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Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Tintenstrahldrucken
und insbesondere auf das Verbessern der Eigenschaften einer tintenaufnehmenden
Schicht, die auf ein nicht-absorbierendes Substrat aufgebracht ist.
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Hintergrund
der Technik
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Tintenstrahl-Aufnahmeschichten
müssen
den Tintenträger
absorbieren, der während
des Druckprozesses geliefert wird. Wenn die Tintenaufnahmeschicht
auf ein nicht-absorbierendes Substrat aufgebracht ist, liefert das
Substrat keine Absorptionsfähigkeit
und folglich muss die tintenaufnehmende Schicht das einzige absorbierende
Material sein. Um die Absorptionsfähigkeit der Beschichtung zu
erhöhen,
wurde auf dem Stand der Technik eine absorbierende Vorbeschichtung
beschrieben, die dazu dient, die Fähigkeit der Beschichtung zu
verbessern, ungefähr
so wie ein Substrat bei papierbasierten Tintenstrahlmedien funktioniert.
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Eine
Deckschicht wird aufgebracht, um Oberflächeneigenschaften zu steuern,
wie z. B. Glanz, Haftvermögen,
Oberflächenenergie
und Beständigkeit,
sowie um in Verbindung mit der absorbierenden Vorbeschichtung zu
funktionieren. Zusätzlich
dazu muss die Deckschicht frei von Defekten sein, die zu wahrgenommenen
Unregelmäßigkeiten
oder Uneinheitlichkeiten in der Beschichtung beitragen.
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Das
U.S.-Patent 5,275,867 beschreibt eine Zweischicht-Beschichtung und
einen -Beschichtungsprozess, bei dem eine Deckschicht auf die Vorbeschichtung
laminiert wird. Das U.S.-Patent 5,605,750 beschreibt eine Dreischicht-Beschichtung und
einen Beschichtungsprozess, bei dem die Deckschichten auf die Vorbeschichtung
aufgebracht werden durch Beschichten beider Fluide vor dem Trocknen
in einem Mehrschlitz-Trichter oder einem Schiebe-Trichter. Das U.S.-Patent 5,576,088
beschreibt eine Zweischicht-Beschichtung und einen -Beschichtungsprozess,
bei dem eine Deckschicht im Streichgießverfahren auf eine Vorbeschichtung
beschichtet wird. Alle diese Beispiele beschreiben einen Prozess,
der eine spezialisierte Ausrüstung
und Beschichtungen umfasst, die als kompatibel mit den Prozessen
technisch hergestellt werden. Zusätzlich dazu können Herstellungseffizienzen
niedriger sein. Ein anderes solches Beispiel eines Streichgießverfahrens
ist offenbart in der EP-A-0878322.
Ebenfalls in derselben offenbart ist ein Prozess, durch den ein
nicht-durchlässiges
Substrat mit einer porösen
Grundschicht beschichtet wird, die dann getrocknet wird. Diese wird
dann erneut mit Wasser benetzt, vor der Aufbringung einer wässrigen
Deckschicht.
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Ein
anhaltendes Problem bei der Aufbringung einer Deckschicht mit einer
Grundbeschichtungsausrüstung,
wie z. B. Mayer-Stab und Schlitzdüsen-Beschichtern ist die Bildung
von Blasen in der Deckschicht, wenn sie auf eine poröse Grundschicht
beschichtet wird, die auf ein nicht-poröses Substrat aufgebracht wurde.
Diese Blasen werden gebildet, wenn die Luftleerräume in den Poren der Vorbeschichtung
mit Fluid aus dem Deckschichtaufbringungsprozess gefüllt werden,
was dazu führt,
dass die Luft an die Oberfläche
der Vorbeschichtung gedrängt
wird, wo sie in Blasen in einer noch flüssigen Deckschicht vereinigt
wird. Diese Blasen können dann
Defekte in der Deckschicht bilden, wenn diese Beschichtung getrocknet
ist. Eine andere Herausforderung beim Entwickeln von Beschichtungsfluiden
und chemischen Stoffen ist das Vermeiden von Problemen, die nicht-kompatiblen chemischen
Stoffen zugeordnet sind, was zu einem Lösungs-Gelieren oder einer Phasentrennung
in den getrockneten Beschichtungen führt.
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Was
somit benötigt
wird ist ein Prozess, der die Probleme des Stands der Technik beseitigt
und eine einheitliche und defektfreie Deckschicht schafft und somit
die Einlagerung von nicht-kompatiblen chemischen Stoffen in die
Beschichtung ermöglicht.
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Offenbarung
der Erfindung
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein Prozess geschaffen zum Aufbringen von zumindest
einer tintenaufnehmenden Schicht auf ein nicht-durchlässiges bzw.
nicht permeables Substrat, wie in dem anhängigen Anspruch 1 ausgeführt ist.
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Somit
beschreiben die Erfinder hierin einen Prozess, der die Herstellung
von Mehrschicht-Beschichtungen ermöglicht, bei denen eine oder
mehrere Deckschichten auf eine poröse Grundschicht aufgebracht werden
können,
um eine einheitliche und defektfreie Beschichtungsschicht zu erzeugen.
Genauer gesagt wird ein Prozess geschaffen, bei dem eine Flüssigkeit
auf die Grundschicht aufgebracht wird vor dem Deckbeschichten, derart,
dass die Luft in der Grundschicht vor dem Deckbeschichten beseitigt
wird. Dieser Prozess kann gleichzeitig mit einer einfachen Vorrichtung
einhergehen, die hierin beschrieben wird. Ein zusätzlicher Vorteil
dieses Verfahrens ist, dass es ferner die Möglichkeit gibt, eine Funktionalität hinzuzufügen oder
einen chemischen Prozess an den Beschichtungen auszuführen, nachdem
die Grundschicht getrocknet ist und bevor die Deckschicht aufgebracht
wird, in einem einzelnen Prozess. Zum Beispiel kann die Benetzungsflüssigkeit
folgendes umfassen, ist aber nicht darauf beschränkt: oberflächenwirksame Mittel, pH-Modifizierer, Polymere,
Vernetzer, Pigmente und/oder Farbstabilisierer.
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Vorteile
der Erfindung gegenüber
dem, was vorangehend ausgeführt
wurde, umfassen die Verwendung eines Wiederbenetzungsprozesses,
der ermöglicht,
dass eine Deckschicht auf eine poröse Grundschicht aufgebracht
wird, die auf ein nicht-poröses
oder nicht-durchlässiges
Substrat beschichtet ist, derart, dass keine Blasen in der Deckschicht
gebildet werden. Dies ermöglicht
die Herstellung von defektfreien Beschichtungen. Zusätzlich dazu
liegt eine erhöhte
Flexibilität
vor, Funktionalität
oder chemische Verbindungen bei dem Wiederbenetzungsprozess zu integrieren.
Schließlich
ist der Prozess der vorliegenden Erfindung einfach zu implementieren
und ist kompatibel mit vielen allgemeinen Beschichtungsverfahren,
wie z. B. dem Schlitzdüsenbeschichten,
Stabbeschichten, Rakelstreichverfahren, Gravurbeschichten, Messer-Überroll-Beschichten,
oder ähnlichem.
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Ein
zusätzlicher
Vorteil der obigen Technik ist, dass chemische Stoffe zu einer Beschichtung
hinzugefügt
werden können,
die anderweitig mit der Beschichtungslösung selbst oder der getrockneten
Beschichtung nicht kompatibel wären.
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Ein
wiederum weiterer Vorteil der obigen Technik ist, dass zwei Beschichtungs-Schichten
aufgebracht werden können,
wo Inkompatibilitäten
Schwierigkeiten bei einer Nass-auf-Nass-Beschichtungsaufbringungs-Technik darstellen
können.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Die
einzige Figur stellt eine Vorrichtung dar, die nützlich bei der Ausführung der
vorliegenden Erfindung ist.
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Beste Ausführung der
Erfindung
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Es
wird nun detailliert Bezug auf ein spezifisches Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung genommen, das die beste Ausführung darstellt,
die gegenwärtig
durch die Erfinder zum Praktizieren der Erfindung erdacht ist. Alternative
Ausführungsbeispiele
werden ebenfalls kurz nach Bedarf beschrieben.
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Die
Grundschicht und die Deckschicht weisen jeweils eines oder mehrere
Pigmente und eines oder mehrere Bindemittel auf, die Polymer-Verbindungen
sind, die lösbar
oder dispergierbar in dem Lösungsmittel sind,
in dem die Grundschicht und die Deckschicht auf das Substrat aufgebracht
werden. Beispiele von Pigmenten umfassen Silika und Aluminium und
seine verschiedenen Hydrate, Titandioxid, Karbonate (z. B. Kalzium-Modifikationsmittel
und/oder Vernetzungsmittel können
in der Praxis der vorliegenden Erfindung verwendet werden). Zum
Beispiel, wenn das Bindemittel in der Grundschicht Polyvinylalkohol
ist, ist ein geeignetes Vernetzungsmittel, das zu der Flüssigkeit
hinzugefügt
wird, ein Borat-Glyoxyl. Dieser Prozess ist besonders nützlich für chemische
Stoffe, die nicht kompatibel mit den Beschichtungs-Fluiden oder
dem -Prozess sind.
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Es
ist ebenfalls bevorzugt, dass überschüssiges Fluid
auf der Oberfläche
der Grundschicht vor dem Aufbringen der Deckschicht entfernt wird.
Dies kann erreicht werden durch einen Spalt, ein Streichmesser oder ähnliches.
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Die
einzige Figur zeigt eine Vorrichtung 10, die nützlich ist
bei dem Prozess der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung 10,
die eine herkömmliche
Beschichtungseinrichtung ist, weist einen Behälter 12 auf zum Enthalten
einer Wiederbenetzungslösung 14.
Eine Bahn 16 weist das nicht-absorbierende Substrat und eine poröse Grundschicht
auf demselben auf und die Lösung 14 wird
auf die Oberfläche
der porösen
Grundschicht aufgebracht mit Hilfe einer Auftragsrolle 18.
Eine Niederhalterolle 20 drängt die Bahn 16 gegen
die Oberseite der Auftragsrolle 18. Die Auftragsrolle 18 bringt
die Flüssigkeit 14 auf
die Bahn 16 auf. Die Flüssigkeit 14 wird
auf die Auftragsrolle 18 dosiert abgegeben durch eine Abgaberolle 22,
die mit einem Schaber 24 oder einer anderen geeigneten
Einrichtung versehen ist.
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Bei
einem alternativen Ausführungsbeispiel
kann die überschüssige Wiederbenetzungslösung von
der Bahn abgeschabt werden.
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Bei
einem anderen alternativen Ausführungsbeispiel
kann die Wiederbenetzungslösung
durch eine Pumpe direkt auf die sich bewegende Bahn 16 abgegeben
werden, wodurch der Bedarf zum Abschaben beseitigt wird.
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Die
Aufnahme der Flüssigkeit 14 hängt von
der Geschwindigkeit der Bahn 16 ab. Es ist erwünscht, die Bahn 16 so
schnell wie möglich
zu bewegen, um die Beschichtungseffizienz zu maximieren.
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Die
Verweilzeit des Wiederbenetzungsfluids ist definiert als das Zeitintervall
zwischen der Aufbringung des Wiederbenetzungsfluids und der Aufbringung
der Beschichtung. Die Verweilzeit bestimmt somit die Länge der
verfügbaren
Zeit für
die Wiederbenetzungslösung,
in die Grundschicht einzudringen. Die Verweilzeit kann modifiziert
werden durch die Bahngeschwindigkeit und die Bahndistanz zwischen
der Wiederbenetzungsstation und der Beschichtungsstation. Die Zeitlänge, die
erforderlich ist, um eine angemessene Sättigung der Grundschicht zu
erhalten, wird bestimmt durch den Entwurf der Wiederbenetzungsstation,
die Grundschichteigenschaften, die Deckschichteigenschaften und
die Wiederbenetzungsfluideigenschaften. Damit dieser Prozess effektiv
ist, müssen
alle diese Parameter berücksichtigt
werden beim Entwurf des Beschichtungsprozesses.
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Die
vorliegende Erfindung schafft eine Anzahl von Vorteilen. Erstens
ermöglicht
die Erfindung das Aufbringen einer Deckschichtlösung auf poröse Grundschichten,
die auf nicht-porösen Substraten
gebildet sind. Zweitens ermöglicht
die Erfindung die Einlagerung von Materialien entweder für die Grundschicht
oder die Deckschicht, die anderweitig nicht kompatibel miteinander
wären.
Drittens ermöglicht
die Erfindung, dass nicht-kompatible Flüssigkeiten in Mehrschichtsystemen
beschichtet werden.
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Beispiele
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Vergleichsbeispiel 1 – Vorbereitung
einer Beschichtung – Basisfall,
keine Wiederbenetzung, Blasen.
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Eine
Beschichtung wurde vorbereitet auf entweder einem filmbasierten
Substrat (Mylar) oder einem harzbeschichteten Papiersubstrat (Photobasispapier),
das die nachfolgenden Komponenten enthielt:
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Die
Grundschicht wurde in Wasser vermischt durch Hinzufügen der
Komponenten zu dem Wasser zu einem Pegel von 17 Gew.-%. Die Grundschicht
wurde dann auf ein harzbeschichtetes Substrat mit einem Mayer-Stab
beschichtet. Die Beschichtung wurde bei 100°C für 5 Minuten getrocknet, um
eine Beschichtung mit 20 g/m2 Schichtgewicht
und 0,9 cm3/g Porosität zu erhalten. Die Deckschichtmaterialien
wurden ebenfalls miteinander in Wasser vermischt, durch Hinzufügen der
Komponenten zu dem Wasser, dieses Mal zu einem Pegel von 22 Gew.-%.
Die Deckschicht wurde dann entlüftet über Nacht,
um zurückgehaltene
Luft zu entfernen, und dann beschichtet.
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Nach
dem Beschichten der Deckschicht erschienen fast sofort Blasen. Nach
dem Trocknen wie oben erzeugen diese Blasen sichtbare Beschichtungsdefekte,
wo sich Krater gebildet hatten.
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Beispiel 1 – Basisfall,
mit Wiederbenetzung, keine Blasen.
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Die
Deckschicht wurde wie oben aufgebracht, außer dass die Deckschicht aufgebracht
wurde, nachdem die Grundschicht mit überschüssigem Wasser benetzt wurde
(der Wiederbenetzungslösung)
und dann die Oberfläche
mit einem Tuch getrocknet wurde. In diesem Fall wurde ausschließlich Wasser
verwendet; keine chemischen Modifikationsmittel wurden verwendet.
Das Ergebnis nach dem Trocknen war eine defektfreie Beschichtung.
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Vergleichsbeispiel 2 – Gelieren – Basisfall,
Kaskaden-Beschichtung,
Gelierprozess-Inkompatibilität.
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Vergleichsbeispiel
2 und Beispiel 2 demonstrieren das Auftreten von Gelieren bzw. das
Verringern von Gelieren.
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Die
Deckschicht und die Grundschicht wiesen folgende Formulierungen
auf, wobei DI-H2O deionisiertes Wasser bedeutet:
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In
beiden Fällen
wurden die Nicht-Wasser-Komponenten zu Wasser hinzugefügt. Die
Grundschicht wies eine Festkörperkonzentration
von 14,2 % und einen pH-Wert von 8,5 auf, während die Deckschicht eine Festkörperkonzentration
von 15 % und einen pH-Wert von 4,1 aufwies.
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Eine
Kaskaden-Beschichtung wurde verwendet, wobei eine nasse Beschichtung
auf eine andere nasse Beschichtung platziert wurde. Hier hat sich
herausgestellt, dass die zwei Lösungen
auf der Form gelierten, noch bevor die Fluide die Bahn bei niedriger
Bahngeschwindigkeit treffen. Um die Kontaktzeit zwischen den zwei
inkompatiblen Fluiden zu minimieren, wurde die Bahngeschwindigkeit
erhöht
und die Pumpe für
die Deckschicht wurde erst gestartet, nachdem die Grundschichtbeschichtung
einen Dauerzustand erreicht hatte. Die Pumpeneinstellungen für beide
Fluide wurden so eingestellt, dass eine bessere Beschichtung erhalten
wurde.
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Nach
einer Zeit wurde eine sogenannte „Eisdecken"-Bildung auf der Form beobachtet. Diese „Eisdecke" wurde gebildet,
wo die zwei inkompatiblen Fluide zuerst in Kontakt kamen. Die „Eisdecke" baute sich mit der
Zeit auf, und zerfiel dann in Teile im Laufe der Zeit. Das Zerfallen
der Eisdecke führte
zu Streifen in der Beschichtung und war schwierig zu beheben.
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Beispiel 2 – Basisfall,
mit Wiederbenetzung, kein Gelieren (oder Blasen).
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Die
Deckschicht und die Grundschicht wiesen die selben Formulierungen
auf wie bei dem Vergleichsbeispiel 2 und wurden wie hierin beschrieben
formuliert. Die Grundschicht wurde auf das Substrat aufgebracht und
getrocknet. Bei einem nachfolgenden Prozess wurde die Deckschicht
wie oben aufgebracht, außer
dass die Deckschicht nach dem Benetzen der Grundschicht mit Wasser
(der Wiederbenetzungslösung)
aufgebracht wurde. Eine überschüssige Wiederbenetzungslösung wurde
mit einer Dosiervorrichtung entfernt, vor dem Aufbringen der Deckschicht.
Dieser Prozess ermöglichte
lange Beschichtungsdurchläufe
ohne Streifen. Das Ergebnis nach dem Trocknen war eine defektfreie
Beschichtung.
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Beispiele
inkompatibler chemischer Stoffe
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Die
nachfolgenden Beispiele 3 – 4
beschreiben die Verwendung einer Wiederbenetzungslösung, wo inkompatible
chemische Stoffe miteinander verwendet werden.
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Beispiel 3 – Bildwasserfestigkeit – PH-Einstellung
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Die
Deckschicht und die Grundschicht wiesen die selben Formulierungen
auf wie bei dem Vergleichsbeispiel 1 und waren wie darin beschrieben
formuliert. Eine chemisch modifizierte Wiederbenetzungslösung, die
1,52 Teile nach Gewicht Zitronensäure (Aldrich) bei 100 Teilen
deionisiertem Wasser aufwies, wurde verwendet, um den pH-Wert der
Beschichtungen bei dem Wiederbenetzungsschritt einzustellen.
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Wasserfestigkeit
wurde durch das folgende Verfahren gemessen (nachdem die Beschichtungen
auf einem HP-CP2500-Drucker unter Verwendung von UV-pigmentierten
Tinten gedruckt wurden)
- 1. Tropfen von 250 μl von DI-Wasser
auf eine tintenaufnehmende Beschichtung durch Verwenden einer Mikro-Pipette.
- 2. Verwenden des Zeigefingers, um den Beschichtungsbereich,
der die 250 μl
DI-Wasser enthält,
für 1 Minute
zu reiben.
- 3. Wischen des überschüssigen Wassers
mit einem Papiertuch.
- 4. Verwenden einer Wärmepistole,
um den nassen Bereich für
30 Sekunden zu trocknen.
- 5. Beobachten, wie viel Farbmittel außerhalb des farbigen Bereichs
aufgrund des Reibens verschmiert ist.
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Nach
dem obigen Verfahren war die tintenaufnehmende Beschichtung in der
Lage, eine gute Bildwasserfestigkeit mit Pigmenttinte nach 2 Stunden
Verzögerungszeit
zu erreichen, wohingegen ein bedeutendes Farbverschmieren beobachtet
wurde nach dem Testen der Wasserfestigkeit der Beschichtung, die
bei Beispiel 1 vorbereitet wurde.
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Vergleichsbeispiel 3
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Wenn
die Zitronensäure
entweder zu der Grundschicht oder der Deckschicht hinzugefügt wird,
geliert das Beschichtungsfluid in ein nicht-ausgeflocktes Gel.
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Beispiel 4: Wasserbeständigkeit
der Beschichtung – Vernetzungsmittel-Addition.
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Die
Deckschicht, die Wiederbenetzungslösung und die Grundschicht wiesen
die folgenden Formulierungen auf und wurden wie bei Beispiel 1 oder
2 beschichtet.
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Das
Testverfahren zum Messen der Wasserbeständigkeit war identisch zu dem,
das in Beispiel 3 oben beschrieben ist, außer dass nach Schritt 4 der
Test auf einer nicht mit Bild versehenen Beschichtung ausgeführt wurde
und ein zusätzlicher
Schritt vorlag, wie folgt:
- 5. Messen von 20-Grad-Glanz
sowohl auf geriebenen als auf ungeriebenen Bereichen und Vergleichen
der Ergebnisse.
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Bei
einer Reihe von Experimenten wurden Proben nur mit der Grundschicht-
und Deckschicht-Lösung behandelt,
unter Verwendung von Wasser als Wiederbenetzungsfluid. Bei einer
anderen Reihe von Experimenten wurden die Proben ebenfalls mit Wiederbenetzungslösung behandelt,
nach Aufbringung der Grundschicht und vor Aufbringung der Deckschicht.
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Bei
einer wiederum anderen Reihe von Experimenten wurde das Polyethylenimin
direkt zu der Grundschichtlösung
oder der Deckschichtlösung
hinzugefügt.
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Für Proben,
die nicht mit der Wiederbenetzungslösung behandelt wurden, verringerte
sich die Mess-Glanz-Zahl von 63 bei 20 Grad auf 13 % bei 20 Grad.
Für Proben,
die mit einer chemisch modifizierten Wiederbenetzungslösung gemäß der vorliegenden
Erfindung behandelt wurden, war die Ablesung 52 bis 55 % bei 20
Grad, was eine verbesserte Wasserbeständigkeit der Beschichtung anzeigt.
Bei den Proben, bei denen das Polyethylenimin direkt zu der Grundschicht-
oder Deckschicht-Lösung
hinzugefügt
wurde, gelierten die Lösungen
und waren nicht beschichtbar.
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Die
Ergebnisse zeigen, dass die chemische Eigenschaft, wie z. B. Wasserbeständigkeit,
der Tintenaufnahmebeschichtung bedeutend verbessert wird durch Einsetzen
des Wiederbenetzungsprozesses der vorliegenden Erfindung, der geeignete
chemische Stoffe in die Wiederbenetzungslösung integriert.
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Beispiel 5. Wiederbenetzungsaufnahme.
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Die
Grundschicht aus Beispiel 4 wurde auf einen klaren Mylarfilm aufgebracht
(Melinex, DuPont). Porensättigungszeit
wurde gemessen durch Aufbringen eines 20 μl-Tropfens auf die Grundschicht
und Messen der Zeit, bis die Grundschicht transparent und unveränderlich
wurde, was eine volle Porensättigung
anzeigte. Die nachfolgenden Wiederbenetzungslösungen wurden getestet, mit
einer Sättigungszeit,
wie angezeigt ist:
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Diese
Beispiele demonstrieren die Erhöhung
der Wiederbenetzungslösungs-Absorptionsrate
nach einer Modifikation der Wiederbenetzungslösung.
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Gewerbliche
Anwendbarkeit
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Es
wird erwartet, dass der Deckschicht-Beschichtungsprozess der vorliegenden
Erfindung Verwendung beim Bereitstellen von tintenaufnehmenden Beschichtungen
auf nicht-absorbierenden
Substraten findet.
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Die
vorangehende Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden
Erfindung wurde zu Zwecken der Darstellung und Beschreibung vorgelegt.
Sie soll nicht erschöpfend
sein oder die Erfindung auf die präzise Form oder auf exemplarische
offenbarte Ausführungsbeispiele
beschränken.
Offensichtlich sind viele Modifikationen und Abweichungen für Fachleute
auf dem Gebiet erkennbar. Auf ähnliche
Weise könnten
jegliche Prozessschritte, die beschrieben wurden, mit anderen Schritten
ausgetauscht werden, um das selbe Ergebnis zu erreichen. Das Ausführungsbeispiel
wurde ausgewählt
und beschrieben, um die Prinzipien der Erfindung und ihre beste
Ausführungsart
bestmöglich
zu erklären,
um es dadurch anderen Fachleuten auf dem Gebiet zu ermöglichen,
die Erfindung für
verschiedene Ausführungsbeispiele
und mit verschiedenen Modifikationen zu verstehen, wie sie für die bestimmte
Verwendung oder beabsichtigte Implementierung geeignet sind. Es
ist beabsichtigt, dass der Schutzbereich der Erfindung durch die
hierin angehängten
Ansprüche und
ihre Entsprechungen definiert wird.
