DE69815359T2

DE69815359T2 - Plastikbehälter mit einer externen gassperrenbeschichtung

Info

Publication number: DE69815359T2
Application number: DE1998615359
Authority: DE
Inventors: George Plester; Mark Rule; Horst Ehrich; Herbert Pickel; Heinz Humele
Original assignee: Coca Cola Co
Current assignee: Coca Cola Co
Priority date: 1997-03-14
Filing date: 1998-03-13
Publication date: 2004-04-29
Also published as: ZA982147B; EP1007757A1; AR026096A2; ATE242343T1; ID23532A; EA001023B1; CN1250486A; US6223683B1; NZ337591A; OA11195A; DE69815359D1; JP2001515539A; US6548123B1; AU6471298A; KR20000076222A; WO1998040531A1; AR012079A1; PL335673A1; TR199902237T2; EP1007757B1

Description

Diese Erfindung betrifft mit Druck beaufschlagte Kunststoffbehälter, die eine verbesserte Barrierenleistungsfähigkeit aufweisen, und Verfahren zur Bereitstellung der Behälter und die Schichten. Die verbesserte Barrierenleistungsfähigkeit wird durch Aufbringen von anorganischen Schichten auf die äußere Oberfläche des Behälters erhalten. Die Schichten zeigen eine verbesserte Haftung in Bezug zu Schichten nach dem Stand der Technik. Außerdem betrifft diese Erfindung auch ein Recycling von beschichteten Kunststoffbehältern und die Verpackung von Getränken in dem Behälter.
Kunststoffbehälter umfassen gegenwärtig ein großes und wachsendes Segment der Nahrungsmittel- und Getränkeindustrie. Kunststoffbehälter bieten eine Anzahl von Vorteilen gegenüber herkömmlichen Metall- und Glasbehältern. Sie sind leichtgewichtig, kostengünstig, unzerbrechlich, transparent und werden leicht hergestellt und gehandhabt. Jedoch weisen Kunststoffbehälter mindestens einen signifikanten Nachteil auf, der ihre allseitige Akzeptanz insbesondere in den anspruchsvolleren Nahrungsmittelanwendungen begrenzt hat. Dieser Nachteil ist, dass alle Kunststoffbehälter für Wasser, Sauerstoff, Kohlendioxid und andere Gase und Dämpfe mehr oder weniger durchlässig sind. In einer Anzahl von Anwendungen sind die Durchdringungsraten von erschwinglichen Kunsttoffen groß genug, um die Gebrauchsfähigkeitsdauer des enthaltenen Nahrungsmittels oder Getränks signifikant zu begrenzen oder die Verwendung von Kunststoffbehältern gänzlich zu verhindern.
Man hat seit einiger Zeit erkannt, dass eine Behälterstruktur, die die besten Merkmale von Kunststoffbehältern und herkömmlicheren Behältern kombiniert, erhalten werden könnte, indem eine glasartige oder metallartige Lage auf einen Kunststoffbehälter und metallisierte Kunststoffbehälter aufgebracht wird. Z. B. sind metallisierte Pommes-Frites-Beutel seit einiger Zeit im Handel vertrieben worden. Jedoch ist in einer Anzahl von Anwendungen die Klarheit der Verpackung von signifikanter Wichtigkeit, und für diese Anwendungen sind metallisierte Schichten nicht akzeptabel. Es hat sich als viel schwieriger erwiesen, haltbare glasartige Schichten auf Kunststoffbehältern zu erhalten, ohne dass das Aussehen des Behälters verändert wird.
Eine Anzahl von Prozessen sind für den Zweck einer Aufbringung von glasartigen Schichten auf Kunststofffilme entwickelt worden, wo die Filme dann anschließend in flexible Kunststoffbehälter gebildet werden. Jedoch sind verhältnismäßig wenige Prozesse entwickelt worden, die die Aufbringung einer glasartigen Schicht auf einen vorgeformten verhältnismäßig starren Kunststoffbehälter ermöglichen, wie z. B. die PET-Flaschen, die gewöhnlich in den Vereinigten Staaten für kohlensäurehaltige Getränke verwendet werden, und bisher ist kein Prozess entwickelt worden, der die Aufbringung einer glasartigen Schicht auf die äußere Oberfläche eines Kunststoffbehälters ermöglicht, die ausreichend haltbar ist, um die Wirkung einer Druckbeaufschlagung des Behälters auszuhalten, um eine verbesserte Barriere gegen Gase und Dämpfe anschließend an die Druckbeaufschlagung beizubehalten und um die Recycelbarkeit der Behälter nicht zu beeinträchtigen. Mit Druck beaufschlagte Getränkebehälter umfassen gegenwärtig weltweit einen sehr großen Markt, und gegenwärtig erschwingliche Kunststoffe weisen ausreichend hohe Durchdringungsraten auf, um die Verwendung von Kunststoffbehältern in einer Anzahl der Märkte, die versorgt werden, zu begrenzen.
Solche mit Druck beaufschlagten Behälter umfassen Kunststoffflaschen für sowohl kohlensäurehaltige als auch kohlensäurefreie Getränke. Kunststoffflaschen sind von verschiedenen Polymeren konstruiert worden, unter denen Polyethylenterephthalat (PET) insbesondere für kohlensäurehaltige Getränke vorherrscht, aber sämtliche von diesen Polymeren haben verschiedene Grade von Durchlässigkeit gegen Gase und Dämpfe gezeigt, die die Gebrauchsfähigkeitsdauer der in ihnen platzierten Getränke begrenzt haben. Z. B. weisen Kohlensäuregetränkeflaschen eine Gebrauchsfähigkeitsdauer auf, die durch Verlust an CO₂ begrenzt ist. (Die Gebrauchsfähigkeitsdauer ist typischerweise als die Zeit definiert, die für einen Verlust von siebzehn Prozent der anfänglichen Carbonisierung eines Getränks benötigt wird.) Wegen der Wirkung von Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnis wird die Verlustrate größer, wenn die Größe der Flasche verringert wird. Es werden kleine Behälter für viele Marktanwendungen benötigt, und dies schränkt die Verwendung von Kunststoffflaschen in solchen Fällen stark ein. Deshalb ist es wünschenswert, einen Behälter mit verbesserten Carbonisierungs-Rückhalteeigenschaften zu besitzen.
Für kohlensäurefreie Getränke treffen ähnliche Begrenzungen zu, wieder mit zunehmender Wichtigkeit, wenn die Flaschengröße verringert wird, wegen Sauerstoff- und/oder Wasserdampfdiffusion. Es sollte ersichtlich sein, dass Diffusion sowohl Einströmen als auch Ausströmen (Diffusion und Infusion) in die und aus der Flasche oder Behälter bedeutet. Der Grad an Undurchlässigkeit (hierin als "Gasbarriere" beschrieben) gegen CO₂-Diffusion und gegen die Diffusion von Sauerstoff, Wasserdampf und anderen Gasen wächst in der Wichtigkeit in Bedingungen von hoher Umgebungstemperatur. Eine äußere Schicht mit einer hohen Gasbarriere kann die Qualität von in Kunststoffflaschen verpackten Getränken verbessern und die Gebrauchsfähigkeitsdauer von solchen Flaschen erhöhen, was kleine Flaschen zu einer praktikableren Alternative macht, und dies wiederum liefert viele Vorteile bei verringerten Vertriebskosten und eine flexiblere Marketingmischung.
Einige Polymere, z. B. PET, sind auch anfällig für Spannungsrissbildung, wenn sie mit in Flaschenbefüllungsanlagen verwendeten Flaschenfördererschmiermitteln oder Reinigungsmitteln, Lösungsmitteln und anderen Materialien in Berührung kommen. Eine solche Rissbildung wird häufig als "umgebungsbeeinflusste Spannungsrissbildung" beschrieben und kann die Lebensdauer der Flasche durch Hervorrufen von Lecks begrenzen, die einen Sachschaden an benachbartem Gut hervorrufen können. Eine undurchlässige äußere Oberfläche für Kunststoffflaschen, welche Oberfläche gegen Spannungsrisse-induzierende Chemikalien beständig ist, einen Sachschaden an benachbartem Gut verhindert und die Gebrauchsfähigkeitsdauer von Kunststoffflaschen ausdehnt, ist in einigen Märkten äußerst wünschenswert.
Eine andere Begrenzung für die Gebrauchsfähigkeitsdauer und Getränkequalität ist häufig W-Strahlung, die den Geschmack, die Farbe und andere Getränkeeigenschaften beeinträchtigen kann. Dies ist insbesondere wichtig bei Bedingungen von langandauerndem Sonnenschein. Eine äußere Schicht mit W-Absorptionseigenschaften kann die Qualität von solchen Getränken verbessern und Kunststoffflaschen unter solchen Bedingungen viel brauchbarer machen.
Es ist auch wünschenswert, dass Kunststoffbehälter, wie z. B. PET-Flaschen, recycelbar sind. Barriere-verbesserte Schichten nach dem Stand der Technik sind häufig organisch und verhältnismäßig dick und können deshalb ein Recyclingkunststoffprodukt verunreinigen. In Recyclingkunststoff eingebaute organische Beschichtungsmaterialien ergeben ungeeignete Behälter für Getränke- oder Nahrungsmittelgegenstände, weil die Getränke- oder Nahrungsmittelgegenstände das organische Beschichtungsmaterial berühren können und verunreinigt werden. Außerdem bilden verhältnismäßig dicke Schichten während eines Recycling von Kunststoffmaterial verhältnismäßig große Partikeln und können das Aussehen und die Eigenschaften eines resultierenden Recyclingkunststoffprodukts beschädigen. Insbesondere können verhältnismäßig große Schichtpartikeln in Recyclingkunststoff sonst klaren Kunststoff trüb machen. Trüber Kunststoff ist häufig für Behälter, wie z. B. Getränke- und Nahrungsmittelbehälter, unerwünscht.
Schließlich dürfen die Kosten einer Aufbringung einer Schicht auf die Außenseite einer Flasche, die eine Gasbarriere aufweist, die die Gebrauchsfähigkeitsdauer des Getränkebehälters in dieser Flasche signifikant erhöht, und/oder die einen Produktverderb eines Getränkebehälters in dieser Flasche signifikant verringert und/oder die einen Produktverderb aufgrund von W-Strahlung signifikant verringert und/oder umgebungsbeeinflusste Spannungsrissbildung faktisch beseitigt und/oder eine spezielle Farbe liefert, keine signifikanten Kosten zur Basisverpackung hinzufügen. Dies ist ein Kriterium, das viele Prozesse für Schichten mit hoher Gasbarriere ausschließt, weil Kunststoffflaschen selbst ein sehr kostengünstiger Massenartikel sind. Erschwinglichkeit impliziert in der Praxis, dass die Kosten der Schicht minimal zu den Kosten der ganzen Verpackung beitragen müssen oder keine Erhöhung zu ihnen hinzufügen dürfen, und tatsächlich können die Kosten niedriger sein.
Eine Schicht auf der Außenseite von Kunststoffflaschen muss sich biegen können. Wenn Flaschen für mit Druck beaufschlagte Behälter verwendet werden, sollte sich die Schicht, immer wenn sich das Kunststoffsubstrat streckt, vorzugsweise biaxial strecken können. Außerdem ist es vorzuziehen, dass die Schicht über den größten Teil der Behälteroberfläche geschlossen ist. Eine Haftung ist im Fall von kohlensäurehaltigen Getränken besonders wichtig, da das CO₂ in der Flasche einen gewissen oder seinen gesamten Flascheninnendruck auf die Schicht ausübt. Dieser Druck kann über 6 Bar ansteigen, wobei beträchtliche Kräfte auf die Schicht/Kunststoff-Grenzfläche ausgeübt werden. Die Schicht muss auch einem Verschleiß durch Reibung, einer normalen Handhabung, einer Bewitterung (Regen, Sonnenklima usw.) standhalten, und die Schicht muss ihre Gasbarriere während der gesamten nützlichen Lebensdauer der Flasche aufrechterhalten.
Es gibt mehrere Plasma-unterstützte Prozesse, die eine äußere anorganische Schicht auf einen Bereich von Artikeln aufbringen, der in einigen Fällen Flaschen umfasst. Viele von den Prozessen zielen darauf ab, Schichteigenschaften bereitzustellen, die ziemlich unterschiedlich und viel weniger beschwerlich sind als Flaschenschichten hoher Gasbarriere. Solche Prozesse zielen z. B. auf Abriebfestigkeit ab, wo die Schichtgeschlossenheit kein wichtiger Faktor ist, da die Schicht die mikroskopischen Zwischenräume abschirmen kann. Andere Prozesse zielen auf verschönernde oder Lichtreflektionseigenschaften ab, und einige Prozesse weisen eine reine Handhabungsschutzrolle auf. Häufig biegt sich das Substrat nicht, oder es streckt sich nicht, und der Artikel selbst ist teurer als Kunststoffflaschen, so dass Kosten kein Vorteil der Konstruktion sind. In einigen Fällen ermöglicht das Substrat viel höhere Beschichtungstemperaturen als diejenigen, die durch PET, das häufigste Kunststoffflaschenmaterial, ermöglicht werden. Solche Prozesse liefern im Allgemeinen nicht die Schichtgeschlossenheit, -haftung, -flexibilität, die für Schichten hoher Gasbarriere erforderlich sind, noch liefern sie eine Lösung für die anderen Probleme, die sich auf Schichten hoher Gasbarriere beziehen, die vorstehend beschrieben sind.
Es ist auch ein Stand der Technik für Gasbarrierenprozesse für Flaschen vorhanden, aber das Fehlen von im Handel verfügbaren beschichteten Flaschen für eine Druckanwendung ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass diesen Prozessen die wünschenswerten Eigenschaften fehlen, die vorstehend beschrieben sind, und sie keine Schicht mit einer angemessenen Haftung, Geschlossenheit und/oder Flexibilität unter hohem Flascheninnendruck bereitstellen können oder keine Schicht, die Recyclingprobleme oder die niedrigen Kosten vermeidet, die notwendig sind, um die Schicht erschwinglich zu machen.
Das US-Patent 5,565,248 an Plester und Ehrlich beschreibt ein Verfahren zum Beschichten von Behältern im Innern. Jedoch erfordern äußere Schichten eine viel größere Haftung als innere Schichten, weil der Flascheninnendruck gegen äußere Schichten wirkt und innere Schichten nicht derselben Handhabung und/oder Abrieb bei Gebrauch ausgesetzt sind. Aus diesen und anderen Gründen unterscheidet sich ein Beschichten von Flaschen von außen von einem Beschichten von innen, und die vorliegende Erfindung ist deshalb wesentlich verschieden.
Damit Kunststoffbehälter, wie z. B. PET-Flaschen, wirtschaftlich praktikable Behälter für kommerzielle Produkte, wie z. B. Getränke und Nahrungsmittel, sind, müssen die Flaschen verhältnismäßig kostengünstig mit einer hohen Geschwindigkeit und in großer Menge hergestellt werden. Demgemäß muss ein Prozess und System zum Beschichten von Kunststoffbehältern wirtschaftlich sein und bei einer hohen Geschwindigkeit und großer Menge arbeiten können. Viele Systeme nach dem Stand der Technik zum Beschichten von Objekten mit einer Gasbarrierenschicht sind Chargenprozesse oder sonst langsam und ineffizient.
Demgemäß gibt es einen Bedarf an Kunststoffbehältern, die mit einer wirkungsvollen Gasbarrierenschicht beschichtet sind, effizient recycelt werden können und zur Verwendung als Behälter für in großen Stückzahlen gefertigte Gegenstände, wie z. B. Getränke und Nahrungsmittel, wirtschaftlich hergestellt werden können.
Die folgenden Veröffentlichungen betreffen Prozesse zum Beschichten von Kunststoffartikeln und betreffen den Hintergrund dieser Erfindung: Die Europäische Patentanmeldung 0535810 (Williams) offenbart ein Blutsammelrohr, das einen Kunststoffkörper umfasst, der mit einem Film auf Siliciumoxid-Basis als Gasbarriere beschichtet ist. Das Blutsammelrohr wird so beschrieben, dass es aus Polyethylenterephthalat (PET) hergestellt ist, und die Siliciumoxidschicht wird unter Verwendung einer Plasma-unterstützten chemischen Abscheidung aus der Gasphase (PECVD) aufgebracht.
Das US-Patent 4,552,791 an Hahn offenbart einen RF-Plasma-Plattierungsprozess zum Beschichten von Kunststoffbehältern mit Oxiden, wie z. B. SiO. Diese Bezugsstelle offenbart eine Abscheidung aus der Gasphase auf PET-Behältern mit SiO durch direktes Verdampfen von SiO in einer Vakuumkammer und Ablagern der SiO-Ionen auf der Behälteroberfläche. Der SiO-Dampf wird durch RF-Energie ionisiert und dann durch die Gleichstromvorspannung vorgespannt.
Die UK-Patentanmeldung GB2139647 (Stern) offenbart einen Magnetron-unterstützten Sputterprozess zum Beschichten von Kunststoffbehältern mit einer Metalloxidschicht. In diesem Prozess ionisiert eine RF-Entladung ein Inertgas, wie z. B. Argon, und die Inertgasionen werden durch das Magnetron gegen ein Festkörper-Beschichtungsmaterial, wie z. B. ein leitendes Metall, gezogen. Die Inertgasionen erodieren die Oberfläche des Metallbeschichtungsmaterials, und das erodierte Metall reagiert mit Sauerstoff und bildet ein Metalloxid, das auf der Behälteroberfläche abgelagert wird.
Die Europäische Patentanmeldung 0460796 (Deak) offenbart einen Prozess zum Beschichten von Strukturen, wie z. B. PET-Behältern, mit Siliciumdioxid und einem Metalldotierungsmittel unter Verwendung von Vakuumbeschichtungstechniken. Diese Bezugsstelle offenbart eine nichtreaktive Verdampfung oder Sputtern eines Beschichtungsmaterials, wie z. B. Siliciumdioxid, und Rekondensieren des Beschichtungsmaterials auf dem Kunststoffbehälter in einem Vakuum.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Demgemäß ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine äußere Schicht oder Lage für einen Behälter, wie z. B. eine wärmeempfindliche Kunststoffflasche, und insbesondere für die nicht nachfüllbaren Flaschen bereitzustellen, die für kohlensäurehaltige Getränke verwendet werden.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung mindestens in ihren bevorzugten Formen eine Schicht und ein System und Verfahren zum Beschichten bereitzustellen, das eine äußere glasartige Schicht bereitstellen kann, die flexibel, haltbar ist und ausreichend Haftung besitzt, um den Wirkungen einer Druckbeaufschlagung, wie z. B. Biegung und Streckung des Behälters, standzuhalten und um einem Einbeulen des Behälters standzuhalten, ohne einen signifikanten Verlust von verbesserten Barriereeigenschaften.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung mindestens in ihren bevorzugten Formen besteht darin, einen von außen beschichteten Behälter bereitzustellen, der eine umgebungsbeeinflusste Spannungsrissbildung vermeidet, wie z. B., wenn der Behälter mit Fördererschmiermitteln während einer Befüllung und Reinigungsmitteln, Reinigern oder Lösungsmitteln oder ähnlichen Substanzen während seiner Lebensdauer in Berührung kommt. Solche Schmiermittel können 409^TM, Mean Green^TM" oder andere im Handel erhältlichen Reiniger oder Schmiermittel usw.
umfassen.
Noch ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung mindestens in ihren bevorzugten Formen besteht darin, einen leichtgewichtigeren Behälter und ein System und Verfahren zur Herstellung des Behälters bereitzustellen, wodurch eine Menge an Kunststoff, die bei Herstellung des Behälters verwendet wird, im Vergleich zu einem herkömmlichen Behälter verringert werden kann, ohne dass die Gasbarrierenwirksamkeit des Behälters nachteilig beeinträchtigt wird oder während diese verbessert wird.
Es ist ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung mindestens in ihren bevorzugten Formen, eine Schicht bereitzustellen, die eine anorganische Oxidlage auf der äußeren Oberfläche eines Kunststoffbehälters umfasst, wobei die anorganische Oxidlage weiter dadurch unterschieden ist, dass sie aus größer als oder gleich 50 und bis zu aber weniger als 100% SiO_x (x = 1,7 bis 2,0) zusammengesetzt ist.
Ein anderes Ziel von mindestens den bevorzugten Formen der Erfindung besteht darin, eine Schicht bereitzustellen, die ausreichende Haftung an der äußeren Oberfläche des Kunststoffbehälters besitzt, so dass die Barrierenverstärkung, die durch die anorganische Oxidlage geliefert wird, bei Druckbeaufschlagung des Behälters auf einen Druck von zwischen 1 (0,069 Bar) und 100 psig (6,9 Bar) nicht wesentlich verringert wird.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung mindestens in ihren bevorzugten Formen besteht darin, ein Verfahren zur Aufbringung einer anorganischen Lage bereitzustellen, wie vorstehend beschrieben, wobei das Verfahren zu einer robusten anorganischen Oxidlage führt, die dem Kunststoffbehälter ein wirkungsvolles Niveau einer Barrierenverstärkung zur Verfügung stellt und nicht zu einer signifikanten körperlichen Deformation des Behälters führt. Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung mindestens in ihren bevorzugten Formen, ein System und Verfahren zur Herstellung eines Behälters bereitzustellen, wodurch die ästhetische Anziehungskraft des Behälters verbessert wird, indem eine gefärbte anorganische Schicht aufgebracht wird, die weiter im Sichtbaren absorbierende Arten enthält.
Noch ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung mindestens in ihren bevorzugten Formen besteht darin, eine Schicht mit UV-Absorptionsvermögen für einen Behälter bereitzustellen.
Noch ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung mindestens in ihren bevorzugten Formen ist es, einen Behälter mit einer gefärbten oder klaren Schicht bereitzustellen, die leicht recycelt werden kann, ohne signifikante oder abnorme Komplikationen für vorhandene Recyclingsysteme.
Ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung mindestens in ihren bevorzugten Formen besteht darin, ein System und Verfahren zum kostengünstigen Herstellen eines von außen beschichteten Behälters mit hoher Geschwindigkeit und in großer Menge bereitzustellen.
Noch ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung mindestens in ihren bevorzugten Formen ist es, ein Verfahren bereitzustellen, bei dem die Dicke und Zusammensetzung der aufgebrachten Schicht auf einen Behälter schnell und leicht bestimmt werden kann und wodurch eine Prozesssteuerung und Garantie einer verbesserten Barriereleistungsfähigkeit erhalten werden kann.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung mindestens in ihren bevorzugten Formen besteht darin, ein Verfahren bereitzustellen, um den Zustand der Oberfläche eines Kunststoffsbehälters mindestens im Hinblick auf ihre Eignung zur Aufbringung von glasartigen Schichten zu bestimmen.
Ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine hohe Gas barriere bereitzustellen, die die Gebrauchsfähigkeitsdauer der Behälter, wie z. B. Kunststoffflaschen, mindestens in einer bevorzugten Form beträchtlich erhöht, und die Behälter mit einer guten Transparenz zu versehen, so dass das Aussehen einer klaren Kunststoffflasche nicht beeinträchtigt wird.
Noch ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung mindestens in ihren bevorzugten Formen ist es, einen Behälter mit einer angemessenen Haltbarkeit und Haftung während einer Gebrauchsdauer bereitzustellen, wenn die äußere Oberfläche des Behälters Umgebungsbedingungen ausgesetzt ist, wie z. B. rauher Witterung, Scheuern, Verschleiß durch Reibung oder Abrieben (z. B. während eines Transports).
Auch umfasst ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung mindestens in ihren bevorzugten Formen das Vermögen, um ein Beschichten auf wärmeempfindlichen Kunststoffbehältern mit Beschichtungsmaterialien zu ermöglichen, die nur bei sehr hohen Temperaturen verdampft werden können, ohne eine akzeptable Zunahme in der Temperatur des Kunststoffs und die in vielen Fällen unter 60°C bleiben muss.
Das Vorhergehende und andere Ziele dieser Erfindung mindestens in ihren bevorzugten Formen können erreicht werden, indem man einen beschichteten Kunststoffbehälter bereitstellt, der einen Kunststoffbehälterkörper mit einer äußeren Oberfläche und einer Schicht auf der äußeren Oberfläche des Behälterkörpers umfasst, die ein anorganisches Oxid und ein glasbildendes Metallzusatzmittel umfasst, wobei der beschichtete Kunststoffbehälter, wenn er ein Druckfluid enthält, das im Innenraum des Behälterkörpers bei einem Druck von 60 psig (4,1 Bar) abgedichtet ist, eine Gasbarriere von mindestens 1,25× der Gasbarriere des Behälters ohne die Schicht besitzt, wenn der Behälter ohne die Schicht ein Druckfluid enthält, das im Innenraum bei einem Druck von 60 psig (4,1 Bar) abgedichtet ist. Diese Erfindung umfasst auch ein Verfahren und System zur Herstellung eines beschichteten Kunststoffbehälters, der eine Gasbarriere besitzt, als eine bevorzugte Ausführungsform, ein Verfahren zum Recycling von beschichteten Kunststoffbehältern und ein Verfahren und System zum Verpacken von Getränken, die in Kunststoffbehältern, die eine Gasbarrierenschicht umfassen, abgedichtet sind.
Genauer gesagt, wird der beschichtete Kunststoffbehälter dieser Erfindung hergestellt, indem die Schicht auf der äußeren Oberfläche des Behälterkörpers unter Verwendung von Vakuumabscheidung aus der Gasphase, wünschenswerterweise Plasma-unterstütze Vakuumabscheidung aus der Gasphase, abgelagert wird. Die resultierende Schicht ist wünschenswerterweise im Wesentlichen homogen und amorph und entweder chemisch oder physikalisch oder beides an der äußeren Oberfläche des Behälters gebunden. Wie hierin verwendet, bedeutet der Begriff homogen, dass es keine wesentliche Variation in der atomaren Zusammensetzung durch die Schicht gibt, und der Begriff amorph bedeutet, dass es keine wesentliche Kristallinität in der Schicht gibt, wie durch Standard-Röntgenstrahlbeugungstechniken gemessen. Außerdem sind das anorganische Oxid und glasbildende Metallzusatzmittel vorzugsweise in der Schicht in Konzentrationen vorhanden, die im Wesentlichen durch die Dicke der Schicht konstant sind. Die resultierende Schicht ist deshalb sehr haltbar.
Wegen des hohen Niveaus von Haftung der anorganischen Schicht an der Oberfläche des Kunststoffbehälters der vorliegenden Erfindung ist eine geschlossene Schicht nicht wesentlich. Mit anderen Worten haftet, selbst wenn die Schicht der vorliegenden Erfindung wegen z. B. Kratzstellen oder Brüchen darin nicht geschlossen sein mag, die Schicht weiter wirkungsvoll am Substrat an, wie z. B. einer darunterliegenden Kunststoffflasche. Die vorliegende Erfindung kann deshalb eine wirkungsvolle Gasbarriere bereitstellen, selbst wenn die Oberfläche in hohem Maße mit Brüchen versehen ist. Eine hohe Gasbarriere von 1,25× größer als der unbeschichtete Behälter kann mit der vorliegenden Erfindung erhalten werden, und diese Barriere kann selbst 1,5× oder vorzugsweise 2× größer sein als der unbeschichtete Behälter, selbst wenn der beschichtete Behälter ein Druckfluid enthält, wie z. B. ein kohlensäurehaltiges Getränk. Zusätzlich weist der beschichtete Behälter dieser Erfindung eine verbesserte Beständigkeit gegen umgebungsbeeinflusste Spannungsrissbildung auf, selbst wenn der Behälter ein Druckfluid enthält.
Außerdem kann der beschichtete Behälter der vorliegenden Erfindung so gefertigt werden, dass er eine äquivalente Gasbarriere und ein verringertes Gewicht, verglichen mit einem Kunststoffbehälter von ähnlicher Mantelfläche und Volumen und ohne die äußere anorganische Schicht, aufweist.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein System zur Herstellung eines beschichteten Kunststoffbehälters, der eine Gasbarriere besitzt, bereitgestellt, wobei das System umfasst:
eine Vakuumkammer, die ein Vakuum in der Vakuumkammer aufrechterhalten kann;
eine Behälterzufuhrvorrichtung zur Zufuhr von Kunststoffbehälterkörpern in die und Herausnahme von beschichteten Kunststoffbehältern aus der Vakuumkammer, wobei die Kunststoffbehälterkörper jeweils eine äußere Oberfläche und eine innere Oberfläche aufweisen, die einen Innenraum definieren; einen Förderer in der Vakuumkammer zum Fördern der Kunststoffbehälterkörper durch die Vakuumkammer; und
mindestens eine Quelle, die in der Vakuumkammer angeordnet ist, zur Zufuhr eines Beschichtungsdampfs zur äußeren Oberfläche der Behälterkörper, wenn die Behälterkörper durch die Vakuumkammer gefördert werden, wobei die mindestens eine Quelle von Beschichtungsdampf einen Verdampfer zum Erhitzen und Ver dampfen eines anorganischen Beschichtungsmaterials umfasst, um den Beschichtungsdampf zu bilden;
eine Gaszufuhr zur Zufuhr von mindestens einem reaktiven Gas zu einem Inneren der Vakuumkammer;
wobei die mindestens eine Quelle von Beschichtungsdampf und der Förderer so in der Vakuumkammer strukturiert und angeordnet sind, dass (a) der Beschichtungsdampf von der mindestens einen Quelle mit dem reaktiven Gas reagiert und eine dünne Schicht auf der äußeren Oberfläche der Behälter ablagert, (b) die dünne Schicht eine anorganische Verbindung umfasst und sich an der äußeren Oberfläche der Behälterkörper bindet und (c) die resultierenden beschichteten Kunststoffbehälter, wenn sie ein Druckfluid enthalten, das im Innenraum bei einem Druck von 60 psig (4,1 Bar) abgedichtet ist, eine Gasbarriere von mindestens 1,25× der Gasbarriere der Behälter ohne die Schicht besitzen, wenn die Behälter ohne die Schicht ein Druckfluid enthalten, das im Innenraum bei einem Druck von 60 psig (4,1 Bar) abgedichtet ist.
Die dünne Schicht kann ein anorganisches Oxid und ein glasbildendes Metallzusatzmittel umfassen.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines beschichteten Kunststoffbehälters, der eine Gasbarriere besitzt, bereitgestellt, wobei das Verfahren die Schritte umfasst:
Zuführen von Kunststoffbehälterkörpern in eine Vakuumkammer, während die Vakuumkammer ein Vakuum in der Vakuumkammer aufrechterhält, wobei die Kunststoffbehälterkörper jeweils eine äußere Oberfläche und eine innere Oberfläche, die einen Innenraum definieren, aufweisen;
Fördern der Kunststoffbehälterkörper durch die Vakuumkammer;
Zuführen eines reaktiven Gases in die Vakuumkammer;
Erhitzen und Verdampfen eines anorganischen Beschichtungsmaterials mit einem Verdampfer, der in der Vakuumkammer angeordnet ist, um einen Beschichtungsdampf zu bilden; und
Herausnehmen der beschichteten Kunststoffbehälter aus der Vakuumkammer;
wobei die Schritte eines Förderns der Behälterkörper und Bildens des Beschichtungsdampfs so durchgeführt werden, dass, wenn die Behälterkörper durch die Vakuumkammer gefördert werden, der Beschichtungsdampf mit dem reaktiven Gas reagiert und eine dünne Schicht auf der äußeren Oberfläche der Behälter ablagert, (b) die dünne Schicht eine anorganische Verbindung enthält und sich an die äußere Oberfläche der Behälterkörper bindet und (c) die resultierenden beschichteten Kunststoffbehälter, wenn sie ein Druckfluid enthalten, das im Innenraum bei einem Druck von 60 psig (4,1 Bar) abgedichtet ist, eine Gasbarriere von mindestens 1,25× der Gasbarriere der Behälter ohne die Schicht besitzen, wenn die Behälter ohne die Schicht ein Druckfluid enthalten, dass im Innenraum bei einem Druck von 60 psig (4,1 Bar) abgedichtet ist.
Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein System zur Herstellung eines beschichteten Kunststoffbehälters, der eine Gasbarriere besitzt, bereitgestellt, wobei das System umfasst:
eine Vakuumkammer, die ein Vakuum in der Vakuumkammer aufrechterhalten kann;
eine Behälterzufuhrvorrichtung zur Zufuhr von Kunststoffbehälterkörpern in die und Herausnahme von beschichteten Kunststoffbehältern aus der Vakuumkammer, wobei die Kunststoffbehälterkörper jeweils eine äußere Oberfläche und eine innere Oberfläche, die einen Innenraum definiert, aufweisen;
einen Förderer in der Vakuumkammer zum Fördern der Kunststoffbehälterkörper durch die Vakuumkammer; und
mindestens eine Quelle, die in der Vakuumkammer angeordnet ist, zum Zuführen eines Beschichtungsdampfs zur äußeren Oberfläche der Behälterkörper, wenn die Behälterkörper durch die Vakuumkammer gefördert werden, wobei die mindestens eine Quelle von Beschichtungsdampf einen Verdampfer zum Erhitzen und Verdampfen eines Metallbeschichtungsmaterials umfasst, um den Beschichtungsdampf zu bilden;
die mindestens eine Quelle von Beschichtungsdampf und der Förderer so in der Vakuumkammer strukturiert und angeordnet sind, dass der Beschichtungsdampf von der mindestens einen Quelle eine dünne Schicht auf der äußeren Oberfläche der Behälter ablagert, die dünne Schicht ein Metall umfasst und sich an der äußeren Oberfläche der Behälterkörper bindet und die resultierenden beschichteten Kunststoffbehälter, wenn sie ein Druckfluid enthalten, das im Innenraum bei einem Druck von 60 psig (4,1 Bar) abgedichtet ist, eine Gasbarriere von mindestens 1,25× der Gasbarriere der Behälter ohne die Schicht besitzen, wenn die Behälter ohne die Schicht ein Druckfluid enthalten, das im Innenraum bei einem Druck von 60 psig (4,1 Bar) abgedichtet ist.
Vorzugsweise sind das System und Verfahren zur Herstellung von beschichteten Kunststoffbehältern dieser Erfindung kontinuierlich und können mit einer hohen Geschwindigkeit und großen Menge arbeiten, um die beschichteten Behälter in großen Stückzahlen wirtschaftlich zu fertigen. Bevorzugter führt im System und Verfahren zur Herstellung eines beschichteten Kunststoffbehälters dieser Erfindung, während die Vakuumkammer ein Vakuum in der Vakuumkammer aufrechterhält, die Behälterzufuhrvorrichtung die Behälterkörper kontinuierlich von außerhalb der Vakuumkammer in die Vakuumkammer zum Förderer zu, fördert der Förderer kontinuierlich die Behälterkörper durch die Vakuumkammer vorbei an der mindestens einen Quelle und führt die Behälterzufuhrvorrichtung kontinuierlich die beschichteten Behälter von den Förderern zu und nimmt die beschichteten Behälter aus der Vakuumkammer heraus. Vorzugsweise sind dieses System und Ver fahren automatisch. Die Behälterzufuhrvorrichtung in dem System und Verfahren dieser Erfindung ist wünschenswerterweise ein Drehzufuhrvorrichtungssystem, das Behälterkörper kontinuierlich und automatisch in die Vakuumkammer und aus ihr heraus mit einer hohen Geschwindigkeit und bei einer großen Menge zuführen kann, während die Vakuumkammer ihr Vakuum aufrechterhält. Dieser Hochgeschwindigkeitsprozess ermöglicht, dass das System und Verfahren eines Beschichtens von Kunststoffbehältern in einem Hochgeschwindigkeitsmassenproduktionsprozess, wie z. B. einer Getränkeverpackungsstraße, platziert wird.
Der in der Vakuumkammer erzeugte Beschichtungsdampf liegt wünschenswerterweise in der Form eines Plasmas vor. Eine geeignete Vorrichtung zur Erzeugung des Plasmas ist eine kalte Kathode, die auch als Elektronenkanone bekannt ist. Das Plasma kann fakultativ mit einer oder mehreren Antennen mit Energie beaufschlagt werden, die in der Vakuumkammer angeordnet sind, wobei RF (Radiofrequenz)- oder HF (Hochfrequenz)-Energie verwendet wird, um ein Hochenergieplasma zu bilden.
Obwohl die verschiedensten verdampfbaren Materialien verwendet werden können, um die anorganische Oxidschicht zu bilden, gemäß dieser Erfindung, wie in größerer Einzelheit nachstehend erklärt, umfasst die anorganische Oxidschicht wünschenswerterweise Siliciumdioxid und glasbildende Metallzusatzmittel, wie z. B. Zink, Kupfer oder Magnesium.
Das Beschichtungsverfahren und -system dieser Erfindung ermöglicht auch, dass wärmeempfindliche Behälter ohne signifikante Temperaturzunahme beschichtet werden und eine Flaschentemperatur immer deutlich unter 60°C gehalten wird. Außerdem ermöglicht das Beschichtungsverfahren und -system dieser Erfindung mindestens in ihren bevorzugten Formen, dass Mischungen und Lagen von Substanzen aufgebracht werden, die wegen ihrer Farbe oder UV-Absorptionseigenschaften oder zusätzlichen Gasbarriereneigenschaften ausgewählt werden können. Weiter ermöglicht das Verfahren und System dieser Erfindung mindestens in ihren bevorzugten Formen Schichten, wie z. B. Siliciumdioxid, die voll transparent und klar sind und deshalb das Aussehen einer sonst klaren Flasche nicht beeinträchtigen würden. Die Beschichtungsmaterialien sind inert und bleiben fest, wenn die Kunststoffflasche zum Recycling geschmolzen wird.
Eine zusätzliche Funktionalität kann in die anorganische Schicht dieser Erfindung eingebaut werden, indem man im Sichtbaren absorbierende Arten einbaut, die den Kunststoffbehälter verschönern.
Das Verfahren einer bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung zur Herstellung von Kunststoff mit Recyclinganteil umfasst die Schritte: Bereitstellen einer Charge Kunststoff, wobei mindestens ein Teil der Charge Kunststoff beschichtete Kunststoffbehälter umfasst, und Umwandeln der Charge Kunststoff in eine Form, die zur Schmelzextrusion geeignet ist. Jeder beschichtete Kunst stoffbehälter umfasst einen Behälterkörper mit einer äußeren Oberfläche und einer Schicht auf der äußeren Oberfläche, die ein anorganisches Oxid umfasst. Die beschichteten Kunststoffbehälter können durch das vorstehend beschriebene Verfahren hergestellt werden und weisen wünschenswerterweise eine sehr dünne anorganische Oxidschicht auf. Die Schicht weist vorzugsweise eine Dicke von etwa 1 bis etwa 100 nm auf.
Geeignete Verfahren zum Umwandeln der Charge Kunststoff in eine Form, die zur Schmelzextrusion geeignet ist, umfassen Zerkleinern der Charge Kunststoff, um Schnitzel zu erzeugen, und Schmelzen der Schnitzel, um einen schmelzextrudierbaren Recyclingkunststoff zu bilden. Alternativ kann die Charge Kunststoff depolymerisiert und repolymerisiert werden, um einen schmelzextrudierbaren Recyclingkunststoff zu bilden. Der Recyclingkunststoff kann in Kunststoffartikel, wie z. B. Kunststoffbehälter mit Recyclinganteil, schmelzextrudiert werden.
Wegen der inerten Beschaffenheit und Dünnheit der Schichten der vorliegenden Erfindung können die beschichteten Behälter in einem beliebigen herkömmlichen Recyclingsystem verarbeitet werden, ohne dass der Prozess modifiziert wird. Außerdem wird eine Trübheit in den resultierenden Recyclingartikeln in der vorliegenden Erfindung vermieden, weil die Schicht verhältnismäßig kleine Partikeln während des Recycling bildet. Weiter sind die Schichtpartikeln im Recyclingkunststoff für Nahrungsmittelberührung akzeptabel und beeinflussen deshalb die Recyclingbemühung bei Zerkleinerung oder Depolymerisierung im Recyclingprozess nicht nachteilig.
Das Recyclingverfahren der vorliegenden Erfindung mindestens in ihren bevorzugten Formen stellt ein Verfahren zum Recycling von beschichtetem Kunststoff bereit, das Ergebnisse aufweist, die bisher unerreichbar waren. Insbesondere ist eine Separation von beschichteten und unbeschichteten Kunststoffen nicht notwendig, wodurch Modifikationen an vorhandenen Recyclingsystemen unnötig sind oder wodurch Extraprozessschritte (Separieren von beschichteten Flaschen von unbeschichteten Flaschen) vermieden werden können. Außerdem ist es möglich, einen transparenten Kunststoff von beschichtetem Kunststoff zu erzeugen, während das vorstehend angegebene Problem einer Trübheit im Endrecyclingprodukt vermieden wird. Obwohl die vorliegende Erfindung beim Recycling von vielen Typen von Kunststoff verwendet werden kann, wird es in Erwägung gezogen, dass diese Erfindung bei Kunststoffartikeln, wie z. B. Behältern oder Flaschen, und spezieller bei Kunststoffgetränkeflaschen verwendet werden kann. Ein Flasche-zu-Flasche-Recycling bleibt mit der vorliegenden Erfindung unbeeinträchtigt. Die Schicht der vorliegenden Erfindung tritt nicht in Konflikt mit dem stromabwärts vorhandenen Spritzgussverfahren oder Blasformverfahren von Recyclingkunststoff.
Das Verfahren zum Verpacken eines Getränks gemäß dieser Erfindung mindestens in ihren bevorzugten Formen umfasst die Schritte: Bereitstellen eines beschichteten Kunststoffbehälters, Befüllen des Kunststoffbehälters mit dem Getränk und Abdichten des Kunststoffbehälters nach dem Schritt einer Befüllung. Der beschichtete Kunststoffbehälter umfasst einen Kunststoffbehälterkörper mit einer äußeren Oberfläche und einer Schicht auf der äußeren Oberfläche, die vorzugsweise ein anorganisches Oxid umfasst. Diese Schicht liefert eine Gasbarriere und ist wünschenswerterweise die vorstehend beschriebene Schicht. Die Gasbarrierenschicht hemmt den Gasstrom in den und aus dem Behälter. Beispielsweise kann die Gasbarrierenschicht das Getränk gegen den Sauerstoffstrom von der Außenseite in den Behälter schützen oder kann den Kohlendioxidstrom aus dem Getränkebehälter hemmen. Das Verfahren und System zum Verpacken eines Getränks gemäß dieser Erfindung in ihren bevorzugten Formen ist besonders nützlich beim Herstellen von kohlensäurehaltigen Getränken. Ein solches Verfahren umfasst vorzugsweise weiter die Schritte: Carbonisieren des Getränks vor dem Befüllungsschritt und dann Abdichten des Getränks unter Druck im beschichteten Behälter. Das resultierende kohlensäurehaltige Getränk weist eine längere Gebrauchsfähigkeitsdauer auf, weil die Schicht auf dem Behälter das Kohlendioxid besser im Behälter hält.
Das Verfahren und System zum Verpacken eines Getränks gemäß dieser Erfindung mindestens in ihren bevorzugten Formen ist wünschenswerterweise ein Hochgeschwindigkeitsprozess für große Mengen, bei dem die beschichteten Kunststoffbehälter kontinuierlich bereitgestellt werden, die Mehrzahl von Kunststoffbehältern kontinuierlich mit dem Getränk befüllt werden und die befüllten Behälter kontinuierlich abgedichtet werden. Demgemäß kann das Verfahren und System zum Verpacken eines Getränks eine einzige kontinuierliche Verarbeitungsstraße bilden, einschließlich der Kunststoffbehälterkörperproduktion, dem Prozess zum Beschichten des Kunststoffbehälters und der Schritte: Befüllen der Kunststoffbehälter mit einem Getränk und Abdichten des Kunststoffbehälters nach dem Schritt eines Befüllens, obwohl eine solche einzelne kontinuierliche Verarbeitungsstraße nicht notwendig ist.
Ein weiterer Bereich einer Anwendbarkeit der vorliegenden Erfindung wird aus der detaillierten Beschreibung, die nachstehend gegeben wird, ersichtlich. Jedoch versteht es sich, dass die detaillierte Beschreibung und die speziellen Beispiele, obwohl sie bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anzeigen, nur zwecks Veranschaulichung gegeben werden, da verschiedene Änderungen und Modifikationen im Bereich der Erfindung Fachleuten aus dieser ausführlichen Beschreibung ersichtlich werden.
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden aus der detaillierten Beschreibung, die nachstehend gegeben wird, und den beigefügten Zeichnungen, die nur zwecks Veranschaulichung gegeben werden und folglich für die vorliegende Erfindung nicht beschränkend sind, leichter verstanden.
1 ist eine teilweise schematische Veranschaulichung eines Systems zum Beschichten von Kunststoffbehältern gemäß einer ersten Ausführungsform dieser Erfindung, wobei Vorspannungsenergie verwendet wird;
1A ist eine teilweise schematische Veranschaulichung, die das Aufnahmebehältnis 3 und ein Ergänzungsaufnahmebehältnis darstellt, die auf einem Träger 19 positioniert sind, die in der in 1 veranschaulichten Ausführungsform nützlich sind;
1B ist eine teilweise schematische Veranschaulichung eines 1 ähnelnden Beschichtungssystems, die aber eine modifizierte Form der Beschichtungskammer darstellt, gemäß einer anderen Ausführungsform dieser Erfindung;
2A ist eine Aufrissansicht einer Flascheninnenantennen- und Flaschenverschließ-Anordnung vor Einsetzung der Antenne;
2B ist eine Querschnittsansicht der Flascheninnenantennen- und Flaschenverschließ-Anordnung von 2A nach Einsetzung der Antenne;
2C ist eine Querschnittsansicht, die eine modifizierte Form einer Flascheninnenantenne vor Einsetzung darstellt;
2D ist eine Querschnittsansicht, die 2C ähnelt, nach Einsetzung der Flascheninnenantenne;
3 ist eine schematische Veranschaulichung eines Beschichtungssystems gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die Vorspannungsenergie verwendet;
4 ist eine schematische Veranschaulichung der Handhabung von Flaschen, Haltevorrichtungen, Verschlüssen, Antennen, Luftverdrängungskragen der vorliegenden Erfindung;
5A ist eine teilweise Aufrissansicht eines Systems zum Fördern von Flaschen, zuerst vertikal, dann horizontal, während die Flaschen kontinuierlich gedreht werden;
5B ist eine Schnittansicht der Flaschenstange, aufgenommen entlang der Linie V-V von 5A;
6A ist eine schematische Veranschaulichung von Flaschen, die sich an Plasmaerzeugungs- und Beschichtungsquellen vorbeibewegen;
6B ist eine Seitenschnittansicht, aufgenommen entlang der Linie VI-VI von 6A;
7 ist eine grafische Darstellung, die Verbesserungen beim Gasbarrierenfaktor mit zunehmendem Gehalt an Zn oder Cu darstellt; die 8A und 8B sind eine teilweise Draufsicht auf ein Hochgeschwindigkeitskunststoffbehälterbeschichtungssystem für große Mengen gemäß noch einer anderen Ausführungsform dieser Erfindung, wobei das Innere der Behälter zufuhrvorrichtung und Vakuumkammer freiliegen;
9A und 9B sind eine teilweise Seitenaufrissansicht des Beschichtungssystems, das in den 8A und 8B veranschaulicht ist, wobei die Verdampfer und das Innere der Behälterkörperzufuhrvorrichtung freiliegen. Der Förderer ist in den 9A und 9B nicht dargestellt;
10 ist eine teilweise Endaufrissansicht, die das Innere der Vakuumkammer freilegt;
11 ist eine teilweise Draufsicht auf das Vakuumkammergehäusedurchlasstor und das Zufuhrrad des Beschichtungssystems, die in den 8A und 8B veranschaulicht sind;
12 ist eine teilweise Schnittaufrissansicht des Vakuumkammergehäusedurchlasstors und des Zufuhrrads, die in 11 veranschaulicht sind;
13 ist eine teilweise Schnittaufrissansicht einer Behälterkörperzufuhrvorrichtung, die einen Teil des Beschichtungssystems bildet, das in den 8A und 8B veranschaulicht ist;
14 ist eine teilweise Draufsicht auf die Behälterkörperzufuhrvorrichtung, die in 13 veranschaulicht ist;
15 ist ein Flussdiagramm, das die Schritte eines physikalischen Recycling veranschaulicht; und
16 ist ein Flussdiagramm, das die Schritte eines chemischen Recycling veranschaulicht.
Schichten mit guter Haftung an einer Oberfläche eines Behälters, guten Gasbarrieren und die die notwendige Streckbarkeit und Flexibilität bereitstellen, können durch die Verfahren und Systeme der vorliegenden Erfindung erzeugt werden. Überall in der vorliegenden Beschreibung wird ein Behälter oder eine Flasche beschrieben. Auf einen unbeschichteten Behälter wird als ein Behälterkörper Bezug genommen. Während dieser Behälterkörper im Allgemeinen mit Bezug auf eine Kunststoffflasche beschrieben wird, kann ein beliebiger geeigneter Behälter durch das Verfahren und System der vorliegenden Erfindung behandelt werden. Demgemäß können Flaschen alkoholfreier Getränke von unterschiedlichen Größen, andere Nahrungsmittelbehälter oder beliebige andere geeignete Behälter behandelt werden, indem das offenbarte Verfahren und System verwendet wird.
BESCHICHTUNGSSYSTEME UNTER VERWENDUNG VON VORSPANNUNGSENERGIE
Beschichtungssystem
1 stellt eine Quelle 1 dar, die als ein typisches Verdampfungs- und Plasmaerzeugungssystem für diese vorliegende Erfindung verwendet wird. Eine herkömmliche wassergekühlte kalte Kathode oder Elektronenkanone 2 wird verwendet, um Energie zu einem herkömmlichen Aufnahmebehältnis 3 zu transportieren, das das Beschichtungsmaterial 4 enthält. Dieses Aufnahmebehältnis 3 ist aus einem Material konstruiert, das zum Schmelzen und Verdampfen des speziellen gewählten Beschichtungsmaterials geeignet ist, und muss sowohl inert als auch beständig gegen die Temperatur sein, die notwendig ist, um die erforderlichen Mengen an Dampf zu erzeugen. Z. B. hat man gefunden, dass zum Verdampfen von Silicium Kohlenstoff ein geeignetes Material ist. Das Aufnahmebehältnis 3 wird von einer Aufnahmebehältnishaltevorrichtung 5 getragen, die wassergekühlt oder durch andere Verfahren gekühlt ist.
Ein Potenzial ist über die kalte Kathode 2 und das Aufnahmebehältnis 3 angeschlossen, wobei sich die kalte Kathode am negativen (Kathoden-) Pol befindet und sich das Aufnahmebehältnis am positiven (Anoden-) Pol befindet, so dass Energie in der Form eines Stroms von Elektronen zwischen der kalten Kathode und dem Aufnahmebehältnis fließen kann. Indem man diese herkömmlichen Bauteile (d. h. die kalte Kathode oder Elektronenkanone 2 und das Aufnahmebehältnis 3) verwendet und indem man die Position der kalten Kathode 2 in Bezug zur horizontalen Oberfläche des Aufnahmebehältnises 3 variiert, kann das Verhältnis von Energie, die zur Plasmaerzeugung und Verdampfung verfügbar ist, eingestellt werden. Z. B. ist in der Position A ein großer Teil der Energie zur Plasmaerzeugung verfügbar, während in der Position B nahezu alle Energie zur Verdampfung verwendet wird und fast kein Plasma gebildet wird. Das Maß an Energie zur Quelle 1 wird durch die Spannung V eingestellt, um die spezielle Ablagerungsrate auf der äußeren Flaschenoberfläche 6 zu liefern, was ermöglicht, dass das Beschichtungsmaterial 4 nach Verdampfung abgelagert wird und vollständig (d. h. stöchiometrisch) mit der gasförmigen Substanz 7 (oder Mischung von Substanzen), die in die Beschichtungskammer 8 eingeführt wird, reagiert, wodurch sichergestellt ist, dass keine signifikanten Mengen an unreagiertem Gas in der Schicht 9 okkludiert werden können. Z. B. können in einer von den bevorzugten Ausführungsformen, die Silicium als Beschichtungsfestkörper 4 und Sauerstoff als gasförmige Substanz 7 verwendet, Ablagerungsraten auf der Beschichtungsoberfläche von 1 bis 50 nm/s volltransparente Schichten mit faktisch x = 2 in SiO_x ergeben, während überschüssiger Sauerstoff (oder Luft) vermieden wird und ein Hochvakuum in der Beschichtungskammer aufrechterhalten wird (im Bereich von 10^–5 mBar bis 10^–2 mBar).
Zur Erzeugung von guten Gasbarrierenergebnissen ist es vorteilhaft, sicherzustellen, dass eine Reaktion auf der Oberfläche zwischen dem Beschichtungsmaterial 4 und der gasförmigen Substanz 7 stattfindet, nachdem das Beschichtungsmaterial 4 abgelagert worden ist und ein Festkörpergitter gebildet hat, da die gasförmige Substanz 7 dann die Schicht 9 verdichtet, indem sie im Festkörpergitter reagiert. Der Abstand H zwischen einer Oberfläche 6 eines Behälterkörpers 10 und dem Aufnahmebehältnis 3 ist wichtig, wenn das Beschichtungsmaterial 4 umgangen wird, das mit der gasförmigen Substanz 7 reagiert, bevor das Beschichtungsmaterial 4 auf der Behälteroberfläche 6 abgelagert ist. Ebenso ist der Zustand des Beschichtungsmaterials 4 wichtig, um eine maximale Reaktion auf der Oberfläche sicherzustellen. Ein Abstand H wird so gewählt, dass sich eine optimale Verwendung der Quelle 1 ergibt (wodurch ermöglicht wird, dass sie möglichst viele Flaschen 10 beschichtet). Der Abstand H hängt vom Vakuum und der Ablagerungsrate ab, liegt aber im Allgemeinen im Bereich 0,50 m bis 2 m. Auch ermöglicht eine Zunahme des Abstands H in den beschriebenen Grenzen, dass Hochenergieplasmen an der Quelle 1 erzeugt werden, ohne dass der Behälterkörper 10 wärmebeschädigt wird.
Das in der Vakuumkammer erzeugte Plasma kann ein Hochenergieplasma sein, das durch die Position der kalten Kathode 2, die Spannung V und den Abstand zwischen der kalten Kathode und dem Aufnahmebehältnis 3 und dem Beschichtungswinkel a bestimmt ist, der wünschenswerterweise im Bereich von 0 bis 70° liegt. Fakultativ kann Vorspannungsenergie, die geliefert wird, indem eine Antenne 11 im Innern der Flasche oder Behälterkörper 10 lokalisiert wird und sie an eine RF- oder HF-Quelle angeschlossen wird, verwendet werden, um das Plasma mit Energie zu beaufschlagen. Abhängig vom Material der Flasche 10 können Vorspannungsenergien von bis zu 2000 V verwendet werden. Übermäßige Vorspannung kann nachteilig sein, indem die Flaschenoberfläche 6 überhitzt und beschädigt wird.
Eine Drehung der Flasche 10 ermöglicht, dass die Flasche 10 über ihre ganze Oberfläche mit einer hohen Rate einer Ablagerung von Beschichtungsmaterial 4 beschichtet wird, während Zeit zur Reaktion mit gasförmiger (en) Substanz (en) 7 gelassen wird. Wenn die Seitenwand beschichtet wird, kann die Rate einer Ablagerung von Beschichtungsmaterial 4 auf den Teil der Oberfläche der Flasche 10, der sich direkt gegenüber der Quelle 1 befindet und der die einzige Oberfläche ist, die eine signifikante Ablagerung von Beschichtungsmaterial 4 erhält, eingestellt werden, indem die Flasche 10 mit einer angemessenen Rate gedreht wird, so dass diese Ablagerung nur ein paar molekulare Lagen umfasst. Diese molekularen Lagen können sich leicht mit gasförmiger (en) Substanz (en) 7 umsetzen, wodurch das gewünschte Kriterium einer Reaktion auf einer Oberfläche mit einer verfestigten Ablagerung erzielt wird, da dies dazu beiträgt, die erforderliche dichte geschlossene Schicht bereitzustellen, die eine gute Gasbarriere liefert. Ferner, da derjenige Teil der Oberfläche der Flasche 10, der der Quelle 1 nicht gegenüberliegt, weiterreagieren kann, obwohl er keine Ablagerung von Beschichtungsmaterial 4 erhält, bringt diese Prozedur den ganzen 360°-Umfang der Flasche 10 in den Ablagerungs/Reaktions-Zyklus und verringert die Beschichtungszeit. Deshalb trägt eine richtige Einstellung einer Drehrate (R) dazu bei, eine volle Reaktion bei optimalen Beschichtungsratenbedingungen sicherzustellen.
Kleine oder Spuren-Zugaben von gewissen Metallen in Siliciumdioxid- und anderen Schichten können eine Gasbarriere erhöhen. Solche Metalle können als glasbildende Metallzusatzmittel beschrieben werden, weil sie als Zusatzmittel zur Verwendung bei einer Herstellung von Glas bekannt sind. Geeignete glasbildende Metallzusatzmittel umfassen Ag, Al, Ca, Cr, Cu, Fe, K, Mg, Mn, Na, Ni, Sn, Ti und Zn. Diese Metalle werden zugegeben, um einen Anteil an Metall in der Schicht 9 von 0,01 bis 50% zu bilden. Z. B. erhöhen solche Zugaben zu einer Schicht 9, die hauptsächlich aus SiO₂ besteht, die Gasbarriere um einen Faktor von 2 oder mehr. Solche Metalle werden entweder zum Aufnahmebehältnis 3 zugegeben oder werden durch die Opfererosion der elektronenemittierenden Platte oder Schutzschild 12 der kalten Kathode 2 geliefert, wobei diese aus dem gewünschten Metall oder einer Mischung von Metallen konstruiert ist.
Alternativ kann, wie in 1A dargestellt, ein separates Aufnahmebehältnis 16 vorgesehen sein, um eine Quelle 16' von Metallen aufzunehmen. Diese Aufnahmebehältnisse 3 und 16 können auf dem Boden der Beschichtungskammer 8, wie in 1 dargestellt, oder auf einem Träger 19, wie in 1A dargestellt, oder an einer beliebigen geeigneten Stelle getragen werden. Die kalte Kathode 2 kann auf die Materialien 3', 16' in beiden jeweiligen Aufnahmebehältnissen 3, 16 einwirken, oder es können zwei separate kalte Kathoden vorgesehen sein. Auch kann der Abstand zwischen den Aufnahmebehältnissen 3, 16 verhältnismäßig eng sein, wie in 1A dargestellt, oder sie können weiter beabstandet sein, oder der Abstand kann variiert sein.
In 1B wird eine alternative Ausführungsform der Beschichtungskammer 8 verwendet. Anstatt dass Flascheninnenantennen 11 oder eine Beschichtungskammerantenne 14 verwendet wird oder zusätzlich zu diesen Antennen 11, 14 wird eine äußere Vorspannungs-Antenne 28 verwendet. Diese Antenne 28 dient dazu, eine Vorspannung während eines Beschichtens vorzusehen. Natürlich ist dies separat zu der schon dargestellten Flaschenaußenantenne 14 zur Vorbehandlung. Obwohl nicht in 1B angegeben, sind geeignete Mittel vorgesehen, um die Behälterkörper 10 zu halten und/oder zu transportieren. Obwohl ein kontinuierlicher oder semikontinuierlicher Prozess zur Behandlung der Flaschen oder Behälterkörper 10 nachstehend erörtert wird, sollte es augenscheinlich sein, dass die vorliegende Erfindung auch auf Chargenbetrieb anwendbar ist.
Obwohl nicht in den 1, 1A oder 1B dargestellt, kann eine automatische Quelle zur Zufuhr des Materials zum Aufnahmebehältnis 3 und/oder 16 vorgesehen sein. Diese Materialien können als eine Stange oder andere Festkörperstruktur oder in einer beliebigen anderen Form zugeführt werden. Es wird in Erwägung gezogen, dass Material im Aufnahmebehältnis 3 zum Aufnahmebehältnis 3 in Festkörperform zugeführt wird, und insbesondere, dass es in einer Klumpenoder Nichtpulverform vorliegt. Indem man den Oberflächenbereich dieses Mate rials minimiert, können nachteilige Wirkungen einer Oxidation vermieden werden. Das Material im Aufnahmebehältnis 3 (und 16, wenn vorhanden) ist eine Quelle von Dampf in der Beschichtungskammer, wenn die kalte Kathode 2 auf es einwirkt. Dieser Dampf wird auf die Flaschen oder Behälterkörper 10 abgelagert, wie nachstehend beschrieben wird. Es sollte angemerkt werden, dass eine am Aufnahmebehältnis 16 angebrachte Verdrahtung 17 in 1A angezeigt ist. Diese Verdrahtung 17 kann verwendet werden, um Strom zum Aufnahmebehältnis 3 und/oder 16 zuzuführen, wie im US-Patent 5,565,248 beschrieben, wenn es so gewünscht wird. Natürlich kann eine solche Verdrahtung weggelassen werden.
Wenn der Schutzschild oder die Platte 12 als eine Quelle verwendet wird, kann das Ausmaß an Erosion durch Einstellen eines Abstands D zwischen dem Aufnahmebehältnis 3 und der kalten Kathode 2 und durch das Ausmaß an Kühlen, das auf die Platte oder Schutzschild 12 durch die Mittel zum Kühlen 15 aufgebracht wird, annähernd gesteuert werden. Diese Mittel zum Kühlen 15 können eine oder beide von der kalten Kathode und der Platte oder Schutzschild 12 kühlen. Eine Wasserkühlung oder eine beliebige andere geeignete Kühlung kann durch diese Mittel zum Kühlen 15 vorgesehen sein. Die andere Hauptvariable, die eine Erosion der Platte 12 beeinträchtigt, ist die Spannung V, die an die kalte Kathode 2 angelegt wird, aber diese wird entsprechend den Plasmaerzeugungs- und Verdampfungsratenerfordernissen normalerweise unabhängig eingestellt. Beschichtungsmaterialien Die Wahl des Beschichtungsmaterials 4 und der gasförmigen Substanz 7 hängt von den Prozesskriterien ab (Kosten, Schichtfarbe, Ausmaß an notwendiger Gasbarrierengröße der Flasche und insbesondere dem Typ von Kunststoff, der bei der Flasche verwendet wird). Gute Gasbarrieren sind durch vorstehend beschriebene Prozeduren mittels einer Reaktion auf der Oberfläche von Silicium mit Sauerstoff erhalten worden, was SiO₂, wobei x normalerweise größer als 1,7 und normalerweise unerheblich kleiner als 2 ist, und folglich glasartige transparente Schichten ergibt. Es wird in Erwägung gezogen, dass die Schicht 0,01 bis 50% von einem oder mehreren der glasbildenden Metallzusatzmittel enthält, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Li, Na, K, Rb, Cr, Mg, Ca, Sr, Ba, Ti, Al, Mn, V, Cr, Fe, Co, Ni, Zn, Cu, Sn, Ge und In besteht.
Eine Verwendung von Metallen und anderen gasförmigen Substanzen ermöglicht auch gefärbte Schichten oder UV-absorbierende Schichten (indem man die Reaktionsteilnehmer geeignet wählt). Mehr als eine Lage, wobei jede Lage eine unterschiedliche Zusammensetzung umfasst, kann auch vorteilhaft sein, insbesondere, wenn gefärbte Schichten erzeugt werden, da ein Kombinieren von gefärbten und transparenten Lagen ermöglicht, dass eine gute Gasbarriere mit einer minimalen Dicke einer gefärbten Schicht erhalten wird, wodurch eine Recycelbarkeit verbessert wird. Wenn mehr als ein Typ von Substanz als Beschichtungsfestkörper 4 verwendet wird, ist es häufig notwendig, mehr als eine Quelle 1 bereitzustellen, da Unterschiede im Dampfdruck zwischen Substanzen zu einer Fraktionierung und ungesteuerten Anteilen von jeder Substanz in der Schicht 9 führen können. Weiter ist es möglich, unter Verwendung der Systeme und Verfahren, die hierin offenbart sind, Kunststoffbehälterkörper mit Metallen zu beschichten, die keine Oxide sind, sondern vielmehr elementare Metalle sind. Z. B. können Kunststoffbehälterkörper mit elementarem Aluminium oder Silicium beschichtet werden, indem die Verwendung von Reaktionsgas von der Vakuumkammer ausgeschlossen wird.
Behältervorbehandlung
Für gewisse Kunststoffoberflächen ist eine Oberflächenvorbehandlung zur leichten Aktivierung der Flaschenoberfläche 6 nützlich, indem freie Radikale auf der Oberfläche gebildet werden. Eine solche Vorbehandlung ist unter Verwendung einer gasförmigen Vorbehandlungssubstanz 13, die häufig dieselbe sein kann wie die gasförmige Substanz 7, und bei denselben Kammerdruckbedingungen möglich. Für einige Kunststoffsubstrate kann es nützlich sein, die Flaschenoberfläche 6 zu entgasen, um absorbierte Feuchtigkeit und Materialien von niedrigem Molekulargewicht zu entfernen. Dies wird erzielt, indem die Flasche 10 für eine Zeitdauer von 5–180 s in einem Vakuum gehalten wird. Flaschen oder Behälterkörper 10, die unmittelbar nach einem Blasformen geblasen werden, können verhältnismäßig schnell entgast werden, und eine Lokalisierung eines Beschichtungsprozesses neben einer Blasformgebungsvorrichtung ist wünschenswert. Solche Vorbehandlungen können durchgeführt werden, indem entweder die Flascheninnenantenne 11 mit RF- oder HF-Energie verwendet wird, um ein Gasplasma auf der Flaschenoberfläche 6 zu erzeugen, oder indem eine Beschichtungskammerantenne 14 mit einer Gleichstrom- oder HF- oder RF-Quelle verbunden wird und ein Plasma in der ganzen Kammer erzeugt wird.
Für gewisse Zusammensetzungen der Schicht 9 ist es wünschenswert, die Schicht auf einer Flasche 10 aufzubringen, die während des Beschichtungsprozesses einen Innendruck aufweist, der signifikant höher ist als der Kammerdruck. Dies ergibt eine verbesserte Gasbarriere, indem ermöglicht wird, dass sich die Schicht 9 entspannt/kontrahiert, wenn die Flasche 10 nicht unter Druck steht, während auch ermöglicht wird, dass die Schicht 9 gegen ein Rissigwerden aufgrund eines Streckens beständig ist, wenn die Flasche 10 bei normaler Verwendung unter Druck kommt.
Einige Kunststoffoberflächen, insbesondere diejenigen von PET, welches ein Polymer ist, das bei Kunststoffflaschen am häufigsten verwendet wird, verschlechtern sich nach einem Blasformen, was auf die Migration von Komponenten niedrigen Molekulargewichts zur Oberfläche zurückzuführen ist. Es ist wichtig, die Qualität der Flaschenoberfläche 6 vor dem Beschichten zu bestimmen. Unter einem Rasterelektronenmikroskop können diese migrierenden Komponenten auf der Flaschenoberfläche 6 beobachtet werden, und eine wichtige Qualitätskontrolle kann folglich angewandt werden.
Für eine Qualitätskontrolle ist es auch demonstriert worden, dass Rutherford-Rückstreuung (RBS) die Dicke von sehr dünnen Schichten (z. B. 50 nm) und auch ihre Zusammensetzung bestimmen kann, wobei das letztere wichtig ist, wenn mit mehr als einer Festkörperkomponente beschichtet wird. Röntgenstrahlfluoreszenz kann auch verwendet werden, um eine Schichtdicke zu messen, und weil dies ein verhältnismäßig einfacher Prozess ist, kann eine Röntgenstrahlfluoreszenz als ein In-Line-Qualitätskontrollsystem nach einer Beschichtungsmaschine angewandt werden. Schließlich ermöglicht ein Beobachten der Oberfläche von beschichteten Flaschen 10 unter einem Rasterelektronenmikroskop, nachdem diese Flaschen 10 einem Gasdruck ausgesetzt worden sind, einen ersten Indikator einer Beschichtungsleistungsfähigkeit, da die Schichten 9 mit einer schlechten Gasbarrierenleistungsfähigkeit eine Neigung aufweisen, rissig zu werden/sich abzuschälen.
Antennen- und Flaschenverschließ-Anordnung
2 stellt eine Antennen- und Flaschenverschließ-Anordnung als ein Beispiel dar. Andere ähnliche Anordnungen, die dasselbe Ergebnis erzielen, sind möglich. Ein Verschluss 20 schließt einen Dichtring 21, einen Gewindeteil 22, einen Einrast-Schnelltrenn-Verbinder 23 und einen Kontaktring 24 für die Vorspannung ein, die entweder durch RF (Radiofrequenz) oder HF (Hochfrequenz) angelegt werden kann. Der Kontaktring 24 weist eine elektrische Verbindung 25 auf, die einen Gleitkontakt mit dem Antennenschaft 26 aufweist. Der Antennenschaft 26 ist in einem Lager 27 montiert, das wiederum im Innern des Verschlusses 20 montiert ist und sich im Verschluss frei drehen kann. Die Antenne 30 weist auf: den Antennenschaft 26, schwenkbare Arme 31a, 31b, leichte Antennensegmente 32a, 32b und ein schweres Antennensegment 33. Der schwenkbare Arm 31b wirkt auch als Antenne für die Basis der Flasche 10, wenn er ausgefahren ist. An der Basis des Antennenschafts 26 befindet sich ein Kugellager 34, das sich frei drehen kann und durch eine Feder 35 und einen Stift 36 nach unten gepresst wird. Wenn sich die Antenne 30 außerhalb der Flasche 10 befindet, sind die Antennensegmente 32, 33 gegen den Antennenschaft 26 gefaltet, was auf die Wirkung der Feder 35 zurückzuführen ist, wie in 2A dargestellt. Der Stift 36 weist einen Basisanschlag 37 und einen Drehzapfen 38 auf, an dem der schwenkbare Arm 31b und das Antennensegment 32b verbunden sind. Wenn sich der Stift 36 nach oben/nach unten bewegt, erstrecken sich der schwenkbare Arm 31b und das Antennensegment 32b nach außen oder falten sich gegen den Antennenschaft 26. Wenn die Antenne 30 in der Flasche 10 eingesetzt ist, wird das Kugellager 34 gezwungen, die Feder 35 zusammenzudrücken, und dies fährt den schwenkbaren Arm 31b nach außen von dem Antennenschaft 36 aus, was die Antenne 30 aufrichtet, so dass alle ihre Segmente 32a, 32b und 33 den Wänden der Flasche 10 nahekommen. Ein Spalt zwischen Wänden der Flasche 10 und Antenne 30 wird aufrechterhalten, der sich möglichst eng an den Wänden der Flasche 10 befindet, aber ohne zu berühren, und liegt in der Praxis zwischen 3 und etwa 15 mm.
Der Verschluss 20 wird auf das Gewindeende (Mund) der Flasche 10 geschraubt, und der gasförmige Inhalt der Flasche 10 wird dadurch durch den Dichtring 21 abgedichtet. Ein Hilfsgerät (nicht dargestellt) tritt in den Verbinder 23 im Verschluss 20 ein und liefert die Schraubenzieherwirkung zum Drehen des Verschlusses 20, um ihn auf die Flasche 10 zu schrauben. Dasselbe Hilfsgerät hält die Flasche 10 (bis sie durch den Verbinder 23 freigegeben wird) und macht Kontakt mit der RF/HF-Vorspannung auf dem Kontaktring 24. Natürlich könnte statt einer Schraubverbindung auch ein Einrast-Schnelltrenn-Verbinder oder andere bekannte Verbindungen für den Verschluss 20 verwendet werden. Wenn die Flasche 10 horizontal gehalten und gedreht wird, stellt das schwere Antennensegment 33 sicher, dass die Antenne 30, die keinen Kontakt mit den Wänden der Flasche 10 aufweist, imstande ist, eine Position aufrechtzuerhalten, die vertikal nach unten gekehrt ist, und wirkt deshalb als Mittel zum Ausrichten der Antenne, so dass sie während eines Beschichtens im Allgemeinen der mindestens einen Quelle zugekehrt ist. Wenn die Antenne 30 ausgerichtet wird, während die Flasche 10 in eine vertikale Position gedreht wird, ermöglicht eine Verwendung eines magnetischen Materials im Antennensegment 33 und ein äußerer Magnet, der geeignet positioniert ist, dass die Antenne 30 in die richtige Richtung gekehrt ist. Demgemäß wirkt dieser Magnet als magnetische Ausrichteinrichtung zum Ausrichten der Antenne, wenn die Längsachse des Behälters allgemein vertikal ausgerichtet ist.
Das durch die 2A und 2B demonstrierte Prinzip kann auch auf eine Mehrsegmentkonstruktion angewandt werden. In einer solchen Mehrsegmentkonstruktion, wo eine Mehrzahl von Antennensegmenten 32a, 32b, 33 und schwenkbaren Armen 31a, 31b eine Faltanordnung ermöglichen, die durch das Ende der Flasche 10 hindurchtreten kann und in der Flasche 10 aufgerichtet werden kann, ergibt sich eine 360°C-Antennen-Abdeckung ihrer Wände. In einem solchen Fall ist die Notwendigkeit für eine Antennenausrichtung beseitigt, und ein größerer Teil der Flasche ist einer Vorspannungsenergie ausgesetzt, was in gewissen Anwendungen kürzere Beschichtungszeiten ermöglicht.
Außerdem kann, abgesehen davon, dass die Antenne 11 oder 30 verwendet wird, eine Rückplatte 18 in der Vakuumkammer vorgesehen sein, wie in 1 angegeben. Die Flaschen oder Behälterkörper 10 sind zwischen dieser Rückplatte 18 und der Quelle 1 positionierbar. Wenn sie verwendet wird, kann diese Rück platte dazu führen, dass das Einsetzen einer Antenne 11 oder 30 in die Flaschen 10 unnötig ist. Dies kann den Gesamtprozess beschleunigen, die Notwendigkeit, einen Lagerbestand von Antennen zu besitzen, verringern und kann andere Vorteile liefern.
Alternativ kann ein Teil oder die gesamte Vakuumkammer 50 oder Beschichtungskammer 8 als eine Antenne verwendet werden. Z. B. kann die Rückplatte 18 weggelassen werden, und die Decke allein oder die Decke und einige von den Wänden oder die ganze Kammer 8 kann als die Antenne verwendet werden. Andere Anordnungen sind auch möglich.
Eine andere Möglichkeit zur Vermeidung der Antennen 11 oder 30 umfasst eine Bereitstellung einer Magnetquelle in der Vakuumkammer 50, wie allgemein durch ein Bezugszeichen 58 in 3 angegeben. Die Anzahl von Magnetquellen 58 und ihre Lokalisierung in der Vakuumkammer 50 kann leicht variiert werden. Die Magnetquelle 58 wirkt als ein Mittel zur Erzeugung eines Magnetfeldes in der Vakuumkammer 50, wobei das Feld den Beschichtungsdampf lenkt.
Diese Magnetquelle könnte alternativ verwendet werden, um den Beschichtungsdampf, der sich zur Flaschenoberfläche bewegt, selektiv zu lenken, wodurch ein gewisses oder das ganze Erfordernis vermieden wird, die Flaschen mechanisch zu drehen oder sie eine Translationsbewegung ausführen zu lassen. Diese Magnetquelle wirkt deshalb als ein Mittel zur Erzeugung eines Feldes, um den Beschichtungsdampf zu lenken.
Obwohl noch eine Flascheninnenantenne verwendet wird, zeigen die 2C und 2D einen anderen möglichen Typ von Antenne 69. Diese Antenne 69 ist gerade und wird deshalb leichter in die Flasche oder den Behälterkörper 10 eingesetzt und aus ihm entfernt. Diese Antenne 69 verläuft einfach als ein gerader "Stab" vom Verschluss bis innerhalb ein paar Millimetern der Basis der Flasche oder des Behälterkörpers 10. Diese Antenne 69 vereinfacht auch den Betrieb, weil kein Schwenken, Ausrichten, Entfalten, um sich den Wänden der Flasche oder des Behälterkörpers 10 anzupassen, und so weiter benötigt werden. Während die Antenne 69 so dargestellt ist, dass sie im Allgemeinen mit der Längsachse der respektiven Flasche oder Behälterkörpers 10 längengleich ist, wird es in Erwägung gezogen, dass eine schiefe Ausrichtung auch möglich ist. Mit anderen Worten würde die Antenne 69 in Bezug zur Längsachse der Flasche oder des Behälterkörpers 10 gewinkelt sein. In einer solchen gewinkelten Position kann die Antenne 69 die Längsachse der Flasche oder des Behälterkörpers 10 schneiden oder auch nicht.
Alternativ könnte auch eine Korkzieherantenne verwendet werden. Diese Antenne würde in der Flasche oder dem Behälterkörper 10 geschraubt sein, würde aber näher an den Seitenwänden sein als die gerade Antenne 69, ohne diese Seitenwände zu berühren. Andere mögliche Antennen sind natürlich auch möglich.
Es ist normalerweise wünschenswert, eine Beschichtung des Gewindeendes einer Getränkeflasche zu vermeiden, weil dies die Verschlussleistungskennwerte beeinträchtigen kann und weil dieses in Berührung mit dem Getränk und vielleicht dem Mund des Verbrauchers kommen kann. Obwohl sämtliche in den bevorzugten Ausführungsformen dieser Erfindung verwendeten Schichten in Berührung mit Nahrungsmitteln ungefährlich sind, ist es nichtsdestoweniger wünschenswert, eine Getränkeberührung auf das Hauptflaschenmaterial zu beschränken. Der Verschluss 20 bedeckt den Endteil der Flasche 10 und verhindert, dass sich die Schicht 9 bis zu ihm ausbreitet.
Beschichtungssystem und Betrieb
3 stellt eine Ausführungsform einer Beschichtungsmaschine gemäß dieser Erfindung dar, die ein kontinuierliches wirtschaftliches Beschichten der Flaschen ermöglicht. Im Hinblick auf die Tatsache, dass Flaschen kostengünstig sind, in großen Stückzahlen gefertigt werden und häufig Einwegverpackungen sind, ist es wichtig, zu einer Ausführungsform zu gelangen, die einen sehr kostengünstigen Betrieb liefert, kompakt ist (weil sich eine bevorzugte Lokalisierung neben einer Flaschenblasformgebungsvorrichtung befindet) und zur Massenproduktion geeignet ist (d. h. vorzugsweise kontinuierlicher statt Chargenbetrieb).
In 3 ist die Aufeinanderfolge eines Betriebs einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Flaschen oder Behälterkörper 10 bewegen sich durch die verschiedenen Stadien A bis H. Zu Beginn werden die Flaschen mittels eines Förderers 39 zu einer Beladungs/Entladungs-Station 40 zugeführt. Die Flaschen oder Behälterkörper 10 können unmittelbar von einer Formgebungsmaschine 29 zum Beschichtungssystem zugeführt werden. Diese Formgebungsmaschine umfasst eine Blasformgebungsmaschine, eine Spritzgussmaschine, eine Extrusionsformgebungsmaschine oder irgendeine andere bekannte Maschine zum Formen von Behälterkörpern oder Flaschen 10. Wie nachstehend mit Bezug auf die 7A–7C beschrieben wird, verschlechtert sich z. B. die Oberfläche einer PET-Flasche mit der Zeit. Wenn die Behälterkörper oder Flaschen 10, nachdem sie geformt sind, schnell beschichtet werden, dann fehlen mögliche Hemmnisse für eine verbesserte Haftung auf der Oberfläche der Flaschen oder Behälterkörper 10.
Vom Förder 39 kann eine Bedienperson oder eine andere geeignete Ausrüstung die Flaschen oder Behälterkörper 10 zur Beladungs/Entladungs-Station 40 von Hand bewegen bzw. automatisch bewegen. Der Förderer 39 kann Flaschen von einer Formgebungsmaschine oder irgendeinem anderen stromaufwärts gelegenen Prozess zuführen.
An der Beladungs/Entladungs-Station 40 werden die Flaschen oder Behälterkörper 10 in eine Haltevorrichtung 41 platziert oder aus ihr entfernt. Diese Haltevorrichtung kann ein offenes Inneres aufweisen, oder sie kann segmentierte Abschnitte zur Aufnahme von einzelnen Flaschen 10 aufweisen. Die Anordnung der Haltevorrichtung 41 wird in größerer Einzelheit nachstehend erörtert. Die in 3 verwendete Haltevorrichtung 41 weist vier Flaschen in zwei Reihen bei insgesamt acht Flaschen auf. Natürlich könnte diese Konfiguration modifiziert sein, um den Bedürfnissen des Systems zu entsprechen.
Die Haltevorrichtung 41 mit den geladenen Flaschen oder Behälterkörpern 10 kann beim Stadium A von Hand oder automatisch von der Beladungs/Entladungs-Station 40 zur Hilfsgerätestation 42 beim Stadium B bewegt werden, wie vorstehend angemerkt. Der Betrieb dieser Hilfsgerätestation 42 wird in größerer Einzelheit mit Bezug auf 4 nachstehend erklärt. An dieser Hilfsgerätestation 42 können eine Antenne 30, ein Verschluss 20 und ein Luftverdrängungskragen 60 in die Flaschen oder Behälterkörper 10 eingesetzt werden oder aus ihnen entfernt werden. Der Verschluss 20, die Antenne 30 und der Kragen 60 werden insgesamt als "Hilfsgeräte" bezeichnet. Die Hilfsgeräte sowie die Haltevorrichtung 41 sollten aus einem nichtgasenden (niedrigabsorbierenden) Material hergestellt sein, dessen Oberfläche die Oberfläche der beschichteten oder unbeschichteten Flaschen oder Behälterkörper 10 nicht beschädigen kann.
Von der Hilfsgerätestation 42 beim Stadium B, kann die Haltevorrichtung 41 mit den Flaschen oder Behälterkörpern 10 beim Stadium C von Hand oder automatisch in die Evakuierungskammer 43 bewegt werden. Irgendeine Türe, Luftschleuse oder ein anderes Merkmal wird bereitgestellt, um zu ermöglichen, dass ein Vakuum in der Evakuierungskammer 43 gebildet wird. Wie in größerer Einzelheit nachstehend erklärt wird, kann der Verdrängungskragen 60, der zuvor an den Flaschen oder Behälterkörpern 10 angebracht worden war, in der Evakuierungskammer 43 entfernt oder wiederangebracht werden. Auch wird in dieser Evakuierungskammer 43 ein Vakuum entweder erzeugt oder verringert, wie nachstehend beschrieben wird.
Von der Evakuierungskammer 43 bewegen sich die Haltevorrichtung 41 und die Flaschen oder Behälterkörper 10 beim Stadium D in den Beladungs/Entladungs-Tisch 44. Ein Beladen der Flaschen von der Haltevorrichtung 41 zu flaschentragenden Stangen 51 wird auf diesem Tisch 44 durchgeführt. Auch werden die Flaschen oder Behälterkörper 10 von den flaschentragenden Stangen 51 zurück in die Haltevorrichtung 41 entladen, wie in größerer Einzelheit nachstehend beschrieben wird.
Wenn die Flaschen oder Behälterkörper 10 beim Stadium D auf den flaschentragenden Stangen 51 montiert sind, dann werden sie zu den Entgasungs- und Vorbehandlungs-Abschnitten 45 und Stadium E weitergeleitet. Die Antenne 30, die sich im Innern der Flaschen oder Behälterkörper 10 befinden kann, wird durch einen Magneten 46 in den Entgasungs- und Vorbehandlungs-Abschnitten 45 ausge richtet. Die Flaschen oder Behälterkörper 10 weisen ihre Längsachsen im All-gemeinen vertikal ausgerichtet auf, wenn sie sich in den Entgasungs- und Vorbehandlungs-Abschnitten 45 von Stadium E befinden.
Von den Entgasungs- und Vorbehandlungs-Abschnitten 45 bewegen sich die Flaschen oder Behälterkörper 10 auf den flaschentragenden Stäben 51 zum Basisbeschichtungs-Abschnitt 47 beim Stadium F. Dann bewegen sich die Flaschen oder Behälterkörper 10 beim Stadium G den Seitenwandbeschichtungs-Abschnitt 48 fort. Es sollte angemerkt werden, dass sich die Flaschen oder Behälterkörper 10 von einer im Allgemeinen vertikalen Ausrichtung im Stadium F zu einer im Allgemeinen horizontalen Ausrichtung im Stadium G bewegen. Diese Anordnung wird in größerer Einzelheit nachstehend beschrieben. Vom Stadium G kehren die Flaschen zum Beladungs/Entladungs-Tisch 44 zurück. Die Flaschen oder Behälterkörper 10 werden von den flaschentragenden Stangen 51 entfernt und wieder in die Haltevorrichtungen 41 eingesetzt. Die Haltevorrichtungen 41 werden dann beim Stadium C durch die Evakuierungskammer 43 zu einer Zwischenhalteposition 49 beim Stadium H bewegt.
Nun wird nach dieser allgemeinen Beschreibung eine ausführlichere Beschreibung der Anordnung von 3 gegeben. Zuerst werden beim Stadium A die Flaschen oder Behälterkörper 10 in die Haltevorrichtung 41 geladen, wie vorstehend angemerkt. Eine Bedienperson kann von Hand die Hilfsgeräte, den Verschluss 20, die Antenne 30 und den Kragen 60 auf die Flaschen oder Behälterkörper 10 einsetzen, oder dieser Schritt kann automatisch mit geeigneter Ausrüstung durchgeführt werden. Dieser Betrieb wird an der Hilfsgerätestation 42 beim Stadium B durchgeführt.
Wenn die Haltevorrichtungen 41 und Flaschen oder Behälterkörper 10 beim Stadium C in die Evakuierungskammer 43 bewegt sind, wird ein Vakuum in dieser Kammer 43 erzeugt. Der Kragen 60, der zuvor während des Stadiums B an der Hilfsgerätestation 42 angebracht wurde, wird verwendet, um das Innere der Flaschen oder Behälterkörper 10 zu evakuieren, bevor Druck aus der Kammer 43 evakuiert wird. Der Zweck des Kragens 60 besteht darin, die Menge an Luft zu verringern, die in die Evakuierungskammer 43 gebracht wird. Zusammen mit der Haltevorrichtung 41, in welcher die Flaschen oder Behälterkörper 10 genau eingepasst sind, verringert die Vorevakuierung der Behälter oder Flaschen 20 die Menge an Luft, die aus der Kammer 43 evakuiert werden muss. Mit anderen Worten passen die Flaschen oder Behälterkörper 10 genau in die Haltevorrichtung 41. Diese Haltevorrichtung 41 passt genau in die Wände der Evakuierungskammer 43, um die Menge an Luft zu minimieren, die sich außerhalb der Behälter oder Flaschen 10 befindet.
Vor oder während einer Einsetzung der Haltevorrichtung 41 mit den Flaschen oder Behälterkörpern 10 in die Evakuierungskammer 43 wird der Kragen 60 verwendet, um Luft aus dem Inneren der Flaschen oder Behälterkörper 10 zu entfernen. Deshalb braucht das Vakuumsystem zum Evakuieren der Kammer 43 bloß die kleine Menge an Luft zu evakuieren, die in den Kammern außerhalb der Behälter oder Flaschen 10 vorhanden ist. Deshalb kann Vakuumsystemkapazität verringert werden. Dies ist eine wichtige wirtschaftliche Überlegung im Hinblick auf den niedrigen Betriebsdruck der Vakuumkammer 50. Dies trägt auch dazu bei, die Lebensdauer des Vakuumsystems zu verlängern, und trägt dazu bei, die Menge an Energie zu minimieren, die mit dem Instantansystem verbraucht wird.
Von der Evakuierungskammer 43 beim Stadium C wird die Haltevorrichtung 41 mit den Flaschen oder Behälterkörpern 10 beim Stadium D zum Beladungs/Entladungs-Tisch 44 bewegt. Dieser Beladungs/Entladungs-Tisch 44 befindet sich im Innern der Vakuumkammer 50. Die Vakuumkammer 50 und die evakuierte Kammer 43 sind beide mit einem herkömmlichen Vakuumsystem (nicht dargestellt) verbunden. Wenn die Evakuierungskammer 43 den geeigneten Druck erreicht, werden verschiedene Schritte unternommen, einschließlich ein Öffnen einer Türe 55, um einen Eintritt der Haltevorrichtung 41 mit den Flaschen oder Behälterkörpern 10 zu ermöglichen.
Im Innern der Vakuumkammer 50 werden die Flaschen oder Behälterkörper 10 im Abschnitt 45 beim Stadium E entgast und vorbehandelt. Diese Entgasung beim Stadium E kann z. B. bis zu sechzig Sekunden in Anspruch nehmen. Es sollte angemerkt werden, dass ein Entgasen der Behälter oder Flaschen 10 tatsächlich beim Stadium C in der Evakuierungskammer 43 beginnt. Das Entgasen wird während der Vorbehandlung im Abschnitt 45 von Stadium E beendet. Die Flaschen oder Behälterkörper 10 werden aus der Haltevorrichtung 41 am Beladungs/Entladungs-Tisch 44 heraus und auf die flaschentragende Stangen 51 bewegt, was in größerer Einzelheit nachstehend beschrieben wird. Die Flaschen werden vom Beladungs/Entladungs-Tisch 44-Bereich im Stadium D zu den anschließenden Stadien in der Vakuumkammer 10 bewegt, indem die flaschentragenden Stangen 51 bewegt werden.
Obwohl eine Fördereranordnung zur Bewegung von diesen flaschentragenden Stangen 51 nachstehend beschrieben wird, sollte es ersichtlich sein, dass viele unterschiedliche Anordnungen verwendet werden könnten, um die Flaschen oder Behälterkörper 10 durch die Vakuumkammer 50 zu fördern.
In den Entgasungs- und Vorbehandlungs-Abschnitten 45 kann ein Ausrichten der Magnete 46 verwendet werden, um die Antennen 11 oder 30, wie gewünscht, auszurichten, wenn vorhanden. Die Antennen könnten in Bezug zu einem gewissen Punkt auf den Behälterkörpern oder Flaschen 10 stationär sein oder können in Bezug zu den Flaschen oder Behälterkörpern 10 bewegbar sein. Im Entgasungs- und Vorbehandlungs-Abschnitt 45 beim Stadium E sowie im stromabwärts gelegenen Basisbeschichtungs-Abschnitt 47 des Stadiums F weisen die Flaschen oder Behälterkörper 10 ihre Längsachsen vertikal ausgerichtet auf.
Im Vorbehandlungs-Beladungs/Entladungs-Tisch 44-Bereich beim Stadium D oder im Entgasungs- und Vorbehandlungs-Abschnitt 45 von Stadium E kann ein Heizen der Flaschen oder Behälterkörper 10 durchgeführt werden, wenn zweckmäßig. Bei diesen Stadien D oder E oder durch die ganze Vakuumkammer 50 hindurch könnten Strahlungs- oder Infrarotheizer (nicht dargestellt) vorgesehen sein, so dass sich die Flaschen oder Behälterkörper 10 auf einer geeigneten Temperatur befinden würden. Z. B. könnte diese Temperatur von Umgebungstemperatur bis zu 60°C sein.
Abgesehen davon, dass sich die Flaschen oder Behälterkörper 10 auf einer geeigneten Temperatur befinden, um ein Entgasen zu erleichtern, können die Antennen 11 oder 30 mit den Behälterkörpern verwendet werden, um das Entgasen zu beschleunigen, wie zuvor angemerkt worden ist. Insbesondere wird entweder RF- oder HF-Energie auf die innere Antenne 11 oder 30 beaufschlagt. Alternativ kann, wie mit Bezug auf 1 angemerkt, eine Beschichtungskammerantenne 14 vorgesehen sein. Gleichstrom/RF/HF-Energie kann auf diese Beschichtungskammerantenne 14 beaufschlagt werden oder von einer Infrarotquelle, die in der Nähe der Flaschenoberfläche 6 angeordnet ist. Alle diese Merkmale können ein Entgasen beschleunigen.
Der Beschichtungsprozess wird in zwei Teilen durchgeführt. Zuerst gab es den zuvor erwähnten Basisbeschichtungs-Abschnitt 47 beim Stadium F. Dann vervollständigt der Seitenwandbeschichtungs-Abschnitt 48 beim Stadium G eine Beschichtung der Flaschen oder Behälterkörper 10. In diesem Basisbeschichtungs-Abschnitt 47 werden der Boden oder die Basis der Flaschen oder Behälterkörper 10 beschichtet. Dann werden, wie in größerer Einzelheit nachstehend beschrieben wird, die Längsachsen der Flaschen von der vertikalen zu einer horizontalen Ausrichtung geändert. Dies wird erzielt, indem der Raum zwischen den Flaschenstangen 51 erhöht wird. Wie mit Bezug auf eine sich schnell bewegende Kette 53 und eine sich langsam bewegende Kette 52 nachstehend beschrieben wird, kann diese Neuausrichtung der Flaschen oder Behälterkörper 10 stattfinden. Ihre ganzen vertikalen und horizontalen Ausrichtungen hindurch sind die Flaschen oder Behälterkörper 10 eng beieinander, um den Verdampfern oder der Quelle 1 die beste Verwendung zuteil werden zu lassen, aber sie berühren sich nicht. Die Flaschen in der horizontalen Ausrichtung werden dann durch einen Seitenwandbeschichtungs-Abschnitt 48 beim Stadium G bewegt. Wenn sich die Flaschen durch den Abschnitt bewegen, können sie um ihre Längsachse gedreht werden.
Die Flaschen oder Behälterkörper 10 können während der gesamten Bewegung im Seitenwandbeschichtungs-Abschnitt 48 oder nur in einem Teil desselben beschichtet werden. Die Strecke des Beschichtungs-Abschnitts 48, über der die Flaschen beschichtet werden, kann durch die Menge an Beschichtung beeinflusst werden, von der gewünscht wird, dass sie auf den Flaschen abgelagert wird. Z. B.
können mehrere Quellen 1 in der Vakuumkammer 50 vorgesehen sein, um den Beschichtungsdampf zu den Flaschen oder Behälterkörpern 10 zuzuführen. Wenn eine dickere äußere Schicht gewünscht wird, dann könnten mehr von den Quellen 1 aktiviert werden, im Gegensatz dazu, wenn eine dünnere Schicht gewünscht wird. Natürlich können andere Kriterien modifiziert sein, um die Dicke der Schicht auf dem Äußeren der Flaschen oder Behälterkörper 10 zu beeinflussen.
Ähnlich zum Druck im Entgasungs- und Vorbehandlungs-Abschnitt 45 von Stadium E kann der Druck sowohl im Basisbeschichtungs-Abschnitt 47 als auch dem Seitenwandbeschichtungs-Abschnitt 48 der Stadien F und G 2 × 10^–4 mBar betragen und kann im Bereich von 1 bis 5 × 10^–4 mBar liegen. Es wird in Erwägung gezogen, dass die Basisbeschichtung im Stadium F 1–15 Sekunden braucht, kann aber im Bereich von bis zu 30 Sekunden liegen. Die Seitenwandbeschichtung im Stadium G kann weniger als 30 Sekunden brauchen, aber im Bereich von 2–120 Sekunden liegen. Die Flaschen können sich von 1–300 Umdrehungen pro Minute drehen, aber die obere Grenze hängt nur von praktischer Mechanik ab. Typischerweise würden sich die Flaschen von 1 bis 100 Umdrehungen pro Minute drehen.
Im Innern der Beschichtungskammer 50 kann ein Verdampfersystem vorgesehen sein. Dieses Verdampfersystem wurde mit Bezug auf 1 beschrieben und wird auch in größerer Einzelheit mit Bezug auf die 6A und 6B beschrieben. Insbesondere sind die Verdampfer oder die Quelle 1 vorgesehen, um die Schicht zu liefern, die auf dem Äußeren der Flaschen oder Behälterkörper 10 abgelagert wird.
Die Verdampfer können in Reihen angeordnet sein, so dass die Verdampferflüsse ihre Pfade überlappen, wobei sich eine gleichmäßige Längsablagerungsrate R ergibt. Diese Rate kann 3 nm/s betragen und im Bereich von 1–50 nm/s liegen. Der Kontaktwinkel a, der zuvor erörtert wurde, gilt deshalb nur für Reihenenden und für die Reihenquerschnitte, wo es keine Überlappung gibt. Dieser Kontaktwinkel a ist in den 6A und 6B angegeben und kann z. B. 30° betragen oder mindestens im Bereich von 30 bis 60° liegen. Jedoch sollte, wie zuvor angemerkt, dieser Winkel normalerweise nicht größer als 70° sein.
Es ist erwünscht, dass das Verdampferlayout zu einer minimalen Anzahl von Verdampfern oder Quellen 1 führen muss, und zwar mit ihrer wirkungsvollsten Verwendung. Mit anderen Worten sollte ein Materialverlust minimiert sein. Die Darbietung von Flaschenreihen zum Verdampfer oder zur Quelle 1 kann vier in einer Reihe sein, wie in 3 angegeben, aber diese Anzahl kann wie gewünscht variiert sein. Es ist bloß erwünscht, dass die Verdampfer- oder die Quelle 1-Verwendung optimiert ist.
Wie für die 6A und 6B nachstehend beschrieben wird, können Staubschirme oder Schutzschilde 93 vorgesehen sein. Diese Schutzschilde oder Staubschirme sollten entfernbar und leicht zu säubern sein. Sie fangen Partikeln von dem Verdampfer oder der Quelle 1 ein, die nicht an der Flaschenoberfläche haften.
Um die Notwendigkeit für ein Abschalten der Verdampfer oder Quellen 1 während kurzer Zykluspausen zu vermeiden, kann eine Vorkehrung für Schwingabdeckungen oder ähnliche Abdeckungen getroffen sein, um Beschichtungsdämpfe während beschichtungsfreier Zeitdauern des Zyklus aufzufangen. Dies verringert das Staubbeschichten der inneren Beschichtungskammer. Automatische Funktionssteuerungen und eine automatische Detektion von schlecht arbeitenden Verdampfern oder Quellen 1 kann auch vorgesehen sein. Es wird veranschlagt, dass die spezifizierten Parameter zu einer Beschichtungsdicke von etwa 50 nm führen. Auf dieser Grundlage wird die Verdampfungsrate wie folgt veranschlagt. Wenn das Gewicht der Flasche 30 Gramm beträgt und die PET-Dicke 0,35 mm beträgt, kann die Beschichtungsdicke 50 nm sein. Deshalb ist das Verhältnis Schicht zu PET (V/V) gleich 0,00014. Der Si-Anteil von SiO₂ (W/W) ist gleich 0,467. Die Dichte des SiO₂ beträgt 2,5, wobei die Dichte von PET 1,3 ist. Deshalb beträgt das Gewicht von Si einer Schicht 0,004 g/Flasche. Bei etwa 3000 Flaschen pro Stunde ist das nur zur Flaschenbeschichtung verdampfte Si (nicht umfassend Verluste) etwa 11,5 g bei etwa 30 g/h, einschließlich der Gesamtverluste.
Wie mit Bezug auf 1 beschrieben worden ist, kann der Abstand zwischen dem Verdampfer oder der Quelle 1 und der Flaschenoberfläche (H) 0,5 sein und im Bereich von 0,1 bis 2 m liegen. Es sollte auch möglich sein, die Quellen 1 aus der Vakuumkammer 15 zur Inspektion und/oder Wartung zu entfernen, ohne dass die Beschichtung oder das Vakuum verringert wird. Ein Tandemverdampfersystem, das durch Vakuumschleusen arbeitet, ist eine Möglichkeit. Im Hinblick darauf würde keine automatische Materialzuführung zu den Verdampfern benötigt werden. Natürlich könnte eine solche automatische Materialzuführung verwendet werden, wenn es so gewünscht wird. Die Verdampfungsfunktion muss durch Instrumente überwacht werden und kann z. B. von außerhalb der Vakuumkammer 50 mittels Sichtgläsern visuell wahrnehmbar sein.
Nach Bewegung durch den Seitenwandbeschichtungs-Abschnitt 48 beim Stadium G treten die Flaschen 10 wieder in die Haltevorrichtung 41 am Beladungs/Entladungs-Tisch 44 ein. Diese Anordnung wird in größerer Einzelheit im Hinblick auf 4 beschrieben. Vom Beladungs/Entladungs-Tisch 44 beim Stadium D kommen die Haltevorrichtungen 41 mit den wiedereingesetzten Flaschen oder Behälterkörpern 10 zurück in die Evakuierungskammer 43 beim Stadium C. Vor einer Bewegung in diese Evakuierungskammer 43 werden die Kragen 60 beim Stadium D auf die Behälter platziert.
Wenn die Haltevorrichtung 41 und Flaschen oder Behälterkörper 10 in die Evakuierungskammer 43 wiedereingeführt sind, kann das Vakuum verringert werden. Dann verlässt die Haltevorrichtung 41, die die beschichteten Flaschen oder Be hälterkörper 10 enthält, die Evakuierungskammer 43. Die Haltevorrichtung 41 mit den Flaschen 10 kann dann zur Zwischenhalteposition 49 verschoben werden. Bei dieser Position ist der Eintritt zur Evakuierungskammer 43 freigemacht, so dass eine andere beladene Haltevorrichtung 41 mit unbeschichteten Flaschen oder Behälterkörpern 10 schnell in die Evakuierungskammer 43 wiedereingesetzt werden kann. Dies trägt dazu bei, den kontinuierlichen Betrieb des Beschichtungssystems beizubehalten. Nachdem die Evakuierungskammer 43 wiederbeladen ist, kann die Haltevorrichtung 41 zum Stadium B zurückkehren, wo die Hilfsgeräte automatisch oder von Hand entfernt werden. Mit anderen Worten werden der Verschluss 20, die Antenne 30 und der Kragen 60 von den Flaschen oder Behälterkörpern 10 entfernt. Dann können an der Beladungs/Entladungs-Station 40 beim Stadium A die beschichteten Flaschen oder Behälterkörper 10 aus der Haltevorrichtung 41 entfernt werden und zum Förderer 39 zur anschließenden Verarbeitung rückgeführt werden. Neue unbeschichtete Flaschen oder Behälterkörper 10 können in die leergemachte Haltevorrichtung 41 platziert werden, wodurch ermöglicht wird, dass der beschriebene Betriebszyklus wiederholt wird.
Wenn man die Flaschen 10 und die Haltevorrichtung 41 separat betrachtet, durchlaufen die Flaschen 10 zuerst die Stadien A bis G und kehren dann durch die Stadien C bis H zu A zurück. Es gibt zwei Haltevorrichtungen 41, und diese durchlaufen zuerst die Stadien A bis G und kehren unter Durchlaufen der Stadien C bis N zu A zurück. Es gibt genügend Sätze von Hilfsgeräten, um alle Flasche in den Stadien B bis H abzudecken. Die Hilfsgeräte werden beim Stadium B angebracht und kehren zum Stadium B zurück, wobei sie sämtliche Stadien B bis H durchlaufen haben.
Die Stadien D, E, F, G sind in einer Vakuumkammer 50 untergebracht. Die Flaschen 10 werden durch die Flaschenstangen 51 gegriffen und durch die Vakuumkammer 50 mittels Fördererketten verarbeitet, eine sich langsam bewegende Kette 52 und eine sich schnell bewegende Kette 53. Die sich langsam bewegende Kette 52 drückt die Flaschenstangen 51 während des Betriebszyklus, wenn die Flaschen 10 in einer vertikalen Position gehalten werden (zum Entgasen und zur Vorbehandlung beim Stadium E und Basisbeschichtung beim Stadium F) in eine dichtgepackte Anordnung, und die sich schnell bewegende Kette 53 schiebt die Flaschenstangen 51 mit einem größeren Stange-zu-Stange-Abstand, während sich die Flaschen 20 in einer horizontalen Position befinden (zur Seitenwandbeschichtung beim Stadium G). Die Flaschenstangen 51 laufen in Trägerschienen 54, die die Flaschenstangen 51 fest lokalisieren und tragen, wie in größerer Einzelheit mit Bezug auf 5A beschrieben wird.
Die Evakuierungskammer 53 ist mit herkömmlichen mechanisierten Türen 55 ausgerüstet, die sich öffnen/schließen, um zu ermöglichen, dass die Haltevorrichtung 41 eintritt/austritt. Eine Deckentüre 55a in 5 ermöglicht, dass der Kragen 60 durch herkömmliche Einrichtungen entfernt und/oder wiederangebracht wird), bevor sich die Haltevorrichtung 41 in den Hauptabschnitt der Vakuumkammer 50 bewegt. Der Teilraum über der Evakuierungskammer 53, wo der Kragen 60 nach Entfernung gehalten wird, ist Teil der Vakuumkammer 50, und sowohl dieser Teilraum als auch der Hauptteil der Vakuumkammer 50 stehen dauernd unter Vakuum. Die Evakuierungskammer 43 wird evakuiert, um zu ermöglichen, dass die Haltevorrichtung 41 in die Vakuumkammer 50 eintritt, und wird zu Normaldruck zurückgebracht, um zu ermöglichen, dass die Haltevorrichtungen 41 aus dem Beschichtungssystem austreten.
Die Flaschen 10 werden herkömmlicherweise entlang dem Förderer 39 zur Beschichtungsmaschine (vorzugsweise direkt von der Blasformgebungsvorrichtung) und zum Flaschenpalettierungssystem nach Beschichtung gefördert.
4 stellt die Handhabung der Flaschen 10 und Hilfsgeräte dar. Die Flaschen 10 treten beim Stadium A in eine Haltevorrichtung 41 ein. Die Flaschen 10 sind genau in Hohlräume in der Haltevorrichtung 41 eingepasst, um die Luftspalte so weit wie möglich zu verringern, da dies wiederum den Vakuumpumpenbetrieb verringert. Beim Stadium B wird ein Kragen 60 angebracht, um die Luftspalte um die Hälse der Flaschen 10 zu verringern, und die Antenne 30 und der Verschluss 20 werden auf der Flasche 10 angebracht. Die Verschlüsse 20 werden durch eine Reihe von Schraubenziehern, die Teil eines Hilfsgeräteanbringers 61 sind, auf die Flaschen 10 geschraubt. Beim Stadium C tritt die Haltevorrichtung 41 durch die Türe 55 in die Evakuierungskammer ein. Die Überkopftüre 55a öffnet sich, um zu ermöglichen, dass der Kragen 60 abgehoben wird und in einem Aufbewahrungsraum 62 in der Vakuumkammer 50 aufbewahrt wird. Beim Stadium D wird die Haltevorrichtung 41 zu den Flaschenstangen 51 hochgehoben, die die Flaschen 10 mittels des Einrast-Verbinders 23 auf den Verschlüssen 20 aufnehmen. Die Flaschenstangen 51 bewegen sich nun durch die Beschichtungsstadien D bis G vorwärts.
Nach Beschichten wird die Haltevorrichtung 41 beim Stadium D zu den Flaschenstangen 51 hochgehoben, und die Flaschen 10 werden in die Haltevorrichtung 41 freigegeben. Die Haltevorrichtung 51 kehrt zur Evakuierungskammer 43 zurück, wo der Kragen 60 wieder angebracht wird und das Vakuum verringert wird. Die Haltevorrichtung 41 tritt zum Stadium B aus, wo sich der Hilfsgeräteanbringer 61 abwärts bewegt, die Verschlüsse 20 durch den Einrast-Verbinder 23 greift, die Verschlüsse 20 aufschraubt und die Verschlüsse 20, Antennen 30 und den Kragen 30 als eine einzige Einheit hochhebt, wobei der Kragen 60 durch die Verschlüsse 20 abgehoben wird, die in seiner Unterseite arretiert sind. Der Hilfsgeräteanbringer 61 und die Schnelltrenn-Schraubenzieher-Geräte umfassen herkömmliche Technologie und werden nicht weiter beschrieben.
5A stellt Einzelheiten der Flaschenstangen, des Flaschendrehens und Flaschenförderns dar. Die Flaschenstangen 51 halten eine Mehrzahl von Flaschen 10 in einer Reihe. In 5A sind nur als ein Beispiel vier Flaschen 10 dargestellt. Eine Flaschenantriebswelle 70, auf der Schneckenräder 71 angebracht sind, verläuft im Innern der Flaschenstangen 51 und ist durch Lager 72 an jedem Ende der Flaschenstange 51 aufgehängt. Der Verschluss 20 wirkt als Mittel zum Greifen des Halses der Flasche oder des Behälterkörpers 10, um dazu beizutragen, sie/ihn auf der Flaschenstange 51 zu halten. Wie aus 5B ersichtlich ist, deckt dieser Verschluss 20 auch den Hals und/oder Gewindegänge des Behälterkörpers oder der Flasche 10 ab, wodurch eine Beschichtung dieses Bereichs des Behälterkörpers verhindert werden kann. Die Flaschenantriebswelle 70, die auch in 5B dargestellt ist, wird durch Kegelräder 13 angetrieben und dreht sich durch Drehen der Einrast-Verbinder 23, die mit einem Schraubenzieherendstück (nicht dargestellt) versehen sind, um dadurch als Mittel zum Drehen der Behälterkörper oder Flaschen 10 während eines Transports durch die Vakuumkammer 50 zu wirken. Die Flaschenstange 51 ist an jedem Ende mit Trägerstangen 74 versehen, in denen sie sich frei drehen kann, was auf Lagerbuchsen 75 zurückzuführen ist. Die Trägerstangen 74 sind mit Trägerrädern 76 versehen, die in einem Paar von Trägerschienen 54 laufen. Die Flaschenstangen 51 werden mittels einer Antriebskette 77 gefördert, an der ein Sperrklinkenfinger 78 angebracht ist, der wiederum auf einen Verlängerungsarm 79 auf den Trägerstangen 74 auftrifft. Die Antriebskette 77 ist an einer Hauptwelle 80 angebracht, die durch einen Förderermotor 81 angetrieben wird. Ein Flaschedrehmotor 82 treibt ein Flaschendrehkettenrad 83 an, das mittels Lagerbuchsen 84 die Hauptwelle 80 hinauf-/hinabgleiten kann. Das Flaschendrehkettenrad 83 treibt eine Flaschendrehenkette 85 an, die wiederum die Kegelräder 73 antreibt.
Die Flaschenstangen 51 sind an einem Führungsrad 90 angebracht, das in einer Führungsschiene 91 läuft. Diese Führungsschiene 91 kann die Flaschenstange 51 von einer Position, die die Flaschen 10 vertikal hält (wie dargestellt), in eine Position, die die Flaschen horizontal hält, drehen, und zwar indem das Führungsrad eine Rampe 92 an dem geeigneten Teil des Förderzyklus hinaufgeführt wird. Dieses Umschalten von einer vertikalen Ausrichtung in eine horizontale Ausrichtung erfolgt zwischen den Stadien F und G. Wenn die Flaschen oder Behälterkörper 10 horizontal ausgerichtet sind, drehen sich die Flaschen oder Behälterkörper 10 weiter ohne Unterbrechung mittels der Kegelräder 73, während sich das Flaschendrehkettenrad 83 die Hauptwelle 80 hinaufbewegt, um sich der neue Position der Kegelräder 73 anzupassen. Zuvor angegebene Staubschirme 93 schützen die Hauptteile des Antriebssystems.
6A ist eine Ansicht einer Flaschenbewegung vorbei an der Quelle 1, sowohl für eine Basisbeschichtung als auch eine Seitenwandbeschichtung. Die Flaschen 10 und Verschlüsse 20 werden im Basisbeschichtungs-Abschnitt 47 durch die Flaschenstangen 51 vertikal gehalten, die sowohl die Flaschen 10 als auch , die Verschlüsse 20 kontinuierlich drehen. Nach einem Basisbeschichten werden die Flaschen 10 für Seitenwandbeschichtungen möglichst schnell in eine horizontale Position gedreht (d. h. mit einer minimalen Lücke zwischen dem Basisbeschichtungs-Abschnitt 47 und dem Seitenwandbeschichtungs-Abschnitt 48). Die Flaschen drehen sich kontinuierlich während des gesamten Förderzyklus. Die Flaschenstangen 51 sind kompakt konstruiert, um einen Abstand zwischen Flaschenreihen in der horizontalen Position zu minimieren. Die Quellen 1 sind so positioniert, dass die benötigte Anzahl von Quellen 1 minimiert wird, sowie entsprechend den Kriterien, die in Verbindung mit 1 erörtert wurden, aber mit einer gewissen Überlappung, wie in 6B dargestellt, um eine volle Beschichtungsabdeckung sicherzustellen. Die Staubschirme 93, die zur Reinigung leicht entfernbar sind, schützen die Maschinenteile gegen diejenigen Ablagerungen von der Quelle 1, die nicht auf die Flasche 10 auftreffen. Streifenbürsten mit Staubschirmen werden verwendet, um wann immer möglich, die Hauptbeschichtungskammer der Vakuumkammer 50 von den Ketten, Motoren usw., die zum Transportieren der Flaschenstangen 51 verwendet werden, zu separieren.
9 ist eine grafische Darstellung, die eine verbesserte Barrierenwirkung darstellt, wobei die Wichtigkeit einer Beschichtungszusammensetzung zu einer Gasbarriere dargestellt ist. Eine kleine Änderung in Zn, Cu oder Mg-Zusammensetzung kann eine große Wirkung auf die Barrierenverstärkung aufweisen.
Hochgeschwindigkeitssystem für große Mengen zum Beschichten von Kunststoffbehälterkörpern
Übersicht
Ein Hochgeschwindigkeitssystem für große Mengen 200 zum Beschichten von Kunststoffbehälterkörpern mit einer anorganischen Oxidbarrierenbeschichtung ist in den 8A–16 veranschaulicht. Dieses Hochgeschwindigkeitssystem für große Mengen 200 schließt keine Quelle von Vorspannungsenergie ein, wie z. B. von einer RF- oder HF-Quelle in den zuvor beschriebenen Ausführungsformen, oder verwendet keine Flascheninnenantennen. Dieses Hochgeschwindigkeitssystem für große Mengen 200 ist jedoch nützlich, um dieselben Beschichtungen mit denselben Materialien auf demselben Typ von Kunststoffbehältern aufzubringen, wie bei dem zuvor beschriebenen und in 1 veranschaulichten System. Zusätzlich arbeitet dieses Hochgeschwindigkeitssystem für große Mengen 200 unter im Wesentlichen denselben Parametern wie das zuvor beschriebene System mit der Ausnahme der Verwendung von Vorspannungsenergie in diesem System.
Allgemein beschrieben, umfasst das Hochgeschwindigkeitsbeschichtungssystem für große Mengen 200 eine kontinuierliche und automatische Behälterzufuhrvorrichtung 203 zum Abgeben von Kunststoffbehälterkörpern 204, wie z. B. PET-Flaschen, an eine Vakuumkammer 206, die einen kontinuierlichen und automa tischen Förderer 209 und eine Quelle 212 von Beschichtungsdampf 215 beherbergt. Die Quelle 212 von Beschichtungsdampf wird auch als ein Verdampfersystem bezeichnet. Diese Basisbauteile werden in größerer Einzelheit nachstehend beschrieben.
Behälterzufuhrvorrichtung
Die Vakuumkammer 206 umfasst ein Gehäuse 218, das ein Vakuum darin aufrechterhalten kann, und die Behälterzufuhrvorrichtung 203 steht mindestens teilweise in einem Durchlasstor 221 an einem Ende des Vakuumkammergehäuses drehbar im Eingriff. Die Behälterzufuhrvorrichtung 203 ist ein Drehsystem, das kontinuierlich und automatisch unbeschichtete Kunststoffbehälterkörper von einer Quelle 224 von Kunststoffbehälterkörpern durch das Durchlasstor 221 im Vakuumkammergehäuse 218 zum Förderer 209 im Innern der Vakuumkammer 206 zuführt, während die Vakuumkammer ein Vakuum im Innern des Vakuumkammergehäuses aufrechterhält. Die Behälterzufuhrvorrichtung 203 führt die Kunststoffbehälterkörper 204 zur Vakuumkammer 206 mit einer hohen Geschwindigkeit und einer großen Menge zu. Die Behälterzufuhrvorrichtung 203 führt Kunststoffbehälterkörper mit einer Rate von bis zu 60000 Behälter pro Stunde zu, und das Beschichtungssystem 200 kann die Kunststoffbehälterkörper mit dieser Rate beschichten, würde aber normalerweise mit einer Rate beschichten, die durch eine Verkettung mit dem Flaschenherstellungssystem notwendig gemacht wird, gegenwärtig im Bereich von 20000 bis 40000 Flaschen pro Stunde. Zusätzlich gewinnt die Behälterzufuhrvorrichtung 203 beschichtete Kunststoffbehälterkörper 204 von dem Förderer 209 im Innern der Vakuumkammer 206 automatisch und kontinuierlich zurück und transportiert die beschichteten Kunststoffbehälterkörper zu einer Stelle außerhalb der Vakuumkammer, wie z. B. eine Getränkeverpackungsstraße 227.
Ein erster Schneckenförderer 230 transportiert die unbeschichteten Kunsstoffbehälterkörper 204 kontinuierlich und automatisch von der Quelle 224 der Behälterkörper in die Behälterzufuhrvorrichtung 203, und ein zweiter Schneckenförderer 233 transportiert die resultierenden beschichteten Kunststoffkörper automatisch und kontinuierlich von der Behälterzufuhrvorrichtung in Richtung auf die Getränkeverpackungsstraße 227. Dies ist am besten in den 8A und 8B veranschaulicht. Die Behälterzufuhrvorrichtung 203 umfasst ein Zufuhrrad 236, das im Vakuumkammerdurchlasstor 221 drehbar montiert ist, zum automatischen und kontinuierlichen Zuführen der unbeschichteten Kunststoffbehälterkörper 204 in die Vakuumkammer 206 und automatischen und kontinuierlichen Transportieren der beschichteten Kunststoffbehälterkörper aus der Vakuumkammer. Zusätzlich umfasst die Behälterzufuhrvorrichtung 203 auch eine erste äußere Drehzufuhrvorrichtung 239 zum automatischen und kontinuierlichen Zuführen der unbeschichteten Kunststoffbehälterkörper 204 vom ersten Schneckenförderer 230 zum Zufuhrrad 236 und eine erste innere Drehzufuhrvorrichtung 242 zum automa tischen und kontinuierlichen Zuführen der unbeschichteten Kunststoffbehälterkörper vom Zufuhrrad zum Förderer 209. Desgleichen umfasst die Behälterzufuhrvorrichtung 203 auch eine zweite innere Drehzufuhrvorrichtung 245 zum automatischen und kontinuierlichen Zuführen der beschichteten Kunststoffbehälterkörper 204 vom Förderer 209 zum Zufuhrrad 236 und eine zweite äußere Drehzufuhrvorrichtung 248 zum automatischen und kontinuierlichen Zuführen der beschichteten Kunststoffbehälterkörper vom Zufuhrrad zum zweiten Schneckenförderer.
Wie am besten in den 8A, 8B, 9A und 9B dargestellt, ist die Behälterzufuhrvorrichtung 203 an einen Zufuhrvorrichtungsrahmen 250 montiert, der eine große Trägerplatte 252 umfasst, die durch vier Beine 254 getragen wird, die an einer harten Oberfläche 256, wie z. B. Beton, gesichert sind. Die Trägerplatte 252 des Zufuhrvorrichtungsrahmens 250 bildet den Boden eines Zufuhrradgehäuses 260, das einen Teil des Vakuumkammerdurchlasstors 221 bildet. Das Zufuhrradgehäuse 260 umfasst auch eine kreisförmige obere Platte 262 und eine zylindrische Seitenwand 264, die sich zwischen der Zufuhrvorrichtungsrahmenträgerplatte 252 und der oberen Platte erstreckt. Das Zufuhrrad 236 ist drehbar und abdichtend im Zufuhrradgehäuse 260 angeordnet.
Wie am besten in den 11 und 12 dargestellt, umfasst das Zufuhrrad 236 eine mittige Nabe 268, die mit Bolzen 273 an einer Welle 271 montiert ist. Die Welle 271 erstreckt sich vertikal durch einen unteren Führungsrahmen 274 unter dem Zufuhrvorrichtungsrahmen 250 und durch ein erstes Lager 276 in der Zufuhrvorrichtungsrahmenplatte 252 zu einem zweiten Lager 277 in der oberen Platte 262 des Zufuhrradgehäuses 260. Ein Elektromotor, nicht dargestellt, treibt die Zufuhrradwelle 271 und dreht das Zufuhrrad 236 in einem Uhrzeigersinn, wie in 11 dargestellt. Die Zufuhrradwelle 271 dreht sich im ersten und zweiten Lager 276 und 277.
Das Zufuhrrad 236 umfasst auch eine periphere zylindrische Struktur 282, die mit der mittigen Nabe 268 mit Speichen 285 verbunden ist. Das Zufuhrrad 236 weist eine Mehrzahl von Mundöffnungen 288 auf, die um die Peripherie 282 beabstandet sind, und die sich vom Zufuhrrad transversal nach außen öffnen. Jede von den Mundöffnungen 288 in der peripheren Struktur 282 des Zufuhrrads 236 erstreckt sich von einem oberen ringförmigen Rand 290 der peripheren Struktur zu einem unteren ringförmigen Rand 289 der peripheren Struktur. Das Zufuhrrad 236 bildet, obwohl es im Zufuhrradgehäuse drehbar montiert ist, eine dichte Abdichtung zwischen der peripheren Struktur 282 des Zufuhrrads und dem Inneren der zylindrischen Seitenwand 264 des Zufuhrradgehäuses 260. Diese Abdichtung verhindert, dass Luft in die Vakuumkammer 206 leckt, selbst während sich das Zufuhrrad 236 dreht und die Kunststoffbehälterkörper 204 in die Vakuumkammer hinein zuführt und aus ihr heraus. Diese Abdichtung wird gebildet durch: ein Endlosdichtungselement 294, das sich von einem Kanal etwas radial nach außen erstreckt, der entlang dem oberen ringförmigen Rand der peripheren Struktur 282 verläuft, ein Endlosdichtungselement 296, das sich von einem Kanal radial nach außen erstreckt, der entlang dem unteren Rand 291 der peripheren Struktur verläuft, und eine Mehrzahl von Dichtungselementen 298, die sich zwischen jeder Mundöffnung 288 in der peripheren Struktur vom oberen Endlosdichtungselement zum unteren Endlosdichtungselement erstrecken. Die vertikalen Dichtungselemente 298 erstrecken sich von den vertikalen Kanälen in der peripheren Struktur 288 des Zufuhrrads 236 zwischen den Zufuhrradmundöffnungen 288 radial nach außen. Jedes von den Dichtungselementen 294, 296 und 298 umfasst Streifen von kautschukartigem Dichtungsmaterial, das eng gegen das Innere der zylindrischen Seitenwand 254 des Zufuhrradgehäuses 260 anliegt. Geeignetes Dichtungsmaterial ist ein strapazierfähiges Material mit friktionsarmen Eigenschaften, wobei ein Beispiel eine geeignete Güteklasse von Polytetrafluorethylen ist.
Die Mundöffnungen 288 des Zufuhrrads 236 empfangen unbeschichtete Kunststoffbehälterkörper 204 von der ersten äußeren Drehzufuhrvorrichtung 239 und führen beschichtete Kunststoffbehälterkörper zu der zweiten äußeren Drehzufuhrvorrichtung 248 durch eine äußere Öffnung 300 im Zufuhrradgehäuse 260 zu, wie in 9B dargestellt. Die Mundöffnungen 288 des Zufuhrrads 236 führen unbeschichtete Kunststoffbehälterkörper 204 zur ersten inneren Drehzufuhrvorrichtung 242 im Innern der Vakuumkammer 203 zu und empfangen beschichtete Kunststoffbehälterkörper von der zweiten inneren Drehzufuhrvorrichtung 245 durch eine andere Öffnung 303 im Zufuhrradgehäuse 260, die dem Innern der Vakuumkammer 206 zugekehrt ist. Dies ist am besten in 12 dargestellt. Greifklemmen 305 sind in jeder der Zufuhrradmundöffnungen 288 angeordnet, um die Hälse der Behälterkörper 204 zu greifen, während die Behälterkörper durch das Zufuhrrad 236 transportiert werden.
Vakuummundöffnungen 308 sind zwischen den Öffnungen 300 und 303 in dem Zufuhrradgehäuse 260 mit der zylindrischen Seitenwand 264 des Zufuhrradgehäuses 260 verbunden und sind mit Vakuumpumpen 310 verbunden, die Luft aus den Zufuhrradmundöffnungen 288 evakuieren, wenn das Zufuhrrad unbeschichtete Kunststoffbehälter 204 von der ersten äußeren Drehzufuhrvorrichtung 239 in die Vakuumkammer 206 trägt. Deshalb sind, wenn die Zufuhrradmundöffnungen 288 dem Vakuum im Innern in der Vakuumkammer 206 ausgesetzt werden, die Zufuhrradmundöffnungen im Wesentlichen evakuiert. Luftzufuhrmundöffnungen 311 sind zwischen der zweiten inneren Drehzufuhrvorrichtung 245 und der zweiten äußeren Drehzufuhrvorrichtung 248 mit dem Zufuhrradgehäuse 260 verbunden, um Luft zu den Mundöffnungen 288 und dem Zufuhrrad 236 zuzuführen, um die Mundöffnungen und die beschichteten Behälter 204 wieder mit Luft unter Druck zu setzen, wenn die beschichteten Behälterkörper von der zweiten inneren Drehzufuhrvorrichtung zu der zweiten äußeren Drehzufuhrvorrichtung transportiert werden.
Die unbeschichteten Kunststoffbehälterkörper 204 werden durch eine Verschließmaschine oder Verschließvorrichtung (nicht dargestellt) mit Verschlüssen 312 versehen und abgedichtet, und dann teilweise evakuiert, wenn das Zufuhrrad 236 die unbeschichteten Kunststoffbehälterkörper von der ersten äußeren Drehzufuhrvorrichtung 239 in die Vakuumkammer 206 transportiert. Die Verschlüsse 312 weisen eine Struktur auf, die denjenigen ähnelt, die im Hinblick auf die in 1 veranschaulichte Ausführungsform beschrieben sind, und wirken, um das Gewindeende des Behälterkörpers 204 gegen die Beschichtungsdämpfe abzudichten, um ein Verfahren zum Anbringen der Behälterkörper am Förderer 209 bereitzustellen und um den Druck im Innern des Behälterkörpers steuern. Die Verschlüsse 312 passen eng über die Gewindeöffnung oder Zubehörteil der Kunststoffbehälterkörper 204 und enthalten ein eisenhaltiges Metallelement, so dass die Kunststoffbehälterkörper durch den Förderer 209 magnetisch getragen werden können. Wünschenswerterweise enthalten die Kunststoffbehälterkörper 204 genug Luft, während sie sich durch die Vakuumkammer 206 bewegen, so dass die Behälterkörper mit Druck beaufschlagt sind, verglichen mit der umgebenden Umgebung im Innern der Vakuumkammer.
Die erste äußere Drehzufuhrvorrichtung 239 ist außerhalb der Vakuumkammer 206 zwischen dem ersten Schneckenförderer 230 und dem Zufuhrrad 236 drehbar am Zufuhrvorrichtungsrahmen 250 montiert. Wie am besten in den 13 und 14 dargestellt, umfasst die erste äußere Drehzufuhrvorrichtung 239 eine drehbare Nabe 350, die auf einer Welle 353 montiert ist, die durch einen Motor synchron mit dem Zufuhrrad 236 angetrieben wird. Die erste äußere Drehzufuhrvorrichtung 239 umfasst auch ein stationäres Lager 356, in dem sich die Nabe 350 dreht. Die mit der Nabe 350 verbundene Welle 353 erstreckt sich durch die untere Rahmenführung 274 und Trägerplatte 252 des Zufuhrvorrichtungsrahmens 250, durch einen Zylinder 359, der das stationäre Lager an der Trägerplatte 252 des Zufuhrvorrichtungsrahmens montieren lässt, zum stationären Lager 356. Ein Bolzen 362 bringt einen Flansch an das obere Ende der Welle 353 an, und ein Verschluss 365 ist über dem stationären Lager 356 am Flansch gesichert. Das stationäre Lager 356 ist mit Bolzen 368 an der Zylinderhalterung 359 montiert.
Das stationäre Lager 356 umfasst eine am Trägerzylinder 359 montierte untere Platte 271 und eine von der unteren Platte beabstandete und am Zufuhrradgehäuse 260 montierte obere Platte 374. Dies ist am besten in den 9B und 13 dargestellt. Die Nabe 350 dreht sich zwischen der unteren Platte 371 und der oberen Platte 374 des stationären Lagers 356 und weist einen radial zugekehrten ringförmigen Kanal 377 auf. Eine Mehrzahl von Drehzapfen 380 sind vertikal im ringförmigen Kanal 377 montiert und sind um den Umfang der Nabe 350 beabstandet. Behälterkörperhandhabungsarme 383 sind an den Drehzapfen 380 schwenkbar montiert und erstrecken sich von der Nabe 350 radial nach außen.
Jeder der Behälterkörperhandhabungsarme 383 umfasst einen Halter 386, der an den Drehzapfen 380 schwenkbar montiert ist, und einen hin- und herbewegbaren Fortsatz 389, der mit dem Halter 380 verschiebbar im Eingriff steht, so dass sich der hin- und herbewegbare Fortsatz radial nach außen erstrecken kann und alternativ nach innen, wenn sich die Nabe 350 dreht. Jeder von den Armen 383 umfasst auch eine Greifklemme 392, die am distalen Ende des hin- und herbewegbaren Fortsatzes 389 mit einem Bolzen 393 montiert ist. Die Greifklemmen 392 sind nützlich zum Greifen des Halses der Behälterkörper und Halten der Behälterkörper, während die Arme die Behälterkörper tragen. Jeder hin- und herbewegbare Fortsatz 389 umfasst Führungstifte 396, die am Fortsatz montiert sind und sich nach oben erstrecken, wobei sie mit Aussparungen oder Bahnen 403 in der Unterseite der oberen Platte 374 des stationären Lagers 356 in Eingriff treten. Die Bahnen 403 bewirken durch die Führungsstifte 396, dass sich die Fortsätze 389 der Arme 383 hin- und herbewegen und seitwärts bewegen. Die Bahnen 403 sind so konstruiert, dass sie die Arme 383 lenken, wenn sich die Zufuhrvorrichtungsnabe 350 dreht, so dass sich die Arme ausstrecken und die Kunststoffbehälterkörper 204 von dem ersten Schneckenförderer 230 greifen und dann die Behälterkörper in die Zufuhrradmundöffnungen 288 einsetzen. Die sich vom Zufuhrrad 236 erstreckenden Greifklemmen 305 halten die Hälse der Behälterkörper 204 fester als die Greifklemmen 392 der ersten äußeren Zufuhrvorrichtung 239 fest und ziehen die Behälterkörper weg von der ersten äußeren Zufuhrvorrichtung, wenn sich die Arme der ersten äußeren Zufuhrvorrichtung vorbei am Zufuhrrad drehen. Die Fortsätze 389 der ersten Fortsatz-Zufuhrvorrichtungsarme 383 bewegen sich nach innen und verschieben sich seitwärts, je nach Bedarf, um unerwünschte Zusammenstöße zu vermeiden.
Die erste innere Drehzufuhrvorrichtung 242, die zweite innere Drehzufuhrvorrichtung 245 und die zweite äußere Drehzufuhrvorrichtung 248 weisen dieselbe Struktur und Funktion wie die erste äußere Drehzufuhrvorrichtung 239 auf. Die zweite äußere Drehzufuhrvorrichtung 248 ist auch am Zufuhrvorrichtungsrahmen 250 und dem Zufuhrradgehäuse 260 montiert und ist zwischen dem Zufuhrrad 236 und dem zweiten Schneckenförderer 233 positioniert. Die erste innere Drehzufuhrvorrichtung 242 ist am Zufuhrvorrichtungsrahmen 250 in einem Teil 406 des Vakuumkammergehäuses 218, das als das innere Zufuhrvorrichtungsgehäuse bezeichnet wird, montiert, das sich zwischen dem Zufuhrradgehäuse 260 und dem Förderer 209 erstreckt. Die erste innere Drehzufuhrvorrichtung 242 ist auch am Zufuhrradgehäuse 260 montiert. Die erste innere Drehzufuhrvorrichtung 242 ist so positioniert, dass die Arme 383 der ersten inneren Drehzufuhrvorrichtung die Behälterkörper 204 von den Mundöffnungen 288 und Zufuhrrad 236 greifen, wenn die Behälterkörper in das innere Zufuhrvorrichtungsgehäuse 406 eintreten. Die Arme der ersten inneren Zufuhrvorrichtung 242 transportieren die unbeschichteten Behälterkörper 204 zum Förderer 209. Die zweite innere Drehzufuhrvorrichtung 245 ist benachbart zur ersten inneren Drehzufuhrvorrichtung 242 im inneren Zufuhrvorrichtungsgehäuse 406 positioniert und ist am Zufuhrvorrichtungsrahmen 250 und dem Zufuhrradgehäuse 260 montiert. Die Arme 383 des zweiten inneren Drehgehäuses 245 greifen die beschichteten Behälterkörper 204 vom Förderer 209 und setzen die beschichteten Behälterkörper in die Mundöffnungen 288 des Zufuhrrads 236 ein.
Vakuumkammer
Die Vakuumkammer 206 umfasst das Vakuumkammergehäuse 218 und kann ein sehr hohes Vakuum im Vakuumkammergehäuse 218 aufrechterhalten. Wünschenswerterweise wird der Beschichtungsprozess im Innern des Vakuumkammergehäuses 218 bei einem Druck im Bereich von etwa 1 × 10^–4 mBar bis etwa 50 × 10^–4 mBar durchgeführt, und bevorzugter von etwa 2 × 10^–4 mBar bis etwa 10 × 10^–4 mBar. Das Vakuumkammergehäuse 218 umfasst das Zufuhrradgehäuse 260 und das innere Zufuhrvorrichtungsgehäuse 406, die beide das Vakuumkammerdurchlasstor 221 bilden, und umfasst auch ein Beschichtungsgehäuse 409, das den Rest des Vakuumkammergehäuses bildet. Das Vakuumkammergehäuse 218 ist aus einem Material, wie z. B. Edelstahl, hergestellt, das die Hochvakua aushalten kann, die im Innern des Gehäuses erzeugt werden. Das Beschichtungsgehäuse 409 umfasst einen langgestreckten Zylinder 410, der sich zwischen einer vorderen Endplatte 412 und einer hinteren Endplatte 415 erstreckt. Jeder von den Bauteilen des Vakuumkammergehäuses 218 ist mit einer luftdichten Abdichtung verbunden, die das Hochvakuum im Innern des Gehäuses aushalten kann. Das innere Zufuhrvorrichtungsgehäuse 406 ist entfernbar an der vorderen Endplatte 412 des Beschichtungsgehäuses 409 angebracht.
Das Beschichtungsgehäuse 409 ist auf einem Rahmen 418 montiert, der unter dem Beschichtungsgehäuse angeordnet ist. Der Beschichtungsgehäuserahmen 418 wiederum ist auf Rädern 421 auf einer Bahn 424 montiert, die an der harten Oberfläche 256 befestigt ist. Das Beschichtungsgehäuse 409 kann deshalb vom Durchlasstor 221 separiert werden, indem das Durchlasstor vom Beschichtungsgehäuse losgelöst wird und das Beschichtungsgehäuse entlang der Bahn 424 verschoben wird. Dies gewährt einen Zugriff auf die Ausrüstung im Innern der Vakuumkammer 206 für Wartung und Reparatur. Ein Motor 425 bewegt das Beschichtungsgehäuse 409 entlang der Bahn 424.
Ein Gehäuse 427 enthält eine Apparatur zur Entfernung der inneren Ausrüstung aus dem Beschichtungsgehäuse 409 und ist an der hinteren Endplatte 412 des Beschichtungsgehäuses angebracht. Ein Paar von Diffusionspumpen 430, die mit dem Beschichtungsgehäuse 409 verbunden sind, sind in Reihe mit einer Vakuumpumpe 433 verbunden, um das Vakuum im Innern der Vakuumkammer 206 aufrechtzuerhalten. Eine außerhalb der Vakuumkammer 206 positionierte Kryokühl vorrichtung 436 kühlt einen in 10 dargestellten Kondensator 437 im Innern der Vakuumkammer 206. Der Kondensator 437 kondensiert und lässt jegliches Wasser im Innern der Vakuumkammer 206 gefrieren, um die Menge an Wasser zu verringern, die durch die Vakuumpumpen zu entfernen ist.
Förderer
Der am besten in 10 dargestellte Förderer 209 umfasst einen im Allgemeinen A-förmigen Rahmen 439, der entlang Schienen 442 verschiebbar montiert ist, die sich in Längsrichtung entlang gegenüberliegenden inneren Seiten des Beschichtungsgehäusezylinders 410 erstrecken. Der Fördererrahmen 439 ist über der Beschichtungsdampfquelle 212 montiert, so dass der Förderer 209 die Kunststoffbehälterkörper 204 über der Beschichtungsdampfquelle transportiert. Der Förderrahmen 439 bildet eine Endlosdoppelschleifenbahn 445, die einer Wäscheklammerkonfiguration ähnelt. Die Endlosdoppelschleifenbahn 445 des Förderers umfasst eine äußere untere Schleife 448 und eine innere obere Schleife 451. Eine Endlosschiene 454 läuft entlang der unteren und oberen Schleife 448 und 451. Behälterhaltevorrichtungen 457 bewegen sich entlang der Endlosschiene 454, um die Behälterkörper viermal über die Beschichtungsdampfquelle 212 zu transportieren, wobei zweimal die Seiten der Behälterkörper der Beschichtungsdampfquelle zugekehrt sind und wobei zweimal die Böden der Behälterkörper der Beschichtungsdampfquelle zugekehrt sind. Die Seiten der Behälterkörper 204 sind der Beschichtungsdampfquelle zugekehrt, wenn sie sich entlang der äußeren unteren Schleife 448 bewegen, und die Böden der Behälterkörper sind der Beschichtungsdampfquelle zugekehrt, wenn die Behälterkörper entlang der inneren oberen Schleife 451 transportiert werden. Die 8A und 8B zeigen aus Gründen der Veranschaulichung nicht sämtliche Behälterhaltevorrichtungen 457. Die Behälterhaltevorrichtungen 457 erstrecken sich wünschenswerterweise vollständig um die Endlosdoppelschleifenbahn 445. Die 9A und 9B stellen die Behälterhaltevorrichtungen 457 oder die Behälterkörper 204 nicht dar.
Der in 10 dargestellte Fördererrahmen 439 umfasst eine obere Platte 460, die sich im Wesentlichen die Länge des Beschichtungsgehäuses 409 erstreckt, und gegenüberliegende Seitenwände 463, die sich von entgegengesetzten Längsrändern der oberen Platte nach unten erstrecken und dann nach außen zu distalen unteren Rändern 466. Die Schiene 454 läuft entlang dem unteren Rand 466 der Seitenwände 463, um die äußere Schleife 448 zu bilden. Entlang der äußeren Schleife 448 ist die Schiene 454 nach oben und nach innen gewinkelt, um die Behälterkörper etwas nach oben und nach innen auszurichten, so dass die Seiten der Behälterkörper der Beschichtungsdampfquelle 212 zugekehrt sind. Ein Paar von Trägern 469 erstreckt sich horizontal und nach innen in Richtung aufeinander zu von den entgegengesetzten Seitenwänden 463 des Fördererrahmens 439 in der Nähe der oberen Platte 460 des Fördererrahmens. Die Fördererschiene 454 läuft entlang dieser horizontalen Träger 469, um die innere Schleife 451 der Endlosdoppelschleifenbahn 445 zu bilden. Entlang der inneren Schleife 451 ist die Schiene 454 vertikal ausgerichtet, so dass die Behälterkörper 204 im Wesentlichen vertikal ausgerichtet sind, wobei die Böden der Behälterkörper der Beschichtungsdampfquelle 212 zugekehrt sind. Ein Paar von Platten 472 erstrecken sich im Wesentlichen horizontal zwischen der oberen Platte 460 und den Trägern 469 und weisen Aussparungen 479 auf, die in Längsrichtung verlaufen, um den Behälterhaltevorrichtungen 457 Stabilität zu verleihen, wenn die Haltevorrichtungen entlang der inneren Schleife 451 laufen.
Ein Staubschutzschild 478 ist am Fördererrahmen 439 montiert und erstreckt sich vom Fördererrahmen entlang den Seitenwänden 463 des Fördererrahmens nach unten und nach außen zu den Seitenwänden des Beschichtungsgehäusezylinders 410. Diese Abschirmung 478 separiert folglich das Behältergehäuse 409 in einen oberen Teilraum 482 und einen unteren Teilraum 483, wobei der Beschichtungsdampf 215 von der Beschichtungsdampfquelle 212 im Wesentlichen auf den unteren Teilraum beschränkt ist. Die Behälterhaltevorrichtungen 457 treten durch eine Aussparung in der Abschirmung durch, wenn sich die Behälterhaltevorrichtungen entlang den Förderern 209 bewegen.
Jede Behälterhaltevorrichtung 457 umfasst einen Arm 484, einen Vorsprung 487, der sich von einem Ende des Arms erstreckt, ein Paar von am Arm montierten beabstandeten Rädern 490 benachbart zum Vorsprung und einen magnetischen Behälterhaltevorrichtungs- und Behälterdrehmechanismus 493 an einem entgegengesetzten Ende des Arms. Der Vorsprung 487 bewegt sich durch die Aussparungen 475 in den horizontalen Trägerplatten 472 des Fördererrahmens 439. Die beabstandeten Räder 490 treten mit der Endlosschiene 454 der Fördererbahn 445 in Eingriff. Die magnetische Behälterhaltevorrichtung 493 umfasst einen Magneten, der die Verschlüsse 312, die auf den Gewindeenden oder Zubehörteilen der Kunststoffbehälterkörper 204 platziert sind, zieht und hält. Diese Magnetkraft hält die Behälterkörper 204 während des gesamten Beschichtungsprozesses an den Behälterhaltevorrichtungen 457. Die Haltevorrichtung 457 dreht die Behälterkörper 204 beständig, während die Behälterkörper durch das Behältergehäuse 409 gefördert werden.
Der ganze Förderer 209 kann vom Beschichtungsgehäuse 409 nach außen verschoben werden, indem der Fördererrahmen 439 entlang den am Beschichtungsgehäuse montierten Schienen 442 verschoben wird, nachdem das Beschichtungsgehäuse entlang der Beschichtungsgehäuseträgerbahn 424 zurückgezogen worden ist.
Verdampfersystem zur Erzeugung von Beschichtungsdampf
Die Beschichtungsdampfquelle 212 umfasst vier Verdampfer 510 in Reihe entlang der Länge des Beschichtungsgehäuses 409 unter dem Förderer 209. Die Verdampfer 510 sind auf einem langgestreckten Hohlstützträger 513 montiert. Der Stützträger 513 ist wiederum auf Rollen 516 auf einer Bahn 519 montiert, die entlang dem Boden des Beschichtungsgehäuses 409 verläuft. Die Verdampfer 510 können folglich aus dem Beschichtungsgehäuse 409 herausgerollt werden, wenn das Beschichtungsgehäuse vom Vakuumkammerdurchlasstor 221 separiert ist. Dies macht die Verdampfer 510 für Reparatur und Wartung zugänglich.
Die Verdampfer 510 ähneln dem in der zuvor beschriebenen Ausführungsform verwendeten und in 1 veranschaulichten Verdampfer 1. Die Verdampfer 510 im Hochgeschwindigkeitssystem für große Mengen 200 arbeiten bei im Wesentlichen denselben Parametern wie der Verdampfer 1 in den zuvor beschriebenen Ausführungsformen. Jeder Verdampfer 510 umfasst ein Aufnahmebehältnis 524, das ein verdampfbares Material enthält, wobei das Aufnahmebehältnis aus einem geeigneten Material konstruiert ist, z. B. Kohlenstoff, wenn Silicium verdampft wird. Eine Eignung des Materials für das Aufnahmebehältnis 524 wird in erster Linie. durch ein Vermögen, die erforderliche Temperatur auszuhalten, um das Beschichtungsmaterial zu schmelzen und zu verdampfen, und durch seine Reaktionsträgheit gegenüber dem Beschichtungsmaterial bestimmt. Jeder Verdampfer 510 umfasst eine kalte Kathode 521, und das Aufnahmebehältnis ist elektrisch als eine Anode angeschlossen. Die Kathode 521 umfasst wünschenswerterweise Messing oder Magnesium, kann aber auch aus anderen Komponenten hergestellt sein, vorzugsweise Metallen, die als die glasbildenden Metallzusatzmittel nützlich sind, die verdampfen und Teil der anorganischen Oxidschicht auf den Behälterkörpern 204 bilden. Geeignete Zusatzmittel sind vorstehend beschrieben. Das Aufnahmebehältnis 524 wird durch geeignete Mittel separat beheizt, wie z. B. Induktionsoder Widerstandsheizen. 10 veranschaulicht eine Stromleitung 530 zur Anode. Die Stromleitung zur Kathode 521 ist nicht dargestellt.
Jeder Verdampfer 510 umfasst ein Gehäuse 533, das die Anode 524 und das Aufnahmebehältnis für verdampfbaren Festkörper 527 enthält. Zusätzlich enthält das Gehäuse 533 einen Heizer zum Heizen des Aufnahmebehältnisses 527 auf sehr hohe Temperaturen, 1200° bis 1800°C. Ein geeigneter Heizer ist ein Kohlenstofffilzwiderstandsheizer. Silicium wird z. B. in einem Aufnahmebehältnis auf eine Temperatur von etwa 1500°C erhitzt. Die Elektronenkanone oder kalte Kathode 521 ist so positioniert, dass sie das verdampfbare Material im Aufnahmebehältnis 527 weiter heizt und einen Plasmadampf erzeugt, der durch eine Öffnung 538 im Gehäuse ausgestoßen wird. Der Widerstandsheizer 536 wird elektrisch durch Stromleitungen 541, die sich durch den Stützträger 513 erstrecken, mit Energie versorgt.
Ein schwenkbar montiertes Staubschutzschild 544 ist über den Verdampfern 510 selektiv positionierbar, um die Verdampfer gegen Beschichtungspartikeln zu schützen, die nicht an den Behälterkörpern 204 haften, und ist alternativ in eine untere Position positionierbar, wobei die Verdampfer freigelegt werden.
Der Beschichtungswinkel des Plasmadampfs, der durch die Verdampfer 510 ausgestoßen wird, beträgt wünschenswerterweise 30 bis 60°, wie bei der vorherigen Ausführungsform beschrieben. Der Abstand zwischen den Verdampfern 510 und den Behälterkörpern 204 beträgt wie bei der zuvor beschriebenen Ausführungsform wünschenswerterweise 0,5 bis 2 m.
Betrieb des Hochgeschwindigkeitsbeschichtungssystems für große Mengen
Allgemeinen beschrieben, werden die Kunststoffbehälterkörper 204 mit einer anorganischen Oxidbeschichtung, wie z. B. Siliciumdioxid, beschichtet, indem die Behälterkörper mit der Behälterzufuhrvorrichtung 203 automatisch und kontinuierlich zur Vakuumkammer 206 zugeführt werden, wobei die Behälterkörper mit dem Förderer 209 über die Beschichtungsdampfquelle 212 durch die Vakuumkammer gefördert werden und die beschichteten Behälterkörper mit der Behälterzufuhrvorrichtung aus der Vakuumkammer herausgenommen werden.
Genauer gesagt, bevor die Kunststoffbehälterkörper 204 mit dem Hochgechwindigkeitssystem für große Mengen 200 beschichtet werden, werden die Verdampferaufnahmebehältnisse 527 mit einem verdampfbaren Material beladen, wie z. B. Silicium, und die Luft in der Vakuumkammer 206 wird auf einen Druck von etwa 2 × 10^–4 mBar evakuiert. Sauerstoff wird durch geeignete Gaseinlässe in die Vakuumkammer 206 zugeführt.
Unbeschichtete Kunststoffbehälterkörper 204 werden von einer Quelle 224 von Behälterkörpern, wie z. B. einer Kunststoffbehälterblasformgebungsstraße, zur Behälterzufuhrvorrichtung 203 zugeführt. Die unbeschichteten Behälterkörper 204 werden durch den ersten Schneckenförderer 230 zur ersten äußeren Drehzufuhrvorrichtung 239 gefördert, die die unbeschichteten Behälterkörper durch die äußere Öffnung 203 im Vakuumkammerdurchlasstor 221 in einzelne Mundöffnungen 288 im Zufuhrrad 236 transportiert. Die Mundöffnungen 288 werden evakuiert, wenn die unbeschichteten Behälterkörper 204 durch das Zufuhrrad 236 zur ersten inneren Drehzufuhrvorrichtung 242 transportiert werden. Die erste innere Drehzufuhrvorrichtung 242 greift die unbeschichteten Behälterkörper 204 und transportiert sie zum Förderer 209.
Die unbeschichteten Behälter werden mit der Verschließmaschine 314 mit den magnetischen Lüftungsverschlüssen 312 versehen. Die Verschlüsse 312 ermöglichen, dass die Behälterkörper in der Hochvakuumumgebung der Vakuumkammer 206 etwas mit Druck beaufschlagt bleiben.
Die durch den Förderer 209 getragenen Behälterhaltevorrichtungen 457 haften magnetisch an den Behälterkörperverschlüssen 312 und tragen die Behälterkörper viermal durch das Beschichtungsgehäuse 409 über die Verdampfer 510 hin und her. Die Behälterhaltevorrichtungen 457 sind vertikal ausgerichtet, wenn sie zu Beginn die Behälterkörper aufnehmen. Die Behälterhaltevorrichtungen 457 und die verbundenen Behälterkörper 204 werden neuausgerichtet, wenn sich die Behälterhaltevorrichtungen 457 entlang der Endlosfördererschiene 454 bewegen. Das Silicium in den Verdampferaufnahmebehältnissen 527 wird durch die Widerstandsheizer 536 und die Verdampfer 510 und die verbundenen kalten Kathoden 521 erhitzt. Dies erzeugt einen Plasmadampf, der verdampftes Silicium und kleine Mengen von verdampften Metallzusatzmitteln umfasst, wie z. B. Zink, Kupfer oder Magnesium, die von den kalten Kathoden 521 selbst verdampft werden. Wenn die Behälterkörper 204 über die Verdampfer 510 hinwegtreten, lagert sich das Material im Plasmadampf auf der äußeren Oberfläche der Behälterkörper ab und reagiert mit dem Sauerstoff im Beschichtungsgehäuse 409, um eine dünne haltbare anorganische Oxidschicht auf der äußeren Oberfläche der Behälterkörper zu bilden. Die Verschlüsse 312 auf den Gewindeöffnungen oder Zubehörteilen der Behälterkörper lassen die Gewindeöffnungen oder Zubehörteile unbeschichtet.
Die Fördererschiene 454 trägt zuerst die Behälterkörper 204 bei einem ersten Hinwegtreten über die Verdampfer 510, wobei die Seiten der Behälterkörper den Verdampfern zugekehrt sind. Die Behälterhaltevorrichtungen 457 drehen beständig die Behälterkörper 204 während des gesamten Förder- und Beschichtungsprozesses. Als nächstes tragen die Behälterhaltevorrichtungen 457 die Behälterkörper 204 entlang einer Seite der inneren Schleife 451 auf der Fördererschiene 454 bei einem zweiten Hinwegtreten über die Verdampfer 510. Bei dem zweiten Hinwegtreten sind die Behälterhaltevorrichtungen 457 und Behälterkörper 204 vertikal ausgerichtet, wobei der Boden der Behälterkörper den Verdampfern 510 zugekehrt ist, um den Boden der Behälterkörper zu beschichten. Als Nächstes folgen die Behälterhaltevorrichtungen 457 der Fördererschiene 454 entlang der anderen Seite der inneren Schleife 451 bei einem dritten Hinwegtreten über die Verdampfer 510. Ähnlich wie beim zweiten Hinwegtreten sind die Behälterhaltevorrichtungen 457 und Behälterkörper 204 vertikal ausgerichtet, wobei die Böden der Behälterkörper den Verdampfern 510 zugekehrt sind. Bei dem vierten und letzten Hinwegtreten über die Verdampfer 510 folgen die Behälterhaltevorrichtungen 457 der Fördererschiene 454 entlang der anderen Seite der äußeren Schleife 448. Bei diesem vierten Hinwegtreten richtet die Fördererschiene 454 die Behälterhaltevorrichtungen 457 und die Behälterkörper 204 neu aus, so dass die Seiten der Behälterkörper den Verdampfern 510 zugekehrt sind.
Die beschichteten Behälterkörper 204 werden dann zur vertikalen Position zurückgeführt und durch die Arme 383 der zweiten inneren Drehzufuhrvorrichtung 245 gegriffen. Die zweite innere Drehzufuhrvorrichtung 245 transportiert die beschichteten Behälterkörper 204 zu den Mundöffnungen 288 im Drehzufuhrrad 236. Das Zufuhrrad 236 transportiert die beschichteten Behälterkörper 204 zur zweiten äußeren Behälterzufuhrvorrichtung 248, während die Luftzufuhrmundöffnungen 311 die Zufuhrradmundöffnungen 288 wieder mit Druck beaufschlagen. Die zweite äußere Drehzufuhrvorrichtung 248 greift die beschichteten Behälterkörper von den Mundöffnungen 288 des Zufuhrrads 236 durch die äußere Öffnung 300 und transportiert die beschichteten Behälterkörper 204 zum zweiten Schneckenförderer 233, der die beschichteten Behälterkörper in Richtung auf die Getränkeverpackungsstraße 227 fördert.
Die Getränkeverpackungsstraße 227 kann ein herkömmlicher Getränkebefüll- und Abdichtungsprozess sein. Die beschichteten Behälterkörper werden zuerst mit einem Getränk befüllt und dann abgedichtet. Die Behälter können mit den verschiedensten Getränken befüllt werden, einschließlich alkoholischen Getränken, wie z. B. Bier, und alkoholfreien Getränken, wie z. B. kohlensäurehaltige Getränke, Wasser, Säfte, Sportgetränke und dergleichen. Die Getränke können unter Druck im Behälter abgedichtet werden. Kohlensäurehaltige Getränke werden z. B. unter Druck abgedichtet. Die gemäß dieser Erfindung hergestellten Behälter liefern eine Barriere gegen Kohlendioxid und halten deshalb Kohlendioxid im Kohlensäuregetränkebehälter.
RECYCLING
Die beschichteten Behälter dieser vorstehend beschriebenen Erfindung sind besonders zum Recycling geeignet. Eine Ausführungsform dieser Erfindung umfasst dafür ein Verfahren zum Erzeugen von Kunststoff mit Recyclinganteil, umfassend die Schritte: Bereitstellen einer Charge Kunststoff, wobei mindestens ein Teil der Charge Kunststoff beschichtete Kunststoffbehälter umfasst, und Umwandeln der Charge Kunststoff in eine Form, die zur Schmelzextrusion geeignet ist. Die beschichteten Kunststoffbehälter zum Recycling umfassen einen Kunststoffbehälterkörper mit einer äußeren Oberfläche und eine Schicht auf der äußeren Oberfläche, die ein anorganisches Oxid umfasst. Zwei geeignete Recyclingprozesse werden in größerer Einzelheit nachstehend beschrieben.
15 ist ein Flussdiagramm, das einen physikalischen Recyclingprozess veranschaulicht. Beim Recycling werden für Kunststoffbehälter normalerweise entweder ein physikalisches Recycling oder chemisches Recycling durchgeführt. Beim physikalischen Recycling wird eine Charge Kunststoff bereitgestellt, wie in Schritt 100 angegeben. Während dieser Kunststoff einen einzigen Typ von Gegenstand umfassen kann, wird es in Erwägung gezogen, dass sowohl beschichtete als auch unbeschichtete Kunststoffe bereitgestellt werden. Bei einem herkömmlichen Prozess, der in Schritt 102 angegeben ist, müssen diese beschichteten und unbeschichteten Kunststoffe separiert werden. Das kann ein arbeitsaufwendiger Schritt sein und führt zu erhöhten Kosten für das Recycling.
Mit der vorliegenden Erfindung mindestens in ihren bevorzugten Formen kann dieser Separationsschritt 102 vermieden werden. Insbesondere zeigt Schritt 104 ein Mischen von beschichteten und unbeschichteten Behältern an. Während dieser Schritt zweifellos an der Recyclingstation vorgenommen werden kann, wird es in Erwägung gezogen, dass das tatsächliche Mischen vor der Ankunft des Kunststoffs an der Recyclingstation stattfinden könnte. Z. B., wenn der Kunststoff durch ein Müllfahrzeug aufgenommen wird und zum Recyclingcenter gebracht wird, könnte ein solches Mischen dann erfolgen. Ein Vorteil der vorliegenden Ausführungsform besteht darin, dass wenn zu recycelnder Kunststoff mit beschichtetem Kunststoff, der mit nicht-beschichtetem Kunststoff vorliegt, gemischt wird, eine Separation von diesen zwei Kunststoffen unnötig ist. In der Praxis ist dies tatsächlich unausführbar. Demgemäß ist, wenn beschichtete Behälter in den Recyclingstrom eingeführt werden, der Recyclingprozess unbeeinflusst.
Wie bei einem herkömmlichen Prozess werden die gemischten Kunststoffe in Schritt 106 in Schnitzel zerkleinert. Ein fakultativer Schritt eines Waschens der Schnitzel 108 kann durchgeführt werden. Tatsächlich könnte ein Waschschritt zu vielen anderen Zeitpunkten während des Prozesses erfolgen.
Nach dem Schritt eines Waschens 108, wenn er durchgeführt wird, oder nach dem Schritt eines Zerkleinerns 106 werden die zerkleinerten Schnitzel bei Schritt 110 schmelzextrudiert. Ein Schritt eines Formens 112 erfolgt dann, der bloß anzeigt, dass etwas mit der Extrusion gemacht wird. Z. B. könnten Pellets, Schnitzel oder andere konfigurierte Kunststoffe schmelzextrudiert und dann blasgeformt oder spritzgegossen werden. Viele andere Verwendungen für den recycelten Kunststoff sind möglich. Der blasgeformte oder spritzgegossene Kunststoff kann für Behälter wiederverwendet werden und kann insbesondere für Getränkebehälter verwendet werden. Tatsächlich kann die Charge Kunststoff, die zu Beginn im Verfahren bei Schritt 100 bereitgestellt wird, Kunststoffgetränkebehälter sein, wodurch ein Flasche-zu-Flasche-Recycling möglich ist. Natürlich ist der Typ von Kunststoffhandhabung und Ausstoß des Recyclingprozesses nicht beschränkt.
Abgesehen von den Schritten eines physikalischen Recycling ist die vorliegende Ausführungsform auch auf einen chemischen Recyclingprozess anwendbar, wie in 16 dargestellt. Wieder werden Kunststoffe in einem Schritt 114 bereitgestellt. Herkömmlicherweise war ein Separationsschritt 116 notwendig. Die vorliegende Ausführungsform vermeidet einen solchen Separationsschritt 116. Ähnlich zu dem vorstehend beschriebenen physikalischen Recycling ist ein Mischschritt 118 für beschichteten und unbeschichteten Kunststoff angegeben. Dieses Mischen kann an der Recyclingstation oder vor der Ankunft des Kunststoffs an dieser Station stattfinden.
Beim chemischen Recycling wird der Kunststoff durch herkömmliche Prozesse depolymerisiert, wie in Schritt 120 angegeben. Um die Flexibilität der vorliegenden Ausführungsform anzuzeigen, wird es in Erwägung gezogen, dass separierter beschichteter und unbeschichteter Kunststoff im Schritt 114 bereitgestellt werden könnte. Diese separierten Kunststoffe würden in Schritt 120 separat depolymerisiert werden, würden aber in Schritt 122 zusammengemischt werden. Dieser fakultative Mischschritt 122 ist bloß dazu da, um die Flexibilität der vorliegenden Erfindung anzuzeigen.
Nachdem der Kunststoff depolymerisiert ist, wird er in Schritt 124 repolymerisiert. Dieser Kunststoff kann dann in einen gewünschten Artikel gebildet werden, wie z. B. durch Blasformgebung oder Extrusionsformgebung, wie in Schritt 126 angegeben. Ähnlich zum physikalischen Recyclingprozess kann der chemische Recyclingprozess viele Typen von Kunststoffen handhaben und erzeugen. Z. B. ist ein Flasche-zu-Flasche-Recycling möglich.
Ein anderer Vorteil zum Recyclingprozess der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass eine Trübheit im recycelten Endprodukt vermieden wird. Weil verhältnismäßig kleine Partikeln in der Schicht verwendet werden, kann eine Trübung in dem schließlich erzeugten recycelten Produkt vermieden werden. Außerdem ist die Schicht für eine Nahrungsmittelberührung akzeptabel und beeinflusst deshalb die Recyclingbemühungen bei Zerkleinerung oder Depolymerisierung in den Recyclingprozessen nicht nachteilig.
Der Kunststoff, der in einem von beiden Recyclingprozessen erzeugt wird, kann spritzgegossen oder blasgeformt werden, wie vorstehend angemerkt. Selbst wenn ein beschichteter Kunststoff zu Beginn in den Recyclingprozess eingeführt wird, beeinträchtigt das Beschichten der vorliegenden Erfindung die stromabwärts gelegenen Spritzguss- oder Blasformgebungsprozesse nicht.
Obwohl das spezielle physikalische und chemische Recycling erörtert worden sind, sollte es ersichtlich sein, dass die vorliegende Erfindung mindestens in ihren bevorzugten Formen auch bei anderen Typen von Recyclingprozessen angewandt werden kann.
Nachdem die Erfindung so beschrieben worden ist, ist es augenscheinlich, dass dieselbe auf viele Weisen variiert werden kann. Solche Variationen sind nicht als eine Abweichung vom Bereich der Erfindung zu betrachten, und alle solche Modifikationen, wie sie für einen Fachmann augenscheinlich sein würden, sollen im Umfang der folgenden Ansprüche eingeschlossen sein.

Claims

System zur Herstellung eines beschichteten Kunststoffbehälters, der eine Gasbarriere besitzt, wobei das System umfasst: eine Vakuumkammer (50; 206), die ein Vakuum in der Vakuumkammer aufrechterhalten kann; eine Behälterzufuhrvorrichtung (40; 203) zur Zufuhr von Kunststoffbehälterkörpern (10; 204) in die und Herausnahme von beschichteten Kunststoffbehältern aus der Vakuumkammer (50; 206), wobei die Kunststoffbehälterkörper jeweils eine äußere Oberfläche (6) und eine innere Oberfläche aufweisen, die einen Innenraum definiert; einen Förderer (52, 53; 209) in der Vakuumkammer zum Fördern der Kunststoffbehälterkörper durch die Vakuumkammer; und mindestens eine Quelle (1; 212), die in der Vakuumkammer angeordnet ist, zur Zufuhr eines Beschichtungsdampfs zur äußeren Oberfläche (6) der Behälterkörper, wenn die Behälterkörper durch die Vakuumkammer gefördert werden, wobei die mindestens eine Quelle von Beschichtungsdampf einen Verdampfer zum Erhitzen und Verdampfen eines anorganischen Beschichtungsmaterials umfasst, um den Beschichtungsdampf zu bilden; eine Gaszufuhr (7) zur Zufuhr von mindestens einem reaktiven Gas zu einem Inneren der Vakuumkammer; wobei die mindestens eine Quelle von Beschichtungsdampf und der Förderer so in der Vakuumkammer strukturiert und angeordnet sind, dass (a) der Beschichtungsdampf von der mindestens einen Quelle mit dem reaktiven Gas reagiert und eine dünne Schicht (9) auf der äußeren Oberfläche (6) des Behälters ablagert, (b) die dünne Schicht eine anorganische Verbindung umfasst und sich an der äußeren Oberfläche der Behälterkörper (10; 204) bindet und (c) die resultierenden beschichteten Kunststoffbehälter, wenn sie ein Druckfluid enthalten, das im Innenraum bei einem Druck von 60 psig (4,1 bar) abgedichtet ist, eine Gasbarriere von mindestens 1,25× der Gasbarriere der Behälter ohne die Schicht besitzen, wenn die Behälter ohne die Schicht ein Druckfluid enthalten, das im Innenraum bei einem Druck von 60 psig (4,1 bar) abgedichtet ist.
System zur Herstellung eines beschichteten Kunststoffbehälters nach Anspruch 1, bei dem das reaktive Gas aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Sauerstoff, Stickstoff, Schwefel und Halogenen besteht.
System zur Herstellung eines beschichteten Kunststoffbehälters nach Anspruch 1, bei dem das reaktive Gas Sauerstoff ist und die anorganische Verbindung ein anorganisches Oxid ist.
System zur Herstellung eines beschichteten Kunststoffbehälters nach Anspruch 1, bei dem, während die Vakuumkammer (50; 206) ein Vakuum in der Vakuumkammer aufrechterhält, die Behälterzufuhrvorrichtung (40; 203) die Behälterkörper (10; 204) von außerhalb der Vakuumkammer in die Vakuumkammer zu dem Förderer (52, 53; 209) kontinuierlich zuführt, der Förderer die Behälterkörper durch die Vakuumkammer vorbei an der mindestens einen Quelle (1; 212) kontinuierlich fördert und die Behälterzufuhrvorrichtung (40; 203) die beschichteten Behälter von dem Förderer kontinuierlich wiedergewinnt und die beschichteten Behälter aus der Vakuumkammer herausnimmt.
System zur Herstellung eines beschichteten Kunststoffbehälters nach Anspruch 1, weiter umfassend eine Einrichtung zum Drehen der Behälterkörper (10; 204), während die Behälterkörper durch die Vakuumkammer (50; 206) gefördert werden.
System zur Herstellung eines beschichteten Kunststoffbehälters nach Anspruch 4, bei dem die Behälterkörper (10; 204) jeweils einen Boden und Seiten aufweisen und der Förderer (52, 53; 209) die Kunststoffbehälterkörper in Bezug zu der mindestens einen Quelle (1; 212) von Beschichtungsdampf ausrichten kann, um sowohl den Boden als auch die Seiten des Behälters mit dem Beschichtungsdampf zu beschichten.
System zur Herstellung eines beschichteten Kunststoffbehälters nach Anspruch 1, weiter umfassend eine Verschließmaschine zum Abdichten jedes Behälterkörpers mit einem Verschluss (20; 312) bevor der Behälterkörper dem Förderer (52, 53; ) zugeführt wird, wobei der Förderer eine Mehrzahl von Armen zum Eingriff mit den Verschlüssen, während sich die Verschlüsse auf den Behälterkörpern (10; 204) befinden, und Tragen der Behälterkörper, während der Förderer die Behälterkörper durch die Vakuumkammer (50; 206) transportiert, umfasst.
System zur Herstellung eines beschichteten Kunststoffbehälters nach Anspruch 1, weiter umfassend eine Einrichtung zum Bilden des Beschichtungsdampfs in ein Hochenergieplasma.
System zur Herstellung eines beschichteten Kunststoffbehälters nach Anspruch 1, bei dem die mindestens eine Quelle (1; 212) von Beschichtungsdampf umfasst: ein elektrisch als Anode verbundenes Aufnahmebehältnis (3; 524) zum Enthalten von mindestens einem Teil des Beschichtungsmaterials (4) und eine kalte Kathode (2; 521), die auf den Teil des Beschichtungsmaterials im Aufnahmebehältnis gerichtet ist, um mindestens teilweise das Beschichtungsmaterial (4) zu verdampfen und den Beschichtungsdampf in ein Plasma zu bilden.
System zur Herstellung eines beschichteten Kunststoffbehälters nach Anspruch 9, bei dem die kalte Kathode (2; 521) verdampfbar ist, um einen Teil des Beschichtungsdampfs zu bilden.
System zur Herstellung eines beschichteten Kunststoffbehälters nach Anspruch 10, bei dem die kalte Kathode (2; 521) Messing umfasst.
System zur Herstellung eines beschichteten Kunststoffbehälters nach Anspruch 10, bei dem die kalte Kathode (2; 521) Magnesium umfasst.
System zur Herstellung eines beschichteten Kunststoffbehälters nach Anspruch 1, bei dem der Förderer (52, 53; 209) und die mindestens eine Quelle von Beschichtungsdampf so strukturiert und angeordnet sind, dass der Beschichtungsdampf auf den äußeren Oberflächen der Behälterkörper (10; 204) mit dem reaktiven Gas reagiert, das durch die Gaszufuhr (7) zugeführt wird, um die Schicht zu bilden.
System zur Herstellung eines beschichteten Kunststoffbehälters nach Anspruch 3, bei dem die dünne Schicht (9) weiter ein glasbildendes Metallzusatzmittel umfasst.
Verfahren zur Herstellung eines beschichteten Kunststoffbehälters, der eine Gasbarriere besitzt, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: Zuführen von Kunststoffbehälterkörpern (10; 204) in eine Vakuumkammer (50; 206), während die Vakuumkammer ein Vakuum in der Vakuumkammer aufrechterhält, wobei die Kunststoffbehälterkörper jeweils eine äußere Oberfläche (6) und eine innere Oberfläche, die einen Innenraum definiert, aufweisen; Fördern der Kunststoffbehälterkörper durch die Vakuumkammer; Zuführen eines reaktiven Gases in die Vakuumkammer; Erhitzen und Verdampfen eines anorganischen Beschichtungsmaterials mit einem Verdampfer (1;510), der in der Vakuumkammer (50;206) angeordnet ist, um einen Beschichtungsdampf zu bilden; und Herausnehmen der beschichteten Kunststoffbehälter aus der Vakuumkammer, wobei die Schritte eines Förderns der Behälterkörper und Bildens des Beschichtungsdampfs so durchgeführt werden, dass, wenn die Behälterkörper durch die Vakuumkammer (50;206) gefördert werden, der Beschichtungsdampf mit dem reaktiven Gas reagiert und eine dünne Schicht (9) auf der äußeren Oberfläche der Behälter ablagert, (b) die dünne Schicht eine anorganische Verbindung umfasst und sich an die äußere Oberfläche der Behälterkörper bindet und (c) die resultierenden beschichteten Kunststoffbehälter, wenn sie ein Druckfluid enthalten, das im Innenraum bei einem Druck von 60 psig (4,1 bar) abgedichtet ist, eine Gasbarriere von mindestens 1,25× der Gasbarriere der Behälter ohne die Schicht besitzen, wenn die Behälter ohne die Schicht ein Druckfluid enthalten, das im Innenraum bei einem Druck von 60 psig (4,1 bar) abgedichtet ist.
Verfahren zur Herstellung eines beschichteten Kunststoffbehälters nach Anspruch 15, bei dem das reaktive Gas aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Sauerstoff, Stickstoff, Schwefel und Halogenen besteht.
Verfahren zur Herstellung eines beschichteten Kunststoffbehälters nach Anspruch 15, bei dem das reaktive Gas Sauerstoff ist und die anorganische Verbindung ein anorganisches Oxid ist.
Verfahren nach Anspruch 15, bei dem, während die Vakuumkammer (50; 206) ein Vakuum in der Vakuumkammer aufrechterhält, der Schritt eines Zuführens ein kontinuierliches Zuführen der Behälterkörper von außerhalb der Vakuumkammer in die Vakuumkammer zu dem Förderer (52, 53; 209) umfasst, der Schritt eines Förderns ein kontinuierliches Fördern der Behälterkörper (10; 204) durch die Vakuumkammer vorbei an der mindestens einen Quelle umfasst und der Zufuhrschritt weiter ein kontinuierliches Wiedergewinnen der beschichteten Behälter von dem Förderer und Herausnehmen der beschichteten Behälter aus der Vakuumkammer umfasst.
Verfahren nach Anspruch 15, bei dem der Schritt eines Förderns ein Drehen der Behälterkörper (10; 204), während die Behälterkörper durch die Vakuumkammer (50; 206) gefördert werden, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 18, bei dem der Schritt eines Zuführens umfasst: automatisches und kontinuierliches Zuführen der Behälterkörper (204) mit einer Drehzufuhrvorrichtung in die Vakuumkammer (206) zu dem Förderer (209) von einer Quelle von Behälterkörpern außerhalb der Vakuumkammer und automatisches und kontinuierliches Wiedergewinnen der beschichteten Behälter von dem Förderer und Transportieren der beschichteten Behälter zu einer Stelle außerhalb der Vakuumkammer.
Verfahren nach Anspruch 20, bei dem die Drehbehälterzufuhrvorrichtung ein Zufuhrrad (236), das in einer Öffnung der Vakuumkammer drehbar montiert ist, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 21, bei dem Greifklemmen (305) in jeder der Zufuhrradöffnungen (288) angeordnet sind, um die Hälse der Behälterkörper (204) zu greifen, während die Behälterkörper durch das Zufuhrrad (236) transportiert werden.
Verfahren nach Anspruch 20, bei dem die Drehbehälterzufuhrvorrichtung umfasst: eine erste äußere Drehzufuhrvorrichtung (239) zum automatischen und kontinuierlichen Zuführen der unbeschichteten Kunststoffbehälterkörper zum Zufuhrrad (236) und eine erste innere Drehzufuhrvorrichtung (242) zum automatischen und kontinuierlichen Zuführen der unbeschichteten Kunststoffbehälterkörper vom Zufuhrrad (236) zum Förderer (209), eine zweite innere Drehzufuhrvorrichtung (245) zum automatischen und kontinuierlichen Zuführen der beschichteten Kunststoffbehälterkörper vom Förderer (209) zum Zufuhrrad (236) und eine zweite äußere Drehzufuhrvorrichtung (248) zum automatischen und kontinuierlichen Übernehmen der beschichteten Kunststoffbehälterkörper vom Zufuhrrad (236).
Verfahren nach Anspruch 23, bei dem Greifklemmen (392) zum Greifen des Halses der Behälterkörper (204) auf den inneren und äußeren Drehzufuhrvorrichtungen angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 15, weiter umfassend den Schritt eines Bildens des Beschichtungsdampfs in ein Hochenergieplasma.
Verfahren nach Anspruch 15, weiter umfassend den Schritt eines Abdichtens der Behälterkörper (10; 204), so dass die Behälterkörper abgedichtet sind, wenn sie sich in der Vakuumkammer (50; 206) befinden, um dadurch zu verhindern, dass Luft im Innenraum der Behälterkörper entweicht.
Verfahren nach Anspruch 26, bei dem die Behälterkörper (10; 204) mit einem Druck im Innenraum der Behälter abgedichtet werden, der größer ist als der Druck in der Vakuumkammer (50; 206).
Verfahren nach Anspruch 15, bei dem der Schritt eines Zuführens von Beschichtungsdampf weiter mindestens eines von einem chemischen und physikalischen Binden der anorganischen Verbindung an der äußeren Oberfläche der Behälterkörper (10; 204) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 15, bei dem der Verdampfer (1; 510) ein elektrisch als Anode verbundenes Aufnahmebehältnis (3; 524) zum Enthalten von mindestens einem Teil des Beschichtungsmaterials und eine kalte Kathode (2; 521) umfasst, und der Schritt eines Bildens des Beschichtungsdampfs umfasst: Richten der kalten Kathode (2; 521) auf den Teil des Beschichtungsmaterials im Aufnahmebehältnis zum mindestens teilweisen Verdampfen des Beschichtungsmaterials und Bilden des Beschichtungsdampfs in ein Plasma.
Verfahren nach Anspruch 29, bei dem der Schritt eines Verdampfens umfasst: Verdampfen von mindestens einem Teil der kalten Kathode (2; 521), um einen Teil des Beschichtungsdampfs zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 30, bei dem die kalte Kathode (2; 521) Messing umfasst.
Verfahren nach Anspruch 30, bei dem die kalte Kathode (2; 521) Magnesium umfasst.
Verfahren nach Anspruch 15, bei dem der Schritt eines Zuführens umfasst: Verdampfen einer Komponente, die der Schicht auf dem Behälter Farbe verleiht.
Verfahren nach Anspruch 17, bei dem der Schritt eines Zuführens des Beschichtungsdampfs so durchgeführt wird, dass das anorganische Oxid SiO_x ist und x im Bereich von 1,7 bis 2,0 liegt.
Verfahren nach Anspruch 17, bei dem die dünne Schicht weiter ein glasbildendes Metallzusatzmittel umfasst.
Verfahren nach Anspruch 35, bei dem das glasbildende Metallzusatzmittel Mg umfasst.
Verfahren nach Anspruch 35, bei dem der Schritt eines Zuführens des Be schichtungsdampfs so durchgeführt wird, dass das glasbildende Metallzusatzmittel in der Schicht in einer Menge von 0,01 bis 50 Gew.-% bezogen auf Si vorhanden ist und aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Li, Na, K, Rb, Cr, Mg, Ca, Sr, Ba, Ti, Al, Mn, V, Cr, Fe, Co, Ni, Zn, Cu, Sn, Ge und In besteht.
Verfahren nach Anspruch 35, bei dem der Schritt eines Zuführens des Beschichtungsdampfs so durchgeführt wird, dass das glasbildende Metallzusatzmittel in der Schicht in einer Menge von 0,01 bis 15 Gew.-% bezogen auf Si vorhanden ist.
Verfahren nach Anspruch 35, bei dem der Schritt eines Zuführens des Beschichtungsdampfs so durchgeführt wird, dass die Schicht unter Verwendung von Vakuumabscheidung aus der Gasphase auf der äußeren Oberfläche des Behälterkörpers (10; 204) abgelagert wird, die Schicht im Wesentlichen homogen ist, die Schicht amorph ist, die Schicht eine Dicke aufweist und das anorganische Oxid und das glasbildende Metallzusatzmittel in der Schicht in Konzentrationen vorhanden sind, die im Wesentlichen durch die Dicke der Schicht konstant sind, das anorganische Oxid SiO_x ist und x im Bereich von 1,7 bis 2,0 liegt.
Beschichteter Kunststoffbehälter, der gemäß dem Verfahren von Anspruch 15 hergestellt ist.
Kunststoffbehälter nach Anspruch 40, bei dem das reaktive Gas aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Sauerstoff, Stickstoff, Schwefel und Halogenen besteht.
Kunststoffbehälter nach Anspruch 40, bei dem das reaktive Gas Sauerstoff ist und die anorganische Verbindung ein anorganisches Oxid ist.
Kunststoffbehälter nach Anspruch 40, bei dem die Schicht im Wesentlichen homogen ist.
Kunststoffbehälter nach Anspruch 40, bei dem die Schicht amorph ist.
Kunststoffbehälter nach Anspruch 42, bei dem die Schicht weiter ein glasbildendes Metallzusatzmittel umfasst.
Kunststoffbehälter nach Anspruch 45, bei dem die Schicht eine Dicke aufweist und das anorganische Oxid und das glasbildende Metallzusatzmittel in der Schicht in Konzentrationen vorhanden sind, die im Wesentlichen durch die Dicke der Schicht konstant sind.
Kunststoffbehälter nach Anspruch 45, bei dem das anorganische Oxid SiO_x ist und x im Bereich von 1,7 bis 2,0 liegt.
Kunststoffbehälter nach Anspruch 45, bei dem das glasbildende Metallzusatzmittel Mg umfasst.
Kunststoffbehälter nach Anspruch 47, bei dem das glasbildende Metallzusatzmittel in der Schicht in einer Menge von 0,01 bis 50 Gew.-% bezogen auf Si vorhanden ist und aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Li, Na, K, Rb, Cr, Mg, Ca, Sr, Ba, Ti, Al, Mn, V, Cr, Fe, Co, Ni, Zn, Cu, Sn, Ge und In besteht.
Kunststoffbehälter nach Anspruch 47, bei dem das glasbildende Metallzusatzmittel in der Schicht in einer Menge von 0,01 bis 15 Gew.-% bezogen auf Si vorhanden ist.
Kunststoffbehälter nach Anspruch 47, bei dem die Schicht im Wesentlichen homogen ist, die Schicht amorph ist, die Schicht eine Dicke aufweist und das anorganische Oxid und das glasbildende Metallzusatzmittel in der Schicht in Konzentrationen vorhanden sind, die im Wesentlichen durch die Dicke der Schicht konstant sind, das anorganische Oxid SiO_x ist und x im Bereich von 1,7 bis 2,0 liegt.
Kunststoffbehälter nach Anspruch 51, bei dem die Schichtdicke 10–100 nm beträgt.
Kunststoffbehälter nach Anspruch 40, bei dem die anorganische Schicht weiter ein Pigment zum Färben der äußeren Oberfläche des Behälters umfasst.
Verfahren zur Produktion von Kunststoff mit Recyclinganteil, umfassend die Schritte: Bereitstellen einer Charge Kunststoff (100; 114), wobei mindestens ein Teil der Charge Kunststoff beschichtete Kunststoffbehälter umfasst, die gemäß dem Verfahren nach Anspruch 15 hergestellt sind, wobei jeder beschichtete Kunststoffbehälter einen Kunststoffbehälterkörper (10; 204) umfasst, der eine innere Oberfläche, die einen Innenraum definiert, und eine äußere Oberfläche (6) und eine Schicht (9) auf der äußeren Oberfläche aufweist, die eine anorganische Verbindung umfasst; Umwandeln der Charge Kunststoff in eine Form, die zur Schmelzextrusion geeignet ist.
Verfahren nach Anspruch 54, bei dem das reaktive Gas aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Sauerstoff, Stickstoff, Schwefel und Halogenen besteht. 56. Verfahren nach Anspruch 54, bei dem das reaktive Gas Sauerstoff ist und die anorganische Verbindung ein anorganisches Oxid ist.
Verfahren nach Anspruch 54, bei dem der Schritt eines Umwandelns umfasst: Zerkleinern der Charge Kunststoff, um Schnitzel (106) zu erzeugen, und Schmelzen der Schnitzel, um einen schmelzextrudierbaren Recyclingkunststoff zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 54, bei dem der Umwandlungsschritt umfasst: Depolymerisieren der Charge Kunststoff (120) und Repolymerisieren (124) der depolymerisierten Charge Kunststoff, um einen schmelzextrudierbaren Recyclingkunststoff zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 56, bei dem das anorganische Oxid Siliciumdioxid ist.
Verfahren nach Anspruch 56, bei dem das anorganische Oxid SiO_x ist und x im Bereich von 1,7 bis 2,0 liegt.
Verfahren nach Anspruch 54, bei dem die Schichtdicke 10–100 mm beträgt.
Verfahren zum Verpacken eines Getränks, umfassend die Schritte: Bereitstellen eines beschichteten Kunststoffbehälters, der gemäß dem Verfahren nach Anspruch 15 hergestellt ist, wobei der beschichtete Kunststoffbehälter umfasst: einen Kunststoffbehälterkörper mit einer inneren Oberfläche, die einen Innenraum definiert, und einer äußeren Oberfläche (6) und einer Schicht (9) auf der äußeren Oberfläche, die eine anorganische Verbindung umfasst, wobei die Schicht eine Gasbarriere bereitstellt; Befüllen des Kunststoffbehälters mit einem Getränk; und Abdichten des Kunststoffbehälters nach dem Schritt eines Befüllens.
Verfahren nach Anspruch 62, bei dem das reaktive Gas aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Sauerstoff, Stickstoff, Schwefel und Halogenen besteht. 64. Verfahren nach Anspruch 62, bei dem das reaktive Gas Sauerstoff ist und die anorganische Verbindung ein anorganisches Oxid ist.
Verfahren nach Anspruch 62, bei dem der Schritt einer Bereitstellung ein kontinuierliches Bereitstellen einer Mehrzahl der beschichteten Kunststoffbehälter umfasst, der Schritt eines Befüllens ein kontinuierliches Befüllen der Mehrzahl von beschichteten Kunststoffbehältern mit dem Getränk umfasst und der Schritt eines Abdichtens ein kontinuierliches Abdichten des Getränks in der Mehrzahl von Behältern nach dem Schritt eines Befüllens umfasst.
Verfahren nach Anspruch 62, bei dem der Schritt eines Abdichtens ein Abdichten des Getränks unter Druck im beschichteten Behälter umfasst.
Verfahren nach Anspruch 66, weiter umfassend den Schritt einer Carbonisierung des Getränks vor dem Befüllungsschritt.
System zum Verpacken eines Getränks, umfassend: ein Produktionssystem von beschichteten Kunststoffbehältern nach Anspruch 1; eine Abfüllvorrichtung zum Befüllen der Kunststoffbehälter mit einem Getränk; und eine Abdichtvorrichtung zum Abdichten der Kunststoffbehälter nach dem Schritt eines Befüllens.
System nach Anspruch 68, bei dem das reaktive Gas aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Sauerstoff, Stickstoff, Schwefel und Halogenen besteht.
System nach Anspruch 68, bei dem das reaktive Gas Sauerstoff ist und die anorganische Verbindung ein anorganisches Oxid ist.
System zum Verpacken eines Getränks nach Anspruch 68, bei dem die Abdichtvorrichtung so angeordnet ist, dass das Getränk unter Druck im beschichteten Behälter abgedichtet wird.
System zum Verpacken eines Getränks nach Anspruch 71, weiter umfassend eine Carbonisiervorrichtung zum Carbonisieren des Getränks vor dem Befül lungsschritt.
System zur Herstellung eines beschichteten Kunststoffbehälters, der eine Gasbarriere besitzt, wobei das System umfasst: eine Vakuumkammer (50; 206), die ein Vakuum in der Vakuumkammer aufrechterhalten kann; eine Behälterzufuhrvorrichtung (40; 203) zur Zufuhr von Kunststoffbehälterkörpern (10; 204) in die und Herausnahme von beschichteten Kunststoffbehältern aus der Vakuumkammer (50; 206), wobei die Kunststoffbehälterkörper jeweils eine äußere Oberfläche (6) und eine innere Oberfläche, die einen Innenraum definiert, aufweisen; einen Förderer (52, 53; 209) in der Vakuumkammer zum Fördern der Kunststoffbehälterkörper durch die Vakuumkammer; und mindestens eine Quelle (1; 212), die in der Vakuumkammer angeordnet ist, zum Zuführen eines Beschichtungsdampfs zur äußeren Oberfläche (6) der Behälterkörper, wenn die Behälterkörper durch die Vakuumkammer gefördert werden, wobei die mindestens eine Quelle von Beschichtungsdampf einen Verdampfer zum Erhitzen und Verdampfen eines Metallbeschichtungsmaterials umfasst, um den Beschichtungsdampf zu bilden; wobei die mindestens eine Quelle von Beschichtungsdampf und der Förderer so in der Vakuumkammer strukturiert und angeordnet sind, dass der Beschichtungsdampf von der mindestens einen Quelle eine dünne Schicht (9) auf der äußeren Oberfläche (6) des Behälters ablagert, die dünne Schicht ein Metall umfasst und sich an der äußeren Oberfläche der Behälterkörper (10; 204) bindet und die resultierenden beschichteten Kunststoffbehälter, wenn sie ein Druckfluid enthalten, das im Innenraum bei einem Druck von 60 psig (4,1 bar) abgedichtet ist, eine Gasbarriere von mindestens 1,25× der Gasbarriere der Behälter ohne die Schicht besitzen, wenn die Behälter ohne die Schicht ein Druckfluid enthalten, das im Innenraum bei einem Druck von 60 psig (4,1 bar) abgedichtet ist.
System zur Herstellung eines beschichteten Kunststoffbehälters nach Anspruch 73, bei dem die mindestens eine Quelle (1; 212) von Beschichtungsdampf umfasst: ein elektrisch als Anode verbundenes Aufnahmebehältnis (3; 524) zum Enthalten von mindestens einem Teil des Metallbeschichtungsmaterials und eine kalte Kathode (2; 521), die auf den Teil des Metallbeschichtungsmaterials im Aufnahmebehältnis gerichtet ist, um mindestens teilweise das Metallbeschichtungsmaterial zu verdampfen und den Beschichtungsdampf in ein Plasma zu bilden.