АНТИСМАЧИВАЮЩИЕ НИЗКОАДГЕЗИОННЫЕ ПОКРЫТИЯ ДЛЯ ПЕЧАТАЮЩИХ ГОЛОВОК ДЛЯ ВОДНЫХ ЧЕРНИЛ
ANTI-WETTING LOW ADHESION COATINGS FOR AQUEOUS INK PRINTHEADS

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Во многих чернильных печатающих головках дюзная пластина и группы сопл с чернилами обычно состоят из пластин из нержавеющей стали. Дюзная пластина имеет упорядоченную совокупность мелких отверстий или сопл, которые также иногда называют каналами, через которые чернила выходят из группы сопл. На смену дюзным пластинам из нержавеющей стали и другим пластинам в группе сопл пришли гибкие полимерные пленки, такие как полиимидные пленки. В некоторых случаях полиимидную пленку покрывают антисмачивающим покрытием, приклеивают к дюзной пластине из нержавеющей стали, а затем в полиимидной пленке лазером прожигают совокупность отверстий.
Протекающие дюзы или сопла, смачивание и адгезия чернил на передней поверхности печатающей головки приводят к пропускам и искаженному разбрызгиванию, а также к низкому качеству изображения. Протекающие сопла пропускают чернила, если внутреннее давление печатающей головки превышает определенное давление, обычно измеряемое в дюймах водяного столба. Чем выше давление, которое могут выдерживать сопла без протечки, тем шире возможности разбрызгивания и выше качество. Смачивание происходит, если передняя поверхность печатающей головки остается влажной после печати. Чернила, оставшиеся на печатающей головке, могут закупоривать сопла, что приводит к пропуску сопл и искаженной печати. На фиг. 1 представлена фотография такой загрязненной печатающей головки.
В настоящее время один из подходов к преодолению указанных проблем заключается в использовании активной ракельной системы очистки. Как правило, такие ракельные лезвия используют только в двух случаях: при обнаружении пропущенных струй и после выключения электропитания при замерзании, ссыхании чернил и попадании воздуха в систему. Система вымывает чернила из печатающей головки, а затем ракельное лезвие снимает чернила с передней поверхности. Чистка чернилами устраняет загрязнение, захваченный воздух и очищает сопла, а затем ракели чистят переднюю поверхность. При ожидаемом сроке эксплуатации печатающей головки 6 лет, количество ежедневных циклов промывания и стирания составит примерно 2000. Увеличение количества циклов очистки означает, что любое антисмачивающее покрытие должно выдержать и сохранить свои свойства в течение более 2000 циклов.
Антисмачивающее покрытие также должно иметь большой угол контакта для поддержания надлежащего давления протекания и малый угол трения для сохранения простоты выполнения очистки/самоочистки. В результате могут быть получены картриджи печатающей головки, требующие небольшого технического обслуживания или не требующие его, обладающие технической надежностью и низкой стоимостью эксплуатации. Процесс изготовления объекта обычно подразумевает высокие температуры и давления, поэтому указанное покрытие должно сохранять свои свойства при данных условиях, обычно 290°С и 350 psi в течение примерно 30 минут. Как правило, низкоадгезионные антисмачивающие покрытия, имеющие малый угол трения, чисто соскальзывают с передней поверхности печатающей головки под действием силы тяжести.
Олеофобные низкоадгезионные поверхностные покрытия для твердых чернил обеспечили значительное улучшение качества. Олеофобные низкоадгезионные антисмачивающие покрытия, нанесенные на полиимидные прототипы дюзных пластин, демонстрируют возможность применения высокого давления протекания и самоочистки/простой очистки твердыми чернилами.
Однако, несмотря на то, что такие покрытия имеют практическую значимость для применения с твердыми чернилами, разработка низкоадгезионных антисмачивающих поверхностных покрытий для водных чернил представляет собой особенно трудную задачу. Большинство водных чернил имеют сложный химический состав и содержат такие компоненты, как поверхностно-активные вещества. Из-за наличия поверхностно-активных веществ водные чернила обычно смачивают большинство поверхностей. Фактически, водными чернилами смачиваются даже гидрофобные поверхности с большим углом контакта с водой. Смачивание поверхностей дюзной пластины печатающей головки приводит к протеканию или низкому давлению протекания, что приводит к сбою работы. Кроме того, требования технического обслуживания печатающей головки обусловливают более плотный и продолжительный контакт чернил с антисмачивающим покрытием, чем в случае твердых чернил, например, из-за закрывания головок во время простоя для предотвращения высыхания чернил. В настоящее время лишь очень немногие полимеры могут обеспечивать надежное антисмачивающее покрытие для водных чернил. Следовательно, необходима разработка новых надежных антисмачивающих покрытий для водных чернил.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ
В соответствии с различными вариантами реализации настоящее изобретение включает покрытие для передней поверхности струйной печатающей головки для водных чернил. Указанное покрытие содержит перфторполиэфирдиоловое соединение, содержащее этоксилированный промежуточный блок, и триизоцианат. Кроме того, указанное покрытие обладает антисмачивающими и антиадгезионными свойствами, при этом капля водных чернил имеет угол трения примерно 30° или менее и угол контакта с поверхностью антисмачивающего низкоадгезионного покрытия примерно 40° или более.
В соответствии с различными вариантами реализации настоящее изобретение включает также струйную печатающую головку, выполненную с возможностью вывода водных чернил. В различных вариантах реализации передняя поверхность струйной печатающей головки имеет антисмачивающее низкоадгезионное покрытие, расположенное на поверхности, при этом выпущенная капля водных чернил имеет малый угол трения и большой угол контакта с передней поверхностью печатающей головки с покрытием, причем малый угол трения равен примерно 30° или менее, а угол контакта равен примерно 40° или более.
Кроме того, различные варианты реализации включают способ снижения протекания, смачивания или адгезии на передней поверхности струйной печатающей головки, выполненной с возможностью вывода водных чернил. Указанный способ включает нанесение антисмачивающего низкоадгезионного покрытия на переднюю поверхность струйной печатающей головки, выводящей из печатающей головки капли водных чернил, содержащих поверхностно-активное вещество, при этом капля водных чернил имеет угол контакта 40° или более и угол трения с поверхностью покрытия примерно 30° или менее.
Следует понимать, что и представленное выше общее описание, и следующее подробное описание являются лишь иллюстративными и пояснительными, и они не ограничивают настоящее описание.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
Сопровождающие чертежи, которые включены в настоящее описание и составляют его часть, иллюстрируют некоторые варианты реализации настоящего изобретения и вместе с описанием служат для объяснения принципов настоящего изобретения.
На фиг. 1 изображен пример загрязненной передней поверхности печатающей головки.
На фиг. 2 изображен вид сбоку одного из вариантов реализации группы сопл.
На фиг. 3 изображены углы контакта для имеющихся в продаже водных чернил.
На фиг. 4 представлена зависимость интегральной вероятности от угла контакта до и после изготовления печатающей головки.
На фиг. 5 изображено давление протекания некоторых печатающих головок, имеющих покрытие на передней поверхности, с использованием имеющихся в продаже водных чернил.
На фиг. 6 изображены углы контакта водных чернил на чистых и загрязненных поверхностных покрытиях.
На фиг. 7 изображена зависимость интегральной вероятности от угла контакта после выдерживания дюзной пластины с поверхностным покрытием в отработанных водных чернилах с применением различных способов очистки поверхности.
На фиг. 8 представлены давления протекания струйных печатающих головок для водных чернил, имеющих покрытие на передней поверхности, в различных условиях загрязнения и очистки.
На фиг. 9 представлены давления протекания струйных печатающих головок для водных чернил, имеющих покрытие на передней поверхности, после циклов промывания и стирания.
Следует отметить, что некоторые детали фигур упрощены и изображены для облегчения понимания вариантов реализации изобретения, а не для сохранения строгой структурной точности, подробностей и масштаба.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ РЕАЛИЗАЦИИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Варианты реализации, описанные в настоящем документе, включают варианты реализации изобретения, которые относятся к антисмачивающим низкоадгезионным поверхностным покрытиям и струйным печатающим головкам для водных чернил, имеющим переднюю поверхность, покрытую антисмачивающим низкоадгезионным поверхностным покрытием. Если передняя поверхность струйной печатающей голошеи для водных чернил покрыта полимерным поверхностным покрытием, описанным в настоящем документе, то выпущенные капли водных чернил неожиданно демонстрируют низкую адгезию и достаточно низкую смачиваемость в отношении поверхностного покрытия, определенную, например, по углу трения и углу контакта. Также может быть неожиданно уменьшено просачивание (протекание) чернил из отверстий сопл струйной печатающей головки. Различные варианты реализации включают также способы снижения смачивания, адгезии или протекания на передней поверхности струйного принтера, выполненного с возможностью вывода водных чернил.
Свойства антисмачивающих низкоадгезионных покрытий
Покрытия, описанные в настоящем документе, которые могут быть использованы для струйных печатающих головок для водных чернил, таких как пьезоэлектрические или термопечатающие головки, обеспечивают возможность получения выпущенных капель водных чернил с низкой адгезией к покрытию. Адгезия чернильной капли к поверхности может быть определена путем измерения угла трения капли водных чернил, где угол трения представляет собой угол наклона поверхности относительно горизонтального положения, при котором капля чернил начинает скользить по поверхности, не оставляя за собой следа или пятна. Чем меньше угол трения, тем меньше адгезия между каплей чернил и поверхностью.
Выражение «низкая адгезия», используемый в настоящем документе, означает малый угол трения, равный примерно 35° или менее, измеренный для водных чернил на передней поверхности печатающей головки с антисмачивающим низкоадгезионным покрытием. В некоторых вариантах реализации малый угол трения равен примерно 30° или менее. В других вариантах реализации малый угол трения равен примерно 25° или менее, или примерно 20° или менее, измеренный для водных чернил на передней поверхности печатающей головки с антисмачивающим низкоадгезионным покрытием. В других вариантах реализации малый угол трения равен примерно 1° или более, измеренный для водных чернил на передней поверхности печатающей головки с антисмачивающим низкоадгезионным покрытием.
Антисмачивающее низкоадгезионное поверхностное покрытие, описанное в настоящем документе, также может демонстрировать «достаточно низкую смачиваемость» в отношении водных чернил, выпускаемых из струйной печатающей головки, если угол контакта между чернилами и низкоадгезионным покрытием равен, в одном из вариантов реализации, примерно 40° или более, а в другом варианте реализации равен примерно 55° или более. В некоторых вариантах реализации выпущенные капли водных чернил демонстрируют угол контакта примерно 65° или более. В одном из вариантов реализации для угла контакта между выпущенными каплями водных чернил и поверхностным покрытием нет верхнего предела. В другом варианте реализации выпущенные капли водных чернил демонстрируют угол контакта примерно 150° или менее.
В некоторых вариантах реализации большой угол контакта и несмачивающие свойства покрытий, описанных в настоящем документе, сохраняются даже в отношении водных чернил, содержащих поверхностно-активные вещества. Из-за наличия поверхностно-активных веществ, водные чернила обычно смачивают большинство поверхностей, даже гидрофобные поверхности с большим углом контакта с водой. Это является неожиданным и полезным свойством вариантов реализации антисмачивающих низкоадгезионных поверхностных покрытий, описанных в настоящем документе.
В других вариантах реализации угол контакта, равный примерно 40° или более, наблюдают даже в случае загрязнения поверхности покрытия, например, высохшими водными чернилами. Кроме того, антисмачивающее низкоадгезионное поверхностное покрытие может иметь большой период эксплуатации, например, может сохранять эксплуатационные характеристики после погружения в нагретые до 40°С чернила до 2 дней.
В различных вариантах реализации антисмачивающие низкоадгезионные поверхностные покрытия являются термически устойчивыми, обеспечивая тем самым малый угол трения в диапазоне от примерно 1° до примерно 30° и большой угол контакта от примерно 40° до примерно 150° даже после воздействия высоких температур и давления. Примеры указанных высоких температур представляют собой температуры в диапазоне от примерно 180°С до примерно 325°С, такое значение как примерно 290°С. Примеры высокого давления представляют собой давление в диапазоне от примерно 100 psi до примерно 400 psi в течение продолжительных периодов времени в диапазоне от примерно 10 минут до примерно 2 часов, или высокое давление от примерно 300 psi до примерно 350 psi в течение примерно 30 минут.
Для изготовления высокоплотных пьезоэлектрических печатающих головок, например, необходима стадия адгезионного связывания при высокой температуре и высоком давлении. Следовательно, необходимо, чтобы покрытие передней поверхности выдерживало указанные условия высокой температуры и высокого давления. Стабильность антисмачивающего низкоадгезионного поверхностного покрытия, описанного в настоящем документе, при высоких температурах и высоких давлениях совместима с существующими технологиями изготовления печатающих головок.
Например, антисмачивающее низкоадгезионное покрытие может быть нанесено па полиимидный субстрат струйной печатающей головки для водных чернил и связано с дюзной основой из нержавеющей стали при высокой температуре и высоком давлении без какого-либо разложения. Таким образом, готовая печатающая головка может препятствовать загрязнению чернилами, поскольку капли чернил могут скатываться с передней поверхности печатающей головки, не оставляя за собой следа.
В некоторых вариантах реализации антисмачивающие низкоадгезионные поверхностные покрытия могут выдерживать высокое давление протекания. Как правило, чем больше угол контакта водных чернил, тем лучше, что означает возможность более высокого давления протекания. Давление протекания относится к способности дюзной пластины препятствовать просачиванию чернил через отверстие сопла при увеличении давления картриджа или резервуара для чернил. Поддержание более высокого давления без просачивания обеспечивает возможность более быстрой печати после команды выдачи на печать. В некоторых вариантах реализации антисмачивающее низкоадгезионное поверхностное покрытие, описанное в настоящем документе, может обеспечивать снижение протекания за счет увеличения давления протекания. В некоторых вариантах реализации давление протекания может составлять примерно 1,5 дюйма водяного столба или более. В других вариантах реализации давление протекания может составлять примерно 2, примерно 3 или примерно 4 дюйма водяного столба или более.
В другом варианте реализации настоящее изобретение может включать способы снижения протекания, смачиваемости или адгезии передней поверхности струйной печатающей головки, выполненной с возможностью вывода водных чернил, посредством нанесения антисмачивающего низкоадгезинного покрытия, описанного в настоящем документе, на переднюю поверхность струйной печатающей головки. В некоторых вариантах реализации протекание снижается, если капля водных чернил, необязательно содержащая поверхностно-активные вещества, демонстрирует угол контакта примерно 40° или более и угол трения примерно 30° или менее.
Композиция и способы получения антисмачивающих низкоадгезионных покрытий.
В некоторых вариантах реализации антисмачивающее низкоадгезионное поверхностное покрытие, описанное в настоящем документе, представляет собой продукт реакции смеси реагентов, которая содержит по меньшей мере один триизоцианат и перфторполиэфирдиоловое соединение, содержащее этоксилированный промежуточный блок.
Подходящие триизоцианаты включают полимерные изоцианаты, такие как изоцианаты, имеющие общую формулу:
где R представляет собой алкильную группу, алкиленовую группу, арильную группу, ариленовую группу, арилалкильную группу, арилалкиленовую группу, ал кил арильную группу или алкилариленовую группу.
В одном из вариантов реализации R представляет собой алкильную или алкиленовую группу, включая линейные и разветвленные, насыщенные и ненасыщенные, циклические и ациклические, замещенные и незамещенные алкильные и алкиленовые группы, при этом в указанной алкильной или алкиленовой группе могут присутствовать или отсутствовать гетероатомы, такие как кислород, азот, сера, кремний, фосфор или т.п.
В одном из вариантов реализации алкильная или алкиленовая группа содержит по меньшей мере примерно 8 атомов углерода. В другом варианте реализации алкильная или алкиленовая группа содержит по меньшей мере примерно 10 атомов углерода. В другом варианте реализации алкильная или алкиленовая группа содержит по меньшей мере примерно 12 атомов углерода. В одном из вариантов реализации алкильная или алкиленовая группа содержит не более примерно 60 атомов углерода. В другом варианте реализации алкильная или алкиленовая группа содержит не более примерно 50 атомов углерода. В другом варианте реализации алкильная или алкиленовая группа содержит не более примерно 40 атомов углерода. Однако следует понимать, что количество атомов углерода может быть за пределами указанных диапазонов.
В одном из вариантов реализации R представляет собой арильную или ариленовую группу (включая замещенные и незамещенные арильные и ариленовые группы, при этом в указанной арильное или ариленовой группе могут присутствовать или отсутствовать гетероатомы, такие как кислород, азот, сера, кремний, фосфор или т.п.).
В одном из вариантов реализации арильная или ариленовая группа содержит по меньшей мере примерно 5 атомов углерода. В другом варианте реализации арильная или ариленовая группа содержит по меньшей мере примерно 6 атомов углерода. В одном из вариантов реализации арильная или ариленовая группа содержит не более примерно 50 атомов углерода. В другом варианте реализации арильная или ариленовая группа содержит не более примерно 25 атомов углерода. В другом варианте реализации арильная или ариленовая группа содержит не более примерно 12 атомов углерода. Однако следует понимать, что количество атомов углерода может быть за пределами указанных диапазонов.
В одном из вариантов реализации R представляет собой арилалкильную или арилалкиленовую группу (включая замещенные и незамещенные арилалкильные и арилалкиленовые группы, при этом алкильная часть арилалкильной или арилалкиленовой группы может быть линейной или разветвленной, насыщенной или ненасыщенной, циклической или ациклической и насыщенной или ненасыщенной, и причем в алкильной части указанной арилалкильной или арилалкиленовой группы могут присутствовать или отсутствовать гетероатомы, такие как кислород, азот, сера, кремний, фосфор или т.п.).
В одном из вариантов реализации арилалкильная или арилалкиленовая группа содержит по меньшей мере примерно 6 атомов углерода. В другом варианте реализации арилалкильная или арилалкиленовая группа содержит по меньшей мере примерно 7 атомов углерода. В одном из вариантов реализации арилалкильная или арилалкиленовая группа содержит не более примерно 60 атомов углерода. В другом варианте реализации арилалкильная или арилалкиленовая группа содержит не более примерно 40 атомов углерода. В другом варианте реализации арилалкильная или арилалкиленовая группа содержит не более примерно 30 атомов углерода. Однако следует понимать, что количество атомов углерода может быть за пределами указанных диапазонов.
Заместители у замещенных алкильных, алкиленовых, арильных, ариленовых, арилалкильных, арилалкиленовых, алкиларильных и алкилариленовых групп могут представлять собой (но не ограничиваются ими) атомы галогена, иминогруппы, аммониевые группы, цианогруппы, пиридиновые группы, пиридиниевые группы, простые эфирные группы, альдегидные группы, кетоновые группы, сложноэфирные группы, амидные группы, карбонильные группы, тиокарбонильные группы, сульфатные группы, сульфонатные группы, сульфидные группы, сульфоксидные группы, фосфиновые группы, фосфониевые группы, фосфатные группы, нитрильные группы, меркаптогруппы, нитрогруппы, нитрозогруппы, сульфоновые группы, ацильные группы, ангидридные группы, азидные группы, азогруппы, цианатогруппы, изоцианатогруппы, тиоцианатогруппы, изотиоцианатогруппы, карбоксилатные группы, их смеси или т.п., при этом два или более заместителя могут быть объединены друг с другом с образованием кольца.
Примеры триизоцианатов или их эквивалентов включают трифенилметан-4,4',4''-триизоцианат; трис(п-изоцианатофенил)тиофосфат; триметилолпропановый тример TDI или т.п., изоциануратные тримеры TDI, HDI, IPDI или т.п. и биуретовые тримеры TDI, HDI, IPDI или т.п., а также их смеси.
В некоторых вариантах реализации подходящие триизоцианаты могут быть приобретены под торговыми названиями Desmodur, Mondur или Impranil, например, Desmodur N 3300, Desmodur N 3790 производства Bayer Materials Science или т.п., или их смеси.
В некоторых вариантах реализации триизоцианат представляет собой Desmodur, используемый в смеси реагентов и имеющий структуру:
Примеры подходящих перфторполиэфирдиоловых соединений, содержащих этоксилированный промежуточный блок, включают (но не ограничиваются ими) соединения общей формулы:
2
2
2
2
2
2
b
2
c
2
2
2
2
OH-(CHCHO)-CH-CFO-(CFCFO)-(CFO)-CF-CH-(CHCHO)-OH
имеющие молекулярную массу от примерно 500 до примерно 2000 АЕМ, например, примерно 1500 АЕМ, где b и c представляют собой целые числа в диапазоне от 0 до 50, при условии, что по меньшей мере один из b и c не равен нулю. В некоторых вариантах реализации подходящие перфторполиэфирдиоловые соединения могут быть приобретены под торговым названием Fluorolink E10H производства Solvay Solexis.
Подходящие условия реакции для получения фторированных соединений с полиуретановой матрицей включают поперечное сшивание перфторполиэфирдиолового соединения, содержащего этоксилированный промежуточный блок, с одним или более триизоцианатами, такими как Desmodur 3790, при повышенной температуре, например, от примерно 50°С до примерно 100°С, например, при 71°С или 72°С, с получением раствора преполимерного покрытия. В некоторых вариантах реализации перфторполиэфирдиоловое соединение, содержащее этоксилированный промежуточный блок, растворяют в растворителе. Для получения раствора перфторполиэфирдиолового полимера необязательно может быть использован катализатор, который может быть нагрет до смешивания перфторполиэфирдиолового соединения, содержащего этоксилированный промежуточный блок, с триизоцианатом.
2
2
2
2
b
2
c
2
2
Перфторполиэфирдиоловое соединение, содержащее этоксилированный промежуточный блок, в некоторых вариантах реализации является более реакционноспособным, чем используемые ранее предшественники. Например, перфторполиэфирдиоловое соединение, содержащее этоксилированный промежуточный блок, структурно отличается от предшественников, используемых в более ранних покрытиях, например, Flurorlink-D, который имеет структуру HOCHCFO(CFCFO)(CFO)CFCHOH, где b и c представляют собой целые числа, как описано выше. Указанное различие обычно приводит к более высокой степени поперечного сшивания в композите согласно настоящему изобретению. В некоторых вариантах реализации смешивание триизоцианата и перфторполиэфирдиолового соединения, содержащего этоксилированный промежуточный блок, подразумевает другие условия синтеза, чем в предыдущих вариантах реализации низкоадгезионных покрытий, такие как другие молярные отношения -ОН/-NCO и уменьшение количества необязательного катализатора реакции.
Реакция может быть проведена в присутствии необязательного катализатора реакции, такого как дилаурат дибутилолова, трис-неодеканоат висмута, бензоат кобальта, ацетат лития, октоат олова (II), триэтиламин или т.п. Другие иллюстративные катализаторы включают катализаторы RC производства Rheine Chemie.
В одном из вариантов реализации реакция может быть проведена в инертной атмосфере, такой как газообразный аргон или азот, или другие подходящие газы, для предотвращения окисления или пожелтения продуктов реакции и предотвращения нежелательных побочных реакций под действием влаги.
Реакция может быть выполнена в неразбавленном виде (т.е. без растворителя) или может быть выполнена необязательно в любом требуемом или эффективном растворителе. Примеры подходящих растворителей включают ксилол, толуол, бензол, хлорбензол, гексафторбензол, нитробензол, дихлорбензол, N-метилпирролидинон, диметилформамид, диметилсульфоксид, сульфолан, гексан, тетрагидрофуран, бутилацетат, амилацетат, этилацетат, пропилацетат, метилацетат, гидрофторэфир (HFE) Novec™ 7200 (3М), HFE 7500 (3М), Solvosol (Dow) и т.п., а также их смеси. Другой пример растворителя, который может быть использован, представляет собой растворитель FCL 52, фторсодержащий растворитель производства Cytonix LLC.
В одном из вариантов реализации антисмачивающее низкоадгезионное покрытие может быть сформировано на требуемом субстрате, таком как дюзная пластина или струйной печатающей головки для водных чернил, посредством первоначального нанесения смеси реагентов, которая содержит по меньшей мере один триизоцианат и по меньшей мере одно перфторполиэфирдиоловое соединение.
Реагенты могут взаимодействовать друг с другом посредством поперечного сшивания перфторполиэфирдиолового соединения, содержащего этоксилированный промежуточный блок, и триизоцианата при повышенной температуре, описанной выше, например, 71°С-72°С. В некоторых вариантах реализации смесь реагентов может дополнительно взаимодействовать посредством первого отверждения при температуре в диапазоне от примерно 130°С до примерно 150°С в течение периода времени от примерно 30 минут до примерно 2 часов; с последующим вторым отверждением при температуре в диапазоне от примерно 250°С до 330°С в течение периода времени от примерно 30 минут до примерно 2 часов. В одном из вариантов реализации смесь реагентов сначала отверждают при температуре примерно 130°С в течение примерно 30 минут, а затем при высокой температуре при примерно 290°С в течение примерно 30 минут.
В некоторых вариантах реализации покрытия дополнительно подвергают действию высокой температуры и давления, как происходит при изготовлении высокоплотных пьезоэлектрических печатающих головок. Примеры указанных высоких температур представляют собой температуры в диапазоне от примерно 180°С до примерно 325°С, такое значение как примерно 290°С. Примеры высокого давления представляют собой давление в диапазоне от примерно 100 psi до примерно 400 psi в течение продолжительных периодов времени в диапазоне от примерно 10 минут до примерно 2 часов, или высокое давление от примерно 300 psi до примерно 350 psi в течение примерно 30 минут. В некоторых вариантах реализации дополнительное воздействие высокой температуры и давления приводит к дополнительному отверждению покрытий.
В одном из вариантов реализации смесь реагентов может быть нанесена па субстрат при помощи любого известного способа, такого как струйный облив, нанесение покрытия из экструзионной головки, нанесение покрытия окунанием, нанесение покрытия центрифугированием, тиснение и ракельная технология. Для распыления смеси реагентов может быть использовано устройство воздушного распыления, такое как аэрограф или автоматический разбрызгиватель воздуха/жидкости. Устройство воздушного распыления может быть установлено на автоматическом поршневом двигателе, который равномерно двигается, покрывая поверхность субстрата одинаковым (или по существу одинаковым) количеством смеси реагентов. Использование скребка-лопатки представляет собой другую технологию, которая может быть использована для нанесения смеси реагентов. При струйном обливе для нанесения смеси реагентов используют программируемый дозатор.
Струйные печатающие головки для водных чернил и способы их изготовления.
В некоторых вариантах реализации струйные принтеры для водных чернил содержат матрицы дюз или сопл на последней пластине в группе пластин, используемых для направления водных чернил. Описание, представленное в настоящем документе, относится к группе пластин, такой как группа сопл, и последней пластине, такой как сопловая пластина. На фиг. 2 изображен один из вариантов реализации группы сопл печатающей головки, имеющий антисмачивающее низкоадгезионное поверхностное покрытие 26, связанное с сопловой пластиной 24. Сопловая пластина может быть полимерной пленкой, такой как полиимидная пленка, связанной с поддерживающей дюзной основой 22. Поддерживающая дюзная основа 22 изготовлена из любого подходящего материала, такого как нержавеющая сталь, и содержит дюзы 22а, определенные в ней. Дюзы 22а могут сообщаться с источником водных чернил, так что водные чернила из источника чернил разбрызгиваются из группы сопл 20 печатающей головки на записывающий субстрат через дюзу 22а.
В иллюстрированном варианте реализации сопловая пластина 24 связана с поддерживающей основой 22 посредством промежуточного адгезивного материала 28. адгезивный материал 28 может быть представлен в виде термопластичного адгезива, который может быть расплавлен в процессе склеивания, обеспечивая склеивание сопловой пластины 24 с поддерживающей основой 22. Как правило, в процессе склеивания нагревают также сопловую пластину 24 и антисмачивающее низкоадгезионное покрытие 26. В зависимости от материала, из которого состоит термопластичный адгезив, температура склеивания может составлять от примерно 180°С до примерно 325°С (или в диапазоне от примерно 180°С до примерно 325°С, например, примерно 290°С).
В некоторых вариантах реализации печатающую головку изготавливают посредством формования группы сопл, нанесения на сопловую пластину антисмачивающего низкоадгезионного поверхностного покрытия, описанного в настоящем документе, и склеивания сопловой пластины с группой сопл. Процесс склеивания может быть выполнен до или после процесса нанесения покрытия, в зависимости от конфигурации группы сопл, природы материалов, используемых в покрытии, и т.д.
При нанесении на переднюю поверхность струйной печатающей головки антисмачивающие низкоадгезионные покрытия, описанные в настоящем документе, демонстрируют достаточно низкую адгезию в отношении водных чернил, которые выводятся из струйной печатающей головки, так что капли водных чернил, оставшиеся па антисмачивающем низкоадгезионном поверхностном покрытии, могут легко соскальзывать с печатающей головки, не оставляя следов. Загрязнения, такие как пыль, частички бумаги и т.д., которые иногда встречаются на передней поверхности струйных печатающих головок, могут быть удалены с передней поверхности струйной печатающей головки вместе со скользящей каплей водных чернил. Антисмачивающее низкоадгезионное поверхностное покрытие печатающей головки может обеспечивать получение самоочищающейся, не содержащей загрязнений струйной печатающей головки для водных чернил.
Струйные печатающие головки для водных чернил, имеющие антисмачивающее низкоадгезионное поверхностное покрытие, описанное в настоящем документе, могут быть использованы в струйных принтерах непрерывного действия, термальных капельно-импульсных (DOD) струйных принтерах и пьезоэлектрических DOD струйных принтерах. См. также патент США 8801171, включенный в настоящий документ посредством ссылки в полном объеме. При использовании в настоящем документе термин «принтер» включает любое устройство, такое как цифровой копир, машина для изготовления книг, факсимильное устройство, многофункциональная машина и т.п., которое осуществляет функцию печати для любой цели.
В принтерах со струйными печатающими головками для водных чернил, описанными в настоящем документе, может быть использован любой подходящий записывающий субстрат, включая простую бумагу, такую как бумага XEROX 4024, бумага серии XEROX Image, бумага Courtland 4024 DP, линованная бумага, высокосортная бумага, бумага, мелованная диоксидом кремния, такая как бумага, мелованная диоксидом кремния производства Sharp Company, бумага JuJo, бумага Hammermill Laserprint и т.п., прозрачные материалы, ткани, текстильные изделия, пластмассы, полимерные пленки, неорганические субстраты, такие как металлы и древесина, и т.п.
Водные чернила
Водные чернила, которые могут быть использованы с описанными покрытиями, струйными печатающими головками, выполненными с возможностью использования водных чернил, а также со способами, описанными в настоящем документе, содержат воду, красящее вещество и необязательно другие ингредиенты, такие как совместные растворители (увлажнители), поверхностно-активные вещества, связующие вещества, буферы и биоциды. Вода действует в качестве жидкого носителя (или среды) для красящего вещества и необязательных добавок.
Основные компоненты, такие как краситель или пигмент и водная среда, которые составляют композицию чернил согласно настоящему изобретению, известны per se, и могут быть использованы те из них, которые обычно используют в композициях чернил для струйной печати. Например, краситель может включать водорастворимые красители, которые относятся к прямым красителям, кислотным красителям, основным красителям и активным красителям.
Примеры пигментов с колористическими свойствами, подходящими для водных струйных чернил, включают, но не ограничиваются ими: пигмент синий 15:4; (маджента) пигмент красный 122, пигмент желтый 14, пигмент желтый 74, пигмент оранжевый 5, пигмент зеленый 1, пигмент синий 60, пигмент фиолетовый 3 и технический углерод, и т.д.
В стандартных композициях чернил красители обычно используют в такой пропорции, чтобы содержание красителя составляло от примерно 0,1 до 20% по массе композиции чернил. Содержание пигмента в композиции чернил также может составлять от 0,1% по массе до 20% по массе от общей массы композиции.
Водная среда, используемая в чернилах для некоторых вариантов реализации, представляет собой воду, такую как деионизированная вода, или смесь воды и водорастворимого органического растворителя. Водорастворимый органический растворитель, используемый с водой, может включать, например, низшие спирты, такие как метиловый спирт, этиловый спирт, н-пропиловый спирт, изопропиловый спирт, н-бутиловый спирт, втор-бутиловый спирт и трет-бутиловый спирт; амиды, такие как диметилформамид и диметилацетамид; кетоны или кетоспирты, такие как ацетон и диацетоновый спирт; простые эфиры, такие как тетрагидрофуран и диоксан; полиалкиленгликоли, такие как полиэтиленгликоль и полипропиленгликоль; алкиленгликоли, такие как этиленгликоль, пропиленгликоль, бутиленгликоль, диэтиленгликоль, триэтиленгликоль, дипропиленгликоль, трипропиленгликоль, тиодигликоль и гексиленгликоль; низшие простые алкильные эфиры многоатомных спиртов, такие как монометиловый эфир этиленгликоля, моноэтиловый эфир этиленгликоля, монометиловый эфир диэтиленгликоля, моноэтиловый эфир диэтиленгликоля, монобутиловый эфир диэтиленгликоля, монометиловый эфир триэтиленгликоля, моноэтиловый эфир триэтиленгликоля и монобутиловый эфир триэтиленгликоля; глицерин; 2-пирролидон, N-метил-2-пирролидон; и 1,3-диметил-2-имидазолидинон. Из них в некоторых вариантах реализации могут быть использованы глицерин, алкиленгликоли, такие как диэтиленгликоль, и низшие простые алкильные эфиры многоатомных спиртов, такие как моноэтиловый эфир триэтиленгликоля.
Содержание водорастворимого органического растворителя в композиции чернил может составлять, как правило, от примерно 0% до примерно 5% по массе, предпочтительно от примерно 10% до примерно 80% по массе, например, от примерно 20% до 50% по массе от общей массы композиции чернил.
При использовании водорастворимых органических растворителей содержание воды может быть определено в пределах широкого диапазона, в зависимости от типа компонента водорастворимого органического растворителя, его состава и требуемых свойств чернил, и может составлять, как правило, от примерно 10% до примерно 95% по массе, предпочтительно от примерно 10% до примерно 70% по массе и более предпочтительно от примерно 20% до примерно 70% по массе от общей массы композиции чернил.
Как правило, в чернила добавляют поверхностно-активные вещества для изменения поверхностного натяжения и характеристик смачивания. Подходящие поверхностно-активные вещества включают этоксилированные ацетилендиолы (например, серия Surfynols производства Air Products), этоксилированные первичные (например, серия Neodol производства Shell) и вторичные (например, серия Tergitol производства Union Carbide) спирты, сульфосукцинаты (например, серия Aerosol производства Cytec), органосиликоны (например, серия Silwet производства Witco) и фторсодержащие поверхностно-активные вещества (например, серия Zonyl производства DuPont). Поверхностно-активные вещества обычно используют в количестве до примерно 5% и более часто в количестве не более 2%.
Включение комплексообразующих (или хелатирующих) агентов, таких как этилендиаминтетрауксусная кислота (EDTA), иминодиуксусная кислота (IDA), этилендиаминди(о-гидроксифенилуксусная кислота) (EDDHA), нитрилотриуксусная кислота (NTA), дигидроксиэтилглицин (DHEG), транс-1,2-циклогександиаминтетрауксусная кислота (CyDTA), диэтилентриамин-N,N,N',N'',N''-пентауксусная кислота (DTPA) и гликольэфирдиамин-N,N,N',N'-тетракусксная кислота (GEDTA), а также их солей, может быть целесообразным, например, для предотвращения неблагоприятного действия примесей тяжелых металлов.
Для подавления роста микроорганизмов в водных чернилах могут быть использованы биоциды. Биоциды могут быть противомикробными агентами, противогрибковыми агентами и т.д. В чернила также могут быть добавлены полимеры для улучшения износостойкости или других свойств.
Имеющиеся в продаже водные чернила, подходящие для применения в некоторых вариантах реализации покрытий, печатающих головой и способов, описанных в настоящем документе, включают чернила Collins с красителями и пигментами Y, С, M и K (Collins Ink jet Corporation, Цинциннати, штат Огайо) и чернила WBKC Prodigy™ (INX Digital International, Сан-Леандро, штат Калифорния), Hunts MICR (Hunt Imaging™, Береа, штат Огайо) и чернила Arte Belle с пигментом С (American Ink Jet Corporation, Биллерика, штат Массачусетс).
Далее подробно описаны конкретные варианты реализации изобретения. Данные примеры являются иллюстративными, и формула изобретения не ограничена материалами, условиями или технологическими параметрами, указанными в этих вариантах реализации.
ПРИМЕРЫ
Пример 1. Получение покрытия
38,3 грамма Fluorolink Е10Н добавили в 3-горлую круглодонную колбу, оснащенную капельной воронкой, датчиком температуры и обратным холодильником. В 3-горлую круглодонную колбу добавили 245 мл Novec™ 7200, 170 мл этилацетата и 0,333 грамм катализатора дибутилолова дилаурата, и перемешивали и нагревали содержимое до умеренной дефлегмации (~71°С) в атмосфере азота. Приготовили второй раствор, растворив 11,6 грамм Desmodur 3790 в 445 мл этилацетата и 145 мл Novec™ 7200. Затем полученный раствор триизоцианата перенесли в капельную воронку, соединенную с круглодонной колбой, и по каплям добавили в раствор Fluorolink E10H за 2 часа при 71°С-72°С. Полученную реакционную смесь перемешивали в течение ночи (примерно 18 часов). После охлаждения до комнатной температуры раствор продукта отфильтровали через фильтр Millipore Opticap XL (размер пор 0,2 микрона) с получением раствора продукта. Концентрация вещества в растворе продукта составила ~4-5%.
Раствор продукта разбавили до содержания вещества ~3,4%, добавив Novec™ 7200. Разбавленный раствор перенесли в круглодонную колбу и концентрировали до концентрации вещества ~12%, перегоняя при помощи дистиллятора Vigreaux. Конечное отношение растворителей Novec™ 7200/этилацетата составило примерно 60/40 (масс./масс.).
После охлаждения до комнатной температуры концентрированный раствор нанесли на полиимидный субстрат, используя тяговое устройство для нанесения покрытий. Нанесенную пленку высушили на воздухе в течение 5 минут, а затем отвердили нагреванием в печи, используя две последовательные стадии нагревания: высушенную на воздухе пленку поместили в печь при 130°С на 30 минут (1 отверждение), а затем при 290°С на 30 минут (2 отверждение) с получением антисмачивающего низкоадгезионного покрытия. Покрытия анализировали на качество пленки и свойства поверхности в отношении водных чернил, как описано далее.
Пример 2. Углы контакта и углы трения
Углы контакта и углы трения покрытий, полученных в соответствии с Примером 1, анализировали на гониометре ОСА20 производства Dataphysics. При обычном измерении статического угла контакта осторожно нанесли примерно 10 микролитров водных чернил на поверхность покрытия из Примера 1 и определили статический угол при помощи компьютерного программного обеспечения (SCA20). Каждое записанное значение представляет собой среднее для >5 независимых измерений.
Измерение угла трения выполнили путем наклона базового элемента со скоростью 1%, на котором находилась капля водных чернил производства Collins Inkjet Corporation, Цинциннати, штат Огайо, объемом примерно 10 микролитров. Угол трения определяли как угол наклона, при котором исследуемые капли начинали скользить.
Для моделирования адгезивного склеивания при изготовлении печатающей головки использовали автономное тестирование, так называемое взаимодействие в стопке. Покрытие подвергли действию высокого давления и высокой температуры, т.е. 290°С при 350 psi в течение 30 минут, а затем измерили угол контакта и угол трения.
Ниже в таблице 1 представлены значения угла контакта (СА) и угла трения (SA) шести образцов антисмачивающего низкоадгезионного водного покрытия в соответствии с Примером 1 после первоначального отверждения и после моделирования взаимодействия в стопке при 290°С при 350 psi в течение 30 минут. Как видно из таблицы, все значения угла контакта были выше 40°, и все значения угла трения были менее 30°, даже после моделирования взаимодействия в стопке при 290°С при 350 psi в течение 30 минут.
Антисмачивающее низкоадзегионное покрытие, описанное в Примере 1, испытали также с тринадцатью промышленными водными чернилами и измерили углы покрытия. Как показано на фиг. 3, все промышленные чернила демонстрировали средние углы контакта более 40°. Чернила Collins с красителями и пигментами Y, С, M и K (Collins Ink jet Corporation, Цинцинатти, штат Огайо) и чернила WBKC Prodigy™ (INX Digital International, Сан-Леандро, штат Калифорния) показали большие углы контакта, чем чернила Arte Belle с пигментом С (American Ink Jet Corporation, Биллерика, штат Массачусетс).
Пример 3. Углы контакта и трения водных чернил после изготовления головки
Печатающие головки изготовили следующим образом. Полиимидный дюзный узел, изображенный на фиг. 2, изготовили нанесением низкоадгезинного антисмачивающего покрытия 26, описанного в Примере 1, на внешнюю поверхность дюзной пластины 24, изготовленной из полиимидной пленки Upilex производства Ube Industries. Дюзную основу 22 из нержавеющей стали приклеили к дюзной пластине (покрытой полиимидной пленкой), используя высокую температуру, термопластичный адгезив, т.е. термопластичную полиимидную пленку DuPont ELJ-100 при 290°С и 350 в течение получаса. Для прожигания сопел в дюзной пластине использовали лазер. Затем полученный полиимидный дюзный узел присоединили и склеили с группой сопел/узлом PZT и коллектором с получением печатающей головки.
Угол контакта (СА) и угол трения (SA) имеющихся в продаже водных чернил измеряли до изготовления головки, как описано в Примере 2, а также после изготовления головки. При укладке поверх дюз для защиты помещали фторполимер (PFA). Результаты представлены на фиг. 4.
На фиг. 4 показана зависимость интегральной вероятности от угла контакта для определенной чернил Collins с красителем до и после изготовления головки.
Пример 4. Давление протекания
Прототипы печатающих головок, изготовленные в соответствии с Примером 3 с применением покрытий, полученных в соответствии с Примером 1, демонстрировали также хорошие характеристики протекания. Давление протекания измеряли при помощи датчика давления модели номер DPIS8 производства Omega Engineering, Inc. (Стамфорд, штат Коннектикут) и калибровали по манометру. На фиг. 5 представлено давление протекания нескольких печатающих головок, изготовленных с покрытиями ЕГОН. Как можно видеть на фиг. 5, давление протекания сохранялось выше определенного нижнего значения 1,5 дюйма водяного столба для всех печатающих головой, изготовленных с покрытиями Е10Н.
Пример 5. Отложение чернил и восстановление поверхности
Разность угла контакта между грязной и чистой поверхностями оценивали посредством погружения поверхности печатающих головок с покрытием в водные чернила и обеспечения возможности высыхания чернил. На фиг. 6 показано, что средние углы контакта для водных красок (Collins с красителем, Collins с пигментом, INX с пигментом и Hunts MICR) больше 40°, даже если поверхность содержит засохшие водные чернила.
Кроме того, поверхности печатающих головок с покрытием погружали в отработанные водные чернила (Collins с красителем, 4 смешанных цвета) на 49 дней. Измеряли углы контакта водных чернил на поверхностях, указывающие на разную степень отложения чернил или загрязнения поверхностей чернилами. На фиг. 7 показано, что угол контакта водных чернил на дюзной пластине снижается при погружении в водные чернила, указывая на то, что поверхность загрязнена чернилами. Углы контакта измеряли после стирания чернил с поверхности и после очистки изопропиловым спиртом (IPA). Очистка с IPA привела к восстановлению углов контакта до исходных значений.
После обильного смазывания отработанными чернилами (чернила Collins с красителем маджента) и стояния и высыхания в течение ночи, давление протекания также сохранялось на уровне выше определенного нижнего значения 1,5 дюйма водяного столба. Удаление чернил стиранием и/или промыванием улучшает давление протекания (фиг. 8).
Для оценки долговечности покрытия в соответствии с Примером 1 после многих циклов стирания, покрытия подвергли >1500 циклам промывания и стирания, используя силиконовый ракель. Как показано на фиг. 9, давление протекания сохранялось выше определенного нижнего значения 1,5 дюйма даже через 1500 циклов промывания и стирания. Кроме того, на фиг. 9 показано, что содержание поверхности в чистоте обеспечивает улучшение характеристик протекания.
Несмотря на то, что числовые диапазоны и параметры, представленные выше в широком описании настоящего изобретения, являются приближениями, числовые значения, представленные выше в конкретных примерах, записаны максимально точно. Однако любое числовое значение, по сути, содержит определенные ошибки, неизбежно возникающие из стандартных отклонений, содержащихся в их соответствующих испытательных измерениях. Кроме того, все диапазоны, описанные в настоящем документе, следует понимать как охватывающие любые и все поддиапазоны, входящие в них.
Несмотря на то, что представленное изобретение была иллюстрировано в отношении одного или более вариантов реализации, могут быть сделаны изменения и/или модификации иллюстрированных примеров без отклонения от общей идеи и границ объема приложенной формулы изобретения. Кроме того, несмотря на то, что определенная особенность представленного изобретения, возможно, была описана в отношении только одного из нескольких вариантов реализации, такую особенность молено объединить с одной или более другими особенностями других вариантов реализации, что может быть необходимо и преимущественно для любой данной или конкретной функции. Кроме того, до той степени, в которой термины «включая», «включает», «обладая», «обладает», «с» или их варианты использованы либо в подробном описании изобретения, либо в формуле изобретения, указанные термины являются включительными таким же образом, как термин «содержащий». Далее, в представленном описании и формуле изобретения термин «примерно» означает, что перечисленное значение может быть до некоторой степени изменено, насколько такое изменение не приводит к несоответствию способа или структуры описанному варианту реализации. Наконец, термин «иллюстративное» означает, что представленное описание использовано в качестве примера, а не предполагаемого идеала.
Другие варианты реализации настоящего изобретения станут понятны специалистам в данной области при рассмотрении настоящего описания и практического осуществления настоящего изобретения, описанного в данном документе. Подразумевается, что настоящее описание и примеры следует считать лишь иллюстративными, а реальные границы объема и общая идея настоящего изобретения указаны в следующей формуле изобретения.