一种高质量塑料瓶内壁阻隔薄膜的制备装置及其制备方法.pdf

一种高质量塑料瓶内壁阻隔薄膜的制备装置及其制备方法，它涉及一种塑料瓶内壁阻隔薄膜的制备装置及其制备方法。本发明方法解决了现有技术制备的阻隔薄膜同塑料瓶内壁表面结合不牢固及阻隔性差的问题。装置由带有金属塞的绝缘接头、抽真空部件、绝缘体、上部真空罩、下部真空罩、导电进气管和偏压/高频复合等离子体电源组成。方法如下：将待处理的塑料瓶放置在真空室中；将真空室抽至真空，向塑料瓶中通入反应气体；开通高频等离子体源和直流电源，输入高频功率和直流偏压，在塑料瓶体内部产生高密度等离子体，在塑料瓶内壁制得高质量阻隔薄膜。本明方法制得的阻隔薄膜同基体结合牢固，并良好的阻隔性能。本发明方法简单，所需装置造价低。

1、  高质量塑料瓶内壁阻隔薄膜的制备装置，它由带有金属塞的绝缘接头(1)、抽真空部件(2)、绝缘体(3)、上部真空罩(5)、下部真空罩(6)、导电进气管(7)和偏压/高频复合等离子体电源(8)组成；其特征在于带有金属塞的绝缘接头(1)安装在抽真空部件(2)上端面并采用螺纹连接同时用O型圈密封，抽真空部件(2)与上部真空罩(5)通过绝缘体(3)螺纹连接同时用O型圈密封，下部真空罩(6)靠气动方式压在上部真空罩(5)上并用O型圈密封，抽真空部件(2)、绝缘体(3)、上部真空罩(5)和下部真空罩(6)之间形成真空室(9)，导电进气管(7)由带有金属塞的绝缘接头(1)伸入真空室(9)内且底端位于上部真空罩(5)的下部，偏压/高频复合等离子体电源(8)的功率输出端接上部真空罩(5)和下部真空罩(6)，接地端接导电进气管(7)和抽真空部件(2)。

2、  采用权利要求1所述装置制备高质量塑料瓶内壁阻隔薄膜方法，其特征在于高质量塑料瓶内壁阻隔薄膜的制备方法按以下步骤实现：一、将塑料瓶(4)放入真空室(9)中，塑料瓶(4)同真空室(9)同轴放置，利用真空泵由抽真空部分对真空室(9)抽真空，抽至气压为3～5Pa后，经导电进气管(7)向塑料瓶(4)内部通入15～55Pa的反应气体；二、开通偏压/高频复合等离子体电源(8)，功率输出端接上部真空罩(5)和下部真空罩(6)，接地端接导电进气管(7)和抽真空部件(2)，调节偏压/高频复合等离子体电源(8)的射频功率为50～300W、直流偏压为-100～+100V，输出在直流电位振荡的高频电压会产生高密度等离子体，对薄膜进行沉积10～300s，即在塑料瓶内壁制得高质量阻隔薄膜。

3、  根据权利要求2所述的一种高质量塑料瓶内壁阻隔薄膜的制备方法，其特征在于步骤一中反应气体为乙炔和氩气的混合气体、甲烷和氩气的混合气体、甲苯和氩气的混合气体、六甲基硅氧烷和氧气的混合气体、硅烷和氧气的混合气体、乙炔、甲烷或甲苯。

4、  根据权利要求3所述的一种高质量塑料瓶内壁阻隔薄膜的制备方法，其特征在于乙炔和氩气是按10∶1～1∶1的体积比混合、甲烷和氩气是按10∶1～1∶1的体积比混合、甲苯和氩气是按10∶1～1∶1的体积比混合、六甲基硅氧烷和氧气是按1∶1～1∶5的体积比混合、硅烷和氧气是按1∶1～1∶5的体积比混合。

5、  根据权利要求2或3所述的一种高质量塑料瓶内壁阻隔薄膜的制备方法，其特征在于步骤一中抽至气压为4Pa后，经进气管向塑料瓶内部通入35Pa的反应气体。

6、  根据权利要求5所述的一种高质量塑料瓶内壁阻隔薄膜的制备方法，其特征在于步骤二中调节偏压/高频复合等离子体电源的射频功率为200W。

7、  根据权利要求2、3或6所述的一种高质量塑料瓶内壁阻隔薄膜的制备方法，其特征在于步骤二中直流偏压为50V。

8、  根据权利要求7所述的一种高质量塑料瓶内壁阻隔薄膜的制备方法，其特征在于步骤二中沉积时间为60s。

一种高质量塑料瓶内壁阻隔薄膜的制备装置及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种塑料瓶内壁阻隔薄膜的制备装置及其制备方法。
背景技术
随着人民生活水平的不断提高，对于新型的食品、饮料及药品包装容器提出了更高、更新的要求。聚合物(塑料)容器目前在食品饮料工业中占很大比重，而且随着时间的推移在食品饮料工业所占份额越来越大。塑料容器重量轻，价格低，不易碎，透明而且加工容易。但是目前技术制备的阻隔薄膜同塑料瓶内壁表面存在结合不牢固、阻隔性能差及制备装置昂贵的问题，限制了在一些高级的气体敏感性产品包装上的使用。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术制备的阻隔薄膜同塑料瓶内壁表面存在结合不牢固、阻隔性能差及制备装置昂贵的问题，提供了一种高质量塑料瓶内壁阻隔薄膜的制备装置及其制备方法。
高质量塑料瓶内壁阻隔薄膜的制备装置是由带有金属塞的绝缘接头、抽真空部件、绝缘体、上部真空罩、下部真空罩、导电进气管和偏压/高频复合等离子体电源组成；其中带有金属塞的绝缘接头安装在抽真空部件上端面并采用螺纹连接同时用O型圈密封，抽真空部件与上部真空罩通过绝缘体螺纹连接同时用O型圈密封，下部真空罩靠气动方式压在上部真空罩上并用O型圈密封，抽真空部件、绝缘体、上部真空罩和下部真空罩之间形成真空室，导电进气管由带有金属塞的绝缘接头伸入真空室内且底端位于上部真空罩的下部，偏压/高频复合等离子体电源的功率输出端接上部真空罩和下部真空罩，接地端接导电进气管和抽真空部件。
高质量塑料瓶内壁阻隔薄膜的制备方法按以下步骤实现：一、将塑料瓶放入真空室中，塑料瓶同真空室同轴放置，利用真空泵由抽真空部分对真空室抽真空，抽至气压为3～5Pa后，经导电进气管向塑料瓶内部通入15～55Pa的反应气体；二、开通偏压/高频复合等离子体电源，功率输出端接上部真空罩和下部真空罩，接地端接导电进气管和抽真空部件，调节偏压/高频复合等离子体电源的射频功率为50～300W、直流偏压为-100～+100V，输出在直流电位振荡的高频电压会产生高密度等离子体，对薄膜进行沉积10～300s，即在塑料瓶内壁制得高质量阻隔薄膜。
本发明制备塑料瓶内壁制得高质量阻隔薄膜时采用耦合直流偏压的调节方法，这样将改善沉积类金刚石薄膜的质量。
本发明对于原有的高频等离子体电源进行改进，将偏压同高频等离子体电源技术进行复合，结合内表面处理装置在塑料瓶内壁制备牢固结合的阻隔涂层，保证涂层功能的长期稳定性。在基值电压的作用下，离子或电子加速轰击沉积薄膜，从而提高薄膜同塑料瓶内表面的结合力，提高制备得到的气体阻隔类金刚石薄膜的质量。
本发明方法简单，所需装置造价低。
附图说明
图1为具体实施方式一高质量塑料瓶内壁阻隔薄膜的制备装置剖面图，图2为具体实施方式十七偏压复合后高质量阻隔薄膜、无偏压阻隔薄膜与PET基体进行的气体阻隔性能比较图，图3为具体实施方式十七偏压/高频复合等离子体电源与现有高频等离子体电源的输出波形的比较图。图4为具体实施方式十七制备高质量阻隔薄膜过程示意图。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。
具体实施方式一：结合图1说明本实施方式高质量塑料瓶内壁阻隔薄膜的制备装置它是由带有金属塞的绝缘接头1、抽真空部件2、绝缘体3、上部真空罩5、下部真空罩6、导电进气管7和偏压/高频复合等离子体电源8组成；其中带有金属塞的绝缘接头1安装在抽真空部件2上端面并采用螺纹连接同时用O型圈密封，抽真空部件2与上部真空罩5通过绝缘体3螺纹连接同时用O型圈密封，下部真空罩6靠气动方式压在上部真空罩5上并用O型圈密封，抽真空部件2、绝缘体3、上部真空罩5和下部真空罩6之间形成真空室9，导电进气管7由带有金属塞的绝缘接头1伸入真空室9内且底端位于上部真空罩5的下部，偏压/高频复合等离子体电源8的功率输出端接上部真空罩5和下部真空罩6，接地端接导电进气管7和抽真空部件2。
具体实施方式二：采用图1的装置制备高质量塑料瓶内壁阻隔薄膜的方法按以下步骤实现：一、将塑料瓶4放入真空室9中，塑料瓶4同真空室9同轴放置，利用真空泵由抽真空部分对真空室9抽真空，抽至气压为3～5Pa后，经导电进气管7向塑料瓶4内部通入15～55Pa的反应气体；二、开通偏压/高频复合等离子体电源8，功率输出端接上部真空罩5和下部真空罩6，接地端接导电进气管7和抽真空部件2，调节偏压/高频复合等离子体电源8的射频功率为50～300W、直流偏压为-100～+100V，输出在直流电位振荡的高频电压会产生高密度等离子体，对薄膜进行沉积10～300s，即在塑料瓶内壁制得高质量阻隔薄膜。
本实施方式中所使用的材料均为市场所售。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式二的不同点是步骤一中反应气体为乙炔和氩气的混合气体、甲烷和氩气的混合气体、甲苯和氩气的混合气体、六甲基硅氧烷和氧气的混合气体、硅烷和氧气的混合气体、乙炔、甲烷或甲苯。其它步骤及参数与具体实施方式二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式三的不同点是乙炔和氩气是按10∶1～1∶1的体积比混合、甲烷和氩气是按10∶1～1∶1的体积比混合、甲苯和氩气是按10∶1～1∶1的体积比混合、六甲基硅氧烷和氧气是按1∶1～1∶5的体积比混合、硅烷和氧气是按1∶1～1∶5的体积比混合。其它步骤及参数与具体实施方式三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式三的不同点是乙炔和氩气是按5∶1的体积比混合、甲烷和氩气是按5∶1的体积比混合、甲苯和氩气是按5∶1的体积比混合、六甲基硅氧烷和氧气是按1∶2的体积比混合、硅烷和氧气是按1∶2的体积比混合。其它步骤及参数与具体实施方式三相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式二或三的不同点是步骤一中抽至气压为4Pa后，经进气管向塑料瓶内部通入35Pa的反应气体。其它步骤及参数与具体实施方式二或三相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式二或三的不同点是步骤一中抽至气压为4Pa后，经进气管向塑料瓶内部通入40Pa的反应气体。其它步骤及参数与具体实施方式二或三相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式六的不同点是步骤二中调节偏压/高频复合等离子体电源的射频功率为150～250W。其它步骤及参数与具体实施方式六相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式六的不同点是步骤二中调节偏压/高频复合等离子体电源的射频功率为200W。其它步骤及参数与具体实施方式六相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式二、三、八或九的不同点是直流偏压为-80～+80V。其它步骤及参数与具体实施方式二、三、八或九相同。
具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式二、三、八或九的不同点是直流偏压为50V。其它步骤及参数与具体实施方式二、三、八或九相同。
具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式二、三、八或九的不同点是直流偏压为0V。其它步骤及参数与具体实施方式二、三、八或九相同。
具体实施方式十三：本实施方式与具体实施方式十一的不同点是步骤二中沉积时间为20～280s。其它步骤及参数与具体实施方式十一相同。
具体实施方式十四：本实施方式与具体实施方式十一的不同点是步骤二中沉积时间为60s。其它步骤及参数与具体实施方式十一相同。
具体实施方式十五：本实施方式与具体实施方式十一的不同点是步骤二中沉积时间为120s。其它步骤及参数与具体实施方式十一相同。
具体实施方式十六：本实施方式与具体实施方式十一的不同点是步骤二中沉积时间为200s。其它步骤及参数与具体实施方式十一相同。
具体实施方式十七：结合图4进行说明，本实施方式在塑料瓶内壁制备高质量阻隔薄膜的方法按以下步骤实现：一、将塑料瓶4放入真空室9中，塑料瓶4同真空室9同轴放置，利用真空泵由抽真空部分对真空室9抽真空，抽至气压为3～5Pa后，经导电进气管7向塑料瓶4内部通入40Pa的反应气体；二、开通偏压/高频复合等离子体电源8，功率输出端接上部真空罩5和下部真空罩6，接地端接导电进气管7和抽真空部件2，调节偏压/高频复合等离子体电源8的射频功率为200W、直流偏压为50V，输出在直流电位振荡的高频电压会产生高密度等离子体，对薄膜进行沉积120s，即在塑料瓶内壁制得高质量阻隔薄膜；其中步骤一中反应气体为按5∶1的体积比混合的乙炔和氩气气体。
本实施方式在塑料瓶内壁制得高质量阻隔薄膜经过3000次180°机械弯折后，薄膜的膜层无开裂现象，可以看出没有偏压存在的情况下样品表面膜层裂纹密度较大。而通过适当的偏压复合，可以有效地抑制裂纹的产生。将通过偏压复合后高质量阻隔薄膜、无偏压阻隔薄膜与PET基体进行的气体阻隔性能作比较，比较结果如图2所示，从图2中可以看出偏压复合后高质量阻隔薄膜均优于无偏压阻隔薄膜和基体的气体阻隔性能。
采用本实施方式所使用的偏压/高频复合等离子体电源与现有高频等离子体电源的输出波形的比较如图3所示，其中“——”代表单一的高频等离子体电源输出波形，“------”代表偏压和高频等离子体电源复合以后的输出波形。从图3中可以看出通过直流偏压的复合，可以使原来单一的射频输出电压波形整体下移，电压幅值变大，增大负向偏压。
具体实施方式十八：本实施方式在塑料瓶内壁制备高质量阻隔薄膜的方法按以下步骤实现：一、将塑料瓶放入真空室中，塑料瓶同真空室同轴放置，利用真空泵由抽真空部分对真空室抽真空，抽至气压为4Pa后，经进气管向塑料瓶内部通入35Pa的反应气体；二、开通偏压/高频复合等离子体电源，功率输出端接上部真空罩和下部真空罩，接地端接导电进气管和抽真空部分，调节偏压/高频复合等离子体电源输出频率为250W、直流电压为100V，对薄膜进行沉积150s，即在塑料瓶内壁制得高质量阻隔薄膜；其中步骤一中反应气体为按2∶1的体积比混合的六甲基硅氧烷和氧气气体。