DE3919620A1 - Verfahren zur hydrophoben beschichtung einer oberflaeche - Google Patents

Description

Eine hydrophobe also nicht benetzende Oberfläche kann bei vie­ len Gebrauchsgegenständen, technischen Geräten oder anderem erwünscht oder gar erforderlich sein. Eine wasserabweisende Be­ schichtung oder Behandlung wird beispielsweise bei verschiede­ nen Textilien durchgeführt, um ein Naßwerden des Gewebes zu verhindern. Bei metallhaltigen Oberflächen kann eine wasserab­ weisende Beschichtung die Korrosion aufhalten oder gar verhin­ dern, beispielsweise bei metallischen Karosserieteilen von Fahrzeugen, die ständig der Witterung ausgesetzt sind.

Auch technische Gründe können eine hydrophobe Beschichtung er­ fordern. Dies ist zum Beispiel immer dann nötig, wenn der Me­ niskus einer insbesondere kleinen Flüssigkeitsmenge kontrol­ liert, bzw. die Phasengrenze dieser Flüssigkeitsmenge mit der Oberfläche minimiert werden soll. So ist beispielsweise bei den Druckköpfen von Tintenstrahlaufzeichnungsgeräten das Be­ netzungsverhalten gegenüber der Tinte von größter Bedeutung für die erzielbare Druckqualität. Bei diesen Geräten werden Zeichen oder beliebige auch graphische Muster auf einem Auf­ zeichnungsträger dadurch dargestellt, daß aus dem Druckkopf einzelne Tintentröpfchen auf den Aufzeichnungsträger aufge­ schleudert werden. Durch Abstimmung zwischen dem Ausstoß von Einzeltröpfchen und einer Relativbewegung zwischen dem Auf­ zeichnungsträger und dem Druckkopf können so beliebige Muster erzeugt werden.

Die Qualität der Aufzeichnung hängt in hohem Maße von der Gleichmäßigkeit des Tröpfchenausstosses ab. Die Tröpfchen müs­ sen eine definierte Größe besitzen und jeweils mit gleicher Geschwindigkeit die Düse des Druckkopfes verlassen. Dazu müs­ sen die zu den Düsen des Druckkopfes führenden Tintenkanäle gut von der Tinte benetzbar sein, nicht aber die Oberflächen­ bereiche der sogenannten Mündungsplatte in die diese Kanäle münden, bzw. in der die Düsen angeordnet sind. Eine gut be­ netzende Oberfläche um eine Düse herum erhöht die Gefahr, daß Tinte aus der Düse ausläuft und eine Tintenlache bildet. Im Extremfall kann sich eine solche Lache über mehrere Düsenöff­ nungen erstrecken und somit das gezielte Abschleudern eines Einzeltröpfchens verhindern. Auf jeden Fall sind Größe und Ab­ stoßgeschwindigkeit der Tintentröpfchen bei einer zu gut be­ netzenden Oberfläche der Mündungsplatte nicht mehr exakt kon­ trollierbar. Dies führt zu einer Verschlechterung der Druck­ qualität.

Zur Erzeugung einer nicht benetzenden Oberfläche wird zum Bei­ spiel in der US-PS 37 47 120 vorgeschlagen, die Schreibköpfe mit einem Silikonöl zu behandeln. Ebenfalls mit einem silizium­ haltigen Mittel, nämlich mit einem fluorhaltigen Silan, werden Druckköpfe gemäß der DE-OS 30 47 835 hydrophobiert. Beide Mit­ tel zeigen jedoch nur ein mäßiges Haftvermögen auf den Materia­ lien, aus denen die Düsenöffnung gebildet wird (zum Beispiel Glas, Keramik oder Metall). So verflüchtigt sich die hydropho­ be Wirkung mit zunehmender Betriebsdauer, da die Beschichtung von der Tinte weggewaschen wird. Insbesondere gegenüber Tinten, die mehr organische Lösungsmittel enthalten, wird mit der Zeit eine deutliche Verschlechterung der Abstoßungskräfte beobach­ tet.

Auch das Verfahren selbst, mit dem eine solche hydrophobe Ober­ fläche erzeugt wird, ist mit Nachteilen verbunden. So werden die bekannten flüssigen Hydrophobierungsmittel durch Tauchen oder Besprühen der Oberfläche aufgebracht. Dabei besteht immer die Gefahr, daß das Mittel infolge von Kapillarkräften auch in die Tintenkanäle eindringt und diese mit einer hydrophoben Schicht belegt. Da dies beim Druckbetrieb die Funktionsfähig­ keit eines solchen Druckkopfes beeinträchtigt, muß das Eindrin­ gen des Hydrophobierungsmittels in die Tintenkanäle durch be­ sondere Maßnahmen vermieden werden. Beispielsweise werden dazu die Tintenkanäle mit Quecksilber oder anderen flüssigen Medien gefüllt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zum Behandeln einer Oberfläche anzugeben, bei dem diese mit einer fest haftenden hydrophoben Beschichtung versehen wird, welche sowohl gegenüber wäßrigen als auch organischen Lösungs­ mitteln beständig ist. Auch soll das Verfahren so anwendbar sein, daß beispielsweise die Tintenkanäle von Druckköpfen von der Behandlung ausgespart und somit benetzbar bleiben.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Kör­ per aus Silikonkautschuk gegen die zu beschichtende Oberfläche gedrückt wird und dann eine Relativbewegung zwischen dem Kör­ per und der Oberfläche durchgeführt wird, bei der die zu be­ schichtenden Bereiche der Oberfläche mit dem Körper zumindest einmal gegeneinander gerieben werden.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung beruht auf der überraschenden Entdeckung, daß durch Reiben mit einem Körper aus einem beliebigen Silkonkaut­ schukmaterial auf beliebigen Oberflächen hydrophobe Schichten erzeugt werden können. Durch mehrfaches Reiben mit dem Körper läßt sich die hydrophobe Wirkung verstärken. Derart behandelte Oberflächen wirken nicht nur gegenüber wäßrigen, sondern auch gegenüber organischen Lösungsmitteln abstoßend und werden da­ her von diesen Lösungsmitteln bzw. Lösungen in diesen Flüssig­ keiten nicht benetzt. Durch eine thermische Nachbehandlung, zum Beispiel eine 10 minütige Temperung bei 110°C, läßt sich die Haltbarkeit der hydrophoben Schicht verlängern. Ein derart behandelter Tintenstrahldruckkopf zeigt selbst nach vierwöchi­ ger Lagerung in Tinte bei 50°C ein nahezu unverändertes Benet­ zungsverhalten gegenüber Tinte. Dies äußert sich zum Beispiel in einem ebenfalls nahezu unveränderten Benetzungswinkel. Die­ ser stellt ein Maß für die hydrophobe Wirkung dar und bezeich­ net den Winkel, den ein Flüssigkeitstropfen im Kontakt zu einer Oberfläche ausbildet. Je abstoßender die Wechselwirkungen zwi­ schen der Flüssigkeit der Oberfläche, bzw. dem Material der Oberfläche sind, umso größer ist der Benetzungswinkel.

Für nach dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelte Oberflächen werden Benetzungswinkel von mehr als 90° gemessen. Dies über­ trifft deutlich diejenigen Werte, die an nach bekannten Verfah­ ren behandelten Oberflächen gemessen wurden.

Die erfindungsgemäß erzeugte hydrophobe Wirkung beruht auf einer zusätzlichen, durch das Verfahren auf die Oberfläche übertragenen Schicht, bzw. aus der ursprünglichen Oberfläche, die entsprechend chemisch verändert wird. Es handelt sich dabei um die Übertragung von siliziumhaltigen Resten aus dem Silikonkautschuk auf die zu beschichtende Oberfläche, wobei diese Reste durch die Temperung eine feste chemische Anbindung an die Oberfläche erfahren. Entsprechend der Menge der über­ tragenen siliziumhaltigen Reste kann von einer eigenständigen Schicht oder von einer behandelten Oberfläche gesprochen wer­ den. Für das Funktionieren des Verfahrens ist es dabei nicht notwendig, daß im Silikonkautschuk entsprechend freie bzw. nicht gebundene und daher leicht übertragbare siliziumhaltige Reste vorhanden sind. Vielmehr ist auch die Abspaltung und Übertragung von fest an den Silikonkautschuk gebundenen Resten auf die mit dem Silikonkautschuk geriebene Oberfläche möglich.

Eine Erleichterung erfährt das Verfahren in einer erfindungs­ gemäßen Ausgestaltung durch vorheriges Tränken des Silikon­ kautschuks mit einem siliziumhaltigen Öl (zum Beispiel Sili­ konöl). Eine weitere Verbesserung der hydrophoben Wirkung wird bei Verwendung eines fluorhaltigen Silikonöls zur Tränkung des Silikonkautschuks erzielt, läßt sich aber auch mit einem fluor­ haltigen Silikonkautschuk bewirken. Durch das Tränken werden bereits natürlicherweise im Silikonkautschuk vorhandene Poren mit dem entsprechenden siliziumhaltigen Öl gefüllt.

Den gleichen Effekt erzielt man bei Verwendung sogenannter selbstschwitzender Silikonkautschuke, die aufgrund des Herstel­ lungsprozesses noch freie und ungebundene, quasi flüssige Pha­ sen von siliziumorganischen Verbindungen aufweisen.

Das Schwitzverhalten eines mit Öl getränkten Silikonkautschuks wird durch dessen Verträglichkeit mit dem entsprechenden Öl bestimmt. Eine gute Verträglichkeit, zum Beispiel eine chemi­ sche Strukturverwandtschaft, führt zu einem Aufquellen des Si­ likonkautschuks und zu einer nur langsamen Wiederabgabe durch Schwitzen. Entsprechend werden schlecht verträgliche Öle beim Tränken nur in den Poren aufgenommen und leicht wieder aus diesen ausgeschwitzt.

Gewünscht ist eine nicht zu gute Verträglichkeit, um das be­ reits erwähnte Quellen des Kautschuks zu vermeiden bzw. um bei schlechter Verträglichkeit ein leichteres Ausschwitzen zu erzielen.

Für die Durchführung des Verfahrens selbst ist die Verwendung eines Füllstoffes bzw. die Auswahl des Füllstoffes ohne Bedeu­ tung. Jedoch lassen sich durch den Füllstoff die mechanischen Eigenschaften zum Beispiel Härte, Zugfestigkeit oder Elastizi­ tät des Kautschuks gezielt verändern. Daher können vorteil­ hafterweise die Materialeigenschaften des Silikonkautschuks auf die entsprechende zu beschichtende bzw. zu behandelnde Oberfläche eingestellt werden.

Der Körper aus Silikonkautschuk kann in seiner geometrischen Form an die zu beschichtende Oberfläche angepaßt werden. Bei nicht ebenen Oberflächen kann der Körper zum Beispiel das gleiche Profil wie die Oberfläche aufweisen. Form und Größe der Kontaktfläche zwischen Körper und Oberfläche können dann von Bedeutung sein, wenn nicht die gesamte Oberfläche hydro­ phob beschichtet werden soll, sondern nur bestimmte Bereiche. Eine kleinere bzw. passend geformte Kontaktfläche erlaubt das Aussparen bestimmter Oberflächenbereiche von der Beschichtung, während eine größere Kontaktfläche die Beschichtung beschleu­ nigt. In jedem Fall ist Silikonkautschuk ein Material, aus dem sich in einfacher Weise beliebig geformte Körper herstellen lassen.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren tritt die zu beschichtende Oberfläche in keinem Stadium des Verfahrens mit einer flüssi­ gen Phase in Kontakt. Dies ist insbesondere bei der Beschich­ tung von Tintenstrahlaufzeichnungsköpfen von Vorteil. Die Be­ schichtung findet ausschließlich in "fester Phase" statt und erfordert so keine besonderen Vorkehrungen, um ein Eindringen des "Hydrophierungsmittels" in, bzw. eine hydrophobe Beschich­ tung der Tintenkanäle bzw. der Seitenwände der Tintenkanäle zu verhindern.

Im folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand eines Ausführungsbeispiels und der dazugehörigen Figur näher erläu­ tert. Dabei zeigt die Figur eine Vorrichtung, mit der insbesondere Tintenstrahl­ aufzeichnungsköpfe in einfacher Weise mit dem Körper gerieben werden können.

Ausführungsbeispiel

Ein Tintenstrahlaufzeichnungskopf kann einen Dünnschichtaufbau aufweisen, der zum Beispiel aus den Schichten Aluminium, Sili­ zium, Siliziumoxid, Acrylat und Glas besteht. Mehrerer solcher Aufzeichnungsköpfe 3 werden nun in einer Läpp-Apparatur mit einem Silikonkautschukkörper 1 (zum Beispiel Shore 30, Firma Rehau), welcher auf einer Metallschiene 2 aufgeklebt ist, eine Minute lang poliert. Dabei sind die Aufzeichnungsköpfe 3 in einer Halterung 4 befestigt, welche parallel zur Oberfläche des hier als Platte ausgebildeten Silikonkautschukkörpers 1 eine kreisende Bewegung ausführt. Da nur eine Relativbewegung zwischen Körper 1 und Aufzeichnungsköpfen 3 erforderlich ist, kann auch die Halterung 4 ruhen und die Metallschiene 2 mit dem darauf montierten Silikonkautschukkörper 1 bewegt werden. Anschließend werden die Aufzeichnungsköpfe 3 einer 10 minüti­ gen Temperung bei 110°C unterzogen.

Die Aufzeichnungsköpfe weisen nun eine hydrophobe Beschichtung auf, die gegenüber einer zum Beispiel 80 Gewichtsprozent Was­ ser enthaltenden Tinte einen Benetzungswinkel von mehr als 90° ausbildet. Nach einer viertägigen Lagerung bei 50°C in der ge­ nannten Tinte ist die am Benetzungswinkel gemessene hydrophobe Wirkung der beschichteten Oberfläche ebenso wie die Funktions­ fähigkeit der Aufzeichnungsköpfe nicht beeinträchtigt. Dies zeigt die überlegene Wirkung des erfindungsgemäßen Verfahrens, das - obwohl vorteilhaft bei Tintenstrahlaufzeichnungsköpfen angewandt - nicht auf diese beschränkt ist. Schon die verschie­ denen Schichten des Dünnschichtaufbaus der Tintenstrahlauf­ zeichnungsköpfe ergeben einen repräsentativen Querschnitt über die Materialien, aus denen hydrophob zu beschichtende Oberflä­ chen bestehen können. Anwendungen des Verfahrens sind daher in den verschiedensten Bereichen der Technik möglich.

Claims (11)

1. Verfahren zur hydrophoben Beschichtung einer Oberfläche, bei dem ein Körper (1) aus Silkonkautschuk gegen die zu be­ schichtende Oberfläche (3) gedrückt wird und dann eine Rela­ tivbewegung zwischen dem Körper (1) und der Oberfläche (3) durchgeführt wird, bei der die zu beschichtenden Bereiche der Oberfläche mit dem Körper (1) zumindest einmal gegeneinander gerieben werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die zu beschichtenden Oberflächenberei­ che während der Relativbewegung mehrfach mit dem Körper (1) gerieben werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Oberfläche (3) nach dem Reiben thermisch behandelt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß bei einer Temperatur von 80 bis 150°C thermisch behandelt wird.

5. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß der Körper (1) in seiner geometrischen Form der zu beschichtenden Oberfläche (3) angepaßt ist.

6. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß für den Körper (1) ein gefüllter Silikonkautschuk verwendet wird.

7. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß ein Fluorsili­ konkautschuk verwendet wird.

8. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß der Körper (1) aus Silikonkautschuk mit Silkonöl getränkt wird, bevor er gegen die Oberfläche (3) gerieben wird.

9. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß der Körper mit einem fluorhaltigen Öl getränkt wird, bevor er gegen die Ober­ fläche (3) gerieben wird.

10. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein selbst­ schwitzender Silikonkautschuk verwendet wird.

11. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Ober­ fläche eines Tintenstrahlaufzeichnungskopfes (3) hydrophob be­ schichtet wird.