DE102014203371A1

DE102014203371A1 - Thermostabile oleophobe anti-benetzungsbeschichtung für eine tintenstrahl-druckerkopffläche

Info

Publication number: DE102014203371A1
Application number: DE102014203371.3A
Authority: DE
Inventors: Varun Sambhy; Santokh S. Badesha; Mandakini Kanungo; Peter M. Gulvin; David J. Gervasi
Original assignee: Xerox Corp
Current assignee: Xerox Corp
Priority date: 2013-03-05
Filing date: 2014-02-25
Publication date: 2014-09-11
Also published as: JP2014172395A; KR20140109266A; JP6132783B2; KR102019523B1; US8841401B1; US20140255610A1

Abstract

Eine Beschichtung für eine Tintenstrahl-Druckerkopf-Vorderfläche, wobei die Beschichtung eine oleophobe Anti-Benetzungsbeschichtung umfasst, die eine Thermalstabilität aufweist und eine gute Kontakt- und Gleitwinkelleistung aufrechterhält. Insbesondere umfasst die Beschichtung fluoriertes Silikon.

Description

Tintenstrahldrucker produzieren Bilder durch das Strahlen oder Abwerfen von Tröpfchen flüssiger Tinte aus einem Tintenstrahldruckerkopf auf ein Aufzeichnungssubstrat (z.B. Papier). Der Druckerkopf weist typischerweise eine Vorderfläche mit einer darin definierten Düsenöffnung auf, durch welche flüssige Tinte als Tröpfchen auf das Aufzeichnungssubstrat abgeworfen wird.
Die Vorderfläche eines Tintenstrahl-Druckerkopfes kann durch das Benetzen oder Überlaufen von Tinte kontaminiert werden. Eine solche Kontamination kann ein teilweises oder vollständiges Blockieren der Düsenöffnung innerhalb der Vorderfläche des Tintenstrahl-Druckerkopfes verursachen oder zu diesem beitragen, kann zur Folge haben, dass zu kleine oder zu große Tintentröpfchen vom Tintenstrahl-Druckerkopf abgeworfen werden, kann die vorgesehene Bewegungsbahn der abgeworfenen Tintentröpfchen auf das Aufzeichnungssubstrat verändern und dergleichen, welche allesamt die Druckqualität von Tintenstrahldruckern verschlechtern.
Die Vorderfläche eines Tintenstrahl-Druckerkopfes ist typischerweise mit einem Material, wie z.B. Polytetrafluorethylen (PTFE) (z.B. Teflon^®) oder Perfluoralkoxy (PFA) beschichtet, um diesen zu schützen. Derzeitige Druckerköpfe legen eine gute anfängliche Leistung mit fester Tinte an den Tag, einschließlich denjenigen, die von der Xerox Corporation gewerblich erhältlich sind. Über die betriebliche Lebensdauer hinweg verschlechtert sich die Leistung und die Tinte gleitet nicht mehr leicht über die Beschichtungen der Vorderfläche der Druckerköpfe bei typischen Tinte abwerfenden Temperaturen. Anstatt dessen neigt die Tinte dazu, an der Beschichtung der Druckerkopf-Vorderfläche anzuhaften und an dieser entlang zu fließen, was einen Resttintenfilm hinterlässt, der die Düsenöffnung innerhalb der Vorderfläche des Tintenstrahl-Druckerkopfes teilweise oder vollständig blockiert. 1 ist eine Fotografie der Vorderfläche eines Tintenstrahl-Druckerkopfes nach einem Drucklauf, welche die Benetzung und Kontamination einer festen Tinte über den größten Teil des Bereichs der Vorderfläche, der die Düsenöffnungen umgibt. Deshalb sind oleophobe Anti-Benetzungsbeschichtungen, die eine Störung aufgrund von Überlaufen verhindern, wichtig, um Robustheit und Zuverlässigkeit zu verbessern, was eine Marktdurchdringung für zukünftige feste Tinten bereitstellt.
Feste Tinten sind diejenigen, die dadurch gekennzeichnet sind, dass sie bei Raumtemperatur fest sind und bei einer erhöhten Temperatur, bei welcher die geschmolzene Tinte auf ein Substrat aufgetragen wird, geschmolzen sind. Feste Tinten umfassen im Allgemeinen einen Tintenträgerstoff, ein oder mehrere Wachse, einen optionalen Farbstoff sowie einen oder mehrere optionale Zusatzstoffe, wie z.B. Viskositätsmodifizierer, Antioxidationsmittel, Plastifizierungsmittel und dergleichen. UV-härtbare Tinten umfassen im Allgemeinen eine Photoinitiatorpackung, ein härtbares Trägermaterial, einen optionalen Farbstoff sowie einen oder mehrere optionale Zusatzstoffe, wie z.B. Viskositätsmodifizierer, Dispergiermittel, Komplexbildner und dergleichen. UV-härtbare Phasenwecheseltinten, ein Subset von UV-härtbaren Tinten, können ebenfalls ein Geliermittel und optional ein härtbares Wachs enthalten. Der Begriff „härtbar“ bezieht sich z.B. auf die Komponente oder Kombination, die polymerisierbar ist, d.h. ein Material, das über Polymerisierung gehärtet werden kann, einschließlich z.B. auf freie Radikale-Wege und/oder bei denen eine Polymerisierung durch Verwendung eines strahlungssensiblen Photoinitiator photoeingeleitet wird. Das härtbare Trägermaterial kann z.B. ein oder mehrere härtbare Monomere oder ein härtbares Wachs sein.
Eine Kontamination einer Vorderfläche eines Tintenstrahl-Druckerkopfes kann durch Adoptieren von Reinigungs- und/oder Wischverfahren etwas reduziert werden. Diese Verfahren können jedoch unerwünschterweise Zeit in Anspruch nehmen und/oder übermäßige Mengen an Tinte verbrauchen, wodurch die Nutzungszeit des Tintenstrahl-Druckerkopfes reduziert wird. Eine Kontamination einer Vorderfläche eines Tintenstrahl-Druckerkopfes kann ebenfalls durch Bereitstellen einer oleophoben Anti-Benetzungsbeschichtung der Vorderfläche eines Druckerkopfes reduziert werden, welche die aus den Düsenöffnungen des Druckerkopfes abgeworfene Tinte nicht erheblich benetzt. Beim Erhitzen auf Temperaturen, die typischerweise während den Fabrikationsprozessen des Druckerkopfes angetroffen werden, verschlechtern sich jedoch die Oberflächeneigenschaften bekannter olephober Anti-Benetzungsbeschichtungen der Vorderfläche von Druckerköpfen bis zu einem Punkt, an dem diese eine Kontamination der Vorderfläche des Tintenstrahl-Druckerkopfes nicht mehr zuverlässig reduzieren. Daher besteht ein Bedarf nach einer thermostabilen oleophoben Anti-Benetzungsbeschichtung für Druckerköpfe, die sich in den Oberflächenmerkmalen bei Aussetzen an hohe Fabrikationstemperaturen nicht verschlechtert.
Andere oleophobe Vorderflächenbeschichtungen für Druckerköpfe, die ebenfalls thermostabil sind, umfassen Siloxyfluorkohlenstoff (SFC) und sind in der US-Patentanmeldung der Ser.-Nr. 13/069,304, eingereicht am 22. März 2011, der US-Patentanmeldung der Ser.-Nr. 13/275,255, eingereicht am 17. Oktober 2011, bzw. der US-Patentveröffentlichung Nr. 2012/0044298 offenbart, die hiermit in ihrer Gesamtheit durch Referenz einbezogen sind. Diese Beschichtungen zeigen gute Oberflächenmerkmale, wie z.B. einen hohen Kontaktwinkel/niedrigen Gleitwinkel mit Tinten in Stapel und Tintenalterungstests auf, sogar nach Aussetzen derselben an hohe Fabrikationstemperaturen. Diese Beschichtungen können jedoch in ihren Herstellungskosten und ihrer Implementierung in Druckerköpfe teuer sein. Die thermale Stabilität dieser Beschichtungen (wie beim Eintreten der Dekompositionstemperatur in den Thermalen Gravimetrischen Analysebildern (TGA)) liegt nur unwesentlich über den Druckerkopf-Fabrikationstemperaturen von 290 °C und kann zu einer reduzierten Zuverlässigkeit und Robustheit der Druckerkopf-Fabrikationsschritte führen.
Daher besteht der Bedarf nach einer Alternative zu den verwendeten herkömmlichen Druckerkopf-Voderflächenbeschichtungen, welche die oben beschriebenen Probleme vermeiden würde. Die Vorteiler einer solchen Beschichtung wären weniger mit dem Druckerkopf in Zusammenhang stehende Defekte, eine längere Vorderflächen-Haltbarkeit und reduzierte Herstellerkosten zum Produzieren der Beschichtung. Insbesondere ist eine robuste und zuverlässige Anti-Benetzungsbeschichtung für Piezo-Druckerköpfe besonders wichtig für die Bildqualitätsleistung mit Tinten auf organischer Basis.
Gemäß den hierin dargestellten Ausführungsformen wird eine neuartige Zusammensetzung zur Verwendung in Druckerkopf-Baugruppen bereitgestellt.
Insbesondere stellen die vorliegenden Ausführungsformen eine Beschichtung für eine Tintenstrahl-Druckerkopf-Vorderfläche bereit, wobei die Beschichtung ein quervernetztes Dimethylmethyltrifluorpropylsiloxanpolymer umfasst, wobei die Beschichtung eine durch einen Gewichtsverlust von weniger als etwa 15 Prozent nachgewiesene hohe Thermostabilität aufweist, wenn diese auf eine Temperatur von 290 °C bei einem Druck von bis zu 350 psi erhitzt wird.
Bei weiteren Ausführungsformen wird eine Beschichtung für eine Tintenstrahl-Druckerkopf-Vorderfläche bereitgestellt, wobei die Beschichtung ein quervernetztes Dimethylmethyltrifluorpropylsiloxanpolymer umfasst, umfassend Wiederholungseinheiten der Formel I
Formel I wobei a eine Ganzzahl von zwischen 10 und 1000 ist; und b eine Ganzzahl von zwischen 1 und 500 ist, wobei ein Tropfen UV-Geltinte oder ein Tropfen fester Tinte einen Kontaktwinkel von mehr als etwa 40° mit der Oberfläche der Beschichtung aufweist, wenn die Beschichtung wenigstens 30 Minuten lang einer Temperatur von bis zu 290 °C ausgesetzt worden ist.
Bei weiteren Ausführungsformen wird ein Verfahren zur Bildung einer oleophoben Anti-Benetzungsbeschichtung für eine Tintenstrahl-Druckerkopf-Vorderfläche bereitgestellt, umfassend das Beschichten einer Reaktionsmischung, die ein Polymer umfasst, das Vinylgruppen und ein Quervernetzungsmittel mit Si-H-Gruppen enthält, auf ein Substrat; das Aussetzen der beschichteten Reaktionsmischung einer Härtungsbehandlung bei einer ersten Temperatur.
1 ist eine Fotografie, welche die Kontamination einer festen Tinte über einem Düsenbereich eines Druckerkopfes mit einer PTFE-Beschichtung nach einem Drucklauf zeigt;
2 ist eine Querschnittsansicht eines Tintenstrahl-Druckerkopfes gemäß den vorliegenden Ausführungsformen;
3 ist eine schematische Darstellung eines quervernetzten Fluorsilikonpolymers, das durch eine Hydrolysierungsreaktion gemäß den vorliegenden Ausführungsformen produziert worden ist;
4 ist eine grafische Darstellung der Thermostabilität einer thermostabilen oleophoben Anti-Benetzungsbeschichtung für den Tintenstrahl-Druckerkopf gemäß den vorliegenden Ausführungsformen.
Die vorliegenden Ausführungsformen stellen eine neuartige Zusammensetzung zur Verwendung als eine Druckerkopf-Vorderflächenbeschichtung bereit, um viele der mit herkömmlichen Vorderflächen in Zusammenhang stehenden Probleme zu vermeiden, wie z.B. Überlaufen oder Überfluten. Zusätzlich stellt die neuartige Zusammensetzung eine thermostabile oleophobe Anti-Benetzungsbeschichtung für die Vorderfläche eines Druckerkopfes sowie Verfahren zu Herstellung derselben bereit. Bei manchen Ausführungsformen umfasst die Beschichtungszusammensetzung ein quervernetztes, fluoriertes Raumtemperatur-Vulkanisierungssilikon (RTV). Die Fluorsilikonbeschichtungen haben wünschenswerte Merkmale für die Druckerkopfleistung demonstriert. Das TGA-Profil dieser Fluorsilikonbeschichtungen in Luft zeigt z.B., dass die Beschichtungszusammensetzung eine ausgezeichnete Thermostabilität (30–300 °C Gewichtsverlust von nur 1 % und Vorkommen der Dekomposition bei 316 °C) aufweist. Diese Beschichtungen behalten auch gute Oberflächenmerkmale (sowohl einen hohen Kontaktwinkel als auch einen niedrigen Gleitwinkel) nach Stapeln (290 ºC/350 psi) und Durchfeuchten in einer Mischung aus Cyan-Magenta-Gelb-Schwarzen-Tinten (CMYK) über zwei Tage bei Konditionen von 140 °C bei. Bemerkenswerterweise zeigten diese Fluorsilikonbeschichtungen nur eine sehr geringe Dicke und Massenreduktion nach Aussetzen an eine Temperatur von 290 °C. Eine beliebige Anti-Benetzungsbeschichtung wird während den Druckerkopf-Fabrikationsschritten einer Temperatur von 290 °C ausgesetzt und muss in der Lage sein, diese Bedingungen auszuhalten. Weiterhin können solche Beschichtungen ganz besonders ansprechende Kandidaten als Anti-Benetzungsbeschichtungen für Piezo-Druckerköpfe sein.
Das Anhaften eines Tintentropfens an einer Oberfläche kann durch Messen des Gleitwinkels des Tintentropfens (d.h. des Winkels, bei dem eine Oberfläche relativ zu einer horizontalen Position geneigt ist, wenn der Tintentropfen beginnt, über die Oberfläche zu gleiten, ohne einen Rest oder einen Flecken zu hinterlassen) festgestellt werden. Je niedriger der Gleitwinkel, desto niedriger ist die Anhaftung zwischen dem Tintentropfen und der Oberfläche. Wie hierin verwendet bedeutet der Begriff „niedriges Anhaften“ einen niedrigen Gleitwinkel von weniger als etwa 30°, wenn mit ultraviolett härtbarer Geltinte oder fester Tinte mit der Druckerkopf-Vorderfläche gemessen.
Hierin beschriebene Ausführungsformen beinhalten oleophobe Anti-Benetzungsbeschichtungen, die für eine Tintenstrahl-Druckerkopf-Vorderfläche verwendet werden können, wobei die Oberflächenbeschichtungen ein oleophobes Polymermaterial mit niedriger Anhaftung umfassen. Wenn eine Tintenstrahl-Druckerkopf-Vorderfläche eine solche Beschichtung aufweist, weiten gestrahlte Tropfen Ultraviolett-(UV) Geltinte, auch als „UV-Tinte“ bezeichnet, oder gestrahlte Tropfen fester Tinte eine niedrige Anhaftung auf der Oberflächenbeschichtung auf. Die Anhaftung eines Tintentropfens auf einer Oberfläche kann durch Messen des Gleitwinkels des Tintentropfens festgestellt werden, wobei der Gleitwinkel der Winkel ist, bei dem eine Oberfläche relativ zu einer horizontalen Position geneigt ist, wenn der Tintentropfen beginnt, über die Oberfläche zu gleiten, ohne einen Rest oder einen Flecken zu hinterlassen. Je niedriger der Gleitwinkel ist, desto niedriger ist die Anhaftung zwischen dem Tintentropfen und der Oberfläche.
Bei manchen Ausführungsformen hat ein niedriger Gleitwinkel einen Wert von weniger als etwa 25°, bei anderen Ausführungsformen hat der niedrige Gleitwinkel einen Wert von weniger als etwa 20°, wenn mit ultraviolett härtbarer Geltinte oder festen Tinte mit der Druckerkopf-Vorderfläche als der Oberfläche gemessen. Bei weiteren Ausführungsformen ist ein niedriger Gleitwinkel höher als etwa 1°, wenn mit ultraviolett härtbarer Geltinte oder festen Tinte mit der Druckerkopf-Vorderfläche als der Oberfläche gemessen.
Wie hierin verwendet ist eine oleophobe Anti-Benetzungsbeschichtung „thermostabil“, wenn Tropen der Ultraviolett-Geltinte oder der festen Tine eine niedrige Anhaftung auf der Oberflächenbeschichtung aufweisen, nachdem die Oberflächenbeschichtung hohen Temperaturen, wie z.B. Temperaturen in einem Bereich zwischen 180 °C und 325 °C oder in einem Bereich zwischen etwa 180 °C und etwa 325 °C sowie hohen Drücken, wie z.B. von zwischen etwa 100 psi und etwa 400 psi oder von zwischen etwa 100 psi und etwa 400 psi über längere Zeiträume hinaus ausgesetzt worden ist. Längere Zeiträume können im Bereich von zwischen 10 Minuten und 2 Stunden oder in einem Bereich von zwischen etwa 10 Minuten und etwa 2 Stunden liegen.
Bei einer Ausführungsform ist die Oberflächenbeschichtung thermostabil, nachdem die Oberflächenbeschichtung etwa 30 Minuten lang einer Temperatur von etwa 290 °C bei einem Druck von etwa 350 psi ausgesetzt worden ist. Die Oberflächenbeschichtung kann ohne jegliche Degradation bei einer hohen Temperatur und einem hohen Druck an einer Blendenarmatur aus Edelstahl verklebt werden. Dadurch kann der resultierende Druckerkopf eine Tintenkontamination verhindern, weil Tintentröpfchen von der Druckerkopf-Vorderfläche abrollen können und somit keinen Rest hinterlassen.
Bei manchen Ausführungsformen enthält ein Druckapparat einen Tintenstrahl-Druckerkopf mit einer Vorderfläche und einer oleophoben Anti-Benetzungsbeschichtung, die an einer Oberfläche der Vorderfläche angeordnet ist. Die oleophobe Anti-Benetzungsbeschichtung enthält oleophobes Polymermaterial mit niedriger Anhaftung, das derart konfiguriert ist, dass gestrahlte Tropfen Ultraviolett-Geltinte oder gestrahlte Tropfen fester Tinte einen Kontaktwinkel aufweisen, der höher als oder etwa 40° oder höher als oder etwa 45° ist. Bei einer Ausführungsform weisen gestrahlte Tropfen Ultraviolett-Geltinte oder gestrahlte Tropfen fester Tinte einen Kontaktwinkel auf, der höher als oder etwa 55° ist. Bei einer weiteren Ausführungsform weisen die gestrahlte Tropfen der Ultraviolett-Geltinte oder die gestrahlte Tropfen fester Tinte einen Kontaktwinkel auf, der höher als oder etwa 65° ist. Bei einer Ausführungsform besteht keine obere Grenze des Kontaktwinkels, der zwischen den gestrahlten Tropfen der Ultraviolett-Geltinte oder den gestrahlten Tropfen der festen Tinte und der Oberflächenbeschichtung besteht. Bei einer weiteren Ausführungsform weisen die gestrahlten Tropfen der Ultraviolett-Geltinte oder die gestrahlten Tropfen der festen Tinte einen Kontaktwinkel von weniger als oder etwa 150° auf. Bei einer weiteren Ausführungsform weisen die gestrahlten Tropfen der Ultraviolett-Geltinte oder die gestrahlten Tropfen der festen Tinte einen Kontaktwinkel von weniger als oder etwa 90° auf.
Wenn die Tinte in den Druckerkopf gefüllt wird, ist es wünschenswert, die Tinte innerhalb der Düse zu behalten, bis der Zeitpunkt zum Abwerfen der Tinte gekommen ist. Im Allgemeinen gilt, je größer der Tintenkontaktwinkel, desto besser (sprich höher) ist der Überlaufdruck. Der Überlaufdruck steht in Zusammenhang mit der Fähigkeit der Blendenplatte, ein Durchsickern der Tinte aus der Düsenöffnung heraus zu vermeiden, wenn der Druck im Tintentank oder -behälter ansteigt. Das Aufrechterhalten eines höheren Drucks ohne Durchsickern ist für die Druckerkopfwartung erforderlich und ermöglicht auch ein rascheres Drucken, sobald ein Druckbefehl gegeben wird.
Bei manchen Ausführungsformen sind die Beschichtungen thermostabil und in der Lage, den wie hierin offenbarten, gewünschten Kontaktwinkel und Gleitwinkel aufrechtzuerhalten, auch nach Aussetzen an hohe Temperaturen, wie z.B. Temperaturen in einem Bereich von zwischen 180 °C und 325 °C oder in einem Bereich von zwischen etwa 250 °C und etwa 300 °C, und an hohe drücke, wie z.B. Drücke in einem Bereich von zwischen 100 psi und 400 psi oder in einem Bereich von zwischen etwa 200 psi und etwa 350 psi, über längere Zeiträume hinweg, von zwischen 10 Minuten und 2 Stunden oder in einem Bereich von zwischen etwa 30 min und etwa 60 min. Dies hält die Überlaufdrücke aufrecht.
Bei einer Ausführungsform sind die Beschichtungen thermostabil und in der Lage, den wie hierin offenbarten, gewünschten Kontaktwinkel und Gleitwinkel aufrechtzuerhalten, auch nach Aussetzen an eine Temperatur von etwa 290 °C bei Drücken von etwa 300 psi für etwa 30 Minuten, was ein Aufrechterhalten hoher Überlaufdrücke ermöglicht.
Vorteilhafterweise stellen die hierin beschriebenen oleophoben Anti-Benetzungsbeschichtungen in Kombination ein niedriges Anhaften und einen hohen Kontaktwinkel für ultraviolett härtbare Geltinten und feste Tinten bereit, was ferner den Vorteil eines verbesserten Überlaufdruck oder ein reduziertes oder beseitigtes Durchsickern der Tinte aus der Düse bietet.
Bei einer Ausführungsform sind die Beschichtungen der vorliegenden Offenbarung in der Lage, den Kontaktwinkel und Gleitwinkel mit einem Tropfen UV-Geltinte oder einem Tropfen fester Tinte von mehr als etwa 40° mit der Oberfläche der Beschichtung aufrechtzuerhalten, nachdem die Beschichtung einer Temperatur von bis zu 290 °C für wenigstens 30 Minuten ausgesetzt worden ist.
Bei einer Ausführungsform sind die Beschichtungen der vorliegenden Offenbarung in der Lage, den Kontaktwinkel und Gleitwinkel mit einem Tropfen UV-Geltinte oder einem Tropfen fester Tinte von mehr als etwa 40° und einen Gleitwinkel von weniger als etwa 30° mit einer Oberfläche der Beschichtung aufrechtzuerhalten.
Bei einer Ausführungsform sind die Beschichtungen der vorliegenden Offenbarung in der Lage, den Kontaktwinkel und Gleitwinkel mit einem Tropfen UV-Geltinte oder einem Tropfen fester Tinte von mehr als etwa 55° und einen Gleitwinkel von weniger als etwa 20° mit einer Oberfläche der Beschichtung aufrechtzuerhalten.
Bei einer Ausführungsform ist die Beschichtung der vorliegenden Offenbarung in der Lage, den Kontaktwinkel und Gleitwinkel mit einem Tropfen UV-Geltinte oder einem Tropfen fester Tinte aufrechtzuerhalten, nachdem die Beschichtung in geschmolzener UV-Geltinte oder fester Tinte bei einer Temperatur von wenigstens 140 °C für einen Zeitraum von wenigstens zwei Tagen eingetaucht worden ist.
Bei manchen Ausführungsformen umfasst das quervernetzte Dimethylmethyltrifluorpropylsiloxanpolymer Wiederholungseinheiten der Formel I,
Formel I wobei a eine Ganzzahl zwischen 10 und 10.000 ist; und b eine Ganzzahl zwischen 1 und 1.000 ist. Bei weiteren Ausführungsformen ist a eine Ganzzahl zwischen 10 und 5.000 oder eine Ganzzahl zwischen 10 und 1.000. Bei weiteren Ausführungsformen ist b eine Ganzzahl zwischen 1 und 500.
Bei manchen Ausführungsformen umfasst die oleophobe Anti-Benetzungsbeschichtung ein quervernetztes Fluorsilikonpolymer, das durch eine Hydrosilylierungsreaktion zwischen einem vinylterminierten Dimethylmethyltrifluorpropylsiloxanpolymer- und einem Methylwasserstoffmethyltrifluorpropylsiloxanpolymer-Quervernetzer hergestellt wird.
Bei manchen Ausführungsformen ist das Fluorsilikonpolymer in einer Menge von etwa 10 bis etwa 100 Prozent, von etwa 20 bis etwa 70 Prozent oder von etwa 95 bis etwa 100 nach Gewicht des Gesamtgewichts der gehärteten Beschichtung vorhanden.
Bei manchen Ausführungsformen weist das vinylterminierte Dimethylmethyltrifluorpropylsiloxanpolymer die allgemeine Formel
auf, wobei m und n jeweils Ganzzahlen von etwa 1 bis etwa 300, von etwa 10 bis etwa 200 oder von etwa 30 bis etwa 100 sind; wobei ein spezifisches Beispiel des vinylterminierten Fluorsilikons CF3510 ist, erhältlich von Nusil Technology LLC.
Bei manchen Ausführungsformen weist der Methylwasserstoffmethyltrifluorpropylsiloxanpolymer-Quervernetzer die allgemeine Formel
auf, wobei m und n jeweils Ganzzahlen von etwa 1 bis etwa 100, von etwa 1 bis etwa 30 oder von etwa 30 bis etwa 90 sind. Ein spezifisches Beispiel des Wasserstoffsiloxan-Quervernetzers ist XL 150, erhältlich von Nusil Technology LLC.
Bei manchen Ausführungsformen wird das quervernetzte Fluorsilikonpolymer durch eine Hydrosilylierungsreaktion eines Polymers, das Vinylgruppen enthält, und eines Quervernetzungsmittels, das Si-H-Gruppen enthält, gebildet.
Bei manchen Ausführungsformen basiert die oleophobe Anti-Benetzungsbeschichtung auf einem platinkatalysiertem zusätzlichen Aushärten von zwei Komponenten, nämlich vinylterminiertes Dimethylmethyltrifluorpropylsiloxanpolymer und Methylwasserstoffmethyltrifluorpropylsiloxanpolymer-Quervernetzer, über eine wie in 3 dargestellte Hydrosilylierungsreaktion.
Bei manchen Ausführungsformen können das vinylterminierte Dimethylmethyltrifluorpropylsiloxanpolymer und der Methylwasserstoffmethyltrifluorpropylsiloxanpolymer-Quervernetzer für einen Zeitraum von etwa 1 Minute bis etwa 30 Minuten, von etwa 30 Minuten bis etwa 180 Minuten oder von 180 Minuten bis etwa 5 Stunden zusammen vermischt werden.
Im Allgemeinen beträgt das Gewichtsverhältnis des vinylterminierten Dimethylmethyltrifluorpropylsiloxanpolymers zum Methylwasserstoffmethyltrifluorpropylsiloxanpolymer-Quervernetzer von etwa 100:1 bis etwa 1:1, von etwa 70:1 bis etwa 10:1 oder von etwa 20:1 bis etwa 5:1.
Es kann ein Platinkatalysator zur Reaktionsmischung zugegeben werden, um die Rate der Hydrosilylierungsreaktion zu erhöhen. Beispiele von Platinkatalysatoren sind, jedoch ohne Einschränkung, Chlorplatinsäure und ihre Derivate, z.B. der Speier-Katalysator, Karstedt-Katalysator, Platinchloridolefinkomplexe, Platincycolmethylvinylsiloxan, [PtCl2(Cyclooctadien)] und dergleichen. Bei manchen Ausführungsformen ist der Katalysator in der Hydrosilylierungsreaktion in einer Menge von etwa 0,01 ppm bis etwa 1 ppm oder von etwa 1 ppm bis etwa 100 ppm oder von etwa 100 ppm bis etwa 1000 ppm vorhanden.
Bei manchen Ausführungsformen kann das vinylterminierte Dimethylmethyltrifluorpropylsiloxanpolymer oder der Methylwasserstoffmethyltrifluorpropylsiloxanpolymer-Quervernetzer durch ein Lösungsmittel, wie z.B. Trifluortoluol, Perfluoralkanen, Perfluorfluorketonen, Perfluoralkoholen, fluoriertem Tetrahydrofuran, fluorierten Ethern, Novec 7200 (3M Chemical Company), Novec 7500 (3M Chemical Company), Novec 7600 (3M Chemical Company), FC-75 (3M Chemical Company), Asahikilin AK-225 (SPI Supplies), Chloroform, Methylenchlorid, Methylethylketon, Ethylacetat, Ethern, Butylacetate, Aceton sowie Mischungen davon aufgelöst werden. Bei manchen Ausführungsformen kann das Lösungsmittel von etwa 1 bis etwa 95 Gew.-Prozent oder von etwa 10 bis etwa 70 Gew.-Prozent oder von etwa 75 bis etwa 95 Gew.-Prozent vorhanden sein.
Bei manchen Ausführungsformen hält die Beschichtung einen Überlaufdruck von etwa 1,5 bis etwa 8 Zoll Wasser oder von etwa 2 bis etwa 8 Zoll Wasser oder von etwa 2 bis etwa 6 Zoll Wasser aufrecht.
Beim Beschichten der Vorderfläche eines Tintenstrahl-Druckerkopfes weist die oleophobe Anti-Benetzungsoberflächenbeschichtung eine ausreichende Anhaftung bezüglich der Tinten auf, die aus dem Tintenstrahl-Druckerkopf abgeworfen werden, sodass die auf der oleophoben Anti-Benetzungsbeschichtung verbleibenden Tintentröpfchen vom Druckerkopf auf einfache, selbstreinigende Weise abgleiten können. Kontaminationen, wie z.B. Staub, Papierpartikel, etc., die manchmal auf der Vorderfläche von Tintenstrahl-Druckerköpfen aufzufinden sind, können durch ein gleitendes Tintentröpfchen von der Vorderfläche des Tintenstrahl-Druckerkopfes weggetragen werden. Die oleophobe Anti-Benetzungs-Druckerkopfvorderflächenbeschichtung kann einen selbstreinigenden, kontaminationsfreien Tintenstrahl-Druckerkopf bereitstellen.
Wie hierin verwendet, kann die oleophobe Anti-Benetzungsbeschichtung eine „ausreichend niedrige Benetzbarkeit“ bezüglich Tinten aufweisen, die von einem Tintenstrahl-Druckerkopf abgeworfen werden, wenn ein Kontaktwinkel zwischen einer Tinte und der oleophoben Anti-Benetzungsbeschichtung, wie bei einer Ausführungsform, höher als 45° und bei einer weiteren Ausführungsform höher als etwa 55° ist.
Die hierin offenbarte oleophobe Anti-Benetzungsbeschichtung kann als eine oleophobe Tintenstrahl-Druckerkopf-Vorderflächenbeschichtung mit niedriger Anhaftung für einen Tintenstrahl-Druckerkopf eines beliebigen, geeigneten Tintenstrahldruckers eingesetzt werden, wie z.B. kontinuierliche Tintenstrahldrucker, thermale Drop-on-Demand (DOD) Tintenstrahldrucker und piezoelektrische DOD-Tintenstrahldrucker. Wie hierin verwendet, umfasst der Begriff „Drucker“ einen beliebigen Apparat, wie z.B. einen digitalen Kopierer, eine Buchbindemaschine, ein Faxgerät, eine Multifunktionsmaschine und dergleichen, die für einen beliebigen Zweck eine Druckausgabefunktion ausführt.
Die hierin offenbarte oleophobe Anti-Benetzungsbeschichtung kann als eine oleophobe Tintenstrahl-Druckerkopf-Vorderflächenbeschichtung mit niedriger Anhaftung für einen Tintenstrahl-Druckerkopf eingesetzt werden, der derart konfiguriert ist, um eine beliebige geeignete Tinte, wie z.B. wässrige Tinten, Lösungsmitteltinten, UV-härtbare Tinten, Farbstoffsublimationstinten, feste Tinten, etc., abzuwerfen. Ein beispielhafter Tintenstrahl-Druckerkopf, der zur Verwendung mit einer hierin offenbarten oleophoben Anti-Benetzungsbeschichtung geeignet ist, ist in 2 beschrieben.
Ein typischer Tintenstrahl-Druckerkopf 60 kann eine Düsenplatte 30 enthalten, die typischerweise an einer Stützarmatur 25 angehaftet ist. 2 zeigt eine Ausführungsform eines Druckerkopf-Tintenstrahlstapels mit einer Anti-Benetzungsbeschichtung 40. Bei dieser Ausführungsform ist eine oleophobe Anti-Benetzungsbeschichtung 40 an einer Düsenplatte 30 angehaftet. Die Düsenplatte kann ein Polymerfilm sein, wie z.B. ein Polyimidfilm, und kann an einer Blendenstützarmatur 25 angehaftet sein.
Die Stützarmatur 25 ist aus einem beliebigen Material gebildet, wie z.B. Edelstahl, und enthält Blenden 50, die darin definiert sind. Die Blenden 50 können in Kommunikation mit einer Tintenquelle (nicht dargestellt) stehen. Die Düsenplatte 30 kann aus einem beliebigen Material gebildet sein, wie z.B. Polyimid und enthalten Düsen 55, die darin definiert sind. Die Düsen 55 können derart mit der Tintenquelle über die Blenden 50 in Kommunikation stehen, sodass Tinte 45 von der Tintenquelle vom Druckerkopf 60 auf ein Aufzeichnungssubtrat durch eine Düse 50 strahlbar ist.
Bei der dargestellten Ausführungsform ist die Düsenplatte 30 an der Stützarmatur 25 durch ein eingreifendes Klebstoffmaterial 35 angehaftet. Das Klebstoffmaterial 35 kann als ein thermoplastischer Klebstoff bereitgestellt sein, der während einem Anhaftungsprozess geschmolzen wird, um an der Düsenplatte 30 der Stützarmatur 25 anzuhaften. Typischerweise werden die Düsenplatte 30 und die oleophobe Anti-Benetzungsbeschichtung 40 während dem Anhaftungsprozess ebenfalls erhitzt. Je nach dem Material, aus dem der thermoplastische Klebstoff gebildet ist, kann die Anhaftungstemperatur in einem Bereich von zwischen 180 °C und 325 °C liegen.
Herkömmliche oleophobe Anti-Benetzungsbeschichtungen neigen dazu, bei einem Aussetzen an Temperaturen, die während typischer Anhaftungsprozesse angetroffen werden oder an anderen Hochtemperatur-, Hochdruckprozessen, die während der Fabrikation der Tintenstrahl-Druckerköpfe angetroffen werden, zu zerfallen. Die hierin offenbarte oleophobe Anti-Benetzungsbeschichtung 40 weist jedoch eine ausreichend niedrige Anhaftung (die durch niedrige Gleitwinkel angezeigt ist) sowie einen hohen Kontaktwinkel bezüglich einer Tinte auf, nachdem diese auf die Anhaftungstemperatur erwärmt worden ist. Die oleophobe Anti-Benetzungsbeschichtung 40 kann einen selbstreinigenden, kontaminationsfreien Tintenstrahl-Druckerkopf 60 mit hohem Überlaufdruck bereitstellen. Die Fähigkeit der oleophoben Anti-Benetzungsbeschichtung 40, einem erheblichen Zerfall der wünschenswerten Oberflächenmerkmale (einschließlich z.B. einem niedrigen Gleitwinkel und hohem Kontaktwinkel) nach Aussetzen an erhöhte Temperaturen zu widerstehen, ermöglicht es den Tintenstrahl-Druckerköpfen mit selbstreinigenden Fähigkeiten, unter Verwendung von Prozessen mit hoher Temperatur und hohem Druck hergestellt zu werden, während ein hoher Überlaufdruck aufrechterhalten wird.
Bei einer Ausführungsform kann die oleophobe Anti-Benetzungsbeschichtung am Substrat zuerst durch das Auftragen der Reaktionsmittelmischung gebildet werden, die wie oben beschrieben wenigstens ein Polymer enthält, das Vinylgruppen und Quervernetzungsmittel mit Si-H-Gruppen umfasst. Nachdem die Reaktionsmittelmischung auf das Substrat aufgetragen worden ist, werden die Reaktionsmittel miteinander reagiert, um die oleophobe Anti-Benetzungsbeschichtung zu bilden. Die Reaktionsmittel können z.B. durch Aushärten der Reaktionsmittelmischung zusammen reagiert werden. Bei einer Ausführungsform wird die Reaktionsmittelmischung zuerst bei einer Temperatur von etwa 160 °C etwa 60 Minuten bis 4 Stunden lang gehärtet. Bei einer weiteren Ausführungsform wird die Reaktionsmittelmischung 24 Stunden lang bei Raumtemperatur gehärtet.
Bei einer Ausführungsform kann die Reaktionsmittelmischung auf dem Substrat 32 unter Verwendung eines beliebigen geeigneten Verfahrens aufgetragen werden, wie z.B. Strangpressen, Tauchbeschichtung, Sprühbeschichtung, Rotationsbeschichtung, Fluten, Stempeldrucken und Rakeltechniken. Ein Luftzerstäubungsgerät, wie z.B. eine Luftbürste oder ein automatisches Luft-/Flüssigkeitssprühgerät können verwendet werden, um die Reaktionsmittelmischung zu versprühen. Das Luftzerstäubungsgerät kann dabei an einem automatischen Bewegungsapparat befestigt sein, der sich in einem einheitlichen Muster bewegt, um die Oberfläche des Substrats 32 mit einer einheitlichen oder im Wesentlichen einheitlichen Menge an Reaktionsmittelmischung zu bedecken. Die Verwendung eines Rakels ist eine weitere Technik die eingesetzt werden kann, um die Reaktionsmittelmischung aufzutragen. Beim Fluten wird ein programmierbarer Spender verwendet, um die Reaktionsmittelmischung aufzutragen.
Beispiel 1
Beschichtung 1
Zur Bewertung von oleophoben Anti-Benetzungsbeschichtungen an potenziellen Tintenstrahl-Druckerkopf-Vorderflächensubstraten wurden die Beschichtungen wie folgt hergestellt. In einer repräsentativen Reaktion wurden 3,63 g CFR3510, erhältlich von Nusil Technology, mit Vinyl terminiertes Dimethylmethyltrifluorpropylsilioxanpolymer und 0,41 g XL 150, erhältlich von Nusil Technology, Methylwasserstoffmethyltrifluorpropylsiloxanpolymer-Quervernetzer in einen Rundkolben gemessen. Dann wurden 29 g Ethylacetat-Lösungsmittel zum Kolben gegeben und der Inhalt wurde unter N₂ bei 61 °C 24 Stunden lang gerührt. Die resultierende Formulierung wurde an Polyimidsubstrat unter Verwendung eines 0,005 Mil Ziehbalkenbeschichters beschichtet. Die nassen Filme wurden 4 Stunden lang bei 160 °C gehärtet, um eine einheitliche, defektfreie Anti-Benetzungsbeschichtung zu erhalten.
Bewertungen
Ein TGA-Dekompositionsprofil in Luft bestätigt ebenfalls die extrem hohe Thermalstabilität dieser Beschichtungen, wie in 4 dargestellt. In einem typischen thermogravimetrischen Analyseexperiment (TGA) wurden Stücke der Beschichtung in einem Ofen erhitzt und der Gewichtsverlust aufgrund des Zerfalls gegen die Temperatur grafisch dargestellt. Ein niedrigerer Gewichtsverlust-% deutet auf eine höher thermalstabile Beschichtung hin. Die Beschichtungen zeigten einen Gewichtsverlust von lediglich 1 % bei bis zu 316 °C, was auf eine hohe Thermalstabilität bei Bedingungen hindeutet, die während der Druckerkopf-Herstellung angetroffen würden. Bei einem weiteren Beispiel wurde die Beschichtung 60 Minuten lang in einem Ofen bei 300 °C gehalten. Die Beschichtung verlor lediglich 3 % ihres Gewichts nach 300 °C/60 Minuten, was auf eine hohe Thermalstabilität hindeutet. Die thermale Robustheit der Beschichtung ist notwendig, da diese einer Temperatur von etwa 200 °C bis etwa 315 °C für etwa 15 Minuten bis etwa 120 Minuten während dem Druckerkopf-Herstellungsprozess ausgesetzt wird. Zusammenfassend verliert die Beschichtung der vorliegenden Ausführungsformen weniger als 15 % des Gesamtgewichts der Beschichtung nach Erhitzen auf 300 °C und für 60 Minuten.

Die Beschichtungen wurden auf Oberflächenmerkmale gegenüber der festen Tinte bewertet. Die Resultate sind nachfolgend in Tabelle 1 aufgeführt. Die Beschichtungen behielten einen hohen Kontaktwinkel nach Stapelbedingungen (290 °C/350 psi mit Teflon-Überzug) auf, die Druckklebebindungszyklen der Druckerkopf-Herstellung simulieren. Die gestapelten Beschichtungen hielten ebenfalls hohe Kontaktwinkel nach zwei Tagen /140 °C/CYMK-Tintentränkungsalterung aufrecht. Die Beschichtungen zeigten einen niedrigen Gleitwinkel auf, was auf eine niedrige Tintenanhaftung hindeutet. Ein Gleitwinkel von weniger als 30 Grad deutet typischerweise darauf hin, dass die Tinte wenig Anhaftung aufweist, die von der Oberfläche ohne Hinterlassen eines Rest zu reinigen ist. Beim Entnehmen von Teststücken aus Tintentränkungsstudien kam zusätzlich die Tinte sauber ab und es wurde kein Tintenrest auf den Beschichtungen beobachtet. Dies deutet darauf hin, dass die Tinte durch ein Wischblatt während den Wartungszyklen des Druckerkopfes sauber abgewischt werden kann. Tabelle 1

Beschichtung	TGA- % im 30–300 ºC Bereich (Auftreten von schwerem Zerfall)	Beschichtungsdicke und Massenverlust nach Aussetzen an 290 ºC für 30 min	Oberflächenmerkmal CA (Gleitwinkel (º)) zur festen Tinte
			Stapeln 290 ºC/350 psi/30 min	Stapeln + 2 Tage Einfärben bei 140 ºC
Beschichtung 1	1 % (316 C)	~3–5 %	61 (21)	60 (25)

Kurzdarstellung der Beschreibung
Die vorliegenden Ausführungsformen stellen neuartige Zusammensetzungen für thermal stabile, mechanisch robuste, oleophobe Anti-Benetzungsbeschichtungen sowie die Verfahren zur Herstellung der Beschichtung bereit. Die vorliegenden Ausführungsformen haben sich als besonders gut für Piezo-Druckerköpfe erwiesen. Die Anti-Benetzungsbeschichtung weist den erwünschten hohen Tintenkontaktwinkel und niedrigen Gleitwinkel bei ausgezeichneter Thermalstabilität auf. Diese Beschichtung zeigt ebenfalls eine sehr geringe Dicke und einen geringen Massenverlust nach Aussetzen an eine Temperatur von 290 ºC auf.
Die wie ursprünglich vorgelegten und eventuell geänderten Ansprüche umfassen Variationen, Alternativen, Modifikationen, Verbesserungen, Äquivalente und erhebliche Äquivalente der hierin offenbarten Ausführungsformen und Lehren, einschließlich denjenigen, die unvorhergesehen oder bisher unbeachtet sind und die noch z.B. von den Anmeldern/Patentnehmern und anderen entwickelt werden könnten. Falls nicht anderweitig in einem Anspruch, den Schritten oder Komponenten der Ansprüche angegeben, gelten oder beinhalten die Spezifikation oder jegliche der anderen Ansprüche in keiner bestimmten Reihenfolge, Zahl, Position, Größe, Form, Winkel, Farbe oder Material.
Sämtliche der Patente und Anmeldungen, auf die hierin verwiesen wird sind hiermit in ihrer Gesamtheit durch Bezug gänzlich in der vorliegenden Spezifikation enthalten.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2012/0044298 [0006]

Claims

Beschichtung für eine Tintenstrahl-Druckerkopf-Vorderfläche, wobei die Beschichtung folgendes umfasst: ein quervernetztes Dimethylmethyltrifluorpropylsiloxanpolymer, wobei die Beschichtung eine hohe Thermalstabilität aufweist, die durch einen Gewichtsverlust von weniger als etwa 15 Prozent nach Erhitzen auf eine Temperatur von 290 °C bei einem Druck von bis zu at 350 psi angezeigt ist.
Beschichtung nach Anspruch 1, wobei das quervernetzte Dimethylmethyltrifluorpropylsiloxanpolymer Wiederholungseinheiten der Formel I aufweist,
Formel I wobei a eine Ganzzahl zwischen 10 und 10.000 ist; und b eine Ganzzahl zwischen 1 und 1000 ist.
Beschichtung nach Anspruch 1, wobei ein Tropfen Ultraviolett-(UV) Geltinte oder ein Tropfen feste Tinte einen Kontaktwinkel von über etwa 40° aufweist.
Beschichtung nach Anspruch 1, wobei die Beschichtung einen Gleitwinkel von weniger als etwa 30° aufweist.
Beschichtung nach Anspruch 1, wobei die Beschichtung weniger als 15 % des Gesamtgewichts der Beschichtung nach Erhitzen auf 300 °C und für 60 Minuten verliert.
Beschichtung nach Anspruch 1, die einen Überlaufdruck von etwa 1,5 bis etwa 8 Zoll Wasser aufrechterhält.
Beschichtung nach Anspruch 1, wobei das quervernetzte Fluorsilikonpolymer in einer Menge von etwa 10 bis etwa 100 Gewichtsprozent des Gesamtgewichts der gehärteten Beschichtung anwesend ist.
Beschichtung für eine Tintenstrahl-Druckerkopf-Vorderfläche, wobei die Beschichtung folgendes umfasst: ein quervernetztes Dimethylmethyltrifluorpropylsiloxanpolymer umfasst Wiederholungseinheiten der Formel I
Formel I wobei a eine Ganzzahl zwischen 10 und 1000 ist; und b eine Ganzzahl zwischen 1 und 500 ist, wobei ein Tropfen UV-Geltinte oder ein Tropfen feste Tinte einen Kontaktwinkel von über etwa 40° mit der Oberfläche der Beschichtung aufweist, nachdem die Beschichtung einer Temperatur von bis zu 290 °C für wenigstens 30 Minuten ausgesetzt worden ist.
Verfahren zum Bilden einer oleophoben Anti-Benetzungsbeschichtung für eine Tintenstrahl-Druckerkopf-Vorderfläche, umfassend: Beschichten einer Reaktionsmittelmischung, umfassend ein Polymer, das Vinylgruppen und ein Quervernetzungsmittel enthält, das Si-H Gruppen beinhaltet, auf einem Substrat; Aussetzen der beschichteten Reaktionsmittelmischung an eine Aushärtungsbehandlung bei einer ersten Temperatur.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Polymer, das die Vinylgruppen und ein Quervernetzungsmittel, beinhaltend Si-H-Gruppen, enthält, in einem Gewichtsverhältnis von etwa 20:1 bis etwa 5:1 reagiert werden.