DE4019539A1 - Verfahren zum erzeugen einer dauerhaften entnetzenden beschichtung - Google Patents

Description

Eine entnetzende Beschichtung ist überall dort erforderlich, wo eine Oberfläche hydrophob oder allgemein hydrophober gemacht werden soll. In anderen Fällen sind Oberflächen ge­ wünscht, die auch von unpolareren Flüssigkeiten nicht oder schlecht benetzt werden.

Auf metallischen Oberflächen, insbesondere auf der Witterung ausgesetzten Karosserieteilen von Fahrzeugen wird die Korro­ sion durch eine wasserabweisende Beschichtung unterdrückt. Bei Textilien und Papier verhindert eine entsprechende Oberfläche deren Naßwerden, während eine wasserabweisende Fenster- oder Fahrzeugscheibe die Sicht bei feuchter Witterung verbessert.

Auch eine exakte Handhabung und Kontrolle geringer Flüssigkeits­ mengen kann entnetzte Oberflächen erfordern, zum Beispiel um einen Meniskus zu erzeugen oder um zwischen flüssigkeitsführen­ den und anderen Bereichen zu unterscheiden. Beispielsweise Druckköpfe von Tintenstrahlaufzeichnungsgeräten müssen ein genau definiertes Benetzungsverhalten aufweisen, damit eine hohe und reproduzierbare Druckqualität garantiert ist. Die vom Druckkopf abzuschleudernden Tintentröpfchen müssen eine defi­ nierte Größe besitzen und mit jeweils gleicher Geschwindigkeit die Düse des Druckkopfes verlassen. Dazu müssen die Tintenka­ näle und Düsen des Druckkopfes gut von Tinte benetzbar sein, nicht aber außerhalb der Düse gelegene Oberflächenbereiche auf der Mündungsplatte eines Druckkopfes. Für hohe Schreibgeschwin­ digkeiten und die dazu nötigen hohen Tröpfchenausstoßfrequen­ zen bis 4 kHz und mehr ist ein sogenanntes Antitrielverhalten dieser Oberflächenbereiche gefordert, welches sich bei Rand­ winkeln (Benetzungswinkeln) von über 90° einstellt.

In der US-PS 37 47 120 wird 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 hydrophob gemacht. Aus der US-PS 34 44 225 ist ein Polysiloxan bekannt, mit dem eine wasserabweisende Beschichtung von Textilien und Papier erzeugt werden kann.

Nachteil der genannten Entnetzungsmittel und der Verfahren zur Erzeugung einer entnetzenden Oberfläche ist die relativ geringe Haftung dieser Mittel auf insbesondere Metallen. Beispielsweise auf aus Nickel bestehenden Mündungsplatten von Tintenstrahlauf­ zeichnungsköpfen aufgebrachte entnetzende Beschichtungen wer­ den mit der Zeit von der Tinte unterwandert und lösen sich ab. Andere Beschichtungen werden mit der Zeit abgewaschen oder sind chemisch nicht beständig gegen Tinten. Eine schlechte Haftung einer entnetzenden Beschichtung kann außerdem als weiteren Nachteil deren Kriechen in unerwünschte Bereiche, beispiels­ weise in die Tintenkanäle zur Folge haben.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren anzugeben, mit dem eine dauerhafte entnetzende Beschichtung einer beliebigen Oberfläche erzeugt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Schritten:

• a) Aufbringen eines dünnen Films eines Silikonöls auf eine zu entnetzende Oberfläche,
• b) Behandeln des Films in einem Plasma, bis eine gewünschte chemische Vernetzung des Films erreicht ist.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die erfindungsgemäße entnetzende Beschichtung läßt sich auf verschiedene Weise und in einfachen Verfahren durchführen und erlaubt die Beschichtung einer beliebig geformten und aus einem beliebigen Material bestehenden Oberfläche. Die gewünsch­ te Schichtdicke der entnetzenden Beschichtung kann je nach Art der Aufbringung des Films durch Variation eines Parameters ein­ gestellt werden, zum Beispiel in Abhängigkeit von der Viskosi­ tät des Silikonöls.

Für das Verfahren kann ein beliebiges Silikonöl verwendet wer­ den, da dessen Vernetzung im Plasma keiner besonderen chemi­ schen Gruppen bedarf. Üblicherweise besteht ein Silikonöl aus Polydialkylsiloxanen gleicher oder unterschiedlicher Kettenlän­ ge.

Auf mit Silikonöl beschichteten Oberflächen werden bereits ohne Vernetzung Rand- oder Benetzungswinkel bis 110° gemessen. Den gleichen Wert zeigt ein erfindungsgemäß chemisch vernetzter Film, der jedoch gegenüber dem reinen Silikonöl eine stark ver­ besserte Haftung auf beliebigen Oberflächen, insbesondere auf Metall aufweist und bei dem kein Kriechverhalten des Films mehr beobachtet wird, im Gegensatz etwa zu der Beschichtung mit reinem Silikonöl.

Zur entnetzenden Beschichtung von metallischen Oberflächen wird zum Beispiel ein Silikonöl ausgewählt, welches Polydime­ thylsiloxan enthält. Sind im Silikonöl Polysiloxane mit maxi­ mal 8 Siliziumatomen enthalten, so kann der Film in der Gas­ phase aufgebracht werden. Bei Temperaturen bis 200°C besitzen diese kurzkettigen Polysiloxane einen ausreichend hohen Dampf­ druck, um in einer vernünftigen Geschwindigkeit eine entspre­ chende Schichtdicke des Films auf der zu entnetzenden Oberflä­ che zu erzeugen. Es ist auch möglich, den Film durch Aufsprü­ hen, Aufstempeln oder Aufstreichen aufzubringen. Die besten Ergebnisse jedoch zeigt ein Tauchverfahren, mit welchem eine beliebig geformte Oberfläche beschichtet werden kann. Vorteil­ haft wird dazu eine Lösung des Silikonöls in einem geeigneten Lösungsmittel verwendet. Bei gegebener Viskosität des Silikon­ öls läßt sich die Viskosität der Lösung über die Konzentration der Lösung einstellen. Nach dem Tauchen läuft die Lösung ab und hinterläßt einen Silikonölfilm, dessen Schichtdicke nur von der Viskosität bzw. der Konzentration der Lösung abhängig ist. Mit einer 5%igen Lösung eines Silikonöls in Testbenzin wird so zum Beispiel ein Silikonölfilm erzeugt, der ohne wei­ tere Maßnahmen eine konstante Schichtdicke von ca. 2 µm auf­ weist.

Geeignete Schichtdicken für eine entnetzende Beschichtung mit vernetztem Silikonöl werden zwischen 50 nm und 2 µm gewählt. Aus derart dünnen Filmen dampft ein gegebenenfalls verwende­ tes Lösungsmittel sofort ab und kann nötigenfalls durch kurz­ zeitige Erwärmung der beschichtenden Oberfläche bzw. des Kör­ pers mit der beschichteten Oberfläche entfernt werden.

Sollen von einer gegebenen Oberfläche nur bestimmte Bereiche, beispielsweise bei der Mündungsplatte eines Tintenstrahldruckers dessen Düsen und Tintenkanäle nicht entnetzt oder nicht ent­ netzend beschichtet werden, sind weitere Maßnahmen zum Schutz dieser Bereiche vorzunehmen. Wird der Silikonölfilm gezielt in zu entnetzenden Bereichen aufgebracht, so muß der Film nach möglichst kurzer Zeit einer Plasmabehandlung unterzogen werden. Dadurch wird verhindert, daß der Silikonölfilm in nicht er­ wünschte und nicht zu entnetzende Bereiche der Oberfläche kriecht. Der vernetzte Film weist keinerlei Kriecheigenschaf­ ten mehr auf.

Bei entnetzender Beschichtung der Mündungsplatte eines Tin­ tenstrahlaufzeichnungskopfes können die Tintenkanäle mit festen oder flüssigen Medien verschlossen werden. Bei einer Beschich­ tung in der Dampfphase kann ein Gasstrom durch die Tintenkanä­ le deren Entnetzung verhindern.

Mündungsplatten für Tintenstrahldrucker können aus massiven Nickelplatten bestehen. Als Düsenöffnungen weisen sie kreisför­ mige Durchbrechungen mit ca. 60 bis 150 µm Durchmesser auf. Deren Innenwände können in einfacher Weise vor Beschichtung mit Silikonöl geschützt werden, indem von hinten eine weiche flexible Kunststoffolie angedrückt wird, beispielsweise durch Anlegen eines Über- oder Unterdruckes.

Zur Vernetzung des Silikonölfilms wird ein sauerstoffhaltiges Plasma verwendet. Die Art der Plasmaanregung, beispielsweise durch Mikrowellen oder ein elektromagnetisches hochfrequentes Wechselfeld ist zur Erzielung des gewünschten Zweckes unerheb­ lich. Vorteilhaft werden daher Normalbedingungen bezüglich der Zusammensetzung der Plasmaatmosphäre, des Druckes und der Tem­ peratur gewählt. Energiedichte und Sauerstoffgehalt des Plas­ mas beeinflussen die Expositionszeit, die zum Erreichen eines gewünschten Vernetzungsgrades benötigt wird. Diese liegt bei­ spielsweise zwischen 10 und 1200 Sekunden.

Eine weitere Verkürzung der Expositionszeit bzw. eine schnel­ lere Vernetzung wird erreicht, wenn ein Silikonöl mit höher­ molekularen Polysiloxanen gewählt wird, deren Ketten bei­ spielsweise 15 und mehr Siliziumatome enthalten.

Zur Entnetzung von hydrophilen Oberflächen wie zum Beispiel Glas wird eine bessere Haftung des vernetzten Silikonölfilms erreicht, wenn Polysiloxane mit hydrophilen Endgruppen im Si­ likonöl enthalten sind. Dies können zum Beispiel sein: Hydroxyl-, Carboxyl-, Amino-, Amid- oder Isocyanatgruppen. Diese verstärken die Wechselwirkungen zur damit beschichteten Oberfläche und können teilweise sogar chemisch daran angebun­ den werden. Eine Verwendung von fluorhaltigen Silikonölen ist ebenfalls möglich, erfordert aber ein höherenergetisches Plas­ ma und erzeugt einen vernetzten Film, dessen Eigenschaften sich nur unwesentlich von einem solchen unterscheiden, der aus normalem, nicht fluoriertem Silikonöl erzeugt wird.

Auch bezüglich der Chemikalienbeständigkeit ist keine Modifi­ zierung der Polysiloxane erforderlich. Bereits "normales" Polydimethylsiloxan zeigt eine ausgezeichnete Beständigkeit gegen Tinten bzw. die in Tinten verwendeten Lösungsmittel. Gegenüber einem fluorhaltigen Polysiloxan oder gar einem fluor­ haltigen Silan, wie es zum Beispiel in der DE-OS 30 47 835 zur Entnetzung von Oberflächen vorgeschlagen wird, zeigt es außer­ dem deutliche Kostenvorteile. Im Handel erhältliche einfache Silikonöle enthalten üblicherweise eine Mischung von Polysilo­ xanen verschiedener Kettenlängen. Teurer sind raffinierte Si­ likonöle, die einheitliche Kettenlängen aufweisen. Obwohl das erfindungsgemäße Verfahren mit beliebigen Silikonölen durchzu­ führen ist, werden jedoch bevorzugt raffinierte Öle mit Ketten­ längen von mehr als 15 Siliziumatomen eingesetzt, vor allem wegen der besseren und schnelleren Vernetzung im Plasma.

Das erfindungsgemäße Verfahren stellt gegenüber bekannten Ver­ fahren die bisher beste Methode dar, Metalloberflächen mit einer dauerhaften entnetzenden Beschichtung zu versehen, die außerdem abriebfest ist und zum Beispiel einem während des Be­ triebs von Tintenstrahlaufzeichnungsköpfen in bestimmten In­ tervallen nötigen Wischen mit einem Gummiwischer widersteht. Außer auf metallischen Oberflächen ist das Verfahren noch auf solchen Materialien von besonderem Vorteil, die weder polare noch reaktive Gruppen zur Anlagerung oder chemischen Anbindung eines Entnetzungsmittels aufweisen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von drei Figuren noch näher erläutert.

Dabei zeigt

die Fig. 1 eine Mündungsplatte mit zu entschichtender Ober­ fläche,

die Fig. 2 eine Mündungsplatte mit darauf aufgebrachtem Sili­ konölfilm im Querschnitt und

die Fig. 3 eine Vorrichtung zur Plasmabehandlung.

Fig. 1: Eine aus Nickel bestehende Mündungsplatte 1 für einen Tintenstrahlaufzeichnungskopf weist mehrere rasterartig ange­ ordnete Durchbrechungen 3 mit kreisförmigem Querschnitt auf. Diese stellen die späteren Düsen des Aufzeichnungskopfes dar, messen beispielsweise 120 µm im Durchmesser und sind galvano­ plastisch hergestellt.

Zum Aufbringen eines Silikonölfilms wird eine 5%ige Lösung eines Polydimethylsiloxan (zum Beispiel DC 510 Fluid, Dow Corning) im Testbenzin hergestellt. Zunächst werden aber die Düsen 3 in geeigneter Weise verschlossen und die Mündungs­ platte 1 schließlich mit ihrer Oberfläche kurz in die Lösung eingetaucht. Beim Herausnehmen fließt die überschüssige Lösung ab, das Lösungsmittel des verbleibenden Films verdampft und hinterläßt einen Silikonölfilm mit einer gleichmäßigen Schicht­ dicke von ca. 2 µm. In Fig. 2 ist die derart beschichtete Mün­ dungsplatte 1 im Querschnitt gezeigt (entsprechend der Schnitt­ kante 2 in Fig. 1). Die Mündungsplatte 1 ist nur auf der Oberfläche mit einem Silikonölfilm 5 bedeckt die Düsen bzw. Durchbrechungen 3 sind von Vernetzungsmittel freigeblieben.

Fig. 3 zeigt eine Vorrichtung zur Plasmabehandlung derart be­ schichteter Mündungsplatten im Querschnitt. Ein derartiger Plasmareaktor weist beispielsweise ein Gehäuse 9 auf, in dem zwei flächige Elektroden 7 und 8 in geringem Abstand überein­ ander waagrecht angeordnet sind. Auf die untere Elektrode 7 werden nun die zu behandelnden Substrate 6, beispielsweise mit Silikonölfilm 5 beschichtete Mündungsplatten 1, gelegt. Im Plasmareaktor werden die gewünschten Bedingungen bezüglich Plasmaatmosphäre Druck und Temperatur eingestellt. In einer einfachen Ausführungsform der Erfindung ist dieser Schritt überflüssig, da normale, das heißt atmosphärische Bedingungen und Raumtemperatur gewählt werden. Nun wird das Plasma gezün­ det, beispielsweise durch Anlegen einer hochfrequenten Wech­ selspannung an die Elektroden 7 und 8. Die im Megahertzbereich oszillierende Spannung kann an beide Elektroden 7, 8 angelegt werden. In der Fig. 3 ist eine Ausführung dargestellt, bei der die die Substrate 6 tragende untere Elektrode 7 geerdet ist und die Wechselspannung lediglich an die obere Elektrode 8 angelegt ist. Im gezündeten sauerstoffhaltigen Plasma er­ folgt nun ein Beschuß der Substrate 6 mit Sauerstoffionen. Da­ durch werden im Silikonölfilm durch Ionisierung und Fragmen­ tierung reaktive Gruppen in den Polysiloxanen erzeugt, die nun ihrerseits miteinander eine chemische Verbindung eingehen kön­ nen. Polysiloxanmoleküle werden so untereinander vernetzt so daß sich im Idealfall aus dem Silikonölfilm ein einheitliches Polymer bildet. Ist ein bestimmter Vernetzungsgrad erreicht, werden die Substrate aus dem Plasmareaktor herausgenommen. Die Beschichtung aus vernetztem Silikonöl weist eine hohe Abrieb­ festigkeit auf, ist auch bei längerer Lagerung in bzw. unter Tinte gegen diese beständig und zeigt ein gutes Antitrielver­ halten mit Benetzungswinkeln größer 90°. Tintenstrahlaufzeich­ nungsköpfe mit erfindungsgemäß entnetzend beschichteten Mün­ dungsplatten haben auch bei hohen Spritzfrequenzen von mehr als 4 kHz eine zum Beispiel über 100 000 Abspritzvorgänge konstante Druckqualität, die auf dem gleichbleibend guten und daher dauerhaften Antitrielverhalten der erfindungsgemäß entnetzten Oberflächen beruht. Der vernetzte Film ist außerdem frei von gegenüber elektrischen Kontakten schädlichen Ausschei­ dungen.

Claims (14)

1. Verfahren zur entnetzenden Beschichtung einer Oberfläche mit folgenden Verfahrensschritten

• a) Aufbringen eines dünnen Films eines Silikonöls auf eine zu entnetzende Oberfläche,
• b) Behandeln des Films in einem Plasma, bis eine gewünschte chemische Vernetzung des Films erreicht ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Silikonöl Polysiloxane enthält.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Silikonöl Polydimethylsi­ loxan enthält.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Polydimethylsiloxan hydrophile End­ gruppen aufweist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Film durch Aufdampfen in der Gasphase aufgebracht wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Film durch Aufstempeln aufgebracht wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Film durch Eintauchen der zu entnetzenden Oberfläche in eine Lösung des Silikonöls aufgebracht wird.

8. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Film in einer Dicke von 50 nm bis 2 µm aufgebracht wird.

9. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Film mit einem sauerstoffhaltigen Plasma behandelt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Plasma neben dem Sauerstoff noch ein Inertgas enthält.

11. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Plasma­ behandlung bezüglich Druck und Temperatur bei Normalbedingungen durchgeführt wird.

12. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß mit einem Hochfrequenzplasma behandelt wird.

13. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die ent­ netzende Beschichtung auf der Mündungsplatte eines Tintenstrahl­ druckkopfes als Oberfläche aufgebracht wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch ge­ kennzeichnet, daß vor dem Aufbringen des Films die nicht zu entnetzenden Tintenkanäle der Mündungsplatte ver­ schlossen werden.