Многослойное влагозащитное покрытие для тестера электрохимического элемента

 

Использование: для визуальной индикации состояния электрохимического элемента. Светопрозрачное влагозащитное покрытие содержит множество очень тонких чередующихся слоев неорганического материала и органического материала на гибкой полимерной подложке, слои не являются ламинированными, их образуют на подложке путем процесса осаждения или покрытия, толщина слоев составляет менее 5 мкм, органический материал является гидрофобным полимером, а неорганический материал выбирают из группы, состоящей по меньшей мере из одного неорганического соединения кремния и их смеси. Технический результат изобретения - предотвращение воздействия влаги на эффективность тестера электрохимического элемента, чувствительного к влажности. 3 с. и 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Настоящее изобретение относится к прозрачному для света многослойному влагозащитному покрытию. Более конкретно, настоящее изобретение относится к прозрачному для света тонкопленочному многослойному композиту, содержащему несколько чередующихся слоев неорганического материала и органического материала, используемому в качестве влагозащитного покрытия для чувствительного к влажности тестера на батарейке, к способу получения указанного покрытия и к электрохимическому элементу, имеющему на себе чувствительный к влажности тестер и указанное покрытие.

Использование тестеров состояния элемента, таких как термохромные тестеры напряжения, для визуальной индикации состояния электрохимического элемента, повсеместно называемого батарейкой, становится очень популярным и представляет собой ценное дополнительное качество для изготовителя и потребителя батарейки. Эти тестеры используются с первичными электрохимическими элементами, хотя они могут также быть использованы потребителями для указания состояния вторичного или перезаряжаемого электрохимического элемента, если это желательно. Наиболее популярный тестер, используемый в настоящее время, представляет собой термохромный материал в контакте с электрическим сопротивлением, которое интегрировано в упаковку пакета ячеек, в котором ячейки являются первичными щелочными элементами. Пользователь помещает концы батареи между контактами тестера и прижимает контактные концы тестера для создания электрического контакта с клеммами элемента, которые являются концами элемента. Сопротивление тестера нагревается пропорционально напряжению батарейки, и термохромный материал обеспечивает количественную индикацию состояния батарейки в диапазоне индикаций от "хорошее" до "заменить". Этот вид тестера описан, например в патенте США 4723656. Интегрированный термохромный тестер в упаковке, который также может быть удален из упаковки, описан в патенте США 5188231. Позднее были разработаны набатареечные тестеры, в которых индикатор состояния батарейки является интегрированной частью этикетки батарейки. Эти встроенные тестеры бывают как термохромного типа, так и нового, электрохимического типа. Пример термохромного типа встроенного в элемент тестера описан в публикации EP N 0523901 A1, описание которого включается сюда путем ссылки. В отличие от термохромного типа, который использует сопротивление для производства тепла, и который по этой причине не может быть постоянно присоединен к клеммам элемента без его непрерывного разряда, новый электрохимический тестер не извлекает тока из элемента и поэтому может быть постоянно присоединен к клеммам батарейки без ее разряда. Этот новый тип тестера описан в патентах США 5250905 и 5339024, описания которых включены сюда путем ссылки. Как описано в патенте США 5355089, некоторые электрохимические набатареечные тестеры состояния используют гигроскопичные или по-иному влагочувствительные электролитные композиции, и потому необходимы средства предотвращения их контакта с влагой, которая бы ослабила эффективность тестера. Настоящий патент описывает ряд решений этой проблемы, наилучшим из которых является слюда. Однако, хотя она и является относительно недорогой, слюда недоступна в виде длинных полос или в других формах, которые бы позволили получить рулон слюды, необходимый для экономически жизнеспособных коммерческих способов производства.

Настоящее изобретение в широком смысле относится к прозрачному для света многослойному композиту, который пригоден для использования в качестве влагозащитного покрытия, и который содержит несколько чередующихся слоев твердого неорганического материала и твердого органического материала, и который формируется путем размещения или образования указанных слоев на подложке. Точнее, изобретение касается многослойного композита, который содержит чередующиеся неорганические и органические слои, размещенные или образованные на соответствующей подложке, и который пригоден для использования в качестве влагозащитного покрытия. Один из аспектов изобретения касается композита, используемого в качестве влагозащитного покрытия для влагочувствительного набатареечного тестера, который визуально указывает состояние электрохимического элемента. В другом аспекте, настоящее изобретение касается способа создания многослойного композита. В других аспектах, настоящее изобретение касается многослойного композитного влагозащитного покрытия в сочетании с набатареечным тестером и к электрохимическому элементу, имеющему влагочувствительный набатареечный тестер, защищенный от влажности с помощью указанного композита. В дальнейших вариантах композит по изобретению используют в качестве упаковочного материала для влагочувствительных материалов и изделий. Таким образом, светопрозрачность тонкой пленки многослойного композита, когда ее используют для зашиты тестера от влаги, позволяют видеть состояние элемента, которое проявляется посредством цвета, значков или других визуальных средств, используемых в тестере для указания состояния элемента. Когда композит по изобретению используют в качестве влагозащитного покрытия для набатареечного тестера, подложка является гибким полимером, а композит является гибким светопрозрачным тонкопленочным композитом, в котором толщина каждого из слоев не превышает пяти микрон, а предпочтительно, не превышает одного микрона. В качестве набатареечного тестера подразумевается тестер, который визуально указывает состояние батарейки и является постоянно соединенным с ней либо посредством этикетки, либо с помощью других средств, хотя и изобретение и не ограничивается этим вариантом. Одним из типов влагочувствительных набатареечных тестеров, для которого используют композит по изобретению для защиты от влаги, является тестер, который включает по меньшей мере один гигроскопичный материал, который, если он адсорбирует пары воды, уменьшает или разрушает эффективность тестера. Другим типом является тестер, который включает по меньшей мере один компонент, требующий присутствия определенного количества воды для работы, и который поэтому нуждается в защите для поддержания такого уровня влажности в тестере.

Как неорганический материал, так и органический материал являются твердыми, и, за исключением кремния, являются соединениями, а не элементами. Органический материал, как правило, является полимером, и, за исключением кремния, неорганический материал является таким неметаллическим соединением, как нитрид, оксид и тому подобное. Кремний обычно не считают металлом ввиду его полупроводниковой природы. Как неорганический, так и органический материалы, нерастворимы в воде и имеют настолько малую паропроницаемость, насколько это возможно, для применений в качестве влагозащитных покрытий, и при этих применениях органический материал предпочтительно содержит гидрофобный полимер. Способ создания многослойного композита предусматривает размещение или образование первого слоя на подложке с последующим размещением второго слоя поверх первого слоя, при этом первый и второй слои являются различными материалами, причем один является органическим материалом, а другой является неорганическим материалом, и размещение чередующихся слоев повторяют до тех пор, пока не будет получено количество слоев, необходимое для получения многослойного композита, имеющего желаемые свойства. Таким образом, композит по изобретению отличается от ламинатов, в которых различные ранее существующие слои адгезивно или другим образом связывают друг с другом, посредством того, что чередующиеся слои композита по изобретению формируют in situ на подложке или других слоях композита с помощью процессов осаждения или покрытия. Органический материал наносят как жидкость, а затем его отверждают или сушат, или его наносят в виде мономера, форполимера или полимера путем физического осаждения из паровой фазы (ФПО), напыления, плазменного физического осаждения из паровой фазы, химического осаждения из паровой фазы или другими подобными методами. Неорганические слои также наносят с помощью методов, известных специалистам в данной области, которые включают различные ФПО процессы, напыление, плазменное физическое осаждение из паровой фазы, химическое осаждение из паровой фазы (ХПО) и другие соответствующие способы в зависимости от используемых материалов, как далее описано ниже.

Краткое описание чертежей.

На фиг. 1 представлена схема четырнадцатислойного влагозащитного покрытия на полимерной подложке по изобретению; на фиг. 2 (a) - схема поперечного сечения набатареечного тестера с влагозащитным покрытием по изобретению, и на фиг. 2(b) - схематичный боковой вид с частичным вырезом батарейки с набатареечным тестером и влагозащитным покрытием по изобретению.

На фиг. 1 схематически показано тонкопленочное многослойное влагозащитное покрытие 10 по изобретению, содержащее пластиковую или полимерную подложку 12, на которой осаждают многослойную структуру, включающую семь слоев неорганического материала (14, 18, 22, 26, 30, 34 и 38), и семь слоев органического материла (16, 20, 24, 28, 32, 36 и 40). Толщина каждого органического слоя находится обычно в пределах от около 100 до 5 микрон, а предпочтительно, от около 1000 (около 1 микрона). Толщина неорганических слоев находится обычно в пределах от около 100 до 10000 , а предпочтительно в пределах от около 200 до 5000 , а еще более предпочтительно, от около 300 до 3000 .

Таким образом, за исключением использования слоев органического материала и использования пластиковой подложки, влагозащитное покрытие, показанное на фиг. 1, в отношении чередующиеся наносимых материалов и толщины слоев подобно тонкопленочным многослойным оптическим интерференционным покрытиям, используемым на лампах, линзах, рефлекторах и других оптических изделиях. Также толщина каждого из слоев, находящаяся в этих пределах, как предполагается, позволяет отнести композиты по изобретению к категории тонких пленок. Количество слоев и их толщина будут, разумеется, зависеть от предполагаемого применения многослойного композита и от материалов, используемых для неорганических слоев и органических слоев. В конкретной конструкции, показанной на фиг. 1, все органические слои одной и той же толщины и состоят из одинакового материала, и все неорганические слои одной и той же толщины и состоят из одинакового материала. Однако изобретение включает в себя также многослойные композиты, в которых не все неорганические слои одной и той же толщины или не все состоят из одного и того же материала, а также в которых не все органические слои одной и той же толщины или состоят из одного и того же материала, как будет понятно специалисту в данной области. Также, несмотря на то, что исключительно для удобства показан четырнадцатислойный, не считая подложки, композит, композит по изобретению может иметь больше или меньше слоев, с общим количеством слоев (не считая подложки) от 3 до 100 или более, предпочтительно не менее 4, а еще более предпочтительно, по меньшей мере 6 чередующихся слоев, в зависимости от аккуратности и умения специалиста. Кроме того, в варианте, показанном на фиг. 1, все слои находятся с одной стороны подложки. Если желательно, то чередующиеся неорганические и органические слои наносят с обеих сторон (сверху и снизу) подложки для создания композита по изобретению.

Далее, хотя многослойный композит по изобретению может применяться в качестве тонкопленочного влагозащитного покрытия набатареечных электрохимических тестеров, он также пригоден в качестве влагозащитного покрытия чувствительных к влаге пищевых продуктов, химикатов, фармацевтических продуктов, электроники и изделий, как указано выше. Специалисты в данной области заметят, что он может также быть сконструирован и использован для других применений, включая оптические применения, такие как селективное пропускание и отражение различных областей спектра электромагнитных волн. В еще одном варианте, подложка 12 является сеткой, имеющей отделяемую поверхность, на которой осаждают первый слой, так что многослойная структура может быть удалена и использована без подложки, на которой она сформирована, или она может быть сформирована на первой подложке, а затем перенесена на вторую подложку. Для большинства применений подложка должна быть прочной, чтобы позволить манипуляции с многослойным композитом и использовать его в процессе производства без разрушения. В варианте, показанном на фиг. 1, подложка не имеет отделяемой поверхности, причем первый слой, наносимый на подложку, является неорганическим слоем, а последний наносимый слой является слоем органического материала. Если это желательно, первый слой, наносимый на подложку, может быть слоем из органического материала, а последний слой композита может быть слоем либо неорганического, либо органического материала, в зависимости от предполагаемого применения. Как обнаружено, если неорганический материал является относительно хрупким, или материалом, который склонен к растрескиванию, таким как стекло, оксид или нитрид металла, его покрытие слоем органического материала защищает его от повреждений при манипулировании, уменьшает его тенденцию к растрескиванию, когда его сгибают или перегибают, а также предохраняют неорганический материал от прямого контакта с коррозионными окружающими средами. В этом случае наружные слои композита являются органическим материалом, один из которых может быть пластиковой или полимерной подложкой, как показано на фиг. 1.

Также обнаружена практическая важность того, чтобы слои неорганического материала были разделены слоями органического материала для предотвращения растрескивания и распространения дефектов в неорганическом материале. То есть было обнаружено, что трещина, "прокол" или другой дефект в неорганическом слое, нанесенном с помощью одного из способов, упоминаемых ниже, имеет тенденцию к переходу в следующий слой неорганического материала, если следующий слой неорганического материала наносят непосредственно на первый слой неорганического материала без промежуточного слоя органического материала между двумя неорганическими слоями. Это явление значительно уменьшает пригодность композита в качестве влагозащитного покрытия, поскольку такие дефекты часто распространяются сквозь все неорганические материалы, если между неорганическими слоями не размешают никакого слоя органического материала. Подобное явление иногда происходит в отношении органических материалов, послойно нанесенных в соответствии с практикой настоящего изобретения. Таким образом, при нанесении слоев возможен макроскопический или микроскопический "прокол", включение частички пыли и т.п., что создает удобный путь для прохождения паров воды. Путем нанесения слоев неорганического материала и слоев органического материала с чередованием, такие дефекты слоя или пленки теряют тенденцию к распространению в верхний слой, который покрывает дефект, тем самым обеспечивая более длинный и более неудобный путь для паров воды при прохождении, часто до такой степени, что суммарный результат от прохождения через такие дефекты отсутствует. С технической точки зрения, более тонкие слои и большее число слоев обеспечивают более высокое сопротивление по отношению к прохождению паров воды через композит. Однако стоимость влагозащитного покрытия возрастает с каждым осажденным слоем. Также, если слои слишком тонкие, возможно неполное покрытие поверхности в слоях, и это вызовет увеличение проницаемости композита.

Как указано выше, тонкопленочный многослойный композит по изобретению отличается от известных ламинатов тем, что слои по изобретению формируют путем нанесения чередующихся неорганических и органических материалов один поверх другого с помощью средств, отличающихся от ламинирования, с помощью адгезии или других способов ламинирования заранее приготовленных полос или листов материала для получения слоистой структуры. Также, в объем настоящего изобретения входит использование одного или нескольких органических слоев, которые сами по себе состоят из двух или нескольких слоев различных органических материалов, такое как использование первичного слоя или покрытия поверх слоя неорганического материала для достижения лучшей адгезии между слоями, поверх которого осаждают другой органический материал с композитом из двух различных органических материалов, образующих органический слой. Подобно этому, могут наноситься два или более слоев неорганического материала для образования неорганического слоя в контексте изобретения. Также находится в объеме настоящего изобретения и образует одно из его выполнений то, что один или несколько композитов по изобретению (которые не являются ламинированными) могут быть ламинированы друг на друге или с другими композитами или материалами, или с их сочетаниями с образованием ламинированной структуры, содержащей по меньшей мере один или по меньшей мере два или более композитов по изобретению. Кроме того, хотя тонкопленочный многослойный композит по изобретению не включает в себе металлические слои, композит по изобретению может быть ламинирован на один или несколько слоев из металла, или один или несколько слоев металла могут быть нанесены на композит по изобретению, причем дополнительный композит по изобретению наносят поверх металлического слоя с образованием структуры, содержащей чередующиеся композиты по изобретению и слои металла. Специалисту в данной области понятно, что металлические покрытия непрозрачны для света. Однако такие структуры пригодны для использования в применениях, которые не требуют свойств светопрозрачности.

Способы нанесения слоев, пригодные для изобретения, включают различные способы ФПО, такие как напыление и испарение, включая радиочастотное (РЧ) напыление и магнетронное напыление. Также пригодны плазменная полимеризация, осаждение мономеров из паровой фазы, различные виды ХПО, химическое размещение из паровой фазы при низком давлении (НПОНД) и плазменное химическое размещение из паровой фазы (ПХПО), т.е. процессы, хорошо известные специалистам в данной области. Быстрые способы нанесения покрытия на подложку в рулоне или катушке также известны и описаны, например в патентах США 4543275 и 5032461. Как правило, в вакуумной камере за один прием наносят только один слой. Таким образом, например наносят слой окиси кремния или нитрида кремния на одну или обе стороны подложки. Затем материал, наносимый в вакуумной камере, заменяют на полимер или же покрытую окисью кремния подложку переносят в другую камеру, в которой наносимый материал представляет собой полимер. Затем полимер наносят поверх слоя (слоев) окиси кремния. Однако, если это желательно, по меньшей мере один слой неорганического материала и по меньшей мере один слой полимера наносят на одну или обе стороны в одной вакуумной камере путем использования в камере по меньшей мере двух распыляемых материалов (в случае нанесения напылением). Например в вакуумной камере, в которой нанесение слоя осуществляется с помощью магнетронного напыления, подложка является одним электродом, а материал, который должен быть напылен на подложку, является другим электродом, причем в случае нанесения на одну сторону подложки плазма находится в пространстве между электродами. Альтернативно, наносимый материал и плазма находятся над обеими сторонами подложки для нанесения слоя с обеих сторон одновременно, в этом случае слой либо неорганического, либо органического материала, наносят на обе стороны подложки или подложки, покрытой слоем неорганического материала. Далее, если подложка представляет собой движущуюся ленту или пленку, тогда за один проход подложки наносят более чем один материал путем последовательного использования более чем одного наносимого материала в вакуумной камере. Таким образом, если подложка является движущейся лентой или пленкой, при движении подложки мимо первой мишени или группы мишеней осаждается слой неорганического материала на одну или обе стороны подложки. При продолжении движения подложки, покрытой неорганическим материалом, ко второй мишени или группе мишеней в камере после первой мишени (мишеней), наносят слой органического материала поверх слоя неорганического материала и так далее. Таким образом, несколько слоев наносят на подложку за один проход подложки в вакуумной камере с образованием композита, показанного на фиг.1 или композита, который имеет больше или меньше слоев, чем тот, который показан на фиг. 1.

Как указано выше, патенты США 5250905 и 5339024 описывают набатареечные тестеры, которые могут содержать один или несколько влагочувствительных компонентов, и поэтому требуют, чтобы в сочетании с влагочувствительным тестером использовалось влагозащитное покрытие для предотвращения ослабления эффективности тестера из-за воздействия влаги, как описано в патенте США 5355089. Одно из решений, которое имеет определенный успех, предусматривает использование маленького листа слюды, размещенного над набатареечным тестером и герметизированного соответствующим влагоустойчивым материалом, таким как полиизобутилен, как описано в патенте США 5355089. На фиг. 2 (a) и (b) показывают схематический вид сбоку набатареечного тестера с влагозащитным покрытием по изобретению и вид сверху с частичным вырезом, соответственно. Таким образом, фиг. 2 схематически иллюстрирует электрохимический элемент 50, имеющий встроенный тестер 60 типа, описанного в патенте США 5355089, который содержит по меньшей мере один гигроскопичный компонент (не показан), с тонкопленочным многослойным влагозащитным покрытием 70 по изобретению, расположенным поверх тестера и герметизированным вместе с наружной стороной металлического контейнера 52 элемента посредством герметизатора 62, и с пластиковой этикеткой 70, обернутой вокруг батарейки и расположенной поверх тестера с уплотнением и влагозащитным покрытием. Тестер 60 имеет толщину около 10 мил (254 мкм) и присоединен к положительной 54 и отрицательной 56 клеммам элемента с помощью непоказанных средств. Как описано в патенте США 5355089, тестер 60 содержит, например апротонный органический электролит, такой как 0,5 М раствор трифторметансульфоната лития в смеси растворителей из 2,4: 2,4:5,2 об.ч. этиленкарбоната: пропиленкарбоната: поливинилидинфторида, который очень гигроскопичен. Герметизирующим материалом может быть, например модифицированный малеиновым ангидридом эластомер полибутилена, доступный как Vestoplast V3645 фирмы Huls Inc., Piscataway, NJ. Этикетка представляет собой ПВХ пленку, обернутую вокруг батарейки, и покрытия/тестера/герметизатора, а затем обтянутую на батарейке с помощью термоусадки. Практически, для использования в качестве влагозащитного покрытия набатареечного тестера, такого как тестеры на этикетке, описанные в патентах, упоминаемых выше, общая толщина влагозащитного покрытия не составляет более одного или полутора мил (25-38 мкм), а предпочтительно, в пределах около одного мила (25 микрон).

В выполнении, которое показано на фиг. 2, влагозащитное покрытие по изобретению 10 содержит пленку толщиной один мил (25 мкм) из полиэтиленнафтената в качестве подложки, на которой осаждены четырнадцать чередующихся неорганических и органических слоев, как показано на фиг. 1, с получением влагозащитного покрытия толщиной 1,3 мил (33 мкм), и имеющего паропроницаемость менее, чем 5 микрограмм воды на квадратный дюйм площади поверхности (0,78 мкг/кв. см) за 24 часа, измеренную в соответствии со способом, представленным ниже. Все семь неорганических слоев являются слоями водоустойчивого стекла толщиной 500 , имеющего относительно низкую температуру плавления около 350^oC, каждый из которых нанесен напылением. Семь органических слоев являются, каждый, монохлорированным ди-параксилиленовым полимером толщиной в один микрон, причем каждый слой наносят на слой стекла с помощью полимеризации мономера монохлорированного параксилилена в паровой фазе на каждый слой напыленного стекла. Первый слой, который наносят на подложку, является стеклом, а последний или четырнадцатый слой является полимером, как показано на фиг. 1. Таким образом, обе стороны каждого слоя стекла покрывают слоем органического материала, один из которых является монохлорированным ди-параксилиленовым полимером, а второй из которых является подложкой.

Влагопроницаемость многослойного влагозащитного покрытия измеряют путем размещения полосы безводного поливинилиденфторида шириной 0,25 дюйма (6,35 мм), и толщиной 3 мил (76 мкм), которая содержит 70 мас.% сульфолана вместе с апротонным органическим электролитом, таким как 0,5М литийтрифторметансульфонат, в смеси растворителей из 2,4: 2,4:5,2 об.ч. этиленкарбоната: пропиленкарбоната: поливинилиденфторида, который является очень гигроскопичным, на толстую алюминиевую фольгу толщиной 0,5 мил (12,7 мкм), поверх которой наносят прямоугольник из влагозащитного покрытия по изобретению шириной 1 дюйм (2,54 см) и длиной 1,7 дюйма (4,318 см), который герметизируют с алюминиевой фольгой с помощью герметизатора толщиной 2,5 мил (63,5 мкм), как в общем виде показано на фиг. 2. Герметизатор представляет собой модифицированный малеиновым ангидридом эластомер полибутилена. Сборку проводят в безводных условиях в герметичном перчаточном боксе. Затем полученный таким образом ламинат выдерживают при 60^oС и 100% относительной влажности в течение одной недели, после чего полоска поливинилидинфторида, содержащая сульфолан, удаляется и анализируется на содержание влаги с помощью титрометрии по Карлу Фишеру. Этот способ исследований и эти условия исследований упоминаются и используются ниже в примерах. Влагозащитное покрытие по изобретению будет иметь паропроницаемость менее 15 (2,3 мкг/кв. см), а более предпочтительно, менее 5 (0,78 мкг/кв. см), а еще более предпочтительно, менее, чем 3 микрограмма воды на квадратный дюйм (0,46 мкг/кв. см) площади поверхности в течение периода в 24 часа, измеренную в соответствии с процедурой и условиями испытаний.

При получении многослойного тонкопленочного композита по изобретению, пригодного для использования в качестве влагозащитного покрытия набатареечного тестера, слои наносят на гибкую подложку, такую как гибкая полимерная пленка в форме ленты, полосы или сетки, или другого соответствующего материала подложки. Подложка необязательно должна быть гибкой, хотя при изготовлении многослойного композита по изобретению для использования в качестве влагозащитного покрытия предпочтительной является гибкая подложка, выдерживающая перегибы в процессе производства покрытия и его нанесения на элемент. Первый слой, наносимый на подложку, обычно является неорганическим слоем, хотя, если это желательно, то в качестве первого слоя может быть нанесен органический материал. В качестве иллюстративного, но не ограничивающего примера способа по изобретению, первый слой неорганического материала наносят на подложку, а первый слой органического материала наносят поверх первого слоя неорганического материала. Затем второй слой неорганического материала наносят поверх первого слоя органического материала. После этого, второй слой органического материала наносят поверх второго слоя неорганического материала. Затем третий слой неорганического материала наносят поверх второго слоя органического материала, и третий слой органического материала наносят поверх третьего слоя неорганического материала. Это нанесение чередующихся слоев продолжают до тех пор, пока не будет достигнуто желаемое количество слоев, как показано на фиг. 1. Хотя фиг.1 показывает всего четырнадцать слоев или семь пар слоев, действительное их количество будет зависеть от применения и используемых материалов, и, в самом широком смысле, многослойный композит по изобретению может быть использован для применений, отличающихся от влагозащитного покрытия, и количество слоев может изменяться от четырех до более сотни.

Неорганический слой является твердым неорганическим соединением, таким как оксид, нитрид, карбид, фосфид или фосфат и так далее, и смесями таких соединений по меньшей мере одного элемента, выбранного из группы, состоящей по существу из металла, кремния, бора, мышьяка и их смеси. В одном из вариантов неорганический материал является кремнием. Например неорганическое соединение может быть нитридом, фосфидом, фосфатом, оксидом, карбидом, оксигалогенидом, боратом, силикатом, вольфраматом и так далее, и их смесями. В иллюстративном, но не ограничивающем примере выполнения, в котором неорганический слой представляет собой смесь неорганических соединений, он является влагостойким стеклом, содержащим олово-свинец-фосфор-оксифторидную композицию, наносимую с помощью процесса ФПО напыления. Другие композиции влагостойкого стекла также пригодны для использования, причем иллюстративные, но не ограничивающие примеры включают борфосфосиликаты, силикаты, фосфаты, арсенаты, ванадаты, ниобаты, танталаты, вольфраматы, борсиликаты, алюмосиликаты, халькогенидное стекло, такое как сульфид, селенид, теллуриды и тому подобное. В другом варианте соединение является нитридом, таким как аморфный нитрид кремния или любой подходящий металлический нитрид, моноокись, такая как SiO_x, Al₂O₃, Nb₂O₅, или соединением, таким как Si_xN_yO_z, или одно или несколько интерметаллических соединений, и так далее. Для использования во влагозащитном покрытии набатареечного тестера по изобретению неорганический слой должен быть стабильным в присутствии влаги и иметь определенную степень гибкости, чтобы позволить сгибание многослойного композита без растрескивания неорганического слоя и тем самым снижения его влагозащитной эффективности. В применениях в качестве влагозащитного покрытия неорганическое соединение является нерастворимым в воде, что означает, что оно имеет скорость растворения в воде менее 1·10^-4 г/см²·мин при 25^oC, предпочтительно, менее 1·10^-5 г/см²·мин при 25^oC, и еще более предпочтительно, менее 1·10^-6 г/см²·мин при 25^oC. Органический слой является твердым и чаще всего полимерным материалом. Этот материал является аморфным или кристаллическим, эластомерным, сшитым или несшитым полимером и так далее, в зависимости от применения композита и окружающей среды, с которой он соприкасается при использовании. Примеры некоторых соответствующих материалов включают микрокристаллические воски, конденсированные ароматические соединения, полиолефины, поливинилхлорид и его сополимеры, полиоксилилены, фторполимеры и сополимеры, эластомеры, полиимиды, полиамиды, эпоксиполимеры, полиэстеры, полиэфиры, поликарбонаты, галогенированные полимеры и так далее, в качестве иллюстративных, но не ограничивающих примеров. Галогенированные полимеры, включая фторированные углеродные полимеры, также пригодны для использования по изобретению. Акриловые полимеры пригодны для использования по изобретению, и в частности, акриловые полимеры, имеющие углеводородные цепи по меньшей мере из шести атомов углерода, такие как акриловые полимеры, получающиеся в реакции, в которой мономер (мономеры) включают гексилметакрилат и/или гексилакрилат и так далее. Твердые органические материалы, которые не являются полимерными, но пригодны для использования по изобретению, включают, например метилстеарат, стеариновую кислоту и т. п. Для использования в влагозащитном покрытии органический материал является предпочтительно гидрофобным, стабильным во влажной окружающей среде, и с низкой, насколько это возможно, паро- или влагопроницаемостью. Для применения во влагозащитном покрытии слой органического материала должен иметь влагопроницаемость менее 20 г·мил/100 дюйм²·24 час (0,0079 г·см/100 см²·24 час), предпочтительно, менее 10 г·мил/100 дюйм²·24 час (0,0039 г·см/100 см²·24 час), а более предпочтительно, менее 1 г·мил/100 дюйм²·24 час (0,00039 г·см/100 см²·24 час) при 100^oF и 90% RH, согласно стандарту ASTM F 372-78, v. 15.09 1994 Annual Book of ASTM Standards. Органический слой наносят путем покрытия в потоке, путем конденсации, путем реакции мономеров или форполимеров, путем ФПО, такого как напыление, путем ХПО или любого из других способов, в целом упоминаемых выше, в зависимости от желаемых свойств композита, природы органического слоя и используемого метода нанесения, как будет ясно специалисту в данной области.

Далее изобретение поясняется с помощью последующих примеров ниже, во всех влагозащитное покрытие является прозрачным для света.

Примеры Пример 1. В этом примере пленка полиэтиленнафтената (Kalodex) толщиной 1 мил является подложкой, и ее покрывают напылением в атмосфере аргона при давлении 1,5 миллитор влагоустойчивым стеклом с образованием слоя стекла толщиной 500 Ангстрем на пленке. Стекло имеет температуру плавления около 350^oC, и его получают путем плавления при 500^oC в шихте, имеющей состав SnO: SnF₂:PbO:P₂O₅ в соотношении 32:37:8:23, в течение 30 минут. После этого слой стекла покрывают слоем монохлорированного ди-параксилиленового полимера толщиной 1 микрон путем нагревания твердого монохлорированного ди-параксилиленового димера (Parylene С от Юнион Карбайд) до температуры около 160^oC для испарения димера, пропускания паров через трубчатую печь для разложения димера на мономеры при около 600^oC и прохождения образованного таким образом мономера в вакуумную камеру, имеющую давление 20 тор и температуру около 30^oC, в которой мономер конденсируют и полимеризуют на месте на покрытой стеклом подложке с образованием слоя полимерного покрытия толщиной 1 микрон непосредственно на слое стекла. Этот полимер представляет собой линейный, несшитый, главным образом углеводородный, тип полимера. Процесс нанесения чередующихся слоев повторяют еще два раза с образованием шести чередующихся слоев стекла и полимера (3 слоя стекла и 3 слоя полимера) на подложке, и полученное таким образом тонкопленочное многослойное влагозащитное покрытие имеет паропроницаемость 52 микрограмма воды на квадратный дюйм (8,06 мкг/кв. см) площади поверхности за 24 часа, согласно методу исследования, упомянутому выше.

Пример 2. По примеру 1, но с общим числом чередующихся слоев стекла и полимера, осажденных на подложку, равным десяти (5 слоев стекла и 5 слоев полимера) с образованием влагозащитного покрытия, которое имеет паропроницаемость 24 микрограмма воды на квадратный дюйм площади поверхности (3,72 мкг/кв. см) за 24 часа, согласно методу исследования, упомянутому выше.

Пример 3. По примеру 1, но с общим числом чередующихся слоев стекла и полимера, осажденных на подложку, равным четырнадцати (7 слоев стекла и 7 слоев полимера), с образованием влагозащитного покрытия, которое показано на фиг. 1, и имеющее паропроницаемость 4,7 микрограмма воды на квадратный дюйм площади поверхности (0,73 мкг/кв. см) за 24 часа, согласно методу исследования, упомянутому выше.

Пример 4. В этом примере пленка полиэтиленнафтената (Calodex) толщиной 1 мил (0,00254 см) является подложкой и ее покрывают двуокисью кремния РЧ-магнетронным напылением в атмосфере аргона при давлении 1,5 миллитор с образованием слоя покрытия из SiO₂ толщиной около 500 . Затем подложку, покрытую SiO_x, покрывают погружением в растворе вилинилэфирного мономера (Vectomer, Алиед Сигнал) в MIBK, содержащем тривиниметилсилановый промотор адгезии и УФ-инициатор полимеризации Cyracure 6974 (триарилсульфониевая соль). Влажный покрытый композит подвергают УФ-облучению в течение нескольких секунд и отверждают до сухого поливинилэфирного покрытия толщиной 3 микрона. Эту процедуру нанесения чередующихся слоев повторяют еще шесть раз с образованием 14 чередующихся слоев на подложке (7 слоев SiO_x и 7 слоев полимера), как показано на фиг. 1, и полученное таким образом прозрачное влагозащитное покрытие толщиной 2 мил (50,8 мкм), которое испытывают с использованием метода по примеру 1. Покрытие имеет паропроницаемость 21 микрограмм воды на квадратный дюйм площади поверхности (3,26 мкг/кв. см) за 24 часа, согласно методу исследования, упомянутому выше.

Пример 5. В этом примере пленка полиэтиленнафтената (Calodex) толщиной 1 мил (25 мкм) является подложкой, и ее покрывают стеклом из примера 1 РЧ-магнетронным напылением в атмосфере аргона при давлении 1,5 миллитор с образованием на пленке и слоя стекла толщиной около 500 . После этого слой стекла покрывают напылением слоем поливинилэфира толщиной 1 микрон, как описано выше в примере 4 (Vectomer 40105F, Алиед Сигнал). Эту процедуру нанесения чередующихся слоев повторяют еще шесть раз с образованием 14 чередующихся слоев на подложке (7 слоев стекла и 7 слоев поливинилэфира), как показано на фиг. 1, и влагозащитное покрытие имеет паропроницаемость 28 микрограммов воды на квадратный дюйм площади поверхности (4,34 мкг/кв. см) за период в 24 часа, согласно методу исследования, упомянутому выше.

Пример 6. В этом примере пленка полиэтиленнафтената (Calodex) толщиной 1 мил (0,00254 см) является подложкой, и ее покрывают стеклом из примера 1 РЧ-магнетронным напылением в атмосфере аргона при давлении 1,5 миллитор с образованием на пленке слоя стекла толщиной около 500 . После этого слой стекла покрывают РЧ-напылением слоем полихлортрифторзтилена толщиной 1 микрон (Aclar, Алиед Сигнал). Эту процедуру нанесения чередующихся слоев повторяют еще шесть раз с образованием 14 чередующихся слоев стекла и поливинилэфира на подложке (7 слоев стекла и 7 слоев поливинилэфира), как показано на фиг. 1, причем влагозащитное покрытие имеет паропроницаемость 28 микрограммов воды на квадратный дюйм площади поверхности (4,34 мкг/кв. см) за в 24 часа, согласно методу исследования, упомянутому выше.

Пример 7. В этом примере пленка полиэтиленнафтената (Kalodex) толщиной 1 мил (25 мкм) является подложкой, и ее покрывают нитридом кремния РЧ-магнетронным напылением в атмосфере аргона при давлении 1,5 миллитор с образованием слоя покрытия из аморфного нитрида кремния толщиной около 500 . После этого слой нитрида кремния покрывают слоем ПТФЭ РЧ напылением с образованием слоя ПТФЭ толщиной один микрон. Эту процедуру повторяют еще один раз с образованием тонкопленочного многослойного влагозащитного покрытия, содержащего четыре чередующихся слоя аморфного нитрида кремния и ПТФЭ (2 слоя нитрида кремния и 2 слоя ПТФЭ) на подложке, и имеющего паропроницаемость 28 микрограммов воды на квадратный дюйм площади поверхности (4,34 мкг/кв. см) за 24 часа, согласно методу исследования, упомянутому выше.

Пример 8. В этом примере пленка полиэтиленнафтената (Kalodex) толщиной 1 мил (0,00254 см) является подложкой и ее покрывают с одной стороны покрытием из аморфного нитрида кремния толщиной 500 напылением в атмосфере аргона при давлении 1,5 миллитор. После этого слой нитрида кремния покрывают слоем монохлорированного ди-параксилиленового полимера толщиной 1 микрон путем нагревания твердого монохлорированного ди-параксилиленового димера (Parylene С от Юнион Карбайд) до температуры около 160^oC для испарения димера, пропускания паров через трубчатую печь для разложения димера на мономеры при около 600^oC и прохождения образованного таким образом мономера в вакуумную камеру, имеющую давление 20 тор и температуру около 30^oC, в которой мономер конденсируется и полимеризуется на покрытой стеклом подложке с образованием слоя или покрытия из полимера толщиной 1 микрон непосредственно на слое стекла. Этот полимер представляет собой линейный, несшитый по существу углеводородный тип полимера. Процесс нанесения чередующихся слоев повторяют еще три раза с образованием восьми чередующихся слоев нитрида кремния и полимера (4 слоя нитрида кремния и 4 слоя полимера) на подложке, и полученное таким образом тонкопленочное многослойное влагозащитное покрытие имеет паропроницаемость 52 микрограмма воды на квадратный дюйм площади поверхности (8,06 мкг/кв. см) за 24 часа, согласно методу исследования, упомянутому выше.

Сравнительный пример A В этом примере пленка полиэтиленнафтената (Kalodex) толщиной 1 мил (0,00254 см) является подложкой, и ее покрывают двуокисью кремния РЧ-магнетронным напылением в атмосфере аргона при давлении 1,5 миллитор с образованием слоя или покрытия из SiO_x толщиной около 500 . После этого слой SiO_x покрывают слоем ПТФЭ РЧ напылением с образованием слоя ПТФЭ толщиной один микрон. Процесс нанесения чередующихся слоев повторяют еще четыре раза с образованием композитного влагозащитного покрытия, содержащего десять чередующихся слоев SiO_x и ПТФЭ (5 слоев SiO_x и 5 слоев ПТФЭ) на подложке и имеющего паропроницаемость 570 микрограммов воды на квадратный дюйм площади поверхности (88,35 мкг/кв. см) за 24 часа, согласно методу исследования, упомянутому выше.

Сравнительный пример B В этом примере пленка полиэтиленнафтената (Kalodex) толщиной 1 мил (0,00254 см) является подложкой, и ее покрывают двуокисью кремния РЧ-магнетронным напылением в атмосфере аргона при давлении 1,5 миллитор с образованием слоя или покрытия из SiO_x толщиной около 500 . После этого слой SiO_x покрывают напылением слоем сшитого полиэтилена толщиной 1 микрон с помощью плазменного ХПО метана. Этот процесс нанесения чередующихся слоев повторяют еще четыре раза с образованием тонкопленочного многослойного влагозащитного покрытия, содержащего десять чередующихся слоев SiO_x и полиэтилена (5 слоев SiO_x и 5 слоев полиэтилена) на подложке и имеющего паропроницаемость 340 микрограммов воды на квадратный дюйм площади поверхности (52,7 мкг/кв. см) за 24 часа, согласно методу исследования, упомянутому выше.

Понятно, что возможны различные другие варианты и модификации настоящего изобретения, которые будут легко осуществлены специалистом в данной области без выхода из объема изобретения. Соответственно, предполагается, что объем прилагаемой формулы изобретения не ограничивается описанием, представленным выше, поскольку формула изобретения составлена так, чтобы указать все признаки патентной новизны, которые содержатся в настоящем изобретении, и в то же время охватить все особенности и варианты, которые могли бы быть разработаны в качестве их эквивалентов специалистом в области, для которой предназначено это изобретение.

Формула изобретения

1. Электрохимический элемент, имеющий влагочувствительный тестер состояния элемента и светопрозрачное влагозащитное покрытие, отличающийся тем, что указанное влагозащитное покрытие содержит композит на полимерной подложке, содержащий чередующиеся слоя не растворимого в воде неорганического материала, выбранного из группы, состоящей из по меньшей мере одного неорганического соединения, кремния и их смеси, и не растворимого в воде органического материала, причем толщина слоев неорганического соединения и слоев органического соединения составляет от около 100 до 10000 и от около 100 до 5 мкм соответственно.

2. Светопрозрачный многослойный композит, содержащий чередующиеся слои из не растворимого в воде неорганического материала, выбранного из группы, состоящей из по меньшей мере одного неорганического соединения, кремния и их смеси, и не растворимого в воде органического материала, отличающийся тем, что толщина слоев неорганического соединения и слоев органического соединения составляет от около 100 до 10000 и от около 100 до 5 мкм соответственно.

3. Способ получения неламинированного светопрозрачного многослойного тонкопленочного композита, содержащего чередующиеся слои неорганического материала, выбранного из группы, состоящей из по меньшей мере одного неорганического соединения, кремния и их смеси, и не растворимого в воде органического материала, отличающийся тем, что толщина слоев неорганического соединения и слоев органического соединения составляет от около 100 до 10000 и от около 100 до 5 мкм, причем способ предусматривает нанесение первого слоя указанного неорганического материала на подложку, а затем нанесение первого слоя твердого органического материала на указанный первый слой неорганического материала, с последующим нанесением второго слоя указанного твердого неорганического материала на указанный первый слой органического материала, а затем нанесение второго слоя указанного органического материала на указанный второй слой указанного неорганического материала.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что указанное нанесение чередующихся слоев продолжают до тех пор, пока не будет достигнуто желаемое число слоев.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2