涂覆设备的制作方法

本发明涉及在连续制造过程中用于在玻璃制品，特别是玻璃容器诸如瓶子和罐子上沉积涂层的方法和设备。

在许多情况下，在玻璃容器上沉积涂层是期望的或方便的。例如，在制造玻璃瓶子的过程中，常在所谓的工艺“热端”(即当新近浇注的瓶子仍然保持大量的热量时)将氧化锡涂层施加到瓶子。这种涂层用于很多目的。

涂层在随后的工艺步骤中降低了“划伤”的程度(即具有不利美学效果的可见表面损伤)。该涂层还为随后的聚合物涂层提供良好的粘附力，该聚合物涂层沉积在该工艺的“冷端”处用于额外的润滑。涂层也改善了瓶子的强度。

对于在玻璃制品上沉积涂层的任务，过去已经采用了许多方法。

wo2006/009872描述了通过直接注入化学气相沉积(cvd)进行的沉积，其中将cvd前体溶解在包含离子液体的溶剂中，然后将其注入具有逆流载气流的填充式蒸发器中。载气从溶剂中剥离前体，并将它们以气相输送到沉积室，在沉积室中通过常规cvd方法形成涂层。

最近，wo2013/163005描述了一种涂覆设备，其中将待沉积的化合物(金属氧化物)注入到在待涂覆制品上方被引导的空气流中。

通过cvd方法在平板玻璃上沉积涂层是众所周知的。方便地，这在浮法玻璃制造工艺期间完成，其中来自所述工艺的余热帮助前体的反应，所述前体被带到在浮法玻璃工艺期间生产的热玻璃带的表面。以这种方式在大气压力下在浮法玻璃上进行cvd(apcvd)。

可以将前体分别带到其反应位置，即每一前体通过其自己的专用导管被带到玻璃的表面，仅在到达玻璃表面附近时与其他前体混合，但是对于其中前体在传送到反应位点之前被混合的预混合“体系”，具有特定的优点(就装置的相对简单性而言)。

存在许多用于制品诸如瓶子的涂覆装置，其包括具有侧壁和顶部的涂覆通道，该通道方便地位于传送带，该传送带通过通道传送瓶子。

通道的侧壁包括孔，典型地是通过其输送涂覆材料(在载气中)的槽或喷嘴。排气孔也通常包括在内。

当瓶子通过通道输送时，它们通过槽，且涂覆材料被输送到瓶子的表面。

在一些情况下，制造商选择避免涂覆制品的特定区域。例如，在将涂层施加到用于啤酒或碳酸饮料的瓶子的情况下，制造商可以选择避免涂覆瓶子的唇缘，因为一些涂层可提供表面粗糙度或成核点，这当倾倒液体时引起不希望的泡腾。

ep0519597描述了上述类型的玻璃涂覆设备和方法。在这种情况下，非湍流的空气供应被引导向下穿过涂覆材料流，以防止在瓶子的顶部区域(特别是唇缘)中涂覆。

wo02066389描述了一种包括涂覆通道的瓶子涂覆装置，其中设置槽用于供给和排出气体混合物中的涂覆材料。在这种情况下，这些槽是水平的并且是间隔开的，使得在处理过程中仅涂覆对应于与邻接者接触的区域的瓶子带。

该专利还描述了通过施加第一涂层(例如氧化锡)和第二涂层(例如聚合物喷涂涂层)对瓶子进行双重涂覆，该第一涂层的沉积借助于从熔融状态(所谓的“热端”涂层)铸造之后瓶子中的余热，在生产过程中在瓶子已显著冷却(“冷端”涂层)的点施加该第二涂层。

在上述类型的连续式工艺涂覆机中出现的一个问题是，入口孔和流动路径的布置引起载气流中高度的涡旋和剪切。这进而导致不均匀的涂层，因为不稳定的射流有时短暂地轻弹过制品诸如瓶子，而在其他时间保持指向一个区域。

而且，对于三维物体如瓶子，从物体到涂覆槽(和排气口)的距离沿着物体的高度不是恒定的。例如，瓶子的本体表面比较狭窄的颈部的表面更靠近槽。在通过如wo02066389的设备生产时，这引起不均匀的涂层。

最后，这种类型的设备允许环境空气通过端部进入通道，并且这种空气包含一定水平的污染物，例如可影响涂覆过程的水分。如前所述，还可以通过用于净化瓶子的顶部区域的精整气流将水分引入到通道内部。

尽管这些现有技术的涂覆设备用于很多目的，其中涂层的均匀性、表面结构等可能不重要，但是常常出现涂层的新应用，其需要对厚度、均匀表面纹理和其他品质更好的控制。

申请人的共同未决申请pct/gb2014/053406描述了一种涂覆设备，其解决了上面强调的许多问题。然而，仍对这样的涂覆设备存在期望：其进一步改善效率、浪费的反应物和涂层品质。

根据本发明，用于涂覆三维玻璃制品的设备，包括：

具有顶部和第一与第二侧壁的通道，其适于布置在传送带上，使得传送带将制品从上游端运送到下游端，在所述上游端制品进入通道，在所述下游端制品离开所述通道，其特征在于：

布置在至少一个侧壁上的线性喷嘴阵列以输送气体射流，所述射流横穿(traverse)通过所述通道传送的制品的路径；

布置在侧壁上的至少一个排气孔，该排气孔比线性喷嘴阵列更靠近下游端，以及

用于将负压施加到排气孔的装置。

一个优选实施方案包括一对入口喷嘴阵列，在每个侧壁上布置有一个阵列，在通道中基本彼此相对。更优选的实施方案包括一对排气孔，在每个侧壁上布置有一个孔，在通道中基本彼此相对。

优选地，该对入口喷嘴阵列和该对排气孔之间的距离在500和1000mm之间。

进一步优选的实施方案包括阻尼板，该阻尼板可移动以改变排气孔的有效尺寸。

另一个优选实施方案包含至少一个反射板，该反射板布置成将从玻璃制品辐射的热引导到线性喷嘴阵列上。

在另一个优选实施方案中，排气孔由基本垂直的导管限定，所述导管包括壁和挡板，所述挡板从通道延伸并远离下游端延伸到导管的壁。

在另一个优选实施方案中，通道的横截面积是排气孔的横截面积的1.5至2.5倍。

在另一个优选实施方案中，流过通道的空气的动能密度比率是离开喷嘴的气体的动能密度比率的0.1至3倍。

在另一个优选实施方案中，至少一个喷嘴阵列被布置成使得离开喷嘴的气体的速度包括与通过通道传送的制品的总体方向基本平行的分量。

另一个优选实施方案包括至少一个喷嘴阵列，其位于离通道端部第一距离处，且至少一个喷嘴阵列位于距通道端部第二距离处。

另一个优选实施方案包括用于加热至少一个喷嘴阵列的装置。用于加热至少一个喷嘴阵列的装置可以包含外壳(所述阵列位于其中)以及用于加热外壳内部的装置。用于加热外壳内部的装置可以包含电加热元件。

现在将参照附图通过非限制性实例描述本发明，其中：

图1a-1d和2示出了本发明的第一优选实施方案；

图3示出了根据本发明涂覆的瓶子上的测量涂层厚度的位置；

图4是说明本发明第二优选实施方案的平面图，和

图5是进一步说明本发明的优选特征的另一平面图。

参考图1a-1d，根据本发明的用于涂覆玻璃制品的设备包括罩具11，该罩具11具有顶部12和侧壁13，其限定通道14，经过所述通道14通过传送带(未示出)传送待涂覆的制品。

提供至少一对入口喷嘴15的线性阵列，来自所述对的一个阵列15位于每个侧壁13上。优选地，所述对中的每个沿着制品的路径位于基本相同的距离处(即，它们基本彼此相对地定位)。(注意，在此实施方案中，虽然示出了一对喷嘴阵列，但是对于一些化学组成，单个阵列是足够的)。

进一步沿着制品的路径，设置至少一对排气孔16，所述对中一个的再次位于每个侧壁13上，并且优选基本彼此相对。

在操作期间，要被沉积的涂层的化学前体经由入口喷嘴15被引导至通道的内部，并且在玻璃制品的基本相同的方向(图2和图4中的23)沿通道行进。入口喷嘴15和排气孔16的这种布置提供了在穿过罩具的过程中制品对cvd反应物的更有效暴露。随着气态cvd反应物和瓶子以相同的方向经过通道，增强该暴露。入口喷嘴15和排气孔16之间的最小推荐距离根据所实施的特定化学组成而变化，并且范围从500mm到1000mm。

排气孔16的有效长度可以通过调节阻尼器19的高度来改变。阻尼器19包括布置成阻挡一部分槽形成排气孔的板。

cvd反应物可以经由加热的输送管线(未示出)传送到喷嘴15，以防止蒸气在进入罩具之前凝结。在一些情况下，液体的形成可以在喷嘴处发生，并且这里描述的罩具包括反射板20，其布置成将来自制品的热辐射引导到喷嘴上以便为其提供加热。

参照图2，以平面图示出排气装置。壁21a-21d限定基本箱形截面的导管，而挡板22限定具有壁21d的槽型孔16。考虑到通过通道的气体和制品的大体方向23，壁21a与通道的内部重合，并且壁21d在最上游。因此，挡板22布置成从通道的内部延伸以在挡板22和最上游的壁21d之间限定槽16。通过风扇(未示出)将负压施加到导管的顶部。

本发明人已经发现这种设置在从罩具中抽取排气方面特别有效。这种布置不仅抽取排气和任何过量的反应物，而且环境空气也如箭头24所示从通道的出口抽取。在箭头24的方向进入通道的这种空气提供了排气或多余的反应物的屏障，否则其可能会从装置泄漏到周围。

与由壁21a-21d和22限定的导管的横截面积相比，槽16的总面积应该小以确保均匀的流动。然而，面积越小，为了有效抽取就必须向导管施加越大的吸力，并且最终的设计选择代表了这两个相互矛盾的因素之间的折衷。发现通道横截面积与槽面积比在1.5和2.5之间效果良好(当比较槽的顶部和底部的流速时，1.6的面积比代表流速的约10％的变化)。

离开喷嘴15的cvd反应物的线速度是实现有效涂覆的重要因素。

制品以已知的速度(通常为0.3m/s至1.5m/s，或每分钟约90至700个制品)进入涂覆罩具。以类似于穿过通道的火车的动作的方式，制品的运动将气流拖过涂覆机。该气流也受到来自两个排气孔16的吸力的驱动。为了在制品上获得均匀的涂层，在一个实施方案中，优选地将涂覆前体的射流吹入流动路径中，在穿过罩具的过程中垂直于制品23的方向。射流必须具有足够的动量，以将涂覆气体的浓缩羽流引导到制品运动的中心线上。而如果将高度浓缩的涂覆气体羽流引导到涂覆罩具11的任一壁13，则该过程变得低效。

通过流体流动模型最佳地识别射流速度的选择，但是通过考虑流体“动能比”可以发现近似度量。沿着涂覆罩具移动的气体的流动具有由近似式k空气＝空气密度×涂覆机宽度×瓶子速度²给出的动能密度[单位j/m²]。注入的涂覆前体射流具有近似式k射流＝涂覆前体密度×喷嘴宽度×射流速度²的动能[单位j/m²]。

r＝0.5的动能密度比率r＝k空气/k射流是优选的，但是对于0.1<r<3已经观察到良好涂层。如果入口射流比由该比率给出的速度快，即比率r太小，则射流倾向于通过容器的路径，并浪费在相对的涂覆罩具壁上。如果入口射流慢于由该比率给出的射流，射流不会被抛出足够远，则前体浪费在邻接入口喷嘴的壁上。类似地，如果涂覆机罩具必须做得更宽，那么射流速度必须增加以使喷射足够远，因此射流速度将增加以保持目标动能比率。

从这个起点开始，在涂覆试验过程中调整入口射流的速度以便对于给定化学组成和瓶子速度给出可能最厚和最均匀分布的涂层。对于一特定的涂覆机尺寸和瓶子速度，发现8m/s的入口射流对于0.5m/s的传送带速度是足够的。

在用于生成以下数据的应用中，涂覆室宽165mm，高285mm，长1000mm。将涂覆室的尺寸选择为对玻璃制品提供足够的空间以移动通过而不会在入口处引起碰撞。如果该室太小，则传送带上的玻璃容纳器的错位会导致它们与涂覆罩具的入口碰撞。

在与玻璃制品的轮廓大致相同形状的涂覆罩具的入口处安装有护罩(未示出)。该护罩限制了由瓶子吸入涂覆罩具内的空气，从而在反应室内产生更高浓度的涂覆前体。将护罩设计成尽可能多地阻挡进入罩具起始处的空气，而不导致传送带上的玻璃容器的碰撞。

入口喷嘴位于入口下游至少100mm处，优选300mm处。如果喷嘴靠近入口，则由于涂覆羽流中偶然的向后行进漩涡，涂覆气体从到罩具的入口逸出。选择涂覆罩具的长度，使化学反应具有足够的时间和距离来完成。

为了涂覆玻璃瓶子，在一个实施方案中，选择入口喷嘴高度，使得仅在玻璃容器的跟部和肩部处引导涂覆气体，在一个示例应用中为总计180mm的高度。经验教导，具有100标准升每分钟(slm)的气化前体与载气的流速是商业上可行的。从该入口流量，并使用目标入口射流速度和总涂覆高度，计算入口喷嘴宽度为1mm宽。越薄的喷嘴越不期望，因为它们越变得倾向于堵塞。较宽的喷嘴需要使用更多的载气以达到所需的入口速度，这导致涂覆前体的稀释和因此降低的涂覆效率。如果可以提供更多的涂覆前体流，则将选择更宽的喷嘴来维持目标进口速度。

在一个实施方案中使用一对相对的垂直入口喷嘴，因为这有助于将涂覆羽流定位在涂覆罩具的中心线上。对于一些应用场合，仅在罩具的一侧上使用喷嘴可以提供足够好的涂层均匀性。

指定涂覆罩具末端的两个排气口以防止涂覆机末端的泄漏。排气槽上的负压由流体模拟确定。在目前的情况下，排气口具有12mm宽的流量限制体(restriction)，其在排气口的整个高度(285mm)上运行。发现在12mm流量限制体之后至少100pa的吸力对于防止气体从罩具的端部泄漏是必要的。

必须注意确保空气不能从传送带下面吸入涂覆罩具。传送带的边缘和涂覆罩具之间需要进行充分的密封。

使用图1a-1d、2中描述的涂覆机来生产具有二氧化硅和二氧化钛(氧化钛)涂层的一系列瓶子。

异丙氧基钛(iv)(ttip)作为钛源，二叔丁氧基二乙酰氧基硅烷(dbdas)用于硅。这些通过本领域已知类型的蒸发器输送到涂覆罩具。这基本包括加热的金属管，在该金属管内反应物掉入载气流中。使用以下参数范围成功沉积二氧化硅涂层：

dbdas输送速率：15-20cc/min

蒸发器温度：200℃

蒸发器载气：氮气，25slm

稀释气体(加入到载气流中)：氮气，40slm。

抽取压力(施加到排气孔16)-100pa

使用以下参数范围成功沉积氧化钛涂层：

ttip输送速度：15-32cc/min

蒸发器温度：165-200℃

蒸发器载气：氮气，25和30slm

稀释气体(加入载气流)：氮气，40和70slm。

抽取压力-100pa

选择两个样品瓶子用于涂层测量。这些涂层使用：

ttip输送速度：35cc/min

蒸发器温度：180℃

蒸发器载气：氮气，30slm

稀释气体(加入载气流)：氮气，70slm。

抽取压力-100pa

在首先用二氧化硅和随后用uv防护涂层如tio2或fe2o3涂覆的玻璃制品中，二氧化硅提供保护防止uv防护涂层免于从玻璃浸出的钠离子的损害。

参照图3，在瓶子的跟部24、本体25和肩部26处测量涂层厚度。两个样品的测量厚度示于表3中，其中每个位置的四个值(高度)代表围绕瓶子周围取得的四个测量值。

厚度以ctu(涂层厚度单位)给出，这是在玻璃工业中众所周知并经常用于定义涂层厚度的光学单位。这个单位基于对入射光反射的测量。

表3：在瓶子上在线沉积氧化钛之后测量的涂层厚度。

参考图4，在替代实施方案中，将入口喷嘴15布置为不垂直于穿过通道11的制品和气体的总体方向23，使得离开喷嘴的气体(涂覆前体和任何载气)的速度(通常由箭头26表示)包括与方向23平行的分量。

通俗地说，喷嘴15在某种程度上指向“下游”。这种布置降低了反应物或载气在离开喷嘴15时被吹到上游的可能性，并且在一些情况下离开通道的上游端。(在本说明书中，术语“上游”和“下游”是指通过通道11的制品和气体的方向23。通道的上游端24是制品进入的端部，下游端25是制品离开的端部)。

参考图5，本发明的另一个实施方案可以包括在侧壁13上的喷嘴15的第一线性阵列和位于第一喷嘴阵列下游的另外喷嘴阵列15b(即更靠近下游端)。另外的喷嘴阵列15b可以位于与第一喷嘴阵列相同的侧壁13上；它可以位于第一阵列15的相对侧壁13上，或者如图5所示，喷嘴可以成对设置，使得一对中的每个阵列15或15b以与通道端部基本相似的距离位于其它对阵列的相对侧壁上。

位于与距通道端部不同距离处的至少两个喷嘴阵列的使用允许涂层的两步沉积。例如，可以向喷嘴15和15b提供相同的涂覆前体以提供给定材料的较厚涂层，或者可以向喷嘴15和15b提供不同的涂覆前体以提供两个(或多个)不同材料的层。

根据本发明的设备还可以包括用于加热喷嘴阵列15的装置。在一个实施方案中，这种装置包括外壳27，其中喷嘴阵列沿着加热元件28设置，该加热元件28用于加热和控制外壳27的内部温度。外壳的温度应该足够低以防止涂覆前体的预反应，但足够高以防止喷嘴15上的不期望的凝结或其他沉淀。

加热元件28可以包括电驱动(电阻)加热元件，例如通常以带或板的形式实现。

外壳27可以通入通道，使得由待涂覆的制品所辐射的热可以有助于喷嘴15的加热。如前所述，反射板20可以用来增强这种加热效果。

为了清楚起见，仅示出了用于一个喷嘴阵列15的任选加热装置27,28和另外的任选反射器20，但是对于本领域技术人员清楚的是，这些特征可以单独地或者与任何或全部喷嘴阵列15结合地并入根据本发明的设备中。

另外，图5示出了与喷嘴15,15b结合的某些进一步的优选特征，所述喷嘴15,15b被布置成输送具有速度的前体，该速度基本垂直于通过通道传送的制品的总体方向。然而，这些特征也可以与喷嘴15,15b结合使用，其中至少一些布置成输送具有速度的前体，该速度具有基本平行于通过通道传送的制品的总体方向的分量。