专利名称：用于印刷头正面的具高热稳定性的低粘附性溶胶凝胶涂层的制作方法
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°C的温度和大约350psi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°C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°C至330°C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。
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。
具体实施例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°C或更高的高温下、或在大约200°C到大约330°C的范围间的高温下、或在大约250°C到大约290°C的范围间的高温下，和/或在大约IOOpsi或更高的压强下(例如，在大约IOOpsi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°C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°C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°C到150°C范围间、或100°C到150°C范围间、或120°C到150°C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，10-15 μ L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°C或更高、或大约200°C至大约330°C、或大约250°C至大约330°C、或大约250°C至大约290°C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IOOpsi或更高、或大约IOOpsi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) SSi-R1-NH-CO- (CH2) ,-F2CO (CF2CF2O) m (CF2O) nCF2- (CH2) ^CO-NH-R1-Si (OR2) 3，其中m为大约1至大约50，η为大约0至大约10，χ和y为大约0至10，以及R1和&分别为具有通式CzH2z+1的烷基基团，其中ζ为1至20。例如，&可为C2H5。在一实施方式中，m和η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Fluorolink S10。Fluorolink SlO市购自苏威苏莱克斯公司(美国新泽西州Wfest Deptford)。Fluorolink. S10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FluOrOlink S10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(chains bridges)的全氟聚醚链。可使用溶胶-凝胶交联Fluorolink SlO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ζ为1 至Ij 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，Fluorolink S10)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°C至大约100°C的温度持续大约30分钟至大约M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°C到大约330°C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. O微米、或大约0. 5微米至大约3. O微米、或大约1. O微米至大约2. O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°C或更高的温度下以及大约IOOpsi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°C，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°C或更高的温度和/或大约IOOpsi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°C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. 5g Fluorolink S10(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. Ig水和大约2滴三氟乙酸(TFA)作为催化剂。搅勻内容物，在室温下持续大约M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°C /min的速率提高温度至大约290°C、然后在大约290°C保持大约30分钟，固化涂层1。通过从室温以大约5°C /min的速率提高温度至大约310°C、然后在大约310°C保持大约30分钟，固化涂层2。通过从室温以大约5°C /min的速率提高温度至大约325°C、然后在大约325°C保持大约30分钟，固化涂层3。用来自Data Physics的(位于英国东萨塞克斯郡海尔斯罕)0CA20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。
表权利要求
1.一种用于喷墨印刷头正面的涂层，其包括疏油低粘附性涂层，其中所述疏油低粘附性涂层的表面在高于大约200°C的温度暴露持续超过大约30分钟之后与一个或一个以上紫外线凝胶墨滴和固体墨滴呈小于大约30°的滑动角。
2.根据权利要求1所述的涂层，其中所述疏油低粘附性涂层的所述表面在所述温度暴露之后与所述一个或一个以上紫外线凝胶墨滴和固体墨滴呈大约45°或更大的接触角。
3.根据权利要求1所述的涂层，其中所述一个或一个以上紫外线凝胶墨滴和固体墨滴在所述疏油低粘附性涂层在低于大约330°C的温度暴露和低于大约400psi的压强下持续大约30分钟到大约2小时范围间的时间段之后，与所述疏油低粘附性涂层的所述表面呈小于大约30°的滑动角和大于大约45°的接触角，
4.根据权利要求1所述的涂层，其中所述一个以上紫外线凝胶墨滴和固体墨滴在所述疏油低粘附性涂层在大约70°C至大约150°C的温度下持续至少大约2天被浸没在融化的固体墨或紫外线凝胶墨中之后，与所述疏油低粘附性涂层的所述表面呈小于大约30°的滑动角和大于45°的接触角，
5.一种形成用于喷墨印刷头正面的疏油低粘附性涂层的方法，其包括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；施加所述反应物混合物到正面基底上；以及所施加的所述反应物混合物在大约130°C至330°C的温度下持续大约30分钟至大约2小时的时间段经受固化处理，以形成溶胶-凝胶交联涂层，其中所述溶胶-凝胶交联涂层为疏油的，且具有对紫外线凝胶墨滴和固体墨滴中至少一个的低粘附性。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述硅烷官能化的全氟聚醚前体具有通式(C2H5O) Ji-R1-NH-CO- (CH2) ,-F2CO (CF2CF2O) m (CF2O) nCF2- (CH2) ^CO-NH-R1-Si (OC2H5) 3，其中m为大约1至大约50，η为大约0至大约10，χ和y各为大约0至10，以及队为具有通式CzH2z+1的烷基基团，其中ζ为1至20。
7.根据权利要求5所述的方法，其中所述反应物混合物由以下步骤形成溶解所述硅烷官能化的全氟聚醚前体在六氟丙醇溶剂中，在所述六氟丙醇溶剂中加入所述三氟乙酸催化剂和水，以及在大约25°C至大约100°C的温度持续大约30分钟至大约M小时的时间长度搅拌所述反应物混合物。
8.根据权利要求5所述的方法，其中在所述反应物混合物中的所述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至50%。
9.一种喷墨印刷头，其包括支撑支架；粘合到所述支撑支架的孔板，所述孔板具有限定于其中的孔，其中一个或一个以上紫外线凝胶墨和固体墨能够由所述印刷头通过所述孔喷出；以及沉积在所述孔板的正面上的疏油低粘附性涂层，其中所述疏油低粘附性涂层的表面与包括一个以上紫外线凝胶墨、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。
10.根据权利要求9所述的印刷头，其中所述疏油低粘附性涂层的所述表面在所述疏油低粘附性涂层被暴露在大约200°C至大约330°C的温度和大约IOOpsi至大约400psi的压强下之后，与所述一个或一个以上被喷射的墨滴呈大于大约45°的接触角。
全文摘要
各种实施方式提供了一种具有高热稳定性的疏油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，其中所述疏油低粘附性涂层可包括来自基于硅烷官能化的全氟聚醚的聚合物前体的自缩合过程的溶胶-凝胶交联涂层。
文档编号C09D183/12GK102559051SQ20111042108
公开日2012年7月11日 申请日期2011年12月7日 优先权日2010年12月15日
发明者瓦伦·桑巴伊, 科克-绮·劳, 萨曼斯·休, 赵洪 申请人:施乐公司