CN101535051B - 喷墨打印系统 - Google Patents

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Abstract

在可食用的基底上打印的系统，其包括喷墨打印机和喷射流体。该喷射流体适合在可食用的基底上使用，并且具有理想的粘度和表面张力。

Description

喷墨打印系统
相关申请的交叉引用
本申请要求于2005年5月9日提交的美国临时专利申请No.60/679401的优先权，其内容通过参考全部引入本文。
技术领域
本发明涉及喷射系统。
发明背景
喷墨打印机通常包括从墨水供应源到喷嘴通道的墨水通道。喷嘴通道终止于从其中喷射墨滴的喷嘴口。通过用致动器对墨水通道中的墨水加压来控制墨滴喷射，该致动器可以是例如，压电偏转器、热泡喷射发生器或静电偏转元件。典型的打印头具有一排具有相应的喷嘴口和相关联的致动器的墨水通道，由此可以独立地控制各喷嘴口的液滴喷射。在及时响应产生液滴的打印头中，随着打印头和打印基底彼此相对移动而激发各致动器，从而在图像的特定像素位置上选择性地喷射液滴。在高性能打印头中，喷嘴口通常具有50微米或更小例如35微米左右的直径，以100-300个喷嘴/英寸的间距相互分开，具有100-3000dpi或更高的分辨率，并且提供约1-70皮升或更小的液滴尺寸。液滴喷射频率通常为10kHz或更高。
在美国专利No.5,265,315、No.4,825,227、No.4,937,598、No.5,659,346和No.5,757,391中以及在公开的美国专利申请No.2004/0004649中描述了压电喷墨打印组件，因此，其各自的全部内容通过引用引入本文。
有时想要在食品上打印。在WO03/048260中描述了用于压电喷墨打印机的可食用的墨水，其全部内容通过引用引入本文。
发明内容
本发明涉及用于在可食用的基底上进行打印的喷射系统。
在一个方面，本发明的特征在于在可食用的基底上进行打印的系统。该系统包括用于以10kHz或更高进行喷射的高频压电喷墨打印机，以及包括表面活性剂的用于在可食用的基底上打印的流体，该流体优选具有约20达因/厘米-约40达因/厘米的表面张力。该可食用的基底在使用该流体打印之后仍然可以食用。
在另一个方面，本发明的特征在于在可食用的基底上打印的方法，该方法包括：提供喷墨打印机；获得具有大于约36达因/厘米的表面张力的预-流体(pre-fluid)；添加足量的表面活性剂以将该流体的表面张力减小至少10％，以获得适合应用于该基底的低表面张力的流体，该食用基底在打印之后仍可食用；以及将该流体喷射到可食用的基底上。
在另一个方面，本发明的特征在于用于在可食用的基底上打印的系统。该系统包括配置成以10kHz或更高进行喷射的压电喷墨打印机和用于在可食用的基底上打印的流体。该流体包括包含聚硅氧烷并且具有约20达因/厘米-约40达因/厘米的表面张力的表面活性剂。该食用基底在使用该流体打印之后仍然可以食用。
在另一个方面，本发明的特征在于在可食用的基底上打印的方法。该方法包括：提供喷墨打印机；获得具有大于约36达因/厘米的表面张力的预-流体；向该预-流体添加足量的包括聚硅氧烷的表面活性剂以将表面张力减小至少10％，以获得适合应用于可食用的基底的较低表面张力的流体；该可食用的基底在打印之后仍可食用；以及将该较低表面张力的流体喷射到该可食用的基底上。
实施方式可以包括以下的一个或多个。该表面张力为约26达因/厘米-约36达因/厘米，例如约28达因/厘米-约32达因/厘米。该流体具有约5-25厘泊(cp)，例如约10-14厘泊的粘度。该流体基本上是水性的。该表面活性剂为醚改性的聚二甲基硅氧烷、聚二甲基硅氧烷、卵磷脂、卵磷脂衍生物、磷脂、甘油酯、两性氨基酸、两性亚氨基酸、山梨糖醇、脱水山梨糖醇、乙二醇酯、甘油酯、酯改性的聚二甲基硅氧烷、或其混合物。该流体中表面活性剂的浓度为约2g/L-约40g/L。喷墨打印头包括泵送室(pumping chamber)，该泵送室至少部分由金属、碳或硅形成。该打印头包括喷嘴口。该喷嘴口是在金属、碳或硅中界定(define)的。该打印头具有约50μm更小的喷嘴口。该打印头具有100dpi或更高的分辨率。打印头在约50℃或更高的喷射温度下工作。该系统包括脱气机(deaeration lung)。
在其它方面，本发明的特征在于用在用于在可食用的基底上打印的系统中的流体，该流体包括表面活性剂，如醚改性的聚二甲基硅氧烷。
实施方式和/或方面可以包括以下优点中的一种或多种。该组合物可以用于在可食用的基底上进行打印，允许对这种基底进行打印和标记。这种标记可以使消费者高兴和/或愉快。尤其，在可食用基底上打印对于儿童而言是有趣的并有教育性的。该组合物可以通过改善从这种打印头喷射的液滴的尺寸和速度的均匀性来改善打印头的打印精度。该组合物还可以通过减少泵送室中的空隙来实现更高频率的液滴喷射，这可以提高所喷射的液滴的分辨率。
除非另有定义，在本文中使用的所有技术和科学术语的含义与本发明所属领域中普通技术人员通常理解的含义相同。尽管在本发明的实践或试验中可以使用与本文中描述的那些相似或等价的方法和材料，但下面描述合适的方法和材料。本文中提到的所有出版物、专利申请、专利和其它参考文献通过引用全部引入本文。在有矛盾的情况下，以本说明书包括定义为主。
从以下的详细描述，本发明的其它特征和优点将更明显。
附图说明
图1是包括打印模块和墨水供应源的打印装置的透视示意图。
图2是打印头的前透视图。
图3是打印头的一部分的放大透视图。
具体实施方式
参考图1-3，用于在食品上打印的系统10，其包括压电打印模块14、容纳在墨水供应源18中的喷射流体16、以及用于移动在打印模块14下面的可食用基底12的基底传送装置15。喷射流体16结合打印模块14进行配制，以提高在可食用基底12上打印的可靠性。特别地，该打印模块是高频喷射模块，并且该喷射流体具有选定的表面张力和粘度，同时适合用于可食用的基底。
特别参考图2和3，喷墨打印头20包括许多流动通道，其中每个流动通道均具有泵送室22和界定在孔板25中的喷射孔24。在泵送室22中，通过压电元件26对来自于供应源的喷射流体16加压，以形成喷向基底12的液滴。液滴喷射频率通常为10kHz或更高，例如20-30kHz。流动通道界定在由碳形成的部件例如泵送室中、以及由金属形成的部件，例如由不锈钢制成的孔板中。具体的喷墨打印头是具有256个可独立寻址喷口的SpectraNova-AAA喷射打印模块，该打印模块能在高达600dpi下工作，可以从Spectra，Inc.，Hanover，NH获得。该打印模块具有以下特性。
工作参数 单位 数值
喷嘴间距 英寸(微米) 0.011(279)
固有分辨率 dpi 90
喷嘴直径 微米 54
校准液滴尺寸 皮升 80
液滴尺寸的调整范围 皮升 60-100
液滴尺寸偏差，1σ ％ 5
喷射平直度，1σ 度 0.5
正常液滴速度 米/秒 9
速度偏差，1σ ％ 5
串扰，最大值 ％ 5
工作温度 ℃(
Figure 2006800156884_0
)		 125(257)
最大频率 KHz 38
粘度范围(在喷射温度下) 厘泊(cP) 8-20
预期最短寿命 十亿液滴/喷口 25
电接口 类型 RS-422
墨水过滤器 微米绝对(microns absolute) 8
弯月面真空度(meniscus vacuum) 英寸水柱(inwg) 2.0-4.0
脱气机真空度 英寸Hg柱 22
喷嘴排列长度 英寸(mm) 2.82(71.6)
长×宽×高 英寸(mm) 4×1×4(102×25×102)
该系统可以包括脱气机。脱气机在美国专利No.5,489,925中进行了描述，其全部内容通过引用引入本文。
该喷射流体以具有可预期的体积、轨迹、形状和液滴速度的规则流体滴的形式进行喷射，并且在打印条件全范围内维持这种喷射。该喷射流体适合用于可食用的基底，并且具有提高喷射质量的表面张力和粘度。该表面张力使喷射流体有效地润湿该模块与流体接触的表面，如泵送室和喷嘴板。适当的润湿促进液滴的形成，同时减少吸入该室中的空气，并且提高脱气机的效率。在喷射状态下，该粘度使得在由模块导致的变化的压力状态下，流体的流动性在润湿过的表面上有效地扩散。
在具体的实施方式中，喷射流体是市售的，基本上是含水的食品级流体，它已经用可以用于可食用的基底的表面活性剂进行改性。尤其，该改性的流体具有约20达因/厘米-约40达因/厘米的表面张力。在具体实施方式中，该流体具有约26达因/厘米-约36达因/厘米，例如，约28达因/厘米-约32达因/厘米的表面张力。使用杜诺依法测量表面张力。杜诺依法可以例如使用从KSV Instruments获得的Sigma KSV 703表面张力计进行。在室温下，该流体的粘度为例如约5厘泊-约25厘泊，例如约10厘泊-约14厘泊。使用旋转圆柱型粘度计通过ASTM D2196测量粘度。合适的仪器是由106型可编程温度控制仪控制的具有热固系统3试样架(sample holder)的DV-III型可编程流变仪，该流变仪可以从Brookfield，Middleboro，MA获得。用#18轴在60rpm的转速下，该系统可以测量高达约49.9厘泊的粘度。更高的粘度可以用平行板粘度计测量。表面张力和粘度测量全部在喷射温度例如50-55℃下测量。
表面活性剂包括离子型表面活性剂，例如，阴离子、阳离子或两性、以及非离子型表面活性剂。示范性的表面活性剂包括聚硅氧烷，例如醚改性的或聚醚改性的聚二甲基硅氧烷、羟基官能化的聚二甲基硅氧烷、酯改性的或聚酯改性的聚二甲基硅氧烷、聚二甲基硅氧烷、八甲基环四硅氧烷、苯基硅氧烷、二甲基硅油、倍半硅氧烷，例如完全或部分缩合的倍半硅氧烷、硅酮蜡、烷基甲基硅氧烷、二甲基硅氧烷共聚多元醇、卵磷脂、卵磷脂衍生物、磷脂、甘油酯、两性氨基酸、两性亚氨基酸、山梨糖醇、脱水山梨糖醇、乙二醇酯、或这些表面活性剂的混合物。
倍半硅氧烷包括完全缩合的倍半硅氧烷、部分缩合的倍半硅氧烷和聚合的倍半硅氧烷。例如，完全缩合的倍半硅氧烷包括1，3，5，7，9，11，13，15-八-(二甲基甲硅烷基氧)-五环[9.5.1.13，9.15，15.17，13]八硅氧烷和1-(2-反式环己二醇)乙基-3，5，7，9，11，13，15-异丁基五环-[9.5.1.13，9.15，15.17，13]八硅氧烷。部分缩合的倍半硅氧烷包括1，3，5，7，9，11，14-七环戊基-三环-[7.3.3.15，11]七硅氧烷-内-3，7，14-三醇和1，3，5，7，9，11-八环戊基-四环[7.3.3.15，11]八硅氧烷-内-3，7-二醇。聚合的倍半硅氧烷的实例是[(丙基甲基丙烯酰基-七异丁基-PSS)-(甲基丙烯酸正丁酯)]共聚物。其它表面活性剂包括聚氧乙烯化的烷基酚(主要是对辛基、对壬基、对十二烷基、二壬基酚)、聚氧乙烯化的直链醇、聚氧乙烯化的聚氧亚丙基二醇、聚氧乙烯化的硫醇、长链羧酸酯(天然脂肪酸的甘油酯和聚甘油酯、丙二醇、山梨糖醇和聚氧乙烯化的山梨糖醇酯、聚氧化亚乙基二醇酯)、烷醇胺(二乙醇胺-、异丙醇胺-脂肪酸缩合物)、和醇类、柠檬酸、琥珀酸、酒石酸二乙酰基酯、单甘油酯和甘油二酯、乳酸酯、乙酸酯、柠檬酸酯、琥珀酸酯、脱水山梨糖醇酯、蔗糖酯、聚环氧乙烷、聚环氧丙烷、环氧乙烷与环氧丙烷的共聚物缩合物、十二烷基硫酸钠、吐温60和80、甲基葡糖苷-椰子油酯或这些表面活性剂的混合物。
聚硅氧烷可以以商品名称为UTRASILTM，Dow Coming
Figure 2006800156884_1
从Noveon和美国的Struktol公司获得。尤其，醚改性的聚二甲基硅氧烷，例如BYK333可以从BYK Chemie获得。倍半硅氧烷可以从Aldrich Chemicai获得，或从ReadeAdvanced Materials获得。倍半硅氧烷的制备和它们的反应化学大体在2001年的Chemfiles，Vol.1，No.6(Aldrich chemical)“Silsesquioxanes，Bridging theGap Between Polymers and Ceramics”中进行了讨论，其全部内容通过引用引入本文。有用的表面活性剂是公认为与CFR第21部分所规定的直接食品添加剂一样安全的，或该表面活性剂是EAFUS所列出的，即包括在食品与药品管理局(Food and Drug Administration)的“美国食品添加剂(everything addedto food in the United States)”的目录中。其它有用的表面活性剂是可以被列入的那些。
可以通过向预-流体例如基础墨水中添加足量的任何上述表面活性剂来制备喷射流体。合适的基础流体是来自Sensient/Formulabs，Escondido，Califomia的“FG”的系列墨水。该墨水由量依次减少的丙二醇、甘油、纯化过的水、异丙醇和有机染料组成。蓝色墨水包括FD&C蓝No.1和红No.3。红色墨水包括红No.3，红No.40和蓝1。黄色墨水包括黄No.5，红No.50和蓝No.1。绿色墨水包括黄No.5、蓝No.1，并且还包括氢氧化钠。这些墨水分别不少于2.1％、2-3％、2.0％和2.0％的纯染料。在实施方式中，通过向具有表面张力大于约36达因/厘米的基础墨水添加足量的任何上述表面活性剂制备喷射流体。向预-流体添加足量所选择的表面活性剂以将该流体的表面张力减小至少10％，例如12％、15％、20％、25％、50％或更多，例如75％，以获得适合应用于基底的较低表面张力的流体。选择表面活性剂，使可食用的基底在施用该流体之后仍然是可以食用的。在一些实施方式中，向基础流体中添加表面活性剂，使流体中表面活性剂的浓度为约2g/L-约40g/L，例如5g/L、10g/L、20g/L或更高，例如35g/L。在具体的实施方式中，添加约0.1重量％-约1重量％，例如约0.5重量％的醚改性的聚二甲基硅氧烷。
该流体可以包括水，例如约1重量％-约20重量％的水。该流体可以任选地包括悬浮在该流体中的固体。例如，该固体可以是二氧化钛、二氧化硅、颜料，例如色淀颜料，或这些固体的混合物。在一些实施方式中，流体中的固体的平均粒度为约0.05微米-约3微米，例如0.1微米、0.25微米、1微米或更大，例如2.5微米。该固体可以占该流体的约1重量％-约30重量％。该流体可以包括保湿剂，例如，以减少过早干燥。例如，该保湿剂可以是聚乙二醇、聚丙二醇、碳水化合物、多元醇、山梨糖醇、聚丙烯酸或这些材料的混合物。该流体可以包括例如约5重量％-约80重量％的保湿剂。该流体还可以包括增粘剂或增稠剂。例如，增稠剂可以是聚合物、盐，例如锂盐或盐和聚合物的混合物。在具体的实施方式中，增稠剂是海藻酸丙二醇酯。该增稠剂例如占该流体的约1重量％-约30重量％。该流体可以包括消泡剂。例如，消泡剂可以是聚环氧乙烷、硅油、聚二甲基硅氧烷、聚山梨醇酯、单硬脂酸脱水山梨糖醇酯或硬脂酸铝。该消泡剂可以占该流体的约1重量％-约5重量％。该流体可以包括生物杀灭剂。例如，生物杀灭剂可以是对羟基苯甲酸酯、氨基酸、银化合物，例如银盐，例如硝酸银，或这些生物杀灭剂的混合物。该生物杀灭剂可以占该流体的约0.001重量％-约1重量％。该流体可以包括着色剂。合适的着色剂包括例如固体，例如色淀颜料或可溶性着色剂，例如，FD&C蓝No.1、FD&C红No.3、FD&C红No.40和FD&C黄No.5。在实施方式中，该喷射流体本身不可食用，但是在固化之后，例如在溶剂蒸发之后变得可以食用。
在WO03/048260中描述了适用于可食用介质的组分，其全部内容通过引用引入本文。合适的调味品包括糖或提取物，例如水果香料提取物。该介质优选包括在联邦标准法规(the Code of Federal Regulations)第21部分中被列为公认安全直接食品添加剂(GRAS)的可食用组分，或是EAFUS所列举的可食用组分，即，被包括在食品与药品管理局的“美国食品添加剂”的目录中。“可食用的介质”是包括小于100ppm重量的任何杂质的墨水，该杂质即没有被列为GRAS或没有被EAFUS列举的任何组分。
合适的基底包括水果、巧克力、糖果、薯片或可以消费的其它食品。
已经描述了本发明的许多实施方式。然而，应该理解在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以对其作出各种修改。
虽然已经描述了压电致动器，但是其它致动器也是可以的。例如，可以使用热泡喷射致动器或静电偏转致动器。
除了在基底上打印，该喷射流体还可以用于可食用的基底以对基底调味，和/或为基底提供香味。

Claims (29)

1.一种用于在食品基底上进行打印的系统，包括：
配置成以10kHz或更高进行喷射的压电喷墨打印机；和
用于在食品基底上进行打印的不可食用的流体，其包含包括聚硅氧烷的表面活性剂并且具有20达因/厘米-40达因/厘米的表面张力，其中该食品基底在用该不可食用的流体打印之后在该不可食用的流体固化且形成包含小于100ppm重量的没有被列举为安全直接食品添加剂GRAS或者未被美国食品添加剂目录EAFUS列举的任何杂质的可食用的打印物之后仍然是可以食用的。
2.权利要求1的系统，其中该表面张力为26达因/厘米-36达因/厘米。
3.权利要求1或2的系统，其中该表面张力为28达因/厘米-32达因/厘米。
4.权利要求1或2的系统，其中该不可食用的流体具有5-25厘泊的粘度。
5.权利要求4的系统，其中该不可食用的流体具有10-14厘泊的粘度。
6.权利要求1或2的系统，其中该不可食用的流体包括水。
7.权利要求1或2的系统，其中该聚硅氧烷选自醚改性的聚二甲基硅氧烷、聚醚改性的聚二甲基硅氧烷、羟基官能化的聚二甲基硅氧烷、酯改性的聚二甲基硅氧烷、聚酯改性的聚二甲基硅氧烷、聚二甲基硅氧烷、八甲基环四硅氧烷、苯基硅氧烷、二甲基硅油、倍半硅氧烷、硅酮蜡、烷基甲基硅氧烷、二甲基硅氧烷共聚多元醇和其混合物。
8.权利要求1或2的系统，其中该聚硅氧烷包括醚改性的聚二甲基硅氧烷。
9.权利要求1或2的系统，其中该不可食用的流体中的表面活性剂的浓度为2g/L-40g/L。
10.权利要求1或2的系统，其中该压电喷墨打印机的喷墨打印头包括泵送室，该泵送室至少部分由金属、碳或硅形成。
11.权利要求1或2的系统，其中该压电喷墨打印机的喷墨打印头包括喷嘴口，该喷嘴口是以金属、碳或硅形成的。
12.权利要求1或2的系统，其中该压电喷墨打印机的打印头具有50μm或更小的喷嘴口。
13.权利要求1或2的系统，其中该压电喷墨打印机的打印头具有100dpi或更高的分辨率。
14.权利要求1或2的系统，其中该压电喷墨打印机的打印头在50℃或更高的喷射温度下工作。
15.在可食用的基底上进行打印的方法，该方法包括：
提供喷墨打印机，
获得具有大于36达因/厘米的表面张力的预-流体；并且
向该预-流体中添加足量的包括聚硅氧烷的表面活性剂，以将表面张力减小至少10％，以获得适合应用于可食用的基底的较低表面张力的不可食用的流体，该可食用的基底在用该不可食用的流体打印之后在该不可食用的流体固化且形成包含小于100ppm重量的没有被列举为安全直接食品添加剂GRAS或者未被美国食品添加剂目录EAFUS列举的任何杂质的可食用的打印物之后仍然是可食用的；以及
将该较低表面张力的不可食用的流体喷射到该可食用的基底上。
16.权利要求15的方法，还包括重复该添加步骤，直至该流体的表面张力为28达因/厘米-32达因/厘米。
17.权利要求15的方法，其中将该表面张力减小至少25％。
18.权利要求15-17中任一项的方法，其中该喷墨打印机为压电喷墨打印机。
19.权利要求15-17中任一项的方法，其中该喷墨打印机配置成以10kHz或更高进行喷射。
20.权利要求15-17中任一项的方法，其中该聚硅氧烷包括醚改性的聚二甲基硅氧烷。
21.一种用于打印的方法，其包括将不可食用的流体从喷墨打印机喷射到食品基底上以在该不可食用的流体固化之后在该食品基底上形成可食用的打印物，该可食用的打印物包含小于100ppm重量的没有被列举为安全直接食品添加剂GRAS或者未被美国食品添加剂目录EAFUS列举的任何杂质。
22.权利要求21的方法，其中所述可食用的打印物是通过将所述不可食用的流体的溶剂蒸发而形成的。
23.权利要求21或22的方法，进一步包括通过将表面活性剂添加到预流体中以调节该预流体的表面张力而制造所述不可食用的流体。
24.权利要求23的方法，其中所述不可食用的流体中的表面活性剂的浓度为2g/L-40g/L。
25.权利要求23的方法，还包括重复所述添加步骤，直至所述不可食用的流体的表面张力为20达因/厘米-40达因/厘米。
26.权利要求23的方法，其中调节所述表面张力使得所述表面张力减小至少25％。
27.权利要求23的方法，其中所述表面活性剂包括聚硅氧烷。
28.权利要求21或22的方法，其中所述不可食用的流体具有5-25厘泊的粘度。
29.权利要求21或22的方法，其中在50℃或更高的温度下喷射所述不可食用的流体。
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