金属化的刀叉餐具的制作方法

专利名称：金属化的刀叉餐具的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及家庭、快餐店和饭店使用的、包括商业餐具和公共餐具的食品用具的生产。更具体地说，本发明涉及具有金属外表的塑料刀叉。
背景技术：
一次性塑料食品用具，由于它们合理的低成本以及它们提供的便利，在储存、包装和消费食品方面的用途日益广泛。一次性食品容器和制品的范围从不可回收的容器，如酸乳酪杯和宴会正餐的包装，到微波炉用的储存容器和普通的餐具用品，如塑料盘、杯和刀叉。快餐连锁店的日益普及进一步加速了对塑料餐具的需求。除了快餐店之外，因为与一次性食品用具相关的便利、卫生和有竞争力的成本，配餐经营人也喜欢一次性食品用具。在这一方面，重要的是，诸如刀叉的一次性用具的替代成本与金属刀叉相关的清洁成本(人力、材料和设备)相抵。
非一次性的金属刀叉与诸如盘、杯和类似的其它一次性食品用具的共同存在，给饭店和配餐经营人带来不寻常的问题。问题来源于高价的金属刀叉与一次性的餐具和剩饭一起丢入垃圾和废物容器所造成的浪费。这个问题在经营的高峰时间将进一步加剧，因为时间的压力进一步使盘内的食品与一个或多个刀叉一起被丢弃。解决这个问题的先前方法是公知的。美国专利No.4,632,253披露了将刀叉与饭店垃圾分离的设备，包括一条垃圾斜道和具有相关评价逻辑的感应型探测器，当刀叉物品通过斜道时将发出一个电子交换信号。
食品配餐经营人遇到的另一个问题是，在某些地点和室外供餐的情况下清洁金属扁平餐具的能力。为了应对这种情况，配餐经营人倾向于携带大量的高价金属刀叉。在这种供餐的情况下，使用一次性的塑料刀叉将消除清洁金属扁平餐具、处理重的金属刀叉或保持大量存货的局限性。另外，值得注意的是，与其对应的金属制品相比，一次性刀叉具有明显的处理优势。例如，包括一个叉、一把刀、一个汤匙和一个茶匙的一套典型刀叉组合，对于金属餐具重约200克，而对于优质塑料刀叉则重约30克。这样的重量在假设250人的情况下，金属刀叉的总重达到110磅，而塑料刀叉的重量仅为16磅。
由于历史上存在误用不锈钢餐具作为武器在飞机中恐怖袭击和潜在威胁，多数航空公司在飞行期间提供食品时逐渐趋向于使用一次性塑料刀叉。但是，使用一次性塑料刀叉影响航空公司的形象，特别是在高级舱和价格较高的航班中。
绝大多数高级配餐经营公司使用一次性的塑料杯、盘和碗等，用于供餐功能。但是，人们一般愿意继续使用传统的金属刀叉。主要原因是，塑料刀叉比不锈钢餐具缺少经典的外观、感觉和形象。尽管不锈钢刀叉比塑料刀叉强度大，但重量大的塑料刀叉功能上也适于大多数场合。这样，在这种供餐情况下使用一次性刀叉的主要障碍是与一次性刀叉有关的感觉和形象，而不是其性能。
由上可知，对既提供塑料刀叉的可丢弃性，又提供不锈钢餐具的高档感觉的就餐用具的需求，是很容易理解的。这样，对一次性塑料刀叉提供金属外观，将增强餐具的感觉价值和质量。金属外观也对一次性刀叉产生较大的接受性，因为值得替换金属餐具，而被配餐经营人和其它食品供应公司在各种情况和场合下应用。
尽管是比较低的程度，上述情况适于其它的餐具，例如杯和盘。在盘和杯上应用金属外观，例如金或银，与刀叉一起，将提高美观程度并得到更加尊贵的感觉。由于这里所讨论的原因，目前的技术水平基本不能提供金属化的杯和盘。因此，虽然这里的描述集中在刀叉，但这些信息也适用于其它的餐具。
先前技术中已经使用了提供金属外观的多种方法。为塑料制品提供金属外观的最常用和廉价的方法之一是在成形工序中在塑性树脂中加入金属颜料。通常，金属颜料具有高的金属含量。有很多的颜料和母料着色剂制造商制造和销售金属颜料添加剂和着色剂，例如Clariant、Engelhard和EMIndustries。其它常用的、增强塑料制品视觉效果和增强其商业吸引力的方法包括对制品的一些部分或整个制品进行修饰或绘图。很多装饰塑料制品的方法是公知的，包括印刷、热印、热转移、模内装饰、喷漆和电镀。印刷工艺已经进一步被分类成丝网印刷、照相凹版印刷或胶印，以及印台转印(padtransfer printing)(参见Hilestad，K.，Decorating and Printing，Modern PlasticsEncyclopedia 1999，F-7)。
由于多种原因，传统装饰和塑料颜料工艺不能为塑料刀叉提供商业上可以接受的外观，这已是本发明的发明者和本领域的一般技术人员的经验。
首先，本领域普通技术人员的基本经验是，这些金属颜料能为塑料表面提供一定光泽，但不能达到好刀叉的抛光金属外观，某些金属颜料的配方具有食品用具所不希望出现的异味。
第二，金属漆不能达到抛光不锈钢扁平餐具的真正外观。
第三，与刀叉有关的环境和食品接触问题进一步限制了为提供金属外观所用的金属漆和载体溶剂的应用。
第四，优良的不锈钢扁平餐具，其特征常常在于其精美的设计，特别是刀叉把手上的。与本发明的目的相一致的，即提供实际上难以与精美金属刀叉区分的塑料刀叉，需要使设计趋于与传统扁平餐具基本一致，以便于商业上可以接受。这对模具内标签(in-mold labeling)提出了一特殊的问题，其中在成形前标签关键地放在模具内，进入模具内的热塑料影响标签在成形零件上的附着。塑料刀叉表面上提供的细致的和精美的设计干扰标签的附着，并导致标签在包含精美设计细节的区域折皱。
第五，热印，特别是金属箔压印，当关键地放在塑料表面上时，能提供真实的金属外观。但是，热箔印存在与上面模具内标签所述的相同的问题，其中箔的折皱和精致细节区的不一致附着，限制了应用箔压印工艺获得金属外观的刀叉。
第六，由于本领域公知的、与电镀化学物质有关的环境影响，不希望使用电镀方法。
公知的金属化方法有多种，包括美国专利No.5,022,554描述了由纸基体制成的金属化餐具，例如盘、杯等，结合在基体上的金属化塑料膜，FDA认可的塑料膜的表层涂层。通过层叠金属化膜得到金属外观食品用具的这种方法，不能容易地应用到刀叉上，因为大多数塑料刀叉一般是由注塑成形工艺生产的，其中的喂料是热塑性树脂小粒，而不是层叠的薄膜。在注塑成形塑料刀叉期间结合金属箔或标签的缺点，已在上面作了描述。相似的缺点也存在于应用层叠的金属膜。
其它的金属化方法，例如Quest等人(美国专利No.5,177,124和5,280,052)使用的方法，描述了功利性的和/或装饰性目的，以及形成具有金属外表面、外观和把手的塑料制品的方法。在这种方法中，将液体单体、固化剂、金属颗粒和可漂浮颗粒的分散体的混合物倒入模具中。接着将模具离心，使金属颗粒在单体聚合和硬化而将颗粒结合之前，朝零件的表面迁移。当从模具中取出后，将零件的外表面抛光和磨光，从金属表面去除塑料表层，从而使得到的塑料零件模拟实际的金属零件的外观。这种方法应用于塑料刀叉非常麻烦，因为大多数塑料刀叉由聚苯乙烯和/或聚丙烯制成，它们是热塑性聚合物材料，而不是上述技术原理中建议的单体。另外，生产刀叉的典型工艺是注塑成形，如果可能的话，旋转重的注塑模具也是困难的和高成本的。并且，最终的清洁和抛光塑料制品的辅助步骤，对于应用于食品用具，是昂贵的和不可接受的。
通过化学沉积工艺、电沉积工艺和/或二者的综合方法在塑料上镀层的参考文献较多。美国专利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以及大量其它文献描述了一些镀层的方法。这些工艺本质上是湿法工艺，需要零件与含有金属离子的溶液接触，接着必须冲洗去除任何的残留化学物质，并且对于食品用具，基于基本的卫生原因也需如此。这些工艺对于刀叉的金属化相当没有吸引力，因为工艺和环境成本高。
因此，很容易看出，存在对具有增强的视觉和商业吸引力的精致塑料刀叉的需求。改进的塑料刀叉应该价格便宜，允许简单地处理以及不需要从食物垃圾中分离。这种发明实施时通常不产生与镀金属湿法工艺有关的环境缺点。改进的塑料刀叉应该主要由塑料制成，在其外表面上具有真实金属的外观，从而实际上从视觉上不能与精致的金属刀叉区分开。

发明内容
考虑到这里所述的先前技术的问题提出本发明。因此，本发明的基本目的是提供能解决这里所述问题的刀叉。本发明的一个目的是提供高档的一次性刀叉，主要是由塑料制成并且具有模拟真实金属餐具的金属表面外观。
本发明的另一个目的是提供一种方法，使用这种方法能以合理的成本批量生产具有真实金属外观的塑料刀叉，应用于一次性使用。
本发明的再一个目的是提供一种在合理增加的成本下将注塑成形的塑料刀叉金属化的方法。
本发明的又一个目的是提供具有精致金属刀叉外观的一次性刀叉。
本发明的又一个目的是获得塑料物品，例如刀叉，这是由透光热塑性材料成形的并且随后金属化。
本发明的又一个目的是提供一种塑料制品，例如刀叉，这是由透光的热塑性材料成形的，仅在一侧进行金属化。
本发明的再一个目的是提供具有表面几何形状的刀叉，增强金属化塑料刀叉的反光外观。根据本发明得到的刀叉表面几何形状，其特征在于多个表面特征，包括凹下和凸出区、筋、槽纹和其它艺术特征，增强制品的反光外观。
本发明的再一个目的是提供金属化的塑料刀叉，其中金属层具有增强的附着力和耐磨性，例如，在薄的金属层上应用一层表面涂层，进一步增强金属层的耐磨特性。FDA认可的表面涂层成分可以容易地从许多销售商处获得。
另外，本发明的另一个目的是提供金属化的刀叉，其中通过在基料中结合彩色色调，例如灰色调，增强光密度。
本发明的一个目的是金属化塑料食品用具，包括薄金属涂层沉积在塑料餐具上的塑料餐具，其中薄金属涂层通过真空沉积工艺沉积。餐具包括刀叉，诸如叉、勺、刀，以及其它的餐具，诸如盘、碗和杯。
再一个目的是金属化塑料食品用具，其中薄金属涂层包括从下面一组金属中选择的金属银、钢、不锈钢、铬、铝、铜和金。薄金属涂层一般小于1000nm。另外，餐具还可包括薄金属涂层上的可固化的透明涂层。另外，塑料餐具可以在塑料餐具一个单独表面上沉积金属涂层。
另一个目的是金属化塑料食品用具，其中塑料餐具由聚苯乙烯制成并通过注塑成形制造。餐具也可由相似的透光塑料制成。并且，其中金属化塑料食品用具的光密度小于2.0。
本发明的一个目的是通过下面的工艺金属化塑料食品用具，工艺包括如下步骤利用注塑成形制造塑料餐具主体，将塑料主体放入真空金属化系统中，通过真空沉积工艺在塑料主体上沉积一层薄的金属涂层。在一个实施例中，真空沉积工艺是物理气相沉积，特别是溅射气相沉积，其中溅射沉积过程使用氩气和氮气混合物产生的等离子。
本领域的普通技术人员，从下面的详细描述中将更容易清楚本发明的其它目的和优点，其中简单地通过说明我们预期的、体现本发明的最佳方式，我们仅仅图示和描述了本发明的一个优选实施例。如同可以认识到的，本发明能具有其它的和不同的实施例，并且其几个细节能在不同方面进行修改，所有这些都不偏离本发明的精神。


结合附图，从下面的详细描述中将更容易理解本发明，其中相似的参考数字代表相似的结构元素。附图中图1A是根据本发明制造的具有金属涂层的叉的斜视图；图1B是具有金属涂层的叉的侧面轮廓图；图2A是根据本发明具有金属涂层的勺的斜视图；图2B是根据本发明具有金属涂层的勺的侧面轮廓图；图3A是根据本发明具有金属涂层的刀的斜视图；图3A是根据本发明具有金属涂层的刀的侧面轮廓图；图4是根据本发明的典型刀叉的剖视图，表示出金属涂层。
具体实施例方式
在此说明中或任何权利要求中使用的术语刀叉或刀叉制品或器具或就餐用具或食品用具或处理食品用具或食品供应工具，是一般和广泛意义上的应用。这些术语包括成形为标准食品处理用具的一次性塑料刀叉，如叉、勺、刀，厨房器具和/或它们的组合，包括抹刀、叉勺(spork)、长柄勺、海产食品叉、海产食品镐(pick)、汤勺和类似的物品。伴随物，例如餐巾圈、蜡烛台和中心装饰品，有时设计成与刀叉匹配。最后，各种的高脚玻璃杯、玻璃杯、汤碗、碟、盘、香槟酒细长酒杯、盖和类似的物品，有时也与其它的就餐用具匹配，这些都在本发明的范围内。优选的实施例仅是解释本发明的技术，在本发明范围内还有很多其它的变化和应用。
超市中销售的一次性刀叉，通常是由聚苯乙烯和/或聚丙烯制成。但是，本领域的普通技术人员清楚的是，多种热塑性聚合物类型和/或树脂也能应用于制造本发明的刀叉。这些应用的材料选择常常是由多种因素控制的，包括消费者的喜好、成本、工程学要求、实用性和其它经济的和市场的因素。本发明对基材的主要选择标准是刀叉高的吸引力外观，在透光性能方面有高的光学性能，高的刚性，以及用于金属化的高的表面能或附着特性。
具有所需光学和功能特性的几种热塑性树脂包括聚苯乙烯(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)，可以用于达到本发明的目的。基于几个原因，聚苯乙烯(PS)是本发明优选实施例中选择的材料。聚苯乙烯树脂与ABS、PC和SAN相比，具有较低的成本。本领域的普通技术人员的基本经验是，聚苯乙烯刀叉被认为是市场中较高档的一次性刀叉。选择结晶聚苯乙烯作为本申请选择的材料的一个标准是，与相同价格范围内的其它树脂材料相比，具有较高的挠曲模量。更具体地，聚苯乙烯的挠曲模量超过聚丙烯。结晶聚苯乙烯具有优异的透光特性，因为它具有与聚丙烯相反的无定形聚合物结构，而聚丙烯本质上是高度结晶的。另外，变动的冷却速率，例如在注塑成形过程中遇到的，对成形的制品的透光特性影响很小，因为聚苯乙烯是无定形聚合物结构。换言之，结晶聚苯乙烯在其光学特性方面具有大的处理窗口。并且聚苯乙烯与聚丙烯和其它聚烯烃相比，具有较高的表面能，是附着其它材料的较好基体。
这样，在本发明最优选的实施例中，刀叉由适合的结晶聚苯乙烯树脂成形，从生产和制造角度出发，这种树脂具有好的物理性质和所需的流动、熔体粘度和成形特性。
下面参看图1A、1B、2A、2B、3A和3B，图中表示典型的刀叉，这是根据本发明制造的，其中相似的部分用相似的参考数字表示。
图1A表示叉的等角透视图，叉在图中用参考数字10表示，并具有根据本发明的基本结构。叉10具有尖齿部分11和把手部分12。叉10还具有槽形的或其它几何优美轮廓的表面特征，一般用参考数字13表示。金属的表面涂层至少沉积在塑料叉的一个表面上，产生金属刀叉的外观。在本发明最优选的实施例中，金属涂层应用在用餐时典型摆放的朝上一侧。叉塑料表面上的金属涂层用参考数字14表示。
图1B表示叉10的侧视图，其中叉的各个部分与图1A参考数字表示的相应部分相同。金属涂层仅应用于塑料叉的上表面，用参考数字14表示。
下面参考图2A，图中表示勺的等角透视图，勺在图中用参考数字20表示，具有根据本发明的基本结构。同样地，图2B表示勺20的侧视图，其中相似的参考数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几何优美轮廓的表面特征，一般用参考数字23表示。金属的表面涂层至少沉积在塑料叉的一个表面上，产生金属刀叉的外观。在本发明最优选的实施例中，金属涂层应用在用餐时典型摆放的朝上一侧。勺塑料表面上的金属涂层用参考数字24表示。
图3A和3B分别表示刀的斜视图和侧视图，刀在图中用参考数字30表示，具有根据本发明的基本结构。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几何优美轮廓的表面特征，一般用参考数字33表示。金属的表面涂层至少沉积在塑料叉的一个表面上，产生金属刀叉的外观。在本发明最优选的实施例中，金属涂层仅应用在刀的一个侧面。刀塑料表面上的金属涂层用参考数字34表示。
下面参看图4，图中表示典型刀叉40的后方剖面。刀叉40的主干部分用参数数字42表示。在所述实施例中，主干42在其表面上具有不同弯曲的和槽形的特征，用参考数字43表示。刀叉主干在其一个表面上具有金属涂层，在剖视图中用参考数字44表示。金属涂层44与整个餐具相比非常薄(未示出比例)，并符合此部分表面上的轮廓形状。根据特殊的应用，金属涂层的厚度可以改变，但考虑重量、成本和制造时间，薄层是优选的。例如，在一个优选的实施例中，厚度约为200nm或更小。各种图案和装饰特征可以装饰主干，这是本领域普通技术人员公知的，并且本发明可应用于任何这种设计。
图1A到图3A中的刀叉表示为具有特殊的结构和具体设计特征比，例如，叉的尖齿长度与整个叉长度之比，勺的碗形部分长度与整个勺长度之比，以及刀的刃长度与整个刀长之比。本领域的普通技术人员容易理解到，这些刀叉以多种的几何结构、特征比和尺寸进行制造和销售。这里给出的物理结构、设计特征和形状比，是用于说明的目的，而不构成限制。
而且，容易理解的是，与在整个制品上涂层对比，仅在制品的一个侧面沉积金属层，产生了几个经济的优势。首先，节省金属材料，约仅有一半的表面区域被金属化。其次，仅有一条通过金属化装置的通道，零件不会受到两次沉积过程使两侧沉积。第三，金属化循环-时间减半，因为这需要一半长的时间，仅在制品一个侧面上沉积金属。最后，此工艺提供较简单的制品处理，因为避免了两侧金属化时的复杂制品处理机构，用于旋转/翻转制品。
从审美观点出发，金属化涂层应用在放置刀叉的传统桌面摆放方式中通常朝上的一侧。传统摆放方式通常包括叉的尖齿朝上，勺的凹碗形朝上，刀的锯齿边缘朝左并离开使用者，所有餐具的把手部分朝向使用者。
刀叉上的金属涂层可以通过任何公知的真空沉积过程涂覆。真空金属化或沉积是在真空或低压等离子环境中沉积薄膜或涂层。术语等离子一般是指富含离子或电子的气态环境，用于提供明显的电导率。真空沉积是一个应用于一次一个沉积原子或分子的过程的术语，例如物理气相沉积(PVD)，或低压化学气相沉积(LPCVD)。
典型的PVD工艺能用于达到本发明的目的。在物理气相沉积或(PVD)工艺中，金属粒子从固体或液体源蒸发并作为气相在真空或低压气态或等离子环境中传输。蒸发的材料可以是元素、合金或化合物。粒子的凝聚在基体表面形成薄金属涂层或薄膜，并为基体提供金属外观。膜的厚度从几个纳米到几千纳米。但是，PVD工艺通过多层涂层可用于形成厚的沉积。PVD工艺各个变量已经在先前技术中描述过，包括真空蒸发、溅射沉积或溅射、电弧气相沉积和离子镀。其它的蒸发技术包括热丝蒸发、闪蒸和电子束蒸发。
为了保证耐用金属涂层沉积在刀叉表面上，所用的树脂必须是高质量的和不挥发的。常规加入商用树脂中的加工助剂，例如矿物油和表面蜡，流出到制品的表面，并干扰获得沉积金属与制品表面之间的足够附着力。
在本发明的优选实施例中(a)刀叉是由透光级的热塑性聚合物材料制成的。树脂完全没有矿物油和其它挥发性添加剂；(b)金属涂层具有与实际用餐刀叉使用的不锈钢相同的成分；(c)金属涂层的厚度小于200纳米；(d)金属涂层应用在刀叉制品的仅仅一个侧面；(e)金属涂层是通过物理气相沉积工艺形成的。
在本发明最优选的实施例中，金属涂层是通过真空溅射沉积(也称为溅射沉积或溅射)应用到塑料刀叉上的。
溅射是PVD涂层工艺，是在一个可抽空的涂层或溅射室中进行的。涂层材料的源，即靶材，装在溅射室中与基体相反的位置，接着将溅射室抽空，一般是在1到100毫Torr(1Torr＝1mmHg)的范围内，其中存在惰性气体，如氩气。负的DC或RF电压施加在金属溅射靶(金属源)上，金属溅射靶装在溅射或涂层室内。在金属靶与被涂覆的物件或基体之间形成气体等离子或辉光放电。等离子区产生的正的带电气体离子以高的速度冲向靶材(负电势)，使金属靶材的中性原子尺寸粒子弹出。因此，溅射是一个非热蒸发过程，其中表面原子是与等离子体中加速的动能轰击粒子或气体离子进行动量传递或交换后从金属源中物理弹出。溅射技术的一个特殊优点是沉积金属以及金属合金的能力，并且非常适于沉积传统金属刀叉的不锈钢成分。
根据本发明，一种有用的、制造金属化塑料刀叉和其它餐具的方法如下步骤1使用本领域内公知的传统注塑成形工艺成形塑料刀叉；步骤2利用零件取出装置从模具中取出塑料刀叉，例如侧进入或顶进入的机器人，这也是本领域内公知的，是目前受让人设备中正在使用的；步骤3将各个刀叉以非邻接的方式放在转移或传送装置上，刀叉由此被转移到真空沉积站。各个刀叉保持单独的或非邻接的方式，防止相邻的刀叉在金属化或涂层期间形成表面遮蔽；步骤4使塑料刀叉进行真空沉积过程；步骤5收集已经金属化的塑料刀叉，并将它们装入合适的包装容器中用于运输。
在检验优选的实施例时，将叉、勺和刀形式的塑料刀叉放入实验室大小的溅射室中。溅射设备是由Soleras，Inc.提供的。不锈钢靶材装在溅射室中。玻璃钢的特定成分是304。接着，将室抽空，直到真空度达到10-3mmHg左右。将氩气通入室内产生等离子体。当真空度达到时，为阴极加上5到10kW的负压电。在此装置内的涂层操作持续1到5秒。涂层之后，关闭电源，释放真空使室内压力升高到大气压。此后，从室内取出零件并进行检查。对塑料刀叉进行各种测试，检查剥离附着力。在一些试验中，在制品的两侧都施加涂层。在其它试验中，仅在制品的一侧使用涂层。
结果发现，聚苯乙烯刀叉与聚丙烯刀叉相比，表现出很好的涂层附着力。功率7.5kW和溅射时间3秒被认为是获得良好附着力、表面外观和涂层均匀性的最佳条件。实验工作中最显著的发现是涂层可以应用在清洁聚苯乙烯制品的一个侧面，从而获得所需的金属外观或效果。这个未预料到的结果缩短了制造时间和制造的复杂性，同时使金属靶材的利用率达到2倍。
对于给定的硬件设备以及功率设定配置，金属沉积或金属层的厚度与溅射持续时间成正比。溅射持续时间(溅射时间)的延长导致金属层厚度的相应增大。金属层厚度的增大正比于光密度，因此测量光密度可用于确定表面上沉积的金属的厚度。为了得到金属化的刀叉，1.5左右的光密度值是可以接受的。光密度值为1时，金属层非常薄并缺少为得到制品表面吸引人的金属外观所需的足够的不透明性。增大光密度可以通过提高金属沉积或延长溅射时间。不延长溅射时间而增大光密度的另一种方法是在基材中添加透光染料或色调。通常灰色色调较好，但可以使用多种颜色的色调增强刀叉的不透明性，并产生其它的外观效果。
带剥离试验通常用于检测刀叉表面与其上面沉积的金属层之间的附着力。附着力也与涂层的耐磨性或耐用性相关。基体表面沉积的金属层的附着力和耐磨性，可以通过多种方法增强。
一种提供耐磨性的方法是在刀叉上涂覆透光的热或UV固化涂层，用于密封沉积的金属层。这种涂层的成分在本领域内是公知的，常常用于在多种制品上提供屏障外涂层，这些制品包括CD和DVD。FDA认可的、可硬化的透明涂层，可以通过喷雾的方式涂覆，也可容易地覆盖在食品用具上。
提高耐磨性的另一种方法是使刀叉经过火焰或电晕处理，增大刀叉的表面能。表面处理增大塑料制品表面能也是本领域内公知的。典型的电晕处理能使聚苯乙烯的表面能从35达因增大到46达因。
基体或塑料制品与沉积的金属层之间的附着力，可以通过完全没有矿物油的无挥发性树脂以及同样的润滑剂进行增强。
提高金属涂层在制品上的附着力的另一种技术是在金属沉积过程中，使用氩气和氮气的混合气体在溅射室内产生等离子体。在氮气和氩气的混合气体中，氮气的通常浓度为10％到40％之间。使用氮气和氩气的混合气体进行溅射沉积产生的金属层，与单独的氩气等离子体相比，耐用性提高。
食物可以影响涂层或导致其剥离，为了确定涂层的刀叉可以用于各种食物，对刀叉在不同食物环境中进行验证试验。试验包括使刀叉经受沸水，沸腾的蕃茄酱、沸腾的水-醋混合物、柠檬汁、咖啡、冰、交替插入沸水和冰水的热循环、运输大批刀叉穿越国家，等等。必须注意到，涂层的刀叉，如同任何的金属刀叉一样，由于磨擦而易于划伤。
虽然特别关于金属化塑料刀叉描述了本发明，但应该认识到，本发明可以应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属涂层的其它工业。而且，本领域内的一般技术人员应该认识到，在不偏离本发明的精神和范围的条件下，可以做出不同的修改、替代和适应。
本发明的很多特征和优点，以及结构和功能的细节，在上面的描述中阐明了，而其中的一些新颖的特征在权利要求中说明。但是，这里的内容仅是为了说明，在本发明的原理下，可以在安排和细节方面对权利要求中表述的条款的广泛普遍含义表明的所有内容做出不同变化。
通过权利要求中特别指出的手段及其综合，可以进一步实现和达到本发明的目的和优点。因此，附图和说明书在本质上是用于解释说明，而不是限制。
权利要求
1.一种金属化的塑料食品用具，包括具有展示表面和下面的塑料餐具，所述塑料餐具适于在传统成套餐具出现时放置在桌面上，并且所述下面朝下朝向所述桌面，所述展示表面朝上；以及沉积在所述塑料餐具上的薄金属涂层，其中所述薄金属涂层的性质适于接触食物而不需要外涂层，并且具有足够的厚度为塑料餐具提供反光的金属状外观以模拟真实的金属餐具，所述厚度小于2000纳米，并且其中所述薄金属涂层是通过真空沉积工艺沉积的。
2.如权利要求1所述的金属化的塑料食品用具，其中所述薄金属涂层是从以下的组中选择的至少一种金属银、钢、不锈钢、金及其合金。
3.如权利要求1所述的金属化的塑料食品用具，其中所述薄金属涂层的厚度小于1000纳米。
4.如权利要求1所述的金属化的塑料食品用具，还包括在所述薄金属涂层上的可硬化透明涂层的薄的外涂层。
5.如权利要求1所述的金属化的塑料食品用具，其中所述塑料餐具是从以下组中选择的用于处理和食用食品的用具叉、刀和勺。
6.如权利要求1所述的金属化的塑料食品用具，其中所述塑料餐具由透光塑料制成。
7.如权利要求1所述的金属化的塑料食品用具，其中所述塑料餐具由聚苯乙烯制成。
8.如权利要求1所述的金属化的塑料食品用具，其中所述塑料餐具是由完全没有矿物油和蜡的塑性树脂成分获得的。
9.如权利要求1所述的金属化的塑料食品用具，其中所述金属化塑料食品用具的光密度小于2.0。
10.如权利要求1所述的金属化的塑料食品用具，其中所述塑料餐具是通过注塑成形生成的。
11.如权利要求1所述的金属化的塑料食品用具，还包括用于增强所述塑料餐具反光金属状外观的装饰表面特征。
12.如权利要求1所述的金属化的塑料食品用具，其中所述真空沉积工艺是溅射沉积工艺。
13.一种金属化的塑料食品用具，包括具有展示表面和下面的塑料餐具，所述塑料餐具适于在传统成套餐具出现时放置在桌面上，并且所述下面朝下朝向所述桌面，所述展示表面朝上；以及沉积在所述塑料餐具的展示表面上的薄金属涂层，其中所述薄金属涂层具有足够的厚度为塑料餐具提供反光的金属状外观，所述厚度小于几千纳米，并且其中所述薄金属涂层是通过真空沉积工艺沉积的；并且其中所述下面的至少一部分不具有所述薄金属涂层。
14.如权利要求13所述的金属化的塑料食品用具，其中所述薄金属涂层是从以下的组中选择的至少一种金属银、钢、不锈钢、铬、铝、铜和金。
15.如权利要求13所述的金属化的塑料食品用具，其中所述薄金属涂层的厚度小于1000纳米。
16.如权利要求13所述的金属化的塑料食品用具，还包括在所述薄金属涂层上的可硬化透明涂层的薄的外涂层。
17.如权利要求13所述的金属化的塑料食品用具，其中所述塑料餐具是从以下组中选择的用于处理和食用食品的用具叉、刀和勺。
18.如权利要求13所述的金属化的塑料食品用具，其中所述塑料餐具由透光塑料制成。
19.如权利要求13所述的金属化的塑料食品用具，其中所述塑料餐具由聚苯乙烯制成。
20.如权利要求13所述的金属化的塑料食品用具，其中所述金属化塑料食品用具的光密度小于2.0。
21.如权利要求13所述的金属化的塑料食品用具，其中所述塑料餐具是通过注塑成形生成的。
22.如权利要求13所述的金属化的塑料食品用具，其中所述塑料餐具是由完全没有矿物油和蜡的塑性树脂成分获得的。
23.如权利要求13所述的金属化的塑料食品用具，还包括用于增强所述塑料餐具反光金属状外观的装饰表面特征。
24.如权利要求13所述的金属化的塑料食品用具，其中所述真空沉积工艺是溅射沉积工艺。
25.一种用于处理和食用食品的餐具，包括透光塑料并具有多个表面，其中所述多个表面中至少有一个表面被薄的金属层装饰性地增强，所述薄的金属层是通过溅射沉积工艺沉积的，由此为所述餐具的至少一部分提供反光的金属状外观，并且所述部分的所述层小于2000纳米。
26.一种通过如下工艺制造的金属化塑料食品用具，所述工艺的步骤包括通过注塑成形工艺成形塑料餐具，其中所述塑料餐具具有第一表面和第二表面；将所述塑料餐具放入真空金属化单元中，使所述第一表面朝向所述真空金属化单元；通过真空沉积工艺在所述塑料餐具的第一表面上沉积薄的金属涂层，所述涂层的厚度足以为塑料餐具提供反光的金属状外观，其中所述厚度小于几千纳米，并且其中所述薄的金属涂层是从以下的组中选择的至少一种金属钢、不锈钢、金、银及其合金。
27.通过如权利要求26所述的工艺生产的金属化塑料食品用具，还包括喷涂透明涂层并硬化所述透明涂层的步骤。
28.通过如权利要求26所述的工艺生产的金属化塑料食品用具，其中所述真空沉积工艺是物理气相沉积。
29.通过如权利要求26所述的工艺生产的金属化塑料食品用具，其中所述物理气相沉积是溅射气相沉积。
30.通过如权利要求29所述的工艺生产的金属化塑料食品用具，其中所述溅射沉积工艺使用由氩气和氮气混合气体产生的等离子体。
31.通过如权利要求26所述的工艺生产的金属化塑料食品用具，其中所述薄金属涂层是不锈钢合金。
32.通过如权利要求26所述的工艺生产的金属化塑料食品用具，其中所述塑料餐具是由具有彩色色调的透光塑料成形的。
33.通过如权利要求26所述的工艺生产的金属化塑料食品用具，其中所述薄金属涂层的厚度小于1000纳米。
34.如权利要求1所述的金属化的塑料食品用具，其中所述薄金属涂层的厚度小于500纳米。
35.如权利要求1所述的金属化的塑料食品用具，其中所述薄金属涂层的厚度小于200纳米。
36.如权利要求13所述的金属化的塑料食品用具，其中所述薄金属涂层的厚度小于500纳米。
37.如权利要求13所述的金属化的塑料食品用具，其中所述薄金属涂层的厚度小于200纳米。
38.一种金属化的塑料食品用具，包括具有展示表面和下面的塑料餐具，所述塑料餐具适于在传统成套餐具出现时放置在桌面上，并且所述下面朝下朝向所述桌面，所述展示表面朝上；以及沉积在所述塑料餐具的至少一部分上的不具有外涂层的薄金属涂层，其中所述薄金属涂层具有足够的厚度为塑料餐具提供反光的金属状外观，所述厚度小于1000纳米，并且其中所述薄金属涂层是通过真空沉积工艺沉积的。
39.如权利要求38所述的金属化的塑料食品用具，其中所述薄金属涂层是从以下的组中选择的至少一种金属银、钢、不锈钢和金。
40.一种金属化的塑料食品用具，包括主要由聚苯乙烯聚合物构成且具有展示表面和下面的塑料餐具，所述塑料餐具适于在传统成套餐具出现时放置在桌面上，并且所述下面朝下朝向所述桌面，所述展示表面朝上；以及沉积在所述塑料餐具上的不具有外涂层的薄金属涂层，其中所述薄金属涂层具有足够的厚度为塑料餐具提供反光的金属状外观，所述厚度小于2000纳米，并且其中所述薄金属涂层是通过真空沉积工艺沉积的。
41.如权利要求40所述的金属化的塑料食品用具，其中所述薄金属涂层是不锈钢。
42.如权利要求40所述的金属化的塑料食品用具，其中所述塑料餐具是从以下组中选择的用于处理和食用食品的用具叉、刀和勺。
43.一种金属化的塑料食品用具，包括具有展示表面和下面的塑料餐具，所述塑料餐具适于在传统成套餐具出现时放置在桌面上，并且所述下面朝下朝向所述桌面，所述展示表面朝上；以及通过真空沉积工艺沉积在所述塑料餐具上的薄金属涂层，其中所述薄金属涂层具有足够的厚度为塑料餐具提供反光的金属状外观，所述厚度小于2000纳米，并且其中所述薄金属涂层包括从以下的组中选择的至少一种金属银、钢、不锈钢、金及其合金。
44.如权利要求43所述的金属化的塑料食品用具，其中所述塑料餐具的几乎全部都被涂覆有所述薄金属涂层。
45.一种金属化的塑料食品用具，包括具有展示表面和下面的塑料餐具，所述塑料餐具适于在传统成套餐具出现时放置在桌面上，并且所述下面朝下朝向所述桌面，所述展示表面朝上；以及通过真空沉积工艺沉积在所述塑料餐具上的薄金属涂层，其中所述薄金属涂层具有足够的厚度为塑料餐具提供反光的金属状外观，所述厚度小于2000纳米，并且其中所述薄金属涂层是不锈钢。
46.如权利要求45所述的金属化的塑料食品用具，其中所述薄金属涂层仅仅沉积在所述塑料餐具的一部分上。
47.如权利要求45所述的金属化的塑料食品用具，其中所述塑料餐具是从以下组中选择的至少一种叉、刀和勺。
全文摘要
一种塑料刀叉套具(10，20，30)，主要由诸如聚苯乙烯的塑料制成，并具有金属涂层(14，24，34)为该刀叉套具提供金属刀叉或银器的外观。该塑料刀叉或各种餐具是使用传统注塑成形技术成形，并以单独的、非邻接的方式进行真空金属化处理，由此在它们的至少一个表面上沉积一层薄的金属层。在本发明的最优选实施例中，塑料刀叉或套具由透光级聚苯乙烯树脂成形，并且通过真空溅射沉积在仅仅一个表面上沉积一层薄的不锈钢层。
文档编号B25G1/10GK101053477SQ20071009737
公开日2007年10月17日 申请日期2002年8月26日 优先权日2001年8月24日
发明者A·K·米撒尔, D·戈登, R·尚, T·E·埃尔斯沃思, W·A·盖洛普 申请人:沃丁顿北美公司