DE4229433C2

DE4229433C2 - Verfahren zur Hydrophobierung der Stirnflächen von Tintendruckköpfen

Info

Publication number: DE4229433C2
Application number: DE19924229433
Authority: DE
Inventors: Michael Dipl Chem Steinhauser; Kaspar Dipl Chem Dr Weingand; Joerg Dipl Phys Zapf
Original assignee: Eastman Kodak Co
Current assignee: Eastman Kodak Co
Priority date: 1992-09-03
Filing date: 1992-09-03
Publication date: 1996-12-05
Anticipated expiration: 2012-09-04
Also published as: DE4229433A1

Description

Bei Tintenschreibeinrichtungen erfolgt der Ausstoß von Einzeltröpfchen aus den Austrittsöffnungen eines Tintendruckkopfes unter der Einwirkung von indi viduell ansteuerbaren Antriebselementen. Als Antriebselemente können bei spielsweise aus Piezokeramik bestehende Röhrchen verwendet werden, welche die Tintenkanäle zylindrisch erfassen. Ein Beispiel dafür ist in der DE 35 00 820 A1 beschrieben. Bei den sog. Bubble-Jet-Tintendruckköpfen werden als Antriebselemente Heizelemente verwendet, die die Flüssigkeit im Tintenkanal aufheizen und durch die Bildung von Bläschen den Ausstoß bewir ken. Ein Beispiel dafür ist in der DE 29 43 164 A1 beschrieben.

Bei Druckköpfen von Tintenschreibeinrichtungen kommt es darauf an, die aus den Tintenausstoßkanälen ausgestoßenen Einzeltröpfchen von der Stirnfläche zu lösen. Auf den Stirnflächen der Tintendruckköpfe abgelagerte Tintentröpf chen führen zu Schrägspritzern und damit zu Fehlstellen im Druckbild. Solche Ablagerungen werden beispielsweise dadurch verhindert, daß die Stirnflächen der Kopfteile auf der Seite der Austrittsöffnungen der Tintenausstoßkanäle für die Tinte nicht benetzbar gestaltet sind. Ein derartiges Vorgehen vermeidet außerdem, daß bei ruhiggestellter Schreibeinrichtung Tinte aus den Tintenaus stoßkanälen ausfließt und der Tintendruckkopf trielt. Unter Trielen versteht man dabei das Ansammeln von Tinte auf der Stirnfläche eines Tintendruck kopfes, wobei dieses Ansammeln sowohl im Betrieb als auch im Stillstand der Tintenschreibeinrichtung auftreten kann.

Bei der üblichen Verwendung wäßriger Tinten ist es auch bereits bekannt, die Stirnflächen der Kopfteile auf der Seite der Tintenaustrittsöffnungen wasserab stoßend zu machen. Eine Hydrophobierung wird dabei dadurch erreicht, daß die Oberflächen silanisiert werden, d. h. daß durch die Behandlung der vor zugsweise aus Glas, Quarz, Oxidkeramik oder auch Silizium bestehenden Kopfteile mit einem Silylierungsmittel wie Trimethylchlorsilan oder Hexa methyldisilazan auf den stirnseitigen Oberflächen Trimethylsiloxyl-Gruppen chemisch verankert werden. Die stirnseitigen Oberflächen werden dadurch mit einer monomolekularen, wasserabstoßenden Antitrielschicht überzogen. Die chemische Verankerung erfolgt über Si-O-Si-, bzw. bei Aluminiumoxidkeramik über Si-O-Al-Glieder. Solche Bindungen sind nicht vollständig hydrolysestabil, d. h. die wasserabstoßende Wirkung läßt bei dauernder Einwirkung wäßriger Tinten mit der Zeit nach.

Aus der japanischen Offenlegungsschrift JP-A-2-153 744 ist es auch bereits bekannt, zur Hydrophobierung der Stirnflächen von Tintendruckköpfen über ein Silan-Haftmittel Komponenten aufzubringen, die ein in organischen Lösungs mitteln lösliches Fluor-polymer und die im Molekül an mindestens zwei Stellen ein multifunktionelles Monomer und/oder multifunktionelles Oligomer mit (Meta)-Acryloylgruppe enthalten und die zu einem harten Stoff polymerisieren.

Desweiteren sind ebenso aus der DE 29 43 164 A1 und DE 30 47 835 A1 Haftmittel auf Silanbasis bekannt, die zur Hydrophobierung von Tintendruck köpfen verwendet werden.

Der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine einfach aufzubringende hydrophobe Beschichtung der Stirnflächen von Tinten druckköpfen zu ermöglichen, die eine hohe Tintenfestigkeit, auch nach einer Lagerung in Tinte eine gute Haftung und eine hohe Abriebfestigkeit aufweist.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß bei Verwendung einer Poly merlösung für die hydrophobe Beschichtung durch die Wahl der Komponenten die Schichteigenschaften gezielt beeinflußt werden können. So werden durch die Wahl des hydrophoben Monomers die tintenabweisenden Eigenschaften der Beschichtung bestimmt, während durch die Wahl der Hilfsmonomere oder mehrerer Hilfsmonomere insbesondere die Eigenschaften wie Härte, Abrieb festigkeit und Tintenbeständigkeit der Beschichtung bestimmt werden. Außer dem hat die Wahl der Hilfsmonomere einen entscheidenden Einfluß auf die Homogenität und Stabilität der Polymerlösungen. Dabei wird unter diesen Stoffen gemäß Anspruch 1 Butyl-methacrylat als Hilfsmonomer ver wendet, da es eine hohe Glastemperatur und damit große Härte ergibt.

Die Verwendung von 2,3-Epoxypropyl-methacrylat als Hilfsmonomer gemäß Anspruch 1 führt zu einer räumlichen Quervernetzung der Polymerketten und damit zu mechanisch und chemisch besonders widerstandsfähigen Beschich tungen. Von entscheidender Bedeutung ist dabei auch daß die Querver netzung erst nach dem Aufbringen der Polymerlösung erfolgt.

Das Aufbringen einer Haft- und Grundierschicht gemäß Anspruch 1 ermöglicht eine weitere Steigerung der Haftfestigkeit der nachfolgend aufgebrachten hydrophoben Beschichtung. Dabei führt eine polare Gruppen enthaltende Haft- und Grundierschicht mit dem durch die polaren Gruppen verursachten hohen Adhäsionsvermögen zu einer besonders stabilen Haftung. Die Hilfsmonomere können auf eine gute Haftung der nachfolgend aufgebrachten hydrophoben Beschichtung und auf eine räumliche Quervernetzung abgestimmt werden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Ansprüchen 2 bis 20 hervor.

Die Ausgestaltung nach Anspruch 4 gewährleistet durch die Verwendung unpo larer Kohlenwasserstoffe als Lösungsmittel den Aufbau eines Systems, das im monomeren und polymerisierten Zustand einphasig in Lösung bleibt. Gemäß den Ansprüchen 5 und 6 haben sich dabei im Hinblick auf diese Eigenschaften Toluol bzw. Xylol als besonders gut geeignete unpolare Lösungsmittel bewährt.

Die Ausgestaltung des Anspruchs 1 mit der Verwendung eines hydrophoben Monomers auf Silanbasis, insbesondere gemäß Anspruch 2 3-Trimethoxysilylpropyl-methacrylat einzusetzen gewährleistet ausgezeichnete tintenab weisende Eigenschaften der fertigen Beschichtung und wird im Hinblick auf die erzielten Hafteigenschaften besonders bevorzugt.

Die Ausgestaltung nach Anspruch 8 ermöglicht mit der Verwendung eines Fluor-Kohlenwasserstoffes als hydrophobes Monomer eine Optimierung der tintenabweisenden Eigenschaften der fertigen Beschichtung. Hierbei werden gemäß den Ansprüchen 9 und 10 fluorierte und insbesondere perfluorierte Alkylester der Acrylsäure oder der Methacrylsäure als hydrophobe Monomere bevorzugt. Acrylsäure- bzw. Methacrylsäure-Ester lassen sich leicht radikalisch polymerisieren, wobei bei Verwendung eines monomeren Gemisches Copoly merisate entstehen, deren Eigenschaften stark durch die Auswahl der Aus gangsmonomere gesteuert werden kann. Durch Verwendung eines fluorierten, vorzugsweise perfluorierten Esters der Acrylsäure bzw. Methacrylsäure als Monomeres sind Polymereigenschaften zu erwarten, wie sie von Polytetra fluorethylen bekannt sind und die hier insbesondere im Hinblick auf die sehr guten hydrophoben Eigenschaften und die hohe chemische und thermische Beständigkeit interessieren. Unter den vorstehend genannten Estern werden wiederum gemäß Anspruch 11 perfluorierte Octylester der Acrylsäure bzw. Methacrylsäure bevorzugt die im Handel problemlos erhältlich sind.

Nach Anspruch 12 ermöglicht die Verwendung von Alkylacrylat oder Alkylmethacrylat als Hilfsmonomer die Bildung besonders harter Beschich tungen.

Die Polymerisation der erfindungsgemäßen Polymerlösung kann beispiels weise durch die Einwirkung von UV-Strahlung ausgelöst werden. Gemäß Anspruch 13 wird die Polymerisation jedoch vorzugsweise durch einen einfa chen Zusatz eines Radikalstarters ausgelöst. Gemäß den Ansprüchen 14 und 15 sind als Radikalstarter organische Peroxide oder Azoverbindungen gut ge eignet. Gemäß Anspruch 16 wird hierbei die Verwendung von α,α-Azoisobutyrnnitril besonders bevorzugt.

Für die Aktivierung der Polymerlösung sind gemäß den Ansprüchen 17 und 18 Polyamine oder Polycarbonsäuren und deren Anhydride als Härter gut geeig net. Gemäß Anspruch 19 wird die Verwendung von Tetrahydrophthalsäure anhydrid als Härter besonders bevorzugt, da hierbei die Polymerlösung nach Härterzusatz mehrere Tage verwendungsfähig bleibt.

Gemäß Anspruch 3 und 20 ermöglicht das Aufsprühen der aktivierten ersten und zweiten Polymerlösung eine besonders wirtschaftliche Beschich tung mit hinreichend gleichmäßigen Schichtdicken.

Beispiel

Zur Hydrophobierung,der Stirnflächen von Tintendruckköpfen werden zwei ver schiedene Polymerlösungen verwendet, deren Herstellung nachfolgend ge schildert wird.

Herstellungsverfahren der Polymerlösung I:

16 ml Xylol (Isomerengemisch)
1.6 ml Butyl-methacrylat
1.6 ml 3-Trimethoxysilylprnpyl-methacrylat
1.6 ml 2,3-Epoxypropyl-methacrylat
0.1 α,α′-Azoisobutyronitril.

Die Komponenten werden in der vorstehend angegebenen Reihenfolge ge mischt und ca. drei Stunden bei einer Temperatur von 70°C polymerisiert. Die entstehende klare, homogene Polymerlösung ist über Wochen unverändert haltbar und wird vor Gebrauch mit 0,1 g Tetrahydrophthalsäureanhydrid auf 5 ml Prepolymerlösung vermischt. Die Polymerlösung bleibt nach diesem Härterzusatz ca. 10 Stunden verwendungsfähig.

Die vorstehend beschriebene Polymerlösung wird auf die Stirnflächen von Tintendruckköpfen zur Bildung einer Haft und Grundierschicht aufgesprüht. Nach dem Aufsprühen wird der entstehende Polymerfilm 2 bis 3 Minuten ange trocknet, wobei dieses Antrocknen durch Ablüften oder durch einen Infrarot durchlauf bei geringer Erwärmung vorgenommen werden kann.

Herstellungsverfahren der Polymerlösung II:

16 ml Xylol (Isomerengemisch)
2.4 ml Butyl-methacrylat
2.4 ml Pentadecafluorooctyl-methacrylat
0.6 ml 2,3-Epoxypropyl-methacrylat
0.1 g α,α′-Azoisobutyrnnitril.

Die Komponenten werden in der vorstehend angegebenen Reihenfolge ge mischt und ca. 3 Stunden bei einer Temperatur von 70°C polymerisiert. Die entstehende klare Polymerlösung ist über Wochen haltbar und wird vor Ge brauch mit 0,1 g Tetrahydrophthalsäureanhydrid auf 5 ml Prepolymerlösung vermischt. Die Polymerlösung bleibt nach diesem Härterzusatz mehrere Tage verwendungsfähig.

Die vorstehend beschriebene Polymerlösung wird auf die Haft- und Grundier schicht aufgesprüht. Die nach dem Aufsprühen entstehende hydrophobe Be schichtung bzw. Antitrielschicht ist transparent und wird zur Endaushärtung ca. 1 Stunde bei einer Temperatur von 100°C ausgeheizt.

Die Haft- und Grundierschicht und die hydrophobe Beschichtung sind jeweils nur einige Mikrometer dick. Bei den vorstehend beschriebenen Beschichtungen durch Aufsprühen wurden fehlerfreie, gleichmäßige Schichten mit einer Ge samtschichtdicke von ca. 5,5 µm erzielt. Als Maß für die Güte der tintenabwei senden Eigenschaft der hydrophoben Beschichtung wurde ein statischer Randwinkel von mehr als 110° gemessen. Unter statischem Randwinkel ver steht man hierbei den Winkel zwischen einer waagerechten hydrophoben Be schichtung und der Tangente der Oberfläche eines sich auf dieser hydropho ben Beschichtung befindlichen Wassertröpfchens. Der statische Winkel wird mit einem Mikroskop mit geeigneter Skalierung gemessen.

Die beschichteten Proben wurden bei einer Temperatur von 60°C sieben Tage in Tinte eingelagert. Nach der Entnahme der Proben aus der Tinte wurden die Haftfestigkeit der Schicht und der statische Randwinkel überprüft. Dabei ergab sich eine sehr gute Haftfestigkeit der hydrophoben Beschichtung und ein stati scher Randwinkel von ca. 96°.

Claims

1. Verfahren zur Hydrophobierung der Stirnflächen von Tintendruckköpfen zumindest im Umgebungsbereich von Tintenaustrittsöffnungen, bei welchem zumindest eine

- ein organisches Lösungsmittel,
- ein hydrophobes Monomer auf Silanbasis mit mindestens einer polaren Gruppe und mindestens einer polymerisierbaren Gruppe und
- mindestens ein Hilfsmonomer mit mindestens einer polymerisierbaren Gruppe

enthaltende Polymerlösung durch Zusatz eines Härters aktiviert und dann zur Bildung einer Haft- und Grundierschicht auf die Stirnflächen aufge bracht wird,
und dann eine

- ein organisches Lösungsmittel,
- ein hydrophobes Monomer mit mindestens einer hydrophoben Gruppe und mindestens einer polymerisierbaren Gruppe und
- mindestens ein Hilfsmonomer mit mindestens einer polymerisierbaren Gruppe

enthaltende zweite Polymerlösung durch Zusatz eines Härters aktiviert und dann auf die Haft- und Grundierschicht aufgebracht wird,
und daß
als Hilfsmonomer Butyl-methacrylat in Kombination mit 2,3-Epoxypropyl methacrylat verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Monomer mit polaren und polymerisierbaren Gruppen 3-Trimethoxysilylpropyl methacrylat verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Haft- und Grundierschicht durch Aufsprühen der aktivierten ersten Polymer lösung gebildet wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß als Lösungsmittel unpolare Kohlenwasserstoffe verwendet werden.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß als Lösungsmittel Toluol verwendet wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß als Lösungsmittel Xylol verwendet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch die Verwendung eines hydrophoben Monomers auf Fluorbasis.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß als hydropho bes Monomer ein Fluor-Kohlenwasserstoff verwendet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß als hydropho bes Monomer ein fluorierter Alkylester der Acrylsäure oder der Methacryl säure verwendet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß als hydropho bes Monomer ein perfluorierter Alkylester der Acrylsäure oder der Methacrylsäure verwendet wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß als hydro phobes Monomer Pentadecafluorooctyl-acrylat oder Pentadeca fluorooctyl-methacrylat verwendet wird.

12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Hilfs monomer ein Alkylacrylat oder ein Alkylmethacrylat verwendet wird.

13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß zur Bildung der Polymerlösung ein Radikalstarter zugesetzt wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß als Radikal starter organische Peroxide verwendet werden.

15. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß als Radikal starter Azoverbindungen verwendet werden.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß als Radikal starter α,α′-Azoisobutyronitril verwendet wird.

17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß als Härter Polyamine verwendet werden.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß als Härter Polycarbonsäuren und deren Anhydride verwendet werden.

19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß als Härter Tetrahydrophthalsäureanhydrid oder Hexahydrophthalsäureanhydrid ver wendet wird.

20. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß die aktivierte zweite Polymerlösung auf die Stirnflächen aufgesprüht wird.