CN104228337B

CN104228337B - 液体喷射头和液体喷射装置

Info

Publication number: CN104228337B
Application number: CN201310248051.1A
Authority: CN
Inventors: 李越
Original assignee: Zhuhai Seine Technology Co Ltd
Current assignee: Zhuhai Sailner 3D Technology Co Ltd
Priority date: 2013-06-20
Filing date: 2013-06-20
Publication date: 2017-02-08
Anticipated expiration: 2033-06-20
Also published as: CN104228337A

Abstract

本发明提供一种液体喷射头和液体喷射装置。所述液体喷射头包括喷嘴板和衬底，所述喷嘴板上具有喷嘴，所述喷嘴板和所述衬底之间的空间形成压力腔室，且所述压力腔室通过所述喷嘴板上的所述喷嘴与外界连通，所述衬底上具有能使所述压力腔室内的压力发生改变的压力发生部件，所述喷嘴板在背离压力腔室的一面设置有超疏水材料层，该超疏水材料层至少位于围绕所述喷嘴的区域。本发明还提供一种包含上述液体喷射头的液体喷射装置。使用本发明提供的液体喷射头提升了打印质量，并延长了喷嘴板的使用寿命。

Description

液体喷射头和液体喷射装置

技术领域

本发明涉及一种液体喷射头和液体喷射装置，具体涉及一种在其喷嘴板的表面设置有超疏水材料层的液体喷射头和液体喷射装置，属于印刷技术领域。

背景技术

液体喷射头是通过压力室内的液体产生压力变动而使液体从喷嘴喷出的装置。典型的液体喷射头是例如在喷墨打印方法中使用的喷墨头。近来，在喷墨打印领域中，一直在减小墨滴尺寸、提高驱动频率和增加喷嘴数量等方面进行技术研究，以使喷墨记录系统中的记录性质更先进。在热气泡及压电驱动两种类型的喷墨打印装置中，墨水呈小滴状从喷嘴喷射出来并粘附到以纸张为代表的记录介质上，进行图像记录。为了精确地再现图像，需要对所喷出墨滴的大小以及其在脱离喷嘴板后的行程方向进行精确控制。喷射头工作过程中，墨水在喷出后会形成卫星液滴，卫星液滴沉积在喷嘴板上会在喷嘴附近形成墨坑，对所喷出液滴的轨迹造成不利影响，从而导致较差的打印品质。为了减少墨坑现象，喷嘴板表面应具有高疏水性和抗污染性，以保持喷射性能。因此，对喷嘴板表面进行抗液处理（例如设置抗液层）使其具有高疏水性是必要的。

中国专利CN201010273130.4公开了一种喷墨头，通过在抗液层的材料中使用亲水性基团，达到防止喷墨打印头的喷射表面被例如沉积物污染的目的，从而实现高打印质量。该在先公开的方案中还记载了，必须使具有含氟基团的单体和具有亲水性基团的单体共聚，尤其是硅烷单体的使用成功地使具有亲水性基团的单体与含氟单体之间均相缩聚，使含氟基团和亲水性基团在所形成的抗液膜中实现均匀分布。抗液层可通过在喷射口形成部件上形成该涂布组合物的涂层并且将该涂层固化而制备。在其具体实施例中还记载了，用于形成抗液膜的具有亲水和疏水基团的硅氧烷化合物，接触角为90-100°。但随着打印装置中的橡皮刀不断擦拭喷嘴板，其表面的疏水性会逐渐降低，从而影响打印质量；且由于喷嘴板受到墨水持续的冲击可能会导致疏水层与喷嘴板之间出现脱层，导致喷嘴板的使用寿命较短，一定程度上增加了打印成本。

发明内容

本发明提供一种液体喷射头，其喷嘴板表面设置有一层超疏水材料层，延长了喷嘴板的使用寿命，提升了打印质量。

本发明还提供一种液体喷射装置，使用上述液体喷射头，打印质量高，且其部件的使用寿命长。

本发明提供一种液体喷射头，包括喷嘴板和衬底，所述喷嘴板上具有喷嘴，所述喷嘴板和所述衬底之间的空间形成压力腔室，且所述压力腔室通过所述喷嘴板上的所述喷嘴与外界连通，所述衬底上具有能使所述压力腔室内的压力发生改变的压力发生部件，所述喷嘴板表面在背离压力腔室的一面设置有超疏水材料层，该超疏水材料层至少位于围绕所述喷嘴的区域。

在本发明中，所述液体喷射头的整体结构可以与现有技术中的液体喷射头相同或相类似，例如与压电驱动式液体喷射头或热气泡式液体喷射头的结构相似，其制造方法和部件材料的选择也可以参照公知技术，在本发明中不做限定。材料研究领域已经达成共识，超疏水材料通常是指其表面与水的稳定接触角大于150°的材料。本发明人的研究证明，在喷嘴板表面设置超疏水材料层，使喷嘴板表面具有较大的接触角，即使喷嘴板表面的疏水性随着使用过程中橡皮刀擦拭而有所降低，相比于现有的喷嘴板和液体喷射头，其使用寿命也有所延长；另外，超疏水材料层的设置可以减小由于液体对喷嘴板的冲击而造成的超疏水材料层和喷嘴板脱层的可能性，从而提升了使用性能，并进一步提高喷嘴板和液体喷射头的耐久性。

根据本发明提供的液体喷射头，所述超疏水材料层可以使用现有技术中公知和使用的能够形成超疏水效果的材料，以及现有技术中公知的形成手段，以得到超疏水性为目标，例如利用聚丙烯、聚乙烯、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯或丙烯酸酯类聚合物制成的超疏水材料层，其可以为超疏水涂层或超疏水膜层。

超疏水材料层例如可以为通过原位聚合法、相分离法、光刻法、喷涂法、打印法或等离子体刻蚀法所得到并形成于喷嘴板上。

根据本发明提供的液体喷射头，所述超疏水材料层的表面微观结构可以为多孔状、纳米纤维阵列、纳米管阵列、纳米针阵列或花状、枝叶状或岛状。具有上述结构的超疏水材料层表面有利于获得更好的疏水性能，并更有效防止超疏水材料层和喷嘴板的脱层。

根据本发明提供的液体喷射头，当所述超疏水材料层具有多孔状的表面微观结构时，其孔径可以为0.04-1μm，孔隙率可以为20-80%。

在本发明的方案中，所述超疏水材料层可以具有多孔状的表面微观结构，此时其表面疏水性与多孔状结构的孔径和孔隙率有关，孔径越小且孔隙率越大则接触角越大，疏水性越强。在本发明的具体实施方式中，综合考虑疏水效果、超疏水材料层的强度和制备成本，例如可以选择具有孔径0.04-1μm，孔隙率20-80%的超疏水材料层。一般来说，孔径和孔隙率选择上述范围时，接触角较大，可提供更优异的疏水性能和强度。

本发明提供的液体喷射头，所述超疏水材料层的厚度可以为0.2-1μm。

本发明还提供上述液体喷射头的制造方法，包括在所述喷嘴板背离压力腔室的一面设置所述超疏水材料层的过程。

根据本发明提供的制造方法，其中，设置所述超疏水材料层的方法包括：在已经形成喷嘴的喷嘴板上围绕喷嘴的区域形成超疏水材料层；或者，在喷嘴板表面上形成超疏水材料层，在该形成有超疏水材料层的喷嘴板上加工形成喷嘴。

根据本发明提供的制造方法，其中，通过原位聚合法、相分离法、光刻法、喷涂法、打印法或等离子体刻蚀法在喷嘴板上形成所述超疏水材料层。

在本发明的具体实施方式中，例如可以按照以下方法中的任一种来实现在喷嘴板上设置超疏水材料层：

（1）采用甲基丙烯酸丁酯(BMA)和二甲基丙烯酸乙二醇酯（EDMA)作为单体，1-正癸醇和环己醇作为溶剂，二苯甲酰二甲醚(DMPAP)作为光引发剂，在紫外光照下进行原位聚合制备甲基丙烯酸丁酯-二甲基丙烯酸乙二醇酯共聚物，之后用甲醛清洗并放在空气中干燥（自然干燥），从而在喷嘴板上形成超疏水材料层，其具有多孔状的表面微观结构，接触角可以达到170°以上；

（2）采用乙烯、1、4-二乙烯基苯、1-正癸醇和四氢呋喃作为单体，2,2’-偶氮二异丁腈作为热引发剂，加热进行原位聚合制备苯乙烯-二乙烯基苯共聚物层，之后用甲醛清洗并放在空气中干燥（自然干燥），从而在喷嘴板上形成超疏水材料层，其具有多孔状的表面微观结构，接触角可以达到160°以上；

（3）采用相分离法，先将等规聚丙烯溶解在对二甲苯和沉淀剂丁酮的混合溶剂中，涂覆在喷嘴板表面，然后在一定温度下的真空箱中干燥，可得到聚丙烯的纳米多孔结构的涂层表面，其与水的接触角可达到160°以上。

以上提及的形成多孔超疏水材料层的方法，可通过控制例如制备温度和催化剂浓度等条件来控制孔径、孔隙率以及接触角的大小。

本发明还提供一种液体喷射装置，其包含上述的液体喷射头。

本发明方案的实施至少具有以下优势：

1、通过在喷嘴板表面设置超疏水材料层，使喷嘴板表面具有较大的水接触角，延长了喷嘴板和液体喷射头的使用寿命；

2、在喷嘴板表面设置上述超疏水材料层还可起到一定的缓冲作用，可以减小由于液体对喷嘴板的冲击而造成的超疏水材料层和喷嘴板之间脱层的可能性，从而提升了使用性能，并进一步提高喷嘴板和液体喷射头的耐久性。

附图说明

图1和图2是本发明一实施例提供的喷墨头的结构示意图。

图3是本发明一实施例提供的喷墨头使用的超疏水材料层的表面微观结构的扫描电子显微镜照片。

图4是本发明另一实施例提供的喷墨头的结构示意图。

图5a是本发明另一实施例提供的喷墨头使用的超疏水材料层的表面与水的接触角示意图。

图5b和图5c是图5a中的超疏水材料层的表面在不同放大倍数下的扫描电子显微镜照片。

图6a是本发明又一实施例提供的喷墨头使用的超疏水材料层的表面与水的接触角示意图。

图6b和图6c是图6a中的超疏水材料层的表面在不同放大倍数下的扫描电子显微镜照片。

图7a和图7b是本发明提供的喷墨头使用的超疏水材料层的纳米纤维阵列表面微观结构的扫描电子显微镜照片。

图8a和图8b是本发明提供的喷墨头使用的超疏水材料层的纳米管阵列表面微观结构的扫描电子显微镜照片。

图9a和图9b是本发明提供的喷墨头使用的超疏水材料层的纳米针阵列表面微观结构的扫描电子显微镜照片。

图10a和图10b是本发明提供的喷墨头使用的超疏水材料层的荷叶状表面微观结构的扫描电子显微镜照片。

图11a和图11b是本发明提供的喷墨头使用的超疏水材料层的花状表面微观结构的扫描电子显微镜照片。

图12a和图12b是本发明提供的喷墨头使用的超疏水材料层的枝叶状表面微观结构的扫描电子显微镜照片。

图13a和图13b是本发明提供的喷墨头使用的超疏水材料层的海岛状表面微观结构的扫描电子显微镜照片。

附图标记说明

1-衬底

2-公共腔室

3-压电元件

3a振动板

3b下电极

3c压电体层

3d上电极

3′-薄膜电阻层

4-压力腔室

5-喷嘴板

6-超疏水材料层

7-喷嘴

具体实施方式

下面结合具体实施方案和实施例对本发明进行进一步详细阐述，旨在帮助阅读者更好地理解本发明的实质内容，不应理解为对本发明实施范围的任何限定。

本发明提供一种液体喷射头，包括喷嘴板和衬底，所述喷嘴板上具有喷嘴，所述喷嘴板和所述衬底之间的空间形成压力腔室，且所述压力腔室通过所述喷嘴板上的所述喷嘴与外界连通，所述衬底上具有能使所述压力腔室内的压力发生改变的压力发生部件，所述喷嘴板表面在背离压力腔室的一面设置有超疏水材料层，该超疏水材料层至少位于围绕所述喷嘴的区域。本发明提供的液体喷射头，所述超疏水材料层为利用聚丙烯、聚乙烯、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯或丙烯酸酯类聚合物制成的超疏水材料层，其可以为超疏水涂层或超疏水膜层。

其中，超疏水材料层例如可以为通过原位聚合法、相分离法、光刻法、喷涂法、打印法或等离子体刻蚀法所得到并形成于喷嘴板上。所述超疏水材料层的表面微观结构可以为多孔状、纳米纤维阵列、纳米管阵列、纳米针阵列或花状、枝叶状或岛状。如图3、图5b-5c或图6b-6c所示的多孔状结构，如图7a-7b所示的纳米纤维阵列、图8a-8b所示的纳米管阵列、图9a-9b所示的纳米针阵列等纳米级阵列，或者如图10a-10b所示的荷叶状、图11a-11b所示的花状、图12a-12b所示的枝叶状或图13a-13b所示的海岛状微观结构，但不限于这些具体的结构形态。

当所述超疏水材料层具有多孔状的表面微观结构时，其孔径可以为0.04-1μm，孔隙率可以为20-80%。

下面以喷墨头为例，对本发明的技术方案进行详细说明。

实施例1

本实施例提供的喷墨头为压电驱动式喷墨头，其结构如图1和2所示，其中包括喷嘴板5和衬底1，在喷嘴板5上形成有喷嘴7，喷嘴板5与衬底1之间的空间形成上述压力腔室4，压力腔室4通过喷嘴板5上的喷嘴7与外界连通。在实际应用中，喷墨头中可包含多个喷嘴7和多个压力腔室4，其中压力腔室4与公共腔室2连通，墨水由公共腔室2分配到每个压力腔室4。在喷嘴板5背对压力腔室4的表面设置有超疏水材料层6，可以在形成喷嘴7后在围绕喷嘴7的区域形成超疏水材料层6；也可以在形成喷嘴7前在喷嘴板表面5形成超疏水材料层6，再通过如准分子激光、脉冲激光等方法加工喷嘴板5和超疏水材料层6形成喷嘴7。喷嘴板5的材料可以是硅、合金材料（如镍钯合金）或高分子材料（如环氧树脂）等，具体种类可根据公知技术进行选择。

在衬底1背对压力腔室4的一面依次设置有振动板3a、下电极3b、压电体层3c和上电极3d，其共同组成压电元件3。其中，振动板3a的材料例如可以是SiO₂，可通过热氧化法或物理气相沉积法（PVD）等公知方法形成；下电极3b，采用导电性材料，例如钛(Ti)、白金(Pt)或钛叠层等，可通过电子束蒸镀或溅射法等公知方法形成；作为压电体层3c的材料，可采用钙钛矿结构的材料，例如可以采用以锆钛酸铅[Pb(Zr,Ti)O₃:PZT]为主要成分的材料，也可以使用铌镁酸铅和钛酸铅的固溶体[Pb(Mg_l/3Nb_2/3)O₃-PbTiO₃:PMN-PT]、锌铌酸铅和钛酸铅的固溶体[PbZn_1/3Nb_2/3)O₃-PbTiO₃:PZN-PT]等，具体材料种类及形成方法按照公知技术选择即可；作为上电极3d的材料例如可以是白金(Pt)或金（Au）等，可通过电子束蒸镀法或溅射法等公知方法形成。压电驱动式喷墨头通过压电元件3来改变压力腔室4中的压力使得墨水从喷嘴7中喷出。

其中，超疏水材料层6为采用相分离法制备的聚丙烯层。其制备方法具体为：在100℃下将等规聚丙烯溶解在体积比为6:4的对二甲苯溶剂和丁酮沉淀剂中，形成浓度为20mg/ml的溶液，涂覆在喷嘴板表面，并在30℃的真空箱干燥，得到聚丙烯的纳米多孔结构层。

在本发明中使用接触角测量仪（KRUSS DSA100）测量接触角，使用环境扫描电子显微镜（Fei Quanta200）观测超疏水材料层6的表面微观结构，并得出孔径、孔隙率和厚度（以下实施例相同）。

测得本实施例制备的超疏水材料层6与水的接触角为165°。图3为本实施例制备的超疏水材料层6的表面微观结构，图中的5μm是对比长度，测得超疏水材料层6的厚度为0.8μm，孔径0.5-1μm，孔隙率为70%。

本实施例提供的喷墨头由于在喷嘴板5表面设置有超疏水材料层6，使喷嘴板表面具有较大的接触角，即使喷嘴板表面的疏水性随着使用过程中橡皮刀擦拭而有所降低，相比于现有的喷嘴板和喷墨头，其使用寿命也有所延长；另外本实施例中的超疏水材料层6还可起到一定的缓冲作用，可以减小由于墨水对喷嘴板5的冲击而造成的超疏水材料层6和喷嘴板5的脱层的可能性，进一步提高了喷嘴板和喷墨头的耐久性，从而提升了打印质量。

实施例2

本实施例提供的喷墨头为热气泡式喷墨头，其结构如图4所示，与实施例1不同的是，将设置在压力腔室4外的压电元件3替换成设置在压力腔室4内的薄膜电阻层3′，薄膜电阻层3′的材料例如可以是钽铝合金、镍铬合金、钨硅氮化物或氮化钛。当施加控制信号时薄膜电阻层3′以1000℃/μs的速度加热墨水到大约340℃左右时，墨水中易挥发组分气化产生气泡，气泡就像一个活塞，不断的产生朝喷嘴板5方向的推力把墨滴从喷嘴7挤出。

其中，超疏水材料层6为采用原位聚合法制备的甲基丙烯酸丁酯-二甲基丙烯酸乙二醇酯共聚物层。其制备方法具体为：采用甲基丙烯酸丁酯(BMA)24重量份和二甲基丙烯酸乙二醇酯（EDMA)16重量份作为单体，1-正癸醇40重量份和环己醇20重量份作为溶剂，二苯甲酰二甲醚(DMPAP)1重量份作为光引发剂，在紫外光下照射15min进行原位聚合在喷嘴板上生成甲基丙烯酸丁酯-二甲基丙烯酸乙二醇酯共聚物，之后用甲醛清洗并放在空气中干燥，从而在喷嘴板上形成超疏水材料层6，其具有多孔状的表面微观结构，图5b-5c所示，其中10μm和400nm是对比长度，测得超疏水材料层6多孔表面的孔径为0.4-1μm，孔隙率为25%，厚度为0.2μm，与水的接触角为172°(如图5a所示)。

本实施例提供的喷墨头，使喷嘴板表面具有更大的接触角，从而能够进一步提高打印质量以及喷嘴板和喷墨头的耐久性。

实施例3

本实施例提供的喷墨头结构和制造方法与实施例2中的相同，不同的是超疏水材料层6为采用原位聚合法制备的苯乙烯-二乙烯基苯共聚物层。其制备方法具体为：采用乙烯24重量份、1、4-二乙烯基苯16重量份、1-正癸醇50重量份和四氢呋喃10重量份作为单体，2,2’-偶氮二异丁腈1重量份作为热引发剂，在70℃的条件下反应24h，进行原位聚合制备苯乙烯-二乙烯基苯共聚物层，之后用甲醛清洗并放在空气中干燥，从而在喷嘴板上形成超疏水材料层，其具有多孔状的表面微观结构，如图6b-6c所示，其中10μm和400nm是对比长度，测得超疏水材料层6的多孔表面孔径为0.04-0.5μm，孔隙率为50%，厚度为0.25μm，与水的接触角为170°(如图6a所示)。

实施例4

通过原位聚合法、相分离法、光刻法、喷涂法、打印法或等离子体刻蚀法等也可以在喷嘴板表面形成具有呈荷叶状、纳米纤维阵列、阵列纳米管、纳米针状、花状、枝叶状、岛状等表面微观结构的超疏水材料，示意图依次如图7a-7b、图8a-8b、图9a-9b、图10a-10b、图11a-11b、图12a-12b以及图13a-13b所示，具有这些微观结构的材料同样具有良好的超疏水性能，并且表面的微观结构还可起到一定的缓冲作用，可以减小由于液体对喷嘴板的冲击而造成的超疏水材料层和喷嘴板之间脱层的可能性，从而提升了使用性能，并进一步提高喷嘴板和液体喷射头的耐久性。

实施例5

本实施例提供一种喷墨装置，使用上述任一实施例提供的喷墨头。具体安装方式可参照公知技术中的方法。本实施例提供的喷墨装置，能够清晰精确地打印图案，且其部件的使用寿命较长。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims

1.一种液体喷射头，包括喷嘴板和衬底，所述喷嘴板上具有喷嘴，所述喷嘴板和所述衬底之间的空间形成压力腔室，且所述压力腔室通过所述喷嘴板上的所述喷嘴与外界连通，所述衬底上具有能使所述压力腔室内的压力发生改变的压力发生部件，其特征在于，所述喷嘴板在背离压力腔室的一面设置有超疏水材料层，该超疏水材料层至少位于围绕所述喷嘴的区域；所述超疏水材料层具有多孔状的表面微观结构，孔径为0.04-1μm，孔隙率为20-80％。

2.根据权利要求1所述的液体喷射头，其特征在于，所述超疏水材料层为聚丙烯、聚乙烯、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、苯乙烯-二乙烯基苯共聚物或丙烯酸酯类聚合物形成的超疏水材料层。

3.根据权利要求1所述的液体喷射头，其特征在于，所述超疏水材料层为通过原位聚合法、相分离法、光刻法、喷涂法、打印法或等离子体刻蚀法所得到并形成于所述喷嘴板上。

4.根据权利要求1-3任一项所述的液体喷射头，其特征在于，所述超疏水材料层的厚度为0.2-1μm。

5.一种权利要求1-4任一项所述的液体喷射头的制造方法，其特征在于，包括在所述喷嘴板背离压力腔室的一面设置所述超疏水材料层的过程。

6.根据权利要求5所述的制造方法，其特征在于，设置所述超疏水材料层的过程包括：在已经形成喷嘴的喷嘴板上围绕喷嘴的区域形成超疏水材料层；或者，在喷嘴板表面上形成超疏水材料层，在该形成有超疏水材料层的喷嘴板上加工形成喷嘴。

7.根据权利要求5或6所述的制造方法，其特征在于，通过原位聚合法、相分离法、光刻法、喷涂法、打印法或等离子体刻蚀法在喷嘴板上形成所述超疏水材料层。

8.一种液体喷射装置，其特征在于，其包含如权利要求1-4任一项所述的液体喷射头。