Способ и устройство для плазменной обработки внутренней поверхности пластиковых бутылок - RU2199792C2

Чертежи

Показать все 7 чертежа(ей)

Описание

Изобретение относится к тароупаковочному производству и описывает способ и устройство в соответствии с независимыми пунктами изобретения, при этом данные способ и устройство используются для плазменной обработки внутренней поверхности пластиковых бутылок.

Термин "пластиковая бутылка" применяется в настоящем описании для емкости, выполненной из пластмассы и имеющей корпусной участок, выполненный в форме вертикально стоящего цилиндра круглого или некруглого сечения; с одной стороны такого корпуса расположено его дно, а с другой - заплечики и сравнительно узкое горлышко. Такими емкостями являются, например, бутылки, выполненные из полиэтилентерефталата, полипропилена или высокоплотного полиэтилена, при этом данные бутылки изготавливаются, например, ориентированным формованием раздувом. Для улучшения газонепроницаемости на внутреннюю поверхность бутылок с помощью плазменного химического осаждения из паровой фазы наносится слой оксида кремния.

Другим способом плазменной обработки внутренней поверхности пластиковых бутылок является, например, стерилизация или активация или другой способ изменения свойств поверхности.

Плазменная обработка внутренних поверхностей бутылок, а также устройства для осуществления таких процессов описаны, например, в публикациях под авторством J. Weichart, В. Meyer, J. Mueller (Vacuum in der Praxis Nr.1, стр. 22 - 26, 1991 г.), патентах US-5521351 (Wisconsin Alumni Research), JP-0853117 (Kirin Brewery), US-5378510 (Polar Materials Inc.), DE-3632748 (Vereiningung zue Forderung des Instituts fur Kunststoffverarbeitung in Industrie und Handwerk an der TH Aachen) и WO-95/22413 (Coca-Cola Company).

Плазменная обработка внутренней поверхности бутылки состоит, в основном, из этапов снижения давления внутри бутылки, поджига и поддержания условий существования плазмы в бутылке путем подключения соответствующего источника энергии (постоянный ток, токи радиочастот, высокой частоты и микроволны) и прокачки через плазму потока технологического газа или газовой смеси. В большинстве случаев для предотвращения разрыва бутылки камера, в которой установлена бутылка, вакуумируется. В предпочтительном варианте изобретения в камере, в которой находится бутылка, создается разрежение, которое приблизительно в десять раз меньше давления внутри бутылки, что позволяет обеспечить поджиг плазмы снаружи бутылки.

Таким образом, в состав устройства для осуществления данного способа входят вакуумная камера, в которой размещается обрабатываемая бутылка, средства вакуумирования камеры и средства вакуумирования внутренней полости бутылки (обычно давление в этих камерах имеет разные значения), средства для поджига и поддержания условий существования плазмы (например, генератор радиочастот, или высокочастотный, или микроволновый генератор) и средства подвода технологического газа в бутылку.

Целью изобретения является разработка способа и устройства для плазменной обработки внутренней поверхности пластиковой бутылки, например, с помощью плазменного химического осаждения из паровой фазы оксида кремния. Применение способа и устройства по настоящему изобретению позволяет экономично получать изделия высокого качества, при этом устройство по настоящему изобретению может работать с высокой производительностью.

Эта цель достигается применением способа и устройства, которые описаны в пунктах формулы изобретения.

В состав устройства по настоящему изобретению входят вакуумная камера и цилиндрическая микроволновая ловушка, в которую через одну из сторон с помощью соответствующих средств подачи микроволнового излучения поступают микроволны, получаемые с помощью микроволнового генератора, таким образом функция микроволновой ловушки и вакуумной камеры частично или полностью могут выполняться одним и тем же узлом устройства. В состав устройства к тому же входят средства вакуумирования и подвода газа. Форма микроволновой ловушки по возможности отвечает форме бутылки. Микроволновая ловушка, средства подачи микроволнового излучения и микроволновый генератор разработаны и отлажены таким образом, что возбуждение микроволновой ловушки происходит по моде ТМ-резонанса, т. е. с помощью поперечной магнитной волны, магнитное поле которой не имеет продольной составляющей. Кроме того, по предпочтительному варианту изобретения с помощью стационарных магнитов может быть получено постоянное магнитное поле, обеспечивающее внутри обрабатываемых бутылок условия электронного циклотронного резонанса.

Устройство по настоящему изобретению очень компактно, и его конструкция очень проста. В условиях массового производства множество однобутылочных устройств располагаются в ряд или составляют матрицу, при этом все однобутылочные устройства подключены к энергосети, линиям вакуумирования и подвода газа. Каждое из однобутылочных устройств может быть снабжено своей собственной вакуумной камерой или множество микроволновых ловушек могут быть объединены в одну общую вакуумную камеру.

Примеры предпочтительных вариантов устройства по настоящему изобретению представлены на чертежах.

На фиг. 1 и 2 представлена принципиальная схема примера осуществления устройства по настоящему изобретению для обработки одной бутылки за один раз в рабочем или закрытом состоянии (фиг.1) и в открытом виде (фиг.2).

На фиг. 3 представлен другой пример осуществления устройства по настоящему изобретению в сборе с устройством ориентированного формования раздувом, в котором бутылка формуется с раздувом и вытяжкой и сразу же после этого подвергается плазменной обработке.

На фиг. 4 представлен другой пример осуществления устройства по настоящему изобретению в сборе с устройством розлива, которое служит для заполнения бутылки сразу же после плазменной обработки.

На фиг. 5 и 6 схематично представлен пример осуществления устройства по настоящему изобретению для одновременной плазменной обработки множества бутылок.

На фиг.7 представлено трехмерное изображение примера осуществления устройства по настоящему изобретению в соответствии с рисунком 5.

На фиг. 8 схематично представлен другой пример применения устройства по настоящему изобретению для плазменной обработки партий бутылок, в котором бутылки обрабатываются в однобутылочных устройствах по настоящему изобретению, составляющих матрицу.

На фиг. 1 и 2 представлен пример осуществления устройства по настоящему изобретению для обработки одной бутылки 1 за один раз. В состав устройства входит вакуумная камера 2 и цилиндрическая микроволновая ловушка 3 или часть микроволновой ловушки внутри вакуумной камеры, в которой размещается обрабатываемая бутылка 1. Кроме того, в состав устройства входит микроволновый генератор 4 и средства подачи микроволнового излучения (10/11) для возбуждения микроволновой ловушки и трубка подвода газа 5, проходящая внутрь бутылки через отверстие в горлышке и выполненная из пористого или перфорированного материала. На фиг.1 показано устройство в рабочем состоянии, у которого микроволновая ловушка и вакуумная камера изображены в закрытом состоянии. На фиг. 2 показано устройство в открытом виде для удаления обработанной бутылки и установки на ее место другой, необработанной бутылки.

Микроволновая ловушка 3 выполняется либо из материала, который не является прозрачным для микроволн, но обеспечивает равенство давлений снаружи и внутри ловушки (например, перфорированный листовой металл), и устанавливается внутри вакуумной камеры 2, либо из материала непрозрачного для микроволн и вакуумплотного, т.е. выполняет одновременно функции вакуумной камеры. В примере по фиг.1 и 2 в состав микроволновой ловушки 3 входит перфорированная цилиндрическая часть 3.1, которая как можно ближе устанавливается к цилиндрической части бутылки 1. С одного конца цилиндрическая часть 3.1 закрыта пластиной, которая образует стенку вакуумной камеры 2 и содержит средства фиксации горлышка обрабатываемой бутылки 1, средства герметизации внутренней полости бутылки и трубку подвода газа 5. В состав данной пластины входят также средства сопряжения трубки подвода газа с источником технологического газа G, средства сопряжения отверстия бутылки с источником вакуума V.1 и средства сопряжения вакуумной камеры с вакуумным источником V.2.

Микроволны, генерируемые микроволновым генератором, поступают в микроволновую ловушку с торца 3.3, расположенного напротив пластины 3.2, со стороны донной части обрабатываемой бутылки, например через полый волновод 11 и прозрачное для микроволн окно 10, которое одновременно выполняет роль стенки вакуумной камеры. Окно 10, например, выполняется из кварцевого стекла или пластика.

Можно также использовать прозрачную для микроволн вакуумную камеру (из кварцевого стекла или пластика) и расположить ее полностью или частично внутри микроволновой ловушки.

Микроволновый генератор 4, микроволновая ловушка 3 и средства подачи микроволнового излучения рассчитаны и настроены на моду ТМ-резонанса, по предпочтительному варианту изобретения на TM_01n моду, где n = 1 - 4. В публикациях US-5311103 и US-4777336 описаны устройства с таким резонансом.

Для создания внутри обрабатываемой бутылки 1 постоянного магнитного поля, как внутри, так и снаружи трубки подвода газа 5, могут устанавливаться постоянные магниты. К тому же, в состав трубки подвода газа могут входить средства охлаждения трубки подвода газа и магнитов и поддержания их температуры на постоянном уровне в узком диапазоне температур.

Трубка подвода газа может выполняться в виде простой перфорированной трубки или в виде патрубка подвода газа, вставляемого в горлышко обрабатываемой бутылки.

Для установки обрабатываемой бутылки 1 в микроволновую ловушку 3 (см. фиг.2), с цилиндрической части 3.1 микроволновой ловушки 3 снимается пластина 3.2. При этом средства фиксации горлышка бутылки находятся в открытом состоянии. Затем бутылка устанавливается поверх трубки подвода газа 3 или патрубка подвода газа и крепится с помощью средств фиксации горлышка. Затем перемещением пластины 3.2 в цилиндрическую часть 3.1 бутылка помещается в вакуумную камеру 2 и микроволновую ловушку 3 до образования плотного соединение не только с остальной частью стенки вакуумной камеры, но и с цилиндрической частью 3.1 микроволновой ловушки.

На фиг.3 представлен другой пример осуществления устройства по настоящему изобретению для нанесения покрытия на поверхность одной бутылки 1 за один раз. Устройство полностью включено в состав устройства ориентированного формования бутылки 1 раздувом. Функции вакуумной камеры и микроволновой ловушки выполняет полость формы для выдувания 20. Для выполнения новых функций в составе формы для выдувания предусмотрено микроволновое окно 10 выполненное, например, из кварцевого стекла, при этом к окну 10 через волновод 11 подается микроволновое излучение, генерируемое микроволновым генератором 4, и по крайней мере один канал 21, через который вакуумируется полость формы (V.2).

С помощью линейного двигателя 23 вытяжной стержень 22 устройства ориентированного формования раздувом может менять свое положение. Стержень - полый и изготовлен из пористого материала или перфорирован и в процессе плазменной обработки используется в качестве трубки подвода газа 5. Поэтому в его состав входит штуцер соединения с источником технологического газа G.

Устройство по фиг.3 работает следующим образом:
- Предварительно нагретая предварительно отформованная заготовка бутылки 30 (штрих-пунктир) помещается в полость формы 20. Вытяжной стержень/трубка подвода газа 22/5 находится в начальном положении, при этом его/ее дальний конец упирается в донышко заготовки. Линии вакуумирования формы перекрыты.

- Давление Р прикладывается к внутренней полости заготовки и вытяжной стержень/трубка подвода газа 22/5 выдвигается до тех пор, пока не достигнет или почти достигнет донышка формы с другой стороны отверстия бутылки, таким образом вытягивая заготовку в осевом направлении почти до длины готовой бутылки. Затем давление Р возрастает для того, чтобы раздуть стенку заготовки и прижать ее к внутренней поверхности формы 20.

- Затем вытяжной стержень/трубка подвода газа 22/5 выдвигается в положение подвода газа (дальний конец находится на некотором расстоянии от донышка бутылки) и происходит одновременное вакуумирование внутренней полости бутылки и внутренней полости формы, при этом давление внутри бутылки понижается до уровня, при котором возможен еще поджиг плазмы, а давление снаружи бутылки должно быть намного выше или ниже этого уровня, чтобы не допустить поджиг или не обеспечить условия существования плазмы и не допустить при этом разрыва бутылки.

- Включается микроволновый генератор, и технологический газ поступает в вытяжной стержень/трубку подвода газа 22/5 и одновременно удаляется через отверстие бутылки (V. 1), таким образом поддерживая давление на заданном уровне.

- По прошествии определенного времени микроволновый генератор выключается и прекращается подача технологического газа, а внутренние полости бутылки 1 и формы вентилируются.

- Форма 20 открывается, и отформованная и обработанная бутылка удаляется из формы.

На фиг.4 представлен другой пример осуществления устройства по настоящему изобретению для обработки одной бутылки за один раз. Данное устройство соответствует устройству, изображенному на фиг.1 и 2, но функцию микроволновой ловушки 3 выполняет здесь вакуумная камера 2. К тому же, в состав данного устройства входят средства (не показаны) перемещения трубки подвода газа 5 в положение внутри бутылки 1 (показана пунктиром (5)) и линия соединения в пластине 3.2 с источником жидкости С, заливаемой в обрабатываемую бутылку.

Устройство по фиг.4 работает следующим образом:
- Бутылка 1 помещается в микроволновую ловушку/вакуумную камеру. Трубка подвода газа 5 выдвигается в положение внутри бутылки (дальний конец находится на некотором расстоянии от дна бутылки).

- Внутренняя полость бутылки 1 вакуумируется одновременно с вакуумной камерой 2, при этом давление внутри бутылки понижается до уровня, при котором возможен еще поджиг плазмы, а давление снаружи бутылки должно быть намного выше или ниже этого уровня, чтобы не допустить поджиг или не обеспечивать условия существования плазмы и не допустить при этом разрыва бутылки.

- Включается микроволновый генератор, и технологический газ поступает в трубку подвода газа 5 и одновременно удаляется через отверстие бутылки (V. I), таким образом поддерживая давление на заданном уровне.

- По прошествии определенного времени микроволновый генератор выключается, и прекращается подвод технологического газа.

- При необходимости бутылка промывается промывочным газом при пониженном давлении.

- Открывается линия соединения с источником жидкости С, и бутылка заполняется жидкостью, которая засасывается в бутылку, где поддерживается пониженное давление.

- Обработанная и заполненная бутылка уплотняется и удаляется из микроволновой ловушки/вакуумной камеры.

Преимущество устройства по фиг.4 состоит не только в использовании вакуума для заполнения бутылки, но также и в заполнении бутылки сразу же после плазменной обработки, которая включает не только, например, нанесение покрытия, но и стерилизацию поверхности бутылки. Поэтому применение устройства по фиг. 4 избавляет от необходимости применять устройство стерилизации или средства стерильной транспортировки обработанной бутылки.

Можно также объединить особенности устройства по фиг.3 с особенностями устройства по фиг.4, при этом в одном и том же устройстве объединяются устройство ориентированного формования раздувом, устройство для плазменной обработки и устройство заполнения бутылки.

На фиг. 5 и 6 схематично представлен пример осуществления устройства по настоящему изобретению для одновременной плазменной обработки множества бутылок. Основная идея этой системы состоит в использовании множества элементов 50, 51, 52, каждый из которых соответствует устройству по фиг.1 и 2 или фиг.4, при этом данные элементы могут либо размещаться внутри общей вакуумной камеры (фиг.5), либо каждый из них имеет свою собственную вакуумную камеру (фиг.6).

Каждый элемент 50, 51, 52 соединен с сетью линий вакуумирования 55 для вакуумирования бутылок и с сетью линий подвода технологического газа 56 и, если необходимо, с сетью линий вакуумирования 57 для вакуумирования отдельных вакуумных камер и с линиями подвода жидкости для заполнения бутылок.

Элементы системы по фиг.5 и 6 расположены в ряд или составляют матрицу и открываются или закрываются с использованием общего привода. Эти элементы могут также составлять линию или роторную систему, в которой элементы перемещаются либо непрерывно, либо пошагово.

На фиг.7 более подробно представлена система 70 по фиг.5, т.е. система с двенадцатью элементами 50-61 по фиг.1 и 2, расположенных в ряд в общей вакуумной камере 71.

Обрабатываемые бутылки подаются в систему конвейером 72 и боковым конвейером 73 и выстраиваются в ряд 74 параллельно ряду элементов (50-61). Ряд бутылок может помещаться в шлюзовую вакуумную камеру. Для перемещения бутылок из ряда 74 в элементы с 50-го по 61-й вакуумная камера открывается и бутылки захватываются захватными приспособлениями 75, установленными в ряд. Они опрокидываются и заводятся на трубки подвода газа 5, которые находятся ниже общей пластины 76. Затем трубки подвода газа поднимаются, и вакуумная камера закрывается. Затем бутылки обрабатываются и после обработки удаляются, при этом вакуумная камера открывается, трубки подвода газа опускаются и бутылки опрокидываются на конвейер 77.

На фиг. 8 схематично представлен другой пример применения устройства по настоящему изобретению для плазменной обработки партий бутылок, в котором бутылки обрабатываются в однобутылочных устройствах по настоящему изобретению, составляющих матрицу. В состав этой матрицы однобутылочных устройств входят микроволновые ловушки 3, каждая из которых снабжена микроволновым генератором 4 и средствами соединения 10/11, при этом микроволновые ловушки помещаются в общей вакуумной камере 2 с вакуумным насосом V.2, как показано на фиг. 5, при этом микроволновые ловушки 3 и вакуумная камера 2 закрыты пластиной 82. В состав матрицы входит также структура 80, в состав которой входит объем 81, соединенный с вакуумным насосом V.1 и имеющий отверстия, расположенные соосно каждой микроволновой ловушке 3 и плотно соединяемые с отверстиями бутылок или соответствующими отверстиями в пластине 82 и матрицей средств подвода газа 3, которые также соосны микроволновым ловушкам и соединяются с источником технологического газа G.

На фиг. 8 слева направо показаны три этапа плазменной обработки партии бутылок 1. Сначала (левая часть фиг.8) партия бутылок устанавливается на пластину 82, их оси совмещаются с осями отверстий и с помощью специальных приспособлений горлышки бутылок фиксируются на пластине. Затем (средняя часть фиг. 8) пластина 82 с бутылками 1 устанавливается между матрицей микроволновых ловушек и структурой 80. Затем (правая часть фиг.8) пластина 82 поднимается для установки бутылок 1 в микроволновые ловушки 3 и для того, чтобы закрыть ловушки 3 и вакуумную камеру 2. Структура 80 также поднимается для того, чтобы завести трубки подвода газа 5 в бутылки 1 и для соединения отверстий объема 81 с отверстиями бутылок или с отверстиями в пластине 82.

Вместо вакуумной камеры 2, содержащей только микроволновые ловушки и вентилируемой при каждой смене партии бутылок, можно использовать большую вакуумную камеру, содержащую также структуру 80 и перемещающую пластину (82) с бутылками в вакуумную камеру и из нее через вакуумный шлюз, т.е. обеспечивающую установку пластины (82) с бутылками в форкамеру, соединенную с вакуумной камерой с помощью вакуумплотной входной дверцы, через которую осуществляется вакуумирование форкамеры, открытие входной дверцы и перемещение пластины (82) в вакуумную камеру. Для удаления обработанных бутылок в состав вакуумной камеры входят выходная дверца и выходная камера с пониженным давлением, которая вентилируется для удаления пластины (82) с обработанными бутылками. Преимуществом такой структуры является то, что вакуумная камера не нуждается в вентилировании при смене партии бутылок и поэтому сокращается время обработки бутылок.

Во всех описанных примерах плазменная обработка выполняется как одноэтапный процесс, осуществляемый с применением одного технологического газа или одной смеси технологических газов. Однако может иметь место и многоэтапная плазменная обработка. Единственно что необходимо для такого процесса - это средство соответствующего переключения подачи технологического газа от источника первого технологического газа на источник другого технологического газа.

Как уже отмечалось, одним из примеров плазменной обработки внутренней поверхности бутылки является нанесение на внутреннюю поверхность бутылки покрытия из SiO_x для улучшения газонепроницаемости бутылки. Такое осаждение на пол-литровые бутылки, выполненные из полиэтилентерефталата, осуществляемое с помощью описанного устройства со следующими технологическими параметрами, позволяет получить следующие результаты: технологическое давление внутри бутылки 0,2 мбар; технологическое давление снаружи бутылки 0,01 мбар; расход гексаметилдисилоксана 2 sссm; расход кислорода 16 sссm; приложенная мощность микроволнового излучения 150 Вт; продолжительность процесса 12 с; проницаемость кислорода обработанной бутылки в сравнении с проницаемостью кислорода необработанной бутылки (проницаемость измерялась на стандартном оборудовании MOCON): бутылка без покрытия - 0,050 - 0,0025 см³ О₂ на бутылку в сутки при давлении 0,21 атм; бутылка с покрытием - 0,006 - 0025 см³ О₂ на бутылку в сутки при давлении 0,21 атм.

Как видно из результата, проницаемость кислорода в последнем случае уменьшилась более чем в восемь раз.

Реферат

Изобретение относится к производству тары. Техническим результатом является повышение качества обработки и производительности процесса обработки внутренней поверхности пластиковых бутылок. В состав устройства обработки внутренней поверхности бутылки (1) с использованием плазменной технологии входят вакуумная камера (2), микроволновая ловушка (3) с микроволновым генератором (4), средства вакуумирования и средства подвода газа (5). Микроволновая ловушка (3) имеет цилиндрическую форму, отвечающую насколько это возможно по крайней мере форме корпусной части обрабатываемой бутылки (1). Со стороны бутылки (1) в микроволновую ловушку (3) подается микроволновое излучение, и микроволновая ловушка возбуждается по моде ТМ-резонанса. Устройство очень компактно и имеет простую конструкцию. Оно может встраиваться в устройство ориентированного формования раздувом или устройство розлива. Для промышленного применения множество однобутылочных устройств могут устанавливаться в ряд или составлять матрицу, и все однобутылочные устройства присоединяются к энергетической сети, линиям вакуумирования и подвода газа. Каждое из однобутылочных устройств может быть снабжено своей собственной вакуумной камерой или множество микроволновых ловушек (3) могут быть объединены в одну общую вакуумную камеру. 2 с. и 13 з.п. ф-лы, 8 ил.

Формула