技术领域
本发明涉及一种低粘附性涂层以及在喷墨印刷头中形成和使 用它们的方法。
背景技术
常规的喷墨印刷机通过熔化墨以及传送熔化的墨到印刷头储 墨器，接着通过印刷头中的面板转移其到图像基底(substrate)上， 从而在图像基底上创造图像。印刷头通常具有其中限定了喷嘴孔的 正面，通过正面液体墨呈液滴被喷射到记录基底上。图像基底包括 最终的印刷介质(例如，纸张)或中间转印构件(例如，成像鼓)。 因此，固体墨图像直接印刷在纸张上或首先印刷在成像鼓上然后固 定(transfix)到纸张。
由于墨润湿或流淌(drool)，喷墨印刷头被污染。这种污染导 致喷嘴孔部分或完全地被阻塞，这将妨碍从喷嘴喷射墨滴；引起从 喷墨印刷头喷射出的墨滴过小或过大；以及改变喷射墨滴到记录基 底上的预定轨迹；所有这些都降低了喷墨印刷机的印刷品质。
喷墨印刷头的正面通常涂覆如聚四氟乙烯(PTFE)(例如， 特氟隆)或过氟烷氧基(PFA)的材料来保护表面。因此，固体 墨被视为具有良好的初始性能。然而，由于在通常墨喷射温度下墨 粘附于印刷头正面涂层，性能随着使用寿命而退化。接着墨的粘附 产生了残留墨膜，其部分或完全地阻塞了喷墨印刷头正面中的喷嘴 孔。对于UV凝胶墨这样的问题更严重，其中喷墨印刷的早期阶段 发生流淌。因此，在印刷运行后，经常在环绕喷嘴孔的印刷头正面 的大多区域观察到UV固化墨的润湿和污染。因此，提供防止流淌、 改进正面的坚固性和可靠性、以及能够渗透入未来UV凝胶墨的额 外市场的表面是所期望的。
在另一实施例中，如图1所描绘的为在喷墨印刷头中使用的 聚酰亚胺型孔板。正如所示的，聚酰亚胺型孔板包括在聚酰亚胺膜 12上的抗-润湿涂层材料50。使用不锈钢膜作为孔支架36，并通过 孔板粘合剂38粘合到涂覆了聚酰亚胺的孔板上。孔板具有用于喷 墨的孔/喷嘴。抗润湿涂层材料50为低粘附性涂层以使得无污染自 清洁印刷头能够实现。然而，因为孔板粘合剂38所需要的苛刻条 件，问题出现了。通常孔板粘合剂需要大约290℃的温度和大约350 psi的压强持续大约30分钟以形成粘合。然而这些条件使得常规抗 -润湿涂层材料50退化了。
常规地，可通过清洗和擦拭步骤来最小化喷墨印刷头正面的 污染到一定程度。然而，这些步骤不理想地耗时、耗能和/或使用过 量的墨，因此减短了喷墨印刷头的使用寿命。
发明内容
根据各种实施方式，本发明的教导包括一种用于喷墨印刷头 正面的涂层。涂层可为疏油低粘附性涂层，疏油低粘附性涂层被暴 露在高于大约200℃持续大约30分钟后，具有与一个或一个以上紫 外线(UV)凝胶墨滴和固体墨滴呈小于大约30°的滑动角的表面。
根据各种实施方式，本发明的教导还包括一种形成用于喷墨 印刷头正面(frontface)的疏油低粘附性涂层的方法。通过在三氟 乙酸催化剂、水和溶剂的存在下水解和缩合包括硅烷官能化的全氟 聚醚前体的反应物混合物，可形成疏油低粘附性涂层。然后，可施 加反应物混合物到正面基体上，在大约130℃至330℃的温度下经受 大约30分钟至大约2小时的固化处理，以形成溶胶-凝胶交联涂层。 溶胶凝胶交联涂层可为疏油的，且具有对至少紫外线凝胶墨滴和固 体墨滴中至少一种的低粘附性。
根据各种实施方式，本发明的教导进一步包括喷墨印刷头。 喷墨印刷头可包括支撑支架和粘合到支撑支架的孔板，孔板具有其 中限定的孔使得一个或一个以上的紫外线(UV)凝胶墨和固体墨 能够由印刷头通过孔喷出。喷墨印刷头还可包括沉积在孔板正面上 的疏油低粘附性涂层。疏油低粘附性涂层可具有与紫外线(UV) 凝胶墨、固体墨以及二者组合物的一个或一个以上被喷射的墨滴呈 小于大约30°的滑动角的表面。
附图说明
图1描绘常规聚酰亚胺孔板。
图2描绘了根据本发明教导的各种实施方式的示例性印刷头 部分。
图3描绘了根据本发明教导的各种实施方式，来自硅烷官能 化的全氟聚醚的聚合物前体的示例性低粘附性交联涂层的溶胶-凝 胶结构式。
具体实施方式
各种实施方式提供了一种用于喷墨印刷头正面的疏油低粘附 性表面涂层以及用于形成和使用表面涂层的方法。表面涂层可包括 热稳定的溶胶-凝胶交联涂层。由于墨和涂层表面之间的低粘附性， 溶胶-凝胶交联涂层可作为抗-润湿、容易清洁、或自清洁涂层用于 喷墨印刷头孔板。
当表面涂层被沉积到喷墨印刷头正面上时，紫外线凝胶墨(本 文中又称为“UV墨”)被喷射的墨滴和/或固体墨被喷射的墨滴的一 个以上呈现出与涂层表面的低粘附性。本文中所用术语“墨滴”可以 是指紫外线凝胶墨和/或固体墨被喷射的墨滴。在实施方式中，通过 测量墨滴的滑动角，确定墨滴对表面的粘附性。本文中所用术语“滑 动角”是指当墨滴开始在涂层表面上滑动但不留下残留物或污点 时，表面相对于水平位置倾斜的角。滑动角越低，墨滴和涂层表面 之间的粘附性越低。本文中所用术语“低粘附性”意味着在印刷头正 面上用UV墨、固体墨和/或它们的墨滴测量时，小于大约30°的低 滑动角。在一些实施方式中，当在印刷头正面上用这些墨滴测量时， 低滑动角可小于大约25°，或者小于大约20°。当在印刷头正面上用 这些墨滴测量时，在其他实施方式中，低滑动角可以是大约1°或更 大。
所披露的疏油低粘附性表面涂层可为“热稳定的”或可具有 “高热稳定性”。本文中所用术语“高热稳定性”或“热稳定的”意味着 在高温和/或高压下持续某一时间长度后材料特性(例如，疏油性或 低粘附性)稳定并保持基本不变。例如，疏油低粘附性表面涂层被 暴露在大约200℃或更高的高温下、或在大约200℃到大约330℃的 范围间的高温下、或在大约250℃到大约290℃的范围间的高温下， 和/或在大约100psi或更高的压强下(例如，在大约100psi到大约 400psi的范围间)，持续一定时间长度(例如，在大约10分钟到大 约2小时的范围间，或在大约30分钟到大约2小时的范围间)后， 紫外线凝胶墨和/或固体墨的墨滴能够呈现或保持对疏油低粘附性 表面涂层的低粘附性。在一实施方式中，疏油低粘附性表面涂层被 暴露在大约290℃或更高的温度、大约350psi或更高的压强下持续 大约30分钟或更长之后，表面涂层可为热稳定的。
在实施方式中，所披露的疏油低粘附性表面涂层的高热稳定 性可替代地被描述为在低于大约200℃的温度下持续更长的时间 (如大约2天或更长)。例如，在疏油低粘附性涂层在70℃到150℃ 范围间、或100℃到150℃范围间、或120℃到150℃范围间的温度下 持续至少大约2天沉浸在熔化的固体墨或UV凝胶墨中之后，UV 凝胶墨和/或固体墨的墨滴可与该疏油低粘附性涂层表面呈小于大 约30°的滑动角并且与疏油低粘附性涂层表面呈大于45°的接触角。
疏油低粘附性表面涂层可在高温和高压下被粘合到不锈钢孔 支架而不退化。同时，因为生产的印刷头使用了疏油低粘附性表面 涂层，墨滴可从印刷头正面滚降而不留下残留物，所以该印刷头可 防止墨污染物。
具有高热稳定性的疏油低粘附性表面涂层可包括溶胶-凝胶 交联涂层。由于墨滴和涂层表面之间的低粘附性，溶胶-凝胶交联涂 层可作为抗-润湿、容易清洁、自清洁的涂层用于喷墨印刷头孔板。 由于其疏油性，溶胶-凝胶交联涂层可为喷墨印刷头孔板提供高流淌 (drool)压强。一般地，墨接触角越大，流淌压强越好(越高)。 流淌压强涉及当墨槽(储墨器)的压强增大时孔板防止墨溢出喷嘴 孔的能力。即使在被暴露在高温和/或高压下持续延长的时间段之 后，溶胶-凝胶交联涂层可为热稳定的并提供与紫外线凝胶墨和/或 固体墨的墨滴的低粘附性，从而保持高流淌压强。
有利地，本文所述疏油低粘附性表面涂层为紫外线固化凝胶 墨和/或固体墨的墨滴同时提供低粘附性和高接触角，其进一步提供 了改进流淌压强或减少(或消除)墨从喷嘴溢出的优点。
图2描绘了根据本发明教导的各种实施方式的示例性印刷头 200的部分。值得注意的是，尽管图2阐释了按需喷墨印刷头，但 是本领域技术人员可理解所披露的溶胶-凝胶交联涂层可根据需要 提供具有高热稳定性的疏油低粘附性正面板表面的任何类型印刷 头。
如图2所示，示例性印刷头200可包括以叠加关系堆叠的多 个层压板或片材，以及可由包括例如不锈钢、聚酰亚胺、和/或其他 公知材料的材料制成。正如所示，这些片材或层可包括横隔板230 (其一表面上具有传感器231，例如PZT设备)、墨压力腔板232、 入口/出口板234、孔支架板236(又称为“支撑支架”)、孔板粘合剂 238、以及孔板212(又称为细孔板或印刷头正面板)。
印刷头200还可包括与一个或一个以上墨源206联接或连通 的一个以上墨压力腔204，还包括一个或一个以上的墨喷射孔/出口 208，例如孔、细孔、喷嘴或出口208。通常喷墨印刷机可包括两个 以上墨压力腔204，每一个压力腔204与一个或一个以上的孔/出口 208连接。为了简化起见，图2中图示了两个示例性出口208，但 是示例性印刷头可包括多于或少于两个的出口。每一个孔/出口208 可经由箭头210所指示的墨通道与墨压力腔204联接或连通。在墨 滴形成期间，墨能够通过孔/出口208。墨滴可沿着路径210从孔/ 出口208朝着印刷机介质(未图示)的方向行进，印刷介质如纸张 或成像鼓，所述印刷机介质与孔/出口208间隔开。可在示例性喷墨 印刷头出口侧的孔板212中形成孔/出口208。
在实施例中，如图2所示，示例性喷墨印刷头还可包括沿着 孔板212沉积的溶胶-凝胶交联涂层250。溶胶-凝胶交联涂层250 可为具有高热稳定性的疏油低粘附性表面涂层，以及可与印刷头制 造过程相容。
溶胶-凝胶交联涂层250可具有疏油表面。本文中所用术语“疏 油”是指溶胶-凝胶交联涂层250对包括例如正十六烷、十二烷、烃 类、有机型墨(包括固体墨和UV凝胶墨等)之类的油的表面润湿 性。溶胶-凝胶交联涂层250的疏油表面可具有至少大约45°的油接 触角，例如，至少大约60°、或大约45°至大约90°。
溶胶-凝胶交联涂层250可为低粘附性涂层。一般地，在低粘 附性涂层的表面上，10-15μL油性墨滴趋向于聚集以及与低粘附性 涂层表面呈滑动角在表面上滑动。在实施方式中，油性墨滴可为固 体墨滴或UV凝胶墨滴。
当用油(例如，正十六烷)和有机型墨(如固体墨或UV凝 胶墨)测量时，油性墨滴可与溶胶-凝胶交联涂层250呈低滑动角， 其中低滑动角可小于大约30°，例如大约1°至大约30°、或大约1° 至大约25°、或大约1°至大约15°。
溶胶-凝胶交联涂层250可具有高热稳定性。例如，可在例如 大约200℃或更高、或大约200℃至大约330℃、或大约250℃至大约 330℃、或大约250℃至大约290℃的高温下持续至少大约30分钟、 或大约30分钟至大约120分钟、或大约60分钟至大约120分钟基 本上保持溶胶-凝胶交联涂层250的表面疏油性和低粘附性特性 (即，具有低滑动角)。在实施方式中，溶胶-凝胶交联涂层250的 表面疏油性和低粘附性特性可具有高热稳定性，以及在上述高温和 时间长度下，和/或在例如大约100psi或更高、或大约100psi至大 约400psi、或大约250psi至大约400psi的压强下，保持溶胶-凝胶 交联涂层250的表面疏油性和低粘附性特性。
除非另有说明，本文中所用术语“溶胶-凝胶交联涂层”是指由 聚合物前体通过溶胶-凝胶过程形成的涂层材料，其中溶胶-凝胶过 程使得聚合物前体发生自缩合作用和/或自交联反应。在实施方式 中，溶胶-凝胶交联涂层可具有交联密度。
溶胶-凝胶过程中，合适的前体或前体组合物可水解以生成固 态聚合物硅-氧网络。前体的初步水解生成液体溶液(即，凝胶)， 其最终变成凝胶。因此，溶胶-凝胶过程可包括形成溶胶-凝胶溶液、 凝胶化(即聚合)以及干燥的阶段或步骤。
本文中所用溶胶-凝胶溶液可包括烷氧基硅烷前体，烷氧基硅 烷前体在溶胶-凝胶过程期间在溶胶-凝胶溶液中经受交联反应。在 一实施方式中，烷氧基硅烷前体可具有至少两个烷氧基硅烷基团来 发生前体聚合物的自缩合反应以及来提供所形成的涂层的预期交 联密度。
例如，溶胶-凝胶过程的胶凝阶段或聚合阶段可为两步反应， 包括烷氧基硅烷前体的水解，然后是水解的前体的缩合。通过醇盐 基团的水解，进行聚合反应的初步反应(initiation)，以形成羟基化 -Si-OH基团。然后通过这些羟基化物质的缩聚增长链，从而产生硅 -氧聚合物。即，缩聚可导致形成OSiO桥以及去除其他物质(如水)。 在实施方式中，OSiO桥或硅-氧网络可为二维的或三维的。
用于形成所披露的溶胶-凝胶交联涂层250的示例性硅烷官能 化的全氟聚醚聚合物前体可具有通式：
(R2O)3Si-R1-NH-CO-(CH2)x-F2CO(CF2CF2O)m(CF2O)nCF2-(CH2)y-CO-NH-R1-Si(OR2)3，
其中m为大约1至大约50，n为大约0至大约10，x和y为大约0 至10，以及R1和R2分别为具有通式CzH2z+1的烷基基团，其中z 为1至20。例如，R2可为C2H5。在一实施方式中，m和n的总量 可为大约40至大约180，m/n的比例可为大约0.5至大约2.0。
在实施方式中，所用的硅烷官能化的全氟聚醚聚合物前体可 为具有乙氧基硅烷(R2＝C2H5)基团的FluorolinkS10。FluorolinkS10市购自苏威苏莱克斯公司(美国新泽西州WestDeptford)。 FluorolinkS10的乙氧基硅烷基团可在催化剂(包括例如酸、碱以 及可选的水)的存在下水解以及在FluorolinkS10中容易反应以形 成高交联材料，其包括由Si-O-Si硅氧烷单元桥联(chainsbridges) 的全氟聚醚链。可使用溶胶-凝胶交联FluorolinkS10作为“硅氧烷 桥联的全氟聚醚”来形成图2的溶胶-凝胶交联涂层250。图3描绘 了根据本发明教导的各种实施方式的示例性硅氧烷桥联的全氟聚 醚涂层的溶胶-凝胶结构式。图3所示溶胶-凝胶交联反应提供了高 交联聚合物材料。
在实施方式中，全氟聚醚聚合物前体(例如，FluorolinkS10) 可可选地为在具有以下通式的另一含氟硅烷前体的存在下共水解：
(R4O)3Si-R3-(CF2)q-CF3
其中q为大约1至大约20，以及R3和R4分别为具有通式CzH2z+1的烷基基团，其中z为1到10。
各种实施方式还提供了形成使用所披露的疏油低粘附性涂层 的喷墨印刷头的方法。喷墨印刷头的孔板可由首先形成包括一个或 一个以上聚合物前体的溶胶-凝胶溶液来形成，所述一个或一个以上 聚合物前体包括硅烷官能化的全氟聚醚前体、含氟硅烷前体以及二 者的组合物。
例如，溶胶-凝胶溶液可为由首先溶解硅烷官能化的全氟聚醚 前体(例如，FluorolinkS10)在六氟丙醇溶剂中、然后在六氟丙 醇溶剂中加入三氟乙酸催化剂和水形成的反应物混合物。然后，在 大约25℃至大约100℃的温度持续大约30分钟至大约24小时的时 间搅拌反应物混合物。在实施方式中，在溶胶-凝胶溶液中的硅烷官 能化的全氟聚醚前体可占全部反应物混合物重量的大约1％至 50％。
然后，施加溶胶-凝胶溶液到喷墨印刷头的孔板(参见图2的 212，又称为正面板基底)上并固化溶胶-凝胶溶液。可使用本领域 技术人员公知的各种涂层和印刷技术来施加溶胶-凝胶溶液到孔板 表面上。然后，在例如大约130℃到大约330℃范围间的温度下持续 大约30分钟至大约2小时固化所施加的溶胶-凝胶溶液，以在孔板 上形成如本发明所公开的溶胶-凝胶交联涂层。在实施方式中，所形 成的溶胶-凝胶交联涂层(参见图2的250)可具有大约0.1微米至 大约5.0微米、或大约0.5微米至大约3.0微米、或大约1.0微米至 大约2.0微米的厚度。
在实施方式中，孔板(参见图2的212)可包括例如聚酰亚 胺、钢铁、硅、镍、铜、铝及它们的混合物。在实施方式中，孔板 可为聚酰亚胺孔板。
然后，被涂覆的孔板的溶胶-凝胶交联涂层(参见图2的250) 相反表面可附着于孔支架(参见图2的236)。可使用例如孔板粘合 剂(参见图2的238)在例如大约200℃或更高的温度下以及大约 100psi或更高的压强下持续大约30分钟或更长，以粘合被涂覆的 孔板和孔支架。在一实施方式中，粘合温度可为大约290℃，粘合 压强可为大约350psi。接着附着/粘合过程，然后可使用激光烧蚀 技术或其他公知技术，在孔板中形成一个以上孔(参见图2的208)。
在这种方式下，即便在大约200℃或更高的温度和/或大约100 psi或更高的压强下持续大约30分钟或更长，由溶胶-凝胶交联涂层 涂覆所形成的孔板仍可具有高油接触角(例如，高于大约45°)以 保持充足的流淌压强和低滑动角(例如，小于30°)从而达到印刷 头正面容易清洁、自清洁的效果。在示例性聚酰亚胺基底上的所披 露的溶胶-凝胶交联涂层可具有高热稳定性。例如，将其加热到大约 325℃持续大约30分钟，随后其可以保持与正十六烷呈大约62°的 高接触角、与固体墨呈大约72°的高接触角，以及保持与正十六烷 呈大约13°的低滑动角、与固体墨呈大约16°的低滑动角。
实施例1
于玻璃瓶中，大约1.5gFluorolinkS10(自Solvay-Solexis 获得)溶解在大约15mL六氟丙醇溶剂中，接着加入大约0.1g水 和大约2滴三氟乙酸(TFA)作为催化剂。搅匀内容物，在室温下 持续大约24小时，然后使用拉杆涂敷器将其涂覆在聚酰亚胺基底 上。
通过从室温以大约5℃/min的速率提高温度至大约290℃、然 后在大约290℃保持大约30分钟，固化涂层1。
通过从室温以大约5℃/min的速率提高温度至大约310℃、然 后在大约310℃保持大约30分钟，固化涂层2。
通过从室温以大约5℃/min的速率提高温度至大约325℃、然 后在大约325℃保持大约30分钟，固化涂层3。
用来自DataPhysics的(位于英国东萨塞克斯郡海尔斯罕) OCA20角测量仪测定涂层的接触角和滑动角，该测量仪包括计算机 控制的自动液体沉积系统、计算机控制的倾斜基本单元(TBU90E)、 以及并基于计算机的图像处理系统。结果见表1。
表1
在通常静态接触角测量中，在通常大约80℃的喷墨温度下的 大约5微升正十六烷或大约3微升UV墨和在通常大约115℃的喷 墨温度下的1微升固体墨被轻轻沉积在表1所示涂层的表面上。通 过计算机软件(SCA20)确定静态角，每一个报告数据为＞5次独立 测量的平均数。
通过以大约1℃/sec的速率倾斜基本单元，使用倾斜基本单元 TBU90E测量与大约10微升的正十六烷、在通常大约115℃的喷墨 温度下的UV墨、以及在通常大约115℃的喷墨温度下的固体墨的 墨滴的滑动角。滑动角被限定为测试墨滴(UV墨或固体墨)开始 从被涂覆的聚酰亚胺基底上滚降而不留下残留物或污点时，被涂覆 的聚酰亚胺基底的倾斜角。
如表1所示，所形成的硅氧烷桥联的全氟聚醚预期为即使被 加热到大约290℃、310℃、或325℃持续大约30分钟仍为热稳定的。 硅氧烷桥联的全氟聚醚涂层被以上的温度烘烤后，保持高接触角和 低滑动角。硅氧烷桥联的全氟聚醚涂层可作为抗润湿、自清洁涂层 用于聚酰亚胺印刷头孔板。
实施例2(对比实施例)
使用美国专利案号5,867,189中所描述的方法制备不锈钢印 刷头。使用电子束溅射技术用PFA涂覆孔板，从而形成涂层4。根 据实施例1中的步骤测定涂层4的接触角和滑动角，数据汇总在表 2中。相比之下，涂层4的接触角类似涂层1-3的接触角；然而涂 层4的滑动角显著大于涂层1-3的滑动角。低滑动角被换算成墨滴 和涂层表面之间的低粘附性，而高滑动角被换算成墨滴和涂层表面 之间的高粘附性。
表2
实施例3
在大约140℃下持续大约2天将涂层1浸没在熔化的青色、品 红、黄色、黑色墨混合物中，来进行墨老化试验。然后测定墨老化 之前和之后的接触角和滑动角，并汇总在表3中。数据显示，按照 实施例1中步骤制造的涂层1在墨浸没2天后展现出高接触角和低 滑动角，其稳固抗墨老化。
表3
实施例4
模拟印刷头制造的粘合剂粘合步骤进行离线测试。涂层1经 受高温和高压粘合步骤，例如在大约290℃和大约300psi下持续大 约30分钟。然后确定粘合步骤之前和之后的接触角和滑动角，并 汇总在表4中。正如所示，涂层1在290℃和300psi的粘合剂粘合 之后保持了高接触角和低滑动角。
表4
实施例5
使用疏油低粘附性涂层制造示例性印刷头。在该实施例中， 使用激光消融技术，首先在涂覆了低粘附性涂层(如实施例1中的 涂层1)的聚酰亚胺膜上制造喷嘴阵列。然后，聚酰亚胺膜被对齐 不锈钢孔支架，使用高温粘合剂在大约290℃于300psi下持续半小 时粘合二者。产生包括具有涂层1低粘附性的涂层的孔板的孔组件， 然后被粘附和粘合到喷口叠摞/PZT组件和歧管，产生印刷头。所产 生的印刷头的正面呈现出与实施例1-4中涂层1-4相同的表面特性。