CN101956195B - 在压电式喷墨成像鼓上生成弹性体涂层的表面网纹的结构和方法 - Google Patents

在压电式喷墨成像鼓上生成弹性体涂层的表面网纹的结构和方法 Download PDF

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Abstract

提供可用于包括喷墨印刷的多种系统的网纹表面的结构和方法。在喷墨印刷中，本发明的网纹表面控制油墨缺陷(ink drawback)并明显改善图像品质。该网纹表面具有约0.2-1.5微米的平均粗糙度Ra，约104-107个凹坑/cm2的网纹密度，约0.5-5微米的网纹大小，并具有约0.5-10微米的网纹深度。

Description

在压电式喷墨成像鼓上生成弹性体涂层的表面网纹的结构和方法
技术领域
本发明涉及标记和成像系统，更具体涉及用于制备喷墨印刷系统的图像接受表面的系统、结构或方法。 
然而，为了清楚起见，本方法将通过可用于喷墨技术的鼓或衬底进行描述，应理解，该方法可用于制备需要考虑鼓保养液的供应以及与之接触的液体的聚结的任意衬底。本过程和方法可针对定影表面或需要应用释放液薄膜的任意表面进行描述。 
背景技术
已知喷墨印刷机包括：油墨源，在代表了待印刷信息的电子输入信号控制下喷射墨滴的与油墨源连接的印刷头，印刷介质，例如，在喷射墨滴途径中的纸张或纸条，以及用于提供该印刷头和该印刷介质之间相对运动的装置。尽管该种印刷机已经取得了巨大的商业成功，其仍然存在许多固有的问题。例如，已知喷墨印刷机易于生成不一致的印刷拷贝。喷墨印刷系统已被用于现有技术中，例如已披露于美国专利。通常而言，在喷墨印刷中，从溶剂供应源提供液体至记录头，该记录头响应来自控制电路的调节信号，从而将墨滴应用至鼓或书写表面。一般而言会采用中间传递表面，其为应用至鼓的液体层，但也可是网、压板或任意其它合适的接受表面。该鼓可包含涂覆了弹性体(例如Viton或Teflon(duPont的商标)、Tecnoflon P59(Dow的商标))的金属(例如，铝、镍或铁磷酸盐或其混合物)。也可使用氟弹性体，全氟弹性体，硅酮橡胶和聚丁二烯，塑胶，包括但不限于装载了聚苯硫醚的聚四氟乙烯，热塑性塑料如聚乙烯，尼龙和FEP，热凝物如乙缩醛，或者陶瓷，只要暴露的表面足够坚硬，能在最终接受介质通过它以及传递和固定辊时使传递的图像形成油墨变形，且足够光滑，从而不影响该中间传递表面或液体层支持该图像形成油墨的能力。优选的鼓材料为阳极化铝，优选的弹性体是 
Figure GSA00000106858900021
未来的高速压电式喷墨印刷机的成像鼓包含了铝芯上的所述的柔顺性(compliant)氟弹性体涂层。该种涂层的表面结构对于高品质成像中单个墨滴的吸附(pinning)非常重要。光滑、低表面能、低导热性表面创造了使墨滴具有能量和时间运动并聚结在鼓表面的条件。这种现象已被称为油墨缺陷，并在高温下更为显著。它降低了图像品质，并在最终的图像中显现为无油墨的区域或杂色区域。例如，一条指定宽度的连续线可能被印刷为变化宽度的随机虚线，一个实心区域可能被印刷为具有不可接受水平的随机无油墨区域。 
发明内容
本发明为创新方法，其用于将铝制压电式喷墨印刷鼓上的柔顺涂层(例如氟弹性体Viton GF和Tecnoflon P959)的表面变形为特殊的预定网纹，从而防止油墨缺陷并保持图像品质。光滑、低能、均质的表面可阻止液滴吸附并导致该柔顺表面上的缺陷或单独油墨液滴的聚结。该现象降低了图像品质，并在最终的图像中显现为无油墨的区域或杂色区域。例如，一条指定宽度的连续线可能被印刷 为变化宽度的随机虚线，一个实心区域可能被印刷为具有不可接受水平的随机无油墨区域。 
碱的范例包括氧化镁(MgO)、碳酸钙(CaCO3)、氢氧化钙(Ca(OH)2)、碳酸钾(K2CO3)等。用酸(例如乙酸)蚀刻该鼓表面将导致形成该具体的碱的水溶性盐以及水的反应，该盐可通过将鼓在水中洗涤被去除。 
MgO+2CH3COOH→(CH3COO)2Mg+H2O。 
本发明中显示更高的鼓表面网纹能控制油墨缺陷。据相信这可归因于鼓表面的粗糙度和异质性引起的接触角滞后，且它帮助液滴吸附在鼓上。本发明提供了化学蚀刻方法以在压电式喷墨印刷机鼓上的柔顺性鼓涂层(例如氟弹性体Viton GF和Tecnoflon P959)表面引入粗糙度和异质性，得到特殊的预定网纹，其能够防止油墨缺陷并保持图像品质。在一个实施方式中的方法通常包括将活性填充剂分散至弹性体基质，用该材料涂覆接受表面，然后通过化学反应从该涂层表面的区域去除该填充材料。另一实施方式包括用光刻胶层涂覆接受表面，在该光刻胶上方放置掩膜，该掩膜具有预定的开口，将UV光线通过这些开口以在该光刻胶层和接受表面提供相应的开口，然后去除未暴露至UV光线的剩余光刻胶层以提供网纹化的接受表面或鼓。通过化学方式去除填充剂可留下由该填充剂颗粒大小所确定的网纹。等离子体和其它蚀刻方法也可用于蚀刻该鼓，从而赋予此处所述的高度网纹化的表面。 
如上所述，在喷墨成像鼓上的弹性体涂层具有低表面能，这导致油墨滴在该表面上缩回和聚结。这在转移的印刷品上生成了图像缺陷，例如虚线和不完全填充区域。已知将表面粗糙化可帮助最小化该缩回，据推测这是由于在表面微缺陷处对油墨弯月面的吸附。 本发明建议了一种分两步生成微粗糙度的途径：(a)在氟弹性体中混合化学活性填充剂，并涂覆鼓，并(b)与该填充剂颗粒化学反应以形成水溶性沉淀物，其可被冲走，在该位置上留下微孔。所披露的方法对于成像鼓以外的应用(例如，上色辊和压力辊)也具有吸引力，特别是当所需的网纹是具有偶见的凹坑的相对光滑表面时。 
本发明提供了创新方法，其用于将铝制压电式喷墨印刷鼓上的柔顺涂层(例如氟弹性体Viton GF和Tecnoflon P959)的表面变形为特殊的预定网纹，从而防止油墨缺陷并保持图像品质。光滑、低能、均质的表面可阻止液滴吸附并导致该柔顺表面上的缺陷或单独液滴的聚结。该现象降低了图像品质，并在最终的图像中显现为无油墨的区域或杂色区域。例如，一条指定宽度的连续线可能被印刷为变化宽度的随机虚线，一个实心区域可能被印刷为具有不可接受水平的随机无油墨区域。 
碱的范例包括氧化镁(MgO)、碳酸钙(CaCO3)、氢氧化钙(Ca(OH)2)、碳酸钾(K2CO3)及其混合物。用酸(例如乙酸)蚀刻该鼓表面将导致形成该具体的碱的水溶性盐以及水的反应，该盐可通过将鼓在水中洗涤被去除。MgO+2CH3COOH→(CH3COO)2Mg+H2O。 
可用于本发明的任意合适的碱包括IIA-VA族金属和过渡金属的氧化物及其混合物。 
优选的碱为氧化镁(MgO)、氢氧化钙(Ca(OH)2)和碳酸钙(CaCO3)，因为高度网纹化鼓表面可由这两种碱在本工艺中获得。通过本发明的方法制备的表面具有如下特征： 
约104至约107个凹坑/cm2的网纹密度 
约0.5至约5微米的网纹大小 
约1至约10微米的网纹深度 
图1显示了化学蚀刻前衬底(未示)上涂层的表面。 
图2显示了乙酸蚀刻后衬底(未示)上涂层的表面网纹。 
图3A至3D显示了采用光刻胶法生成的金属鼓的表面网纹。 
图4A至4B显示了本发明的蚀刻表面和现有技术的非蚀刻原始鼓表面之间的油墨缺陷的并列比较。 
在图1和2中，向150g含于甲基异丁基酮(MIBK)的16％(w/v)Viton GF的Viton溶液添加3.6g(15pph)MgO和0.24g(1pph)Ca(OH)2，并通过添加钢粒和辊子挤压整晚而将碱(例如MgO、Ca(OH)2、CaCO3和K2CO3)分散。添加5pph VC-50固化剂后在不锈钢板上制备该分散体的涂层，并固化。用400粒度的砂纸砂磨不锈钢上固化膜2的表面1，以暴露MgO颗粒3，然后将膜2置于50％冰醋酸中一小时。然后用蒸馏水洗涤膜2并干燥。图1显示了化学蚀刻前膜2的表面，而图2显示了蚀刻后的表面1网纹。如图2的凹坑位置4所示，作为蚀刻工艺的结果，通过去除MgO颗粒3得到了更多的网纹。所生成的凹坑具有MgO颗粒或者洗走的填充剂颗粒的大小和深度特征。表面凹坑的密度是图层中活性碱或填充剂浓度的表征。 
在本发明的一个实施方式中，图3A显示了用光刻胶层6涂覆的成像鼓5的金属或弹性体表面。图3A中还显示了UV9掩膜7。如图3B所示，透过掩膜7暴露后，通过去除暴露的光刻胶6的部分生成了剥离的孔区域8。图3C显示了通过活性酸蚀刻生成的凹坑10。例如，部分碱金属可与酸反应，且所得的盐溶解于酸浴中。如果该成像鼓5已经涂覆了弹性体，则可通过，例如，采用活性离子蚀刻法在涂层6中生成凹坑10。凹坑10的深度可通过对该酸浴的暴露时间进行控制。图3D显示了该方法的最后一步，其中覆盖该非可蚀刻区域的光刻胶涂层被去除，从而提供了网纹化的金属鼓或者弹性体接受表面5。该光刻胶包含了聚甲基丙烯酸酯或聚甲基戊二酰亚胺或重氮萘醌/Novolac树脂(一种苯酚甲醛树脂)或SU-8(一种环氧基光刻胶)等材料。该掩膜由不透过UV光线的材料制成。正性或负性光刻胶均可用于本实施方式，优选正性光刻胶。 
表1显示了现有技术表面相比通过本发明制备的蚀刻表面的油墨缺陷比较。 
Figure 543240DEST_PATH_GSB00000366088700021
可看到在使用本发明制备的鼓时油墨缺陷上的巨大差异，其形成了明显更好的图像。如图4A-4B所示，油墨缺陷可通过间隙测定。间隙越大，油墨缺陷越严重。35微米的间隙相当于几乎没有油墨缺陷。 
综上，本发明在一个实施方式中提供了制备可用于成像系统的油墨接受表面的方法。该实施方式包括提供金属接受表面，用具有与其混合的化学活性填充剂或碱的弹性体涂覆所述接受表面，然后 
用酸蚀刻该涂覆的表面以形成该碱的水溶性盐和水，最后用水洗涤 该涂覆的表面去除该盐，从而对所得的接受表面提供网纹。该金属接受表面的材料选自铝、镍、铁磷酸盐及其混合物。该弹性体选自氟弹性体、聚(四氟乙烯)、硅酮橡胶、丁腈橡胶、聚氨酯弹性体以及组合和混合物。该碱选自MgO、Ca(OH)2、CaCO3、K2CO3及其混合物，该酸为醋酸。该盐为MgO、Ca(OH)2、CaCO3或K2CO3的盐。所得的接受表面具有表面网纹，该表面网纹具有从约104至约107个凹坑/cm2的密度，从约0.5至约5微米的大小，从约0.5至约10微米的网纹深度，且所得的接受表面具有从约0.2至约1.5微米的平均粗糙度Ra。 
更具体而言，本方法可用于制备喷墨印刷中所用的鼓。在一个实施方式中该步骤包括提供具有相对光滑表面的金属鼓，用包含弹性体和碱材料的混合物的材料涂覆该鼓，用酸蚀刻所得的涂覆表面以形成该碱的水溶性盐，用水洗涤该涂覆表面以去除该盐，从而在该鼓的表面提供网纹。与上述接受表面相同，该鼓由选自锌、镍、铁组合物及其混合物的材料制成。该弹性体选自氟弹性体、聚(四氟乙烯)、硅酮橡胶、丁腈橡胶、聚氨酯弹性体及其组合和混合物，而该碱选自MgO、Ca(OH)2、CaCO3、K2CO3及其混合物。所用的酸为醋酸。所得的接受表面具有表面网纹，该表面网纹具有从约104至约107凹坑/cm2的密度，从约0.5至约5微米的大小，从约0.5至约10微米的网纹深度，且所得的接受表面具有从约0.2至约1.5微米的平均粗糙度Ra。 
在本发明的另一实施方式中，金属接受表面或鼓涂覆了光刻胶层，且在该光刻胶层上方放置了UV掩膜。该掩膜具有预定的开口以允许UV光线透过。该光刻胶层包含了选自聚甲基丙烯酸酯和聚甲基戊二酰亚胺和重氮萘醌/Novolac树脂和SU-8的材料。除了开口外，该掩膜包含了不透过UV光线的材料，例如以下示范性的材料。 将该掩膜暴露至UV光线后，该光刻胶层和该金属接受表面配置为在所述蚀刻后具有对应于该掩膜中的所述预定开口的开口或凹坑。该方法包括随后去除覆盖了光刻胶层非蚀刻区域的光刻胶涂层，从而向该金属接受表面或鼓提供具有凹坑的网纹。 
特别地，本发明包括了制备可用于喷墨印刷的鼓的方法。该方法包括提供具有相对光滑表面的金属鼓，其中该鼓由选自锌、铝、镍、铁组合物及其混合物的材料制成。用材料涂覆该鼓，该材料选自光刻胶层或包含碱材料与弹性体的混合物的材料。该方法包括随后用酸蚀刻所得的该鼓的涂覆表面，以形成该碱的水溶性盐，并通过用水洗涤该涂覆的表面去除该盐，从而向该鼓的表面提供网纹。 
在一个特定的实施方式中，该金属鼓仅以光刻胶层涂覆。UV掩膜被放置在该光刻胶层上方，该掩膜具有预定的开口以允许UV光线透过。该光刻胶层包含了选自聚甲基甲基丙烯酸酯和聚甲基戊二酰亚胺和重氮萘醌/Novolac树脂和SU-8的材料。除了开口外，该掩膜包含了不透过波长为400nm或更短的UV光线的材料。将该掩膜暴露至UV光线之后，该光刻胶层和该鼓表面配置为在蚀刻后具有对应于该预定开口的开口或凹坑，随后去除覆盖了光刻胶层非蚀刻区域的光刻胶涂层，从而向该鼓或金属接受表面提供具有凹坑的网纹。 
在该方法中，光刻胶或弹性体涂覆在作为金属鼓提供的铝制鼓上。然后用光刻胶或选自包含氟弹性体和碱填充剂MgO、Ca(OH)2或CaCO3的混合物的材料涂覆该鼓。用醋酸蚀刻该涂层，形成MgO、Ca(OH)2或CaCO3的水溶性盐。用水洗涤该涂覆表面以去除该盐，以提供网纹化鼓表面，其具有平均粗糙度Ra为约0.2至约1.5微米、网 纹密度为约104至约107个凹坑/cm2、大小为约0.5至约5微米、网纹深度为约0.5至约10微米的表面。 
此外，在一个实施方式中，提供了构造为能够涂装释放液体的薄膜的定影表面结构，该表面为具有如下特征的网纹化接受表面：(a)平均粗糙度Ra为约0.2至约1.5微米，(b)网纹密度为约104至约107个凹坑/cm2，(c)网纹大小为约0.5至约5微米，以及(d)网纹深度为约0.5至约10微米。该接受表面包括用于喷墨技术的鼓衬底。可用于喷墨技术的该鼓衬底被构造为预防或最小化油墨缺陷，并提高最终印刷品的喷墨图像品质。 

Claims (2)

1.一种制备用于喷墨印刷的成像系统的成像表面的方法，该方法包括
提供金属衬底，所述成像表面包括该金属衬底；
用混合了化学活性填充剂或碱的弹性体层涂覆所述金属衬底，从而在所述金属衬底上获得涂层；
用能与该涂层表面暴露的填充剂或碱反应的有效浓度的酸蚀刻所述涂层，从而在该涂层表面提供包含水溶性盐的反应产物；并
通过用水性液体洗涤该涂层表面去除所述反应产物以在该涂层的表面形成多个凹坑，从而产生覆盖了弹性体的、具有网纹表面的鼓，该网纹表面具有约0.2至约1.5微米的平均粗糙度Ra，约104至约107个凹坑/cm2的网纹密度，每个所述凹坑具有大小为约0.5至约5微米的开口以及约0.5至约10微米的深度。
2.一种构造为能够涂装释放液体的薄膜的、弹性体涂层的定影表面结构，所述弹性体涂层位于包括金属衬底的成像表面上，所述表面为具有如下特征的带凹坑表面：
约0.2至约1.5微米的平均粗糙度Ra，
约104至约107个凹坑/cm2的网纹密度，
每个所述凹坑具有大小为约0.5至约5微米的开口，以及
约0.5至约10微米的深度。
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