EP1309737A1 - Plasma coating method - Google Patents
Plasma coating methodInfo
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- EP1309737A1 EP1309737A1 EP01958165A EP01958165A EP1309737A1 EP 1309737 A1 EP1309737 A1 EP 1309737A1 EP 01958165 A EP01958165 A EP 01958165A EP 01958165 A EP01958165 A EP 01958165A EP 1309737 A1 EP1309737 A1 EP 1309737A1
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Definitions
- the power of the electromagnetic field is kept substantially constant during the duration of the two stages; the pressure in the treatment zone during the second stage is lower than the pressure in the treatment zone during the first stage;
- the reaction fluid comprises a gaseous hydrocarbon compound
- the pressure outside does not drop below 0.05 to 0.1. bar, against a pressure of approximately 1 0 "4 bar inside. It can also be seen that the bottles, even with thin walls, can withstand this pressure difference without undergoing significant deformation. For this reason, provision is made to provide the cover with a controlled valve (not shown) capable of closing off the auxiliary termination.
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Abstract
The invention concerns in particular a method for using low pressure plasma to deposit a coating on an object to be treated, whereby the plasma is obtained by partially ionising, under the action of an electromagnetic field, a reaction fluid injected under low pressure into a treatment zone. The invention is characterised in that the method comprises at least two steps: a first step during which the reaction fluid is injected into the treatment zone at a first flow rate and under a given pressure, and a second step during which the same reaction fluid is injected into the treatment zone at a second flow rate lower than the first.
Description
Procédé de dépôt de revêtement par plasma, dispositif de mise en œuvre du procédé et revêtement obtenu par un tel procédé Plasma coating deposition method, device for implementing the method and coating obtained by such a method
L'invention concerne les procédés de dépôt de revêtements en couche mince mettant en œuvre un plasma à faible pression. Dans un tel procédé, un fluide réactionnel est injecté sous faible pression dans une zone de traitement. Ce fluide, lorsqu'il est porté aux pressions utilisées, est généralement gazeux. Dans la zone de traitement, un champ électromagnétique est instauré pour porter ce fluide à l'état de plasma c'est-à-dire pour en provoquer une ionisation au moins partielle. Les particules issues de ce mécanisme d'ionisation peuvent alors se déposer sur les parois de l'objet qui est placé dans la zone de traitement.The invention relates to methods for depositing thin layer coatings using low pressure plasma. In such a process, a reaction fluid is injected under low pressure into a treatment zone. This fluid, when brought to the pressures used, is generally gaseous. In the treatment zone, an electromagnetic field is established to bring this fluid to the plasma state, that is to say to cause at least partial ionization. The particles from this ionization mechanism can then be deposited on the walls of the object which is placed in the treatment area.
Les dépôts par plasmas à basse pression, aussi appelé plasmas f roids, permettent de déposer des couches minces sur des objets en matière plastique sensibles à la température tout en garantissant une bonne adhésion physico-chimique du revêtement déposé sur l'objet.Deposits by low pressure plasmas, also called cold plasmas, make it possible to deposit thin layers on plastic objects sensitive to temperature while guaranteeing good physicochemical adhesion of the coating deposited on the object.
Une telle technologie de dépôt est utilisée dans diverses applications. L'une de ces applications concerne le dépôt de revêtements fonctionnels sur des films ou des récipients, notamment dans le but de diminuer leur perméabilité aux gaz tels que l'oxygène et le dioxyde de carbone.Such deposition technology is used in various applications. One of these applications relates to the deposition of functional coatings on films or containers, in particular with the aim of reducing their permeability to gases such as oxygen and carbon dioxide.
Notamment, il est récemment apparu qu'une telle technologie pouvait être utilisée pour revêtir d'un matériau barrière les bouteilles en plastique destinées à conditionner des produits sensibles à l'oxygène, tels que la bière et les jus de f ruits, ou des produits carbonates tels que les sodas.In particular, it has recently become apparent that such technology could be used to coat plastic bottles intended for packaging oxygen-sensitive products, such as beer and fruit juices, or products with a barrier material. carbonates such as sodas.
Le document WO99/49991 décrit un dispositif et un procédé qui permet de recouvrir la face interne ou externe d'une bouteille en plastique avec en revêtement en carbone amorphe hautement hydrogéné en utilisant de l'acétylène comme fluide réactionnel . Le procédé qui est décrit dans ce document permet, en une seule étape, de former une couche de revêtement particulièrement efficace.Document WO99 / 49991 describes a device and a method which makes it possible to cover the internal or external face of a plastic bottle with a coating of highly hydrogenated amorphous carbon by using acetylene as reaction fluid. The process which is described in this document makes it possible, in a single step, to form a particularly effective coating layer.
L'invention a pour but de proposer un procédé perfectionné permettant d'obtenir des revêtements possédant des caractéristiques encore améliorées. Dans ce but, l'invention propose u n p rocédé mettant en oeuvre u n plasma à faible pression pou r déposer u n revêtement su r u n objet à traiter,
du type dans lequel le plasma est obtenu par ionisation partielle, sous l'action d'un champ électromagnétique, d'un fluide réactionnel injecté sous faible pression dans une zone de traitement, caractérisé en ce que le procédé comporte au moins deux étapes : - une première étape au cours de laquelle le fluide réactionnel est injecté dans la zone de traitement avec un premier débit et sous une pression donnée ; etThe object of the invention is to propose an improved process making it possible to obtain coatings having further improved characteristics. To this end, the invention proposes a process using a low pressure plasma to deposit a coating on the object to be treated, of the type in which the plasma is obtained by partial ionization, under the action of an electromagnetic field, of a reaction fluid injected under low pressure into a treatment zone, characterized in that the process comprises at least two steps: - a first step during which the reaction fluid is injected into the treatment zone with a first flow rate and under a given pressure; and
- une seconde étape au cours de laquelle le même fluide réactionnel est injecté dans la zone de traitement avec un second débit inférieur au premier débit.- a second step during which the same reaction fluid is injected into the treatment zone with a second flow rate less than the first flow rate.
Selon d'autres caractéristiques de l'invention :According to other characteristics of the invention:
- les étapes s'enchaînent en continu de telle sorte que, dans la zone de traitement, le fluide réactionnel demeure à l'état de plasma lors de la transition entre les deux étapes ; - le second débit est constant ;the steps are linked continuously so that, in the treatment zone, the reaction fluid remains in the plasma state during the transition between the two steps; - the second flow is constant;
- le second débit est variable ;- the second flow is variable;
- le second débit décroît au cours de la seconde étape ; la puissance du champ électromagnétique est maintenue sensiblement constante au cours de la durée des deux étapes ; - la pression dans la zone de traitement au cours de la seconde étape est inférieure à la pression dans la zone de traitement au cours de la première étape ;- the second flow decreases during the second step; the power of the electromagnetic field is kept substantially constant during the duration of the two stages; the pressure in the treatment zone during the second stage is lower than the pressure in the treatment zone during the first stage;
- le fluide réactionnel comporte un composé hydrocarboné gazeux ;- The reaction fluid comprises a gaseous hydrocarbon compound;
- le fluide réactionnel est de l'acétylène ; - la partie du revêtement qui est déposée au cours de la seconde étape présente une densité supérieure à celle de la partie du revêtement qui est déposée au cours de la première étape ;- The reaction fluid is acetylene; - The part of the coating which is deposited during the second stage has a density greater than that of the part of the coating which is deposited during the first stage;
- la partie du revêtement déposée au cours de la seconde étape présente une densité qui augmente depuis l'interface avec la partie déposée au cours de la première étape jusqu'à la surface du revêtement ;- The part of the coating deposited during the second step has a density which increases from the interface with the part deposited during the first step to the surface of the coating;
- lé revêtement déposé est constitué d'un matériau carbone amorphe hydrogéné ;- The coating deposited consists of a hydrogenated amorphous carbon material;
- la partie du revêtement déposée au cours de la seconde étape présente une proportion d'atomes de carbone hybrides sp3 qui est supérieure au voisinage de la surface du revêtement par rapport à la même
proportion mesurée au voisinage de l'interface avec la partie déposée au cours de la première étape ;- the part of the coating deposited during the second stage has a proportion of sp3 hybrid carbon atoms which is greater in the vicinity of the surface of the coating compared to the same proportion measured in the vicinity of the interface with the part deposited during the first step;
- le procédé est mis en œuvre pour déposer un revêtement barrière aux gaz sur un substrat en matière plastique ; - le substrat est un film ;- The method is implemented for depositing a gas barrier coating on a plastic substrate; - the substrate is a film;
- le substrat est un récipient ;- the substrate is a container;
- le revêtement est déposé sur la surface interne du récipient ; et- the coating is deposited on the internal surface of the container; and
- le revêtement conserve ses propriétés barrières lorsque le substrat subit un étirement bi-axial de l'ordre de 5%. L'invention concerne aussi un dispositif pour la mise en œuvre du procédé incorporant l'une quelconque des caractéristiques précédentes, du type comportant un dispositif d'alimentation en fluide réactionnel comprenant notamment une source de fluide réactionnel, une vanne de régulation de débit et un injecteur qui débouche dans la zone de traitement, caractérisé en ce que lors de la transition entre la première et la seconde étape, la vanne de régulation est commandée pour provoquer une baisse du débit de fluide réactionnel délivré dans la zone de traitement.- The coating retains its barrier properties when the substrate undergoes a bi-axial stretch of the order of 5%. The invention also relates to a device for implementing the method incorporating any of the preceding characteristics, of the type comprising a reaction fluid supply device comprising in particular a source of reaction fluid, a flow control valve and a injector which opens into the treatment zone, characterized in that during the transition between the first and the second stage, the control valve is controlled to cause a drop in the flow rate of reaction fluid delivered to the treatment zone.
Alternativement, le dispositif d'alimentation comporte, en aval de la vanne de régulation, un réservoir tampon apte à stocker du fluide réactionnel, et, lors de la transition entre la première et la seconde étape, la vanne de régulation est fermée, le réservoir tampon étant alors progressivement vidé du fluide réactionnel qu'il contient.Alternatively, the supply device comprises, downstream of the control valve, a buffer tank capable of storing reaction fluid, and, during the transition between the first and the second step, the control valve is closed, the tank buffer then gradually emptied of the reaction fluid it contains.
L'invention concerne encore un récipient en matière plastique, caractérisé en ce qu'il est pourvu sur au moins une de ses faces d'un revêtement déposé selon un procédé conforme à l'une quelconque des caractéristiques précédentes.The invention also relates to a plastic container, characterized in that it is provided on at least one of its faces with a coating deposited according to a process according to any one of the preceding characteristics.
L'invention concerne aussi un revêtement, caractérisé en ce qu'il est constitué d'un matériau carbone amorphe hydrogéné, et en ce que, au voisinage de la surface du revêtement, le revêtement présente une densité (et/ou une proportion d'atomes de carbone hybrides sp3) qui est supérieure à celle qu'il présente au voisinage de son interface avec le substrat.The invention also relates to a coating, characterized in that it consists of a hydrogenated amorphous carbon material, and in that, in the vicinity of the surface of the coating, the coating has a density (and / or a proportion of hybrid carbon atoms sp3) which is greater than that which it presents in the vicinity of its interface with the substrate.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention - apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit ainsi que dans les dessins annexés dans lesquels :
- les figures 1 et 2 sont des vues schématiques illustrant deux dispositifs permettant la mise en œuvre d'un procédé selon l'invention ;Other characteristics and advantages of the invention will appear on reading the detailed description which follows as well as in the appended drawings in which: - Figures 1 and 2 are schematic views illustrating two devices for implementing a method according to the invention;
- la figure 3 est un graphe schématique illustrant un exemple d'évolution de certains paramètres lors du déroulement d'un procédé selon l'invention.- Figure 3 is a schematic graph illustrating an example of evolution of certain parameters during the course of a method according to the invention.
On a illustré sur les figures 1 et 2 des vues schématiques en coupe axiale de deux exemples de réalisation d'un poste de traitement 1 0 permettant la mise en œuvre d'un procédé conforme aux enseignements de l'invention. L'invention sera ici décrite dans le cadre du traitement de récipients en matière plastique. Plus précisément, on décrira un procédé et un dispositif permettant de déposer un revêtement barrière sur la face interne d'une bouteille en matériau plastique.Illustrated in Figures 1 and 2 schematic views in axial section of two embodiments of a treatment station 1 0 allowing the implementation of a method according to the teachings of the invention. The invention will be described here in the context of the treatment of plastic containers. More specifically, a method and a device will be described making it possible to deposit a barrier coating on the internal face of a plastic bottle.
Dans les deux cas, le poste 1 0 peut par exemple fai re partie d'une machine rotative comportant un carrousel animé d'un mouvement continu de rotation autour d'un axe vertical.In both cases, the station 1 0 can for example be part of a rotary machine comprising a carousel driven by a continuous movement of rotation about a vertical axis.
Le poste de traitement 1 0 comporte une enceinte externe 1 4 qui est réalisée en matériau conducteur de l'électricité, par exemple en métal, et qui est formée d'une paroi cylindrique tubulaire 1 8 d'axe A1 vertical . L'enceinte 1 4 est fermée à son extrémité inférieure par une paroi inférieure de fond 20.The treatment station 1 0 comprises an external enclosure 1 4 which is made of electrically conductive material, for example metal, and which is formed of a tubular cylindrical wall 1 8 of axis A1 vertical. The enclosure 1 4 is closed at its lower end by a bottom bottom wall 20.
A l'extérieur de l'enceinte 1 4, fixé à celle-ci, on trouve un boîtier 22 qui comporte des moyens (non représentés) pour créer à l'intérieur de l'enceinte 1 4 un champ électromagnétique apte à générer un plasma. En l'occurrence, il peut s'agir de moyens aptes à générer un rayonnement électromagnétique dans le domaine U H F, c'est-à-dire dans le domaine des micro-ondes. Dans ce cas, le boîtier 22 peut donc renfermer un magnétron dont l'antenne 24 débouche dans un guide d'onde 26. Ce guide d'onde 26 est par exemple un tunnel de section rectangulaire qui s'étend selon un rayon par rapport à l'axe A1 et qui débouche directement à l'intérieur de l'enceinte 14, au travers de la paroi latérale 1 8. Toutefois, l'invention pourrait aussi être mise en œuvre dans le cadre d'un dispositif muni d'une sou rce de rayonnement de type radiofréquence, et/ou la source pourrait aussi être agencée différemment, par exemple à l'extrémité axiale inférieure de l'enceinte 1 4. A l'intérieur de l'encei nte 1 4, on trouve un tube 28 d'axe A1 q u i est réalisé avec un matériau transparent pour les ondes électromagnétiques
introduites dans l'enceinte 1 4 via le guide d'onde 26. On peut par exemple réaliser le tube 28 en quartz. Ce tube 28 est destiné à recevoir un récipient 30 à traiter. Son diamètre interne doit donc être adapté au diamètre du récipient. I l doit de plus délimiter une cavité 32 dans laquelle il sera créé une dépression une fois le récipient à l'intérieur de l'enceinte.Outside the enclosure 1 4, fixed to the latter, there is a housing 22 which includes means (not shown) for creating inside the enclosure 1 4 an electromagnetic field capable of generating a plasma . In this case, it may be means capable of generating electromagnetic radiation in the UHF domain, that is to say in the microwave domain. In this case, the housing 22 can therefore contain a magnetron, the antenna 24 of which opens into a waveguide 26. This waveguide 26 is for example a tunnel of rectangular section which extends along a radius with respect to the axis A1 and which opens directly inside the enclosure 14, through the side wall 1 8. However, the invention could also be implemented in the context of a device provided with a sou rce of radiofrequency type radiation, and / or the source could also be arranged differently, for example at the lower axial end of the enclosure 1 4. Inside the enclosure 1 4, there is a tube 28 of axis A1 which is made with a transparent material for electromagnetic waves introduced into the enclosure 1 4 via the waveguide 26. It is for example possible to produce the tube 28 in quartz. This tube 28 is intended to receive a container 30 to be treated. Its internal diameter must therefore be adapted to the diameter of the container. I t must further define a cavity 32 in which a vacuum will be created once the container inside the enclosure.
Comme on peut le voir sur la figure 1 , l'enceinte 1 4 est partiellement refermée à son extrémité supérieure par une paroi supérieure 36 qui est pourvue d'une ouverture centrale de diamètre sensiblement égal au diamètre du tube 28 de telle sorte que le tube 28 soit totalement ouvert vers le haut pour permettre l'introduction du récipient 30 dans la cavité 32. Au contraire, on voit que la paroi inférieure métallique 20, à laquelle l'extrémité inférieure du tube 28 est reliée de manière étanche, forme le fond de la cavité 32.As can be seen in Figure 1, the enclosure 1 4 is partially closed at its upper end by an upper wall 36 which is provided with a central opening of diameter substantially equal to the diameter of the tube 28 so that the tube 28 is completely open upward to allow the introduction of the container 30 into the cavity 32. On the contrary, it can be seen that the metallic lower wall 20, to which the lower end of the tube 28 is tightly connected, forms the bottom of cavity 32.
Pour refermer l'enceinte 1 4 et la cavité 32, le poste de traitement 1 0 comporte donc un couvercle 34 qui est mobile axialement entre une position haute (non représentée) et une position basse de fermeture illustrée aux figures 1 et 2. En position haute, le couvercle est suffisamment dégagé pour permettre l'introduction du récipient 30 dans la cavité 32. En position de fermeture, illustrée à la figure 2, le couvercle 34 vient en appui de manière étanche contre la face supérieure de la paroi supérieure 36 de l'enceinte 1 4.To close the enclosure 1 4 and the cavity 32, the treatment station 1 0 therefore has a cover 34 which is axially movable between a high position (not shown) and a low closing position illustrated in Figures 1 and 2. In position high, the cover is sufficiently cleared to allow the introduction of the container 30 into the cavity 32. In the closed position, illustrated in FIG. 2, the cover 34 bears in leaktight manner against the upper face of the upper wall 36 of enclosure 1 4.
De manière particulièrement avantageuse, le couvercle 34 n'a pas comme seu le fonction d'assurer la fermeture étanche de la cavité 32. Il porte en effet des organes complémentaires.In a particularly advantageous manner, the cover 34 does not have the sole function of ensuring the tight closure of the cavity 32. It indeed carries complementary members.
Tout d'abord, le couvercle 34 porte des moyens de support du récipient. Dans l'exemple illustré, les récipients à traiter sont des bouteilles en matériau thermoplastique, par exemple en polyéthylène téréphtalate (PET). Ces bouteilles comportent une collerette en excroissance radiale à la base de leur col de telle sorte qu'il est possible de les saisir à l'aide d'une cloche à griffes 54 q ui vient s'engager ou s'encliqueter autour du col , de préférence sous la collerette. Une fois portée par la cloche à griffes 54, la bouteille 30 est plaquée vers le haut contre une surface d'appui de la cloche à griffes 54. De préférence, cet appui est étanche de telle sorte que, lorsq ue le couvercle est en position
de fermeture, l'espace intérieur de la cavité 32 est séparé en deux parties par la paroi du récipient : l'intérieur et l'extérieur du récipient.First of all, the cover 34 carries means for supporting the container. In the example illustrated, the containers to be treated are bottles made of thermoplastic material, for example polyethylene terephthalate (PET). These bottles have a collar protruding radially at the base of their neck so that it is possible to grasp them using a claw bell 54 which engages or snaps around the neck, preferably under the collar. Once carried by the claw bell 54, the bottle 30 is pressed upwards against a bearing surface of the claw bell 54. Preferably, this support is sealed so that when the cover is in position the interior space of the cavity 32 is separated into two parts by the wall of the container: the interior and the exterior of the container.
Cette disposition permet de ne traiter que l'une des deux surfaces (intérieure ou extérieure) de la paroi du récipient. Dans l'exemple illustré, on cherche à ne traiter que la surface interne de la paroi du récipient.This arrangement makes it possible to treat only one of the two surfaces (interior or exterior) of the wall of the container. In the example illustrated, it is sought to treat only the internal surface of the wall of the container.
Ce traitement interne impose donc de pouvoir contrôler à la fois la pression et la composition des gaz présents à l'intérieur du récipient. Pour cela, l'intérieur du récipient doit pouvoir être mis en communication avec une source de dépression et avec un dispositif d'alimentation en fluide réactionnel 1 2. Ce dernier comporte donc une source de fluide réactionnel 1 6 relié par une tubulure 38 à un injecteur 62 qui est agencé selon l'axe A1 et qui est mobile par rapport au couvercle 34 entre une position haute escamotée (non représentée) et une position basse dans laquelle l'injecteur 62 est plongé à l'intérieur du récipient 30, au travers du couvercle 34. Une vanne commandée 40 est interposée dans la tubulure 38 entre la source de fluide 1 6 et l'injecteur 62.This internal treatment therefore requires being able to control both the pressure and the composition of the gases present inside the container. For this, the interior of the container must be able to be placed in communication with a vacuum source and with a reaction fluid supply device 1 2. The latter therefore comprises a source of reaction fluid 1 6 connected by a tube 38 to a injector 62 which is arranged along the axis A1 and which is movable relative to the cover 34 between a high retracted position (not shown) and a low position in which the injector 62 is immersed inside the container 30, through of the cover 34. A controlled valve 40 is interposed in the pipe 38 between the fluid source 1 6 and the injector 62.
Dans le dispositif de la figure 2, on peut voir que le dispositif d'alimentation 1 2 comporte en plus un réservoir tampon 58 interposé dans la tubulure 38 entre la vanne 40 et l'injecteur 62. Pour que le gaz injecté par l'injecteur 62 puisse être ionisé et former un plasma sous l'effet du champ électromagnétique créé dans l'enceinte, il est nécessaire q ue la pression dans le récipient soit inférieure à la pression atmosphérique, par exemple de l'ordre de 1 0"4 bar. Pour mettre en communication l'intérieur du récipient avec une source de dépression (par exemple une pompe), le couvercle 34 comporte un canal interne 64 dont une terminaison principale débouche dans la face inférieure du couvercle, plus précisément au centre de la surface d'appui contre laquelle est plaqué le col de bouteille 30.In the device of Figure 2, we can see that the supply device 1 2 also has a buffer tank 58 interposed in the pipe 38 between the valve 40 and the injector 62. So that the gas injected by the injector 62 can be ionized and form a plasma under the effect of the electromagnetic field created in the enclosure, it is necessary that q ue the pressure in the container is lower than atmospheric pressure, for example of the order of 1 0 "4 bar To put the interior of the container in communication with a source of vacuum (for example a pump), the cover 34 has an internal channel 64, the main termination of which opens into the underside of the cover, more precisely at the center of the surface d support against which the bottle neck 30 is pressed.
On remarque que dans le mode de réalisation proposé, la surface d'appui n'est pas formée directement sur la face inférieure du couvercle mais sur une surface annulaire inférieure de la cloche à griffes 54 qui est fixée sous le couvercle 34. Ainsi , lorsque l'extrémité supérieure du col du récipient est en appui contre la surface d'appui, l'ouverture du récipient 30, qui est délimitée par cette extrémité supérieure, entoure complètement l'orifice par leq uel la terminaison principale débouche dans la face inférieure du couvercle 34.
Dans l'exemple illustré, le canal interne 64 du couvercle 24 comporte une extrémité de jonction 66 et le circuit de vide de la machine comporte une extrémité fixe 68 qui est disposée de telle sorte que les deux extrémités 66, 68 soient en regard l'une de l'autre lorsque le couvercle est en position de fermeture.Note that in the proposed embodiment, the bearing surface is not formed directly on the underside of the cover but on a lower annular surface of the claw bell 54 which is fixed under the cover 34. Thus, when the upper end of the container neck is in abutment against the support surface, the opening of the container 30, which is delimited by this upper end, completely surrounds the orifice through which the main termination opens into the lower face of the cover 34. In the example illustrated, the internal channel 64 of the cover 24 has a junction end 66 and the vacuum circuit of the machine has a fixed end 68 which is arranged so that the two ends 66, 68 are opposite the one from the other when the cover is in the closed position.
La machine illustrée sur les figures est prévue pour traiter la surface interne de récipients qui sont en matière relativement déformable. De tels récipients ne pourraient pas supporter une surpression de l'ordre de 1 bar entre l'extérieur et l'intérieur de la bouteille. Ainsi, pour obtenir à l'intérieur de la bouteille une pression de l'ordre de 1 0"4 bar sans déformer la bouteille, il faut que la partie de la cavité 32 à l'extérieur de la bouteille soit, elle aussi, au moins partiellement dépressurisée. Aussi, le canal interne 64 du couvercle 34 comporte, en plus de la terminaison principale, une terminaison auxiliaire (non représentée) qui débouche elle aussi au travers de la face inférieure du couvercle, mais radialement à l'extérieur de la surface annulaire d'appui sur laquelle est plaquée le col du récipient.The machine illustrated in the figures is designed to treat the internal surface of containers which are made of relatively deformable material. Such containers could not withstand an overpressure of the order of 1 bar between the outside and the inside of the bottle. Thus, to obtain inside the bottle a pressure of the order of 1 0 "4 bar without deforming the bottle, it is necessary that the part of the cavity 32 outside the bottle is also at less partially depressurized. Also, the internal channel 64 of the cover 34 comprises, in addition to the main termination, an auxiliary termination (not shown) which also opens out through the underside of the cover, but radially outside the annular bearing surface on which the neck of the container is pressed.
Ainsi, les mêmes moyens de pompage créent simultanément le vide à l'intérieur et à l'extérieur du récipient.Thus, the same pumping means simultaneously create the vacuum inside and outside the container.
Pour limiter le volume de pompage, et pour éviter l'apparition d'un plasma inutile à l'extérieur de la bouteille, il est préférable que la pression à l'extérieu r ne descende pas en dessous de 0,05 à 0, 1 bar, contre une pression d'environ 1 0"4 bar à l'intérieur. On constate de plus que les bouteilles, même à parois minces, peuvent supporter cette différence de pression sans subir de déformation notable. Pour cette raison, il est prévu de munir le couvercle d'une soupape commandée (non représentée) pouvant obturer la terminaison auxiliaire.To limit the pumping volume, and to avoid the appearance of unnecessary plasma outside the bottle, it is preferable that the pressure outside does not drop below 0.05 to 0.1. bar, against a pressure of approximately 1 0 "4 bar inside. It can also be seen that the bottles, even with thin walls, can withstand this pressure difference without undergoing significant deformation. For this reason, provision is made to provide the cover with a controlled valve (not shown) capable of closing off the auxiliary termination.
Le fonctionnement du dispositif qui vient d'être décrit peut donc être le suivant.The operation of the device which has just been described can therefore be as follows.
Une fois le récipient chargé sur la cloche à griffes 54, le couvercle s'abaisse vers sa position de fermeture. Dans le même temps, l'injecteur s'abaisse au travers de la terminaison principale du canal 64, mais sans l'obturer.Once the container has been loaded onto the claw bell 54, the cover is lowered to its closed position. At the same time, the injector lowers through the main termination of channel 64, but without closing it.
Lorsque le couvercle en position de fermeture, il est possible d'aspirer l'air contenu dans la cavité 32, laquelle se trouve reliée au circuit de vide grâce au canal interne 64 du couvercle 34.
Dans un premier temps, la soupape est commandée pour être ouverte si bien que la pression chute dans la cavité 32 à la fois à l'extérieur et à l'intérieur du récipient. Lorsque le niveau de vide à l'extérieur du récipient a atteint un niveau suffisant, le système commande la fermeture de la soupape. I l est alors possible de continuer le pompage exclusivement à l'intérieur du récipient 30.When the cover in the closed position, it is possible to draw in the air contained in the cavity 32, which is connected to the vacuum circuit thanks to the internal channel 64 of the cover 34. Initially, the valve is controlled to be opened so that the pressure drops in the cavity 32 both outside and inside the container. When the vacuum level outside the container has reached a sufficient level, the system controls the closing of the valve. It is then possible to continue pumping exclusively inside the container 30.
Une fois la pression de traitement atteinte, le traitement peut commencer selon le procédé de l'invention.Once the treatment pressure has been reached, the treatment can start according to the method of the invention.
La figure 3 est un graphe illustrant les variations dans le temps de deux paramètres importants du procédé selon l'invention, à savoir le débit massique F de fluide réactionnel injecté dans la zone de traitement et la puissance du champ électromagnétique appliquée à l'intérieur de l'enceinteFIG. 3 is a graph illustrating the variations over time of two important parameters of the method according to the invention, namely the mass flow rate F of reaction fluid injected into the treatment zone and the power of the electromagnetic field applied inside speaker
14.14.
A compter de l'instant tO où la pression de traitement est atteinte dans la zone de traitement, c'est-à-dire l'intérieur du récipient, on peut ouvrir la vanne 40 pour que le fluide réactionnel soit injecté dans la zone de traitement.From the instant t0 when the treatment pressure is reached in the treatment zone, that is to say inside the container, the valve 40 can be opened so that the reaction fluid is injected into the treatment.
A partir de l'instant t1 , le champ électromagnétique est appliqué dans la zone de traitement. De préférence, les instants tO et t1 sont séparés d'un temps suffisant pour effectuer un balayage complet du récipient 30 avec le fluide réactionnel, ceci afin de purger au maximum la zone de traitement des traces d'air qui subsistent malg ré le vide créé initialement.From time t1, the electromagnetic field is applied in the treatment area. Preferably, the instants t0 and t1 are separated by a time sufficient to carry out a complete sweep of the container 30 with the reaction fluid, this in order to purge as much as possible the treatment area of traces of air which remain despite the vacuum created. initially.
Pendant tout le temps compris entre les instants t1 et t2, on effectue une première étape de dépôt dans des conditions permettant d'obtenir une vitesse de dépôt optimale sur la paroi interne du récipient. A titre d'exemple on peut ainsi utiliser un débit de l'ordre de 1 60 sccm (standard centimètre cube par minute) d'acétylène, sous une pression d'environ 1 0"4 bar, avec une puissance d'énergie micro-ondes de l'ordre de 400 watt. Dans ces conditions, pour traiter un récipient d'environ 500 ml, la durée de balayage entre les instants tO et t1 peut être de l'ordre de 200 à 600 ms, en tous cas inférieure à 1 seconde. La durée de la première étape de traitement pourra varier entre 600 ms et 3s en fonction des performances que l'on cherche à atteindre. A partir du temps t1 débute une seconde étape de dépôt q ui, selon l'invention, doit se dérouler avec un débit de fluide réactionnel inférieur à
celui utilisé lors de la première étape. Le but de cette réduction de débit est de ralentir la vitesse de dépôt du revêtement pour obtenir une couche de finition qui, sans augmenter de manière trop importante l'épaisseur du dépôt, permet malgré tout d'obtenir des performances fonctionnelles de très bon niveau. Avec un tel procédé, on peut obtenir dans un temps comparable des dépôts de plus faible épaisseur qui possèdent des performances de même ordre que les dépôts plus épais réalisés en une seule étape. A titre d'exemple, dans les conditions de mise en œuvre décrites plus haut, la durée de cette seconde étape est sensiblement comprise entre 500 ms et 2,5s.During all the time between instants t1 and t2, a first deposition step is carried out under conditions allowing an optimal deposition rate to be obtained on the internal wall of the container. For example it is thus possible to use a flow rate of about 1 60 sccm (standard cubic centimeter per minute) of acetylene at a pressure of about 1 0 "4 bar, with a power consumption micro- waves of the order of 400 watts. Under these conditions, to treat a container of approximately 500 ml, the duration of scanning between the instants t0 and t1 can be of the order of 200 to 600 ms, in any case less than 1 second The duration of the first processing step may vary between 600 ms and 3 s depending on the performance we are trying to achieve. From time t1 begins a second deposition step which, according to the invention, must take place with a flow rate of reaction fluid less than the one used in the first step. The purpose of this reduction in flow rate is to slow down the speed of deposition of the coating in order to obtain a finishing layer which, without excessively increasing the thickness of the deposit, nevertheless allows functional performance to be obtained at a very good level. With such a process, it is possible to obtain, over a comparable time, deposits of thinner thickness which have performances of the same order as the thicker deposits produced in a single step. By way of example, under the conditions of implementation described above, the duration of this second step is substantially between 500 ms and 2.5 s.
Dans le dispositif illustré à la figure 1 , le débit inférieur de la seconde étape est régulé en commandant la vanne de manière adéquate. On peut alors se contenter d'utiliser un niveau de débit constant de l'ordre de 60 sccm. On peut aussi commander le débit de manière à le faire varier au cours de la seconde étape, soit par paliers, soit de manière continue comme cela est illustré à la figure 3. Dans ce cas, la variation peut par exemple être une variation linéaire décroissante en fonction du temps. La transition entre les deux étapes de dépôt peut alors être "continue" , c'est- à-dire sans q ue le débit de fluide soit coupé, ou discontinue. Dans le dispositif illustré à la figure 2, la vanne 40 est fermée à la fin de la première étape. Toutefois, le fluide réactionnel contenu dans le réservoir tampon 58 est aspiré graduellement en direction de la zone de traitement de telle sorte que l'on peut constater q ue le dépôt par plasma peut se poursuivre au cours de la seconde étape tant que l'on conserve le champ électromagnétique dans la zone de traitement.In the device illustrated in FIG. 1, the lower flow rate of the second stage is regulated by controlling the valve adequately. We can then be content to use a constant flow level of the order of 60 sccm. It is also possible to control the flow rate so as to vary it during the second step, either in stages or continuously as illustrated in FIG. 3. In this case, the variation can for example be a decreasing linear variation as a function of time. The transition between the two deposition steps can then be "continuous", that is to say without the flow of fluid being cut off, or discontinuous. In the device illustrated in Figure 2, the valve 40 is closed at the end of the first step. However, the reaction fluid contained in the buffer tank 58 is gradually sucked towards the treatment zone so that it can be seen that the plasma deposition can continue during the second step as long as one preserves the electromagnetic field in the treatment area.
Le volume du réservoir tampon 58 peut être relativement faible dans la mesure où , s'il existe des pertes de charges dans le dispositif d'alimentation entre le réservoir tampon et la zone de traitement, le fluide réactionnel se trouve stocké dans le réservoir tampon à une pression supérieure à celle régnant dans la zone de traitement. La quantité de matière contenue dans un faible volume peut alors être suffisante pour assurer l'alimentation sous débit massique réduit au cours le seconde étape. On s'est ainsi aperçu que le réservoir tampon 58 peut être constitué par le dispositif d'alimentation en lui-même si le volume interne de celui-ci est de l'ordre de 20 à 1 00 centimètre cubes, volume qui est rapidement
atteint si la vanne 40 ne se trouve pas à proximité immédiate de l'injecteur 62.The volume of the buffer tank 58 can be relatively small insofar as, if there are pressure drops in the supply device between the buffer tank and the treatment zone, the reaction fluid is stored in the buffer tank at a pressure higher than that prevailing in the treatment zone. The amount of material contained in a small volume can then be sufficient to ensure the supply under reduced mass flow during the second step. It has thus been seen that the buffer tank 58 can be constituted by the supply device itself if the internal volume of the latter is of the order of 20 to 100 cubic centimeters, a volume which is rapidly reached if the valve 40 is not in the immediate vicinity of the injector 62.
Ce second mode de réalisation de l'invention ne permet de réguler avec précision le débit massique de gaz injecté au cours de la seconde étape. On peut toutefois mesurer que le débit de fluide réactionnel réellement injecté dans la zone de traitement diminue au cours du temps lors de la seconde étape, en même temps que la pression dans le réservoir tampon (ou dans la dispositif dé distribution en lui-même) s'équilibre progressivement avec la pression dans la zone de traitement. Ce second mode de réalisation du dispositif est avantageux en termes de coût et de simplicité.This second embodiment of the invention does not allow precise regulation of the mass flow rate of gas injected during the second step. It can however be measured that the flow rate of reaction fluid actually injected into the treatment zone decreases over time during the second stage, at the same time as the pressure in the buffer tank (or in the distribution device itself) gradually balances with the pressure in the treatment area. This second embodiment of the device is advantageous in terms of cost and simplicity.
Dans tous les cas, on peut envisager de maintenir au cours de la seconde étape le même niveau de puissance électromagnétique qu'au cours de la première étape, ou on peut au contraire choisir de diminuer ce niveau de puissance. Des essais ont montré qu'il était possible d'utiliser des niveaux de puissance de l'ordre de 1 00 W tant au cours de la première phase que de la seconde.In all cases, it is possible to envisage maintaining during the second stage the same level of electromagnetic power as during the first stage, or one can on the contrary choose to decrease this level of power. Tests have shown that it is possible to use power levels of the order of 1 00 W both during the first phase and during the second.
Si l'on analyse le matériau déposé, on peut constater que la densité du matériau déposé au cours de la seconde étape est supérieure à celle du matériau déposé au cours de la première étape. Plus précisément, si l'on fait varier le débit de fluide réactionnel au cours de la seconde étape dans le sens d'une diminution, on constate que le matériau déposé voit sa densité augmenter graduellement. De la sorte, on obtient, dans la partie du revêtement qui est déposée au cours de la seconde étape, une zone située en surface qui est de densité supérieure à la densité du matériau dans une zone située au voisinage de l'interface avec la partie du revêtement qui est déposée au cours de la première étape.If we analyze the material deposited, we can see that the density of the material deposited during the second stage is higher than that of the material deposited during the first stage. More precisely, if the flow rate of the reaction fluid is varied during the second step in the direction of a decrease, it is found that the material deposited sees its density gradually increase. In this way, one obtains, in the part of the coating which is deposited during the second step, an area situated on the surface which is of density greater than the density of the material in an area situated in the vicinity of the interface with the part of the coating which is deposited during the first step.
Lorsque le fluide réactionnel utilisé est un composé hydrocarboné gazeux tel que l'acétylène, le matériau déposé par le procédé selon l'invention est un carbone amorphe hydrogéné. Dans ce cas, on constate que la proportion d'atomes de carbone qui sont hybrides sp3 est supérieure en surface du revêtement par rapport à la même proportion mesurée en profondeur dans le revêtement.When the reaction fluid used is a gaseous hydrocarbon compound such as acetylene, the material deposited by the process according to the invention is a hydrogenated amorphous carbon. In this case, it is found that the proportion of carbon atoms which are sp3 hybrids is greater on the surface of the coating compared to the same proportion measured deep in the coating.
Grâce au procédé selon l'invention , le revêtement déposé présente une résistance mécanique accrue par rapport à un revêtement de même nature déposé selon les procédés précédemment connus.
Ainsi, lorsque le matériau déposé est un carbone amorphe hydrogéné, on constate que, en plus des propriétés déjà connues de ce type de matériau, à savoir l'imperméabilité aux gaz, la dureté, la résistance aux agents chimiques, le revêtement déposé selon l'invention conserve une bonne partie de ses propriétés même après avoir subit des contraintes mécaniques de flexion, d'étirage ou d'étirage bi-axial.Thanks to the method according to the invention, the coating deposited has an increased mechanical resistance compared to a coating of the same nature deposited according to the previously known methods. Thus, when the material deposited is a hydrogenated amorphous carbon, it is found that, in addition to the properties already known of this type of material, namely gas impermeability, hardness, resistance to chemical agents, the coating deposited according to the he invention retains a good part of its properties even after having undergone mechanical stresses in bending, stretching or biaxial stretching.
Un tel procédé a été utilisé pour revêtir la surface interne de récipients en PET et il a été constaté que ces récipients conservaient de bonnes propriétés barrières, même après avoir subi un fluage relativement important correspondant à un accroissement du volume du récipient de l'ordre de 5%.
Such a method has been used to coat the internal surface of PET containers and it has been found that these containers retain good barrier properties, even after having undergone a relatively large creep corresponding to an increase in the volume of the container of the order of 5%.
Claims
1 . Procédé mettant en œuvre un plasma à faible pression pour déposer un revêtement sur un objet à traiter, du type dans lequel le plasma est obtenu par ionisation partielle, sous l'action d'un champ électromagnétique, d'un fluide réactionnel injecté sous faible pression dans une zone de traitement, caractérisé en ce que le procédé comporte au moins deux étapes :1. Process using low pressure plasma to deposit a coating on an object to be treated, of the type in which the plasma is obtained by partial ionization, under the action of an electromagnetic field, of a reaction fluid injected under low pressure in a treatment area, characterized in that the method comprises at least two steps:
- une première étape au cours de laquelle le fluide réactionnel est injecté dans la zone de traitement avec un premier débit et sous une pression donnée ; eta first step during which the reaction fluid is injected into the treatment zone with a first flow rate and under a given pressure; and
- une seconde étape au cours de laquelle le même fluide réactionnel est injecté dans la zone de traitement avec un second débit inférieur au premier débit.- a second step during which the same reaction fluid is injected into the treatment zone with a second flow rate less than the first flow rate.
2. Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce que les étapes s'enchaînent en continu de telle sorte que, dans la zone de traitement, le fluide réactionnel demeure à l'état de plasma lors de la transition entre les deux étapes.2. Method according to claim 1, characterized in that the steps are linked continuously so that, in the treatment zone, the reaction fluid remains in the plasma state during the transition between the two steps.
3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le second débit est constant.3. Method according to one of claims 1 or 2, characterized in that the second flow is constant.
4. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le second débit est variable.4. Method according to one of claims 1 or 2, characterized in that the second flow is variable.
5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le second débit décroît au cours de la seconde étape.5. Method according to claim 4, characterized in that the second flow decreases during the second step.
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la puissance du champ électromagnétique est maintenue sensiblement constante au cours de la durée des deux étapes. 6. Method according to any one of the preceding claims, characterized in that the power of the electromagnetic field is kept substantially constant during the duration of the two stages.
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la pression dans la zone de traitement au cours de la seconde étape est inférieure à la pression dans la zone de traitement au cours de la première étape.7. Method according to any one of the preceding claims, characterized in that the pressure in the treatment zone during the second stage is lower than the pressure in the treatment zone during the first stage.
8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le fluide réactionnel comporte un composé hydrocarboné gazeux.8. Method according to any one of the preceding claims, characterized in that the reaction fluid comprises a gaseous hydrocarbon compound.
9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le fluide réactionnel est de l'acétylène.9. Method according to any one of the preceding claims, characterized in that the reaction fluid is acetylene.
1 0. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la partie du revêtement qui est déposée au cours de la seconde étape présente une densité supérieure à celle de la partie du revêtement qui est déposée au cours de la première étape.1 0. Method according to any one of the preceding claims, characterized in that the part of the coating which is deposited during the second step has a density greater than that of the part of the coating which is deposited during the first step .
1 1 . Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la partie du revêtement déposée au cours de la seconde étape présente une densité qui augmente depuis l'interface avec la partie déposée au cours de la première étape jusqu'à la surface du revêtement.1 1. Method according to any one of the preceding claims, characterized in that the part of the coating deposited during the second stage has a density which increases from the interface with the part deposited during the first stage up to the surface of the coating.
1 2. Procédé selon l'une quelconq ue des revendications précédentes, caractérisé en ce que le revêtement déposé est constitué d'un matériau carbone amorphe hydrogéné.1 2. Method according to any one of the preceding claims, characterized in that the coating deposited consists of a hydrogenated amorphous carbon material.
1 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la partie du revêtement déposée au cours de la seconde étape présente une proportion d'atomes de carbone hybrides sp3 qui est supérieure au voisinage de la surface du revêtement par rapport à la même proportion mesurée au voisinage de l'interface avec la partie déposée au cours de la première étape. 1 3. Method according to any one of the preceding claims, characterized in that the part of the coating deposited during the second step has a proportion of sp3 hybrid carbon atoms which is greater in the vicinity of the surface of the coating relative at the same proportion measured in the vicinity of the interface with the part deposited during the first step.
1 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est mis en œuvre pour déposer un revêtement barrière aux gaz sur un substrat en matière plastique.1 4. Method according to any one of the preceding claims, characterized in that it is implemented to deposit a gas barrier coating on a plastic substrate.
1 5. Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce que le substrat est un film.1 5. Method according to claim 14, characterized in that the substrate is a film.
1 6. Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce que le substrat est un récipient.1 6. Method according to claim 14, characterized in that the substrate is a container.
1 7. Procédé selon la revendication 1 6, caractérisé en ce que le revêtement est déposé sur la surface interne du récipient.1 7. Method according to claim 1 6, characterized in that the coating is deposited on the internal surface of the container.
1 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le revêtement conserve ses propriétés barrières lorsque le substrat subit un étirement bi-axial de l'ordre de 5%.1 8. Method according to any one of the preceding claims, characterized in that the coating retains its barrier properties when the substrate undergoes a bi-axial stretching of the order of 5%.
1 9. Dispositif pour la mise en œuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, du type comportant un dispositif (1 2) d'alimentation en fluide réactionnel comprenant notamment une source de fluide réactionnel (1 6), une vanne (40) de régulation de débit et un injecteur (62) qui débouche dans la zone de traitement, caractérisé en ce que lors de la transition entre la première et la seconde étape, la vanne de régulation (40) est commandée pour provoquer une baisse du débit de fluide réactionnel délivré dans la zone de traitement.1 9. Device for implementing the method according to any one of the preceding claims, of the type comprising a device (1 2) for supplying reaction fluid comprising in particular a source of reaction fluid (1 6), a valve ( 40) for flow regulation and an injector (62) which opens into the treatment zone, characterized in that during the transition between the first and the second stage, the regulation valve (40) is controlled to cause a drop in the flow rate of reaction fluid delivered to the treatment zone.
20. Dispositif pour la mise en œuvre du procédé selon la revendication 1 9, du type comportant un dispositif (1 2) d'alimentation en fluide réactionnel comprenant notamment une source de fl uide réactionnel (16) , une vanne (40) de régulation de débit et un injecteur (62) qui débouche dans la zone de traitement, caractérisé en ce que le dispositif d'alimentation (1 2) comporte, en aval de la vanne de régulation (40) , un réservoir tampon (58) apte à stocker du fluide réactionnel, et en ce que lors de la transition entre la première et la seconde étape, la vanne de régulation (40) est fermée, le réservoir tampon (58) étant alors progressivement vidé du fluide réactionnel qu'il contient. 20. Device for implementing the method according to claim 1 9, of the type comprising a device (1 2) for supplying reaction fluid comprising in particular a source of reaction fluid (16), a control valve (40) flow and an injector (62) which opens into the treatment zone, characterized in that the supply device (1 2) comprises, downstream of the control valve (40), a buffer tank (58) capable of store the reaction fluid, and in that during the transition between the first and the second step, the control valve (40) is closed, the buffer tank (58) then being gradually emptied of the reaction fluid it contains.
21 . Récipient en matière plastique, caractérisé en ce qu'il est pourvu sur au moins une de ses faces d'un revêtement déposé selon un procédé conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 1 8.21. Plastic container, characterized in that it is provided on at least one of its faces with a coating deposited according to a process according to any one of claims 1 to 1 8.
22. Revêtement, caractérisé en ce qu'il est constitué d'un matériau carbone amorphe hydrogéné, et en ce que, au voisinage de la surface du revêtement, le revêtement présente une densité qui est supérieure à celle qu'il présente au voisinage de son interface avec le substrat.22. Coating, characterized in that it consists of a hydrogenated amorphous carbon material, and in that, in the vicinity of the surface of the coating, the coating has a density which is greater than that which it presents in the vicinity of its interface with the substrate.
23. Revêtement, caractérisé en ce qu'il est constitué d'un matériau carbone amorphe hydrogéné, et en ce que, au voisinage de la surface du revêtement, le revêtement présente une proportion d'atomes de carbone hybrides sp3 qui est supérieure à celle qu'il présente au voisinage de son interface avec le substrat. 23. Coating, characterized in that it consists of a hydrogenated amorphous carbon material, and in that, in the vicinity of the coating surface, the coating has a proportion of hybrid carbon atoms sp3 which is greater than that that it presents in the vicinity of its interface with the substrate.
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