用于喷液印刷机的偏转板的制作方法
【专利摘要】提供了一种喷液印刷装置，其具有用于向基底喷出液滴流的喷嘴；用于向所述液滴提供电荷的充电部分；和用于将所述液滴偏转至所述基板上的期望位置的一对导电偏转板，其中所述偏转板的内表面设置有介电层，以最小化与在偏转板上液滴收集和聚结相关的问题。
【专利说明】用于喷液印刷机的偏转板
【技术领域】
[0001]本发明大体涉及具有引导液滴路径的充电偏转板的喷液印刷机，且具体地涉及在表面上具有高介电强度涂层以减少放电的偏转板。
【背景技术】
[0002]本发明涉及喷液印刷机，其具有(i)液滴形成部分，如压电传感器，(?)液滴充电部分，如平行的金属板，和(iii)液滴偏转部分，用于将液滴的路径引导至待印刷的基底上的期望位置。在连续喷液印刷的情况下，产生单液滴的流，其中一些液滴以期望的图案撞击基底。剩下的液滴由诸如槽等的收集装置截取，并且被回收至液滴形成部分，而不是印刷在基底上。
[0003]美国专利第7，438，396B2号公开了连续喷墨印刷机，其具有一列喷嘴用于跨越基底(如纺织织物)的宽度同时印刷。液滴偏转的范围是使得相邻的喷嘴可重叠，以便在基底上印刷无缝的图案。该偏转板间隔开且被相反地充电(如I至5kV)，以产生电场。液滴上的电荷和/或由偏转板产生的电场强度可改变，以引发或多或少的液滴偏转。在一个不例中，未充电的液滴没有偏转且被收集在槽中。
[0004]在印刷机的操作过程中，液滴可聚积在偏转板的表面上。该聚积可由来自槽、误导的液滴或者离开被印刷的基底表面的墨回弹的飞溅引起。该聚积可聚结在偏转板的表面上，将有效间隙减小至低于空气的击穿电位，且引起从一个板至相邻的带相反电荷板的放电。
【发明内容】
[0005]本发明涉及喷液印刷装置，其具有能够朝向基底喷出液体的单液滴流的喷嘴；液滴充电部分，其能够向所述液滴提供电荷；和用于产生能够将所述液滴偏转至所述基板的期望位置的电场的一对导电偏转板。该喷液印刷机可喷出连续的液滴流或者根据需要喷出液滴。在连续喷液印刷机的情况下，诸如槽的收集装置被设置在喷嘴和基底之间，以防止至少一些的液滴撞击所述基底，例如，当液体的一种具体颜色不是被印刷的图案的一部分时。
[0006]各所述偏转板具有面向所述液体的单液滴流的路径的内侧。所述偏转板中的一个或者两个的内侧的外层是电介质。所述介电外层选自能够使偏转板上收集的液滴绝缘的多种材料，这在偏转板与所收集的液滴之间提供压降和/或减少偏转板对之间的放电。
[0007]偏转板的介电外层可以是施加至板表面的涂层。作为示例，介电涂层可以是聚(对-亚二甲苯基)聚合物、硅酮氧化物聚合物或钙钛矿(perovskite)的氧化物。在本发明的另一个实施方式中，介电外层可以是金属氧化物，例如阀金属(valve metal)的氧化物。该金属氧化物层可通过蚀刻偏转板的内表面，随后在该蚀刻表面上生成相应的氧化物而形成。作为示例，偏转板可以是铝且介电外层可以是ai2o3。
[0008]电介质优选地具有相对高的介电强度，从而最小化避免电场击穿所需的介电层的厚度。此外，介电层越薄，偏转板越不会侵占液体喷射液滴的路径，从而减少了撞击至偏转板的表面上的液滴数量。作为示例，具有4000V/密耳(V/mil)或更大的介电强度的电介质据信在本发明中是特别有用的。可使用厚度范围从10nm至0.1mm的介电层。
[0009]本发明还可包括覆盖介电外层的疏水薄膜。或者，该介电层本身可以是疏水的。疏水薄膜可将聚结在偏转板上的液滴的尺寸最小化。较小的液滴较不可能引起偏转板之间的放电或者电场的其他破坏。此外，疏水薄膜导致较小的液滴由于重力从偏转板释放，且如果较小的液滴从偏转板滴落至基底，则该液滴较不受注意。
[0010]本发明用于水基组合物。因此，疏水薄膜或者疏水介电层的效力特征可在于水与疏水表面之间的接触角度为85°或更大。接触角度由Krilss液滴形状分析器测量。合适的疏水材料的示例为官能化和未官能化聚烯烃、聚四氟乙烯、玻璃、石英、环氧类和聚(对-二甲苯)。
[0011]本发明还包括印刷的方法，其特征在于使用喷射印刷装置在基底上印刷。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1是示出了用于印刷至基底的喷嘴、充电位置、偏转位置的布置的侧视图。
[0013]图2是本发明的具有介电层的偏转板的侧视图。
[0014]图3是本发明的具有介电层和疏水薄膜的偏转板的侧视图。
【具体实施方式】
[0015]并非对本发明的范围进行限制，下文阐述了优选实施方式和特征。在本说明书中引用的所有美国专利在此作为参考引入。除非另外地说明，条件为25°C、1大气压力和50%相对湿度，浓度按重量计，且分子量基于重均分子量。
[0016]本申请中使用的术语“聚合物”或者“聚合物材料”表示具有至少5000重均分子量(Mw)的材料。该聚合物材料可以是非晶体的、结晶的或者半结晶的材料，包括弹性聚合物材料。除非另外地指出，术语“烷基”指C1至C6脂族基。
[0017]啼液印刷机
[0018]参考图1，本发明用于与喷液印刷机I结合，该喷液印刷机I具有喷嘴2，其能够朝向基底4喷出液体的单液滴3的流。液滴可由结合至喷嘴2中的压电传感器形成。液滴沿着路径通过能够向液滴提供电荷的充电板5和6,和一对导电偏转板7和8,该导电偏转板7和8用于形成能够将液滴3偏转至基底4的期望位置的电场。液滴3所经历的偏转的量可通过改变充电板5和6作用于液滴上的电荷、改变偏转板7和8所形成的电场,或者同时改变作用于单液滴上的电荷和电场而控制。
[0019]喷液印刷机I可喷出连续的液滴流或者根据需要喷出液滴。在连续喷液印刷机的情况下，可将诸如槽9的收集装置设置在喷嘴2和基底4之间，以防止液滴3撞击基底4，例如当具体的液体颜色不是被印刷的图案的一部分的时候。在所示的实施例中，槽9被设置成收集未偏转液滴3。应理解槽可被设置成收集偏转液滴，且无意撞击基底的液滴可被偏转至该槽中。
[0020]与本发明兼容的喷液印刷机的示例可见于下述:USPN 7，438，396 ；USPN7, 594，717 ；USPN 7，524，042 ；USPN 7，182，442 ；USPN 7，104，634 ；USPN6, 106，107 ；USPN 6，003，980 ；USPN 5，969，733 ;和美国专利申请第 2008/0106564 号。
[0021]本发明可使用多种液体组合物。例如，该组合物可以是含水的或者无水的。在该组合物中存在的着色剂可以是染料或者颜料。该组合物还可包括粘合剂、分散剂、助溶剂、表面能调节剂，如乙二醇和盐。本发明可用于引入了着色剂，例如，酸性染料、分散染料和/或活性染料的液体组合物。在本发明的一个实施方式中，液体是其中溶解有染料的含水组合物。
[0022]介电层
[0023]各偏转板7和8分别具有朝向液滴3流的路径的内侧10和11。参考图2，偏转板7和8分别在内侧10和11上具有介电层12和13。当发生液滴聚集并聚结在偏转板的内侧上时，该介电层使液滴射流与偏转板隔离。因此，液滴较不可能引起在偏转板之间的电场的放电、火花干扰或者其它破坏，同时操纵液滴的电场与使用未涂层板相比基本未改变。该结果是印刷质量未受影响，但消除了发生电弧的情况。
[0024]该介电层可以是施用于偏转板的内侧的外表面的涂层，或者根据偏转板的外表面的组成，该介电层可通过在偏转板上形成金属氧化物层而形成，例如通过在表面上蚀刻阀金属(valve metal)并形成氧化物层。作为示例，在本发明中，相信具有大于500V/密耳的介电强度，或者大于2000V/密耳的介电强度，或者甚至大于4000V/密耳的介电强度的电介质是有用的。实现期望隔离(绝缘)效果所需的介电层的厚度根据所使用的材料的介电强度而改变，其中厚度与介电强度成相反的比例。一般而言，可使用厚度范围从10nm至
0.1mm的介电层。
[0025]用于介电涂层的材料包括聚(对-亚二甲苯基)聚合物，硅聚合物，诸如二氧化硅和硅酮氧化物聚合物，或者钙钛矿的氧化物。此外，介电涂层可选自聚氨酯、环氧聚合物、聚烯烃和聚丙烯酸酯。具体地，介电涂层可以是聚对亚苯基二甲基-N、-C、-D或-HT，聚二甲基硅氧烷和侧链(“耙式(rake)”)官能化聚二甲基硅氧烷，BaT13, (Ba，Sr) T13或BST，PbZrxTi1^x) O3或PZT，SrBi2Ta2O9或SBT，任选掺杂磷和氮化硅的Si02。优选不溶于从喷嘴喷出的液体组合物的材料。施加涂层，以实现均匀的厚度，无缺陷(诸如针孔)。作为示例，聚对亚苯基二甲基聚合物可通过气相沉积施用于偏转板的外表面。该涂层还可以是金属氧化物，例如通过例如金属的喷溅或者化学气相沉积施用于偏转板的表面的“阀金属”的氧化物，随后进行氧化，从而提供介电层。
[0026]在本发明的可选实施方式中，可通过对包括能够经过氧化而形成介电层的金属的偏转板进行处理而形成介电层。此类金属通常被称作“阀金属”，且包括铝、钛、钽、锆、铪、钒、铌、硅和钨。用于处理金属表面以形成介电层的多种处理是本领域技术人员已知的，且包括蚀刻金属表面，接着在表面上形成氧化物或者热氧化的工艺。
[0027]参考图2和3，偏转板7和8的边缘14和15分别被导圆角以通过减小场强度而防止放电，且有助于形成更加均匀的介电材料涂层。
[0028]疏水层
[0029]在偏转板上聚积的液滴增加了板之间的放电或者电场的其它破坏的风险。如果液滴聚结在偏转板上形成大的液滴，则该风险增大。此外，在偏转板上形成的液滴越大，如果该液滴落至下面的基底上，则该液滴更有可能在印刷图案上形成缺陷。
[0030]已经发现通过在偏转板的内表面上提供疏水表面，可改善液滴聚积的不良影响。水基染料溶液是特别感兴趣的。因此，偏转板的内表面可有利地为疏水的。在本发明的一个实施方式中，偏转板的表面是疏水的，且其特征在于水与疏水表面之间的接触角度为85°或更大，如通过Krilss液滴形状分析器所测量。
[0031]疏水表面可由设置在偏转板的外层上的介电层产生。可选地，疏水表面可由施加于介电层上的疏水薄膜提供。合适的疏水材料的示例为官能化和未官能化聚烯烃，诸如聚乙烯、聚丙烯、乙烯/丙烯共聚物，含氟聚合物，诸如聚四氟乙烯和丙烯酸氟烷基酯共聚物，玻璃，石英，环氧类，聚丙烯酸酯和聚氨酯。
[0032]参考图3，疏水薄膜16和17分别覆盖偏转板7和8的介电层12和13。
[0033]在本发明的一个实施方式中，疏水表面结合颗粒，如热解法二氧化硅，以实现期望的微结构，且使用可交联聚合物和交联剂以改进耐久性和抗磨损性。作为示例，可交联的四氟乙烯共聚物和甲苯二异氰酸酯可包括在薄膜制剂中以提高耐久性。
[0034]示例 I
[0035]使用气相沉积用聚对亚苯基二甲基C涂覆铝偏转板，以形成介电层。该介电层为大约1.5密耳(40 μ m)厚度且具有5600V/密耳的介电强度(使用ASTM D149测试方法测量)。如图1中所示，经涂覆的偏转板用于喷液印刷装置中，其中在偏转板的内表面之间具有0.157英寸(4_)的间隔。该介电涂层的引入极大地减少了在偏转板的表面上的放电和液滴聚结，而在印刷质量上没有观察到任何负面影响。
[0036]示例 2
[0037]通过在辛烷中均化热解法二氧化硅颗粒(Aerosil R812S)且将5重量百分比的二氧化硅与丙烯酸氟烷基酯共聚物(Unidyne TG658)掺合，制备疏水涂层。将从示例I得到的偏转板浸涂于疏水涂层成分中，且在250 T固化5分钟。如图1中所示，当用于喷液印刷装置中时，已发现该疏水涂层可减少液滴聚结且减少聚积在偏转板上的液体的量。
[0038]应思
[0039]本发明用于连续的和按需型喷液印刷机，其使用充电偏转板引导液滴向基底的施力口。可用的基底包括纸张、聚合物膜和纺织品，该纺织品包括机织和针织织物、地毯、垫子和地毯织物，以及包括由天然和合成纤维或者其组合制成的织物。特别感兴趣的是使用含有酸性染料的含水液体组合物，结合含有尼龙纤维的基底。
[0040]包括喷嘴、充电板和偏转板的印刷头可被固定在适当位置或者可从基板一侧移动至另一侧。还在本发明的范围内的是在待印刷的基底的宽度范围提供一列重叠的、固定喷嘴。可使用染料溶液和印刷头的各种组合。在本发明的一个实施方式中，提供包括青色、黄色、品红色和黑色染料溶液的四列印刷头。
[0041]可参考所附权利要求进一步理解本发明。
【权利要求】
1.一种用于在基底上印刷的装置，包括: (a)喷嘴，其能够向所述基底喷出液体的单液滴流； (b)液滴充电部分，其能够向所述液滴提供电荷； (c)一对导电偏转板，用于产生能够将所述液滴偏转至所述基板的期望位置的电场，其中各所述板具有面向所述液体的单液滴流的路径的内侧，且其中所述偏转板的至少一个的内侧的外层是电介质。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述介电外层选自介电涂层和在所述偏转板的表面上生成的金属氧化物。
3.根据权利要求1所述的装置，其中两个偏转板的内侧具有介电外层。
4.根据权利要求1所述的装置，其中所述介电外层是聚合物。
5.根据权利要求4所述的装置，其中所述介电聚合物选自聚(对-亚二甲苯基)聚合物、硅酮聚合物、聚氨酯、环氧聚合物、聚烯烃和聚丙烯酸酯。
6.根据权利要求1所述的装置，其中所述介电外层选自聚(对-亚二甲苯基)、聚(3-氣-对-亚二甲苯基)和聚(3，6_ 二氣-对-亚二甲苯基)。
7.根据权利要求6所述的装置，其中所述介电外层通过气相沉积施加。
8.根据权利要求1所述的装置，其中所述介电外层具有大于500V/密耳的介电强度。
9.根据权利要求1所述的装置，其中所述介电外层具有10nm至0.1mm的厚度。
10.根据权利要求1所述的装置，还包括覆盖所述介电外层的疏水薄膜，其中水与所述疏水薄膜之间的接触角度为85°或者更大。
11.根据权利要求1所述的装置，还包括覆盖所述介电外层的疏水薄膜，其中所述疏水薄膜选自官能化和非官能化聚烯烃、聚四氟乙烯、玻璃、石英、环氧类、聚丙烯酸酯和聚氨酯。
12.根据权利要求1所述的装置，还包括覆盖所述介电外层的疏水薄膜，其中所述疏水薄膜包括丙烯酸氟烷基酯共聚物和热解法二氧化硅。
13.根据权利要求12所述的装置，其中所述疏水薄膜还包括可交联聚合物和交联剂。
14.根据权利要求1所述的装置，其中所述介电外层选自Al、T1、Ta、Nb、Zr、Hf、W、Si和隹丐钛矿的氧化物。
15.根据权利要求14所述的装置，其中所述偏转板为铝，且所述介电外层为蚀刻所述偏转板并在该蚀刻表面上生成Al2O3而形成的Al2O315
16.根据权利要求14所述的装置，还包括覆盖在所述介电外层上的疏水薄膜，其中所述水与所述疏水薄膜之间的接触角度为85°或更大。
17.根据权利要求1所述的装置，其中所述介电外层是疏水的，且水与所述介电层之间具有85°或更大的接触角度。
18.根据权利要求1所述的装置，其中所述液体是含水的且包括选自酸性染料、分散染料和活性染料的着色剂。
19.一种在基底上进行印刷的方法，包括以下步骤: (a)利用喷嘴向所述基底喷出液体的单液滴流； (b)向所述液滴提供电荷； (C)利用一对能够产生电场的导电偏转板将所述液滴偏转至所述基底的期望位置，其中各所述板具有面向该液体的单液滴流的路径的内侧，且其中所述偏转板的至少一个的内侧的外层是电介质。
20.根据权利要求19所述的方法，其中两个偏转板的内侧具有介电外层。
21.根据权利要求20所述的方法，其中所述介电外层选自介电聚合物涂层和金属氧化物。
22.根据权利要求21所述的方法，还包括覆盖所述介电外层的疏水薄膜，其中水与所述疏水薄膜之间接触角度为85°或者更大。
【文档编号】B41J2/07GK104185554SQ201380012922
【公开日】2014年12月3日 申请日期:2013年2月20日 优先权日:2012年3月5日
【发明者】F.S.洛夫三世, J.J.利利, D.T.麦克布赖德, R.蒙代尔, R.M.麦克米肯 申请人:美利肯公司