CN1151134A - 从载料媒体转移物质的方法和设备 - Google Patents

Abstract

描述了在表面(136)上淀积物质的方法，其中由弥散不溶性物质(例如油墨颗粒)与支持媒体组成的混合物形式的载料媒体(例如油墨122)被提供给室(120)。使载料媒体中的不溶性物质向着室内的一个转移开口(128)运动，从而使载料媒体中的不溶性物质富集。随后，通过开口(128)取出富集的不溶性物质并将其淀积在表面(136)上。

Description

从载料媒体转移物质的方法和设备

本发明涉及从载料媒体(bulk medium)(最好是流体)转移材料(最好是颗粒状的)的方法，具体地说，是涉及能够被用于打印的方法。

利用电泳和类似处理的各种过滤和分离技术是已知的。

GB-A-1 186 184公布了一种分离设备，它将电泳和料体流结合起来，以分离均匀或不均匀地溶解或弥散在一或多种相对连续的流体中的一或多种成分，其中这些成分要被部分或完全彼此和与流体相分离。该流体在有电场存在的情况下在内固定筒与外转动筒之间的一个环行空间中流动。

US-A-3,909,383显示了一个清除过程，它采用了已知的电泳技术来清除液体中的污染物—这些液体被用于在采用液体着色剂的电子摄影印刷系统中显影图象。清洁后的液体可以再使用，而过滤出的固体被除去以随后丢弃。

EP-A-0 320 709公布了与上述的技术类似的一种电泳分离技术。

WO-A-88 09210公布，不是采用电泳现象清除液体中的各种颗粒，而是采用超声来驱使颗粒横越流动的液体收集起来。

GB-A-2 098 498涉及一种分离技术，它也采用了超声来偏转流动的液体中的颗粒，以清洁液体。在所描述的方法中，采用了一种装置，它造成了超声场中的一种漂移，这种漂移使得颗粒被扫过液流而到达收集点。污染性的颗粒可定期除去。

在US-A-4 011 157中，其目的是从污染的液体中过滤或除去颗粒状物质，从而使清洁后的液体能够得到再利用。该方法采用了已知的超声喷雾技术，将液体油墨与颗粒状污染物分开。清洁后的液体油墨(没有颗粒的)被送回到打印站，而固体的污染物被收集在罐中以便丢弃。

WO-A-93 20927公布了一种方法，它利用了已知的介电电泳现象来分离悬浮在流过一个电池的液体中的颗粒。还认为这种系统能够用来富集颗粒，虽然没有给出对这种现象的应用。

EP-A-0 307 940公布了用激光来俘获生物颗粒。

FR-A-2 232 192公布了采用交变的磁或电场来把包含磁性颗粒的油墨保持在可用状态，即防止其固化，并随后利用叠加的稳恒场来使液体从容器中排放出来。该专利的说明书还指出，通过使电极或极件兴锐，排放的流体能够得到富集。

CH-A-562 631显示了利用施主和受主流和电场来混合和分离气体中的、重量小于10^-22g的颗粒的技术。

场流分离(FIELD  FLOW  FRACTIONATION-JCGoodings Chemical  &Engineering News，Vol 66，No.41，10 October1988)总结了在上述专利说明书中的许多技术。包含颗粒的流体流过一个外部场，诸如电场或磁场那样的梯度，或热梯度的方向与流动方向垂直。不同的成分被淀积在液流的不同位置。

上述所有的技术，都是基于已知的效应，且它们被用来从液体中分离弥散的颗粒，从而例如清洁该液体。

US-A-4 717 926和US-A-4 928 125分别描述了采用电场和磁场的打印技术。

本发明的一个目的，是实现把弥散在液体中的不溶颗粒富集在一个转移位置，并随后将该富集物转移到体之外的一个表面上，例如印刷到该表面上。

在PCT/AU92/00665中，公布了一种方法，其中从具有颗粒的液体中产生出颗粒的分立团聚体，并在一个排放位置处提供一个电场，以使颗粒借助静电装置而从液体排放出去。

本发明涉及在早先申请中公布的概念的发展。在该早先的申请中，公布了一种方法，其中流体中的颗粒被流体带到(在排放头中)一个排放位置。流向然后离开排放位置的。流向排放位置的流体包含颗粒，而这些颗粒在排放位置被积累起来，并随后被从那里排放，而流走的流体因此得到清洁。然而，造成这种流动需要装备泵或类似的装置，从而大大增加了排放头以外的系统的成本。

本发明的目的，除了其他的以外，是减小这种方法和系统的复杂性和成本。

根据本发明，提供了在表面上淀积材料的一种方法，该方法包括：

向一个转移站提供一种载料媒体，该载料媒体是弥散的不溶物质和支持媒体的混合物；

使载料媒体中的不溶物质向着转移站中的转移位置移动，因而将载料媒体中的不溶物质富集在该转移位置；以及

取出载料媒体中在转移位置处富集的物质，淀积在所述表面上。

因此，该方法可被用来在正常的使用期间将支持媒体中的不溶物质的浓度保持在预定值。

由于载料媒体—最好是流体—中的颗粒“流动”可以不需使包含颗粒的载料媒体的流动也能实现，从而能够避免与泵等等有关的复杂性和成本问题。在此情况下，载料媒体只作为颗粒的支持物或载体，而不是输送媒体。

本发明还包括一种物质转移设备，它包括：具有一些隔离壁、一个开口、一个流体入口和一个流体出口的流体室；至少部分地环绕该室的第一电极；设置在该开口中的第二排放电极。该设备可以构成打印机的一部分。

本发明的方法的一种具体应用，是在传统的鼓式电子摄影领域中将着色剂材料从其支持或承载载料媒体提供到鼓上。在传统的处理中，运送中整个混合物体积中着色剂浓度下降是的。当浓度降低到一定值时，着色剂存储盒等等需要得到更换，即使在混合物中还有着色剂颗粒。本发明通过将在着色剂被转移到鼓的位置处的浓度保持在选定的水平，从而能够利用更大部分的着色剂。

在某些情况下，本发明的方法可以与涉及载料媒体的流动的一种方法结合采用。例如，对于某些印刷技术希望载料媒体可以流入罐或容器加以补充。

可以采用各种输送机制来造成颗粒的富集，以下结合附图1至12概述了其中的某些装置。根据本发明的方法和设备的例子结合图13至20进行说明。在附图中：

图1显示了电泳装置；

图2显示了介电电泳装置；

图3显示了涉及沉淀和悬浮的方法；

图4显示了声学驱动颗粒的方法；

图5显示了光学驱动颗粒的方法；

图6显示了用于移动载料媒体或载体中的颗粒的离心方法；

图7显示了颗粒的磁泳移动方法；

图8显示了利用特定的总体流动几何的方法；

图9和10显示了涉及采用可收缩膜的方法；

图11显示了与图9和10的方法类似的方法，其中采用了支撑在可移动的网上的膜。

图12显示了连续供应弥散液的方法。

图13示意显示了打印头的富集室的剖视图和流动矢量；

图14至15A更为详细地显示富集室的剖视图；

图16显示了打印头的静电模型中油墨颗粒的路径的剖视图；

图17显示了用于制作电泳电极的坯件；

图18、18A和19显示了用于打印头的排放电极的剖视图，图19显示了就位的电极；

图20显示了另一种油墨室结构的多电极组件的配置情况；

图21显示了颗粒的电泳运动的原理；

图22显示了颗粒的介电电泳运动的原理；

图23显示了具有电泳富集的打印头的示意模型。

图1显示了一种电泳过程，其中在液体或胶状支持媒体12中得到支持的带电颗粒11在电场E的作用下进行运动，而电场E是由电池或其他直流电源15加在电极13、14上而形成的。颗粒11上的箭头表示它们沿着电场E中的电力线e运动的方向，且当颗粒遇到障碍或电场线会聚时就发生富集，如图中所示。根据本发明的电泳方法包括这样的情况，即其中颗粒被一个电极阵列所“抽吸”，而这些电极沿着一个通道安装并以适当的时间延迟依次加电。

图2中显示了一种方法，其中未带电的颗粒21—其介电常数显著地不同于载体流体22的—在由直流电源25加在电极23、24上而形成的非均匀电场E中受到一个力的作用。该场在颗粒21中感应出偶极子，于是在非均匀场作用下颗粒沿着场强增大(电极24)的方向移动(与场的方向无关)。由于当电力线e会聚或当颗粒遇到障碍时场强增大，因而发生富集。

在图3的方法中，器皿36中的颗粒31具有与载体液体32不同的密度，在重力场g中受到浮力的作用，从而沉淀(如所示的)或悬浮。当颗粒遇到障碍(通常是容器36的底部或流体表面37)时，就发生富集。颗粒随后通过开口38在静电力如上方式的作用下被除去。

通过允许颗粒在有另一种仔细选定的颗粒存在的情况下沉淀(或浮起)，可以产生一种更为复杂的富集过程。在此情况下，产生了在本领域中被称为“增强沉淀”的现象，它是由于两种颗粒的富集局部增大从而使沉淀速率增大而引起的。

图4的方法显示了由例如压电换能器40产生的、通过体载载料媒体42的声学扰动(最好是超声频率的)是如何能够将压力加到颗粒41的边界上，从而使它们进行如所示的运动的。根据声学场的性质，颗粒可在边界处或在空间中的某些位置处聚积，但在此情况下是在漏斗43中聚积，从该漏斗的端部开口44它们被如上所述地除去。

可以用强的声波场，或通过建立在排放位置附近具有节点的驻波，来将颗粒驱向排放位置。

通过图5所示的系统的光束50—通常是能量足够高的激光光束，能够把一个力加到颗粒51上而不是载体流体52上—如果它是透明流体的话。力的大小取决于光是被颗粒所反射还是吸收。当颗粒遇到障碍或当光束的几何形状53是会聚形状时，就发生了富集，颗粒51如上所述地被除去。在理论上激光光束可被用来将颗粒沿着箭头F所示的方向推出通过的流体而向着排放位置移动。

其密度不同于载体流体的密度的颗粒，将在离心加速度的作用下沉淀或浮起，就象在重力的作用下那样。由于相同的理由，发生了富集。然而，在足够高的转动速率下，颗粒的惯性也会引起相对于流体的运动。

如图6所示，密度小于载体流体62的颗粒61可在转动流体的中心线上富集，并根据需要而通过出口62沿着箭头F的方向提取出。

如图7所示，当颗粒71具有净磁偶极矩时，就出现磁泳。颗粒71将在非均匀磁场H中沿着该场排列并运动，很象介电电泳运动。该系统要求环绕容器75的衔铁73和线圈74提供适当配置的磁场H，颗粒的排放位置76位于极的附近。

已知当颗粒的Reynold数不小时，一定的体流动几何特性会引起悬浮的颗粒的聚积，即这种现象是颗粒的惯性的结果。图8所示的例子，是悬浮液80沿着管83流动，已经发现载料媒体内颗粒81集中在中心线与壁之间的一定距离处的环形区域中。因此，颗粒沿着与流动方向F垂直的方向集中。另一个类似的例子(未显示)，是滞留点流动，其中颗粒在滞留点周围聚积—在滞留点处流动速度为零(障碍的背面是一个例子)。

图9和10显示了一种富集技术，其中容器90具有可收缩的半渗透袋91，该袋将颗粒的富集弥散物93与提取过的弥散液94分离，而颗粒用上述的方法之一从排放位置92排放。

图11显示了类似的技术，其中半透膜101被支持在网102上，而该网可以在罐100中向下运动(如所示，形成了提取过的弥散液104和富集的弥散液105)，而颗粒由上述的方法之一在103处得到排放。

图12显示了一种技术，其中当弥散液沿着通过带有中心供给管111储存器110的路径流动时，在流体内颗粒得到富集，其中该管具有沿着纵向间隔的出口112，而该出口被多孔的壁部分113所示覆盖且通过该多孔部分弥散液流入储存器，颗粒在供给管的多孔部分的端部处的流体中得到富集，并在排放位置114处被除去以进行排放(仍然是借助上述的技术之一)。提取过的流体出现在115。

图13至16显示了一种打印头，它采用本发明的原理，并结合了富集不溶性油墨颗粒的电泳方法(如在上面结合图1所示一般地描述的)。所示和描述的打印头可在表面上进行单象素打印。

该打印头利用了具有大体为三角形内部形状的富集室120，提供了一个腔121，而油墨122(是下面所描述的类型的)在压力(例如来自未示出的泵)作用下通过入口123而被提供给该腔。为了进行连续的操作，提供了一个出口124，从而在操作中产生了如图13中的箭头125所示的流动矢量分布。所示的室的外尺寸为10mm宽、总长13.3mm且厚6mm。

室120包括一个PEEK(聚醚酮醚Poly Ether Ether Ketone)外壳126，在图14和15所示的剖视图中，该外壳大体上与楔形颊127相对，而该颊确定了开口128和腔121的三角形状。开口128的宽度为大约100μm。图14A和15A分别显示了开口128的细节和在使用中在那里形成的弯月形油墨液面133。在各个宽面，该室由塑料侧壁129、130闭合，而这些壁形成了外壳126的部分。外壳126可以形成提供支持固定等等的更大组件的一部分。这些都没有显示，因为它们不影响操作的原理，因而不是本文所必需的。

在室121的周围，设置有图17所示的不锈钢坯件132形成的薄板电极131。电极131围绕着由颊127提供的较窄的侧壁和塑料外壳126的基部，并具有从室121伸出的舌135，以与油墨122相接触。电极131(被称为电泳电极)和颊127的形状是这样的，即在使用中液体中的电场矢量E的分量从室的壁指向不溶性油墨的颗粒。换言之，在油墨室120的大部分周边周围，E·n＞0，其中E是电场矢量，而n是从壁指向液体中的表面法线。这保证了不溶性油墨颗粒不在室的周边上被吸收，而这种吸收将修正室的电场。图16显示了在具有外部排放电极的室的横截面的静电中由油墨颗粒描述的路径。液体的粘滞度和颗粒的电荷是这样的，即颗粒将非常紧密地随着电力线运动，如在这些图中所能够看到的。

在开口128中，设置了一个排放电极134(在另一实施例中，对于多象素打印，可以在如图20所示的线性阵列中设置多个电极134’)。电极134是15μm厚的电成形的镍，它带有电成形部件的典型截面。电极的一个面是平坦的，而另一个面略微弯曲。图18、18A(更为详细)和19显示了排放电极134及其在室120中的详细定位情况。排放电极134被装在与外壳126的侧壁129整体形成的直立支撑件129’上，且电极134通过开口128伸出50至100μm(见图14A)。通过侧壁129上的另一开口137的连线138提供了电连接，该开口在组装期间填充环氧材料，以固定连线并密封开口137。

由于在溶液中电离的颗粒带电剂的作用，不溶性的颗粒获得离子，从而使不溶性的颗粒获得了电荷，并形成了等量和相反极性的电荷。这种机制在液体着色剂(例如光复印机领域)和电泳显示领域是众所周知的。

现在描述打印头的操作。当不进行打印时，电泳电极131和排放电极(电泳电极被加上了1.2至2.0kV的电压)使油墨颗粒在电泳作用下向着排放电极移动。由于电泳电极131通过触头135而与室中的油墨相接触，油墨的电势在平衡状态下与电泳电极131的电势相同。这使得在排放电极134附近产生了颗粒的净富集。当一个排放脉冲(脉冲为200V至1.5kV，持续时间为50至200微秒，且频率可以是1至10kHz)被加到排放电极134上时，油墨颗粒被(以在PCT/AU92/00665中描述的方式)排放到表面136上(可能与少量的附着在颗粒的载体液体一起)，且静电平衡被干扰，从而产生了颗粒的连续运动，以恢复排放电极周围的颗粒消耗，保持浓度。

墨通过侧板129上的入口123而进入室中，以保证连续将油墨颗粒送到油墨室的入口与出口124之间的低浓度区中，从而使颗粒能够被富集到排放电极134附近的区域中。排放电极附近的高浓度区中的流量是低的，因而保证了由场富集起来的颗粒不会随后被流过这些区域中的液体所冲走。在使用中，电泳电极131被保持在高于排放电极134的时间平均电势的正(在此情况下)电势。

所用的油墨最好与PCT/AU94/00357中描述的油墨一致，即包括了具有高电阻(例如＞10⁹Ω·cm)的载体液体和弥散在该载体中的不溶性打印颗粒。可以包含可溶或部分可溶树脂等等，以弥散打印颗粒并在使用中将颗粒粘合到印刷表面上。另外，可以包括电荷改性剂，以有助于充电。

以下的描述是本发明人准备的一个调查报告的，与本发明有关部分结合图21至23描述了颗粒转移方法。颗粒转移

已经明确了一个机制，它是富集载体流体中的颗粒的转移过程与将它们从载体流体传送出来的分离过程(它可以是排放过程)的结合。该附件列出了对颗粒转移过程的建模工作。颗粒流的简单模型

沿着液体表面流动的颗粒经受的粘性阻力比液体中的颗粒所经受的小。该粘性阻力依赖于颗粒与液体表面相互作用的具体情况。有效粘滞度的大小通常是不知道的，虽然我们可以假定它是液体的粘滞度和空气的粘滞度之间的某个值。为了证实我们的转移模型是可行的，我们把沿着电极的外侧的颗粒运动与在液体内的颗粒运动相比较。从有限元素场模型，获得了沿着电极外侧的一系列电势。一个插值函数被拟合成正切电势分布，以获得作为沿着电极的距离的函数的E tangential。颗粒的运动方程为： $\mathrm{QE}\left(x\left(t\right)\right)-\stackrel{\·}{M}\stackrel{\·}{x}\left(t\right)-\stackrel{\·}{x}\left(t\right)\mathrm{\μ}=0$

                      x(0)=x start $\stackrel{\·}{X}\left(0\right)=0$ 其中μ是颗粒经受的有效粘滞度，x(t)是颗粒在时刻t沿着液体表面的位置。该方程，对从载体流体粘滞度至空气的粘滞度(实际是零)之间的各粘滞度数值求解。该数值实验证实了，在液体体内，颗粒速度太低，因而不能产生显著的颗粒转移。在表面上，有效粘滞度较低，从该模型获得的速度非常接近于实际观测到的值。这部分地证实了该自由表面转移模型是正确的。

以上的讨论显示了基于自由表面的具体转移方法是如何操作的。这对于实际产品来说并不是吸引人的转移方法，特别是对于办公室环境，因此必须找到其他转移方法。这些方法将在下面进行讨论。其他转移方法电泳

这是在所加的电场的作用下的带电颗粒的运动。该场作用在颗粒携带的电荷上，产生一个力，驱使颗粒通过悬浮介质，如图21所示。颗粒移动的速率的特征在于它们的移动性，取决于它们的电荷、半径和流体的粘滞度。该力在排放点附近具有很大的重要性，因为作用在颗粒上的电力起着将它们从悬浮流体中分离出去的主要作用。

如果流体的物理边界允许，该力对颗粒的作用在流体中产生整体运动。这是由于流体加在颗粒上的粘性阻力对应于从颗粒转移给流体的动量，这等于颗粒的受力中心所受到的作用力。对分布的一组颗粒的作用形成了加在流体上的整体力。下面将可以看到，这种运动可被用作料体转移的手段。梯度扩散

如果一个时刻一批颗粒在空间上分布是不均匀的，则在随后的某些时刻这种不均匀将被平滑掉。平均的颗粒运动将降低浓度梯度，因而这种过程被称为梯度扩散。

这种机制是重要的，因为颗粒的除去建立了浓度梯度，而颗粒会试图沿着这种梯度的下降方向进行扩散。但在实际中，这种效应是小的，且根据观测它不是补充过程的主要部分。介电电泳现象

空间上非均匀的电场，将一个力加在其介电常数不同于其周围的介电常数的颗粒上。即使颗粒不携带任何净电荷，也会发生这种情况。这种力所以发生，是由于场在颗粒的相对端感应出了相等且相反的电荷，从而形成了偶极子。然而，由于场的非均匀性，它与一端的电荷的作用比与另一端的电荷的作用更强，从而产生了净力。这在图22中得到了显示。

如果颗粒带电，介电力通常比同一电场加在该电荷上的电泳力要弱得多。然而，在场梯度非常大的地方，如在排放点附近，介电电泳效应可以是显著的。对于大多数普通的物质，力的方向是指向场强较高的方向的，而不论场的方向如何。因此，在排放点附近，介电电泳力抵抗着电泳力。一维电泳转移的简单模型

图23显示了得到电泳补充的打印头的示意模型。颗粒以打印速率要求所确定的速率从排放点流失。排放掉的颗粒必须由油墨存储器中的油墨料体颗粒补充。在沿着打印头的任何位置x定义了以下各量：

横截面面积a(x)

颗粒浓度k(x)

平均颗粒半径r(x)

速度v(x)

粘滞度μ(x)

电场E(x)

在平衡状态下保持颗粒流所需的电场为： $E\left(x\right)=E\left(x\right)\∝\frac{\mathrm{\μ}\left(x\right)k_0{f}_0{d}^3}{Q/M\left(x\right)a\left(x\right)r\left(x\right)k\left(x\right)}$ 其中Q/M(x)是颗粒的荷质比，d是排放的小滴的直径，且其他的量在下面定义。因此转移颗粒所需的电场，可通过适当设计颗粒的移动率和改变流体储存器的横截面面积，而得到减小。在场一定的情况下，移动率高的颗粒转移得更迅速。改变横截面积，通过使每单位长度的储存器提供更多的颗粒，而减小了所需的场。减小电泳场是所希望的，因为这减小了沿着储存器的长度的整个场，因而减小需加到打印头上的最大电压。

在图23中，在如所示的一个X-Y坐标系中，油墨存储器被显示为201排放点被显示在202。在该图中，通过202除去的颗粒具有以下参数：

f₀＝颗粒除去频率

r₀＝除去的颗粒的半径

k₀＝除去的颗粒的浓度

颗粒去除的速率等于： $\frac{4}{3}.\mathrm{\π}.{r0}^3.k0.f0$

Claims (15)

1.在表面上淀积物质的方法，该方法包括：

向一个转移站提供载料媒体，该载料媒体是弥散的不溶性物质与支持媒体的混合物；

使在载料媒体中的不溶性物质向着转移站中的一个转移位置运动，从而使载料媒体中的不溶性物质在该转移位置处富集；

随后取出载料媒体中在转移位置富集的物质，淀积在所述表面上。

2.根据权利要求1的方法，其中使载料媒体中的不溶性物质的流动不同于支持媒体的流动。

3.根据权利要求1的方法，其中物质是在这样一个位置的富集中除去的，即该位置包括载料媒体与另一媒体的自由界面。

4.根据权利要求任何一项的方法，其中不溶性物质是颗粒状的。

5.根据权利要求1至4中任何一项的方法，其中不溶性物质相对于支持媒体而得到充电，且颗粒在载料媒体中的运动是电泳性的。

6.根据权利要求1至4中任何一项的方法，其中不溶性物质具有不同于支持媒体的介电常数的介电常数，通过施加非均匀电场而运动和富集(介电电泳现象)。

7.根据权利要求1至4中任何一项的方法，其中不溶性物质具有不同于支持媒体的密度的密度，且其中运动和富集是通过沉淀、漂浮或离心而实现的。

8.根据权利要求1至4中任何一项的方法，其中不溶性物质具有净磁偶极矩，通过施加非均匀磁场而使这物质运动和富集。

9.使用以上权利要求中任何一项的方法进行打印的方法，其中载料媒体包括油墨和着了色的颗粒。

10.根据以上权利要求中任何一项的方法，其中颗粒通过一个喷嘴或其他开孔而从载料媒体取出。

11.根据以上权利要求中任何一项的方法，其中颗粒在这样的一个场所从载料媒体取出，即该场所包括金属圆锥、针形探头、端部为斜面的管、渐细的中空体、以及金属渐细实心体之一。

12.根据权利要求1至11中任何一项的方法，其中支持媒体的一部分与不溶性物质一起被从载料媒体中取出。

13.采用根据权利要求1至12中任何一项的方法的打印方法。

14.一种物质转移设备，它包括：一个包含流体的室，该室具有一些隔离壁、一个开口、一个流体入口和一个流体出口；一个第一电极，它至少部分地围绕着该室；以及设置在该开口中的一个第二排放电极。

15.包括根据权利要求14所提出的物质转移设备的打印机。

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