專利名稱：金屬化的刀叉餐具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及家庭、快餐店和飯店使用的、包括商業(yè)餐具和公共餐具的食品用具的生產(chǎn)。更具體地說，本發(fā)明涉及具有金屬外表的塑料刀叉。
背景技術(shù)：
一次性塑料食品用具，由于它們合理的低成本以及它們提供的便利，在儲存、包裝和消費食品方面的用途日益廣泛。一次性食品容器和制品的范圍從不可回收的容器，如酸乳酪杯和宴會正餐的包裝，到微波爐用的儲存容器和普通的餐具用品，如塑料盤、杯和刀叉?？觳瓦B鎖店的日益普及進一步加速了對塑料餐具的需求。除了快餐店之外，因為與一次性食品用具相關(guān)的便利、衛(wèi)生和有競爭力的成本，配餐經(jīng)營人也喜歡一次性食品用具。在這一方面，重要的是，諸如刀叉的一次性用具的替代成本與金屬刀叉相關(guān)的清潔成本(人力、材料和設(shè)備)相抵。
非一次性的金屬刀叉與諸如盤、杯和類似的其它一次性食品用具的共同存在，給飯店和配餐經(jīng)營人帶來不尋常的問題。問題來源于高價的金屬刀叉與一次性的餐具和剩飯一起丟入垃圾和廢物容器所造成的浪費。這個問題在經(jīng)營的高峰時間將進一步加劇，因為時間的壓力進一步使盤內(nèi)的食品與一個或多個刀叉一起被丟棄。解決這個問題的先前方法是公知的。美國專利No.4,632,253披露了將刀叉與飯店垃圾分離的設(shè)備，包括一條垃圾斜道和具有相關(guān)評價邏輯的感應(yīng)型探測器，當?shù)恫嫖锲吠ㄟ^斜道時將發(fā)出一個電子交換信號。
食品配餐經(jīng)營人遇到的另一個問題是，在某些地點和室外供餐的情況下清潔金屬扁平餐具的能力。為了應(yīng)對這種情況，配餐經(jīng)營人傾向于攜帶大量的高價金屬刀叉。在這種供餐的情況下，使用一次性的塑料刀叉將消除清潔金屬扁平餐具、處理重的金屬刀叉或保持大量存貨的局限性。另外，值得注意的是，與其對應(yīng)的金屬制品相比，一次性刀叉具有明顯的處理優(yōu)勢。例如，包括一個叉、一把刀、一個湯匙和一個茶匙的一套典型刀叉組合，對于金屬餐具重約200克，而對于優(yōu)質(zhì)塑料刀叉則重約30克。這樣的重量在假設(shè)250人的情況下，金屬刀叉的總重達到110磅，而塑料刀叉的重量僅為16磅。
由于歷史上存在誤用不銹鋼餐具作為武器在飛機中恐怖襲擊和潛在威脅，多數(shù)航空公司在飛行期間提供食品時逐漸趨向于使用一次性塑料刀叉。但是，使用一次性塑料刀叉影響航空公司的形象，特別是在高級艙和價格較高的航班中。
絕大多數(shù)高級配餐經(jīng)營公司使用一次性的塑料杯、盤和碗等，用于供餐功能。但是，人們一般愿意繼續(xù)使用傳統(tǒng)的金屬刀叉。主要原因是，塑料刀叉比不銹鋼餐具缺少經(jīng)典的外觀、感覺和形象。盡管不銹鋼刀叉比塑料刀叉強度大，但重量大的塑料刀叉功能上也適于大多數(shù)場合。這樣，在這種供餐情況下使用一次性刀叉的主要障礙是與一次性刀叉有關(guān)的感覺和形象，而不是其性能。
由上可知，對既提供塑料刀叉的可丟棄性，又提供不銹鋼餐具的高檔感覺的就餐用具的需求，是很容易理解的。這樣，對一次性塑料刀叉提供金屬外觀，將增強餐具的感覺價值和質(zhì)量。金屬外觀也對一次性刀叉產(chǎn)生較大的接受性，因為值得替換金屬餐具，而被配餐經(jīng)營人和其它食品供應(yīng)公司在各種情況和場合下應(yīng)用。
盡管是比較低的程度，上述情況適于其它的餐具，例如杯和盤。在盤和杯上應(yīng)用金屬外觀，例如金或銀，與刀叉一起，將提高美觀程度并得到更加尊貴的感覺。由于這里所討論的原因，目前的技術(shù)水平基本不能提供金屬化的杯和盤。因此，雖然這里的描述集中在刀叉，但這些信息也適用于其它的餐具。
先前技術(shù)中已經(jīng)使用了提供金屬外觀的多種方法。為塑料制品提供金屬外觀的最常用和廉價的方法之一是在成形工序中在塑性樹脂中加入金屬顏料。通常，金屬顏料具有高的金屬含量。有很多的顏料和母料著色劑制造商制造和銷售金屬顏料添加劑和著色劑，例如Clariant、Engelhard和EMIndustries。其它常用的、增強塑料制品視覺效果和增強其商業(yè)吸引力的方法包括對制品的一些部分或整個制品進行修飾或繪圖。很多裝飾塑料制品的方法是公知的，包括印刷、熱印、熱轉(zhuǎn)移、模內(nèi)裝飾、噴漆和電鍍。印刷工藝已經(jīng)進一步被分類成絲網(wǎng)印刷、照相凹版印刷或膠印，以及印臺轉(zhuǎn)印(padtransfer printing)(參見Hilestad，K.，Decorating and Printing，Modern PlasticsEncyclopedia 1999，F(xiàn)-7)。
由于多種原因，傳統(tǒng)裝飾和塑料顏料工藝不能為塑料刀叉提供商業(yè)上可以接受的外觀，這已是本發(fā)明的發(fā)明者和本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員的經(jīng)驗。
首先，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員的基本經(jīng)驗是，這些金屬顏料能為塑料表面提供一定光澤，但不能達到好刀叉的拋光金屬外觀，某些金屬顏料的配方具有食品用具所不希望出現(xiàn)的異味。
第二，金屬漆不能達到拋光不銹鋼扁平餐具的真正外觀。
第三，與刀叉有關(guān)的環(huán)境和食品接觸問題進一步限制了為提供金屬外觀所用的金屬漆和載體溶劑的應(yīng)用。
第四，優(yōu)良的不銹鋼扁平餐具，其特征常常在于其精美的設(shè)計，特別是刀叉把手上的。與本發(fā)明的目的相一致的，即提供實際上難以與精美金屬刀叉區(qū)分的塑料刀叉，需要使設(shè)計趨于與傳統(tǒng)扁平餐具基本一致，以便于商業(yè)上可以接受。這對模具內(nèi)標簽(in-mold labeling)提出了一特殊的問題，其中在成形前標簽關(guān)鍵地放在模具內(nèi)，進入模具內(nèi)的熱塑料影響標簽在成形零件上的附著。塑料刀叉表面上提供的細致的和精美的設(shè)計干擾標簽的附著，并導致標簽在包含精美設(shè)計細節(jié)的區(qū)域折皺。
第五，熱印，特別是金屬箔壓印，當關(guān)鍵地放在塑料表面上時，能提供真實的金屬外觀。但是，熱箔印存在與上面模具內(nèi)標簽所述的相同的問題，其中箔的折皺和精致細節(jié)區(qū)的不一致附著，限制了應(yīng)用箔壓印工藝獲得金屬外觀的刀叉。
第六，由于本領(lǐng)域公知的、與電鍍化學物質(zhì)有關(guān)的環(huán)境影響，不希望使用電鍍方法。
公知的金屬化方法有多種，包括美國專利No.5,022,554描述了由紙基體制成的金屬化餐具，例如盤、杯等，結(jié)合在基體上的金屬化塑料膜，F(xiàn)DA認可的塑料膜的表層涂層。通過層疊金屬化膜得到金屬外觀食品用具的這種方法，不能容易地應(yīng)用到刀叉上，因為大多數(shù)塑料刀叉一般是由注塑成形工藝生產(chǎn)的，其中的喂料是熱塑性樹脂小粒，而不是層疊的薄膜。在注塑成形塑料刀叉期間結(jié)合金屬箔或標簽的缺點，已在上面作了描述。相似的缺點也存在于應(yīng)用層疊的金屬膜。
其它的金屬化方法，例如Quest等人(美國專利No.5,177,124和5,280,052)使用的方法，描述了功利性的和/或裝飾性目的，以及形成具有金屬外表面、外觀和把手的塑料制品的方法。在這種方法中，將液體單體、固化劑、金屬顆粒和可漂浮顆粒的分散體的混合物倒入模具中。接著將模具離心，使金屬顆粒在單體聚合和硬化而將顆粒結(jié)合之前，朝零件的表面遷移。當從模具中取出后，將零件的外表面拋光和磨光，從金屬表面去除塑料表層，從而使得到的塑料零件模擬實際的金屬零件的外觀。這種方法應(yīng)用于塑料刀叉非常麻煩，因為大多數(shù)塑料刀叉由聚苯乙烯和/或聚丙烯制成，它們是熱塑性聚合物材料，而不是上述技術(shù)原理中建議的單體。另外，生產(chǎn)刀叉的典型工藝是注塑成形，如果可能的話，旋轉(zhuǎn)重的注塑模具也是困難的和高成本的。并且，最終的清潔和拋光塑料制品的輔助步驟，對于應(yīng)用于食品用具，是昂貴的和不可接受的。
通過化學沉積工藝、電沉積工藝和/或二者的綜合方法在塑料上鍍層的參考文獻較多。美國專利3,607,350、3,629,922、3,896,252、3,962,494、4,4,610,895、3,445,350、4,039,714、4,073,743、4,195,117、4,810,333以及大量其它文獻描述了一些鍍層的方法。這些工藝本質(zhì)上是濕法工藝，需要零件與含有金屬離子的溶液接觸，接著必須沖洗去除任何的殘留化學物質(zhì)，并且對于食品用具，基于基本的衛(wèi)生原因也需如此。這些工藝對于刀叉的金屬化相當沒有吸引力，因為工藝和環(huán)境成本高。
因此，很容易看出，存在對具有增強的視覺和商業(yè)吸引力的精致塑料刀叉的需求。改進的塑料刀叉應(yīng)該價格便宜，允許簡單地處理以及不需要從食物垃圾中分離。這種發(fā)明實施時通常不產(chǎn)生與鍍金屬濕法工藝有關(guān)的環(huán)境缺點。改進的塑料刀叉應(yīng)該主要由塑料制成，在其外表面上具有真實金屬的外觀，從而實際上從視覺上不能與精致的金屬刀叉區(qū)分開。

發(fā)明內(nèi)容
考慮到這里所述的先前技術(shù)的問題提出本發(fā)明。因此，本發(fā)明的基本目的是提供能解決這里所述問題的刀叉。本發(fā)明的一個目的是提供高檔的一次性刀叉，主要是由塑料制成并且具有模擬真實金屬餐具的金屬表面外觀。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種方法，使用這種方法能以合理的成本批量生產(chǎn)具有真實金屬外觀的塑料刀叉，應(yīng)用于一次性使用。
本發(fā)明的再一個目的是提供一種在合理增加的成本下將注塑成形的塑料刀叉金屬化的方法。
本發(fā)明的又一個目的是提供具有精致金屬刀叉外觀的一次性刀叉。
本發(fā)明的又一個目的是獲得塑料物品，例如刀叉，這是由透光熱塑性材料成形的并且隨后金屬化。
本發(fā)明的又一個目的是提供一種塑料制品，例如刀叉，這是由透光的熱塑性材料成形的，僅在一側(cè)進行金屬化。
本發(fā)明的再一個目的是提供具有表面幾何形狀的刀叉，增強金屬化塑料刀叉的反光外觀。根據(jù)本發(fā)明得到的刀叉表面幾何形狀，其特征在于多個表面特征，包括凹下和凸出區(qū)、筋、槽紋和其它藝術(shù)特征，增強制品的反光外觀。
本發(fā)明的再一個目的是提供金屬化的塑料刀叉，其中金屬層具有增強的附著力和耐磨性，例如，在薄的金屬層上應(yīng)用一層表面涂層，進一步增強金屬層的耐磨特性。FDA認可的表面涂層成分可以容易地從許多銷售商處獲得。
另外，本發(fā)明的另一個目的是提供金屬化的刀叉，其中通過在基料中結(jié)合彩色色調(diào)，例如灰色調(diào)，增強光密度。
本發(fā)明的一個目的是金屬化塑料食品用具，包括薄金屬涂層沉積在塑料餐具上的塑料餐具，其中薄金屬涂層通過真空沉積工藝沉積。餐具包括刀叉，諸如叉、勺、刀，以及其它的餐具，諸如盤、碗和杯。
再一個目的是金屬化塑料食品用具，其中薄金屬涂層包括從下面一組金屬中選擇的金屬銀、鋼、不銹鋼、鉻、鋁、銅和金。薄金屬涂層一般小于1000nm。另外，餐具還可包括薄金屬涂層上的可固化的透明涂層。另外，塑料餐具可以在塑料餐具一個單獨表面上沉積金屬涂層。
另一個目的是金屬化塑料食品用具，其中塑料餐具由聚苯乙烯制成并通過注塑成形制造。餐具也可由相似的透光塑料制成。并且，其中金屬化塑料食品用具的光密度小于2.0。
本發(fā)明的一個目的是通過下面的工藝金屬化塑料食品用具，工藝包括如下步驟利用注塑成形制造塑料餐具主體，將塑料主體放入真空金屬化系統(tǒng)中，通過真空沉積工藝在塑料主體上沉積一層薄的金屬涂層。在一個實施例中，真空沉積工藝是物理氣相沉積，特別是濺射氣相沉積，其中濺射沉積過程使用氬氣和氮氣混合物產(chǎn)生的等離子。
本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，從下面的詳細描述中將更容易清楚本發(fā)明的其它目的和優(yōu)點，其中簡單地通過說明我們預期的、體現(xiàn)本發(fā)明的最佳方式，我們僅僅圖示和描述了本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例。如同可以認識到的，本發(fā)明能具有其它的和不同的實施例，并且其幾個細節(jié)能在不同方面進行修改，所有這些都不偏離本發(fā)明的精神。


結(jié)合附圖，從下面的詳細描述中將更容易理解本發(fā)明，其中相似的參考數(shù)字代表相似的結(jié)構(gòu)元素。附圖中圖1A是根據(jù)本發(fā)明制造的具有金屬涂層的叉的斜視圖；圖1B是具有金屬涂層的叉的側(cè)面輪廓圖；圖2A是根據(jù)本發(fā)明具有金屬涂層的勺的斜視圖；圖2B是根據(jù)本發(fā)明具有金屬涂層的勺的側(cè)面輪廓圖；圖3A是根據(jù)本發(fā)明具有金屬涂層的刀的斜視圖；圖3A是根據(jù)本發(fā)明具有金屬涂層的刀的側(cè)面輪廓圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明的典型刀叉的剖視圖，表示出金屬涂層。
具體實施例方式
在此說明中或任何權(quán)利要求中使用的術(shù)語刀叉或刀叉制品或器具或就餐用具或食品用具或處理食品用具或食品供應(yīng)工具，是一般和廣泛意義上的應(yīng)用。這些術(shù)語包括成形為標準食品處理用具的一次性塑料刀叉，如叉、勺、刀，廚房器具和/或它們的組合，包括抹刀、叉勺(spork)、長柄勺、海產(chǎn)食品叉、海產(chǎn)食品鎬(pick)、湯勺和類似的物品。伴隨物，例如餐巾圈、蠟燭臺和中心裝飾品，有時設(shè)計成與刀叉匹配。最后，各種的高腳玻璃杯、玻璃杯、湯碗、碟、盤、香檳酒細長酒杯、蓋和類似的物品，有時也與其它的就餐用具匹配，這些都在本發(fā)明的范圍內(nèi)。優(yōu)選的實施例僅是解釋本發(fā)明的技術(shù)，在本發(fā)明范圍內(nèi)還有很多其它的變化和應(yīng)用。
超市中銷售的一次性刀叉，通常是由聚苯乙烯和/或聚丙烯制成。但是，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員清楚的是，多種熱塑性聚合物類型和/或樹脂也能應(yīng)用于制造本發(fā)明的刀叉。這些應(yīng)用的材料選擇常常是由多種因素控制的，包括消費者的喜好、成本、工程學要求、實用性和其它經(jīng)濟的和市場的因素。本發(fā)明對基材的主要選擇標準是刀叉高的吸引力外觀，在透光性能方面有高的光學性能，高的剛性，以及用于金屬化的高的表面能或附著特性。
具有所需光學和功能特性的幾種熱塑性樹脂包括聚苯乙烯(PS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、丙烯腈一丁二烯-苯乙烯(ABS)、苯乙烯-丙烯腈(SAN)和聚碳酸酯(PC)，可以用于達到本發(fā)明的目的?；趲讉€原因，聚苯乙烯(PS)是本發(fā)明優(yōu)選實施例中選擇的材料。聚苯乙烯樹脂與ABS、PC和SAN相比，具有較低的成本。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員的基本經(jīng)驗是，聚苯乙烯刀叉被認為是市場中較高檔的一次性刀叉。選擇結(jié)晶聚苯乙烯作為本申請選擇的材料的一個標準是，與相同價格范圍內(nèi)的其它樹脂材料相比，具有較高的撓曲模量。更具體地，聚苯乙烯的撓曲模量超過聚丙烯。結(jié)晶聚苯乙烯具有優(yōu)異的透光特性，因為它具有與聚丙烯相反的無定形聚合物結(jié)構(gòu)，而聚丙烯本質(zhì)上是高度結(jié)晶的。另外，變動的冷卻速率，例如在注塑成形過程中遇到的，對成形的制品的透光特性影響很小，因為聚苯乙烯是無定形聚合物結(jié)構(gòu)。換言之，結(jié)晶聚苯乙烯在其光學特性方面具有大的處理窗口。并且聚苯乙烯與聚丙烯和其它聚烯烴相比，具有較高的表面能，是附著其它材料的較好基體。
這樣，在本發(fā)明最優(yōu)選的實施例中，刀叉由適合的結(jié)晶聚苯乙烯樹脂成形，從生產(chǎn)和制造角度出發(fā)，這種樹脂具有好的物理性質(zhì)和所需的流動、熔體粘度和成形特性。
下面參看圖1A、1B、2A、2B、3A和3B，圖中表示典型的刀叉，這是根據(jù)本發(fā)明制造的，其中相似的部分用相似的參考數(shù)字表示。
圖1A表示叉的等角透視圖，叉在圖中用參考數(shù)字10表示，并具有根據(jù)本發(fā)明的基本結(jié)構(gòu)。叉10具有尖齒部分11和把手部分12。叉10還具有槽形的或其它幾何優(yōu)美輪廓的表面特征，一般用參考數(shù)字13表示。金屬的表面涂層至少沉積在塑料叉的一個表面上，產(chǎn)生金屬刀叉的外觀。在本發(fā)明最優(yōu)選的實施例中，金屬涂層應(yīng)用在用餐時典型擺放的朝上一側(cè)。叉塑料表面上的金屬涂層用參考數(shù)字14表示。
圖1B表示叉10的側(cè)視圖，其中叉的各個部分與圖1A參考數(shù)字表示的相應(yīng)部分相同。金屬涂層僅應(yīng)用于塑料叉的上表面，用參考數(shù)字14表示。
下面參考圖2A，圖中表示勺的等角透視圖，勺在圖中用參考數(shù)字20表示，具有根據(jù)本發(fā)明的基本結(jié)構(gòu)。同樣地，圖2B表示勺20的側(cè)視圖，其中相似的參考數(shù)字代表相似的零件或特征。勺20具有碗形部分21和把手部分22。勺20也具有槽形的或其它幾何優(yōu)美輪廓的表面特征，一般用參考數(shù)字23表示。金屬的表面涂層至少沉積在塑料叉的一個表面上，產(chǎn)生金屬刀叉的外觀。在本發(fā)明最優(yōu)選的實施例中，金屬涂層應(yīng)用在用餐時典型擺放的朝上一側(cè)。勺塑料表面上的金屬涂層用參考數(shù)字24表示。
圖3A和3B分別表示刀的斜視圖和側(cè)視圖，刀在圖中用參考數(shù)字30表示，具有根據(jù)本發(fā)明的基本結(jié)構(gòu)。刀30具有刃部分31和把手部分32。刀30也具有槽形的或其它幾何優(yōu)美輪廓的表面特征，一般用參考數(shù)字33表示。金屬的表面涂層至少沉積在塑料叉的一個表面上，產(chǎn)生金屬刀叉的外觀。在本發(fā)明最優(yōu)選的實施例中，金屬涂層僅應(yīng)用在刀的一個側(cè)面。刀塑料表面上的金屬涂層用參考數(shù)字34表示。
下面參看圖4，圖中表示典型刀叉40的后方剖面。刀叉40的主干部分用參數(shù)數(shù)字42表示。在所述實施例中，主干42在其表面上具有不同彎曲的和槽形的特征，用參考數(shù)字43表示。刀叉主干在其一個表面上具有金屬涂層，在剖視圖中用參考數(shù)字44表示。金屬涂層44與整個餐具相比非常薄(未示出比例)，并符合此部分表面上的輪廓形狀。根據(jù)特殊的應(yīng)用，金屬涂層的厚度可以改變，但考慮重量、成本和制造時間，薄層是優(yōu)選的。例如，在一個優(yōu)選的實施例中，厚度約為200nm或更小。各種圖案和裝飾特征可以裝飾主干，這是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員公知的，并且本發(fā)明可應(yīng)用于任何這種設(shè)計。
圖1A到圖3A中的刀叉表示為具有特殊的結(jié)構(gòu)和具體設(shè)計特征比，例如，叉的尖齒長度與整個叉長度之比，勺的碗形部分長度與整個勺長度之比，以及刀的刃長度與整個刀長之比。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員容易理解到，這些刀叉以多種的幾何結(jié)構(gòu)、特征比和尺寸進行制造和銷售。這里給出的物理結(jié)構(gòu)、設(shè)計特征和形狀比，是用于說明的目的，而不構(gòu)成限制。
而且，容易理解的是，與在整個制品上涂層對比，僅在制品的一個側(cè)面沉積金屬層，產(chǎn)生了幾個經(jīng)濟的優(yōu)勢。首先，節(jié)省金屬材料，約僅有一半的表面區(qū)域被金屬化。其次，僅有一條通過金屬化裝置的通道，零件不會受到兩次沉積過程使兩側(cè)沉積。第三，金屬化循環(huán)-時間減半，因為這需要一半長的時間，僅在制品一個側(cè)面上沉積金屬。最后，此工藝提供較簡單的制品處理，因為避免了兩側(cè)金屬化時的復雜制品處理機構(gòu)，用于旋轉(zhuǎn)/翻轉(zhuǎn)制品。
從審美觀點出發(fā)，金屬化涂層應(yīng)用在放置刀叉的傳統(tǒng)桌面擺放方式中通常朝上的一側(cè)。傳統(tǒng)擺放方式通常包括叉的尖齒朝上，勺的凹碗形朝上，刀的鋸齒邊緣朝左并離開使用者，所有餐具的把手部分朝向使用者。
刀叉上的金屬涂層可以通過任何公知的真空沉積過程涂覆。真空金屬化或沉積是在真空或低壓等離子環(huán)境中沉積薄膜或涂層。術(shù)語等離子一般是指富含離子或電子的氣態(tài)環(huán)境，用于提供明顯的電導率。真空沉積是一個應(yīng)用于一次一個沉積原子或分子的過程的術(shù)語，例如物理氣相沉積(PVD)，或低壓化學氣相沉積(LPCVD)。
典型的PVD工藝能用于達到本發(fā)明的目的。在物理氣相沉積或(PVD)工藝中，金屬粒子從固體或液體源蒸發(fā)并作為氣相在真空或低壓氣態(tài)或等離子環(huán)境中傳輸。蒸發(fā)的材料可以是元素、合金或化合物。粒子的凝聚在基體表面形成薄金屬涂層或薄膜，并為基體提供金屬外觀。膜的厚度從幾個納米到幾千納米。但是，PVD工藝通過多層涂層可用于形成厚的沉積。PVD工藝各個變量已經(jīng)在先前技術(shù)中描述過，包括真空蒸發(fā)、濺射沉積或濺射、電弧氣相沉積和離子鍍。其它的蒸發(fā)技術(shù)包括熱絲蒸發(fā)、閃蒸和電子束蒸發(fā)。
為了保證耐用金屬涂層沉積在刀叉表面上，所用的樹脂必須是高質(zhì)量的和不揮發(fā)的。常規(guī)加入商用樹脂中的加工助劑，例如礦物油和表面蠟，流出到制品的表面，并干擾獲得沉積金屬與制品表面之間的足夠附著力。
在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中(a)刀叉是由透光級的熱塑性聚合物材料制成的。樹脂完全沒有礦物油和其它揮發(fā)性添加劑；(b)金屬涂層具有與實際用餐刀叉使用的不銹鋼相同的成分；(c)金屬涂層的厚度小于200納米；(d)金屬涂層應(yīng)用在刀叉制品的僅僅一個側(cè)面；(e)金屬涂層是通過物理氣相沉積工藝形成的。
在本發(fā)明最優(yōu)選的實施例中，金屬涂層是通過真空濺射沉積(也稱為濺射沉積或濺射)應(yīng)用到塑料刀叉上的。
濺射是PVD涂層工藝，是在一個可抽空的涂層或濺射室中進行的。涂層材料的源，即靶材，裝在濺射室中與基體相反的位置，接著將濺射室抽空，一般是在1到100毫Torr(1Torr＝1mmHg)的范圍內(nèi)，其中存在惰性氣體，如氬氣。負的DC或RF電壓施加在金屬濺射靶(金屬源)上，金屬濺射靶裝在濺射或涂層室內(nèi)。在金屬靶與被涂覆的物件或基體之間形成氣體等離子或輝光放電。等離子區(qū)產(chǎn)生的正的帶電氣體離子以高的速度沖向靶材(負電勢)，使金屬靶材的中性原子尺寸粒子彈出。因此，濺射是一個非熱蒸發(fā)過程，其中表面原子是與等離子體中加速的動能轟擊粒子或氣體離子進行動量傳遞或交換后從金屬源中物理彈出。濺射技術(shù)的一個特殊優(yōu)點是沉積金屬以及金屬合金的能力，并且非常適于沉積傳統(tǒng)金屬刀叉的不銹鋼成分。
根據(jù)本發(fā)明，一種有用的、制造金屬化塑料刀叉和其它餐具的方法如下步驟1使用本領(lǐng)域內(nèi)公知的傳統(tǒng)注塑成形工藝成形塑料刀叉；步驟2利用零件取出裝置從模具中取出塑料刀叉，例如側(cè)進入或頂進入的機器人，這也是本領(lǐng)域內(nèi)公知的，是目前受讓人設(shè)備中正在使用的；步驟3將各個刀叉以非鄰接的方式放在轉(zhuǎn)移或傳送裝置上，刀叉由此被轉(zhuǎn)移到真空沉積站。各個刀叉保持單獨的或非鄰接的方式，防止相鄰的刀叉在金屬化或涂層期間形成表面遮蔽；步驟4使塑料刀叉進行真空沉積過程；步驟5收集已經(jīng)金屬化的塑料刀叉，并將它們裝入合適的包裝容器中用于運輸。
在檢驗優(yōu)選的實施例時，將叉、勺和刀形式的塑料刀叉放入實驗室大小的濺射室中。濺射設(shè)備是由Soleras，Inc.提供的。不銹鋼靶材裝在濺射室中。玻璃鋼的特定成分是304。接著，將室抽空，直到真空度達到10-3mmHg左右。將氬氣通入室內(nèi)產(chǎn)生等離子體。當真空度達到時，為陰極加上5到10kW的負壓電。在此裝置內(nèi)的涂層操作持續(xù)1到5秒。涂層之后，關(guān)閉電源，釋放真空使室內(nèi)壓力升高到大氣壓。此后，從室內(nèi)取出零件并進行檢查。對塑料刀叉進行各種測試，檢查剝離附著力。在一些試驗中，在制品的兩側(cè)都施加涂層。在其它試驗中，僅在制品的一側(cè)使用涂層。
結(jié)果發(fā)現(xiàn)，聚苯乙烯刀叉與聚丙烯刀叉相比，表現(xiàn)出很好的涂層附著力。功率7.5kW和濺射時間3秒被認為是獲得良好附著力、表面外觀和涂層均勻性的最佳條件。實驗工作中最顯著的發(fā)現(xiàn)是涂層可以應(yīng)用在清潔聚苯乙烯制品的一個側(cè)面，從而獲得所需的金屬外觀或效果。這個未預料到的結(jié)果縮短了制造時間和制造的復雜性，同時使金屬靶材的利用率達到2倍。
對于給定的硬件設(shè)備以及功率設(shè)定配置，金屬沉積或金屬層的厚度與濺射持續(xù)時間成正比。濺射持續(xù)時間(濺射時間)的延長導致金屬層厚度的相應(yīng)增大。金屬層厚度的增大正比于光密度，因此測量光密度可用于確定表面上沉積的金屬的厚度。為了得到金屬化的刀叉，1.5左右的光密度值是可以接受的。光密度值為1時，金屬層非常薄并缺少為得到制品表面吸引人的金屬外觀所需的足夠的不透明性。增大光密度可以通過提高金屬沉積或延長濺射時間。不延長濺射時間而增大光密度的另一種方法是在基材中添加透光染料或色調(diào)。通?；疑{(diào)較好，但可以使用多種顏色的色調(diào)增強刀叉的不透明性，并產(chǎn)生其它的外觀效果。
帶剝離試驗通常用于檢測刀叉表面與其上面沉積的金屬層之間的附著力。附著力也與涂層的耐磨性或耐用性相關(guān)。基體表面沉積的金屬層的附著力和耐磨性，可以通過多種方法增強。
一種提供耐磨性的方法是在刀叉上涂覆透光的熱或UV固化涂層，用于密封沉積的金屬層。這種涂層的成分在本領(lǐng)域內(nèi)是公知的，常常用于在多種制品上提供屏障外涂層，這些制品包括CD和DVD。FDA認可的、可硬化的透明涂層，可以通過噴霧的方式涂覆，也可容易地覆蓋在食品用具上。
提高耐磨性的另一種方法是使刀叉經(jīng)過火焰或電暈處理，增大刀叉的表面能。表面處理增大塑料制品表面能也是本領(lǐng)域內(nèi)公知的。典型的電暈處理能使聚苯乙烯的表面能從35達因增大到46達因。
基體或塑料制品與沉積的金屬層之間的附著力，可以通過完全沒有礦物油的無揮發(fā)性樹脂以及同樣的潤滑劑進行增強。
提高金屬涂層在制品上的附著力的另一種技術(shù)是在金屬沉積過程中，使用氬氣和氮氣的混合氣體在濺射室內(nèi)產(chǎn)生等離子體。在氮氣和氬氣的混合氣體中，氮氣的通常濃度為10％到40％之間。使用氮氣和氬氣的混合氣體進行濺射沉積產(chǎn)生的金屬層，與單獨的氬氣等離子體相比，耐用性提高。
食物可以影響涂層或?qū)е缕鋭冸x，為了確定涂層的刀叉可以用于各種食物，對刀叉在不同食物環(huán)境中進行驗證試驗。試驗包括使刀叉經(jīng)受沸水，沸騰的蕃茄醬、沸騰的水-醋混合物、檸檬汁、咖啡、冰、交替插入沸水和冰水的熱循環(huán)、運輸大批刀叉穿越國家，等等。必須注意到，涂層的刀叉，如同任何的金屬刀叉一樣，由于磨擦而易于劃傷。
雖然特別關(guān)于金屬化塑料刀叉描述了本發(fā)明，但應(yīng)該認識到，本發(fā)明可以應(yīng)用于普通的食品用具、餐具以及需要在塑料和非塑料零件上使用金屬涂層的其它工業(yè)。而且，本領(lǐng)域內(nèi)的一般技術(shù)人員應(yīng)該認識到，在不偏離本發(fā)明的精神和范圍的條件下，可以做出不同的修改、替代和適應(yīng)。
本發(fā)明的很多特征和優(yōu)點，以及結(jié)構(gòu)和功能的細節(jié)，在上面的描述中闡明了，而其中的一些新穎的特征在權(quán)利要求中說明。但是，這里的內(nèi)容僅是為了說明，在本發(fā)明的原理下，可以在安排和細節(jié)方面對權(quán)利要求中表述的條款的廣泛普遍含義表明的所有內(nèi)容做出不同變化。
通過權(quán)利要求中特別指出的手段及其綜合，可以進一步實現(xiàn)和達到本發(fā)明的目的和優(yōu)點。因此，附圖和說明書在本質(zhì)上是用于解釋說明，而不是限制。
權(quán)利要求
1.一種金屬化的塑料食品用具，包括具有展示表面和下面的塑料餐具，所述塑料餐具適于在傳統(tǒng)成套餐具出現(xiàn)時放置在桌面上，并且所述下面朝下朝向所述桌面，所述展示表面朝上；以及沉積在所述塑料餐具上的薄金屬涂層，其中所述薄金屬涂層的性質(zhì)適于接觸食物而不需要外涂層，并且具有足夠的厚度為塑料餐具提供反光的金屬狀外觀以模擬真實的金屬餐具，所述厚度小于2000納米，并且其中所述薄金屬涂層是通過真空沉積工藝沉積的。
2.如權(quán)利要求1所述的金屬化的塑料食品用具，其中所述薄金屬涂層是從以下的組中選擇的至少一種金屬銀、鋼、不銹鋼、金及其合金。
3.如權(quán)利要求1所述的金屬化的塑料食品用具，其中所述薄金屬涂層的厚度小于1000納米。
4.如權(quán)利要求1所述的金屬化的塑料食品用具，還包括在所述薄金屬涂層上的可硬化透明涂層的薄的外涂層。
5.如權(quán)利要求1所述的金屬化的塑料食品用具，其中所述塑料餐具是從以下組中選擇的用于處理和食用食品的用具叉、刀和勺。
6.如權(quán)利要求1所述的金屬化的塑料食品用具，其中所述塑料餐具由透光塑料制成。
7.如權(quán)利要求1所述的金屬化的塑料食品用具，其中所述塑料餐具由聚苯乙烯制成。
8.如權(quán)利要求1所述的金屬化的塑料食品用具，其中所述塑料餐具是由完全沒有礦物油和蠟的塑性樹脂成分獲得的。
9.如權(quán)利要求1所述的金屬化的塑料食品用具，其中所述金屬化塑料食品用具的光密度小于2.0。
10.如權(quán)利要求1所述的金屬化的塑料食品用具，其中所述塑料餐具是通過注塑成形生成的。
11.如權(quán)利要求1所述的金屬化的塑料食品用具，還包括用于增強所述塑料餐具反光金屬狀外觀的裝飾表面特征。
12.如權(quán)利要求1所述的金屬化的塑料食品用具，其中所述真空沉積工藝是濺射沉積工藝。
13.一種金屬化的塑料食品用具，包括具有展示表面和下面的塑料餐具，所述塑料餐具適于在傳統(tǒng)成套餐具出現(xiàn)時放置在桌面上，并且所述下面朝下朝向所述桌面，所述展示表面朝上；以及沉積在所述塑料餐具的展示表面上的薄金屬涂層，其中所述薄金屬涂層具有足夠的厚度為塑料餐具提供反光的金屬狀外觀，所述厚度小于幾千納米，并且其中所述薄金屬涂層是通過真空沉積工藝沉積的；并且其中所述下面的至少一部分不具有所述薄金屬涂層。
14.如權(quán)利要求13所述的金屬化的塑料食品用具，其中所述薄金屬涂層是從以下的組中選擇的至少一種金屬銀、鋼、不銹鋼、鉻、鋁、銅和金。
15.如權(quán)利要求13所述的金屬化的塑料食品用具，其中所述薄金屬涂層的厚度小于1000納米。
16.如權(quán)利要求13所述的金屬化的塑料食品用具，還包括在所述薄金屬涂層上的可硬化透明涂層的薄的外涂層。
17.如權(quán)利要求13所述的金屬化的塑料食品用具，其中所述塑料餐具是從以下組中選擇的用于處理和食用食品的用具叉、刀和勺。
18.如權(quán)利要求13所述的金屬化的塑料食品用具，其中所述塑料餐具由透光塑料制成。
19.如權(quán)利要求13所述的金屬化的塑料食品用具，其中所述塑料餐具由聚苯乙烯制成。
20.如權(quán)利要求13所述的金屬化的塑料食品用具，其中所述金屬化塑料食品用具的光密度小于2.0。
21.如權(quán)利要求13所述的金屬化的塑料食品用具，其中所述塑料餐具是通過注塑成形生成的。
22.如權(quán)利要求13所述的金屬化的塑料食品用具，其中所述塑料餐具是由完全沒有礦物油和蠟的塑性樹脂成分獲得的。
23.如權(quán)利要求13所述的金屬化的塑料食品用具，還包括用于增強所述塑料餐具反光金屬狀外觀的裝飾表面特征。
24.如權(quán)利要求13所述的金屬化的塑料食品用具，其中所述真空沉積工藝是濺射沉積工藝。
25.一種用于處理和食用食品的餐具，包括透光塑料并具有多個表面，其中所述多個表面中至少有一個表面被薄的金屬層裝飾性地增強，所述薄的金屬層是通過濺射沉積工藝沉積的，由此為所述餐具的至少一部分提供反光的金屬狀外觀，并且所述部分的所述層小于2000納米。
26.一種通過如下工藝制造的金屬化塑料食品用具，所述工藝的步驟包括通過注塑成形工藝成形塑料餐具，其中所述塑料餐具具有第一表面和第二表面；將所述塑料餐具放入真空金屬化單元中，使所述第一表面朝向所述真空金屬化單元；通過真空沉積工藝在所述塑料餐具的第一表面上沉積薄的金屬涂層，所述涂層的厚度足以為塑料餐具提供反光的金屬狀外觀，其中所述厚度小于幾千納米，并且其中所述薄的金屬涂層是從以下的組中選擇的至少一種金屬鋼、不銹鋼、金、銀及其合金。
27.通過如權(quán)利要求26所述的工藝生產(chǎn)的金屬化塑料食品用具，還包括噴涂透明涂層并硬化所述透明涂層的步驟。
28.通過如權(quán)利要求26所述的工藝生產(chǎn)的金屬化塑料食品用具，其中所述真空沉積工藝是物理氣相沉積。
29.通過如權(quán)利要求26所述的工藝生產(chǎn)的金屬化塑料食品用具，其中所述物理氣相沉積是濺射氣相沉積。
30.通過如權(quán)利要求29所述的工藝生產(chǎn)的金屬化塑料食品用具，其中所述濺射沉積工藝使用由氬氣和氮氣混合氣體產(chǎn)生的等離子體。
31.通過如權(quán)利要求26所述的工藝生產(chǎn)的金屬化塑料食品用具，其中所述薄金屬涂層是不銹鋼合金。
32.通過如權(quán)利要求26所述的工藝生產(chǎn)的金屬化塑料食品用具，其中所述塑料餐具是由具有彩色色調(diào)的透光塑料成形的。
33.通過如權(quán)利要求26所述的工藝生產(chǎn)的金屬化塑料食品用具，其中所述薄金屬涂層的厚度小于1000納米。
34.如權(quán)利要求1所述的金屬化的塑料食品用具，其中所述薄金屬涂層的厚度小于500納米。
35.如權(quán)利要求1所述的金屬化的塑料食品用具，其中所述薄金屬涂層的厚度小于200納米。
36.如權(quán)利要求13所述的金屬化的塑料食品用具，其中所述薄金屬涂層的厚度小于500納米。
37.如權(quán)利要求13所述的金屬化的塑料食品用具，其中所述薄金屬涂層的厚度小于200納米。
38.一種金屬化的塑料食品用具，包括具有展示表面和下面的塑料餐具，所述塑料餐具適于在傳統(tǒng)成套餐具出現(xiàn)時放置在桌面上，并且所述下面朝下朝向所述桌面，所述展示表面朝上；以及沉積在所述塑料餐具的至少一部分上的不具有外涂層的薄金屬涂層，其中所述薄金屬涂層具有足夠的厚度為塑料餐具提供反光的金屬狀外觀，所述厚度小于1000納米，并且其中所述薄金屬涂層是通過真空沉積工藝沉積的。
39.如權(quán)利要求38所述的金屬化的塑料食品用具，其中所述薄金屬涂層是從以下的組中選擇的至少一種金屬銀、鋼、不銹鋼和金。
40.一種金屬化的塑料食品用具，包括主要由聚苯乙烯聚合物構(gòu)成且具有展示表面和下面的塑料餐具，所述塑料餐具適于在傳統(tǒng)成套餐具出現(xiàn)時放置在桌面上，并且所述下面朝下朝向所述桌面，所述展示表面朝上；以及沉積在所述塑料餐具上的不具有外涂層的薄金屬涂層，其中所述薄金屬涂層具有足夠的厚度為塑料餐具提供反光的金屬狀外觀，所述厚度小于2000納米，并且其中所述薄金屬涂層是通過真空沉積工藝沉積的。
41.如權(quán)利要求40所述的金屬化的塑料食品用具，其中所述薄金屬涂層是不銹鋼。
42.如權(quán)利要求40所述的金屬化的塑料食品用具，其中所述塑料餐具是從以下組中選擇的用于處理和食用食品的用具叉、刀和勺。
43.一種金屬化的塑料食品用具，包括具有展示表面和下面的塑料餐具，所述塑料餐具適于在傳統(tǒng)成套餐具出現(xiàn)時放置在桌面上，并且所述下面朝下朝向所述桌面，所述展示表面朝上；以及通過真空沉積工藝沉積在所述塑料餐具上的薄金屬涂層，其中所述薄金屬涂層具有足夠的厚度為塑料餐具提供反光的金屬狀外觀，所述厚度小于2000納米，并且其中所述薄金屬涂層包括從以下的組中選擇的至少一種金屬銀、鋼、不銹鋼、金及其合金。
44.如權(quán)利要求43所述的金屬化的塑料食品用具，其中所述塑料餐具的幾乎全部都被涂覆有所述薄金屬涂層。
45.一種金屬化的塑料食品用具，包括具有展示表面和下面的塑料餐具，所述塑料餐具適于在傳統(tǒng)成套餐具出現(xiàn)時放置在桌面上，并且所述下面朝下朝向所述桌面，所述展示表面朝上；以及通過真空沉積工藝沉積在所述塑料餐具上的薄金屬涂層，其中所述薄金屬涂層具有足夠的厚度為塑料餐具提供反光的金屬狀外觀，所述厚度小于2000納米，并且其中所述薄金屬涂層是不銹鋼。
46.如權(quán)利要求45所述的金屬化的塑料食品用具，其中所述薄金屬涂層僅僅沉積在所述塑料餐具的一部分上。
47.如權(quán)利要求45所述的金屬化的塑料食品用具，其中所述塑料餐具是從以下組中選擇的至少一種叉、刀和勺。
全文摘要
一種塑料刀叉套具(10，20，30)，主要由諸如聚苯乙烯的塑料制成，并具有金屬涂層(14，24，34)為該刀叉套具提供金屬刀叉或銀器的外觀。該塑料刀叉或各種餐具是使用傳統(tǒng)注塑成形技術(shù)成形，并以單獨的、非鄰接的方式進行真空金屬化處理，由此在它們的至少一個表面上沉積一層薄的金屬層。在本發(fā)明的最優(yōu)選實施例中，塑料刀叉或套具由透光級聚苯乙烯樹脂成形，并且通過真空濺射沉積在僅僅一個表面上沉積一層薄的不銹鋼層。
文檔編號B25G1/10GK101053477SQ20071009737
公開日2007年10月17日 申請日期2002年8月26日 優(yōu)先權(quán)日2001年8月24日
發(fā)明者A·K·米撒爾, D·戈登, R·尚, T·E·埃爾斯沃思, W·A·蓋洛普 申請人:沃丁頓北美公司