anlage ließe sich zwar der Takt verdoppeln, dies würde aber ebenfalls zu einem größeren Platzbedarf und höheren Kosten führen, was beides nicht akzeptabel ist.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Weiterbildung bestehender Vorrichtungen vorzuschlagen, die hinsichtlich der Fertigung zu einer leistungsfähigeren Anlage führt, dabei jedoch im Hinblick auf den Platzbedarf und die Kosten in einem annehmbaren Rahmen bleibt.
Hierzu schlägt die Erfindung gemäß einem ersten Merkmal ein Verfahren vor, zum Auftragen einer Beschichtung auf einer Seite wenigstens eines Behälters aus thermoplastischem Material mit Hilfe eines Niederdruckplasmas durch Erregung eines Vorläufergases durch elektromagnetische UHF-Wellen in einem den Behälter aufnehmenden runden Vakuum-Hohlraum, wobei sich das Verfahren erfindungsgemäß dadurch auszeichnet, dass die Frequenz der elektromagnetischen UHF-Wellen solchermaßen gewählt wird und der Hohlraum eine solche Größe erhält, dass ein Kopplungsmodus zum Erzeugen mehrerer elektromagnetischer Felder innen in dem Hohlraum gebildet wird, und dass mehrere Behälter in dem Hohlraum jeweils koaxial zu den elektromagnetischen Feldern angeordnet sind, wodurch die gleichzeitige Behandlung mehrerer Behälter in ein und demselben Hohlraum möglich ist. In einer bevorzugten Ausführungsform wird ein Kopplungsmodus TM 120 gebildet, der innen in dem Hohlraum zwei symmetrische Felder erzeugt, die selbst zwei getrennte Energiebereiche haben, wodurch zwei Behälter in dem Hohlraum gleichzeitig behandelt werden können, wobei dieses Verfahren den Vorteil bietet, dass es sich in Verbindung mit Magnetronen mit einer Frequenz von 2,455 GHz in einfacher Weise durchführen lässt, die im Handel für gewöhnlich erhältlich sind.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lässt sich somit der Takt bei der Behandlung von Behältern allein durch einen Umbau derzeit bekannter Mittel und somit unter relativ kostengünstigen Bedingungen verdoppeln.
Gemäß einem zweiten Merkmal schlägt die Erfindung zur Durchführung des vorstehend genannten Verfahrens eine Vorrichtung vor, zum Auftragen einer Beschichtung auf einer Seite eines Behälters aus thermoplastischem Material mit Hilfe eines Niederdruckplasmas durch Erregung eines Vorläufergases durch elektromagnetische UHF-Wellen in einem den Behälter aufnehmenden runden Vakuum-Hohlraum, mit einem UHF-Wellen-Generator und einem UHF-Wellenleiter zum Anschließen des Generators an ein Fenster der Seitenwand des Hohlraums, wobei sich die erfindungsgemäß ausgebildete Vorrichtung dadurch auszeichnet, dass der Generator eine elektromagnetische Welle mit einer Frequenz f = 2,455 GHz aussendet, und der Durchmesser des Hohlraums im Wesentlichen 273 mm beträgt, um einen Kopplungsmodus TM 120 zu bilden, der in dem Hohlraum zwei symmetrische Felder erzeugt, die selbst zwei getrennte Energiebereiche haben, wodurch die gleichzeitige Behandlung von zwei Behältern in dem Hohlraum möglich ist.
Der Generator ist ein Magnetron, dessen Verwendung in anderen Bereichen gebräuchlich ist. Der Durchmesser des Hohlraums ist zu den Strukturen gegenwärtiger Anlagen durchaus kompatibel. Durch einfachen Umbau gegenwärtiger Anlagen ist demzufolge eine Verdopplung des Behandlungstakts der Anlagen möglich, da der Durchmesser des Hohlraums die gleichzeitige Behandlung von zwei Flaschen vom Typ 0,5 Liter oder weniger gestattet, die nebeneinander jeweils in den beiden mittleren Feldern angeordnet sind.
Vorteilhafterweise umschließt insbesondere der Hohlraum zwei Quarz-Gehäuse, die jeweils im Wesentlichen koaxial zu den beiden vorstehend genannten symmetrischen Feldern angeordnet sind, wobei der Hohlraum ein einziges Fenster zum Einschießen von UHF-Wellen aufweist, wobei das Fenster die Symmetrieebene überlappend symmetrisch angeordnet ist, zu deren beiden Seiten die zwei zentralen Felder liegen, und ist ein einziger Deckel zum Verschließen des Hohlraums mit einem einzigen Anschluss an eine Unterdruckquelle versehen, der zur Verbindung mit den beiden Gehäusen geteilt ist, mit zwei an eine einzige Vorläufergas-Quelle angeschlossene Vorläufergas-Injektoren und mit zwei Mitteln zum jeweiligen Halten der beiden Behälter, so dass die Verwendung der erfindungsgemäßen Anordnungen nicht zu einer Verdopplung des erforderlichen Materials führt (wie etwa Sensoren zum Ermitteln des Innen- und Außendrucks im Behälter).
Vorteilhafterweise umfasst die Vorrichtung ferner eine untere und eine obere Platte, deren Position jeweils verstellbar ist und die zum Einwirken auf die jeweiligen Rückführungsfelder geeignet sind, um die Kopplung in Abhängigkeit von den verschiedenen Typen der zu behandelnden Behälter zu verfeinern.
Im Rahmen der speziell in Betracht kommenden, bevorzugten Anwendung ist die Vorrichtung für die innere Beschichtung der Behälter ausgebildet, und sind zu diesem Zweck die Vorläufergas-Injektoren zum Eintauchen innen in die jeweiligen Behälter ausgebildet, wenn diese von den Haltemitteln in den Gehäusen gehalten werden.
Die Erfindung wird durch die nachfolgende detaillierte Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform verdeutlicht, die sich besonders zur Innenbeschichtung von Behältern eignet und nur beispielhaft in nicht einschränkender Weise angeführt ist. Die Beschreibung nimmt Bezug auf die beigefügten Zeichnungen, in denen:
1 eine schematische Darstellung ist, in der die Bedingungen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wiedergegeben sind; und
2 schematisch eine Vorrichtung zeigt, die das erfindungsgemäße Verfahren anwendet.
1 zeigt schematisch einen Hohlraum 1 mit allgemein zylindrischer rotationssymmetrischer Form, der in seiner Seitenwand eine Öffnung 2 aufweist, durch die ein Wellenleiter mündet, der an einen (nicht dargestellten) elektromagnetischen UHF-Wellen-Generator angeschlossen ist.
Der UHF-Generator ist ein Magnetron, das mit einer Frequenz von 2,455 GHz arbeitet.
Um in dem Hohlraum 1 mehrere Behälter 3 gleichzeitig behandeln zu können (die beiden Behälter sind gestrichelt dargestellt), wird der Hohlraum in Verbindung mit der Frequenz der elektromagnetischen UHF-Wellen so bemessen, dass ein Kopplungsmodus erzielt wird, der innen in dem Hohlraum mehrere elektromagnetische Felder erzeugt, wobei jeder Behälter 3 koaxial in einem jeweiligen Feld angeordnet ist.
Für eine praktische Anwendung dieser Vorrichtung wird ein Kopplungsmodus TM 120 gebildet, der zwei symmetrische elektromagnetische Felder erzeugt, die selbst zwei getrennte Energiebereiche haben, nämlich zwei zentrale Felder 4_A und 4_B sowie zwei Rückführungsfelder 5_A , 5_B , die, wie in 1 dargestellt, den inneren Feldern gegenüberliegend am Rand bohnenförmig angeordnet sind. Die beiden zu behandelnden Behälter 3 sind koaxial jeweils in den mittleren Felder 4_A , 4_B angeordnet. Ferner wirken eine untere 17_i und eine obere 17_s Platte (sichtbar in 2) mit verstellbaren Positionen vorteilhafterweise auf die Rückführungsfelder 5_A , 5_B ein, um die Kopplung des Reaktors in Abhängigkeit von den verschiedenen Typen der zu behandelnden Behälter 3 zu verfeinern.
Unter diesen Umständen beträgt die Grenzwellenlänge
wobei R der Radius des Hohlraums ist und U₁₂, den Modus T₁₂₀ kennzeichnend, einen Wert von U₁₂ = 7,0156 hat.
Der Wert der Grenzwellenlänge λ entspricht annähernd der Wellenlänge λ des Generators (geringfügig höher).
Der Radius R des Hohlraums ist:
Der Hohlraum muss demnach einen Durchmesser von im Wesentlichen 273 mm aufweisen.
Der Durchmesser des auf diese Weise ausgebildeten Hohlraums 1 erlaubt die Behandlung von zwei Behältern gleichzeitig, etwa zwei Flaschen mit 50 cl oder weniger. Dank dieses Verfahrens wird die Behandlungskapazität jedes Hohlraums verdoppelt, was den Wünschen der Anwender sehr entgegenkommt, hierbei jedoch ein Hohlraum mit Abmessungen beibehalten wird, die mit den derzeit hergestellten Umlaufanlagen kompatibel sind. Das heißt, die erfindungsgemäßen Anordnungen können verwendet werden, ohne dass die Umlaufanlage insgesamt geändert werden muss.
2 zeigt in Seitenansicht eine Vorrichtung zur Behandlung von Behältern, die um den in 1 schematisch dargestellten Hohlraum 1 herum ausgebildet ist.
Die in 2 dargestellte Vorrichtung, insgesamt mit dem Bezugszeichen 6 gekennzeichnet, weist einen rotationssymmetrischen zylinderförmigen Hohlraum 1 (oder Reaktor) auf, mit einem Durchmesser von im Wesentlichen 273 mm. Die Seitenwand des Hohlraums 1 ist ungefähr auf halber Höhe mit einer Öffnung 2 versehen, durch die ein (nicht sichtbarer) Wellenleiter mündet, der an einen (größtenteils durch den Hohlraum verdeckten) UHF-Generator 7 – gebildet zum Beispiel von einem Magnetron – angeschlossen ist, der mit einer Frequenz von 2,455 GHz betrieben werden kann. Diese Vorrichtung erzeugt einen Kopplungsmodus TM 120, mit zwei mittleren Feldern, wie in 1 dargestellt, wobei diese beiden mittleren Felder um die in 2 dargestellten Achsen A und B zentriert sind.
Die Vorrichtungsanordnung wird von einer Vorrichtung zur Behandlung eines einzigen Behälters, wie in dem bereits genannten Dokument FR-A-2 799 994 beschrieben und dargestellt, übernommen. Insbesondere sind in dem Hohlraum zwei Quarz-Gehäuse 8 angeordnet, die koaxial zu den Achsen A und B angeordnet sind und in denen jeweils innen die beiden Behälter 3 angeordnet sind; die beiden Gehäuse 8 sind in dem Hohlraum dicht montiert (Dichtungen 18) und definieren einen Raum mit reduziertem Volumen, in dem der Behälter angeordnet werden kann und das Erzielen des Vakuums erleichtert wird, das für die Erzeugung des zum Auftragen der Beschichtung in jedem Behälter notwendigen Plasmas erforderlich ist.
Ein Vorteil der herangezogenen Anordnung beruht jedoch darin, dass der Überbau der Vorrichtung nur ein einziges Mal vorhanden ist. Das heißt, der einzige Deckel 9 des Hohlraums umfasst einerseits die Organe 10 zum Halten der beiden Behälter 3 und andererseits die Anschlussmittel, die zum Erzeugen des Vakuums im Hohlraum und zum Einblasen des Vorläufergases zur Erzeugung des Plasmas erforderlich sind, sowie den Innendrucksensor und den Außendrucksensor.
Der Deckel 9 ist daher mit einer Kammer 10 versehen, die (durch eine in 1 nicht sichtbare Leitung) an eine Unterdruckquelle angeschlossen ist, die Kammer 10 erstreckt sich oberhalb der beiden Behälter 3 und steht, gekennzeichnet mit dem Bezugszeichen 11, mit dem Inneren der Behälter 3 in Verbindung. In dem dargestellten Beispiel ist der Verbindungskanal 11 mit den Haltemitteln 12 eines jeden Behälters 3 kombiniert.
Gemäß der bevorzugten Ausführung der Erfindung zum Beschichten der Innenseite von Behältern wird jeder Verbindungskanal 11 koaxial von einem Vorläufergas-Injektor 13 durchquert, der innen in den jeweiligen Behälter 3 eintaucht. Die beiden Injektoren 13 können außerhalb des Deckels 9 an eine einzige Leitung 14 zum Anschluss an eine (in den Figuren nicht sichtbare) Vorläufergas-Quelle angeschlossen sein.
Der Deckel 9 kann ferner mit einem Ventil 15 versehen sein, um die Kammer 10 mit Leitungen 16 zu verbinden, entweder um bei der Vakuumerzeugung den Innenraum der Behälter 3 und den Innenraum der Gehäuse 8 miteinander zu verbinden oder um sie voneinander zu trennen, um Differenzdruckbedingungen herstellen zu können, die zur Erzeugung eines Plasmas in den Behältern geeignet sind.
Insgesamt erweisen sich die erfindungsgemäßen Anordnungen dahingehend als vorteilhaft, als zwar alle unmittelbar mit den beiden Behältern zusammenwirkenden Elemente doppelt vorhanden sein müssen (zwei Quarz-Gehäuse, zwei Injektoren, zwei Haltemittel, zwei Vakuum-Öffnungen), der übrige Teil der Anlage jedoch nur einfach vorhanden sein muss (ein einziger Hohlraum, ein einziger UHF-Generator, eine einzige Unterdruckquelle und eine einzige Unterdruckzuleitung, eine einzige Vorläufergas-Quelle und eine einzige Vorläufergas-Zuleitung, ein einziger Innendrucksensor, ein einziger Außendrucksensor, ein einziger Deckel und somit ein einziger Mechanismus zum Betätigen des Deckels (Absenken, Anheben), ein einziger Mechanismus zum Ergreifen der Behälter zum Einsetzen und Entfernen, usw.).
Da der Deckel 9 nur einmal vorhanden ist, können überdies die einzig vorhandenen Mittel zum Betätigen des Deckels zum Schließen/Öffnen des Hohlraums 1 beibehalten werden, wie etwa die in dem Dokument FR-A-2 799 994 beschriebenen.
Bei der Anordnung des Hohlraums 1 ist allgemein die durch die beiden mittleren Felder 4_A , 4_B bewirkte Symmetrie zu beachten. Insbesondere ist das Fenster 2, durch das der Wellenleiter in den Hohlraum 1 mündet, in der Achse zwischen den beiden mittleren Feldern 4_A , 4_b angeordnet, wie in 1 und 2 zu erkennen ist. Ebenso müssen die Tragsäulen der Platten 17_i , 17_s zur Regelung der Impedanz für jedes der äußeren Felder 5_A , 5_B symmetrisch beiderseits des Fensters 2 angeordnet sein (zur besseren Übersichtlichkeit der Zeichnungen nicht dargestellt; siehe hierzu zum Beispiel Dokument FR-A-2 792 854 ).

Claims

Verfahren zum Auftragen einer Beschichtung auf einer Seite wenigstens eines Behälters (3) aus thermoplastischem Material mit Hilfe eines Niederdruckplasmas durch Erregung eines Vorläufergases durch elektromagnetische UHF-Wellen in einem den Behälter aufnehmenden runden Vakuum-Hohlraum (1), dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz der elektromagnetischen UHF-Wellen solchermaßen gewählt wird und der Hohlraum (1) eine solche Größe erhält, dass ein Kopplungsmodus zum Erzeugen mehrerer elektromagnetischer Felder innen in dem Hohlraum gebildet wird, und dass mehrere Behälter in dem Hohlraum (1) jeweils koaxial zu den elektromagnetischen Feldern angeordnet sind, wodurch die gleichzeitige Behandlung mehrerer Behälter (3) in ein und demselben Hohlraum (1) möglich ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kopplungsmodus TM 120 gebildet wird, der innen in dem Hohlraum zwei zentrale Felder (4_A , 4_B ) erzeugt, wodurch zwei Behälter (3) in dem Hohlraum (1) gleichzeitig behandelt werden können.
Vorrichtung zum Auftragen einer Beschichtung auf einer Seite wenigstens eines Behälters (3) aus thermoplastischem Material mit Hilfe eines Niederdruckplasmas durch Erregung eines Vorläufergases durch elektromagnetische UHF-Wellen in einem den Behälter (3) aufnehmenden runden Vakuum-Hohlraum (1), mit einem UHF-Wellen-Generator (7) und einem UHF-Wellenleiter zum Anschließen des Generators an ein Fenster (2) der Seitenwand des Hohlraums (1), dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (7) eine elektromagnetische Welle mit einer Frequenz f = 2,455 GHz aussendet, und dass der Durchmesser des Hohlraums (1) etwa 273 mm beträgt, um einen Kopplungsmodus TM 120 zu bilden, der in dem Hohlraum (1) zwei zentrale Felder (4_A , 4_B ) erzeugt, wodurch die gleichzeitige Behandlung von zwei Behältern (3) in dem Hohlraum (1) möglich ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum (1) zwei Quarz-Gehäuse (8) umschließt, die in diesem dicht montiert und jeweils im Wesentlichen koaxial zu den beiden zentralen Feldern (4_A , 4_B ) angeordnet sind, dass der Hohlraum (1) ein einziges Fenster (2) zum Einschießen von UHF-Wellen aufweist, wobei das Fenster (2) in der Symmetrieachse der beiden zentralen Felder (4_A , 4_B ) liegt, und dass ein einziger Deckel (9) zum Verschließen des Hohlraums (1) versehen ist mit einem einzigen Anschluss (10) an eine Unterdruckquelle, der zur Verbindung mit den beiden Gehäusen (8) geteilt (11) ist, mit zwei an eine einzige Vorläufergas-Quelle angeschlossene Vorläufergas-Injektoren (13) und mit zwei Mitteln (12) zum jeweiligen Halten der beiden Behälter (3).
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine untere (17_i ) und eine obere (17_s ) Platte mit verstellbarer Position zum Einwirken auf die jeweiligen Rückführungsfelder (5_A , 5_B ) umfasst, um die Kopplung in Abhängigkeit von den verschiedenen Typen der zu behandelnden Behälter (3) zu verfeinern.
Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass sie für die innere Beschichtung der Behälter ausgebildet ist, und dass zu diesem Zweck die Vorläufergas-Injektoren (13) zum Eintauchen innen in die jeweiligen Behälter (3) ausgebildet sind, wenn diese von den Haltemitteln in den Gehäusen (8) gehalten werden.