CN104968733A - 液位感测槽材料 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于微流体喷射装置的流体槽。该流体槽包括具有内表面涂层的外壳。该内表面涂层具有高疏水至超疏水表面，该表面具有大于约120°的水接触角和小于约20mJ/m2的表面能。该内表面涂层包括纳米粒子和疏水材料。该流体槽适合作为具有油墨液位测量系统的油墨容器，并允许获得准确且快速反应的油墨液位测量系统。

Description

液位感测槽材料
相关申请的交叉引用
无。
技术领域
本公开涉及微流体喷射装置。更具体地，本公开涉及用于喷墨打印机的液位感测槽。
背景技术
新兴喷墨打印机技术将打印头与油墨源分开以帮助减少消费者的成本。在此分离的情况下，油墨源零件(item)需要是智能的或需要具有某种识别形式以将诸如关于打印机含有什么油墨以及含有多少油墨的信息报告给打印机和用户。该信息对于打印头的寿命和可靠性是至关重要的。举例而言，准确的油墨液位检测防止打印头的“干喷(dry firing)”并且还防止空气吸入到流体系统中。典型的油墨液位检测方法借助无油墨传感器由固件中的点/发射计数算法(dot/fire counting algorithm)组成以向系统和用户通知油墨源的状态。该固件点/发射计数方法是一种基于打印头发射数目和流体蒸发常数的估计。该估计并非像永久打印头期望的那样准确，主要是由于可能会超过20％的墨滴大小变化。
仍有其它检测方法利用电容器、光学器件、重量、超音波、磁体、浮子、转矩传感器、电探针等感测油墨液位。全部这些方法都需要某种形式的外部刺激和/或感测机构。Nicholson等人的第13/149,154号美国专利申请公开了一种封闭系统或一种智能油墨槽，其中驱动、感测以及电容测量全部包含在供应零件上。该电气机械方法面临挑战，诸如需要精心设计材料和化学规格，使得液位感测方法恰当地发挥功能。
油墨的化学组分典型地具有最有利于打印质量但不利于快速反应液位测量系统的特性。特别地，一种组分是在油墨中发现的表面活性剂水平。表面活性剂可降低液体的表面张力并用作湿润剂。该组分允许油墨恰当地附着或粘附至打印介质(例如，纸)的表面。然而，该组分不利于需要流体快速从表面滚离的任何油墨液位检测方法。如果油墨趋于附着或粘附至油墨源零件的槽材料，则将影响油墨液位测量系统的准确性。
可通过接触角量化固体表面的液体可湿性。接触角越高，表面上液体的分散/湿润则越少。通常，如果水接触角大于90°，则固体表面被认为是疏水的。由低表面能材料制成的高疏水表面具有高达大约120°的水接触角。超疏水表面是具有大于约150°的水接触角的高粗糙表面。
需要在槽材料表面能与油墨化学性质之间达成平衡以消除油墨附着至槽材料的问题。可通过更改油墨组分中表面活性剂的类型和浓度来修改油墨湿润特性。然而，修改油墨化学性质可导致打印质量的改变。可以使得槽材料的表面更加疏水以降低表面能，从而防止油墨附着。对于精确的油墨液位测量系统而言，期望一种槽容器，其具有的表面能与油墨化学性质平衡，而不会损害油墨打印质量。
发明内容
本公开提供一种用于微流体喷射装置的流体槽。该流体槽包括具有内表面涂层的外壳。该内表面涂层具有高疏水至超疏水表面，该表面具有大于约120°的水接触角和小于约20mJ/m2的表面能。该内表面涂层包括纳米粒子和疏水材料。在一个示例实施例中，通过在外壳的内表面上沉积纳米粒子和疏水溶液的浆体形成该内表面涂层。在另一个示例实施例中，通过在外壳的内表面上沉积由气相反应形成的纳米粒子并且经化学气相沉积利用疏水材料封装沉积的纳米粒子来形成该内表面涂层。
流体槽的内表面涂层防止诸如油墨等流体粘附或附着至槽表面。该流体槽适合作为具有油墨液位测量系统的油墨容器。该流体槽允许获得一种准确且快速反应的油墨液位测量系统而不损害油墨打印质量。
附图说明
并入说明书且形成说明书的一部分的附图示出本公开的几个方案，并与说明书一起用于解释本公开的原理。
图1为流体槽的示意图。
图2为沿图1的线2的流体槽的剖视图。
图3为描绘根据一个示例实施例的形成表面涂层的方法的流程图。
图4为描绘根据另一个示例实施例的形成表面涂层的方法的流程图。
图5A为未涂布的聚丙烯流体槽的水沉降反应时间的曲线示意图。
图5B为未涂布的聚丙烯流体槽的油墨沉降反应时间的曲线示意图。
图5C为涂布的聚丙烯流体槽的油墨沉降反应时间的曲线示意图。
具体实施方式
应理解，本公开并非将其申请限制于以下说明中阐述的或附图中示出的构造的细节和组件的布置。本公开能够具有其它实施例并能够以各种方式被实践或实施。而且，应理解，本文使用的名词和术语是为了描述的目的，而不应被理解为用于限制。本文使用的“包括”、“包含”或“具有”及其变型体意指包含此后列举的项及其等效项以及附加项。进一步，本文的用语“一”和“一个”并非指数量的限制，而是指存在所提及项的至少一个。
参考图1，用于保持流体量的流体槽10包括具有内表面涂层15的外壳12。图2示出沿图1的线2的流体槽10的剖视图，示出了外壳12的内表面涂层15。该流体可以是各种油墨中的任意一种，例如基于染料或着色配方的油墨，无论是基于水的或是基于溶剂的。油墨具有各种颜色，诸如青蓝色、洋红色、黄色、黑色等。流体槽10在诸如喷墨打印、药物配送、形成电路跟踪、食品处理、化学制造等许多应用领域可能是有用的。在本示例实施例中，流体槽1大致是矩形的并且垂直直立放置。本领域技术人员知道，流体槽10可以具有不同的形状并且可以应用于具有不同几何构型的流体容器，例如但不限于圆柱形流体容器和椭圆形流体容器。
在一个示例实施例中，流体槽10包括设置在外壳12中用以检测液位的至少一对相对的感测元件50。该对相对的感测元件50可以包括但不限于导电板，其电容根据板之间存在的液体量随电能的施加而变化。流体量越大，这些板具有的电容量越大。流体量越小，这些板具有的电容量越小。
外壳12由塑料制成。用于生产外壳12的技术包括吹塑成型、注射成型等以及热熔、胶合等。除确定用于运输、储存、使用等的条件外，选择材料并且设计生产包括进一步以诸如成本、实施容易度、耐用性、泄漏等标准为重点。在一个示例实施例中，外壳12包括聚丙烯。聚丙烯材料具有约85°至约92°的水接触角。水容易从聚丙烯材料滚离。然而，油墨趋于附着或粘附在具有可为约30°至约60°的低接触角的聚丙烯材料上。在另一个示例实施例中，外壳12包括聚四氟乙烯或含有氟族的衍生物。与聚丙烯相比，聚四氟乙烯提供产生更高的水或油墨接触角的更加疏水的表面。然而，聚四氟乙烯相对昂贵并具有复杂的模塑或处理相关的问题。在一些其它示例实施例中，外壳12包括聚丙烯和聚四氟乙烯粒子的混合物。
内表面涂层15给外壳12提供高疏水至超疏水的内表面，该内表面具有大于约120°的水接触角和小于约20mJ/m2的表面能。内表面涂层15被构造为与外壳材料具有良好的粘着性，同时具有的表面具有高接触角，以排斥油墨。内表面涂层15包括单层或多层。
内表面涂层15包括纳米粒子和疏水材料。纳米粒子给外壳12的内表面提供纹理和粗糙度，因此在与疏水材料结合时，提供高疏水至超疏水表面。纳米粒子包括但不限于金属氧化物，诸如二氧化硅、氧化铝、二氧化钛以及氧化锡。纳米粒子具有范围为约5纳米至约100纳米(nm)的粒子大小。
疏水材料包括但不限于有机硅烷。表1中列举了有机硅烷及在形成为薄膜时其对应的水接触角的例子。
表1
自组装单层单体 水接触角
全氟癸基三氯硅烷(FDTS) ～109°
全氟辛基三氯硅烷(FOTS) ～108°
九氟己基三氯硅烷(NHTCS) ～98°
五氟苯基三氯硅烷(PFPTS) ～90°
n-辛基三氯硅烷(n-Oct) ～100°
五氟癸基三氯硅烷 ～114°
在一个示例实施例中，通过图3中示出的表面涂布方法形成内表面涂层15。在步骤100中，聚合物基板(例如，流体槽10的外壳12)被设置用于表面涂布。在步骤105中，通过在疏水溶液中结合纳米粒子制备涂布浆体。涂布浆体中的纳米粒子的浓度按重量计为约5％至约50％。疏水溶液包括在水溶剂和有机溶剂中浓度按重量计为约1％至约25％的疏水材料。有机溶剂包括但不限于酒精。在步骤110中，通过浸渍、喷涂或旋涂将涂布浆体沉积在聚合物基板的表面(例如，外壳10的内表面)上。在步骤115中，沉积的涂布浆体然后被烧制以将疏水材料寡聚(oligomerize)并将纳米粒子封装，因此获得具有高疏水至超疏水表面(例如，具有大于约140°的水接触角)的涂布层。
在另一个示例实施例中，通过图4中示出的表面涂布方法形成内表面涂层15。在步骤400中，聚合物基板(例如，流体槽10的外壳12)被设置在沉积室中用于表面涂布。在步骤405中，纳米粒子被沉积在聚合物基板的表面(例如，外壳10的内表面)上。在被沉积在聚合物基板的表面上之前，纳米粒子通过气相反应形成。举例而言，在沉积室中引入金属前驱物和氧前驱物。呈气体形式的金属前驱物和氧前驱物然后反应以形成金属氧化物纳米粒子。在气相反应中形成的金属氧化物纳米粒子然后被沉积在聚合物基板的表面上。金属氧化物前驱物的示例包括形成氧化铝纳米粒子的三甲基铝。氧前驱物的示例包括水汽。在步骤410中，通过化学气相沉积利用疏水材料封装沉积的纳米粒子。气相反应和化学气相沉积均在相同的沉积室中执行以获得具有高疏水至超疏水表面的涂层。
特别地，在沉积室中通过三甲基铝和水汽的气相反应形成的氧化铝纳米粒子被沉积在外壳12的内表面上。接着，仍在相同的沉积室中，通过化学气相沉积，利用五氟癸基三氯硅烷封装沉积的氧化铝粒子。形成的内表面涂层15具有水接触角约150°的表面。五氟癸基三氯硅烷是形成具有水接触角约114°表面的平坦膜(plain film)的疏水材料。在粗糙表面或沉积有纳米粒子的表面上提供五氟癸基三氯硅烷获得具有超疏水表面的涂层，该表面具有约150°的水接触角。
示例
制备分别具有两个平行导电板的多个流体槽。流体槽A包括无内表面涂层的聚丙烯外壳并且填充有水以表示用于评估的对照例。流体槽B与流体槽A类似但填充有油墨以表示用于评估的比较示例。流体槽C包括聚丙烯外壳和内表面涂层，该内表面涂层包括根据图4中示出的表面涂布方法形成的氧化铝纳米粒子和全氟癸基三氯硅烷低聚物。该流体槽C填充有油墨以进行评估。
在该评估中，填充有流体的流体槽的导电板被附接至电压计。在搅动流体槽之前和之后的电压读数被记录为时间的函数，以追踪每一个流体槽的流体沉降反应时间。图5A示出包括无内表面涂层的聚丙烯外壳的流体槽A中的水沉降反应时间。如图5A所示，在沉降10分钟之后，电压读数已小于初始读数(搅动之前)的0.23％。这表明与聚丙烯槽表面呈约85°至92°的接触角的水在搅动后容易从槽表面滚离并沉降。如图5A所示，与槽表面的该流体相互作用允许获得快速反应且准确的液位测量系统。
图5B示出包括无内表面涂层的聚丙烯外壳的流体槽B中的油墨沉降反应时间。如图5B所示，在沉降十分钟之后，电压读数仍处于初始读数的30％。这表明油墨不易从聚丙烯槽表面滚离。该油墨趋于附着并粘附至具有约85°至约92°水接触角的聚丙烯槽表面。如图5B所示，油墨与槽表面的相互作用对液位测量系统的反应度和准确度产生不利影响。
图5C示出包括根据一个示例实施例的具有内表面涂层的聚丙烯外壳的流体槽C的油墨沉降反应时间。如图5C所示，在沉降十分钟之后，电压读数达到小于初始读数的2.4％。流体槽C的该油墨沉降反应时间比流体槽B的油墨沉降反应时间更加完善，且与流体槽A中水沉降反应时间具有可比性。该内表面涂层给流体槽提供高疏水内表面，因此将内表面的水接触角提高至约140°并允许油墨易于滚离。如图5C所示，油墨与槽内表面的相互作用为液位测量系统提供快速且准确的反应。
前述描述示出了本公开的各种方案。本公开并不旨在穷尽。更确切地，本公开选择示出本公开的原理及其实际应用以使得本领域技术人员利用本公开，包含其与本公开随之而来的各种变型。全部变型和变化涵盖于所附权利要求确定的本公开的范围内。相对明显的变型包括将各种实施例的一个或多个特征与其它实施例的特征结合。

Claims (17)

1.一种包括具有内表面涂层的塑料外壳的流体槽，所述内表面涂层包括：
纳米粒子，用于给所述外壳的内表面提供表面纹理和粗糙度；以及
疏水材料，用于涂布或封装所述纳米粒子，
其中所述内表面涂层具有高疏水至超疏水表面，所述表面具有大于约120°的水接触角和小于约20mJ/m2的表面能。
2.根据权利要求1所述的流体槽，其中所述纳米粒子包括金属氧化物。
3.根据权利要求1所述的流体槽，其中所述纳米粒子具有范围为约5纳米至约100纳米的粒子大小。
4.根据权利要求1所述的流体槽，其中所述疏水材料包括有机硅烷。
5.根据权利要求4所述的流体槽，其中所述有机硅烷包括全氟癸基三氯硅烷、全氟辛基三氯硅烷、九氟己基三氯硅烷、五氟苯基三氯硅烷、n-辛基三氯硅烷、五氟癸基三氯硅烷或其组合。
6.一种用于制备流体槽的表面涂层的方法，包括：
提供所述流体槽的外壳；
将纳米粒子沉积在所述外壳的表面上，在被沉积在所述外壳的所述表面上之前，所述纳米粒子通过气相反应形成；以及
通过化学气相沉积，利用疏水材料封装所述纳米粒子，
其中所述表面涂层具有高疏水至超疏水表面，所述表面具有大于约120°的水接触角和小于约20mJ/m2的表面能。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述纳米粒子包括金属氧化物。
8.根据权利要求6所述的方法，其中所述纳米粒子具有范围为约5nm至约100nm的粒子大小。
9.根据权利要求6所述的方法，其中所述疏水材料包括有机硅烷。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述有机硅烷包括全氟癸基三氯硅烷、全氟辛基三氯硅烷、九氟己基三氯硅烷、五氟苯基三氯硅烷、n-辛基三氯硅烷、五氟癸基三氯硅烷或其组合。
11.一种用于制备流体槽的表面涂层的方法，包括：
提供所述流体槽的外壳；
将纳米粒子结合到疏水溶液中以获得浆体；
将所述浆体沉积在所述外壳的表面上；以及
烧制以将所述浆体寡聚并封装所述纳米粒子，
其中内涂层具有高疏水至超疏水表面，所述表面具有大于约120°的水接触角和小于约20mJ/m2的表面能。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述浆体中的所述纳米粒子具有按重量计约5％至约50％的浓度。
13.根据权利要求11所述的方法，其中所述纳米粒子具有范围为约5nm至约100nm的粒子大小。
14.根据权利要求11所述的方法，其中所述纳米粒子包括金属氧化物。
15.根据权利要求11所述的方法，其中所述疏水溶液包括在水溶剂和有机溶剂中浓度按重量计为约1％至约25％的疏水材料。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述疏水材料包括有机硅烷。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述有机硅烷包括全氟癸基三氯硅烷、全氟辛基三氯硅烷、九氟己基三氯硅烷、五氟苯基三氯硅烷、n-辛基三氯硅烷、五氟癸基三氯硅烷或其组合。
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