DE102023132995A1 - Method for coating reusable containers, containers produced by this method and container coating machine for coating reusable plastic containers - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft Verfahren zum Beschichten von Mehrwegbehältern (5) aus einem thermoplastischen Kunststoff, insbesondere aus PET, mit einer Schutzschicht (TC) gegen Reinigungsmittel, wobei ein Abscheiden der Schutzschicht auf der Innenfläche des Behälters (5) mittels eines PECVD-Verfahrens zur mikrowelleninduzierten Plasmareaktion bei einem Unterdruck erfolgt, wobei mindestens ein Behälter (5) mit einem Behälterinnenraum (5.1) in eine Plasmakammer (17) einer Plasmastation (3) eingesetzt und positioniert wird. Die Plasmakammer (17) und der mindestens eine Behälterinnenraum (5.1) werden zumindest teilweise evakuiert. Zumindest der eine Behälterinnenraum (5.1) des Behälters (5) wird innerhalb der zumindest teilweise evakuierten Plasmakammer (17) mit einer Innenbeschichtung mittels Plasmabehandlung bei dem Unterdruck versehen und wobei ein Prozessgasgemisch verwendet wird, das in den Behälterinnenraum (5.1) eingeführt wird. Während des Abscheidens der Schutzschicht (TC) sind wenigstens zwei der nachfolgenden Merkmale a) bis c) in beliebiger Kombination verwirklicht, bevorzugt alle drei:
a) der Unterdruck im Behälterinnenraum (5.1) wird unterhalb von 0,3 mbar gehalten, bevorzugt unterhalb von 0,25 mbar, besonders bevorzugt zwischen 0,1 und 0,25 mbar und insbesondere bevorzugt zwischen 0,15-0,2 mbar (+/- 10%);
b) die Mikrowellenleistung wird impulshaft eingestrahlt und die mittlere Mikrowellenleistung P_mittel beträgt kleiner 50 Watt, bevorzugt kleiner 40 Watt und weiter bevorzugt zwischen 25-30 Watt (+/-10);
c) ein Prozessgasgemisch aus einem Monomergas und einem Trägergas wird verwendet, das einen Trägergasanteil kleiner 50%, bevorzugt kleiner 25%, besonders bevorzugt kleiner 10 % aufweist. Insbesondere ist bevorzugt, dass als Prozessgas ein reines Monomergas ohne Trägergasanteil verwendet wird.
Die Erfindung betrifft weiterhin nach solchen Verfahren hergestellte Behälter sowie eine Beschichtungsmaschine, auf der Solche Verfahren ablaufen.
The invention relates to a method for coating reusable containers (5) made of a thermoplastic, in particular PET, with a protective layer (TC) against cleaning agents. The protective layer is deposited on the inner surface of the container (5) using a PECVD method for microwave-induced plasma reaction at a negative pressure. At least one container (5) with a container interior (5.1) is inserted and positioned in a plasma chamber (17) of a plasma station (3). The plasma chamber (17) and the at least one container interior (5.1) are at least partially evacuated. At least one container interior (5.1) of the container (5) is provided with an inner coating by means of plasma treatment at the negative pressure within the at least partially evacuated plasma chamber (17). A process gas mixture is used which is introduced into the container interior (5.1). During the deposition of the protective layer (TC), at least two of the following features a) to c) are implemented in any combination, preferably all three:
a) the negative pressure in the container interior (5.1) is kept below 0.3 mbar, preferably below 0.25 mbar, particularly preferably between 0.1 and 0.25 mbar and especially preferably between 0.15-0.2 mbar (+/- 10%);
b) the microwave power is radiated in pulses and the average microwave power P_average is less than 50 watts, preferably less than 40 watts and more preferably between 25-30 watts (+/-10);
c) a process gas mixture of a monomer gas and a carrier gas is used, which has a carrier gas content of less than 50%, preferably less than 25%, particularly preferably less than 10%. It is particularly preferred that a pure monomer gas without a carrier gas content is used as the process gas.
The invention further relates to containers produced by such processes and to a coating machine on which such processes are carried out.
Description
Die Erfindung betrifft Verfahren zum Beschichten von Mehrwegbehältern aus einem thermoplastischen Kunststoff, insbesondere aus PET, nach dem Oberbegriff von Anspruch 1. Weiter betrifft die Erfindung eine Behälterbeschichtungsmaschine, auf der solche Verfahren ablaufen und Behälter beschichtet werden. Schließlich betrifft die Erfindung Mehrweg-Kunststoffbehälter, die nach einem solchen Verfahren hergestellt sind.The invention relates to methods for coating reusable containers made of a thermoplastic material, in particular PET, according to the preamble of
Es sind im Stand der Technik Behälter für den Einmalgebrauch bekannt. Es sind auch Behälter für den Mehrfachgebrauch bekannt, auch als Mehrwegbehälter bezeichnet. Dabei sind sowohl Mehrwegbehälter aus Glas bekannt, als auch aus Kunststoffen, z.B. aus thermoplastischen Kunststoffen, insbesondere aus PET. Zudem ist bekannt, dass das Auftragen von Beschichtungen auf solche Mehrwegbehälter die Eignung zum mehrfachen Gebrauch verbessert.Single-use containers are known in the prior art. Containers for multiple use, also known as reusable containers, are also known. Reusable containers made of glass and plastics, such as thermoplastics, particularly PET, are known. It is also known that applying coatings to such reusable containers improves their suitability for multiple use.
Aus der
Aus der
Es ist bekannt, PET-Mehrwegbehälter mittels Reinigungsmitteln, z.B. Natronlauge, vor der Wiederbefüllung zu reinigen. Pro Wiederbefüllung des Mehrwegbehälters ist ein solcher Reinigungsschritt erforderlich. Dabei werden zwei Merkmale der PET-Mehrwegbehälter durch den industrieüblichen Reinigungsprozess in Behälterreinigungsmaschinen mit hochkonzentrierter Natronlauge bei hoher Temperatur stark negativ beeinflusst, so dass es zu einem vorzeitigen Verschleiß und somit zu einem vorzeitigen Aussondern der PET-Mehrwegbehälter aus dem Mehrwegkreislauf kommt. Bei den genannten Merkmalen handelt es sich um die Rauheit der Oberflächen und um das Innenvolumen der Behälter, welches durch ein Schrumpfen der Behälter in unerwünschter Weise reduziert wird. Der bekannte und übliche Waschprozess führt zu einer Aufrauhung der Oberflächen der PET-Mehrwegbehälter durch die Lauge, die sogenannte PET-Korrosion. Die mit jedem Umlauf zunehmende Aufrauhung der Oberfläche erschwert ein Abwaschen beziehungsweise Herauswaschen von Biofilmen und Fremdstoffen zunehmend, da sich diese unerwünschten Anhaftungen in immer tieferen Vertiefungen anlagern. Um diese Filme und Fremdstoffe dennoch zuverlässig entfernen zu können, sind aggressive Waschprozesse mit höheren Temperaturen erforderlich. Dabei ist nachteilig, dass hohe Temperaturen bei entsprechend langer Einwirkzeit beziehungsweise Expositionsdauer dazu führen, dass PET-Mehrwegbehälter schrumpfen, was nachteilig ist. Um das Schrumpfen der PET-Mehrwegbehälter in einem erträglichen Rahmen zu halten, wird diesen durch eine größere Wanddicke eine höhere Formstabilität verliehen, was aber durch den dafür notwendigen höheren Materialeinsatz und damit verbundenen höheren Kosten nachteilig ist.It is known to clean reusable PET containers using cleaning agents, such as caustic soda, before refilling. One such cleaning step is required for each refill. Two characteristics of reusable PET containers are severely negatively impacted by the standard industrial cleaning process in container cleaning machines using highly concentrated caustic soda at high temperatures, resulting in premature wear and, consequently, premature removal of the reusable PET containers from the reusable cycle. These characteristics are the roughness of the surfaces and the internal volume of the containers, which is undesirably reduced by container shrinkage. The well-known and common washing process leads to a roughening of the surfaces of reusable PET containers by the caustic, a process known as PET corrosion. The increasing roughening of the surface with each cycle makes it increasingly difficult to wash away or remove biofilms and foreign substances, as these unwanted deposits accumulate in ever deeper recesses. To reliably remove these films and foreign substances, aggressive washing processes at elevated temperatures are required. The disadvantage of this is that high temperatures, with correspondingly long exposure times, cause reusable PET containers to shrink, which is detrimental. To keep shrinkage of reusable PET containers within acceptable limits, they are given greater dimensional stability through increased wall thickness. However, this is disadvantageous due to the required increased material usage and the associated higher costs.
Die Begriffe Reinigen und Waschen werden in dieser Anmeldung synonym verwendet.The terms cleaning and washing are used synonymously in this application.
Eine Schädigung der PET-Oberfläche erfolgt vor allem durch die lange Verweilzeit der PET-Mehrwegbehälter in der Natronlauge der Reinigungsmaschine - die Verweildauer beträgt typischerweise von 6-8 min in Deutschland bis zu typischerweise 10-12 min in Südamerika. Die minimale Verweilzeit in der Reinigungsmaschine wird auch durch die zum Ablösen des Etiketts benötigte Zeit von typischerweise 3-4 min bestimmt.Damage to the PET surface occurs primarily due to the long residence time of the reusable PET containers in the caustic soda solution of the cleaning machine – the residence time typically ranges from 6-8 minutes in Germany to 10-12 minutes in South America. The minimum residence time in the cleaning machine is also determined by the time required to remove the label, which is typically 3-4 minutes.
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, als Reinigungsmittel z.B. 2%-ige Natronlauge mit einem pH-Wert von 13,7 und einer Temperatur von 55-60°C zu verwenden, da dies wirtschaftliche Reinigungszeiten ermöglicht. Andere Konzentrationen, pH-Werte und Temperaturen sind ebenfalls bekannt. Die Operationskosten sind dabei deutlich geringer als bei Alternativen wie zum Beispiel Komplexbildner Ethylendiamintetraacetat (EDTA) oder Nitrilotriessigsäure (NTA).It is known from the prior art to use, for example, 2% sodium hydroxide solution with a pH of 13.7 and a temperature of 55-60°C as a cleaning agent, as this allows for economical cleaning times. Other concentrations, pH values, and temperatures are also known. The costs are significantly lower than those of alternatives such as complexing agents ethylenediaminetetraacetate (EDTA) or nitrilotriacetic acid (NTA).
Lassen sich zum Beispiel ein Biofilm oder Fremdstoffe nicht mehr komplett entfernen, so wird der PET-Mehrwegbehälter aus dem Mehrwegkreislauf aussortiert. Weiterhin führt der Einsatz einer hochkonzentrierten Natronlauge zu einem „blind werden“ der PET-Mehrwegbehälter. Dies wird optisch detektiert und entsprechende PET-Mehrwegbehälter werden ebenfalls aussortiert.If, for example, a biofilm or foreign matter can no longer be completely removed, the reusable PET container is removed from the reusable cycle. Furthermore, the use of a highly concentrated caustic soda solution causes the reusable PET container to become "blind." This is optically detected, and the corresponding reusable PET containers are also removed.
Darüber hinaus ist es in der Logistik des Mehrwegkreislaufes vor der Wiederbefüllung notwendig zu erfassen, mit welchem Getränketyp der PET-Mehrwegbehälter im vorhergehenden Umlauf beziehungsweise in einem der vorhergehenden Umläufe befüllt war. Dabei ist zwischen PET-Mehrwegbehältern, die mit aromatisierten Getränken befüllt waren, und anderen PET-Mehrwegbehältern, welche beispielweise mit Mineralwasser befüllt waren, zu unterscheiden. Dies ist erforderlich, da bestimmte Aromen, wie zum Beispiel Limonen, zunächst aus dem Getränk in die Kunststoffwandung übergehen und sich dort einlagern. Wird ein solcher PET-Mehrwegbehälter anschließend mit einem Wasser befüllt, so gehen die Aromastoffe aus der Kunststoffwandung in das Getränk über, was den Eigengeschmack des Wassers negativ beeinflusst beziehungsweise verändert, was in der Praxis unerwünscht ist. Eine variable beziehungsweise wechselweise Nutzung der PET-Mehrwegbehälter für aromatisierte und nicht aromatisierte Getränke ist wünschenswert, da dies den logistischen Aufwand reduziert.Furthermore, in the logistics of the reusable cycle, it is necessary to record which beverage type the reusable PET container was filled with in the previous cycle or in one of the previous cycles before refilling. A distinction must be made between reusable PET containers filled with flavored beverages and other reusable PET containers filled with, for example, mineral water. This is necessary because certain flavors, such as lemonade, initially migrate from the beverage into the plastic wall and become embedded there. If such a reusable PET container is subsequently filled with water, the flavorings from the plastic wall migrate into the beverage, negatively affecting or changing the inherent taste of the water, which is undesirable in practice. Variable or alternating use of reusable PET containers for flavored and unflavored beverages is desirable, as this reduces logistical effort.
Aus dem Stand der Technik sind Reinigungsmaschinen, Beschichtungsmaschinen und Verfahren zum Reinigen beziehungsweise Beschichten von Mehrwegbehältern aus Kunststoff gut bekannt, wie beispielsweise aus der
Die
Aufgabe der Erfindung ist es, Mehrwegbehälter sowie Verfahren und Vorrichtungen zum Beschichten von Mehrwegbehältern mit Schutzschichten bereitzustellen, die besonders geeignet sind zur Verwendung in einem Mehrwegkreislauf. Insbesondere sollen die oben zum Stand der Technik genannten Nachteile vermieden werden sowie die Wirtschaftlichkeit von Mehrwegbehältern aus einem thermoplastischen Kunststoff, insbesondere aus PET, gegenüber Einwegbehältern und gegenüber Glas oder Metall als Mehrwegbehältermaterial verbessern.The object of the invention is to provide reusable containers as well as methods and devices for coating reusable containers with protective layers that are particularly suitable for use in a reusable recycling system. In particular, the disadvantages of the prior art mentioned above are to be avoided and the cost-effectiveness of reusable containers made of a thermoplastic, in particular PET, is to be improved compared to disposable containers and compared to glass or metal as reusable container materials.
Die Erfindung löst die Aufgabe nach einem ersten Aspekt durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Verfahrensausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.The invention solves the problem according to a first aspect by a method having the features of
Das erfindungsgemäße Verfahren dient dem Beschichten von Mehrwegbehältern aus einem thermoplastischen Kunststoff, insbesondere aus PET. Der Behälter wird mit einer Schutzschicht versehen, die in üblicher Weise auch als TopCoat (TC) bezeichnet wird. Die Schutzschicht soll darunterliegende Bereiche gegen Reinigungsmittel schützen, insbesondere gegen Natronlauge. Es geht dabei um solche Reinigungsmittel, die für die Reinigung von Kunststoffflaschen im industriellen Maßstab üblicherweise eingesetzt werden, also z.B. um Natronlaugen in üblicher Konzentration und mit üblicher Temperatur, siehe die allgemeine Beschreibung und siehe der bekannte Stand der Technik zu Reinigungsmaschinen für Kunststoffflaschen. Mit dem Verfahren erfolgt ein Abscheiden der Schutzschicht auf der Innenfläche des Behälters. Es wird dazu ein PECVD-Verfahren zur mikrowelleninduzierten Plasmareaktion bei einem Unterdruck eingesetzt. Dabei wird mindestens ein Behälter mit einem Behälterinnenraum in eine Plasmakammer einer Plasmastation eingesetzt und positioniert. Zum Erzeugen eines ausreichend stabilen Plasmas ist das Einstellen von Unterdruckbedingungen erforderlich, sodass die Plasmakammer und der mindestens eine Behälterinnenraum zumindest teilweise evakuiert werden. Die Evakuierung der Plasmakammer dient dabei primär dem Zweck, den Druckunterschied zwischen dem Behälterinneren und dem Behälteräußeren nicht so groß werden zu lassen, dass der Behälter aufgrund des Druckunterschiedes Schaden nimmt. Insofern können der Druck im Behälterinneren und der Druck in der umgebenden Behälterkammer durchaus unterschiedlich sein. Häufig wird der Druck in der umgebenden Kammer bewusst höher eingestellt, um einerseits diesen Unterdruck schneller zu erreichen und andererseits eine Plasmaerzeugung in der umgebenden Kammer zu vermeiden. Der Behälterinnenraum des Behälters wird dann innerhalb der zumindest teilweise evakuierten Plasmakammer mit einer Innenbeschichtung mittels Plasmabehandlung bei dem Unterdruck versehen. Hierzu wird ein Prozessgas verwendet, das in das Behälterinnere eingeführt wird. Die Erfindung zielt insbesondere auf solche Beschichtungen ab, bei denen als Prozessgas siliziumbasierte Monomere verwendet werden, insbesondere die Monomere HMDSO, HMDSN oder HMDS oder einer Mischung aus mindestens zwei dieser Gase. Als Trägergas können Edelgase, z.B. Argon oder Helium, oder Gase wie Sauerstoff oder Stickstoff zugemischt sein. Die siliziumbasierten Monomere und die Behälterbeschichtung damit sind im Stand der Technik bekannt. Insbesondere ist im Stand der Technik bekannt, dass HMDSO als Prozessgas, gegebenenfalls mit einem Trägergas, gute Schutzschichteigenschaften ergibt. Es sind aber auch andere Precursor bekannt, um Beschichtungen auf Kunststoffbehältern abzuscheiden, z.B. kohlenstoffbasierte Monomere, wie beispielsweise Ethin, auch als Acetylen bekannt.The method according to the invention is used to coat reusable containers made of a thermoplastic, in particular PET. The container is provided with a protective layer, which is also commonly referred to as a top coat (TC). The protective layer is intended to protect the underlying areas against cleaning agents, in particular against caustic soda. The cleaning agents in question are those commonly used for cleaning plastic bottles on an industrial scale, e.g., caustic soda in the usual concentration and at the usual temperature; see the general description and the known prior art for cleaning machines for plastic bottles. The method involves depositing the protective layer on the inner surface of the container. A PECVD process for microwave-induced plasma reaction at a negative pressure is used for this purpose. At least one container with a container interior is inserted and positioned in a plasma chamber of a plasma station. To generate a sufficiently stable plasma, negative pressure conditions must be established so that the plasma chamber and the at least one container interior are at least partially evacuated. The primary purpose of evacuating the plasma chamber is to prevent the pressure difference between the inside and outside of the container from becoming so great that the container is damaged due to the pressure difference. Therefore, the pressure inside the container and the pressure in the surrounding container chamber can be quite different. The pressure in the surrounding chamber is often deliberately set higher in order to, on the one hand, maintain this negative pressure and, on the other hand, faster and, on the other hand, to avoid plasma generation in the surrounding chamber. The interior of the container is then provided with an internal coating by means of plasma treatment at the negative pressure within the at least partially evacuated plasma chamber. For this purpose, a process gas is used which is introduced into the interior of the container. The invention is aimed in particular at coatings in which silicon-based monomers are used as the process gas, in particular the monomers HMDSO, HMDSN or HMDS or a mixture of at least two of these gases. Noble gases, e.g. argon or helium, or gases such as oxygen or nitrogen can be added as the carrier gas. The silicon-based monomers and the container coating therewith are known in the prior art. In particular, it is known in the prior art that HMDSO as a process gas, optionally with a carrier gas, produces good protective layer properties. However, other precursors are also known for depositing coatings on plastic containers, e.g. carbon-based monomers such as ethyne, also known as acetylene.
Erfindungsgemäß und im Rahmen von Untersuchungen wurde festgestellt, dass besonders gut geeignete Schutzschichten dann entstehen, wenn während des Abscheidens der Schutzschicht wenigstens zwei der nachfolgenden drei Merkmale in beliebiger Kombination verwirklicht sind. Es ist dabei bevorzugt, dass alle drei Merkmale verwirklicht sind, weil dies zu besonders guten Ergebnissen geführt hat.According to the invention and in the course of investigations, it was found that particularly suitable protective layers are formed when at least two of the following three features are implemented in any combination during the deposition of the protective layer. It is preferred that all three features be implemented, as this has led to particularly good results.
Das erste der drei Merkmale betrifft den Unterdruck im Behälterinnenraum während des Abscheidens der Schutzschicht. Es wurde erkannt, dass die erhaltenen Schichten die gewünschte erhöhte Beständigkeit gegen Reinigungsmittel aufweisen, wenn dieser Unterdruck im Behälterinnenraum unterhalb von 0,3 mbar gehalten wird, bevorzugt unterhalb von 0,25 mbar, besonders bevorzugt zwischen 0,1 und 0,25 mbar und insbesondere bevorzugt zwischen 0,15-0,2 mbar, wobei der untere und der obere Grenzwert um 10 % abweichen können (+/- 10%). Noch niedrigere Unterdrücke, z.B. unterhalb von 0,1 mbar, haben demgegenüber nicht zu einer weiteren signifikanten Steigerung der Beständigkeit geführt, die den zusätzlichen Aufwand zum Erreichen eines solchen Unterdruckes rechtfertigt. Bisher übliche Unterdrücke lagen im Bereich von 0,5 mbar oder höher. Zwar werden mit dem Einstellen niedriger Druckwerte entweder leistungsstärkere Vakuumpumpen benötigt oder es wird für das Absaugen mehr Zeit beansprucht, sodass längere Prozesszeiten und ein geringerer Behälterdurchsatz die Folge ist. In dem angegebenen Unterdruckfenster erweist sich dieses Mehr an Aufwand oder Zeit als gerechtfertigt durch ein deutliches Mehr an Beständigkeit der Schutzschicht gegen übliche Reinigungsmittel wie z.B. Natronlauge.The first of the three features concerns the negative pressure in the container interior during the deposition of the protective layer. It was recognized that the resulting layers exhibit the desired increased resistance to cleaning agents when this negative pressure in the container interior is kept below 0.3 mbar, preferably below 0.25 mbar, more preferably between 0.1 and 0.25 mbar, and especially preferably between 0.15 and 0.2 mbar, whereby the lower and upper limits can deviate by 10% (+/- 10%). Even lower negative pressures, e.g., below 0.1 mbar, have not led to a further significant increase in resistance that justifies the additional effort required to achieve such a negative pressure. Previously common negative pressures were in the range of 0.5 mbar or higher. Setting lower pressure values either requires more powerful vacuum pumps or requires more time for extraction, resulting in longer process times and lower container throughput. In the specified vacuum window, this additional effort or time proves to be justified by a significant increase in the resistance of the protective layer to common cleaning agents such as caustic soda.
Das zweite der drei Merkmale betrifft die Leistung, mit der Mikrowellenstrahlung während des Abscheidens der Schutzschicht angewendet wird. Wie auch im Stand der Technik, wird die Mikrowellenstrahlung impulshaft eingesetzt, d. h. die Mikrowellenstrahlung wird in sich wiederholender Abfolge an- und ausgeschaltet. Das Einstrahlen erfolgt mit einer bestimmten Leistung, die auch als Impulsleistung bezeichnet wird. Entscheidend für dieses zweite Merkmal ist, dass die mittlere Mikrowellenleistung kleiner 50 Watt beträgt, bevorzugt kleiner 40 Watt und weiter bevorzugt zwischen 25-30 Watt (+/-10). Diese mittlere Leistung P_mittel errechnet sich aus der Impulsleistung P_Impuls gemäß der Formel P_mittel = P_Impuls × t_on/(t_on + t_off). t_on ist die Impulsdauer und t_off die Pausenzeit zwischen zwei Impulsen. Anders ausgedrückt ist t_on die Zeit, in der Strahlung eingestrahlt wird und t_off die Zeit ohne Mikrowelleneinstrahlung. Es wurden für die oben angegebenen mittleren Leistungswerte besonders gute Beständigkeitseigenschaften festgestellt. Dabei beträgt die Impulsleistung bevorzugt zwischen 750 und 1500 Watt, bevorzugt unter 1000 Watt. Weiter liegt die Zeit t_on bevorzugt zwischen 0,5 und 4 ms, bevorzugt unter 2ms. Auch diese Werte haben sich in Untersuchungen als vorteilhaft erwiesen in Bezug auf die Schutzeigenschaften der entstehenden Schichten und in Bezug auf Prozesszeiten.The second of the three characteristics concerns the power with which microwave radiation is applied during the deposition of the protective layer. As in the prior art, the microwave radiation is applied in pulses, i.e., the microwave radiation is switched on and off in a repeating sequence. The irradiation occurs at a specific power, also referred to as the pulse power. Crucial for this second characteristic is that the average microwave power is less than 50 watts, preferably less than 40 watts, and more preferably between 25-30 watts (+/-10). This average power P_average is calculated from the pulse power P_pulse according to the formula P_average = P_pulse × t_on/(t_on + t_off). t_on is the pulse duration, and t_off is the pause time between two pulses. In other words, t_on is the time during which radiation is irradiated, and t_off is the time without microwave irradiation. Particularly good durability properties have been observed for the average power values specified above. The pulse power is preferably between 750 and 1500 watts, preferably less than 1000 watts. Furthermore, the time t_on is preferably between 0.5 and 4 ms, preferably less than 2 ms. These values have also been shown in studies to be advantageous in terms of the protective properties of the resulting layers and in terms of process times.
Das dritte der drei Merkmale betrifft schließlich das Prozessgas, das während des Abscheidens der Schutzschicht in das Behälterinnere geführt wird und aus dem die Schicht abgeschieden wird, bzw. die Zusammensetzung dieses Prozessgases. Es hat sich als günstig herausgestellt, wenn dieses Prozessgasgemisch mit einem geringen Trägergasanteil zugeführt wird, also anders ausgedrückt mit einem hohen Monomeranteil. Es wurde erkannt, dass ein Trägergasanteil kleiner 50%, bevorzugt kleiner 25%, besonders bevorzugt kleiner 10 % günstige Beständigkeit der Schutzschicht z.B. gegen Natronlauge ergibt. Die %-Angabe bezieht sich auf den Massenfluss in sccm. Beträgt der Trägergasanteil 50%, sind der Massenfluss von Trägergas und Monomer gleich. Die beständigsten Schutzschichten ließen sich erreichen, wenn als Prozessgas ein reines Monomergas ohne Trägergas verwendet wurde, z.B. reines HMDSO ohne die sonst übliche Zugabe eines Edelgases wie z.B. Argon als Trägergas. Bisher übliche Prozessgasgemische für das Abscheiden einer Schutzschicht sehen z.B. vor, dass das Trägergas in größerer Menge vorliegt als das Monomer. Bei Wasserflaschen wurde z.B. ein Mischungsverhältnis von zwei zu eins angewandt, d. h. die doppelte Menge an dem Trägergas (z.B. Argon) gegenüber dem Monomer (z.B. HMDSO), jeweils bezogen auf den Massenfluss in sccm. Bei CSD-Behältern ist die Trägergasmenge weiter gegenüber der Menge an Monomer erhöht und kann durchaus auch die 100-fache Menge wie das Monomer annehmen. Diese üblichen Prozessgasgemische sind allerdings nicht auf die Beständigkeit der entstehenden Schicht gegenüber Reinigungsmitteln optimiert.The third of the three characteristics finally concerns the process gas that is fed into the vessel interior during the deposition of the protective layer and from which the layer is deposited, or rather the composition of this process gas. It has proven advantageous if this process gas mixture is supplied with a low carrier gas content, in other words with a high monomer content. It has been recognized that a carrier gas content of less than 50%, preferably less than 25%, and particularly preferably less than 10% results in favorable resistance of the protective layer, for example against sodium hydroxide solution. The % specification refers to the mass flow in sccm. If the carrier gas content is 50%, the mass flow of carrier gas and monomer are the same. The most durable protective layers could be achieved if a pure monomer gas without a carrier gas was used as the process gas, e.g. pure HMDSO without the otherwise usual addition of a noble gas such as argon as a carrier gas. Previously common process gas mixtures for the deposition of a protective layer, for example, require a larger amount of carrier gas than the monomer. For water bottles, for example, a mixing ratio of two to one was used, meaning twice the amount of carrier gas (e.g., argon) compared to the monomer (e.g., HMDSO), each based on the masses. Flow in sccm. In CSD vessels, the carrier gas quantity is further increased compared to the amount of monomer and can easily be 100 times the amount of monomer. However, these common process gas mixtures are not optimized for the resistance of the resulting layer to cleaning agents.
Die in erfindungsgemäßen Verfahren erzeugte Schutzschicht schützt den Mehrweg-Kunststoffbehälter, insbesondere eine PET-Flasche, an den beschichteten Stellen vor einem Angriff der Reinigungsmittel, z.B. Natronlauge, beim Reinigungsprozess, so dass diese die Oberfläche des Grundkörpers des Behälters nicht schädigen und damit bereits vorhandene Unebenheiten nicht verstärken, so dass keine größeren Anhaftungen von Biofilmen und Fremdstoffen möglich sind. Da die Schutzschicht ihre Schutzwirkung für mehrere Reinigungszyklen z.B. in einem Laugenbad behält, können für mehrere Zyklen eventuell an der Oberfläche der Schutzschicht anhaftende Biofilme oder Ähnliches jeweils problemlos in einem Waschschritt entfernt werden. Somit kann nach jedem Waschgang der Behälter neu befüllt werden. Erst nach mehreren Reinigungs- und Füllzyklen ist erforderlich, dass der Behälter mit einer neuen Schutzschicht versehen wird. Jedes der drei oben genannten Merkmale führt für sich genommen zu verbesserten Eigenschaften der Schutzschichten im Sinne einer Beständigkeit gegen typische Reinigungsmittel. Die Kombination der Merkmale führt allerdings nochmals zu einer deutlichen Steigerung der Beständigkeit, wobei die Schutzschichten mit akzeptablen Prozesszeiten zu verwirklichen sind. Diese Prozesszeiten sind bedeutsam, denn im industriellen Maßstab sind Hunderte, möglichst Tausende von Behältern pro Stunde mit einer Beschichtung zu versehen. Die höchste Beständigkeit bei immer noch akzeptablen Prozesszeiten wurde bei der Verwirklichung aller drei Merkmale festgestellt.The protective layer produced in the method according to the invention protects the reusable plastic container, in particular a PET bottle, at the coated areas from attack by cleaning agents, e.g., caustic soda, during the cleaning process. This prevents the cleaning agents from damaging the surface of the container's base body and thus from exacerbating existing unevenness, thus preventing the formation of large-scale adhesions of biofilms and foreign substances. Since the protective layer retains its protective effect for several cleaning cycles, e.g., in a caustic bath, any biofilms or similar substances adhering to the surface of the protective layer can be easily removed in a single washing step. This allows the container to be refilled after each washing cycle. Only after several cleaning and filling cycles is it necessary to provide the container with a new protective layer. Each of the three features mentioned above leads to improved properties of the protective layers in terms of resistance to typical cleaning agents. However, the combination of these features leads to a further significant increase in durability, while the protective coatings can be applied within acceptable process times. These process times are significant, because on an industrial scale, hundreds, if not thousands, of containers must be coated per hour. The highest durability, while still maintaining acceptable process times, was observed when all three features were implemented.
Es wurde zu den oben beschriebenen erfindungsgemäßen Schutzschichten auch festgestellt, dass die entstehenden Schichten erhöhte hydrophobe Eigenschaften haben im Vergleich zu den bisher üblichen Beschichtungen, sodass ein Anhaften von Verschmutzungen und das Aufwachsen eines Biofilms bereits dadurch reduziert ist. Bezogen auf Wasser ist also der Kontaktwinkel weiter in Richtung 90° erhöht. Bemerkbar hat sich dieser Effekt z.B. beim Rinsen eines Behälters nach einem Reinigungsschritt gemacht: es wurde zu den erfindungsgemäßen Schutzschichten festgestellt, dass so gut wie kein Wasser nach dem Rinsen an den Schutzschichten anhaften bleibt. Es konnte sogar festgestellt werden, dass dies als Kriterium für die Qualität der Schutzschicht herangezogen werden kann. Potentiell erlaubt die festgestellte erhöhte hydrophobe Eigenschaft der Schutzschicht die bisher üblichen industriellen Reinigungsverfahren zu modifizieren, indem Durchlaufzeiten verkürzt, Laugenkonzentrationen verringert oder die Reinigungstemperaturen reduziert werden. Dies hätte auch eine positive Rückwirkung auf die Haltbarkeit der aufgebrachten Schichten: die schädigende Wirkung des Reinigungsverfahrens würde reduziert. Die erfindungsgemäßen Schutzschichten weisen also einerseits eine bessere Beständigkeit gegenüber den üblichen Reinigungsflüssigkeiten auf. Zudem zeigen die erfindungsgemäßen Schutzschichten eine leichtere Reinigbarkeit aufgrund erhöhter hydrophober Eigenschaften, sodass weniger aggressive Waschschritte auszuführen sind, sodass die Beständigkeit der Schutzschicht weiter gesteigert werden könnte.It was also found that the resulting protective layers according to the invention described above have increased hydrophobic properties compared to conventional coatings, thus reducing the adhesion of contaminants and the growth of biofilm. Relative to water, the contact angle is thus increased further, closer to 90°. This effect has been noticeable, for example, when rinsing a container after a cleaning step: it was found that virtually no water adheres to the protective layers after rinsing. It was even found that this can be used as a criterion for the quality of the protective layer. The observed increased hydrophobic properties of the protective layer potentially allow modification of conventional industrial cleaning processes by shortening processing times, lowering alkali concentrations, or reducing cleaning temperatures. This would also have a positive impact on the durability of the applied layers: the damaging effect of the cleaning process would be reduced. The protective layers according to the invention thus exhibit, on the one hand, better resistance to conventional cleaning fluids. Furthermore, the protective layers according to the invention exhibit easier cleaning due to their increased hydrophobic properties, thus requiring fewer aggressive washing steps, thus further increasing the durability of the protective layer.
Die anspruchsgemäßen Schutzschichten könnten direkt auf das Behältermaterial abgeschieden werden. Zwar würde diese Schutzschicht dann bestimmungsgemäß das Behältermaterial gegen schädigenden Einfluss von Reinigungsmitteln schützen. Die Schutzschicht würde aber z.B. nicht zugleich den Übergang bestimmter Aromen in die Kunststoffbehälterwand in der erforderlichen Weise unterbinden können. Wie in der allgemeinen Beschreibung erklärt, wären dadurch der variablen bzw. wechselweisen Nutzung von z.B. PET-Mehrwegflaschen Grenzen gesetzt. Insofern wird mit Vorteil vorgeschlagen, dass vor dem Abscheiden der Schutzschicht (TC) eine Haftvermittlerschicht (HV) und eine Barriereschicht (BA) auf die Innenseite des Behälters abgeschieden werden. Es wird also ein Schichtaufbau HV-BA-TC vorgeschlagen und die Barriereschicht würde den Übergang von Aromen in die Kunststoffbehälterwand unterbinden sowie auch das Eintreten von Sauerstoff von außen in den Behälter hinein. Dieser vorgeschlagene Schichtaufbau würde die Haltbarkeit abgefüllter Füllgüter erhöhen und nach einem Waschvorgang könnte ein Mehrwegbehälter unkritisch wahlweise aromatisierte und nicht aromatisierte Getränke aufnehmen. Der gleiche Mehrwegbehälter kann im Laufe seiner mehrfachen Verwendung also mit unterschiedlichen Flüssigkeiten befüllt werden, unter anderem auch mit einem Wasser, nachdem im vorangegangenen Zyklus eine Limonade im Behälter war. Dies würde ohne Barriereschicht nur gehen, wenn die Schutzschicht gegen Aromaten migrationsfest wäre, was sie in der Regel nicht ist. Die Barriereschicht selber wird dabei durch die behälterinnenseitig darauf angeordnete Schutzschicht vor dem schädigenden Einfluss eines Reinigungs- bzw. Waschmittels geschützt, d. h. die Schutzschicht schützt gleichzeitig die Barriereschicht und das Behältermaterial. Ein weiterer Vorteil einer Haftvermittlerschicht und einer Barriereschicht ist eine Gewichtsreduktion des Behälters, ohne dass durch die Einsparung an PET-Material die Barrierefunktion negativ beeinflusst wird; sie kann dadurch sogar noch um ein Vielfaches gesteigert werden. Auch für die zu der Schutzschicht hinzutretenden Schichten ist vorteilhaft, wenn während des Abscheidens der jeweiligen Schicht der Unterdruck im Behälterinneren unterhalb von 0,3 mbar gehalten wird, bevorzugt unterhalb von 0,25 mbar, besonders bevorzugt zwischen 0,1 und 0,25 mbar und insbesondere bevorzugt zwischen 0,15-0,2 mbar (plus -10 %).The claimed protective layers could be deposited directly onto the container material. While this protective layer would then, as intended, protect the container material against the damaging effects of cleaning agents, the protective layer would not, for example, simultaneously be able to prevent the transfer of certain flavors into the plastic container wall in the required manner. As explained in the general description, this would limit the variable or alternating use of, for example, reusable PET bottles. In this respect, it is advantageously proposed that, prior to the deposition of the protective layer (TC), an adhesion promoter layer (HV) and a barrier layer (BA) be deposited on the inside of the container. A layer structure of HV-BA-TC is therefore proposed, and the barrier layer would prevent the transfer of flavors into the plastic container wall as well as the ingress of oxygen from outside into the container. This proposed layer structure would increase the shelf life of filled products, and after a washing process, a reusable container could safely hold flavored and unflavored beverages. The same reusable container can be filled with different liquids over the course of its multiple uses, including water after a lemonade was in the container in the previous cycle. This would only be possible without a barrier layer if the protective layer were resistant to aromatic migration, which it usually is not. The barrier layer itself is protected from the damaging effects of cleaning or washing agents by the protective layer applied to the inside of the container, i.e., the protective layer simultaneously protects the barrier layer and the container material. A further advantage of an adhesive layer and a barrier layer is a weight reduction of the container without negatively affecting the barrier function due to the savings in PET material; this can even increase it many times over. It is also advantageous for the layers added to the protective layer. liable if, during the deposition of the respective layer, the negative pressure inside the container is kept below 0.3 mbar, preferably below 0.25 mbar, particularly preferably between 0.1 and 0.25 mbar and especially preferably between 0.15-0.2 mbar (plus -10%).
Die Beständigkeit der Schutzschicht kann dadurch weiter gesteigert werden, dass die Schutzschicht mit einer Schichtdicke größer 40 nm, bevorzugt größer 60 nm, besonders bevorzugt größer 80 nm, insbesondere bevorzugt größer 100 nm abgeschieden wird. Noch größere Schichtdicken sind natürlich auch möglich. Übliche Beschichtungsdicken, z.B. für CSD-Behälter (CSD = carbonated soft drink) liegen z.B. bei 25-30 nm. Dies betrifft bereits einen Schichtaufbau bestehend aus einem Haftvermittler (HV), einer Barriereschicht (BA) und schließlich einer Schutzschicht (TopCoat (TC)). Der Haftvermittler und der TopCoat sind dabei üblicherweise dicker als die Barriereschicht, jeweils aber regelmäßig dünner als 20 nm.The durability of the protective layer can be further increased by depositing the protective layer with a layer thickness greater than 40 nm, preferably greater than 60 nm, particularly preferably greater than 80 nm, and especially preferably greater than 100 nm. Even greater layer thicknesses are of course also possible. Typical coating thicknesses, e.g., for CSD containers (CSD = carbonated soft drink), are 25-30 nm. This already involves a layer structure consisting of an adhesion promoter (HV), a barrier layer (BA), and finally a protective layer (top coat (TC)). The adhesion promoter and the top coat are usually thicker than the barrier layer, but each regularly thinner than 20 nm.
Es wurde weiterhin als für die Beständigkeit der Schutzschicht vorteilhaft erkannt, dass der Aufbau der Schutzschicht langsamer als im Stand der Technik üblich erfolgt, insbesondere langsamer als der Aufbau ggf. vorhandener anderer Beschichtungen wie HV und/oder BA. Insofern wird mit Vorteil vorgeschlagen, dass die Beschichtungszeit für die Schutzschicht größer 4000 ms, bevorzugt größer 5000 ms, weiter bevorzugt größer 7.500 ms, schließlich bevorzugt größer 10.000 ms beträgt. Mit der Beschichtungszeit ist die Dauer des Abscheidungsvorganges für die Schutzschicht gemeint. Soweit vor dem Aufbringen der Schutzschicht zunächst eine Haftvermittlerschicht und dann eine Barriereschicht aufgebracht werden, ist mit Vorteil vorgesehen, dass die Beschichtungszeit für die Schutzschicht mehr als doppelt so lange dauert wie die Beschichtungszeit der beiden übrigen Schichten zusammengenommen.It was further recognized as advantageous for the durability of the protective layer that the build-up of the protective layer takes place more slowly than is usual in the prior art, in particular slower than the build-up of any other coatings present, such as HV and/or BA. In this respect, it is advantageously proposed that the coating time for the protective layer be greater than 4000 ms, preferably greater than 5000 ms, more preferably greater than 7500 ms, and finally preferably greater than 10,000 ms. The coating time refers to the duration of the deposition process for the protective layer. If an adhesion promoter layer and then a barrier layer are applied before the protective layer is applied, it is advantageous that the coating time for the protective layer is more than twice as long as the coating time for the two other layers combined.
Es hat sich weiterhin in Untersuchungen als vorteilhaft ergeben, dass zusätzlich zu einer ersten Schutzschicht TC1 und nach dessen Abscheiden eine zweite Schutzschicht TC2 im Behälterinneren abgeschieden wird. Möglich ist, dass diese zweite Schutzschicht TC2 z.B. unmittelbar auf die erste Schutzschicht TC1 abgeschieden wird, sodass z.B. ein Schichtaufbau HV-BA-TC1-TC2 entstehen würde. Soweit vorstehend von Schichtdicken für die Schutzschicht und/oder von Beschichtungszeiten für die Schutzschicht gesprochen wurde, bezieht sich dies bei einem solchen Aufbau aus mehreren Schutzschichten TC1, TC2 auf die Summe der Schutzschichten TC1 + TC2, d. h. die Schutzschichten zusammengenommen erfüllen die aufgestellten Kriterien für die Schichtdicke und für die Beschichtungszeit. Furthermore, studies have shown it to be advantageous to deposit a second protective layer TC2 inside the container in addition to a first protective layer TC1 and, after its deposition, to deposit it. It is possible for this second protective layer TC2 to be deposited directly onto the first protective layer TC1, resulting in a layer structure HV-BA-TC1-TC2. Where reference was made above to layer thicknesses for the protective layer and/or coating times for the protective layer, this refers to the sum of the protective layers TC1 + TC2 for such a structure consisting of multiple protective layers TC1 and TC2, i.e., the protective layers taken together meet the established criteria for layer thickness and coating time.
In Fortführung dieser Ausführungsvariante hat sich als vorteilhaft herausgestellt, dass zwischen der ersten Schutzschicht (TC1) und der zweiten Schutzschicht (TC2) eine Haftvermittlerschicht (HV2) und eine Barriereschicht (BA2) als Zwischenschicht abgeschieden wird, also ein Schichtaufbau HV1 - BA1 - TC1 - HV2 - BA2 - TC2 erzeugt wird, soweit die Schutzschicht TC1 nicht unmittelbar auf die Behälterinnenwand abgeschieden wird (dann läge ein Schichtaufbau TC1-HV1-BA1-TC2 vor). Wenn auf die Behälterinnenwand zunächst eine Haftvermittlerschicht HV1 und eine Barriereschicht BA1 abgeschieden werden, dann ist bevorzugt, dass bei dem für die Haftvermittlerschicht (HV2) und/oder der Barriereschicht (BV2) der Zwischenschicht verwendeten Prozessgas der Anteil an Sauerstoff als Trägergas reduziert ist gegenüber dem Prozessgas für die Haftvermittlerschicht HV1 bzw. Barriereschicht BA1 zwischen erster Schutzschicht (TC1) und dem Behältermaterial, insbesondere indem Sauerstoff teilweise durch ein Edelgas substituiert ist, z.B. durch Argon. Grundsätzlich ist es von Vorteil, wenn beim Abscheiden einer Zwischenschicht zwischen zwei Schutzschichten der Sauerstoffanteil innerhalb des Prozessgases niedrig gehalten wird, denn es wurde festgestellt, dass der Sauerstoff die Beständigkeit der schon abgeschiedenen Schutzschicht gegenüber Waschmitteln, z.B. gegenüber Natronlauge, negativ beeinflusst.In continuation of this embodiment variant, it has been found to be advantageous that an adhesion promoter layer (HV2) and a barrier layer (BA2) are deposited as an intermediate layer between the first protective layer (TC1) and the second protective layer (TC2), thus creating a layer structure HV1 - BA1 - TC1 - HV2 - BA2 - TC2, provided that the protective layer TC1 is not deposited directly onto the inner wall of the container (in which case a layer structure TC1-HV1-BA1-TC2 would be present). If an adhesion promoter layer HV1 and a barrier layer BA1 are first deposited on the inner container wall, then it is preferred that the proportion of oxygen as a carrier gas in the process gas used for the adhesion promoter layer (HV2) and/or the barrier layer (BV2) of the intermediate layer be reduced compared to the process gas for the adhesion promoter layer HV1 or barrier layer BA1 between the first protective layer (TC1) and the container material, in particular by partially substituting oxygen with a noble gas, e.g., argon. It is generally advantageous to keep the oxygen content within the process gas low when depositing an intermediate layer between two protective layers, because it has been found that oxygen negatively influences the resistance of the already deposited protective layer to detergents, e.g., caustic soda.
In weiterer Fortführung der vorgenannten Ausführungsvarianten erweist sich als vorteilhaft, dass nach dem Abscheiden der zweiten Schutzschicht (TC2) eine dritte Schutzschicht (TC3) im Behälterinneren abgeschieden wird, wobei bevorzugt zwischen der zweiten und der dritten Schutzschicht (TC3) eine Haftvermittlerschicht (HV3) und eine Barriereschicht (BA3) als zweite Zwischenschicht auf den Behälter abgeschieden werden. Erneut erweist es sich als vorteilhaft, beim Abscheiden dieser zweiten Zwischenschicht wenig Sauerstoff im Prozessgas zu haben, indem bevorzugt bei dem für die Haftvermittlerschicht (HV3) und/oder der Barriereschicht (BV3) der zweiten Zwischenschicht verwendeten Prozessgas der Anteil an O2 reduziert ist gegenüber dem Prozessgas für die Haftvermittlerschicht HV1 bzw. Barriereschicht BA1 zwischen erster Schutzschicht TC1 und dem Behältermaterial, insbesondere indem O2 durch ein Edelgas substituiert ist, z.B. durch Argon.In a further development of the aforementioned embodiments, it has proven advantageous that after the deposition of the second protective layer (TC2), a third protective layer (TC3) is deposited inside the container, wherein an adhesion promoter layer (HV3) and a barrier layer (BA3) are preferably deposited on the container as a second intermediate layer between the second and third protective layers (TC3). Once again, it has proven advantageous to have little oxygen in the process gas when depositing this second intermediate layer, preferably by reducing the proportion of O2 in the process gas used for the adhesion promoter layer (HV3) and/or the barrier layer (BV3) of the second intermediate layer compared to the process gas for the adhesion promoter layer HV1 or barrier layer BA1 between the first protective layer TC1 and the container material, in particular by substituting O2 with a noble gas, e.g., argon.
Es ist im Stand der Technik bekannt, dass die Haftvermittlerschicht z.B. aus einem Prozessgasgemisch aus HMDSO und Sauerstoff (O2) oder aus HMDSO und Argon (Ar) abgeschieden wird. Bezüglich der oben bezeichneten Zwischenschichten wäre ein Gemisch aus HMDSO und Argon vorzugswürdig. Soweit ein Sauerstoffanteil im Prozessgas enthalten sein soll, z.B. weil dies für die Schichteigenschaft der Haftvermittlerschicht gewünscht ist, so kann der Sauerstoffanteil reduziert werden, indem Sauerstoff jedenfalls teilweise durch Argon substituiert ist, also ein Gemisch aus HMDSO, Sauerstoff und Argon verwendet wird. Eine typische Haftvermittlerschicht weist nach dem Stand der Technik eine Schichtdicke zwischen 5-20 nm auf.It is known in the art that the adhesion promoter layer is deposited, for example, from a process gas mixture of HMDSO and oxygen (O 2 ) or HMDSO and argon (Ar). Regarding the intermediate layers described above, a mixture of HMDSO and argon would be preferable. If a certain amount of oxygen is required in the process gas, e.g., because this is necessary for the properties of the adhesion promoter layer, the oxygen content can be reduced by partially substituting oxygen with argon, i.e., by using a mixture of HMDSO, oxygen, and argon. A typical adhesion promoter layer has a thickness of between 5 and 20 nm according to the state of the art.
Es ist im Stand der Technik bekannt, dass die Barriereschicht z.B. aus einem Prozessgasgemisch aus HMDSN und O2 oder von HMDSN und O2 und Ar abgeschieden wird. Soweit eine Barriereschicht als Zwischenschicht zwischen zwei Schutzschichten abgeschieden werden soll ist vorteilhaft, auch bei dieser Barriereschicht und dem dazu verwendeten Prozessgasgemisch den Sauerstoffanteil gering zu halten und z.B. Sauerstoff durch Argon zu substituieren. Eine typische Barriereschicht weist nach dem Stand der Technik eine Schichtdicke von 5-20 nm auf, bevorzugt in der Größenordnung 10 nm. Dadurch werden die Dehnungseigenschaften verbessert und es gibt einen zusätzlichen Schutz des Füllgutes vor Migration aus dem PET-Material.It is known in the art that the barrier layer is deposited, for example, from a process gas mixture of HMDSN and O 2 or of HMDSN and O 2 and Ar. If a barrier layer is to be deposited as an intermediate layer between two protective layers, it is advantageous to keep the oxygen content of this barrier layer and the process gas mixture used low and, for example, to substitute oxygen with argon. A typical barrier layer according to the state of the art has a layer thickness of 5-20 nm, preferably in the order of 10 nm. This improves the stretch properties and provides additional protection for the contents against migration from the PET material.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht für alle Ausführungsvarianten vor, dass das für den Behälter verwendete PET-Material einen Anteil recycelten PET-Materials enthält, insbesondere einen Anteil größer 50%, besonders bevorzugt einen Anteil zwischen 80-100%, insbesondere 100%. Da durch die erfindungsgemäße Schutzschicht die Oberflächenrauigkeit der Innenfläche des Behälters keine Rolle bezüglich des Anhaftens von Biofilmen oder Fremdstoffen spielt, ist die Verwendung von recyceltem PET-Material möglich, was die Umweltverträglichkeit erhöht.An advantageous development of the method according to the invention provides for all embodiments that the PET material used for the container contains a proportion of recycled PET material, in particular a proportion greater than 50%, particularly preferably a proportion between 80-100%, in particular 100%. Since the protective layer according to the invention renders the surface roughness of the inner surface of the container irrelevant with regard to the adhesion of biofilms or foreign substances, the use of recycled PET material is possible, which increases environmental compatibility.
Die Erfindung löst die Aufgabe nach einem zweiten Aspekt durch eine Behälterbeschichtungsmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 9. Die Vorteile der Maschine ergeben sich aus den oben genannten Vorteilen zum Verfahren.The invention solves the problem according to a second aspect by a container coating machine having the features of
Schließlich löst die Erfindung die Aufgabe nach einem dritten Aspekt durch einen Mehrweg-Kunststoffbehälter mit den Merkmalen des Anspruchs 10. Dabei ist weiterhin bevorzugt, dass die Schutzschicht (TC) den gesamten Innenraum des Grundkörpers des Behälters bedeckt, bevorzugt zusätzlich auch zumindest einen Teil der Außenfläche des Grundkörpers des Behälters, wobei bevorzugt die Schutzschicht (TC) aus HMDSO, HMDSN oder HMDS oder einer Mischung aus mindestens zwei dieser Stoffe gebildet ist. Schließlich ist auch für den Behälter von Vorteil, wenn dieser aus einem PET-Material mit einem Anteil recycelten PET-Materials besteht, insbesondere mit einem Anteil größer 50%, besonders bevorzugt einem Anteil zwischen 80-100%, insbesondere 100%.Finally, the invention solves the problem according to a third aspect by a reusable plastic container with the features of
Die Erfindung mit ihren oben genannten Aspekten gibt dem Fachmann Werkzeuge an die Hand, Mehrwegbehälter mit Beschichtungen gezielter Beständigkeit oder einer Mindestbeständigkeit zu versehen. Bei Kenntnis bzw. bei Vorgabe des Reinigungsmittels bzw. der Reinigungsprozedur lässt sich über das Beschichtungsverfahren eine Mindestzykluszahl vorgeben, die von dem Behälter aufgrund der Beschichtung ausgehalten wird. Der Fachmann kann z.B. die Schutzschicht so ausbilden, dass sie mindestens z.B. zehn Zyklen eines üblichen industriellen Waschvorgangs standhält. Es ist auch möglich, größere Zykluszahlen vorzugeben, wobei der zeitliche Aufwand für das Aufbringen der Beschichtung dadurch ansteigt. Bei kleineren Zykluszahlen ist der zeitliche Aufwand für das Aufbringen der Beschichtung geringer. Der Fachmann kann aus diesen Randbedingungen eine für ihn wirtschaftlich sinnvolle Zykluszahl auswählen.The invention, with its aforementioned aspects, provides the skilled person with tools to provide reusable containers with coatings of specific resistance or a minimum resistance. With knowledge of or specification of the cleaning agent or cleaning procedure, a minimum number of cycles that the container can withstand due to the coating can be specified via the coating process. For example, the skilled person can design the protective layer so that it can withstand at least ten cycles of a standard industrial washing process. It is also possible to specify larger cycle numbers, although this increases the time required to apply the coating. With smaller cycle numbers, the time required to apply the coating is less. The skilled person can select an economically viable cycle number from these boundary conditions.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen und anhand der beiliegenden Figuren näher erläutert. Es werden zudem auszugsweise experimentelle Ergebnisse vorgestellt. Die Zeichnungen sind nicht unbedingt maßstabsgetreu, sondern sie sind als Prinzipdarstellungen zu verstehen. In den Figuren sind gleiche oder im Wesentlichen funktionsgleiche bzw. -ähnliche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit sind Flaschen ein typischer Anwendungsfall eines Behälters. Insofern wird bei der nachfolgenden Beschreibung oftmals von Flaschen gesprochen. Weiterhin wird nachfolgend zur Erläuterung der Erfindung insbesondere und ebenfalls ohne Beschränkung der Allgemeinheit auf Behälter aus PET verwiesen, ohne dass andere thermoplastische Kunststoffe ausgeschlossen sind. Es zeigen:
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1 eine schematische Aufsicht auf eine Beschichtungsanlage, wie sie im Grundaufbau und grundsätzlich im Stand der Technik bekannt ist; -
2 eine perspektivische Ansicht auf ein Beispiel für eine vereinzelte Beschichtungsstation, wie grundsätzlich im Stand der Technik bekannt; -
3 eine Schnittansicht durch ein Beispiel für eine vereinzelte Beschichtungsstation mit Doppelkammer und wie grundsätzlich im Stand der Technik bekannt; -
4a , b eine schematische Darstellung zu einer beschichteten Behälterinnenwand und eine REM-Aufnahme zu einem Querschnitt durch eine beschichtete Behälterinnenwand; -
5 Abbildungen zu drei Flaschen; -
6 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der experimentellen Vorgehensweise; -
7 ein Diagramm zum ermittelten Einfluss der Schichtdicke auf die Beständigkeit der Schutzschicht gegenüber Natronlauge; -
8 Messergebnisse zu OTR-Messungen an verschiedenen Behältern; -
9a -c Prinzipdarstellungen zu Multi-Layer-Beschichtungen;
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1 a schematic plan view of a coating system as it is known in its basic structure and in principle in the prior art; -
2 a perspective view of an example of an isolated coating station as generally known in the prior art; -
3 a sectional view through an example of a single coating station with a double chamber and as generally known in the prior art; -
4a , b a schematic representation of a coated container inner wall and an SEM image of a cross section through a coated container inner wall; -
5 Illustrations of three bottles; -
6 a schematic representation to explain the experimental procedure; -
7 a diagram showing the determined influence of layer thickness on the resistance of the protective layer to caustic soda; -
8 Measurement results for OTR measurements on various containers; -
9a -c Principle representations of multi-layer coatings;
Tabellen 1 bis 9 Zusammenstellungen zu experimentellen Parametern und zu erhaltenen Messergebnissen zu verschiedenen Beschichtungsvarianten.Tables 1 to 9 summarize experimental parameters and measurement results obtained for different coating variants.
Aus der Darstellung in
Die Plasmastationen 1 sind mit später noch gezeigten Kavitäten bzw. Plasmakammern 17 zur Aufnahme von zu behandelnden Flaschen 5 versehen. Beispielhaft ist gezeigt, dass jede Plasmastation 1 vier Behandlungsplätze innerhalb jeder Plasmakammer 17 aufweist. Diese PECVD-Anlage 10 steht rein exemplarisch für alle Beschichtungsanlagen, die unter Zuführung von Prozessgasen Beschichtungsprozesse bei Behältern ausführen. Weiterhin werden nachfolgend die Behälter lediglich beispielhaft von Flaschen 5 gebildet.The
Die zu behandelnden Flaschen 5 werden dem Plasmarad 2 im Bereich einer Eingabe 8 zugeführt und über ein Vereinzelungsrad 7 an ein Übergaberad 6 weitergeleitet, das mit Tragarmen ausgestattet ist, die z.B. positionierbar ausgeführt sein können. Die Tragarme können z.B. relativ zu einem Sockel des Übergaberades 6 verschwenkbar angeordnet sein, so daß eine Abstandsveränderung der Flaschen 5 relativ zueinander durchgeführt werden kann. Hierdurch erfolgt eine Übergabe der Flaschen 5 vom Übergaberad 6 an das Plasmarad 2. Nach einer Durchführung der Behandlung während des Umlaufes auf dem Plasmarad 2 werden die behandelten Flaschen 5 von einem Ausgaberad 3 aus dem Bereich des Plasmarades 2 entfernt und in den Bereich einer Ausgabestrecke 4 überführt. The
Es sind im Stand der Technik die beiden Möglichkeiten bekannt, die z.B. als Flaschen 5 ausgebildeten Werkstücke 5 mit Mündungsbereich nach oben oder nach unten weisend zu beschichten. Da der Transport der Flaschen 5 einfacher ist, wenn der Mündungsbereich nach oben weist, könnte z.B. die Zuführung der Flaschen 5 im Bereich der Eingabe 8 mit Mündungsbereich nach oben weisend erfolgen und z.B. auf dem Übergaberad 6 die Flasche 5 gewendet werden in eine Positionierung mit Mündungsbereich nach unten. Arbeitsräder mit einer solchen Wendefunktion sind im Stand der Technik bekannt. In dieser Positionierung würde die Übergabe der Flasche 5 auf das Plasmarad 2 erfolgen und auch die Entnahme vom Plasmarad 2 nach erfolgter Behandlung. Das Ausgaberad 3 könnte dann erneut ein Wenden der Flasche 5 vornehmen und die Flasche 5 anschließend mit einer Positionierung mit Mündung nach oben der Ausgabestrecke 4 zugeführt werden. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit wird in nachfolgenden Abbildungen eine Positionierung der Flasche 5 mit Mündungsbereich nach unten weisend gezeigt. Möglich ist natürlich auch, dass die Behandlung auf dem Plasmarad 2 mit Mündungsbereich nach oben weisend erfolgt und kein Wendevorgang vor und nach dem Plasmarad 2 ausgeführt wird. Nicht grundsätzlich ausgeschlossen ist auch eine andere Ausrichtung der Flaschen während der Beschichtungsprozesse.Two options are known in the prior art: coating
In nicht dargestellter Weise, weil im Stand der Technik hinreichend bekannt, werden Prozessgase erzeugt, z.B durch Verdampfen flüssiger Precursor, z.B. durch Mischen mit weiteren Gasen. Diese so erzeugten Prozessgase gelangen zum Plasmarad 2 und werden über im Stand der Technik bekannte Drehdurchführungen auf das Plasmarad 2 geführt. Die auf das Plasmarad 2 übergebenen Prozessgase liegen bei der Übergabe in der erforderlichen Zusammensetzung vor und werden von einer außerhalb des Plasmarades 2 angeordneten Gasversorgungsvorrichtung bereitgestellt, die nicht weiter beschrieben wird, da diese für den Gegenstand der Erfindung nicht wesentlich ist. Die Zuführung erfolgt in der Regel in einem Zentrum des Plasmarades 2 und über einen dort angeordneten Drehverteiler, über den die Plasmastationen 1 auch mit Betriebsmitteln sowie Energie versorgt werden. Zur Prozessgas- und zur Betriebsmittelverteilung werden insbesondere Ringleitungen eingesetzt, die den mit dem Plasmarad 2 umlaufenden mehreren Plasmastationen 1 die für den Beschichtungsprozess notwendigen Prozessgase zuführt.In a manner not shown, because it is sufficiently known in the prior art, process gases are generated, e.g. by evaporating liquid precursors, e.g. by mixing them with other gases. These process gases thus generated reach the
In
Im oberen Bereich der Plasmastation 1 ist ein Mikrowellengenerator 19 angeordnet. Der Mikrowellengenerator 19 ist über eine Umlenkung 25 und einen Adapter 26 an einen Kopplungskanal 27 angeschlossen, der in die Plasmakammer 17 einmündet. Der Adapter 26 hat die Funktion eines Übergangselementes. Die Umlenkung 25 ist als ein Hohlleiter ausgebildet. Die Flasche 5 wird im Bereich eines zangenartigen Halte- und Dichtelementes 28 positioniert, das im Bereich eines Kammerbodens 29 angeordnet ist, und das z.B. wie in der
Zum Schließen der Plasmakammer 17 kann der Schlitten 24 mit der zylinderförmigen Kammerwandung 18 entlang der Schienen 23 abgesenkt werden, bis die Kammerwandung 18 gegen den Kammerboden 29 gefahren ist. In diesem geschlossenen Positionierzustand kann die Plasmabeschichtung der dann in der geschlossenen Kavität 17 eingeschlossenen Flasche 5 durchgeführt werden. Im geschlossenen Positionierzustand erfolgt auch das Einstellen des in der Kammer 17 und des in der Flasche 5 erforderlichen Unterdruckes, um ein Plasma zu erzeugen und mikrowelleninduziert die Plasmabeschichtung vorzunehmen. Im geschlossenen Positionierzustand erfolgt auch ein Belüften der Kammer 17 und der in der Kammer 17 aufgenommene Flasche 5 auf einen Umgebungsdruck, damit die Kammer 17 geöffnet werden kann.To close the
In der in
In die Teilkammern 17a, 17b münden Versorgungskanäle 54 für das Einstellen des Kammerdruckes ein, die jeweils an eine Verzweigung 55 zur Aufteilung der von Pumpen bereitgestellten Saugleistung angeschlossen sind. Bei einer Verwendung von mehr als zwei Plasmakammern 17 wird die Verzweigung 55 entweder mit einer entsprechenden Anzahl von Ausgängen versehen, oder es werden kaskadiert mehrere Teilverzweigungen hintereinander angeordnet. Über diese Kanäle 54, 55 kann z.B. Unterdruck zugeführt werden.
Die Versorgung der beiden Flaschen 5 mit Prozessgasen erfolgt über Gasleitungen 74, die im gezeigten Ausführungsbeispiel an einer Zweigstelle 75 aus einer zentralen Leitung aufgespalten worden sind.The two
Zusätzlich eingezeichnet ist pro Behandlungsplatz eine Gaslanze 36, die in vertikaler Richtung in die Flasche 5 hineingefahren und herausgeführt werden kann, z.B. in nicht dargestellter Weise durch Anordnung an einem Lanzenschlitten, der in vertikaler Richtung geführt und z.B. kurvengesteuert eine Vertikalbewegung ausführen kann. In der dargestellten Positionierung ist die Plasmakammer 17 geschlossen und die Lanze 36 innerhalb der Flasche 5 angeordnet für das Austragen der Prozessgase in den Innenraum des Behälters 5. Die Gaslanzen 36 nehmen die Beschichtungsstellung ein.Additionally, a
Im Bereich des Kammersockels 30 erfolgt über die schon angesprochenen Kanäle 54, 55 die Beaufschlagung der Plasmakammern 17 und der Behälter 5 mit Unterdruck, auch ein Belüften ist möglich. Prozessgase werden über eine Prozessgasleitung 66 und die sich hinter der Zweigstelle 75 anschließenden Leitungen 74 den Gaslanzen 36 zugeführt und in das Behälterinnere geleitet. Die Zuführung erfolgt jeweils ventilgesteuert. Die Prozessgasleitung 66 steht in Verbindung mit einer nicht dargestellten Gasversorgungsvorrichtung und führt die von dieser Gasversorgungsvorrichtung bereitgestellten Prozessgase zu den Gaslanzen 36.In the area of the
Gemäß der gezeigten, rein beispielhaften Ausführungsform werden ein Primärvakuumventil 60 zur Zuführung einer ersten Unterdruckstufe sowie ein Sekundärvakuumventil 61 zur Zuführung eines gegenüber der ersten Unterdruckstufe niedrigeren Unterdruckes verwendet. Das Hinzutreten weiterer Unterdruckstufen ist möglich. Zur Aufrechterhaltung des Vakuums synchron zur Zuführung des Prozessgases ist darüber hinaus ein Prozessvakuumventil 62 angeordnet. Das Prozessvakuumventil 62 vermeidet einen Übertritt von abgesaugtem Prozessgas in die Versorgungskreise für das Primärvakuum und das Sekundärvakuum.According to the purely exemplary embodiment shown, a
Zur Unterstützung einer wahlweisen oder gemeinsamen Zuführung von Unterdruck zum Innenraum der Flasche 5 und/oder in den weiteren Innenraum der Plasmakammer 17 ist ein Kammervakuumventil 63 verwendet, das eine entsprechende Absperrfunktion durchführt. Insbesondere ist daran gedacht, das jeweilige Versorgungsvakuum über die Ventile 60, 61, 62 jeweils unmittelbar dem Innenraum der Flasche 5 zuzuführen und über das Kammervakuumventil 63 gesteuert eine bedarfsabhängige Zuschaltung des weiteren Innenraumes der Plasmakammer 17 vorzunehmen.To support the selective or joint supply of negative pressure to the interior of the
Für eine vorgebbare und voneinander unabhängige Entlüftung sowohl des Innenraumes der Flasche 5 als auch des weiteren Innenraumes der Plasmakammer 17 wird ein Behälterentlüftungsventil 64 sowie ein Kammerentlüftungsventil 65 verwendet. Für eine Zuführung unterschiedlicher Prozessgaszusammensetzungen wird ein erstes Prozessgasventil 66 sowie ein zweites Prozessgasventil 67 verwendet. Denkbar ist auch das Zuführen weiterer Prozessgasmischungen, sodass weitere Leitungen und weitere Ventile hinzutreten könnten. Die Bereitstellung der Prozessgasmischungen erfolgt durch eine Gasversorgungsvorrichtung.A
Nachfolgend wird ein typischer Ablauf eines Beschichtungsverfahrens auf einer Beschichtungsstation erläutert. Bei der Erläuterung wird auf eine Flasche Bezug genommen, also der Ablauf in der Einzahl geschildert. Bei gleichzeitiger Behandlung mehrerer Flaschen laufen die geschilderten Vorgänge gleichzeitig für alle Flaschen ab.The following describes a typical coating process sequence on a coating station. The explanation refers to one bottle, meaning the process is described in the singular. When treating multiple bottles simultaneously, the described processes occur simultaneously for all bottles.
Ein typischer Behandlungsvorgang wird z.B. derart durchgeführt, daß zunächst die Flasche 5 wie zu
Nach einer ausreichenden Evakuierung des Innenraumes der Kavität 17 wird die Gaslanze 36 in den Innenraum der Flasche 5 eingefahren und eine Abschottung des Innenraumes der Flasche 5 gegenüber dem Innenraum der Kavität 17 durchgeführt. Ebenfalls ist es möglich, die Gaslanze 36 bereits synchron zur beginnenden Evakuierung des Innenraumes der Kavität 17 in die Flasche 5 hineinzuverfahren. Der Druck im Innenraum der Flasche 5 wird anschließend noch weiter abgesenkt. Darüber hinaus ist auch daran gedacht, die Positionierbewegung der Gaslanze 36 wenigstens teilweise bereits parallel zur Positionierung der Kammerwandung 18 durchzuführen. Nach Erreichen eines ausreichend tiefen Unterdruckes wird Prozessgas in den Innenraum der Flasche 5 eingeleitet und mit Hilfe des Mikrowellengenerators 19 das Plasma gezündet. Insbesondere ist daran gedacht, mit Hilfe des Plasmas sowohl einen Haftvermittler auf eine innere Oberfläche der Flasche 5 als auch die eigentliche Barriereschicht z.B. aus Siliziumoxiden abzuscheiden. Eine zusätzliche dritte Schicht, zum Beispiel eine Schutzschicht, kann ebenfalls mit Hilfe des Plasmas abgeschieden werden, z.B. ebenfalls aus Siliziumoxiden.After sufficient evacuation of the interior of the
Nach einem Abschluss des Beschichtungsvorganges wird die Gaslanze 36 wieder aus dem Innenraum der Flasche 5 entfernt und die Plasmakammer 17 sowie der Innenraum der Flasche 5 werden belüftet. Nach Erreichen des Umgebungsdruckes innerhalb der Kavität der Plasmakammer 17 wird die Kammerwandung 18 wieder angehoben, um eine Entnahme der beschichteten Flasche 5 sowie eine Eingabe einer neuen zu beschichtenden Flasche 5 durchzuführen. Das geschilderte Beschichtungsverfahren läuft ab, während die Flasche 5 in der Plasmastation 1 auf dem Plasmarad 2 umläuft.After the coating process is completed, the
Eine Positionierung der Kammerwandung 18 und/oder der Gaslanze 36 kann unter Verwendung unterschiedlicher Antriebsaggregate erfolgen. Grundsätzlich ist die Verwendung pneumatischer Antriebe und/oder elektrischer Antriebe, insbesondere in einer Ausführungsform als Linearmotor, denkbar. Insbesondere ist aber daran gedacht, zur Unterstützung einer exakten Bewegungskoordinierung mit einer Rotation des Plasmarades 2 eine Kurvensteuerung zu realisieren. Die Kurvensteuerung kann beispielsweise derart ausgeführt sein, daß entlang eines Umfanges des Plasmarades Steuerkurven angeordnet sind, entlang derer Kurvenrollen geführt werden. Die Kurvenrollen sind mit den jeweils zu positionierenden Bauelementen gekoppelt.Positioning of the
Die Betätigung der Ventile 59 erfolgt vorzugsweise über eine programmierbare elektronische Steuerung 45. Zunächst wird nach einem Schließen der Plasmakammer 17 das Primärvakuumventil 60 geöffnet und der Innenraum der Flasche 5 und der Innenraum der Plasmakammer 17 gleichzeitig oder teilweise zeitlich versetzt evakuiert. Hierbei wird ein Druckniveau z.B. im Bereich von 20 mbar bis 50 mbar erreicht. Nach einem Schließen des Primärvakuumventils 60 erfolgt ein Öffnen des Sekundärvakuumventils 61 und der Innenraum der Flasche 5 und der Innenraum der Plasmakammer 17 werden zunächst gleichzeitig an eine Unterdruckquelle mit einem niedrigeren Druckniveau angeschlossen. Nach einer ausreichenden Evakuierung des die Flasche 5 umgebenden Innenraumes der Plasmakammer 17 schließt das Kammervakuumventil 63 und lediglich der Innenraum der Flasche 5 wird weiter evakuiert. Hierbei wird z.B. ein Druckniveau von etwa 0,1 mbar erreicht.The
Nach einem Schließen des Kammervakuumventils 63 und einer in der Regel bereits zuvor erfolgten Positionierung der Gaslanze 36 innerhalb des Innenraumes der Flasche 5 öffnet das erste Prozessgasventil 66, auch Primärprozessgasventil genannt, und ein Prozessgas einer ersten Zusammensetzung wird zugeführt. Nach einer ausreichenden Prozessgaszuführung zündet der Mikrowellengenerator 19 das Plasma im Innenraum der Flasche 5. Zu einem vorgebbaren Zeitpunkt schließt das Primärprozessgasventil 66 und das Sekundärprozessgasventil 67 öffnet zur Zuführung eines Prozessgases einer zweiten Zusammensetzung. Zumindest zeitweise parallel zum Öffnen der Prozessgasventile 66, 67 öffnet auch das Prozessvakuumventil 62, um einen ausreichend niedrigen Unterdruck im Innenraum der Flasche 5 aufrecht zu erhalten. Hierbei erweist sich ein Druckniveau im erfindungsgemäßen Bereich als vorteilhaft, z.B. ein Druckniveau von etwa 0,2 mbar.After the
Nach einem Abschluss der Plasmabeschichtung öffnet zunächst das Behälterentlüftungsventil 64 und schließt den Innenraum der Flasche 5 an einen Umgebungsdruck an. Mit einer vorgebbaren zeitlichen Verzögerung nach einem Öffnen des Behälterentlüftungsventils 64 öffnet auch das Kammerentlüftungsventil 65, um den Innenraum der Plasmakammer 17 wieder vollständig auf den Umgebungsdruck anzuheben. Nach einem zumindest annäherungsweisen Erreichen des Umgebungsdruckes innerhalb der Plasmakammer 17 kann die Plasmakammer 17 öffnen und die beschichtete Flasche 5 wird entnommen und durch eine neue zu beschichtenden Flasche 5 ersetzt.After the plasma coating is complete, the
Die vorstehend beschriebenen Prozessabläufe finden in einer Plasmakammer mit mehreren Behälterbehandlungsplätzen gleichzeitig für jeden der Behandlungsplätze und also simultan für jeden Behälter 5 statt, der auf einem der mehreren Behandlungsplätze angeordnet ist.The process sequences described above take place in a plasma chamber with several container treatment stations simultaneously for each of the treatment stations and thus simultaneously for each
Die Erfindung wird nachfolgend an weiteren Figuren erklärt und in Tabellen sind durchgeführte Versuche und daraus erhaltene Ergebnisse dargestellt. Die Versuche wurden an einer Labor-Beschichtungsstation durchgeführt, die baulich einer Station der Beschichtungsmaschine InnoPET Plasmax 20Q der KHS GmbH entspricht, die seit vielen Jahren auf dem Markt verfügbar ist. Diese Maschine weist zwanzig auf einem Plasmarad angeordnete Stationen auf, die jeweils zeitgleich vier Behälter aufnehmen und gleichzeitig beschichten. Die Labor-Beschichtungsstation entspricht einer dieser 20 Stationen. Der Beschichtungsprozess entspricht dabei grundsätzlich dem zuvor beschriebenen Prozessablauf bezüglich Einstellen von Unterdruckbedingungen, der Zufuhr von Prozessgasen und dem Zünden eines Plasmas durch Mikrowelleneinstrahlung.The invention is explained below with further figures, and tables show the tests carried out and the results obtained therefrom. The tests were carried out on a laboratory coating station, which is structurally equivalent to a station on the InnoPET Plasmax 20Q coating machine from KHS GmbH, which has been available on the market for many years. This machine has twenty stations arranged on a plasma wheel, each of which receives and coats four containers simultaneously. The laboratory coating station corresponds to one of these 20 stations. The coating process basically corresponds to the previously described process sequence with regard to setting Negative pressure conditions, the supply of process gases and the ignition of a plasma by microwave radiation.
Die
Alle Versuche wurden mit identischen Flaschen durchgeführt. Die Flaschen wiesen ein Füllvolumen von 500 ml auf und ein Flaschengewicht von 42 g, d. h. es wurde eine Mehrweg-PET-Flasche mit großer Wanddicke verwendet.All tests were conducted with identical bottles. The bottles had a filling volume of 500 ml and a weight of 42 g, i.e., a reusable PET bottle with a thick wall was used.
Als Monomere für die verschiedenen Schichten wurden HMDSN und HMDSO verwendet. Die Schutzschicht wurde dabei immer ausgehend vom Monomer HMDSO abgeschieden, wobei das Prozessgas teilweise zusätzlich als Trägergas Argon enthielt. In Vorversuchen wurde ein Mischungsverhältnis von 2 zu 1 verwendet, d. h. es wurde die doppelte Menge an Argon-Trägergas gegenüber dem Monomer HMDSO verwendet, jeweils bezogen auf den Massenfluss in sccm. In der später dargestellten Versuchsreihe wurde kein Trägergas beim Abscheiden des TopCoat (TC) verwendet.HMDSN and HMDSO were used as monomers for the various layers. The protective layer was always deposited starting with the HMDSO monomer, with the process gas sometimes also containing argon as a carrier gas. In preliminary tests, a mixing ratio of 2 to 1 was used, i.e., twice the amount of argon carrier gas was used compared to the HMDSO monomer, based on the mass flow in sccm. In the test series presented later, no carrier gas was used during the deposition of the top coat (TC).
In ersten Vorversuchen wurde zunächst betrachtet, welchen Einfluss die Schichtdicke der Schutzschicht (TC) auf die Beständigkeit der Schicht über mehrere Waschzyklen hinweg hat. Es wurden dazu Flaschen in jeweils identischer Weise mit einer Haftvermittler- (HV) und einer Barriereschicht (BA) versehen und schließlich eine Schutzschicht (TC) aufgetragen und die Dicke der Schutzschicht (TC) variiert. Es wurden Behälter mit einer Schutzschichtdicke von ca. 10 nm, von ca. 20 nm, von ca. 40 nm, von ca. 80 nm beschichtet, und es wurden auch noch größere Schutzschichtdicken abgeschieden, wobei die Abbildung in
Dem Diagramm in
Es wurden auch Versuche durchgeführt, um den Einfluss des Schichtaufbaus zu untersuchen. Die
Der Schichtaufbau der
Es wurden weitere Versuche mit einem Schichtaufbau wie in
Es wurden auch Schichtstrukturen wie in
Es wurde nach mehreren Vorversuchen eine Versuchsreihe mit insgesamt 18 unterschiedlichen Beschichtungsvarianten durchgeführt, allesamt erzeugt auf der besagten Laborstation. Es wurden darauf jeweils zwei Chargen zu 4 Behältern erzeugt, also pro Beschichtungsversuchslauf 8 Behälter mit Innenbeschichtungen versehen.After several preliminary tests, a series of tests was conducted with a total of 18 different coating variants, all produced on the aforementioned laboratory station. Two batches of four containers each were produced, thus providing eight containers with internal coatings per coating test run.
Die nachfolgende Tabelle 1 enthält Prozessparameterwerte, die bei der Abscheidung der Haftvermittlerschicht (HV1) unmittelbar auf die Innenseite des PET-Behälters verwendet wurden. Für alle Beschichtungsvarianten wurde die Haftvermittlerschicht (HV1), die unmittelbar auf das PET-Material aufgebracht wurde, mit diesen Prozesswerten abgeschieden. Die Haftvermittlerschicht (HV1) wurde also aus einem Prozessgasgemisch bestehend aus HMDSO und Sauerstoff abgeschieden bei einem Unterdruck von etwa 0,33 mbar. Tab. 1: Parameter für Abscheidung Haftvermittlerschicht (HV1)
Die nachfolgende Tabelle 2 enthält Prozessparameterwerte, die bei der Abscheidung der ersten Barriereschicht (BA1) auf der ersten Haftvermittlerschicht (HV1) verwendet wurden. Für alle Beschichtungsvarianten wurde die erste Barriereschicht (BA1), soweit vorgesehen, mit diesem Prozesswerten abgeschieden. Die erste Barriereschicht (BA1) wurde also aus einem Prozessgasgemisch bestehend aus HMDSN und Sauerstoff abgeschieden bei einem Unterdruck von ca. 0,36 mbar. Tabelle 2: Parameter für Abscheidung Barriereschicht (BA1)
Tabelle 3 enthält Parameterwerte, die bei der Abscheidung des ersten TopCoats (TC1) auf der ersten Barriereschicht (BA1) verwendet wurden. Diese Werte wurden für die ersten drei Beschichtungsvarianten der Versuchsreihe eingestellt, d. h. es wurde bei einem konstanten Unterdruck von ca. 0,15 mbar abgeschieden und der HMDSO-Fluss wurde konstant bei 60 sccm pro Kammer eingestellt. Die Prozessdauer wurde mit 60.000 ms konstant gehalten. Variiert wurde zwischen dem ersten Versuchslauf (Run 1) und dem zweiten Versuchslauf (Run 2) die Mikrowellenleistung, welche nämlich von 800 W auf 1200 W Impulsleistung erhöht wurde. Pulszeit t_on und Pausenzeit t_off wurden dabei nicht verändert. Im Run 3 wurde die Impulsleistung des zweiten Versuchslaufes von 1200 W eingestellt und auch die t_on-Zeit mit 1,5 ms beibehalten, allerdings wurde die Pausenzeit t-off von 60 ms auf 85 ms erhöht, sodass eine geringere mittlere Leistung eingestrahlt wurde. Tab. 3: Runs 1 bis 3: Veränderung des TC durch Veränderung MW-Leistung
Tabelle 4 enthält die Prozesswerte für die Beschichtungsvarianten 4-6, bei denen gegenüber dem TopCoat (TC) der Varianten 1-3, siehe Tabelle 3, andere den Beschichtungsprozess beeinflussende Parameter verändert wurden. Es wurde bei diesen Runs 4-6 die mittlere Mikrowellenleistung konstant gehalten bei einem Impulswert von 800 W, einer t_on-Zeit von 1,5 ms und einer t-_off-Zeit von 60 ms. Der Unterdruck wurde bei ca. 0,15 mbar gehalten und der HMDSO-Fluss bei 60 sccm pro Kammer. Die Prozessdauer wurde von 20.000 ms in Run 4 über 30.000 ms in Run 5 auf 40.000 ms in Run 6 verändert. Zudem wurden in allen drei Runs auf die erste TopCoat-Schicht TC1 zwei weitere TopCoat-Schichten TC2 und TC3 abgeschieden bei zum jeweiligen TC1 unveränderten Prozessparametern. Die in Tabelle 4 angegebenen Prozessparameter wurden also in jedem Run für TC1-TC3 gleichermaßen eingehalten. Aus der veränderten Prozesszeit ergaben sich einerseits unterschiedliche Schichtdicken. Zum anderen wurde betrachtet, ob mehrere TC übereinander zu einer Steigerung der Beständigkeit gegen Reinigungsmittel führt. Tab. 4: Runs 4-6: Veränderung des TC durch Variation Prozessdauer und durch Abscheiden von jeweils drei TC übereinander:
Tabelle 5 zeigt Prozesswerte für die Beschichtungsvarianten 7-9. Diese Beschichtungsvarianten waren aufgebaut wie in
Die Tabellen 6.1 bis 6.3 zeigt Prozessparameterwerte zu den Runs 10-16. In diese Runs wurden Schichtaufbauten wie in
Die Prozessparameterwerte zum Haftvermittler HV2 und HV3 sind in Tab. 6.2 dargestellt, beide wurden in jedem Run unter gleichen Bedingungen abgeschieden. Variiert wurde in den Runs die Prozessdauer, die in den Runs 10, 15 und 16 1600 ms betrug und in den Runs 11-14 650 ms betrug.The process parameter values for adhesion promoters HV2 and HV3 are shown in Table 6.2. Both were deposited under the same conditions in each run. The process duration varied between runs, being 1600 ms in runs 10, 15, and 16 and 650 ms in runs 11-14.
Schließlich enthält Tabelle 6.3 die Prozessparameterwerte für die Barriereschichten BA2 und BA3, die ebenfalls innerhalb eines Runs jeweils unter gleichen Bedingungen abgeschieden wurden. Es wurden dort zunächst im Run 10 die Werte eingestellt, die auch zur Barriereschicht BA1 verwendet wurden, siehe Tab. 2. In den Runs 11-13 wurde dann die Prozessgaszusammensetzung verändert und insbesondere der Sauerstoffanteil reduziert durch Substitution durch das alternative Trägergas Argon. Der ursprüngliche Sauerstoffmassenfluss von 1400 sccm pro Kammer wurde in Run 11 auf 800 sccm, in Run 12 auf 500 sccm und in Run 13 auf 200 sccm reduziert und substituierend der Massenfluss an Argon sukzessive erhöht. Es wird auf den Quotienten 1,4 verwiesen für die Umrechnung Massenfluss O2 und Massenfluss Argon, siehe Erläuterung zu Tabelle 5. In Run 14 wurden die Prozessparameterwerte in Run 10 gewählt mit Ausnahme der Mikrowellenimpulsleistung, die von 1800 W auf 1300 W reduziert wurde. In den Runs 15 und 16 wurde diese reduzierte Mikrowellenimpulsleistung beibehalten, aber der Sauerstofffluss von 1400 sccm auf 800 sccm reduziert, wobei erneut Argon als Substitut eingesetzt wurde. Tab. 6.1: Runs 10-16: TC immer gleich, außer in Run 16: TC3 auf Prozessdauer 60000ms erhöht
Tabelle 7 zeigt Prozessparameterwerte zu den Runs 17 und 18, nämlich die Prozessparameterwerte beim Abscheideprozess des TopCoats TC1. Dabei wurde in Run 17 der TopCoat TC1 unmittelbar auf die Innenseite der PET-Flasche abgeschieden, also vorher weder eine Haftvermittlerschicht HV noch eine Barriereschicht BA abgeschieden. Im Run 18 wurde zunächst eine Haftvermittlerschicht HV1 wie in den Runs 1-3 auf die Innenseite der PET-Flasche abgeschieden und darauf der TopCoat mit den Prozessparameterwerten wie in Tabelle 7 gezeigt abgeschieden. Tab. 7: Runs 17 und 18: Run 17: TC1 direkt auf PET; Run 18: HV zwischen PET und TC1
Die nachfolgende Tabelle 8 stellt die erzeugten Beschichtungsvarianten in den Runs 1-18 in einer Übersicht zum Schichtaufbau (Spalte 2) zusammen und benennt die Zielrichtung in Spalte 3, die mit der Beschichtungsvariante untersucht werden sollte. Tab. 8: Übersicht
Zu allen durchgeführten Runs wurden die erhaltenen Behälter bezüglich der Sauerstoffpermeation untersucht. Zunächst wurde anhand von zwei der Behälter eines Runs die Sauerstoffpermeation unmittelbar nach Abschluss der Beschichtung gemessen (OTR-Messung). Zwei andere Behälter wurden anschließend Waschzyklen unterworfen und nach jedem Waschzyklus erneut die Sauerstoffpermeation untersucht. Die übrigen vier Behälter eines Runs wurden für andere Untersuchungen verwendet (Schichtdickenuntersuchungen, Untersuchung zur Migration von Aromen), deren Ergebnisse nicht gezeigt werden, da diese für die vorliegende Anmeldung nicht entscheidend sind.For all runs conducted, the resulting containers were tested for oxygen permeation. First, the oxygen permeation of two containers from each run was measured immediately after coating completion (OTR measurement). Two other containers were then subjected to wash cycles, and the oxygen permeation was tested again after each wash cycle. The remaining four containers from each run were used for other tests (coating thickness tests, flavor migration tests), the results of which are not shown, as they are not critical to the present application.
Die nachfolgende Tabelle 9 stellt die erhaltenen Messwerte in einer Kurzform zusammen, und enthält in der linken Spalte die Angabe zum Run und in den daneben liegenden Spalten werden paarweise für drei Konstellationen ein gemittelter OTR-Wert und die Standardabweichung dazu angegeben (es wurden stets zwei Behälter vermessen), nämlich für eine Messung, bevor ein Waschvorgang ausgeführt wurden (Spalten 2 und 3), in den Spalten 3 und 4 nach Durchlaufen von sechs Waschzyklen und in den Spalten 5 und 6 nach dem Durchlaufen von zwölf Waschzyklen. Für die ersten 3 Runs und für Run 14 wurde keine OTR-Messung nach 12 Waschzyklen vorgenommen, da die Sauerstoffpermeationswerte bereits nach 6 Waschzyklen deutlich verschlechtert waren und also die entsprechenden Schichtaufbauten als nicht zielführend angesehen wurden. Tab. 9: Zusammenfassung von Ergebnissen
Aus dieser Tabelle 9, die lediglich eine komprimierte Zusammenfassung der insgesamt erhobenen Menge an Messwerten darstellt, und aus den durchgeführten Vorversuchen, Versuchsreihen und Variationen zwischen den Versuchsreihen lassen sich folgende Schlussfolgerungen für die angestrebte Beständigkeit der Schutzschichten gegen Reinigungsmittel ziehen:
- MW-Leistung: Es erweist sich als vorteilhaft für die Beständigkeit einer Schutzschicht (TC), wenn während des Abscheideprozesses mit einer verringerten mittleren Mikrowellenleistung abgeschieden wird.
- Sauerstoff: Die Verwendung von Sauerstoff im Prozessgas für Haftvermittler- (HV2, HV3) und/oder Barriereschichten (BA2, BA3) als Zwischenschichten zwischen Schutzschichten hat negativen Einfluss auf die Beständigkeit bereits abgeschiedener Schutzschichten (TC1, TC2).
- Unterdruck: Es erweist sich als vorteilhaft für die Beständigkeit einer Schutzschicht, wenn während des Abscheideprozesses der Schichten mit einem verringerten Unterdruck abgeschieden wird. Dies gilt besonders für Schutzschichten, in abgeschwächter Form auch für die anderen Schichten Haftvermittler und Barriere.
- Schichtdicke: Die Beständigkeit einer Schutzschicht wächst mit der Schichtdicke, wobei der Zuwachs an Beständigkeit nicht linear mit der Schichtdicke wächst. Der zusätzliche Zeitaufwand für das Abscheiden der Schicht steht dabei zunehmend in keinem guten Verhältnis zum dadurch erreichten Zuwachs an Beständigkeit.
- Mehrschichtaufbau: Sowohl das mehrfache Abscheiden von Schutzschichten (TC1, TC2, TC3) aufeinander als auch die übrigen Mehrschichtaufbauten führen zu einer verbesserten Beständigkeit. Die besten Werte werden erreicht, wenn mehrfach ein 3-Schichtaufbau HV-BA-TC angewendet wird und dabei in Zwischenschichten zwischen Schutzschichten Sauerstoff vermieden wird.
- Prozessgaszusammensetzung Schutzschicht: Die Beständigkeit einer Schutzschicht ist besonders günstig, wenn beim Abscheiden der Schutzschicht der Monomer-Anteil am Prozessgas möglichst groß ist.
- MW power: It is beneficial for the durability of a protective coating (TC) if a reduced average microwave power is used during the deposition process.
- Oxygen: The use of oxygen in the process gas for adhesion promoter (HV2, HV3) and/or barrier layers (BA2, BA3) as intermediate layers between protective layers has a negative influence on the durability of already deposited protective layers (TC1, TC2).
- Negative pressure: It has been shown to be beneficial for the durability of a protective coating if the layers are deposited at a reduced negative pressure during the deposition process. This applies particularly to protective coatings, and to a lesser extent also to the other layers, such as adhesion promoter and barrier.
- Layer thickness: The durability of a protective layer increases with layer thickness, although the increase in durability does not increase linearly with layer thickness. The additional time required to deposit the layer is increasingly disproportionate to the resulting increase in durability.
- Multilayer construction: Both the multiple deposition of protective layers (TC1, TC2, TC3) on top of each other and the other multilayer constructions lead to improved resistance. The best results are achieved when a three-layer HV-BA-TC construction is applied multiple times, avoiding oxygen in the interlayers between protective layers.
- Process gas composition of the protective layer: The durability of a protective layer is particularly favorable if the monomer content of the process gas is as high as possible when depositing the protective layer.
Eine Betrachtung der sich aus den gewonnenen Messergebnissen ergebenden Erfahrungswerte und Tendenzen und Kombination dieser Betrachtung mit dem zu investierenden Mehraufwand an Zeit, Material und apparativer Ausstattung ergibt, dass die Einstellung verbesserter Prozessparameterwerte der nachfolgenden drei auf das Abscheideergebnis Einfluss nehmenden Größen das beste Aufwand-zu-Nutzen-Verhältnis aufweisen: a) Unterdruck während des Abscheidens der Schutzschicht, b) mittlere Mikrowellenleistung beim Abscheiden der Schutzschicht und c) Prozessgaszusammensetzung beim Abscheiden der Schutzschicht. Diese Einflussgrößen a) bis c) zeigen das beste „Kosten-Nutzen“-Verhältnis, führen also zu den größten Verbesserungen bei der Beständigkeit der Schutzschicht bei vertretbarem Zusatzaufwand, wobei insbesondere festgestellt wurde, dass die Kombination der optimaleren Einstellung von zwei dieser drei Einflussgrößen nochmals deutliche Beständigkeitsvorteile hervorbringt. Das Vorsehen aller drei optimaleren Prozessparameter beim Abscheiden der Schutzschicht führt insgesamt zu den besten Ergebnissen bei immer noch akzeptablem Mehraufwand. Demgegenüber sind andere Optimierungen von Einflussgrößen als weniger vorteilhaft anzusehen, haben gleichwohl aber durchaus auch steigernde Effekte auf die Beständigkeit.A consideration of the empirical values and trends resulting from the measurement results obtained and a combination of this consideration with the additional expenditure on time, material and equipment to be invested shows that the setting of improved process parameter values of the following The following three variables influencing the deposition result have the best cost-benefit ratio: a) negative pressure during the deposition of the protective layer, b) average microwave power during the deposition of the protective layer, and c) process gas composition during the deposition of the protective layer. These influencing variables a) to c) show the best "cost-benefit" ratio, i.e. they lead to the greatest improvements in the durability of the protective layer with a reasonable additional effort. In particular, it was found that the combination of the more optimal setting of two of these three influencing variables produces even more significant durability advantages. The provision of all three optimal process parameters during the deposition of the protective layer leads overall to the best results with still acceptable additional effort. In contrast, other optimizations of influencing variables are considered less advantageous, but nevertheless also have a positive effect on durability.
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