ДВУХОСЕВОЕ ВЫРАВНИВАНИЕ МАГНИТНЫХ ПЛАСТИНОК
BIAXIAL LEVELING OF MAGNETIC PLATES

Уровень техники
Пигментные частицы, диспергированные в связующем веществе печатной краски и нанесенные при печати на поверхность подложки, могут обладать высоким или низким коэффициентом отражения падающего света. Их отражательная способность зависит от нескольких различных факторов. Присущие пигментным частицам оптические свойства существенно влияют на отражательную способность пигментных частиц. «Металлические» пигменты с сильным отражением являются частицами пластинчатой формы, состоящими, главным образом, из алюминия или из другого сильно отражающего металла. Металлический «эффект» пигментных частиц достигается при взаимодействии различных отдельных характеристик, главным образом, таких, как размер частиц и их форма, и также зависит от способности пигмента всплывать или не всплывать.
Способность пигмента всплывать или не всплывать является параметром пигмента, зависящим от способности пигментных частиц «плавать». Всплывающие пигменты плавают на поверхности пленки печатной краски благодаря межфазному поверхностному натяжению. Они формируют когерентную поверхностную пленку, отражательные свойства которой зависят от дисперсности частиц. Невсплывающие пигменты полностью смачиваются связующим веществом и равномерно распределяются по толщине покрытия. Всплывающие пигменты описаны в работе автора G.Buxbaum «Industrial Inorganic Pigments», Wiley-VCH, ISBN 3-527-28878-3, 1998, стр.229. Поскольку всплывающие и невсплывающие пигменты ведут себя по-разному, они обеспечивают различный внешний вид покрытий. Например, частицы всплывающих алюминиевых пигментов будут распределяться более равномерно на поверхности пленки, обеспечивая декоративную отделку, подобную хромированию.
Известен способ изготовления частиц «всплывающего» пигмента перетиром пигмента в шаровой мельнице в присутствии различных смазок, как описано в патенте США №6379804 автора Ackerman и др. В этом способе обычно используется стеариновая кислота. Кислота отталкивает жидкую краску или связующее вещество печатной краски от поверхности пигмента, подталкивая частицы в направлении поверхности раздела между воздухом и поверхностью печатной краски. В результате пигментные пластинки всплывают к поверхности печати, придавая ей зеркальный внешний вид. Однако недостатком этого способа является низкое сопротивление истиранию печатных материалов, содержащих такие «всплывающие» пластинки, так как кислота препятствует адгезии связующего вещества печатной краски к поверхности пластинок.
Изображения, напечатанные с невсплывающими пигментами, в отличие от изображений, напечатанных со «всплывающими» пигментами, не имеют гладкого зеркального внешнего вида. Напротив, поверхность этих изображений выглядит пятнистой «с блестками». С другой стороны, эти печатные изображения имеют очень хорошее сопротивление истиранию, так как связующее вещество печатной краски формирует сильную связь с немодифицированной поверхностью пигментных частиц. Предпочтительно создать изображение с сильным отражением, напечатанное с использованием невсплывающих пигментных частиц, распределенных в слое печатной краски и располагающихся параллельно поверхности печатной краски, аналогично всплывающим частицам.
Имеется возможность ориентировать частицы в слое печатной краски внешним воздействием. Например, в патенте США №2418479 автора Pratt и др. упоминается нанесение ярких металлизированных слоев краски кистью или с помощью ножевого устройства.
В патенте США №2418479 автор Pratt также раскрывает способ создания пигментных частиц со свойствами, подобными всплывающим пигментам, при их выравнивании в приложенном магнитном поле. Частицы, используемые при этом, должны быть магнитными и, предпочтительно, отражающими. Пигментные частицы, диспергированные в жидкой печатной краске, нанесенной на поверхность подложки, и подвергаемые воздействию внешнего магнитного поля, имеют тенденцию выравниваться с легкой осью намагничивания вдоль силовых линий магнитного поля. Ориентированные частицы становятся неподвижными после отверждения связующего вещества. В материаловедении термин «легкая ось намагничивания» относится к энергетически благоприятному направлению самопроизвольного намагничивания ферромагнитного материала. Эта ось определяется различными факторами, включая магнитно-кристаллическую анизотропию и анизотропию формы. Два противоположных направления вдоль легкой оси намагничивания обычно эквивалентны, и фактическое направление намагничивания может быть любым из этих направлений.
Выравнивание магнитных частиц, диспергированных в слое органического связующего вещества на поверхности подложки и подвергнутых воздействию внешнего магнитного поля, описано во многих книгах и патентах, например, автора С.Denis Mee, «Magnetic Recording», McGraw-Hill Book Company, ISBN 0-07-041271-5, т.1, стр.164, или автора Finn Jorgensen, The Complete Handbook of Magnetic Recording, TAB Professional and Reference Books, ISBN 0-8306-1979-8, 1988.
C.D.Mee описывает выравнивание пигментных частиц в носителях информации при приложении магнитного поля параллельно направлению перемещения ленты. Предпочтительной конфигурацией в схеме с постоянными магнитами является расположение по одному магниту с противоположными полюсами с обеих сторон ленты, которая в центральной плоскости не имеет какого-либо перпендикулярно направленного компонента магнитного поля. Также в этой работе описываются различные магнитные устройства для ориентации магнитных пигментных частиц по направлению ленты. Эти устройства обладают общими характеристиками, касающимися выравнивания пигментных частиц относительно поверхности подложки. В ссылках ясно изложено, что в магнитных лентах легкая ось намагничивания частиц выравнивается по направлению ленты.
В большинстве своем, магнитные материалы, используемые в носителях информации, являются квазиодномерными, т.е. с одним измерением значительно большим, чем два других, например, имеющими форму, подобную проводам или иглам. Как показано на фиг.1a, частицу, имеющую форму пластинки 101, можно рассматривать как двухмерное (XY) физическое тело благодаря большому аспектному отношению его измерений, т.е. X и Y существенно больше Z. Когда пластинка индуцируется магнитным полем, она подвергается воздействию магнитного момента всякий раз, когда дипольный вектор не параллелен внешнему магнитному полю. Существование магнитного момента приводит к повороту пластинки с легкой осью намагничивания по направлению магнитных силовых линий 102 внешнего поля, и дипольный вектор пластинки становится параллельным вектору магнитного поля. Пластинка прекращает вращаться и занимает устойчивое положение, пока поле не удалено. Другими словами, пластинка ориентируется своей самой длинной диагональю, которую можно рассматривать как главное измерение, например координата X, параллельно силовым линиям приложенного магнитного поля, как показано на фиг.1a.
Однако второе измерение Y пластинки не всегда может быть параллельным подложке. Фактически, авторы настоящего изобретения отмечают, что указанное измерение пластинки всегда имеет некоторый небольшой угол наклона относительно направления приложенного магнитного поля. Этот небольшой наклон не оказывает существенного влияния на общие эксплуатационные характеристики носителей информации, однако, он становится весьма существенным в лакокрасочной и полиграфической промышленности при производстве надежных, сильно отражающих покрытий на различных подложках.
В течение многих десятилетий были предприняты попытки изготовить блестящие покрытия, содержащие отражающий пластинчатый материал. Автором Pratt и др., в 1947 в патенте США №2418479 описан процесс ориентации металлических пластинчатых пигментов для изготовления блестящих покрытий. Пигменты, например ферромагнитные пластинки в лакокрасочной пленке, реагируя на магнитное поле, располагаются с образованием однородной плоской поверхности. Поверхность изделия и пластинки располагаются в магнитном поле. При этом способе требуется, чтобы поверхность изделия с нанесенной пленкой размещалась между магнитными полюсами таким образом, чтобы каждое длинное или главное измерение пластинок ориентировалось по направлению магнитного поля, подобно стрелке компаса. Pratt и др. описывают способ, который включает введение сырой пленки, содержащей ферромагнитные пластинки, в магнитное поле, при этом направляющий угол между пленкой и магнитным полем меняется от параллельного к перпендикулярному за короткий промежуток времени до высыхания пленки. Изменение направления угла между пленкой и магнитным полем может быть вызвано вращением пленки или плоским вращением магнитного поля. Электромагнитная система, описанная в патенте, генерирует вращающееся магнитное поле, позволяющее пластинке изменять свое направление с частотой от 5 до 10 Гц. Магнитное поле изменяет свое направление на 90°. Магниты в одном из устройств были полыми и через центр этих полых магнитов непрерывно с заданной скоростью перемещалась подложка.
Хотя изобретение, которое автор Pratt описал в патенте США №2418479, являлось шагом вперед в области техники, оно обладало рядом недостатков. Способ, который использовал Pratt, является непригодным для изделий с большой поверхностью, так как в этом случае требуется чрезвычайно высокая напряженность магнитного поля, что трудно и дорого осуществить. Кроме того, описанный способ не обеспечивал требуемой ориентации большинства пластинок, расположенных в пленке или покрытии на неплоской поверхности изделия криволинейной или сложной формы. Одним из примеров такой поверхности является элемент кольцеобразной формы, или элемент с аэродинамическим профилем энергетического оборудования, подобно газотурбинному агрегату.
Автор James Peng в патенте США №4859495, переуступленном фирме Eastman Kodak и опубликованном в 1989 году, описывает способ изготовления пленки для магнитной записи, имеющей магнитные пластинки, ориентируемые в любом заданном направлении, который включает применение магнитной краски на подложке, подвергая при этом подложку, содержащую неотвержденную магнитную краску, воздействию вращающегося магнитного поля с магнитными компонентами, лежащими только в плоскости, перпендикулярной заданному направлению, и последующее отверждение магнитной краски. В слое органического связующего вещества, содержащего диспергированные магнитные пластинки, нанесенного на поверхность движущейся ленты, происходит ориентация пластинок. В одной из описанных магнитных систем используются четыре катушки Гельмгольца. Во втором варианте осуществления этого изобретения описана система вращающегося магнитного поля, не имеющего компоненты Z, при перемещении слоя магнитной краски в жидком состоянии с большой скоростью на подложке. Этот вариант осуществления указанного изобретения подходит для изготовления магнитных носителей информации с шириной в очень большом диапазоне, например, с шириной до тридцати и даже пятидесяти дюймов, так как отсутствуют ограничения по ширине, имеющие место при применении катушек Гельмгольца. В этом варианте осуществления изобретения используются две проводящие ток пластины, например медные пластины, которые расположены выше и ниже перемещающейся ленты. Ток в пластине, расположенной над перемещающейся лентой, протекает в направлении, соответствующем ширине перемещающейся ленты. Ток от другого источника напряжения протекает в пластине, расположенной под движущейся лентой, в направлении движения перемещающейся ленты. Эти два тока от двух источников напряжения имеют сдвиг по фазе 90°, что создает вращающееся магнитное поле с компонентами только в направлениях X и Y, при отсутствии магнитного компонента вне плоскости пленки или в направлении Z. Недостатками этого метода является то, что он также непригоден для подложек с большой поверхностью, так как имеются проблемы, связанные с однородностью ориентации пластинок на большой поверхности и с нарушением надлежащей ориентации пластинок при выходе из магнитного поля, и при применении этого способа невозможно осуществить на месте эксплуатации сушку краски ультрафиолетовым излучением.
В заявке на патент США 2004/0052976 автором Buczek и др. описано выравнивание несферических частиц с их главным измерением, ориентируемым, как правило, вдоль поверхности изделия, относительно которой расположена частица. Частицы, размещенные для закрепления их положения в жидкой среде с повышенной вязкостью, ориентируются под действием силы, приложенной к частицам. Сила включает крутящее усилие магнитного поля, усилие потока жидкой среды, силу тяжести и силу только одного поверхностного натяжения, или в сочетании с силой тяжести. Для регулировки яркости или отражательной способности поверхности покрытий и оттисков использовали несферические металлические частицы в форме пластинок с главным измерением относительно ориентации пластинок и с главными измерениями относительно поверхности изделия, определяющими степень яркости или отражательной способности. Несмотря на то что этот способ в некоторой степени применим для изготовления ярких лакокрасочных покрытий, он не практичен при печати ярких изображений на верхней поверхности широкой ленты, перемещающейся, например, со скоростью от 100 до 500 футов/мин.
В другом патенте США №5630877 автора Kashiwagi и др., имеющем отношение к магнитному выравниванию частиц, описывается выравнивание магнитных частиц или пластинок, диспергированных в органическом связующем веществе и подвергающихся воздействию внешнего магнитного поля. Описывается способ и устройство для изготовления изделия, имеющего изображение, сформированное под действием магнитного поля, которые при использовании простой процедуры дают возможность формировать с высокой скоростью требуемые легко узнаваемые изображения разнообразной формы и формировать окрашенное изделие, изготовленное указанным способом с помощью указанного устройства. Однако в патенте не описывается способ изготовления блестящего покрытия с координатами X и Y, параллельными поверхности широкой пленки, перемещающейся с большой скоростью.
Раскрытие изобретения
Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить эффективные способы выравнивания множества ориентируемых несферических пластинок, поддерживаемых продольной лентой, при высокоскоростном процессе печати на широкой ленте.
Первый вариант способа заключается в том, что выполняют следующие этапы: а) обеспечивают ленту с покрытием, содержащим несферические пластинки, ориентируемые в магнитном поле; б) обеспечивают первый и третий магниты с первой стороны пути подачи ленты и обеспечивают второй магнит между первым и третьим магнитами со второй противоположной стороны пути подачи ленты, причем первый и третий магниты имеют одинаковую полярность, а второй магнит имеет полярность, противоположную полярности первого и третьего магнитов, так что первое магнитное поле, охватывающее указанный путь подачи, существует между первым и вторым магнитами, и второе магнитное поле, охватывающее указанный путь подачи, существует между вторым и третьим магнитами, при этом магниты размещены так, чтобы множество несферических пластинок, ориентируемых магнитным полем, перемещающихся вдоль пути подачи ленты, совершали первый поворот при прохождении второго магнита во время относительного перемещения ленты и магнитов; и в) обеспечивают относительное перемещение, по меньшей мере, ленты, поддерживающей пластинки, или магнитов, формирующих две пары взаимодополняющих притягивающихся магнитов.
При осуществлении этапа (в) ленту перемещают вдоль пути подачи, который определяется линией, или перемещают магниты вдоль пути подачи, или перемещают пластинки и магниты вдоль пути подачи.
При осуществлении этапа б) первое магнитное поле и второе магнитное поле определяются соответственно первыми и вторыми магнитными силовыми линиями, которые по существу параллельны ленте, при этом первые магнитные силовые линии пересекают ленту под первым углом относительно пути подачи, а вторые магнитные силовые линии пересекают ленту под вторым углом относительно пути подачи, причем первые и вторые магнитные силовые линии не параллельны и не ортогональны направлению подачи ленты.
В частности, первое магнитное поле существует между первым и вторым магнитами, второе магнитное поле существует между вторым и третьим магнитами, при этом первое и второе магнитные поля пересекают путь подачи и направление перемещения ленты.
Первый, второй и третий магниты, в частности, являются постоянными магнитами.
Предпочтительно, обеспечивают также, по меньшей мере, четвертый магнит, который размещают с той же стороны пути подачи, что и второй магнит, при этом третье магнитное поле между третьим и четвертым магнитами пересекает путь подачи, и четвертый магнит имеет такую же полярность, что и полярность второго магнита и противоположную полярности третьего магнита, так, чтобы создавать магнитные силовые линии, пересекающие путь подачи ленты, при этом магниты размещены так, чтобы множество несферических пластинок, ориентируемых в магнитном поле, перемещающихся вдоль пути подачи, совершали другой поворот при прохождении третьего магнита при перемещении ленты или магнитов.
В частном варианте осуществления этапа б) первый и третий магниты вмонтированы в первое колесо, выполненное с возможностью вращения, или поддерживаются им, при этом второй магнит вмонтирован во второе колесо, выполненное с возможностью вращения, или поддерживается им, а путь подачи соответствует области между первым и вторым колесами.
Предпочтительно, пластинки имеют размер от 2 от 100 мкм. Размер пластинок варьируется не более чем на 20%. Пластинки имеют заданный размер и форму.
Второй вариант способа выравнивания множества ориентируемых несферических пластинок заключается в том, что выполняют следующие этапы: а) обеспечивают ленту с покрытием, содержащим несферические пластинки, ориентируемые в магнитном поле вдоль пути подачи ленты; б) обеспечивают первое множество магнитов с одной стороны пути подачи и обеспечивают второе множество магнитов с противоположной стороны пути подачи, причем первое множество и второе множество магнитов расположено в шахматном порядке так, чтобы магниты не находились непосредственно напротив друг друга вдоль пути подачи, при этом первое множество магнитов и второе множество магнитов расположено вблизи пути подачи в различных местах и формируют множество пар магнитов с противоположной полярностью, обращенных к пути подачи таким образом, что каждая пара магнитов имеет взаимодополняющую полярность, обеспечивающую магнитное поле, которое пересекает путь подачи, причем магниты размещены так, чтобы множество пластинок, ориентируемых в несферическом магнитном поле, перемещающихся вдоль пути подачи, совершали многократные повороты, когда они проходят магниты вдоль ленты, и в) обеспечивают относительное перемещение, по меньшей мере, ленты, поддерживающей пластинки, или магнитов, формирующих пары взаимодополняющих притягивающихся магнитов.
Предпочтительно, смежные пары магнитов имеют общий магнит.
Технический результат, достигаемый при осуществлении изобретений, заключается в том, что ориентируемые пластинки, содержащиеся в покрытии, по всей поверхности ленты выравниваются компланарно относительно друг друга и относительно поверхности покрытия на ленте.
Указанный результат достигается за счет использования в способах выравнивания ориентируемых несферических пластинок динамического магнитного поля, создаваемого с помощью определенного взаимного расположения магнитов, обеспечиваемых на этапах б). Множество пластинок образуют устойчивые структуры, подобные листу, благодаря динамическому магнитному полю, которое в отличие от известных решений имеет конфигурацию, которая заставляет пластинки многократно поворачиваться на углы менее 90° в плоскости подложки до тех пор, пока не будут сформированы устойчивые структуры. В магнитном поле пластинки ориентируются таким образом, чтобы их два главных измерения были параллельны поверхности подложки, для обеспечения яркости изображения, аналогичной яркости изображения при применении «всплывающих пигментов».
Настоящее изобретение позволяет также решать другие задачи, связанные с нанесением на широкие подложки, с высокой скоростью печати, сильно отражающих износостойких изображений с использованием печатной краски, содержащей магнитные пластинки, в частности:
- формирование листов из магнитных пластинок в слое печатной краски;
- увеличение насыщенности цвета изображений, нанесенных печатной краской, содержащей магнитные меняющие цвет пигменты;
- печать покрытий, имеющих коэффициент отражения, «подобный фольге» и обладающих яркостью или изменением цвета;
- создание защищенного документа с отличительными защитными знаками, нанесенными печатной краской, содержащей магнитные меняющие цвет пластинки, ориентируемые в приложенном магнитном поле так, чтобы два главных измерения пластинок были по существу параллельны поверхности печатной краски, приводя к усилению насыщенности цвета и увеличению динамической цветовой области покрытия;
- нанесение путем печати покрытия, содержащего магнитные пластинки, которые собираются в двухмерные непрерывные листы;
- создание защищенного изделия, напечатанного печатной краской, содержащей отражающие или меняющие цвет пигменты на поверхности широкой и быстро перемещающейся ленты или бумаги с размерами, например, вплоть до 60 дюймов при скорости от 50 до 300 футов/мин.
В соответствии с настоящим изобретением, в частности, обеспечивается выравнивание сильно отражающих магнитных пигментных пластинок, в результате при перемещении ленты с высокой скоростью получается зеркальная отделка. Такие печатные изделия могут быть изготовлены при использовании магнитных отражающих или меняющих цвет пигментов, диспергированных в связующем веществе печатной краски.
Авторы настоящего изобретения обнаружили способ выравнивания нейтрально всплывающих многослойных оптических пластинок, диспергированных в органическом связующем веществе, нанесенном на плоскую быстро перемещающуюся ленту, и затем подвергаемых воздействию внешнего магнитного поля до формирования пластинками совокупности, подобной листу, которая (после отверждения суспензии) имеет оптический коэффициент отражения, составляющий, по меньшей мере, 50% коэффициента отражения той же самой оптической структуры, осажденной на стекле или другой подходящей гладкой подложке. Магнитные печатные краски с 1956 года используются в технологии распознавания знаков или символов, известной как распознавание знаков, отпечатанных магнитной краской (MICR), а также используются в магнитных носителях информации. Каждая из магнитных печатных красок является магнитореологической (MR) жидкостью с более или менее выраженным регулированием потока посредством приложенного магнитного поля. Реологические свойства магнитных типографских красок зависят от физических и химических свойств связующего вещества и магнитных частиц, диспергированных в нем. Реология взвешенных частиц хорошо описана автором S.W. Charles. Дальнейшее описание реологических свойств магнитных типографских красок можно найти в работе «Rheology of particulate dispersions and composites», CRC Press, ISBN 1-57444-520-0, 2007 и в Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 65 (1987), 350-358.
Характеристики потока магнитореологических жидкостей существенно зависят от размера, формы и магнитной восприимчивости магнитных частиц.
Известны две хорошо изученные магнитные жидкости. Магнитной жидкостью называют суспензию с диспергированными наномерными коллоидными магнитными частицами, если она становится сильно поляризованной под действием магнитного поля. Суспензию с магнитными частицами микрометрического размера называют магнитореологической (MP), если она существенно увеличивает свою вязкость под действием внешнего магнитного поля. Однако имеется другой вид магнитореологической жидкости, содержащей магнитные пластинки микронного размера, которые имеют измерения с высоким аспектным отношением. Эти жидкости, нанесенные на поверхность изделий, используются как магнитные краски и печатные краски, которые на напряженность приложенного магнитного поля реагируют переориентацией магнитных пластинок в поле. Вязкость печатной краски зависит от напряженности магнитного поля, направления магнитного поля, концентрации частиц, вязкости связующего вещества, магнитной восприимчивости магнитных пластинок и т.д. Пример изменения вязкости в зависимости от увеличения магнитного поля продемонстрирован на фиг.1b.
Магнитный пигмент, состоящий из плоских магнитных пластинок со средним размером 20×20×0,5 мкм, был смешан при концентрации 20 мас.% со связующим веществом краски для ротационной трафаретной печати. Вязкость измерялась вискозиметром Брукфильда модели DV-II при 50 об/мин. Измерения вязкости проводились без приложения магнитного поля и с приложением различных полей, генерированных двумя постоянными магнитами, располагаемыми на разном расстоянии друг от друга для создания магнитных полей различной напряженности. Проведенные измерения показали, что в отсутствие магнитного поля вязкость составляла 1742 сП, а при приложении магнитного поля наблюдалось повышение вязкости с ростом напряженности поля и при величине поля 0,74 Т (740 Гс) вязкость составляла 3544 сП.
Известно, что отдельно взятая магнитная пластинка из диспергированных в жидком связующем веществе и индуцированных магнитным полем приобретает дипольный магнитный момент и ориентируется осью легкого намагничивания вдоль магнитных силовых линий, подавляя суммарную напряженность поля в максимально возможной степени и снижая энергию, аккумулированную в этом поле, до минимума. Большое количество пластинок, взвешенных в разбавленном связующем веществе, идентично ориентируется по направлению магнитного поля. При большой концентрации пластинок в суспензии пластинки под действием статического поля подвергаются различным взаимодействиям. Детальное описание механизма формирования цепочек, образованных пластинками, представлено в работе авторов J.H.E Promislow, A.P.Gast, «Aggregation kinetics of paramagnetic colloidal particles» J.Chem. Phys.,1995, 102, 5492-5498; and авторов Е. Clement, M.R.Maxey, G.E.Kamiadakis; «Dynamics of self-assembled chaining in magnetorheological fluids», Langmuir, 2004, 20, 507-513.
Частицы, диспергированные в связующем веществе и подвергнутые воздействию магнитного поля, одновременно испытывают броуновское движение, биполярное магнитное притяжение и многочастичное гидродинамическое взаимодействие. Частицы объединяются, формируя структуры из сверхчастиц, такие как цепочки, когда дипольная сила (характеризующая отношение магнитного притяжения к хаотической диффузии) превышает критическое значение. Цепочки образуются за счет притяжения северного магнитного полюса одной частицы к южному магнитному полюсу другой частицы и так далее. Цепочки выстраиваются по направлению приложенного магнитного поля, как показано на фиг.2.
На фиг.2 представлено 16 пластинок 201 ромбовидной формы с северными (черными) и южными (белыми) полюсами, с иллюстративной целью обозначенными на чертеже различными цветами. Направление внешнего магнитного поля обозначено стрелкой 202. Пластинками сформировано четыре цепочки I-IV (показанные пунктирными линиями) по направлению поля 202. Каждая цепочка состоит из четырех пластинок: 1-4, 5-8, 9-12 и 13-16. По истечении времени, при взаимодействии пластинка/цепочка и цепочка/цепочка происходит непрерывное увеличение размера скопления и повышение вязкости всей системы.
Однако при внезапном изменении направления магнитного поля, показанного на фиг.2, например, при повороте его на 45° против часовой стрелки, пластинки начинают мгновенно поворачиваться вокруг своих центров до тех пор, пока новые силы притяжения приложенного магнитного поля не сформируют новые цепочки, как показано на фиг.3a. Важно отметить, что пластинки 1-16 на фиг.2 и фиг.3 физически сохраняют свое положение на подложке, однако происходит изменение ориентации их полюсов на 45° против часовой стрелки. В результате переориентации полюсов пластинок происходит формирование вдоль нового направления поля новых цепочек из тех же самых пластинок 1-16, ранее показанных на фиг.2. Теперь пластинками 5, 10 и 15; 1, 6, 11 и 16; 2, 7 и 12; 3 и 8; 9 и 14 сформированы цепочки, показанные пунктирными линиями на фиг.3. При другой смене направления поля будет происходить формирование других цепочек из тех же самых пластинок.
В предельном случае магнитное поле может изменять свое направление непрерывно. Это происходит при вращении поля, как описал автор Pratt в патенте США №2418479. Pratt упоминает об усилении яркости лакокрасочного покрытия, когда подложку со слоем сырой краски помещали между полюсами двух постоянных магнитов и она вращалась. Магнитные пластинки, диспергированные в связующем веществе и подвергнутые воздействию вращающегося магнитного поля, одновременно испытывают действие магнитного момента, который стимулирует их индивидуальное вращение в направлении силовых линий магнитного поля, действие центростремительного притяжения, которое является магнитным притяжением к центру домена, и подвергаются взаимодействию, возбуждаемому потоками. Благодаря гидродинамическому отталкиванию пластинок уравновешивается центростремительное притяжение намагниченных пластинок и происходит формирование агрегатов из нескольких пластинок, которые вращаются со скоростью, зависящей от расстояния между пластинками. Отдельно взятая магнитная пластинка из диспергированных в жидкой среде вращается легче вокруг своей оси Z, так как сопротивление жидкости по краям пластинки значительно меньше, чем при вращении пластинки вокруг своих осей X или Y. Это связано с аспектным отношением измерений пластинки. Несколько металлических пластинок, вращающихся в одной и той же плоскости, формируют агрегат, который обладает сильным отражением.
По мнению автора изобретения, способы и процессы, раскрытые до настоящего времени, не подходят для печати и выравнивания пластинок при использовании широкой подложки, перемещающейся с высокой скоростью, в связи с чем желательно иметь способы, которые при печати на широкой подложке будут обеспечивать высокую производительность. В вышеупомянутых патентах Pratt и др. и Peng и др. описывают процессы, в которых магнит или магниты расположены с обеих сторон ленты или под лентой. Однако эти процессы накладывают ограничения на ширину ленты, поскольку величина магнитной индустрии приложенного магнитного поля быстро падает с увеличением расстояния между полюсами магнитов. Вращающийся магнит, который описал Pratt в патенте, на практике не может быть выполнен достаточно мощным, чтобы использоваться под широкой лентой. Кроме того, на различных участках широкой ленты будет изменяться время запаздывания вращающихся пластинок, чтобы они стали ориентируемыми во вращающемся поле, и не будет достигнуто однородности покрытия. Другой отрицательный аспект идеи, которую предложил Pratt, состоит в том, что пластинки, диспергированные в слое сырой краски на поверхности ленты, которая перемещается поверх быстровращающегося магнита, будут одновременно вращаться и перемещаться в направлении ленты по траектории штопора.
Другая проблема, которую следует рассмотреть, возникает, когда на движущейся ленте выровненные под действием магнитного поля пластинки выходят из поля. Магнитное поле, создаваемое любым магнитом, неоднородно. Когда лента проходит вдоль магнита, пластинки, диспергированные в сырой краске, нанесенной на поверхность ленты, немедленно реагируют на поле и принимают различную ориентацию относительно подложки. Ориентация пластинок на выходе из поля сильно отличается от ориентации пластинок в той части поля, где они приобретают эту заданную ориентацию. В результате напечатанные изображения, в которых были выровнены пластинки, на выходе из магнитного поля становятся «размытыми», поскольку контуры становятся нечеткими и теряют контрастность.
Для выравнивания диспергированных в слое сырой краски магнитных пластинок, так, чтобы две главные оси были параллельны поверхности подложки, авторы изобретения применили динамическое магнитное поле, генерируемое магнитной установкой, расположенной под подложкой. Это положение магнитного устройства, создающего требуемую ориентацию пластинок, позволяет использовать его для подложек с неограниченной шириной. Устройство генерирует магнитное поле с направляющим углом менее 90°. Лента может перемещаться с высокой скоростью над такими магнитными системами или через них. Вместо вращения, раскрытого согласно известному уровню техники, поле быстро изменяет свое направление, заставляя пластинки быстро колебаться до тех пор, пока обе главные оси пластинок не станут параллельными подложке. При сушке ультрафиолетовым излучением красок, содержащих пластинки, ориентированные в магнитном поле, устраняется отрицательный эффект, связанный с выходом пластинок из магнитного поля.
Основной принцип работы динамических магнитных систем описан в патенте США №7258900 автора Raksha и др. В указанном патенте описывается выравнивание в поперечном направлении ленты магнитных пластинок, диспергированных в связующем веществе печатной краски, нанесенной при печати на быстро перемещающуюся подложку. Пластинки выравниваются между двумя рядами неподвижных магнитов, помещенных под лентой, как схематично изображено на фиг.3в, являющейся иллюстрацией используемого способа. Плоская подложка 22 перемещается по направлению к читателю. Изображения 68 и 70 нанесены на верхнюю поверхность подложки 22 печатной краской, содержащей магнитные пластинки 16. Краска была еще сырой, когда изображения 68 и 70 были введены в поле, генерированное магнитами 62, 64, и 66. Магниты генерировали магнитное поле с силовыми линиями 72, которые являются почти плоскими и параллельными подложке в местах, где на подложке расположены напечатанные изображения. Выравнивание пластинок 16 в сырых изображениях 68 и 70 вдоль магнитных силовых линий 72 происходило почти параллельно подложке.
На фиг.4 представлен вид сверху схематического изображения устройства для выравнивания пластинок согласно известному уровню техники. Лента 401 перемещается по направлению стрелки 402. Слой сырой краски 403 содержит магнитные пластинки 404 и 405. Магниты 406 и 407 расположены под лентой, как представлено на фиг.3в. Пластинки 404, нанесенные на ленту 402, не имеют какой-либо заданной ориентации. Как только пластинки на ленте входят в поле, генерированное магнитами 406 и 407, они ориентируются поперек ленты по направлению магнитного поля 408, при этом их плоскости почти параллельны ленте.
Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить наилучший способ выравнивания пластинок в высокоскоростном процессе печати, для которого ширина ленты не является ограничивающим фактором.
Краткое описание чертежей
Примеры осуществления изобретения будут описываться в сочетании с чертежами, на которых:
Фиг.1a - изображение магнитно-ориентируемой пластинки или частицы, подвергаемой воздействию магнитного поля, причем выравнивание пластинки относительно магнитного поля происходит вдоль оси Х пластинки.
Фиг.1b - график изменения вязкости в зависимости от магнитного поля.
Фиг.2 - графическое изображение 16 частиц ромбовидной формы или пластинок с северными (черными) и южными (белыми) полюсами, в иллюстративных целях обозначенных различными цветами.
Фиг.3a - графическое изображение, подобное изображению на фиг.2, причем пластинки или частицы вращаются вдоль силовых линий магнитного поля, формируя лист.
Фиг.3b - устройство согласно известному уровню техники, посредством которого была сделана попытка обеспечения плоскостности и выравнивания пластинок, расположенных между двумя магнитами.
Фиг.4 - устройство согласно известному уровню техники, в котором пластинки, перемещающиеся между двумя стержневыми магнитами, выравниваются вдоль силовых линий магнитного поля, генерируемого этими двумя магнитами.
Фиг.5 - один из вариантов осуществления настоящего изобретения, в котором расположенные в шахматном порядке магниты с противоположной полярностью, например, северный - южный или южный - северный, смещены вдоль направления подачи ленты для обеспечения вращения пластинок, которые лента несет по направлению подачи, в результате чего пластинки и магниты перемещаются относительно друг друга.
Фиг.6 - более сложное расположение множества магнитов, размещенных, исключительно, параллельно направлению подачи ленты, вызывающих вращение пластинок в покрытии до момента высыхания покрытия.
Фиг.7 - график изменения цвета, показывающий различие двух покрытий, причем пластинки одного из покрытий подвергались вращению согласно способу настоящего изобретения, а пластинки другого покрытия не вращались.
Фиг.8 - график, показывающий яркость неориентируемого покрытия в сравнении с ориентируемым покрытием согласно одному из вариантов осуществления изобретения и в сравнении с фольгой.
Фиг.9 - один из вариантов осуществления настоящего изобретения, в котором используется ряд роликов на оси для вращения пластинок согласно способу настоящего изобретения.
Подробное описание изобретения
Согласно изобретению для создания динамических магнитных полей могут быть использованы электромагниты переменного или постоянного тока или постоянные магниты. На фиг.5 показан вид сверху устройства согласно одному из вариантов осуществления изобретения.
Согласно фиг.5 лента 501 перемещается в направлении стрелки 502. Печатная краска 503, содержащая магнитные пластинки, нанесена на поверхность ленты 501. На фиг.5 магнитные пластинки представлены на примере одной пластинки 504 на различных стадиях выравнивания в связующем веществе печатной краски при перемещении пластинки относительно магнитов 506-508. При перемещении ленты пластинки подвергаются влиянию магнитного поля, генерируемого магнитами. Магниты расположены в зигзагообразном порядке с углами 510 между ними, составляющими менее 90°. После нанесения печатной краски 503 на ленту 501, она перемещается в магнитном поле, генерируемом магнитами. Пластинки ориентируются в направлениях 509 магнитного поля, показанных на фиг.5 пунктирными линиями. Лента, перемещаясь в направлении 502, проходит через магнитное поле, направление 509 которого постоянно изменяется. Пластинка 504 подвергается вращениям, показанным стрелками на чертеже, в плоскости ленты, с углом 510 поворота, определяемым зигзагообразным расположением магнитов. Авторы изобретения установили, что угол 510 в диапазоне от 45° до 90° является предпочтительным. Передние и задние части скоплений магнитных пластинок, проходя через область выравнивания между магнитами, также взаимодействуют между собой, как показано на фиг.3a. Пластинки, вращающиеся в магнитном поле, подвергаются действию сил в различных направлениях. Действующие силы являются макроскопическими силами, обуславливаемыми приложенным магнитным полем, и микроскопическими силами, обуславливаемыми полями соседних диполей. Сила, действующая на единичную пластинку, является суммой сил, создаваемых каждым полем. Пластинки будут перемещаться в плоскости ленты, пока не увеличат магнитную восприимчивость слоя печатной краски вдоль направлений XY, тем самым максимизируя суммарную восприимчивость. Пластинки, до конца движения между магнитами, постоянно формируют связанную пластинчатую структуру, в которой магнитные пластинки своими осями XY ориентируются параллельно ленте.
На фиг.5 показано линейное расположение постоянных магнитов, обеспечивающее заданное изменение направления поля, под действием которого перемещаются пластинки. Можно объединить вместе несколько линий магнитов и установить их на печатной машине под широкой лентой, как схематично показано на фиг.6, где лента 601, с иллюстративной целью показанная прозрачной, покрыта квадратными ярлычками 602, на которые в предшествующем процессе печати, не показанном на чертеже, была нанесена печатная краска, содержащая магнитные пластинки. Магниты кубической формы 603, сгруппированные так же, как показано на фиг.5, расположены в непосредственной близости от ленты 601 и прямо под ней на печатном станке, не показанном на чертеже. Лента может быть разной ширины от 6 до 72 дюймов. Скорость перемещения ленты можно изменять в диапазоне от 10 до 300 футов/мин, количество магнитов в одном ряду вдоль ленты может составлять, например, от 4 до 40 или более. Проходя через магнитное поле постоянных магнитов в направлении ленты, указанном стрелкой 604, пластинки поворачиваются в плоскости ленты до тех пор, пока не образуют устойчивую пластинчатую конфигурацию с осями X и Y, параллельными ленте.
Как установили авторы изобретения, могут использоваться различные сборки магнитов для обеспечения вращения магнитных пластинок в плоскости подложки при ее перемещении. Магниты могут быть электромагнитами переменного тока с регулируемым направлением магнитного поля, которое они генерируют при перемещении ленты. Также могут применяться сборки постоянных магнитов с противоположной полярностью. Магниты могут находиться под лентой, как показано на фиг.6, или выше и ниже ее (если сборка магнитов состоит из двух частей). Основной характерной особенностью всех этих сборок магнитов является их магнитное поле, которое вращает магнитные пластинки в плоскости быстро перемещающейся ленты. Альтернативно, меняющий цвет магнитный пигмент может использоваться для печати защитных знаков с высокой насыщенностью цвета на банкнотах, ценных документах, удостоверениях личности, и т.д., как продемонстрировано ниже на лабораторном образце.
Замена статического магнитного поля при выравнивании пластинок на динамическое магнитное поле позволилао коренным образом увеличить коэффициент отражения света и хроматические свойства печатных изделий. Авторы изобретения установили, что можно выполнить печать типографскими красками, содержащими плоские отражающие пластинки, при этом коэффициент отражения печатного слоя составляет, по меньшей мере, 50% коэффициента отражения зеркала.
Важно произвести сушку листового агрегата из пластинок в динамическом магнитном поле, как описал автор Flex в ранних патентах/заявках. Направление магнитного поля на выходе подложки из магнитного поля отличается от направления поля, при котором пластинки ориентируются параллельно подложке.
Пример осуществления изобретения
Магнитный меняющий цвет пигмент был изготовлен вакуумным осаждением тонкопленочного покрытия с золотисто-зеленой интерференцией на верхнюю поверхность подложки из полиэфира. Одна часть подложки была отрезана для проведения дальнейших измерений цвета. Остаток покрытия был отделен от подложки, измельчен и отсортирован до порошка пигмента размером 20 мкм, как описал Flex в ранних патентах. Пигментные пластинки были диспергированы при концентрации 20 мас.% в чистой, отверждаемой под действием ультрафиолетового излучения печатной краске для ротационной трафаретной печати фирмы Sericol и в составе краски нанесены на поверхность бумаги с применением технологии трафаретной печати. Одна половина сырой печати с неориентированными пластинками была отрезана и отверждена под действием ультрафиолетового излучения. Вторая половина печати была нанесена на ленту, проходящую через комплект магнитов, в результате чего оси Х и Y пластинок ориентировались параллельно ленте. После завершения выравнивания пластинок краска была отверждена под действием ультрафиолетового излучения. Изменение цвета всех трех образцов с ярким блеском под углом 10° было проанализировано с помощью спектрогониометра Цейса. График изменения цвета a*b* представлен на фиг.7. Линия 701 соответствует печатной краске, содержащей неориентированные пластинки. Линия 702 изменения цвета соответствует выравниванию в виде листа магнитных золотисто-зеленых пластинок, ориентированных в динамическом магнитном поле. Кривая 703 соответствует подложке из полиэфира с нанесенным в вакууме покрытием с золотисто-зеленой интерференцией. Отраженная яркость одних и тех же образцов была измерена спектрофотометром SF600+. Графики отраженной яркости Y представлены на фиг.8.
Настоящее изобретение предлагает сильно отражающее, стойкое к истиранию изделие, напечатанное на широкой подложке, перемещающейся с высокой скоростью печатной краской, содержащей магнитные пластинки, с последующим воздействием динамического магнитного поля такой конфигурации, при которой пластинки ориентируются в печатной краске двумя главными осями X и Y параллельно поверхности подложки, обеспечивая яркость «подобно всплывающим пигментам». Это сильно отражающее, стойкое к истиранию изделие может быть частью защищенного документа, содержащего отличительные защитные знаки, напечатанные в соответствии со способом согласно настоящему изобретению, причем оси X и Y пластинок или элементов пластинчатой формы параллельны поверхности печатной краски, что увеличивает насыщенность цвета и динамическую цветовую область покрытия.
Кроме того, настоящее изобретение позволяет и предлагает формирование сильно отражающего слоя магнитных пластинок в слое печатной краски путем воздействия на множество пластинок динамическим магнитным полем, которое заставляет пластинки поворачиваться на углы менее 90° в плоскости подложки до тех пор, пока они не сформируют устойчивые структуры, подобные листу.
Другой вариант осуществления настоящего изобретения показан на фиг.9, где расположение роликов обеспечивает по существу такой же эффект, как при линейном расположении магнитов вдоль направления подачи, как показано на фиг.5. Однако применение роликов, показанных на фиг.9, обеспечивает более компактное устройство для осуществления настоящего изобретения. В этом варианте осуществления изобретения направление подачи сохраняется, это направление, вдоль которого лента перемещается по роликам, и магниты эффективно располагаются вдоль направления подачи подобным образом. На фиг.9 показаны два колеса 902 и 904, установленные на валу и способные вращаться с валом, имеющим магниты, которые располагаются на расстоянии «d» друг от друга. Колеса 902 и 904 закреплены на валу стопорными винтами для одновременного вращения магнитных колес с валом. Магниты расположены в шахматном порядке, как и на фиг.5. Лента, поддерживаемая опорными роликами, которые примыкают к этим двум колесам 902 и 904, находится выше указанных колес и перемещается по направлению подачи, не контактируя с магнитами. Лента поддерживается опорными роликами, установленными на валу на подшипниках из немагнитного материала. В предпочтительном варианте осуществления изобретения лента может перемещаться по направлению подачи, в то время как магнитные колеса 902 и 904 могут вращаться в противоположном направлении, против часовой стрелки, чтобы увеличить количество поворотов в минуту, производимых пластинками.