устройство струйной печати для чернил с высоким содержанием пигмента и процесс струйной печати с использованием этого устройства

Формула изобретения

1. Устройство струйной печати чернилами, имеющими высокое содержание пигмента, содержащее печатающую головку (15) для непрерывной струйной печати, резервуар (1) для чернил и питающий контур (2, 10) для подачи чернил из резервуара на печатающую головку и возврата неиспользованных чернил обратно в резервуар, отличающееся тем, что оно содержит двухступенчатое перемешивающее устройство, содержащее контур рециркуляции (5, 6, 7) со средством смешивания (4, 8), отбирающий чернила из резервуара и возвращающий их в резервуар, и перемешивающую систему (11, 18) для чернил, находящихся в резервуаре, а также средство для нагревания чернил и поддержания температуры чернил на заданном уровне, превышающем температуру окружающей среды.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в важных точках системы установлено по меньшей мере пять статических смесителей (3, 4, 8, 13, 14).

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что контур питания печатающей головки содержит фильтр (12), установленный между двумя статическими смесителями (13, 14) перед печатающей головкой по ходу технологической линии, при этом средство подогрева фильтра установлено так, чтобы температура чернил в фильтре превышала температуру в любой другой части контура питания печатающей головки.

4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что контур рециркуляции содержит рециркуляционный насос (7), установленный между двумя статическими смесителями (4, 8).

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что рециркуляционный насос является перистальтическим насосом.

6. Устройство по п.4, отличающееся тем, что рециркуляционный насос соединен с впускным и выпускным сегментами трубки (6), встроенными в нагреваемый блок для поддержания основного уровня температуры чернил в устройстве.

7. Устройство по п.2, отличающееся тем, что перемешивающее средство для чернил в резервуаре содержит магнитную мешалку или механически вращающуюся мешалку.

8. Способ струйной печати чернилами, имеющими высокое содержание пигмента высокой плотности, отличающийся тем, что готовят чернила, проявляющие свойство "мягкого" осаждения, и эти чернила используют для заполнения резервуара печатающего устройства по пп.1-7.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к устройству струйной печати для чернил с высоким содержанием пигмента, содержащему головку для непрерывной струйной печати, резервуар для чернил и питающий контур для подачи чернил из резервуара на печатающую головку и возврата неиспользованных чернил обратно в резервуар. Изобретение также относится к способу струйной печати чернилами с высоким содержанием пигмента высокой плотности.

Интерес к пигментным чернилам возрастает. Однако хорошо известно, что если чернила содержат пигменты высокой плотности, эта высокая плотность препятствует их смешиванию с чернилами. Броуновское движение частиц в разведенном растворе недостаточно для преодоления силы тяжести, и частицы стремятся выпасть в осадок и агломерировать. В области непрерывной струйной печати идет борьба с этой проблемой уже более десяти лет. До сих пор широко распространено мнение, что для успешного применения пигментированных чернил в струйной печати дисперсия должна быть стабильной. Это предъявляет очень жесткие требования к химии чернил, особенно в тех случаях, когда в технологии непрерывной струйной печати применяются чернила с высоким содержанием пигмента, или имеющие вязкость, превышающую 12 сПз при комнатной температуре, или обладающие функциями защиты от подделки документа, например, содержат флюоресцирующий пигмент.

Целью настоящего изобретения является решение этой проблемы.

Эксперименты, проведенные с этой целью, показали, что используя устройство согласно настоящему изобретению в устройстве непрерывной струйной печати с единственным соплом можно успешно применять чернила, которые обладают лишь минимальным уровнем стабильности дисперсии и которые проявляют свойство, называемое “мягким осаждением”.

Дисперсия с мягким осаждением - это такая дисперсия, в которой пигмент осаждается в спокойном состоянии, но легко диспергируется при легком перемешивании или встряхивании. Дисперсия с “жестким осаждением” - это такая дисперсия, которая не позволяет легко диспергировать осадок после выдержки в спокойном состоянии в течение некоторого времени.

Таким образом, настоящее изобретение относится к устройству для струйной печати чернилами с высоким содержанием пигмента, содержащему головку для непрерывной струйной печати, резервуар для чернил и контур для подачи чернил из резервуара на печатающую головку и возврата неиспользованных чернил обратно в резервуар, причем устройство содержит с одной стороны двухступенчатое перемешивающее устройство, содержащее контур рециркуляции со средством перемешивания, забирающий чернила из резервуара и возвращающий их в резервуар, и мешалку для чернил, находящихся в резервуаре, и дополнительно, средство для нагревания чернил и поддержания температуры чернил на заданном уровне, превышающем температуру окружающей среды.

Согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения в важные точки системы встроены, по меньшей мере, пять статических смесителей, а контур питания печатающей головки содержит фильтр, установленный до печатающей головки по технологической линии между двумя статическими смесителями, при этом имеется средство для нагревания фильтра для поддержания температуры чернил в фильтре более высокой, чем в остальных частях линии питания печатающей головки. Кроме того, контур рециркуляции содержит рециркуляционный насос, установленный между двумя статическими смесителями.

Согласно второму аспекту настоящее изобретение относится к процессу струйной печати чернилами, полученными путем дисперсии частиц в жидкости.

Далее следует описание варианта осуществления заявленного устройства со ссылками на прилагаемый чертеж - схема печатающего устройства, включающего отличительные признаки настоящего изобретения.

На чертеже ссылочным номером 1 обозначен резервуар для чернил. Форма этого резервуара должна предпочтительно быть такой, чтобы способствовать эффективному перемешиванию чернил. В нем не должно быть никаких “мертвых” объемов. Как показали исследования, удовлетворительной является цилиндрическая форма со скругленным дном. Также удовлетворительной будет полусферическая форма резервуара. В одном экспериментальном варианте этой концепции в качестве резервуара использовалась круглая банка емкостью 500 мл с навинчивающейся крышкой.

Чернила забираются из резервуара через подающую линию 2 и проходят через первый статический смеситель 3. Статический смеситель - это хорошо известное устройство, которое состоит из серии левосторонних и правосторонних спиральных элементов, расположенных в трубчатом корпусе. Смесители такого типа производят несколько компаний. Подходящими оказались смесители, изготовленные ТАН Industries Inc. из Нью-Джерси, США и Statiflo International Ltd. из Чешира, Великобритания.

Приемная линия 2 запитывает узел насоса 17 и систему 16 управления подачей чернил.

Ссылочными номерами с 4 по 8 обозначен контур рециркуляции чернил, который является важной частью схемы. Чернила забираются из бака 1 через второй статический смеситель 4, подаются по трубке 6 из нержавеющей стали на рециркуляционный насос 7, который предпочтительно является перистальтическим насосом, затем по следующему участку трубки 6 возвращаются в резервуар 1 через третий статический смеситель 8. Оба участка трубки 6 из нержавеющей стали параллельно проходят через один и тот же алюминиевый блок 5, оснащенный средством для нагрева, что позволяет поддерживать постоянную температуру трубок 6. Расход контура рециркуляции поддерживается на уровне в несколько раз большем, чем расход через печатающую часть системы.

Резервуар 1 содержит возвратную линию 29, выходящую из системы 16 управления подачей чернил и проходящую через четвертый статический смеситель 9. Этот четвертый смеситель 9, однако, является необязательным. Приемлемые результаты были получены и без него.

Резервуар 1 расположен на магнитной мешалке 11 и содержит шарик 18 магнитной мешалки. Таким образом, система содержит два независимых перемешивающих средства: контур рециркуляции 4-8 и дополнительную мешалку 11 и 18. В качестве последнего можно использовать и вращающуюся механическую мешалку.

Блок 16 управления подачей чернил содержит насосный узел 17, условно показанный как пара отдельных насосов - всасывающий и нагнетающий. Однако это обозначение является чисто условным. Блок управления подачей чернил далее содержит различные соединительные, клапанные и управляющие средства, которые подробно не показаны и которые обеспечивают управление давлением и составом чернил: подача чернил, подача растворителя, измерение вязкости, управление расходом и пр., а также подачей промывающей жидкости. Эта система может включать резервуар подготовки чернил, резервуар с растворителем и пр.

Другая линия подает чернила от блока 16 управления на печатающую головку 15. Она содержит пятый и шестой статические смесители 13 и 14 соответственно и фильтр 12, установленный между статическими смесителями 13 и 14. Фильтр 12 оснащен средством нагрева. На выходе из смесителя 14 чернила попадают в печатающую головку 15, которая представляет собой односопловую подогреваемую печатающую головку. Неиспользованные чернила из печатающей головки 15 возвращаются в блок 16 управления по линии 10 и оттуда в резервуар 1 чернил через статический смеситель 9.

Далее следует описание рабочих условий устройства.

Как было указано выше, целью устройства является обеспечение возможности печатающему устройству непрерывной струйной печати работать с чернилами, содержащими трудно поддающиеся диспергированию пигменты. Повышение вязкости чернил приводит к повышению стабильности дисперсии за счет ухудшения условий, при которых пигмент осаждается. Однако известные в настоящее время устройства для непрерывной струйной печати предназначены для работы с чернилами, имеющими вязкость от 2,5 до 10 сПз и предпочтительно от 2,8 до 4 сПз. Однако было показано, что описываемое устройство может работать с чернилами, вязкость которых при комнатной температуре превышает 12 сПз. Это позволяет использовать чернила с высоким содержанием пигмента или увеличить стабилизацию полимера.

Описанная выше система подачи чернил с подогревом является важным признаком. Так, например, тесты показали что несмотря на задание температуры печатающей головки на 50С получить удалось максимум приблизительно 35С. В том же случае, когда температуру чернил повышали до 45-50С, например, путем пропускания чернил по контуру 4-8, оказалось возможным достигать требуемой температуры головки. Следовательно, необходимы и нагреваемая печатающая головка и система подачи чернил с подогревом.

Некоторые чернила на водной основе при использовании в описываемом печатающем устройстве приводят к конденсации влаги на электроде заряда, особенно при повышенной температуре печатающей головки. Образование такого конденсата, который в итоге приводит к отказу печатающего устройства, можно предотвратить, применив небольшое избыточное давление воздуха на электроде заряда или, предпочтительно, применяя небольшой нагрев.

Было обнаружено, что необходимо применять две технологии перемешивания, включая а) перемешивание запаса чернил магнитной или другой вращающейся мешалкой и b) постоянную рециркуляцию по контуру, содержащему статические смесители, чтобы обеспечить возможность мягкого осаждения дисперсий. Такие дисперсии, обладающие свойством мягкого осаждения, могут быть получены с использованием трудно поддающихся дисперсии пигментов или дополнительных материалов, предназначенных для дополнительной функциональности чернил.

Применение описанного устройства не только поддерживает гомогенность дисперсии, но позволяет эффективно редиспергировать пигменты после отключения принтера на некоторое время (например, на ночь). При повторном включении устройства необходимо лишь последовательно включить системы перемешивания и дать им поработать некоторое время прежде, чем начать печать. Этот процесс редиспергирования облегчается использованием такой формы резервуара, которая не содержит никаких “мертвых” объемов, как описано выше.

Установка нагреваемого фильтра как можно ближе к статическим смесителям, расположенным непосредственно до и после фильтра и к печатающей головке, является ключевым компонентом настоящего изобретения.

Режим нагреваемой фильтрации позволяет получить прекрасные характеристики потока. Чистота потока через фильтр повышается и для получения приемлемого расхода требуется меньшее давление. Использование высокого давления при высокой вязкости ухудшило бы характеристики фильтра. Кроме того, при нагреве чернил вязкость снижается, что улучшает фильтрационные свойства чернил.

Уменьшение вязкости повышает скорость осаждения пигмента, что является нежелательным. Следовательно, подогрев чернил в области фильтра до более высокой температуры, чем в остальных компонентах линии подачи чернил, улучшает фильтрационные характеристики, одновременно сводя к минимуму скорость осаждения в остальных компонентах печатающего устройства.

Наконец, статический смеситель на входе фильтра предотвращает закупорку или забивание, вызванное гетерогенным потоком чернил. Статический смеситель на выходе фильтра обеспечивает гомогенность чернил, выходящих из фильтра. Это особенно важно непосредственно перед соплом, поскольку гомогенность чернил является ключевым требованием для надежного формирования и выброса капли.

Тесты

Тесты описанного выше печатающего устройства дали следующие результаты.

1. Печать велась при температуре окружающей среды чернилами, имеющими вязкость 5,6 сПз. Система рециркуляции чернил не подогревалась. Зарегистрированная температура и чернил и печатающей головки составляла 27С. Давление насоса и напряжение модуляции были заданы как 2900 мбар и 400 В соответственно. Качество печати было хорошим.

2. Затем при тех же условиях, что описаны выше (температура чернил и печатающей головки 27С), велась печать чернилами, имеющими вязкость 12,5 сПз. Печать оказалась невозможной.

3. Печать теми же чернилами, что и в тесте №2, но температура чернил была повышена до 44С, а температура головки - до 35С. Давление насоса и напряжение модуляции составляли 2815 мбар и 600 В соответственно. Были получены удовлетворительные результаты. Во время эксперимента температура зарядного электрода поддерживалась на уровне 60С с помощью терморадиационного нагревателя мощностью 10 Вт для предотвращения конденсации, как описано выше.

Было отмечено осаждение в чернилах через 1 час после выключения магнитной мешалки и рециркуляционного контура при температуре чернил, поддерживаемой на уровне 25С.

4. Чернила вязкостью приблизительно 13 сПз были залиты в резервуар и подверглись перемешиванию магнитной мешалкой и рециркуляционным контуром 4-8, как описано выше. С регулярными интервалами из резервуара отбирались образцы чернил и измерялась их вязкость:

Таким образом поддерживалась стабильность дисперсии при использовании обоих способов. Вязкость измерялась при 30 об/мин.

5. После перемешивания в течение 2 час рециркуляционный контур и магнитная мешалка были выключены, и чернила оставались в покое, без перемешивания.

Приблизительно через 10 мин после прекращения перемешивания было визуально заметно значительное осаждение.

Таким образом, при отсутствии перемешивания дисперсия отстаивается.

Процесс обслуживания

В дополнение к описанным выше различным рабочим процедурам, для дальнейшего повышения надежности системы может применяться следующая процедура обслуживания.

Система должна иметь отдельную систему промывки, содержащую чистую отфильтрованную промывочную жидкость. Она является дополнительной к подпиточной жидкости.

После отключения чернила сливаются из головки и трубок и возвращаются во внутренний контейнер для чернил. Затем через систему прокачивается промывочный раствор тщательного удаления чернил. В режиме ожидания печатающее устройство находится в герметизированном состоянии, заполненное чистой отфильтрованной промывочной жидкостью.

В ходе выполнения последовательности пусковых операций чернила в контейнере интенсивно перемешиваются, промывочная жидкость выкачивается из системы и в нее в пульсирующем режиме под давлением вводятся чернила.

Обслуживание при работе заключается в периодической промывке системы чернилами во избежание образования осадка. Это достигается пульсирующим пропусканием чернил через систему между заданиями на печать.

Важную роль играет кондиционирование воздуха, например, работа при отрицательном давлении или дегазация.