Brevet FR2847912A1 — publié le 20040604

PROCEDE ET DISPOSITIF POUR DEPOSER PAR PLASMA MICRO-ONDES UN REVETEMENT SUR UNE FACE D'UN RECIPIENT EN MATERIAU THERMOPLASTIQUE La présente invention concerne des perfectionnements apportés dans le domaine du dépôt d'un revêtement sur une face d'un récipient en matériau thermoplastique à l'aide d'un plasma à basse pression par excitation d'un gaz précurseur par des ondes électromagnétiques UHF dans 10 une cavité sous vide (ou réacteur) de forme circulaire recevant ledit récipient. Il s'agit plus particulièrement de déposer une couche barrière à l'intérieur de bouteilles ou de pots en matière thermoplastique telle que le PET afin d'améliorer 15 les propriétés barrière aux gaz intérieurs ou aux gaz extérieurs, et éventuellement pour améliorer l'isolation du produit de remplissage desdites bouteilles ou pots visà-vis de l'extérieur. Un dispositif permettant de déposer un tel 20 revêtement à l'aide d'un plasma à basse pression par excitation d'un gaz précurseur à l'aide d'ondes électromagnétiques UHF est décrit et représenté dans le document FR 2 799 994. Le générateur UHF est raccordé à la cavité par un guide d'ondes UHF qui débouche dans une fenêtre de 25 la paroi latérale de la cavité, avec un mode de couplage TM 020 qui engendre dans la cavité un champ central axial. Pour subir le traitement envisagé, le récipient à traiter est donc disposé au centre de la cavité, dans une enveloppe en quartz coaxiale à la cavité. Dans une machine de mise en oeuvre industrielle, plusieurs dispositifs (typiquement au nombre de 20) sont réunis sur une structure tournante qui est capable de traiter environ 10 000 bouteilles/heure. 2 2847912 Ces machines donnent satisfaction quant à la qualité des récipients obtenus. Toutefois les utilisateurs souhaitent vivement une cadence de traitement plus élevée. Une augmentation de cadence pourrait certes être obtenue en installant un nombre plus élevé de dispositifs sur la structure tournante. Toutefois, cette augmentation du nombre des dispositifs ne pourrait être rendue possible que par un accroissement des dimensions de la structure 10 tournante. Il en résulterait une machine plus encombrante, plus lourde et donc plus coteuse, ce qui n'est pas acceptable. De même, la mise en oeuvre d'une seconde machine fonctionnant en parallèle avec la première permettrait 15 certes de doubler la cadence, mais là encore il en résulterait un encombrement plus important et un cot plus élevé qui ne sont pas acceptables. L'invention a par conséquent pour objet de proposer un perfectionnement des dispositifs existants 20 conduisant à une machine plus performante en terme de production tout en conservant un encombrement et un cot acceptables. A ces fins, selon un premier de ses aspects, l'invention propose un procédé pour déposer un revêtement 25 sur une face d'un récipient en matériau thermoplastique à l'aide d'un plasma à basse pression par excitation d'un gaz précurseur par des ondes électromagnétiques UHF dans une cavité sous vide de forme circulaire recevant ledit récipient, lequel procédé se caractérise, selon 30 l'invention, en ce qu'on dimensionne la cavité en relation avec la fréquence des ondes électromagnétiques UHF de manière à obtenir un mode de couplage générant plusieurs champs électromagnétiques à l'intérieur de la cavité, ce 3 2847912 grâce à quoi il est possible de traiter simultanément plusieurs récipients respectifs dans la même cavité. Dans un mode de mise en oeuvre préféré, on établit un mode de couplage TM 120 qui génère à l'intérieur de la cavité deux 5 champs symétriques ayant eux-mêmes deux zones d'énergie distinctes, ce grâce à quoi on peut traiter simultanément deux récipients dans ladite cavité, ce procédé offrant l'avantage de pouvoir être mis en oeuvre de façon simple en conjonction avec les magnétrons à fréquence de 2,455 GHz 10 couramment disponibles dans le commerce. Ainsi, grâce au procédé de l'invention, on est en mesure de doubler la cadence de traitement de récipients uniquement grâce à un aménagement des moyens actuellement connus et donc dans des conditions relativement 15 économiques. Selon un second de ses aspects, l'invention propose, pour la mise en òuvre du procédé précité, un dispositif pour déposer un revêtement sur une face d'un récipient en matériau thermoplastique à l'aide d'un plasma 20 à basse pression par excitation d'un gaz précurseur par des ondes électromagnétiques UHF dans une cavité sous vide de forme circulaire recevant ledit récipient, comprenant un générateur d'ondes UHF et un guide d'ondes UHF pour raccorder ledit générateur à une fenêtre de la paroi 25 latérale de la cavité, lequel dispositif, étant agencé conformément à l'invention, se caractérise en ce que la cavité est dimensionnée en relation avec la fréquence des ondes électromagnétiques UHF pour l'établissement d'un mode de couplage TM 120 générant dans la cavité deux 30 champs symétriques ayant eux-mêmes deux zones d'énergie distinctes, ce grâce à quoi il est possible de traiter simultanément deux récipients dans ladite cavité. Dans un mode de réalisation pratique préféré, le générateur émet une onde électromagnétique ayant une fréquence f = 2,455 GHz et le diamètre de la cavité est sensiblement de 273 mm. Le générateur est un magnétron 5 d'utilisation courante dans d'autres domaines. Quant au diamètre de la cavité, il est parfaitement compatible avec les structures des machines actuelles. Il s'avère donc possible, à travers un simple aménagement des machines actuelles, de doubler la capacité de traitement des 10 machines puisque le diamètre de la cavité autorise le traitement simultané de deux bouteilles du type demi-litre ou moins disposées côte à côte respectivement dans les deux champs centraux. Avantageusement notamment, la cavité renferme deux 15 enveloppes en quartz disposées respectivement sensiblement coaxialement aux deux champs symétriques susmentionnés, la cavité comporte une fenêtre unique pour l'injection des ondes UHF, la fenêtre étant située symétriquement à cheval sur le plan de symétrie de part et d'autre duquel sont 20 situés les deux champs centraux, et un couvercle unique d'obturation de la cavité est équipé d'un unique raccordement à une source de vide qui est dédoublé pour être relié aux deux susdites enveloppes respectivement, de deux injecteurs de gaz précurseur raccordés à une source unique 25 de gaz précurseur et de deux moyens de support pour respectivement les deux récipients, de sorte que la mise en oeuvre des dispositions de l'invention n'entraîne pas un doublement du matériel nécessaire (tels que capteurs de pression intérieur et extérieur au récipient). Il est avantageux que le dispositif comprenne également des plateaux inférieur et supérieur dont la position de chacun est réglable et qui sont propres à agir sur les champs de retour respectifs afin d'affiner le couplage en fonction de divers types de récipients susceptibles d'être traités. Dans le cadre de l'application préférée spécifiquement envisagée, le dispositif est agencé pour le 5 revêtement interne de récipients et à cette fin les injecteurs de gaz précurseur sont agencés pour plonger à l'intérieur des récipients respectifs lorsque ceux-ci sont supportés par des moyens de support dans les enveloppes. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la 10 description détaillée qui suit d'un mode préféré de réalisation tout particulièrement adapté au revêtement interne de récipients et donné uniquement à titre d'exemple non limitatif. Dans cette description, on se réfère aux dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 est un schéma illustrant les conditions de mise en oeuvre du procédé de l'invention; et - la figure 2 est une représentation schématique d'un dispositif mettant en oeuvre le procédé de l'invention. A la figure 1 est schématisée une cavité 1 de forme générale cylindrique de révolution qui présente, dans sa paroi latérale, une ouverture 2 par laquelle débouche un guide d'ondes raccordé à un générateur d'ondes électromagnétiques UHF (non représenté). Le générateur UHF est un magnétron fonctionnant sur une fréquence de 2, 455 GHz. Pour pouvoir traiter plusieurs récipients 3 simultanément dans la cavité 1 (les deux récipients 3 sont schématisés en tirets), on choisit de dimensionner la 30 cavité, en relation avec la fréquence des ondes électromagnétiques UHF, de manière à obtenir un mode de couplage générant plusieurs champs électromagnétiques à l'intérieur de la cavité, chaque récipient 3 étant disposé coaxialement dans un champ respectif. Pour une mise en oeuvre pratique de cette disposition, on établit un mode de couplage TM 120 qui 5 génère deux champs électromagnétiques symétriques ayant eux-mêmes deux zones d'énergie distinctes, à savoir deux champs centraux 4A et 4B, ainsi que deux champs de retour 5A, 5B situés périphériquement, en forme de haricots, en regard des champs intérieurs, comme illustré à la figure 10 1. Les deux récipients 3 à traiter sont disposés coaxialement dans les champs centraux 4A, 4B respectivement. De plus, il est souhaitable que des plateaux inférieur 17j et supérieur 17, (visibles sur la figure 2), à positions réglables, agissent sur le champ de retour 5A, 15 5B pour affiner le couplage du réacteur en fonction des divers types de récipients 3 susceptibles d'être traités. Dans ces conditions, la longueur d'onde de coupure est 2ir. R U12 o R est le rayon de la cavité et U12 caractérisant le mode T120 a pour valeur U12 = 7, 0156. La longueur d'onde de coupure Xc a une valeur proche (légèrement supérieure) de la longueur d'onde A du générateur. 3 12 f 2,455x09î2,22cm>XC#12,225cm Le rayon R de la cavité est Xcc XU12 12,225 x7, 0156 R 2_ _ = 13, 65cm 2iu La cavité doit donc présenter un diamètre de sensiblement 273 mm. Le diamètre de la cavité 1 ainsi constituée permet de traiter simultanément deux récipients tels que deux bouteilles de 50 cl ou moins. Grâce à ce mode de fonctionnement, on double la capacité de traitement de chaque cavité, ce qui permet de répondre très favorablement aux souhaits des utilisateurs tout en conservant une cavité 5 ayant des dimensions compatibles avec les structures tournantes actuellement réalisées. Autrement dit, les dispositions conformes à l'invention peuvent être mises en oeuvre sans qu'il soit nécessaire de repenser la totalité de la structure tournante. A la figure 2 est illustré en vue de côté un dispositif de traitement de récipients élaboré autour de la cavité 1 présentée schématiquement à la figure 1. Le dispositif représenté à la figure 2, désigné dans son ensemble par la référence numérique 6, comporte 15 une cavité (ou réacteur) 1 cylindrique de révolution ayant un diamètre de sensiblement 273 mm. La paroi latérale de la cavité 1 comporte, approximativement à mi-hauteur, une ouverture 2 par laquelle débouche un guide d'ondes (non visible) raccordé à un générateur UHF 7 (en grande partie 20 caché par la cavité) - par exemple constitué par un magnétron - propre à fonctionner sur la fréquence de 2, 455 GHz. Ce dispositif génère un mode de couplage TM 120, avec deux champs centraux comme illustré à la figure 1, ces deux champs centraux étant centrés sur les 25 axes A et B montrés à la figure 2. L'agencement du dispositif est transposé de celui d'un dispositif de traitement d'un récipient unique tel que décrit et représenté notamment dans le document FR-A-2 799 994 déjà cité. En particulier, on dispose dans 30 la cavité deux enveloppes 8 en quartz disposées coaxialement aux axes A et B et à l'intérieur desquelles sont disposés les deux récipients 3 respectivement; ces deux enveloppes 8 sont montées de façon étanche (joints 18) dans la cavité et déterminent chacune une enceinte de volume réduit dans laquelle le récipient peut être disposé et qui facilite l'obtention du vide exigé par la génération du plasma nécessaire au dépôt du revêtement dans chaque récipient. Toutefois, un avantage de l'agencement retenu réside dans le fait que la superstructure du dispositif demeure unique. Autrement dit, le couvercle unique 9 de la cavité incorpore, d'une part, les organes 10 de support 10 des deux récipients 3 et, d'autre part, les moyens de raccordement nécessaires à la mise sous vide de la cavité et à l'insufflation du gaz précurseur nécessaire à la formation du plasma, ainsi que le capteur de pression intérieur et le capteur de pression extérieur. Ainsi, le couvercle 9 est pourvu d'une chambre 10 raccordée (par un conduit non visible sur la figure 2) à une source de vide, laquelle chambre 10 s'étend au-dessus des deux récipients 3 et est en communication en 11 avec l'intérieur des récipients. Dans l'exemple représenté, le 20 passage 11 est combiné avec les moyens de support 12 de chaque récipient 3. Conformément à la mise en oeuvre préférée de l'invention pour le revêtement interne de récipients, chaque passage 11 est traversé coaxialement par un 25 injecteur 13 de gaz précurseur qui plonge à l'intérieur du récipient 3 correspondant. Les deux injecteurs 13 peuvent être raccordés, à l'extérieur du couvercle 9, à un conduit 14 unique de liaison avec une source (non visible sur les figures) de gaz précurseur. On peut en outre équiper le couvercle 9 avec une soupape 15, pour faire communiquer la chambre 10 avec des conduits 16 soit pour mettre en communication l'intérieur des récipients 3 et l'intérieur des enveloppes 8 lors de la mise sous vide, soit pour les isoler afin de pouvoir créer des conditions de pression différentielle, appropriées pour la génération d'un plasma dans les récipients. Au total, les dispositions conformes à l'invention, qui consistent à établir un mode de couplage TM 120 pour être en mesure de traiter deux récipients simultanément, se révèlent bénéfiques dans le sens o l'on a certes besoin de dédoubler tous les éléments coopérant 10 de façon directe avec les deux récipients (deux enveloppes en quartz, deux injecteurs, deux moyens de support, deux orifices de vide), mais o le reste de l'installation demeure commun (une seule cavité, un seul générateur UHF, une seule source et une seule amenée pour le vide, une 15 seule source et une seule amenée pour le gaz précurseur, un seul capteur de pression interne, un seul capteur de pression externe, un seul couvercle et donc un seul mécanisme d'actionnement (abaissement, soulèvement) du couvercle, un seul mécanisme de préhension des récipients 20 pour leur mise en place et leur enlèvement, etc.). Au surplus, le couvercle 9 étant unique, on conserve des moyens d'actionnement uniques dudit couvercle pour la fermeture/ouverture de la cavité 1, tels que ceux exposés dans le document FR-A-2 799 994. D'une façon générale, l'agencement de la cavité 1 doit respecter la symétrie apportée par les deux champs centraux 4A, 4B. En particulier, la fenêtre 2 par laquelle le guide d'ondes débouche dans la cavité 1 est disposée dans l'axe entre les deux champs centraux 4A, 4B comme 30 visible aux figures 1 et 2. De même des colonnes de support des plateaux 17j, 17, de réglage d'impédance pour respectivement les champs externes 5A, 5B (non représentées pour laisser les dessins lisibles clairement; voir par exemple le document FR-A-2 792 854) doivent être disposées symétriquement de part et d'autre de la fenêtre 2. REVENDICATIONS 1. Procédé pour déposer un revêtement sur une face d'un récipient (3) en matériau thermoplastique à l'aide 5 d'un plasma à basse pression par excitation d'un gaz précurseur par des ondes électromagnétiques UHF dans une cavité (1) sous vide de forme circulaire recevant ledit récipient, caractérisé en ce qu'on dimensionne la cavité (1) 10 en relation avec la fréquence des ondes électromagnétiques UHF de manière à obtenir un mode de couplage générant plusieurs champs électromagnétiques à l'intérieur de la cavité, ce grâce à quoi il est possible de traiter 15 simultanément plusieurs récipients (3) respectifs dans la même cavité (1). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on établit un mode de couplage TM 120 qui génère deux champs centraux (4A, 4B) à l'intérieur de la cavité, ce grâce à quoi on peut traiter simultanément deux récipients (3) dans ladite cavité (1). 3. Dispositif pour déposer un revêtement sur une face d'un récipient (3) en matériau thermoplastique à l'aide d'un plasma à basse pression par excitation d'un 25 gaz précurseur par des ondes électromagnétiques UHF dans une cavité (1) sous vide de forme circulaire recevant ledit récipient (3), comprenant un générateur (7) d'ondes UHF et un guide d'ondes UHF pour raccorder ledit générateur à une fenêtre (2) de la paroi latérale de la 30 cavité (1), caractérisé en ce que la cavité (1) est dimensionnée en relation avec la fréquence des ondes électromagnétiques UHF pour l'établissement d'un mode de couplage TM 120 générant deux champs centraux (4A, 4B) dans la cavité (1), ce grâce à quoi il est possible de traiter simultanément deux récipients (3) dans ladite cavité (1). 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le générateur (7) émet une onde électromagnétique ayant une fréquence f = 2, 455 GHz et en ce que le diamètre de la cavité (1) est sensiblement de 273 mm. 5. Dispositif selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que la cavité (1) renferme deux enveloppes (8) en quartz montées de façon étanche dans celle-ci et disposées respectivement sensiblement coaxialement aux deux champs centraux (4A, 4B), en ce que 15 la cavité (1) comporte une fenêtre (2) unique pour l'injection des ondes UHF, la fenêtre (2) étant située dans l'axe de symétrie des deux champs centraux (4A, 4B), et en ce qu'un couvercle (9) unique d'obturation de la cavité (1) est équipé d'un unique raccordement (10) à une 20 source de vide qui est dédoublé (en 11) pour être relié aux deux susdites enveloppes (8) respectivement, de deux injecteurs (13) de gaz précurseur raccordés à une source unique de gaz précurseur et de deux moyens (12) de support pour respectivement les deux récipients (3). 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comporte des plateaux inférieur (17j) et supérieur (17s) à position réglable propres à agir sur les champs de retour (5A, 5B) respectifs afin d'affiner le couplage en fonction de divers types de récipients (3) susceptibles d'être traités. 7. Dispositif selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce qu'il est agencé pour le revêtement interne de récipients et en ce qu'à cette fin les injecteurs (13) de gaz précurseur sont agencés pour plonger à l'intérieur des récipients (3) respectifs lorsque ceux-ci sont supportés par des moyens de support dans les enveloppes (8).