用于在共用等离子涂覆区沉积多种涂覆材料的装置与方法

专利名称：用于在共用等离子涂覆区沉积多种涂覆材料的装置与方法
技术领域：
本发明主要涉及用于涂覆基材的系统。更具体而言，本发明涉及 等离子涂覆系统及方法，由此使药剂的导入得以控制来增强形成在基 材上的涂层。
2.
背景技术：
通常，等离子涂覆系统(本发明可应用的)包括顺序相连的各个 站或区域，并且基材连续移动通过所述站或区域。这些区域可以包括 送入锁定件、加热区、 一个或多个涂覆区和送出锁定件。在涂覆区(或 多个涂覆区)中是一个或多个等离子源，比如膨胀热等离子(ETP) 源，以及用于注射涂覆剂的相关装置。在涂覆操作期间，基材被移动 通过等离子源(或多个等离子体源)，涂覆剂(或多种涂覆剂)被注射 到从等离子源射出的等离子射流中。随着基材移动穿过最终形成的等 离子巻流，涂层就沉积在基材的表面上。
这样的现有工艺系统不适用于在基材的单个侧面上同时涂覆多个 涂覆子层。如果要涂覆多个涂覆子层，就要使以前涂覆过的基材穿过 附加的涂覆区，在附加的涂覆区涂覆附加的的涂覆子层。

发明内容
总体来讲，本发明涉及通过将不同的试剂成分注射到从各个等离 子源射出的等离子射流的上游侧和下游侧的每一側来同时、双重应用等离子源的装置和方法。可替换地，供给到所述射流两侧的试剂成分 是相同的，但是流向上游侧和下游侧的流量是不同的。不同的上游和 下游试剂"配方"可以反映在基材上的复合涂层中，或者是材料的混合 物中或者是在两种材料之间的分级中，这取决于注射参数和试剂在沉 积到基材上之前穿透到等离子射流中所需的时间。
总体来讲，依据本发明的装置是用于涂覆基材的串连、连续等离 子涂覆系统。在这种系统中， 一系列的基材按顺序(单件)连续穿过 涂覆区。等离子涂覆系统可包括一个等离子源或一排等离子源(等离 子阵列)。该系统还包括从等离子源上游的位置将第 一涂覆剂注射到由 等离子源射出的等离子射流中的装置，以及从等离子源下游的位置将 第二涂覆剂注射到等离子射流中的装置。用于注射试剂的装置可包括 在本领域已知的歧管、单独的喷射器或嘴口。在注射期间控制器调节 涂覆剂的流动。第二组用于注射试剂的装置还可以使用并控制涂层沉 积在基材的第二侧面或相对的表面上。
更多的特征和优点将会从下述说明和权利要求中变得显而易见。


图l是依据本发明原理涂覆基材的系统的示意性平面图2是贯穿图1中系统的涂覆区的端视图的示意图3是图2中所见涂覆区并大致沿线3-3剖开的示意性侧视图4示出了带有可选择性地用作基材的相连空间填充板的基材前
进通过图1中的系统；
图5A描绘了一对喷射器，用于涂覆依据本发明的一个实施方式
的基材；
图5B描绘了以图5A中所示喷射器制造基材上的混合涂层； 图6A描绘了一对喷射器，用于涂覆依据本发明的另一个实施方 式的基材；
图6B描绘了以图6A中所示喷射器制造基材上的多层涂层。
具体实施例方式
现在参考附图，在图1中示意性示出了依据本发明原理的基材涂
覆系统10。基材涂覆系统10优选地用于在制作塑性玻璃板中涂覆多个基材20。本领域的技术人员将认识到，所形成的塑性玻璃板可用于对透光度有要求的多种应用中，包括但不局限于，计算机显示器或监视器、用于手持装备(如手机、MP3播放器等)的显示器、透镜、汽车部件(包括车窗、天窗和照明灯)、摩托车风挡、头盔护目镜，以及非车用窗户，如用于船舶、火车、飞机及建筑物。基材20(示出了两个基材)；陂连续移动通过系统10，该系统10包括各个站或区域。这样的区域可包括送入锁定件12、基材加热区14、 一个或多个基材涂覆区16和送出锁定件18,它们都顺次连接并且处于气密状态。所述各种区域可以通过一个或多个真空泵(未示出)抽成真空从而保持对涂覆操作有益的合适真空压力。
本领域的技术人员将理解，基材本身可以由各种不同的材料形成。在示例性实施方式中，基材20由热塑性材料制成。这样的材料包括但不局限于聚乙烯醇、聚乙烯醇缩醛、聚乙酸乙烯酯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚酰胺、聚酰亚胺和聚氯乙烯。其它合适的用于基材20的材料包括聚碳酸酯树脂、聚酯碳酸酯、丙烯酸类聚合物、聚酯、聚氨基曱酸酯类及类似物。可用来制作基材20的更多材料示例包括陶瓷、玻璃、金属或半导体。基材20可依据材料的构造通过不同的技术形成。这些技术包括但不局限于注射成形、冷成型、真空成型、挤压、吹塑成型、传递模塑、压力成形以及热成形。 一旦形成，基材20在形状上可以是弯曲的或平坦的，在性质上可以是刚性的或柔性的。
在应用系统10时，基材20被放置在基材承载件24上，其可以是架子、悬吊工具或其它装置。这样的装置在工业中是已知的，因此就不在此进一步说明。基材承载件24进入送入锁定件12，然后在送入锁定件12内或在送入锁定件12之前，与传送器接合， 一般以箭头25指示，将承载件24和基材20传输通过涂覆系统10。显然，任何适于传输承栽件24和基材20通过涂覆系统10的装置都可以使用。一旦传输到基材加热区14内，基材20就被加热到适于涂覆基材20的温度。为达此目的，基材加热区14包括加热单元26，图中示出了两个。加热单元26定位在基材加热区14的内部或外部，位于侧壁或沿着侧壁，或者定位在系统10的整体设计指定的位置。各种类型的加热单元26都可使用，包括但不局限于红外线加热器、电阻加热器、非活性等离子流及类似装置。
在穿越通过基材加热区14后，基材承载件24进入基材涂覆区16,在所述基材涂覆区16处涂层被沉积在基材20上。 一旦基材20已被涂覆，它们接着被传输到送出锁定件18，基材20在所述锁定件18从涂覆系统10中释放。
本发明可以使用各种涂覆方法和步骤，如图所示，基材涂覆区16包括一个或多个等离子阵列28，如膨胀热等离子(ETP)源阵列。等离子阵列28可在涂覆区16内彼此相对地成对布置。每个等离子源38，如图3所示，可安装在其自身的出口上，或者等离子阵列28可安装到歧管30，歧管30位于基材涂覆区16的侧壁上。
每个阵列28优选地被供给惰性气体，该惰性气体被加热的、部分电离的然后从阵列28射出成为一连串的等离子射流32。这在图1中基本上显示为来自相对的阵列28、进入基材涂覆区16的复合等离子射流。可与涂覆系统10应用的惰性气体的示例包括但不局限于氩、氦、氖等。
第一涂覆剂和第二涂覆剂(它们之一可以是氧化气体)，分别从试剂注射歧管段34、 36注射。以汽化形式在控制的速度下注射的涂覆剂分散到等离子射流32中，该射流32在基材涂覆区16中膨胀并且其被导向输送穿过其间的基材20。涂覆剂的示例包括但不局限于有机硅，比如十甲基环五硅氧烷(D5)、乙烯基三甲基硅烷(VTMS)、 二甲基二甲氧基硅烷(DMDMS)、八曱基环四硅氧烷(D4)、四甲基二硅氧烷(TMDSO)、四甲基四乙烯基环丁硅氧烷(V-D4)、六甲基二硅氧烷(HMDSO)及类似物。氧化气体的示例包括但不局限于氧气和一氧化二氮，或任何它们的组合物。现在参考图2和图3，系统10的各种构造都涉及当基材20前进穿过涂覆区16时在其一个或两个侧面上沉积多种活化试剂或者在某些实施方式中沉积单一试剂。基材20被加热单元26加热以确保基材20在进入涂覆区16之前处于适合的温度。如果需要，在涂覆区16自身内可以使用附加的加热器以弥补从加热器14输送到涂覆区16过程中的任何热损失。
涂覆区16为真空腔室并且包括一个或多个等离子源38 (作为非限定性示例示出了6个)，其位于涂覆区16的一个或两个侧面上。歧管段34、 36可进一步描述成上游歧管段134、 136或下游歧管段234、236并且每个上游段134、 136与下游段234、 236配对。在此所用的术语上游和下游是参考歧管段相对于等离子源38的位置并且在基材20的移动方向上(由箭头40所指，见图3)。每个歧管段34、 36与等离子源38中的一个或多个相关。这样，图3所示的涂覆区16的一个或两个側面上设有上游歧管段134、 136与下游歧管段234、 236。在所示实施方式中，涂覆区的每个侧面包括六个上游和六个下游歧管段，然而每个侧面可包括更多或更少数目的歧管段。将歧管分段能够根据所期望的方案实现单独的流动转换。通过涂覆区16的各个歧管段34、36彼此独立地注射涂覆剂。
如图3所示，前进的基材20的前缘42首先通过上游歧管段134、136，然后是等离子阵列28及其各自的等离子源38，最后是下游歧管段234、 236。因此，后缘44是基材20通过下游歧管段234、 236的最后部分。
当连续的基材20之间存在间隙或空间时，系统IO会包括使得在涂覆区16的真空腔室壁上沉积的外来涂覆材料最小化的结构。在某些实施方式中，如图4所示，该结构可以是空间填充板46，其通过一组突片48连接到承载件24和/或传送器25,与基材20间距很小，从而其成为基材20边缘的实际延伸。这样的空间填充板46在图4中大致示出。
在另外的实施方式中，如图5A和6A所示，不是使用歧管段来涂覆基材20，而是一个或多个上游试剂喷射器144、 146和一个或多个下游试剂喷射器244、 246可与每个等离子源38相连，从而将涂层沉积在基材20上。对于各种不同的歧管，汽化的试剂流向各种喷射器的控制是采用与上述相同的方式完成的。
上面的实施方式在下文中描述为被用于在单个涂覆区16中的基材上创建混合涂层或分级涂层。虽然任何所述实施方式都可用于制造这些涂层，本发明的说明书将仅描述与图5A和6A相关的过程，可以理解，可以替换地使用在以前的附图中所见的歧管段134、 136。
为方便起见，使用两个时间特征来描述与等离子射流32有关的涂覆过程a)横向混合时间/,和b)传递时间/,。冲黄向混合时间/,是试剂需要完全穿透等离子射流32所需时间长度的特征。传递时间,,是等离子射流(带有试剂(或多种试剂))从喷射器平面(由喷射器49限定的平面)横向穿越到达基材20，沿等离子射流32的路径测量的距离所需时间长度的特征。
如果希望将两种功能性涂覆材料(例如， 一种用于UV阻挡而一种用于抗磨损)混合，那么各自材料的试剂被分别各自独立地供给到上游和下游喷射器144、 244。选择喷射器144、 244的参数(如位置、数量、分布、取向及尺寸)以及其它的工艺参数以便相对于带有试剂的射流32到达基材的传递时间增强试剂朝向各等离子源38的等离子射流32的轴线50的快速穿透。也就是说，选择喷射器144、 244的参数以及其它的工艺参数以使随着上游试剂和下游试剂被供给到各个喷射器144、 244，试剂在等离子射流32内混合，从而生成混合涂层52，该涂层52具有反映上游和下游所提供的试剂结合涂覆作用的基本均匀的层。根据所用的特定试剂，当混合时单独的涂覆材料的功能可能或者可能不被保持。这样的涂层可以通过如图5A中所示喷射器144、 244的布置来制备，其中喷射器144、 244的尖端插入等离子射流32中或者在其附近。
另一方面，如果需要从一种功能的涂层材料向另外一种功能的涂层材料转变，那么可将各材料的试剂再次分别独立地供给到上游和下游歧管之一。然而，喷射器144、 244的参数以及其它的工艺参数的选
子射流32的慢速穿透。也就是说，通过射流32的上游和下游两半部进行沉积的涂层子层将趋于反映经由上游和下游喷射器144、244供给的各自试剂。在扫描或移动通过射流32的基材上所形成的复合涂层54将反映从上游试剂形成的涂层子层到下游试剂形成的涂层子层的转变。这种多层涂层54可以通过如图6A所示的喷射器144、244的布置来制备，其中喷射器的尖端离开，而不是插入等离子射流32。也就是说，选择上游和下游喷射器144、 244的参数以及其它的工艺参数以增加等离子射流32内上游试剂与下游试剂的不完全混合与分离。多层涂层54 (图6B)具有两个子层56、 58和介于其间的过渡区60。子层56最靠近而子层58最远离基材20，这分别反映出上游试剂与下游试剂的单个涂覆作用的主导地位。
图6A所示的布置能够用于制造各种类型的多层涂层54。在某些实施方式中，上游和下游喷射器144、 244可分享同一试剂源，但是上游和下游喷射器的流量可以不同。例如， 一组喷射器可以一个流量供给D4而另外一组喷射器可以另一流量供给D4。在其它实施方式中，可从不同的试剂源62、64将不同的试剂供给到上游和下游喷射器144、244。
在特殊的实施方式中，抗磨涂层的第一和第二子层56、 58之间的转变可以是子层具有显著不平衡厚度的结果。例如，第一子层56的厚度可减小而第二子层58的厚度增加，这样可以提高抗磨性而不损害水浸润性能，并且不降低通过系统10的生产能力。
在另一实施方式中，上游喷射器144被用来沉积作为第一子层56的界面层IL以确保后续的抗磨层(第二子层58)对某些基材20 (例如，聚碳酸酯基材)的粘接。在一种情况中，所述界面层IL由相同的作为抗磨层的有机硅试剂形成，但是与其相结合的氧化剂流却相当慢或没有。
在另一实施方式中，上游喷射器144被用来沉积IL第一子层56，
ii但是试剂与用于第二子层58的抗磨层不同。在这种情况下，分开的试 剂源62、 64被用于上游和下游喷射器144、 244。
在另外的实施方式中，喷射器144、 244中的一个被用于沉积UV 阻挡子层(例如TiOj。特别是，上游和下游喷射器144、 244分别沉 积IL和UV层。然后，可以使用附加的涂覆区16来沉积抗磨层，作 为一个层或两个子层。可替换地，在第一涂覆区16内的上游和下游喷 射器144、 244沉积UV层作为第一子层56并将抗磨层作为第二子层 58，然后使用第二涂覆区16来完成形成穿过更多子层的抗磨层的沉 积。
在又一实施方式中，上游喷射器144沉积抗磨层的子层，而下游 喷射器244沉积该子层的改进形式，其适于提供想要的表面性质，如 疏水性或自清洁性能，而同时保持抗磨性。
在任何一个实施方式中，通过使用图5A中所示喷射器144、 244 的布置，涂层可被制备成混合型的而不是分级的子层。另外，可以将 多于一种的试剂供给到每个喷射器144、 244。另一组一个或多个喷射 器可与每个等离子源38相连。这些另外的喷射器可接收不同于供给到 喷射器144、 244的试剂的另一试剂。可替换地，附加的喷射器可接收 与供给到一个或两个喷射器144、 244相同的试剂。
如图5A和6A中所见，系统10进一步包括控制器66,其引导上 游和下游喷射器144、 244，从而喷射器可以彼此独立地操作。试剂源 62、 64以汽化形式供给涂覆剂，这样可应用加压涂覆剂贮存器和质量 流量控制器。控制器66通过质量流量控制器调节涂覆剂向各个喷射器 的液流。
本领域技术人员会很容易理解，上述描述是作为本发明原理的实 施方式的举例说明。该说明不是限制本发明的范围或应用，因为在不
改、变化和改变。
权利要求
1.一种用于涂覆基材的装置，所述基材沿着行进路径移动穿过所述装置，所述装置包括至少一个等离子源，其构造用于在所述基材沿所述路径移动时向所述基材射出等离子射流；第一试剂源；至少一个上游排出嘴口，其相对于所述基材的所述行进路径位于所述等离子源的上游，所述第一试剂源与所述上游排出嘴口联接，所述上游排出嘴口被定位成从所述第一试剂源将所述第一试剂喷射到从所述等离子源射出的等离子射流中；第二试剂源；至少一个下游排出嘴口，其相对于所述基材的所述行进路径位于所述等离子源的下游，所述第二试剂源与所述下游排出嘴口联接，所述下游排出嘴口被定位成从所述第二试剂源将所述第二试剂喷射到从所述等离子源射出的等离子射流中；和控制器，其构造用于根据第一组参数调节所述第一试剂向所述上游排出嘴口的流动，所述控制器被构造用于根据第二组参数调节所述第二试剂向下游排出嘴口的流动，从而所述第一试剂和所述第二试剂被涂施在所述基材上以在所述基材上形成涂层的至少一个层。
2. 如权利要求l所述的装置，其特征在于，所述第一试剂源和所 述第二试剂源是相同的，所述第一组参数和所述第二组参数是不同的。
3. 如权利要求l所述的装置，其特征在于，所述第一试剂源和所 述第二试剂源彼此不同。
4. 如权利要求l所述的装置，其特征在于，所述第一试剂源和所 述第二试剂源在所述等离子射流中混合以在所述基材上形成混合涂 层。
5. 如权利要求l所述的装置，其特征在于，所述第一试剂和所迷 第二试剂被涂施在所述基材上以形成所述涂层的至少两个子层，每个所述子层与所述上游试剂源和所述下游试剂源之一的作用相关联。
6. 如权利要求l所述装置，其特征在于，所述上游排出嘴口和所 述下游排出嘴口分别与上游歧管和下游歧管相联。
7. 如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述上游歧管和所述 下游歧管分别包括多个上游嘴口和下游嘴口 。
8. 如权利要求l所述的装置，其特征在于，所述上游排出嘴口和 所述下游排出嘴口分别与上游喷射器和下游喷射器相联。
9. 如权利要求l所述的装置，其特征在于，所述等离子源是等离子阵列的多个等离子源中的一个，所述上游排出嘴口和所述下游排出 嘴口与所述等离子阵列的每个所述等离子源相联。
10. 如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述上游排出嘴口 和所述下游排出嘴口中的至少 一个位于包括所述等离子射流的区域 内。
11. 如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述上游排出嘴口 和所述下游排出嘴口中的至少一个位于包括所述等离子射流的区域之 外。
12. —种涂覆基材的方法，所述方法包括以下步骤 沿穿过涂覆区的路径移动基材； 形成朝向所述基材的一个侧面引导的等离子射流；从所述等离子射流的上游位置将第 一试剂喷射到所述等离子射流中；从所述等离子射流的下游位置将第二试剂喷射到所述等离子射流 中；和根据第 一组参数调节所述第 一试剂的流动；根据第二组参数调节所述第二试剂的流动，从而所述第一试剂和所述第二试剂被涂施在所述基材上以在所述基材上形成涂层的至少一 个层。
13. 如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述喷射步骤喷射 相同的试剂，所述第二组参数与所述第一组参数不同。
14. 如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述喷射步骤喷射 不同的试剂作为第 一试剂和第二试剂。
15. 如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述调节步骤包括 控制与所述上游排出嘴口和所述下游排出嘴口联接的至少一个试剂源 的操作。
16. 如权利要求12所述的方法，进一步包括将所述第一试剂与所 述第二试剂在所述等离子射流中基本上混合以在所述基材上沉积混合涂层。
17. 如权利要求12所述的方法，进一步包括基本上使所述第一试 剂与所述第二试剂在所述等离子射流中不混合，从而在所述基材上沉 积主要由所述第一试剂形成的涂层的第一子层并且在所述基材上沉积 主要由所述第二试剂形成的涂层的第二子层。
18. 如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述第一试剂从所 述等离子射流的上游部分内的位置喷射。
19. 如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述第二试剂从所 述等离子射流的下游部分内的位置喷射。
20. 如权利要求12所述的方法，其特征在于，喷射的所述第一试 剂和所述第二试剂中的每一个在涂施在所述基材上之前仅部分地穿透 到所述等离子射流中。
21. 如权利要求12所述方法，其特征在于，喷射的所述第一试剂 和所述第二试剂中的每一个在涂施在所述基材上之前完全地穿透到所 述等离子射流中。
全文摘要
一种装置和方法，其用于涂覆沿行进路径穿过该装置移动的基材(20)。等离子源(30)射出等离子射流(32)，第一试剂从位于该射流上游位置的排出嘴口(144、146)注射到所述等离子射流(32)内。第二试剂从位于所述射流下游位置的排出嘴口(244、246)注射到所述射流内。控制器(166)被构造用于根据第一组参数调节第一试剂的流动并且根据第二组参数调节第二试剂的流动。结果，第一试剂和第二试剂被涂施在基材上，从而在基材上形成涂层的至少一个层。
文档编号C23C16/50GK101688306SQ200880022694
公开日2010年3月31日 申请日期2008年5月19日 优先权日2007年5月17日
发明者S·M·盖斯沃斯 申请人:埃克阿泰克有限责任公司