[发明专利]超薄无机氧化物涂层在包装上的沉积

说明书

发明背景

技术领域

本发明涉及一种在包装基底上的要素层以及用于施加要素层的方法和装置。更具体而言，本文所公开的发明涉及一种超薄无机金属氧化物层，其被施加到包装基底时，用作氧气和水蒸气阻隔层并/或用作后续的功能化的界面。此层可在包装基底的生产中形成，也可在此后的加工阶段中，通过使用商用包装基底制造环境中已知的化学气相沉积装置和方法来生成。

相关技术说明

在需要具备有利的的阻隔、密封和印图能力等特性的场合中，经常会采用由石化产品、聚合物、共聚物、生物聚合物和/或纸质结构制成的多层式包装基底。在包括包装基底的一个或多个层中的阻隔性质是重要的，以保护包装内的产品免受光照、氧气和/或潮气的侵袭。例如食品的保护就存在这种需求，如果没有足够的阻隔性质以防止光透射、氧气或潮气进入或逸出包装，这些食品就有发生味道损失、变味或变质的风险。还可能需要有印图能力，以使消费者能够快速识别其所要购买的产品，这也为食品制造商提供了手段，以便标示诸如包装内食品营养含量等信息，以及有待放在产品上的当价格信息，例如条形码。

在封装食品行业中，保护食品免受潮气和氧气影响的重要性体现在许多方面，包括健康、安全性和消费者接受度(即保留食品新鲜度和口味)等。保护内装食品的常规方法包括在包装基底内部或表面上的专用涂层或薄层，其作为无法渗透的屏障，阻挡光、水、水蒸气、液体和外来物质的传播和迁移。根据保护储存在包装体内的产品的质量所需要的阻隔性能的水平，这些涂层可由共挤聚合物(例如乙基乙烯醇(ethyl vinyl alcohol)、聚乙烯醇、聚酰亚胺、聚酰胺(即尼龙和聚乙酸乙烯酯))和/或金属或金属氧化物的薄层组成。

已知的是，由化学气相沉积生成的涂层能够为其所附着的基底提供一定的阻隔特性。例如，无定形碳等有机涂层可以阻止包括水、氧气和二氧化碳等成分的传播。相应地，已经有人将碳涂层施加到基底，例如聚合物薄膜，以改善基底所呈现的阻隔特性。另一个被施加到基底上、用以提高屏障附着性能的涂层的例子是由例如无机金属氧化物等无机材料构成的涂层。乙烯-乙烯醇共聚物及其他聚合物表层被广泛用于对薄膜基底涂覆底漆或提高其可湿性，以施加一个阻隔层，此阻隔层在本文中也称为“金属化底漆”。金属铝、氧化铝和氧化硅被广泛用于在基底上直接施加阻隔层，这种操作在本文中也称为“金属化”。

上述无机涂层可通过本领域所熟知的各种技术沉积在基底上。这些技术包括物理气相沉积(PVD)或化学气相沉积(CVD)工艺。PVD的实例包括离子束溅射和热蒸发。CVD的实例包括辉光放电、燃烧化学气相沉积(CCVD)和通过生成火焰等离子体或置于强电场中的方式进行的等离子体增强化学气相沉积(PECVD)。

在金属化时，用于在包装基底上沉积阻隔层的最为人熟知和最常使用的方法要求采用一个真空腔，为无机原子/离子在薄膜基底表面上的沉积提供真空环境。这种在食品包装行业使用的已知技术包括：在真空金属化腔内对宽度在小于1m到3m之间、长度在500至150,000m之间、工业运行速度为60-600m/min及更高运行速度的包装基底卷进行加工。这种设备高度专业化，需要大量用电，且要有很大的资本支出。目前用于薄膜金属化的真空腔工艺在许多方面效率低下，这是由于较高的运行成本和与使用此类设备相关的有限的生产能力。此外，为获得所需的阻隔性能，通常必须采用较高质量的薄膜基底，这就要求有额外的资金支出。

燃烧化学气相沉积(CCVD)和等离子体增强化学气相沉积(PECVD)装置和方法在本领域是已知的，如5,997,996和7,351,449号美国专利所公开，其公开内容通过参考被并入本文中。通常，由燃烧火焰或等离子场提供在基底上沉积所需涂层所需要的环境(通过燃烧或等离子体产生的蒸汽或气体)。要素前体(例如有机金属化合物)可以是蒸汽性，或者被溶解在也可充当易燃燃料的溶剂内。然后，有机和无机氧化物的沉积可在标准和/或开放大气压和温度下进行，而不需要真空腔、熔炉和/或压力腔。