DE102012210353A1

DE102012210353A1 - Strukturierte organische Filme umfassende Beschichtungen für Tintenstrahldruckkopf-Vorderseiten

Info

Publication number: DE102012210353A1
Application number: DE102012210353A
Authority: DE
Inventors: Matthew A. HEUFT; Adrien P. Cote; Michelle N. CHRETIEN
Original assignee: Xerox Corp
Current assignee: Xerox Corp
Priority date: 2011-06-30
Filing date: 2012-06-20
Publication date: 2013-01-03
Also published as: US8353574B1; JP2013014763A; RU2012127215A; CA2781356C; US20130002764A1; KR20130004158A; CN102850935A; RU2012127214A; JP5941347B2; KR101839621B1; CA2781356A1; RU2587791C2

Abstract

Beschichtung für eine Tintenstrahldruckkopf-Vorderseite, wobei die Beschichtung einen strukturierten organischen Film (SOF) umfasst, der eine Vielzahl von Segmenten und eine Vielzahl von Linkern umfasst, angeordnet als kovalentes organisches Netzwerk. eine kovalente Gerüstmaterial angeordnet ist. Ferner sind Verfahren zur Herstellung einer Beschichtung für eine Tintenstrahldruckkopf-Vorderseite offenbart, welche die einen strukturierten organischen Film (SOF) umfasst.

Description

Die vorliegende Offenbarung bezieht sich im Allgemeinen in verschiedenen Ausführungsformen auf Beschichtungen für Druckköpfe. Im Einzelnen bezieht sich die Offenbarung auf eine Beschichtung für die Frontseite eines Tintenstrahldruckkopfs, wie etwa eine Anti-Fouling-Beschichtung für Tintenstrahldruckkopfplatten. Darüber hinaus ist hier eine Beschichtung offenbart, die das Benetzen, Austreten und Überlaufen von Tinte, wie z. B. UV-härtbarer Tinte und Festtinte auf der Frontseite eines Tintenstrahldruckkopfes verhindert.
Ausstoßsysteme für flüssige Tinten umfassen typischerweise einen oder mehrere Druckköpfe mit einer Vielzahl von Tintenstrahldüsen, aus denen Flüssigkeitstropfen in Richtung eines Aufzeichnungsmediums gestoßen werden. Die Tintenstrahldüsen des Druckkopfs erhalten Tinte aus einer Tintenvorratskammer oder einem Verteiler im Druckkopf, welcher wiederum Tinte aus einem Schmelztintenreservoir oder einer Tintenpatrone bezieht. Jeder Tintenstrahlkopf umfasst einen Kanal, der an einem Ende in flüssiger Verbindung mit dem Tintenzufuhrverteiler steht. Das andere Ende des Tintenkanals weist eine Öffnung oder Düse zum Ausstoßen von Tintentropfen auf. Die Düsen der Tintenstrahlen können zu einer Lochplatte oder Düsenplatte geformt werden, die Öffnungen entsprechend den Düsen dieser Tintenstrahlvorrichtungen aufweist. Während des Betriebs aktivieren Tropfenausstoßsignale Betätigungsventile in den Tintenstrahlvorrichtungen, um Tropfen von Flüssigkeit aus den Tintenstrahldüsen auf das Aufzeichnungsmedium auszustoßen. Durch selektive Aktivierung der Betätigungsventile der Tintenstrahlvorrichtungen zum Ausstoß von Tropfen unter einer relativen Bewegung von Aufzeichnungsmedium und/oder der Druckkopfanordnung gegeneinander können die abgeschiedenen Tropfen exakt musterartig aufgebracht werden, um bestimmte Text- und grafische Bilder auf dem Aufzeichnungsmedium zu bilden.
Eine Schwierigkeit im Zusammenhang mit Ausstoßsystemen für flüssige Tinten ist das Benetzen, Austreten oder Überlaufen von Tinten auf die Vorderseite des Druckkopfes. Dies kann das Ergebnis von Tintenverunreinigungen der Druckkopfvorderseite sein. ist eine Fotografie einer Druckkopfvorderseite nach einem Druckvorgang und zeigt die Benetzung und Verschmutzung von Tinte über einen großen Bereich der Vorderseite. Die verschmutzte Vorderseite kann ein Versagen oder fehlende Tropfen, zu kleine oder anderweitig falsch dimensionierte Tropfen, Satelliten oder fehlgeleitete Tropfen auf dem Aufzeichnungsmedium verursachen oder dazu beitragen und so zu einer Verschlechterung der Druckqualität führen.
Zahlreiche materialbasierte Ansätze werden untersucht, um diesem Problem zu lösen, wie beispielsweise das Hinzufügen hydrophober Eigenschaften eines Films zu dessen Verwendung als Deckschicht auf der Druckkopfvorderseite. Eine Erhöhung der Hydrophobizität geht gewöhnlich mit einer Einbringung von Fluor in das Material einher. Dies ist jedoch im Allgemeinen keine einfache Prozedur: die Vermischung von Teflon, Viton oder maßgeschneiderten fluorierten Polymeren mit den Komponenten eines bestimmten Films kann aufgrund ihrer schlechten Löslichkeit eine Herausforderung darstellen. Die Einbringung kleinerer fluorierter Moleküle ist im Allgemeinen eine einfachere Möglichkeit; jedoch stellen das Erreichen einer stabilen Dispersion und die Neigung zur Phasentrennung und Herauslösung aus dem Film häufige Hindernisse in der Umsetzung dar. Konventionelle Ansätze umfassen auch die Verwendung von Fluorpolymer-Beschichtungen mit geringer Oberflächenspannung. Diese Beschichtungen weisen geringe Haftung auf dem Druckkopfplattenmaterial (Edelstahl und Polyimid) auf, wodurch die Lebensdauer der Tintenstrahldruckköpfe verkürzt wird. Die schlechte Haftung aktueller Fluorpolymere auf Edelstahlkopfplatten führt zu einem Ablösen und Abblättern der Beschichtung während dem Betrieb und der Reinigung des Druckkopfes. Somit bieten Zusammensetzungen, wie die strukturierten organischen Filme (SOF) der vorliegenden Offenbarung, in welchen Fluor leicht integriert (chemisch gebunden) werden kann und gleichmäßig in ihren Strukturen dispergiert wird erhebliche Verbesserungen gegenüber herkömmlichen Filmen, zumal der Fluorgehalt folgerichtig, systematisch und in einfacher Art und Weise eingestellt werden kann.
Um die Blockierung des Tintenausstoßes zu verhindern und um die Druckkopfvorderseite zu reinigen wurden Wartungsverfahren implementiert. Beispiele für Wartungsverfahren umfassen den Strahl- oder Spülvorgang von Tinte aus den Tintenstrahlkanälen und Düsenöffnungen und das Abwischen der Druckkopfvorderseite. Strahlverfahren umfassen typischerweise das Ausstoßen einer Vielzahl von Tintentröpfchen aus jeder Tintenstrahldüse um so die Verunreinigungen aus den Düsen zu entfernen. Spülverfahren umfassen typischerweise die Anwendung eines Luftdruckimpulses auf das Tintenreservoir, was einen Tintenfluss aus allen Düsen verursacht. Die gestrahlte Tinte kann in einem Abfallreservoir, beispielsweise in einem Napf-ähnlichen Behälter gesammelt werden. Die Spültinte kann in einem Abfallreservoir, wie etwa einem wannenförmigen Behälter gesammelt werden. Eine benetzte, verschmutzte Druckkopfvorderseite beeinträchtigt die Sammlung der Spültinte, indem die Abfließfähigkeit der Tinte über die Frontseite in das Abfallreservoir vermindert oder unterdrückt wird. Wischverfahren werden üblicherweise mit einem Wischblatt durchgeführt, welches sich relativ zur Düsenplatte bewegt, um Tintenreste, Papier, Staub oder weiteren Schmutz, der sich auf der Druckkopfvorderseite gesammelt hat, zu entfernen. Strahl-/Spülverfahren und Wischverfahren können jeweils für sich oder in Kombination miteinander durchgeführt werden. Beispielsweise kann ein Wischverfahren angewendet werden, nachdem Tinte durch die Düsen gespült wurde, um überschüssige Tinte von der Düsenplatte zu wischen.
Im Hinblick auf derartige Handhabung und Reinigungsverfahren besteht ein Bedarf an Tintenstrahl-Frontplattenmaterial, welches eine gute Haftung mit der Frontplatte aufweist, thermisch stabil ist, und mechanisch und chemisch robust ist (was insbesondere für UV-härtbare oder andere chemisch reaktive oder aggressive Tinten von Bedeutung ist). Weiterhin besteht Bedarf an einer verbesserten Druckkopfvorderseiten-Beschichtung, die das Benetzen, Austreten oder Überlaufen von Tinte, wie etwa UV- oder Festtinte, über die Druckkopfvorderseite verhindert oder reduziert. Zudem besteht ebenfalls Bedarf an einer verbesserten Druckkopfvorderseiten-Beschichtung, die robust ist (d. h. sich während dem Betrieb und der Reinigung des Druckkopfes nicht ablöst und abblättert), um den verschiedenen Wartungsvorgängen an der Druckkopfvorderseite standzuhalten.
Es wird in einigen Ausführungsformen eine Beschichtung für eine Tintenstrahldruckkopfvorderseite bereitgestellt, wobei die Beschichtung einen strukturierten organischen Film (SOF) umfasst, welcher eine Vielzahl von Segmenten und eine Vielzahl von Linkern umfasst, wobei die Vielzahl von Segmenten und die Vielzahl von Linkern als kovalentes organisches Netzwerk angeordnet sind. In einigen Ausführungsformen, Wird diese Beschichtung auf der Vorderseite eines Tintenstrahldruckkopfes aufgebracht, so zeigen in einigen Ausführungsformen ausgestoßene Tintentropfen, wie Tropfen aus UV-härtbarer Tinte oder Festtinte, eine sehr geringe Haftung auf der Oberfläche. In einigen Ausführungsformen weist die Beschichtung diese Eigenschaft auch nach vielen Reinigungszyklen (wie z. B. mehr als 200 Reinigungs- oder Wischzyklen, oder mehr als 500 Reinigungs- oder Wischzyklen) auf, wodurch die Verunreinigung mit Tinte verhindert wird und ermöglicht wird, dass die Tintentröpfchen von der Vorderseite abfließen, ohne einen Rückstand zu hinterlassen.
In weiteren Ausführungsformen umfasst eine Druckvorrichtung mit einem Tintenstrahldruckkopf eine Frontseite, deren Oberfläche mit einer Beschichtung versehen ist, wobei die Beschichtung einen strukturierten organischen Film (SOF) umfasst, welcher eine Vielzahl von Segmenten und eine Vielzahl von Linkern umfasst, wobei die Vielzahl von Segmenten und die Vielzahl von Linkern als kovalentes organisches Netzwerk angeordnet sind, und wobei ausgestoßene Tropfen von Tinte (wie etwa UV-härtbare Tinte oder Festtinte) einen Kontaktwinkel von etwa 140° bis etwa 60° aufweisen, z. B. ein Kontaktwinkel von etwa 110° bis etwa 75°. Wenn die Tinte in den Druckkopf gefüllt wird, ist es erwünscht, die Tinte in der Düse zu halten, bis es Zeit ist, die Tinte auszustoßen. Allgemeinen gilt, dass je größer der Tintenkontaktwinkel, desto besser (höher) der Haltedruck. Der Haltedruck bezeichnet die Fähigkeit der Aperturplatte, das Austropfen der Tinte aus der Düsenöffnung zu vermeiden, wenn der Druck des Tintenbehälters (Reservoirs) zunimmt. Vorteilhafterweise bieten die vorliegenden Beschichtungen sowohl geringe Haftung als auch einen hohen Kontaktwinkel für UV-härtbare Tinte und Festtinte, wodurch vorteilhafterweise der Haltedruck verbessert oder das Austropfen von Tinte aus der Düse verringert oder beseitigt.
Weitere Aspekte der vorliegenden Offenbarung werden aus der folgenden Beschreibung und mit Bezug auf die folgenden, beispielhafte Ausführungsformen darstellenden Abbildungen offensichtlich:
ist ein beispielhaftes Foto, welches das Austreten und Austropfen von Tinte aus herkömmlichen Tintenstrahldruckköpfen nach einem Druckvorgang veranschaulicht.
stellt einen Querschnitt einer Druckkopfvorderseite mit einer darauf angeordneten Beschichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung.
stellt einen Querschnitt einer weiteren Druckkopfvorderseite mit einer darauf angeordneten Beschichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung.
–O zeigen Darstellungen beispielhafter Bausteine und veranschaulichen deren symmetrische Elemente.
Im Einzelnen wird in der vorliegenden Offenbarung folgendes bereitgestellt:

(1) Eine Beschichtung für einen Tintenstrahl-Druckkopfvorderseite, gekennzeichnet dadurch, dass die Beschichtung einen strukturierten organischen Film umfasst, welcher eine Vielzahl von Segmenten und eine Vielzahl von Linkern umfasst, wobei die Vielzahl von Segmenten und die Vielzahl von Linkern als kovalentes organisches Netzwerk angeordnet sind.
(2) Beschichtung gemäß Punkt 1, wobei ausgestoßene Tropfen einer UV-härtbaren Tinte oder Festtinte auf der Tintenstrahl-Druckkopfvorderseite einen Kontaktwinkel von etwa von etwa 140° bis etwa 60° aufweisen.
(3) Beschichtung gemäß Punkt 2, wobei der Kontaktwinkel etwa 110° bis etwa 75° beträgt.
(4) Beschichtung gemäß einem der Punkte 1 bis 3, wobei der strukturierte organische Film fluoriert ist.
(5) Beschichtung gemäß einem der Punkte 1 bis 4, wobei der strukturierte organische Film ein zusammengesetzter strukturierter organischer Film ist.
(6) Beschichtung gemäß einem der Punkte 1 bis 5, wobei der strukturierte organische Film eine zusätzliche Funktionalität aufweist.
(7) Beschichtung gemäß einem der Punkte 1 bis 6, wobei der strukturierte organische Film eine Capping-Einheit aufweist.
(8) Tintenstrahl-Druckkopf, welcher eine Vorderseite umfasst, deren Oberfläche eine Beschichtung gemäß einem der Punkte 1 bis 7 aufweist.
(9) Druckvorrichtung, welche den Tintenstrahl-Druckkopf gemäß Anspruch 8 umfasst.
(10) Verfahren zur Herstellung eines Tintenstrahldruckkopfes Düsenplatte umfasst: Bereitstellen einer Platte Substrat und Bildung einer Beschichtung aus einem strukturierten organischen Film gemäß einem der Punkte 1 bis 7.
(11) Verfahren gemäß Punkt 10, wobei die Bildung der Beschichtung folgende Schritte umfasst:
(a) Herstellung einer Flüssigkeit enthaltenden Reaktionsmischung, umfassend eine Vielzahl von molekularen Bausteinen, die jeweils ein Segment und eine Anzahl von funktionellen Gruppen, und eine SOF-Vorstufe;
(b) Abscheidung der Reaktionsmischung als Nassfilm;
(c) Förderung einer Umwandlung des Nassfilms einschließlich der molekularen Bausteine zu einem Trockenfilm.

Die Beschichtungen der vorliegenden Offenbarung widerstehen Kontamination, Austreten und Überlaufen von Tinte, wie etwa UV-härtbarer Tinte und UV-härtbarer Phasenwechseltinte sowie Festtinte (auch als Phasenwechseltinte bezeichnet), und erhalten diesen Widerstand auch nach zahlreichen Spül- und Wartungszyklen aufrecht. Die vorliegende Offenbarung zeigt, dass SOFs gute Haftung auf Polyimid und Edelstahl (Tintenstrahl-Frontplattenmaterial) aufweisen, über eine hohe thermische Stabilität verfügen und ein leichtes Aufsaugen von Festtinten und UV-härtbaren Tinten von der Oberfläche selbst bei längeren Einwirkungszeiten ermöglichen.
Die strukturierte organische Filme (SOFs) umfassenden Beschichtungen nach der vorliegenden Erfindung können auf eine Vielfalt an Substraten, einschließlich rostfreiem Stahl und Polyimid, unter Verwendung einer Vielzahl an Lösungs-Verarbeitungsverfahren (Sprüh-, Tauchbeschichtungen, und Rakelstreichverfahren) aufgebracht werden, wodurch eine durch den Benutzer vorbestimmte, geeignete Beschichtungsdicke erreicht werden kann. Die SOFs umfassenden Beschichtungen können derart ausgewählt werden, dass eine starke Haftung an rostfreiem Stahl und Polyimid ohne Oberflächenmodifikation oder die Verwendung von Promotoren erreicht wird. Die SOFs umfassenden Beschichtungen der vorliegenden Offenbarung sind thermisch stabil (> 200°C für längere Zeit, keine beobachtbare Veränderung oder Beschädigung nach 45 Tagen) und können derart maßgeschneidert werden, dass sie nicht benetzende und antihaftende Wechselwirkungen mit Tinten, wie Festtinten oder UV-härtbaren Tinten, aufweisen, wodurch die Tinten auch nach längerer Zeit leicht von der Oberfläche gesaugt werden können. Die SOFs umfassenden Beschichtungen sind beständig gegenüber einer Abnutzung oder Beschädigung der Oberfläche.
Zusätzlich bieten die strukturierten organischen Filmzusammensetzungen durch ihre Abstimmbarkeit im Allgemeinen eine attraktive Ausgangsbasis für Antifouling-Beschichtungen, wobei Antifouling-Beschichtungen für Tintenstrahl-Frontplatten ein Beispiel darstellen.
Die hierin offenbarten beispielhaften Ausführungsformen stellen Materialen und Verfahren zur Herstellung von Tintenstrahldruckkopf-Düsenplatten und verwandten Druckvorrichtungen bereit. In Ausführungsformen kann die SOFs umfassende Beschichtung auf einem Substrat gebildet werden, wie etwa einem Druckkopf-Düsenplattensubstrat für Anwendungen in Tintenstrahldruckköpfen. In weiteren Ausführungsformen kann die SOFs umfassende Beschichtung zusätzliche Funktionalitäten aufweisen, wie etwa zusätzliche oleophobe oder hydrophobe Eigenschaften.
Wie durch einen Tinten-Absorptionstest bestimmt werden kann, weisen die vorliegenden Beschichtungen in einigen Ausführungsformen sehr geringe Haftung an Tinten, wie etwa UV-Tinten und Festtinten auf, so dass Tintentropfen auf der Druckkopfvorderseite entfernt werden können und keinen Rückstand hinterlassen. Die Beschichtungen für Tintenstrahl-Druckkopfvorderseiten ermöglichen hierbei die Herstellung mit hohem Durchsatz von qualitativ hochwertigen, digital gedruckten Bildern mit Tinten, wie z. B. UV-härtbaren Tinten oder Festtinten, die aus einem Druckkopf ausgestoßen werden, ermöglichen, wobei die Bilder frei von Druckfehlern durch fehlgeleitete Tröpfchen oder durch fehlende Strahlen sind, die ihrerseits, wie bei bekannten Druckkopf-Vorderseitenbeschichtungen der Fall, durch Überlaufen von Tinte verursacht werden.
In einigen Ausführungsformen können ausgestoßene Tropfen UV-härtbarer Tinte oder Tropfen fester Tinte einen Kontaktwinkel mit der SOF enthaltenden Überzugsschicht von etwa 140° bis etwa 60° aufweisen, bevorzugt von etwa 110° bis etwa 75°, oder besonders bevorzugt von etwa 100° bis etwa 85°. Wenn die Tinte in den Druckkopf gefüllt wird, ist es erwünscht, die Tinte in der Düse zu halten, bis es Zeit ist, die Tinte auszustoßen. Allgemeinen gilt, dass je größer der Tintenkontaktwinkel, desto besser (höher) der Haltedruck (bzw. Überlaufdruck). Der große Kontaktwinkel der oben genannten, SOF umfassenden Überzugsschicht der Druckkopf-Düsenplatte kann die Entnetzung und die Qualität der ausgestoßenen Tintentröpfchen verbessern sowie das Austropfen unterbinden.
Der Begriff ”Haltedruck”, wie hierin offenbart, bezeichnet die Fähigkeit der Aperturplatte, das Austropfen der Tinte aus der Düsenöffnung zu vermeiden, wenn der Druck des Tintenbehälters (Reservoirs) zunimmt. Vorteilhafterweise bieten die hierin offenbarten, SOF umfassenden Beschichtungen sowohl geringe Haftung als auch einen hohen Kontaktwinkel für UV-härtbare Tinte und Festtinte, wodurch vorteilhafterweise der Haltedruck verbessert oder das Austropfen von Tinte aus der Düse verringert oder beseitigt.
Der Begriff ”SOF” bezieht sich allgemein auf ein kovalentes organisches Netzwerk, welches auf makroskopischer Ebene einen Film darstellt. Der Begriff ”makroskopische Ebene” bezieht sich auf das mit bloßem Auge wahrgenommene Erscheinungsbild der vorliegenden SOF. Obwohl eine kovalentes organisches Netzwerk ein Netzwerk auf ”Mikroebene” oder ”molekularer Ebene” (die den Einsatz von leistungsstarken Vergrößerungsgeräten oder Streumethoden erfordert) ist, ist die vorliegende SOF auf ”Makroebene” grundlegend verschieden, weil der Film beispielsweise im Umfang um Größenordnungen größer ist als ein COF-Netzwerk auf mikroskopischer Ebene. Die hierin beschriebenen SOFs, die in den hierin beschriebenen Ausführungsformen verwendet werden können, sind lösungsmittelbeständig und weisen eine makroskopische Morphologie auf, die sich stark von typischen, zuvor synthetisierten COF unterscheidet.
Die hierin offenbarten Beschichtungen zeigen geeignetes Abriebverhalten für Verwendungen als Druckkopf-Oberflächenbeschichtungen, um übermäßigen Verschleiß bei Nutzung oder Wischen zu vermeiden. In Ausführungsformen weisen die Beschichtungen der vorliegenden Erfindung einen strukturierten organischen Film (SOF) auf, der eine Vielzahl von Segmenten, eine Vielzahl von Linkern umfasst, die als kovalentes organisches Netzwerk angeordnet sind und gegebenenfalls, in bestimmten Ausführungsformen einen SOF beinhaltet, welcher ein fluoriertes Segment umfasst.
Die Planung und Abstimmung des Fluorgehalts in den SOF-Zusammensetzungen der vorliegenden Offenbarung ist unkompliziert und erfordert keine maßgeschneiderte Synthese von Polymeren oder Misch-/Dispergierverfahren. Ferner können die SOF-Zusammensetzungen der vorliegenden Offenbarung SOF-Zusammensetzungen darstellen, in denen der Fluorgehalt gleichmäßig dispergiert ist und auf molekularer Ebene geordnet ist.
Die Beschichtungen können auf einem Druckkopf angeordnet sein, wie etwa auf einer Druckkopfvorderseite. Jedes geeignete Verfahren kann zum Aufbringen der Beschichtung(en) auf die Oberfläche des Druckkopfs verwendet werden. Geeignete Techniken zum Aufbringen der Beschichtung umfassen Lösungs-, Sprüh-, Tauchbeschichtungen, Rakelstreichverfahren und die unten diskutierten Techniken.
Die Druckkopf-Aperturplatte (oder Blende oder Druckkopfvorderseitenplatte) kann aus jedem geeigneten Material hergestellt sein und kann jede beliebige für das Gerät geeignete Konfiguration aufweisen. Aufgrund der einfachen Herstellung werden typischerweise Blenden mit quadratischer oder rechteckiger Form ausgewählt. Blenden können aus jeder geeigneten Zusammensetzung hergestellt werden. In einigen Ausführungsformen bestehen Aperturplatten oder Blenden aus Edelstahl, Stahl, Nickel, Kupfer, Aluminium, Polyimid, Silikon oder SOF. Blenden können auch aus rostfreiem Stahl hergestellt sein und wahlweise mit einem Hartlötmaterial, wie etwa Gold plattiert werden.
Die Beschichtungen können mit jeder Art von Druckkopf verwendet werden. In wird ein Druckkopf 200 dargestellt, der mit einer darauf angeordneten Beschichtung nach der vorliegenden Erfindung, die eine SOF aufweist, dargestellt. Der Druckkopf 200 umfasst ein Basissubstrat 202 mit Transducern 204 auf einer Oberfläche und akustischen Linsen 206 auf einer gegenüberliegenden Fläche. In einigem Abstand von dem Basissubstrat 202 befindet sich eine Flüssigkeitspegel-Kontrollplatte 208. Eine Beschichtung 210 in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung ist längs der Platte 208 angeordnet. Die einen SOF umfassende Beschichtung kann eine Dicke im Bereich von etwa 10 nm bis etwa 100 μm aufweisen, wie im Bereich von etwa 50 nm bis etwa 20 μm oder im Bereich von etwa 100 nm bis etwa 10 μm.
Das Basissubstrat 202 und die Flüssigkeitspegel-Kontrollplatte 208 bilden einen Kanal, der eine fließende Flüssigkeit 212 hält. Die Flüssigkeitsspegel-Kontrollplatte 208 enthält ein Array 214 von Öffnungen 216. Die Transducer 204, akustischen Linsen 206 und Öffnungen 216 sind ausschließlich axial ausgerichtet, so daß durch die ausgerichtete Akustik 206 die durch einen einzigen Transducer 204 erzeugte akustische Welle auf eine etwa freie Oberfläche 218 der Flüssigkeit 212 in seiner ausgerichteten Öffnung 216 fokussiert. Bei ausreichender Antriebsleistung wird ein Tropfen wird von der Oberfläche 218 emittiert.
zeigt eine weitere Ausführungsform eines Druckkopfes 300 mit einer darauf angeordneten Beschichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung. In weist ein Drop-on-Demand-Tintenstrahldruckkopf 300 ein Gehäuse 302 auf, das eine oder mehrere Tintendruckkammer(n) 304 beinhaltet, die mit einem oder mehreren Tintenvorräten 306 gekoppelt sind oder in Verbindung mit diesen stehen. Der Tintenstrahldruckkopf 300 weist eine oder mehrere Tintenausstoßvorrichtungen, wie etwa Öffnungen oder Düsen/Auslässe 308 auf. Ein typischer Tintenstrahldrucker umfasst eine Vielzahl von Tintendruckkammern 304, wobei jede Druckkammer 304 mit einer oder mehrere Düsen bzw. Auslässen 308 gekoppelt sind. Zur Vereinfachung wird in ein einzelner Auslass 308 dargestellt. Jede Düse bzw. jeder Auslass 308 ist über einen mit Pfeilen 310 gekennzeichneten Tintenkanal mit einer Tintendruckkammer 304 gekoppelt oder steht mit dieser in Verbindung. Während der Bildung der Tintentropfen passiert Tinte die Düse (Auslass) 308. Die Tintentropfen bewegen sich entlang Pfad 310 von den Düsenauslässen 308 in Richtung eines von diesen beabstandeten Printmediums (nicht gezeigt). Die Düsenauslässe 308 können in einer Blende oder der Druckkopfvorderseitenplatte 312 auf dem Gehäuse 302 auf der Auslassseite des Tintenstrahldruckkopfs 300 ausgebildet sein. Eine Beschichtung 314 in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung ist entlang der Öffnungsplatte 312 angeordnet.
Der Druckkopf kann eine Vorderseite umfassen, die auf einer Oberfläche eine schwach haftende Beschichtung aufweist, welche einen strukturierten organischen Film (SOF) umfasst, wobei der SOF eine Vielzahl von Segmenten und eine Vielzahl von Linkern umfasst, die als kovalentes organisches Netzwerk angeordnet sind, und wobei ausgestoßene Tropfen von Tinte, wie etwa UV-härtbarer Tinte oder fester Tinte mit der Oberflächenbeschichtung einen Kontaktwinkel von etwa 140° bis etwa 60° aufweisen, in bestimmten Ausführungsformen ein Kontaktwinkel von mehr als etwa 110° oder mehr als etwa 75°. Im Allgemeinen gilt, dass je größer der Tintenkontaktwinkel, desto besser (höher) der Haltedruck (bzw. Überlaufdruck). Der Begriff Haltedruck bezeichnet, wie oben beschrieben, die Fähigkeit der Aperturplatte, das Austropfen der Tinte aus der Düsenöffnung zu vermeiden, wenn der Druck des Tintenbehälters (Reservoirs) zunimmt. In einigen Ausführungsformen weisen die hierin offenbarten Beschichtungen sowohl geringe Haftung als auch einen hohen Kontaktwinkel für UV-härtbare Tinte und Festtinte auf, wodurch vorteilhafterweise der Haltedruck verbessert wird.
In Ausführungsformen umfasst die hierin offenbarte Beschichtung einen SOF, welcher eine Vielzahl von Segmenten umfasst, eine Vielzahl von als kovalentes organisches Netzwerk angeordneten Linkern, wie etwa einen lösungsmittelresistenten SOF, einen Capped-SOF, einen zusammengesetzten SOF und/oder einen periodischen SOF. Der Begriff ”lösungsmittelresistent” bezieht sich auf die nahezu vollständige Abwesenheit von: (1) der Extraktion bzw. dem Auslaugen jeglicher Atome und/oder Moleküle, die zu einem gegebenen Zeitpunkt ein Teil des SOF und/oder der SOF-Zusammensetzung (z. B. ein SOF-Verbundmaterial) waren und/oder (2) die Phasentrennung jeglicher Moleküle, die zu einem gegebenen Zeitpunkt ein Teil des SOF und/oder der SOF-Zusammensetzung (z. B. ein SOF-Verbundmaterial) waren, wodurch die Empfindlichkeit der Schicht, in welcher der SOF aufgenommen wird, gegenüber Lösungsmittel- und Spannungsrissen oder einer Zersetzung erhöht wird. Der Begriff ”nahezu vollständige Abwesenheit” kennzeichnet einen Anteil von weniger als etwa 0,5% an extrahierten bzw. ausgelaugten Atomen und/oder Molekülen des SOF nach einem Eintauchen (oder einer kontinuierlichen Exposition) des SOF umfassenden Bilderzeugungselements (oder der SOF-Schicht des Bilderzeugungselements) in einen flüssigen Entwickler oder ein Lösungsmittel (entweder eine wässrige oder organische Trägerflüssigkeit, wie etwa Isoparaffinkohlenwasserstoffe wie z. B. Isopar) für einen Zeitraum von 24 h oder länger (wie etwa 48 h oder länger, oder 72 h oder länger). Vorzugsweise beträgt der Anteil an extrahierten bzw. ausgelaugten Atomen und/oder Molekülen unter diesen Bedingungen weniger als 0,1%, besonders bevorzugt weniger als 0,01%.
Der Begriff ”organische Trägerflüssigkeit” bezieht sich auf in flüssigen Entwicklern und/oder Tinten verwendete organische Flüssigkeiten oder Lösungsmittel.
Wenn eine Capping-Einheit in den SOF eingeführt wird, so ist die SOF-Grundstruktur an der Stelle, wo sich die Capping-Einheit befindet ”unterbrochen”. Diese SOF-Zusammensetzungen sind ”kovalent dotiert”, weil ein Fremdmolekül an die SOF-Grundstruktur gebunden ist, da Capping-Einheiten vorhanden sind. Capped-SOF-Zusammensetzungen können die Eigenschaften der SOF beeinflussen, ohne die konstituierenden Bausteine zu verändern. Zum Beispiel können die mechanischen und physikalischen Eigenschaften des Capped-SOF, worin die SOF-Grundstruktur unterbrochen ist, sich von jenen eines SOF ohne Capping-Einheiten unterscheiden.
Die SOF der vorliegenden Offenbarung können auf makroskopischer Ebene im Wesentlichen porenfreie SOF oder porenfreie SOF mit durchgehend kovalenter organischer Grundstruktur sein, die sich über größere Längenskalen erstrecken können (beispielsweise von einem Millimeter bis zu einer Länge von etwa einem Meter, theoretisch bis zu mehreren hundert Metern). Es versteht sich auch, dass SOF tendenziell einen großen Streckungsgrad aufweisen, wobei typischerweise zwei Dimensionen eines SOF viel größer sind als die dritte. Im Vergleich zu einer Ansammlung von Partikeln mit kovalenter organischer Grundstruktur weisen SOF deutlich weniger makroskopische Kanten und unzusammenhängende äußere Oberflächen auf.
Der Begriff ”im Wesentlichen porenfreie SOF” bezieht sich auf SOF, die im Wesentlichen keine Poren oder Lücken aufweisen, die größer sind als der Abstand zwischen den Kernen zweier benachbarter Segmente pro cm², oder weniger als 10 Poren oder Lücken mit einer Größe von etwa 250 nm Durchmesser pro cm². Der Begriff ”porenfreie SOF” bezieht sich auf SOF, die keine Löcher, Poren oder Lücken aufweisen, die größer sind als der Abstand zwischen den Kernen zweier benachbarter Segmente pro μm², oder keine Löcher, Poren oder Lücken, die größer sind als etwa 500 Å (Durchmesser) pro μm².
Die SOF der vorliegenden Offenbarung umfassen molekulare Bausteine mit einem Segment (S) und funktionellen Gruppen (Fg). Molekulare Bausteine erfordern mindestens zwei funktionelle Gruppen (x ≥ 2) und können eine einzige Art oder zwei oder mehrere Arten von funktionellen Gruppen enthalten. Funktionelle Gruppen sind die reaktiven chemischen Gruppen von molekularen Bausteinen, die in einer chemischen Reaktion teilnehmen, um die Segmente während des Bildungsprozesses des SOF miteinander zu verbinden. Ein Segment ist der Abschnitt der molekularen Bausteine, der funktionelle Gruppen trägt und alle Atome umfasst, die nicht funktionellen Gruppen zugeordnet sind. Ferner bleibt die Zusammensetzung der Segmente molekularer Bausteine unverändert, nach der Bildung der SOF unverändert.
Die Symmetrie molekularer Bausteine bezieht sich auf die Positionierung der funktionellen Gruppen (Fg) im Umfeld der Segmente der molekularen Bausteine. Ungeachtet theoretischer Betrachtungen ist ein symmetrischer molekularer Baustein schematisch dadurch gekennzeichnet, dass die Positionierung von der Fg an den Enden einer Stange, den Ecken einer regelmäßigen geometrischen Form oder den Enden einer verzerrten Stange oder verzerrten geometrischen Form erfolgt. Beispielweise weist im Falle eines molekularen Bausteins mit vier funktionellen Gruppen Fg eine Anordnung, bei der die funktionellen Gruppen mit den Ecken eines Quadrats oder den Spitzen eines Tetraeder überlappen die größte Symmetrie auf.
Die Verwendung von symmetrischen Bausteinen erfolgt in Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung aus zwei Gründen: (1) die Strukturierung der molekularen Bausteine kann besser antizipiert werden, weil die Verbindung regelmäßiger Formen in der retikulären Chemie besser bekannt ist, (2) die vollständige Reaktion zwischen den molekularen Bausteinen wird erleichtert, da bei weniger symmetrischen Bausteinen fehlerhafte Konformationen/Orientierungen angenommen werden können, was unter Umständen zu zahlreichen Verknüpfungsmängeln innerhalb des SOF führen kann.
–O zeigen beispielhafte Bausteine, deren symmetrische Elemente dargestellt sind. Derartige symmetrische Elemente sind in den molekularen Bausteinen, die in der vorliegenden Offenbarung verwendet werden können, vorhanden.
Nicht einschränkende Beispiele verschiedener Klassen von beispielhaften molekularen Einheiten, die als molekulare Bausteine für SOF gemäß der vorliegenden Offenbarung dienen, umfassen Bausteine, die einen Kern aus Kohlenstoff- oder Siliziumatomen enthalten; Bausteine mit Alkoxy-Kern; Bausteine, die einen Kern aus Stickstoff- oder Phosphoratomen enthalten; Bausteine mit Aryl-Kern; Bausteine Carbonat, die haltige Kerne enthalten; Bausteine, die carbocyclische-, carbobicyclische- oder carbotricyclische Kerne enthalten; und Bausteine, die einen Oligothiophen-Kern enthalten.
In einigen Ausführungsformen enthält der SOF des Typs 1 Segmente, die nicht an den Rändern des SOF angeordnet sind, sondern durch Linker an mindestens drei andere Segmente gebunden sind. Zum Beispiel umfasst der SOF in einigen Ausführungsformen mindestens einen symmetrischen Baustein ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus ideal dreieckigen Bausteinen, verzerrt-dreieckigen Bausteinen, ideal tetraedrischen Bausteinen, verzerrt-tetraedrischen Bausteinen, ideal quadratischen Bausteinen und verzerrt quadratischen Bausteinen.
In weiteren Ausführungsformen enthält der SOF der Typen 2 und 3 mindestens einen Segmenttyp, welcher sich nicht an den Rändern des SOF befindet, sondern durch Linker an mindestens drei andere Segmente gebunden ist. Zum Beispiel umfasst der SOF in einigen Ausführungsformen mindestens einen symmetrischen Baustein ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus ideal dreieckigen Bausteinen, verzerrt-dreieckigen Bausteinen, ideal tetraedrischen Bausteinen, verzerrt-tetraedrischen Bausteinen, ideal quadratischen Bausteinen und verzerrt quadratischen Bausteinen.
Funktionelle Gruppen sind die reaktiven chemischen Gruppen von molekularen Bausteinen, die in einer chemischen Reaktion teilnehmen, um die Segmente während des Bildungsprozesses des SOF miteinander zu verbinden. Nicht einschränkende Beispiele für funktionelle Gruppen beinhalten Halogene, Alkohole, Ether, Ketone, Carbonsäuren, Ester, Carbonate, Amine, Amide, Imine, Harnstoffe, Aldehyde, Isocyanate, Tosylate, Alkene, Alkine und dergleichen.
Molekulare Bausteine enthalten eine Vielzahl von chemischen Einheiten, allerdings ist nur eine Teilmenge dieser chemischen Einheiten als funktionelle Gruppe während des SOF-Bildungsprozesses. Ob eine chemische Einheit als eine funktionelle Gruppe fungiert ist von den für den SOF-Bildungsprozess ausgewählten Reaktionsbedingungen abhängig. Der Begriff funktionelle Gruppe (Fg) bezeichnet eine chemische Einheit, die eine reaktive Einheit darstellt, d. h. eine funktionelle Gruppe im SOF-Bildungsprozess ist.
Im SOF-Bildungsprozess wird die Zusammensetzung einer funktionellen Gruppe durch den Verlust, die Addition oder sowohl den Verlust und die Addition von Atomen verändert; oder die funktionelle Gruppe kann ganz verloren gehen. Im SOF sind zuvor an funktionelle Gruppen gebundene Atome an Linker gebunden, die die chemischen Einheiten darstellen, die Segmente verbinden. Funktionelle Gruppen haben eine charakteristische Chemie und Fachleute auf dem Gebiet können im Allgemeinen in den vorliegenden molekularen Bausteinen die Atome, die eine funktionelle Gruppe darstellen, erkennen. Es sei darauf hingewiesen, dass ein Atom oder eine Gruppierung von Atomen, die als Teil der funktionellen Gruppe im molekularen Baustein identifiziert wird, in der Linkergruppe des SOF verbleiben kann. Linkergruppen werden im Folgenden beschrieben.
Capping-Einheiten der vorliegenden Offenbarung sind Moleküle, die die regelmäßige Grundstruktur der normalerweise in einem SOF vorhandenen, kovalent gebundenen Bausteine unterbrechen. Capped-SOF-Zusammensetzungen sind variierbare Materialien, deren Eigenschaften durch die Art und Menge der eingeführten Capping-Einheit geändert werden können. Capping-Einheiten können eine einzelne Art oder zwei oder mehr Typen von funktionellen Gruppen und/oder chemischen Einheiten umfassen.
In einigen Ausführungsbeispielen umfasst der SOF eine Vielzahl von Segmenten, wobei alle Segmente eine identische Struktur aufweisen, und eine Vielzahl von Linkern, die unter Umständen nicht eine identische Struktur aufweisen, wobei die Segmente, die sich nicht an den Rändern des SOF befinden, durch Linker an mindestens drei anderen Segmenten und/oder Capping-Gruppen verbunden sind. In einigen Ausführungsbeispielen umfasst der SOF eine Vielzahl von Segmenten, in denen die Vielzahl von Segmenten mindestens ein erstes und ein zweites Segment umfasst, die sich in ihrer Struktur unterscheiden, und das erste Segment wird durch Linker an mindestens drei andere Segmente und/oder Capping-Gruppen gebunden, sofern es sich nicht am Rand des SOF befindet.
In einigen Ausführungsbeispielen umfasst der SOF eine Vielzahl von Linkern mit mindestens einem ersten und einem zweiten Linker, die sich in ihrer Struktur unterscheiden und die Vielzahl von Segmenten umfasst entweder mindestens ein erstes und ein zweites Segment, die sich in ihrer Struktur unterscheiden, wobei das erste Segment, wenn es sich nicht am Rand des SOF befindet, an mindestens drei anderen Segmenten und/oder Capping-Gruppen gebunden ist; wobei mindestens eine der Bindungen über den ersten Linker erfolgt und mindestens eine der Verbindungen über den zweiten Linker erfolgt, oder Segmente umfasst, die allesamt eine identische Struktur aufweisen, und die Segmente, die sich nicht an den Rändern des SOF befinden, über Linker an mindestens drei anderen Segmenten und/oder Capping-Gruppen gebunden sind, wobei mindestens eine der Bindungen ist über den ersten Linker, und mindestens eine der Bindungen über den zweiten Linker erfolgt.
Ein Segment ist der Abschnitt der molekulare Bausteine, der die funktionelle Gruppen trägt und umfasst alle Atome, die nicht funktionellen Gruppen zugeordnet sind. Ferner bleibt die Zusammensetzung der Segmente molekularer Bausteine nach dem SOF-Bildungsprozess unverändert. In Ausführungsformen kann der SOF ein erstes Segment beinhalten, dessen Struktur identisch mit jener des zweiten Segments ist oder sich in dieser unterscheidet. In weiteren Ausführungsformen können die Strukturen der ersten und/oder zweiten Segmente identisch mit jenen eines dritten, vierten, fünften Segments oder weiterer Segmente sein oder sich hiervon unterscheiden. Ein Segment ist auch der Bestandteil des molekularen Bausteins, der eine Grundeigenschaft bestimmen kann. Der Begrifft „Grundeigenschaft” wird in den folgenden Ausführungsformen näher beschrieben.
In bestimmten Ausführungsformen kann ein Segment des SOF mindestens ein Atom eines Elements umfassen, das nicht Kohlenstoff ist, wie mindestens ein Atom aus der Gruppe bestehend aus Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff, Silizium, Phosphor, Selen, Fluor, Bor und Schwefel.
Ein Linker eine chemische Einheit, die in einem SOF nach einer chemischen Reaktion zwischen sich auf der molekularen Bausteinen und/oder Capping-Einheiten befindenden funktionellen Gruppen gebildet wird.
Ein Linker kann eine kovalente Bindung, ein einzelnes Atom oder eine Gruppe von kovalent gebundener Atome umfassen. Der erste Typ ist als ein Linker mit kovalenter Bindung definiert, und kann beispielsweise eine kovalente Einfach- oder Doppelbindung sein und gebildet werden, wenn die funktionellen Gruppen aller benachbarten Bausteine bei der Reaktion abgehen. Der letzte Typ ist als Gruppen-Linker definiert und kann ein oder mehrere Atome umfassen, die durch kovalente Bindungen, kovalente Doppelbindungen, oder Kombinationen davon gebunden sind. In den Linkergruppen enthaltenen Atome stammen aus Atomen, die sich vor dem SOF-Bildungsprozess in den funktionellen Gruppen auf den molekularen Bausteinen befinden. Gruppen-Linker können bekannte chemische Gruppen sein, wie z. B. Ester, Ketone, Amide, Imine, Ether, Urethane, Carbonate und dergleichen, oder Derivate davon.
Wenn zum Beispiel zwei Hydroxylgruppen (-OH) verwendet werden, um Segmente in einem SOF über ein Sauerstoffatom zu verbinden, würde das Sauerstoffatom den Linker darstellen, welcher auch als Ether-Linker bezeichnet werden kann. In einigen Ausführungsformen kann der SOF einen ersten Linker umfassen, dessen Struktur gleich oder verschieden von jener eines zweiten Linkers ist. In weiteren Ausführungsformen können die Strukturen der ersten und/oder zweiten Linker gleich sein oder sich von jenen eines dritten Linkers, etc. unterscheiden.
SOF können jedes geeignete Seitenverhältnis bzw. jeden geeigneten Streckungsgrad aufweisen. So können die Seitenverhältnisse des SOF z. B. größer als etwa 30:1 oder größer als etwa 100:1. Das Seitenverhältnis eines SOF ist als das Verhältnis der durchschnittlichen Breite oder des Durchmessers (der nächstgrößeren Dimension nach der Dicke) und seiner mittleren Dicke (seiner kürzesten Abmessung) definiert. Die längste Dimension eines SOF ist seine Länge, welche in der Berechnung des SOF-Seitenverhältnisses nicht berücksichtigt wird. SOF können jedes geeignete Seitenverhältnis aufweisen. In einigen Ausführungsformen weisen SOF etwa Seitenverhältnisse größer als etwa 30:1 auf, oder größer als etwa 50:1, oder größer als etwa 70:1, oder größer als etwa 100:1, wie etwa 1000:1. Der Begriff Seitenverhältnis, wie hierin verwendet, ist nicht an theoretische Betrachtungen gebunden.
Ein SOF kann eine einzelne Schicht oder eine Vielzahl von Schichten (d. h. zwei, drei oder mehr Schichten) umfassen. SOFs, die aus einer Vielzahl von Schichten bestehen, können physikalisch (z. B. über eine Dipol- oder eine Wasserstoffbrückenbindung) oder chemisch verbunden sein. Physikalisch verbundene Schichten sind durch schwächere Wechselwirkungen bzw. eine geringere Haftung zwischen den Schichten gekennzeichnet, wodurch physikalisch verbundene Schichten gegenüber einer Delaminierung anfällig sind. Chemisch verbundene Schichten weisen erwartungsgemäß chemische Bindungen (z. B. kovalente oder ionische Bindungen) oder zahlreiche physikalische oder intermolekulare Wechselwirkungen auf, die die aneinanderliegenden Schichten fest verbinden.
Daher ist eine Delaminierung von chemisch verbundenen Schichten viel unwahrscheinlicher. Chemische Bindungen zwischen Schichten können unter Verwendung spektroskopischer Methoden (wie z. B. IR- und Raman-Spektroskopie) oder mit anderen Methoden mit räumlicher Auflösung, bei denen die chemischen Spezies an den Grenzflächen genau erkannt werden kann, detektiert werden. In Fällen, in denen chemischen Verknüpfungen zwischen den Schichten über chemische Spezies erfolgen, die sich von denen innerhalb der Schichten selbst unterscheiden, ist es möglich diese Verknüpfungen mit Bulk-sensitiven Analysen wie zum Beispiel Festkörper-NMR-Spektroskopie oder durch Verwendung anderer bulkanalytischer Methoden zu erkennen.
In einigen Ausführungsformen kann die Beschichtung einen SOF umfassen, worin der SOF aus einer einziger Schicht (mit der Dicke eines einzigen Segments oder mehreren Segmenten) oder aus mehreren Schichten (wobei jede Schicht die Dicke eines einzigen Segments oder mehreren Segmenten aufweisen kann) gebildet ist. Der Begriff ”Dicke” bezieht sich auf die kleinste Abmessung des Films. Wie oben erläutert, sind die Segmente in einem SOF molekulare Einheiten, die kovalent über Linker verbunden sind, um die molekulare Grundstruktur des Films auszubilden. Die Dicke des Films kann ferner über die Anzahl der Segmente, die entlang der Querschnittsachse des Films gezählt werden, definiert werden. Ein ”Monoschicht”-SOF ist der einfachste Fall, und bezeichnet z. B. den Fall, bei dem der Film die Dicke eines Segments aufweist. Ein SOF, wo zwei oder mehr Segmente entlang der Querschnittsachse vorliegen, wird als „Multischicht”-SOF bezeichnet.
Ein beispielhaftes Verfahren zur Herstellung einer Beschichtung, die SOF mit mehreren, physikalisch miteinander verbundenen Schichten umfasst, umfasst folgende Schritte: (1) Ausbilden einer SOF-Basisschicht, die durch einen ersten Härtungszyklus ausgehärtet werden kann, und (2) Ausbilden einer zweiten reaktiven Nassschicht auf der Basisschicht, gefolgt durch eine zweiten Härtungszyklus, und, falls gewünscht, Wiederholen des zweiten Schritts, um eine dritte, vierte (usw.) Schicht zu bilden. Die SOFs mit mehreren, physikalisch miteinander verbundenen Schichten können Dicken von mehr als etwa 20 Å aufweisen, wie etwa die folgenden veranschaulichenden Dicken: etwa 20 Å bis etwa 10 cm, wie etwa 1 nm bis etwa 10 mm oder etwa 0,1 mm bis etwa 5 Å mm. Prinzipiell gibt es bei der Anzahl der Schichten, die in diesem Verfahren miteinander verbunden werden, keine Einschränkungen.
In einigen Ausführungsformen kann eine Beschichtung mit einem Multischicht-SOF durch ein Verfahren zur Herstellung von SOFs mit mehreren, chemisch miteinander verbundenen Schichten hergestellt werden, welches folgende Schritte umfasst: (1) Ausbilden einer SOF-Basisschicht mit funktionellen Gruppen auf der Oberfläche (oder aus der Oberfläche ragenden funktionellen Gruppen) als erste reaktive Nassschicht, und (2) Ausbilden einer zweiten SOF-Schicht auf der Basisschicht als zweite reaktive Nassschicht, die molekulare Bausteine mit funktionellen Gruppen umfasst, welche zur Reaktion mit den funktionellen Gruppen auf der Oberfläche der SOF-Basisschicht befähigt sind. In weiteren Ausführungsformen kann ein Capped-SOF als Basisschicht fungieren, in dem die funktionellen Gruppen, die nicht zu der spezifischen chemischen Reaktion zur Verknüpfung der Segmente während des Bildungsprozesses der SOF-Basisschicht befähigt waren, für die Reaktion mit den molekularen Bausteinen der zweiten Schicht zur Verfügung stehen, um so einen SOF mit mehreren, chemisch miteinander verbundenen Schichten bereitzustellen. Falls gewünscht, kann die Zusammensetzung zur Ausbildung der zweiten SOF-Schicht molekulare Bausteine enthalten, die sowohl funktionelle Gruppen enthalten die mit den funktionellen Gruppen der Basisschicht reagieren können als auch zusätzliche funktionelle Gruppen, die die chemische Verknüpfung einer dritten Schicht an die zweite Schicht ermöglichen. Die SOFs mit mehreren chemisch miteinander verbundenen Schichten können Dicken von mehr als etwa 20 Å aufweisen, wie etwa die folgenden veranschaulichenden Dicken: etwa 20 Å bis etwa 10 cm, wie etwa 1 nm bis etwa 10 mm oder etwa 0,1 mm bis etwa 5 Å mm. Prinzipiell gibt es bei der Anzahl der Schichten, die in diesem Verfahren miteinander verbunden werden, keine Einschränkungen.
In einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren zur Herstellung von SOF mit mehreren, chemisch miteinander verbundenen Schichten eine Maßnahme, die die chemische Verknüpfung eines zweiten SOF mit einem vorhandenen SOF (Basisschicht) begünstigt, indem ein kleiner Überschuss eines molekularen Bausteins (sofern mehr als ein molekularer Baustein vorhanden ist) während des Verfahrens zur Bildung des SOF (Basisschicht) verwendet wird, wodurch die funktionellen Gruppen auf diesem molekularen Baustein auf der Oberfläche der Basisschicht angeordnet werden. Die Oberfläche der Basisschicht kann mit einem Mittel behandelt werden, um die Reaktivität der funktionellen Gruppen zu verbessern oder um eine erhöhte Anzahl von funktionellen Gruppen zu schaffen.
In einer Ausführungsform können die aus der Oberfläche des SOF ragenden funktionellen Gruppen oder chemischen Gruppen modifiziert werden, um die Neigung einer spezifischen Klasse von Molekülen oder einzelner Moleküle (wie SOFs) zur Ausbildung kovalenter Bindungen mit einer Basisschicht oder weiteren Substraten oder SOF-Schichten zu erhöhen (oder alternativ zu verringern). Beispielsweise kann die Reaktivität der Oberfläche einer Basisschicht (wie etwa einer SOF-Schicht), die herausragende reaktive funktionelle Gruppen enthält, durch Reaktion letzterer mit chemischen Schutzgruppen herabgesetzt werden. Zum Beispiel kann die Reaktivität einer SOF-Schicht mit aus der Oberfläche des SOF ragenden Hydroxylgruppen durch Behandlung mit Trimethylsilylchlorid vermindert werden, indem weniger reaktive Timethylsilylether gebildet werden. Alternativ kann die Oberfläche der Basisschicht mit einem Mittel behandelt werden, welches keine chemischen Bindungen eingeht, wie beispielsweise einem Wachs, um eine Reaktion mit aus der Oberfläche ragenden funktionellen Gruppen aus weiteren Schichten zu blockieren.
Die Symmetrie molekularer Bausteine bezieht sich auf die Positionierung der funktionellen Gruppen (Fg) im Umfeld der Segmente der molekularen Bausteine. Ungeachtet theoretischer Betrachtungen ist ein symmetrischer molekularer Baustein schematisch dadurch gekennzeichnet, dass die Positionierung von der funktionellen Gruppe an den Enden einer Stange, den Ecken einer regelmäßigen geometrischen Form oder den Enden einer verzerrten Stange oder verzerrten geometrischen Form erfolgt. Beispielweise weist im Falle eines molekularen Bausteins mit vier funktionellen Gruppen Fg eine Anordnung, bei der die funktionellen Gruppen mit den Ecken eines Quadrats oder den Spitzen eines Tetraeder überlappen die größte Symmetrie auf.
Die Nutzung symmetrischer Bausteine erfolgt in Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung aus zwei Gründen: (1) die Strukturierung der molekularen Bausteine kann besser antizipiert werden, weil die Verbindung regelmäßiger Formen in der retikulären Chemie besser bekannt ist, (2) die vollständige Reaktion zwischen den molekularen Bausteinen wird erleichtert, da bei weniger symmetrischen Bausteinen fehlerhafte Konformationen bzw. Orientierungen angenommen werden können, was unter Umständen zu zahlreichen Verknüpfungsmängeln innerhalb des SOF führen kann.
In einigen Ausführungsformen enthält der SOF des Typs 1 Segmente, die nicht an den Rändern des SOF angeordnet sind, sondern durch Linker an mindestens drei andere Segmente gebunden sind. Zum Beispiel umfasst der SOF in einigen Ausführungsformen mindestens einen symmetrischen Baustein ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus ideal dreieckigen Bausteinen, verzerrt-dreieckigen Bausteinen, ideal tetraedrischen Bausteinen, verzerrt-tetraedrischen Bausteinen, ideal quadratischen Bausteinen und verzerrt quadratischen Bausteinen. In weiteren Ausführungsformen enthält der SOF der Typen 2 und 3 mindestens einen Segmenttyp, welcher sich nicht an den Rändern des SOF befindet, sondern durch Linker an mindestens drei andere Segmente gebunden ist. Zum Beispiel umfasst der SOF in einigen Ausführungsformen mindestens einen symmetrischen Baustein ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus ideal dreieckigen Bausteinen, verzerrt-dreieckigen Bausteinen, ideal tetraedrischen Bausteinen, verzerrt-tetraedrischen Bausteinen, ideal quadratischen Bausteinen und verzerrt quadratischen Bausteinen.
Kovalente organische Netzwerke weisen charakteristische Eigenschaften auf, wie z. B. hohe thermische Stabilität (typischerweise stabil bei Temperaturen höher als 400°C unter atmosphärischen Bedingungen), schlechte Löslichkeit in organischen Lösungsmitteln (chemische Beständigkeit) und Porosität (Fähigkeit zur reversiblen Wechselwirkungen). In einigen Ausführungsformen können auch SOFs diese Eigenschaften aufweisen.
„Hinzugefügte Funktionalität” bezeichnet eine Eigenschaft, die den konventionellen kovalenten organischen Netzwerken nicht inhärent ist, und kann durch die Auswahl von molekularen Bausteinen auftreten, bei denen die molekularen Bausteine die hinzugefügte Funktionalität in dem resultierenden SOF bereitstellen. Hinzugefügte Funktionalität kann bei der Verknüpfung von molekularen Bausteinen mit einer ”Grundeigenschaft” für diese hinzugefügte Funktionalität entstehen. Hinzugefügte Funktionalität kann auch bei der Verknüpfungen molekularer Bausteine, die keine ”Grundeigenschaft” für diese zusätzliche Funktionalität aufweisen, entstehen, wobei der resultierende SOF die hinzugefügte Funktionalität infolge der Verknüpfung von Segmenten (S) und Linker in einem SOF erhält. Darüber hinaus kann Entstehung von hinzugefügter Funktionalität aus der Kombination der Verwendung von molekularen Bausteinen mit einer ”Grundeigenschaft” für diese hinzugefügte Funktionalität, deren Grundeigenschaft wird oder bei der Verknüpfung der Segmente und Linker in einem SOF modifiziert oder verstärkt wird.
Der Begriff ”Grundeigenschaft” eines molekularen Bausteins bezieht sich auf eine Eigenschaft, die für bestimmte molekulare Zusammensetzungen bekannt ist oder eine Eigenschaft, die der Fachmann nach Untersuchung der molekularen Zusammensetzung des Segments vernünftigerweise ableiten kann. Die Begriffe ”Grundeigenschaft” und ”hinzugefügte Funktionalität”, wie hierin verwendet, beziehen sich auf die gleiche allgemeine Eigenschaft (z. B. hydrophob, elektrisch leitfähig, etc.), jedoch wird ”Grundeigenschaft” im Zusammenhang mit molekularen Bausteinen und ”hinzugefügte Funktionalität” im Zusammenhang mit SOFs verwendet.
Die hydrophobe (superhydrophobe), hydrophile, lipophobe (superlipophobe), lipophile, photochrome und/oder elektronische (Leiter, Halbleiter-, Ladungstransportmaterial) Natur eines SOF sind einige Beispiele von den Eigenschaften, die eine ”hinzugefügte Funktionalität” eines SOF darstellen können. Diese und andere zusätzliche Funktionalitäten können aufgrund der Grundeigenschaften der molekularen Bausteine auftreten oder aufgrund von Bausteinen, die die betreffende hinzugefügte Eigenschaft, die im SOF beobachtet wird, nicht aufweisen.
Der Begriff „hydrophob” (superhydrophob) bezieht sich auf die abweisende Eigenschaft gegenüber Wasser oder anderen polaren Materialien. Hydrophobe Materialien weisen mit Wasser einen Kontaktwinkel größer als 90° auf, gemessen mit einem Kontaktwinkel-Goniometer oder ähnlichen Geräten. Stark hydrophobe Materialien haben Kontaktwinkel mit Wasser von etwa 130° bis etwa 180°, superhydrophobe Materialien einen Kontaktwinkel von mehr als etwa 150°, oder von etwa 150° bis etwa 180°.
Der Begriff „superhydrophob”, wie hierin verwendet, beschreibt die Eigenschaft, dass ein Tröpfchen Wasser mit einer Oberfläche einen Abrollwinkel ausbildet, wie einen Abrollwinkel von etwa 1° bis weniger als etwa 30°, oder von etwa 1° bis etwa 25° oder einen Abrollwinkel von weniger als etwa 15° oder einen Abrollwinkel von weniger als etwa 10°.
Der Begriff „hydrophil” bezieht sich auf die Eigenschaft, Wasser oder andere polare Spezies, oder eine Oberfläche anzuziehen, zu adsorbieren oder zu absorbieren. Hydrophilie kann auch durch das Quellen eines Materials durch Wasser oder andere polare Spezies, oder ein Material, durch welches Wasser oder andere polare Spezies diffundieren kann, charakterisiert werden. Hydrophilie wird ferner charakterisiert durch die Fähigkeit, starke oder zahlreiche Wasserstoffbrückenbindungen mit Wasser oder anderen wasserstoffbindenden Spezies auszubilden.
Der Begriff „lipophob” (oleophob) bezieht sich auf die abweisende Eigenschaft gegenüber Öl oder anderen unpolaren Spezies wie Alkanen, Fetten und Wachsen. Lipophobe Materialien werden typischerweise durch Kontaktwinkel mit Öl von größer als 90° (gemessen mit einem Kontaktwinkel-Goniometer oder ähnlichen Geräten) gekennzeichnet. Der Begriff „oleophob bezieht sich auf die Benetzbarkeit einer Oberfläche, die einen Öl-Kontaktwinkel von etwa 55° oder mehr mit UV-härtbarer Tinte, Festtinte, Hexadecan, Dodecan, Kohlenwasserstoffen usw. ausbilden. Der Begriff „stark oleophob”, wie hierin beschrieben, kennzeichnet die Eigenschaft, dass ein Tröpfchen einer Flüssigkeit auf Kohlenwasserstoffbasis einen großen Kontaktwinkel mit einer Oberfläche ausbildet, wie etwa einen Kontaktwinkel von etwa 130° oder größer, wie z. B. etwa 130° bis etwa 175° oder von etwa 135° bis etwa 170°. Der Begriff „superoleophob”, wie hierin beschrieben, kennzeichnet die Eigenschaft, dass ein Tröpfchen einer Flüssigkeit auf Kohlenwasserstoffbasis einen großen Kontaktwinkel mit einer Oberfläche ausbildet, wie etwa einen Kontaktwinkel von größer als etwa 150°, wie z. B. von größer als etwa 150° bis etwa 175° oder von größer als etwa 150° bis etwa 160°.
Der Begriff „superoleophob”, wie hierin verwendet, beschreibt die Eigenschaft, dass ein Tröpfchen einer Flüssigkeit auf Kohlenwasserstoffbasis mit einer Oberfläche einen Abrollwinkel von etwa 1° bis weniger als etwa 30° ausbilden, oder von etwa 1° bis weniger als etwa 25° oder einen Abrollwinkel von weniger als etwa 15° oder einen Abrollwinkel von weniger als etwa 10°.
Der Begriff „lipophil” (oleophil) bezieht sich auf die anziehende Eigenschaft gegenüber Öl oder anderen unpolaren Spezies wie Alkanen, Fetten und Wachsen oder einer Oberfläche, die leicht durch diese Spezies benetzt wird. Lipophile Materialien sind typischerweise durch einen Öl-Kontaktwinkel von 0° oder einen geringen Kontaktwinkel charakterisiert (gemessen z. B. unter Verwendung eines Kontaktwinkel-Goniometers). Lipophilie wird auch durch das Quellen eines Materials mit Hexan oder anderen unpolaren Flüssigkeiten charakterisiert.
SOFs mit hinzugefügter hydrophober Funktionalität können durch die Verwendung molekularer Bausteine mit hydrophober Grundeigenschaften hergestellt werden und/oder eine raue, strukturierte oder poröse Oberfläche im Bereich der Submikrometer- bis Mikrometer-Skala aufweisen.
Molekulare Bausteine, die hoch fluorierte Segmente tragen oder umfassen, weisen hydrophobe Grundeigenschaften auf und können zu SOFs mit hinzugefügter hydrophober Funktionalität führen. Hoch fluorierte Segmente sind dadurch definiert, dass das Verhältnis der Anzahl der Fluoratome in dem Segment bzw. den Segmenten zu der Anzahl der Wasserstoffatome in dem Segment bzw. den Segmenten größer als eins ist. Fluorierte Segmente, die nicht hoch fluorierte Segmente darstellen, können ebenfalls SOFs mit hinzugefügten hydrophoben Funktionalitäten ausbilden.
Die fluorierten SOFs können aus jeglichen Varianten molekularer Bausteine, Segmente und/oder Linker hergestellt werden, in denen ein oder mehrere Wasserstoffatom(e) in den molekularen Bausteinen durch Fluor ersetzt werden. Die oben genannten fluorierten Segmente können beispielsweise Tetrafluorhydrochinon, Perfluoroadipinsäurehydrat, 4,41-(Hexafluorisopropyliden)diphthalsäureanhydrid, 4,4'-(Hexafluorisopropyliden)diphenol, und dergleichen umfassen.
SOFs mit einer rauen, strukturierten oder porösen Oberfläche auf der Submikrometer- bis Mikrometer-Skala können auch hydrophob sein. Die raue, texturierte oder poröse Oberfläche kann durch aus der Oberfläche des Films ragende funktionelle Gruppen erzeugt werden oder aus der Struktur des SOF resultieren. Die Art des Musters und der Grad der Strukturierung hängt von der Geometrie der molekularen Bausteine und der Effizienz der chemischen Verknüpfung ab. Die Größe der Strukturierung, die zur die Oberflächenrauhigkeit oder Textur führt, beträgt von etwa 100 nm bis etwa 10 μm, wie z. B. von etwa 500 nm bis etwa 5 μm.
SOF mit hinzugefügten hydrophilen Funktionalitäten können durch die Verwendung von molekularen Bausteinen mit hydrophilen Grundeigenschaften und/oder die Verwendung von molekularen Bausteinen mit polaren Linkergruppen hergestellt werden.
Molekulare Bausteine, die Segmente mit polaren Substituenten umfassen, weisen hydrophile Grundeigenschaften auf und können zu SOF mit hinzugefügter hydrophiler Funktionalität führen. Der Begriff „polarer Substituent” bezieht sich beispielsweise auf Substituenten, die Wasserstoffbindungen mit Wasser ausbilden können und umfassen z. B. Hydroxyl-, Amino-, Ammonium- und Carbonylgruppen (wie z. B. Ketone, Carbonsäuren, Ester, Amide, Carbonat, Harnstoff).
SOF mit hinzugefügter elektronischer Funktionalität können hergestellt werden unter Verwendung molekularer Bausteine mit den entsprechenden Grundeigenschaften und/oder diese aus der Verknüpfung der konjugierten Segmente und Linker erhalten. Die folgenden Abschnitte beschreiben molekulare Bausteine mit Lochtransport-, Elektronentransport- und Halbleiter-Grundeigenschaften.
Das Verfahren zur Herstellung von SOF zur Verwendung in den Beschichtungen der vorliegenden Offenbarung, wie etwa lösungsmittelbeständigen SOF, umfasst typischerweise eine Reihe von Schritten (nachstehend dargelegt), die in jeder geeigneten Abfolge durchgeführt werden können, wobei auch zwei oder mehrere Schritte gleichzeitig oder in rascher Abfolge durchgeführt werden können.
Ein Verfahren zur Herstellung eines strukturierten organischen Films (SOF), umfassend:

(a) Herstellung einer Flüssigkeit enthaltenden Reaktionsmischung, umfassend eine Vielzahl von molekularen Bausteinen, die jeweils ein Segment und eine Anzahl von funktionellen Gruppen, und eine SOF-Vorstufe;
(b) Abscheidung der Reaktionsmischung als Nassfilm;
(c) Förderung einer Umwandlung des Nassfilms einschließlich der molekularen Bausteine zu einem Trockenfilm, der den SOF umfasst, wobei der SOF eine Vielzahl von Segmenten und eine Vielzahl von Linkern umfasst, die als ein kovalentes organisches Netzwerk angeordnet sind, wobei das kovalente organische Netzwerk auf makroskopischer Ebene einen Film darstellt;
(d) optionales Entfernen des SOF aus dem Beschichtungssubstrat, um einen freistehenden SOF zu erhalten;
(e) optionales Verarbeiten des freistehenden SOF zu einer Rolle;
(f) optionales Schneiden und Falzen des SOF zu einem Band, und
(g) optionale Durchführung des oben genannten SOF-Bildungsprozesses bzw. der SOF-Bildungsprozesse auf einem SOF (die durch den oben genannten SOF-Bildungsprozess bzw. die oben genannten SOF-Bildungsprozesse), welches als Substrat für folgende SOF-Bildungsprozesse dient.

Das Reaktionsgemisch umfasst eine Vielzahl von molekularen Bausteinen, die gelöst, suspendiert oder in einer Flüssigkeit vermischt vorliegen. Die Vielzahl von molekularen Bausteinen kann aus einer Art oder zwei oder mehreren Arten aufgebaut sein. Wenn eine oder mehrere der molekularen Bausteine eine Flüssigkeit ist, ist die Verwendung einer zusätzlichen Flüssigkeit optional. Gegebenenfalls können zu dem Reaktionsgemisch Katalysatoren zugegeben werden, um die Bildung der SOF-Vorstufe zu ermöglichen und/oder die Kinetik der SOF-Bildung während dem oben beschriebenen Schritt (c) zu beschleunigen. Der Begriff ”SOF-Vorstufe” kann sich z. B. auf zwei molekulare Bausteine beziehen, die reagiert haben und ein höheres Molekulargewicht als das Ausgangsmaterial aufweisen und mehrere funktionelle Gruppen umfassen, die zur weiteren Reaktion mit den funktionellen Gruppen anderer Bausteine oder SOF-Vorstufen befähigt sind, um so einen SOF (der im Wesentlichen fehlerfrei oder fehlerfrei sein kann) zu erhalten, und/oder zur „Aktivierung” von funktionellen Gruppen von molekularen Bausteinen befähigt sind, wodurch die Reaktivität für den Filmbildungsprozess erhöht oder verbessert wird. Die Aktivierung kann eine Dissoziation von einer funktionellen Gruppe umfassen; eine Prä-Assoziation mit einem Katalysator; eine Assoziation mit einem Lösungsmittelmolekül, einer Flüssigkeit, einem zweiten Lösungsmittel, einer zweiten Flüssigkeit, einer sekundären Komponente, oder mit einer Einheit, die die Reaktivität der funktionelle Gruppe ändert. In einigen Ausführungsformen kann die Bildung der SOF-Vorstufe die Reaktion zwischen molekularen Bausteinen oder die ”Aktivierung” der funktionellen Gruppen von molekularen Bausteinen umfassen oder eine Kombination davon. Die Bildung der SOF-Vorstufe kann auf vielfältige Art und Weise erfolgen, wie z. B. durch Erhitzen der Reaktionsmischung, UV-Strahlungsexposition der Reaktionsmischung, oder jegliche andere Verfahren, bei dem die molekularen Bausteine teilweise reagieren und/oder die funktionellen Gruppen in der Reaktionsmischung aktiviert werden, bevor die Abscheidung der Nassschicht auf dem Substrat erfolgt. Gegebenenfalls können Additive oder sekundäre Komponenten zu dem Reaktionsgemisch zugegeben werden, um die physikalischen Eigenschaften des resultierenden SOF zu ändern.
Die Komponenten der Reaktionsmischung (molekulare Bausteine, gegebenenfalls eine Flüssigkeit, gegebenenfalls Katalysatoren und gegebenenfalls Additive) werden in ein Gefäß gegeben. Die Reihenfolge der Zugabe der Komponenten der Reaktionsmischung kann variieren, jedoch wenn ein Verfahren zur Herstellung eines SOF eine SOF-Vorstufe oder die Bildung einer SOF-Vorstufe umfasst, wird der Katalysator, falls vorhanden, typischerweise vor der Abscheidung des Reaktionsgemisches als Nassfilm zugegeben. In einigen Ausführungsformen können die molekularen Bausteine durch ionisierende Strahlung, thermisch, chemisch oder durch andere Mittel mit oder ohne Gegenwart eines Katalysators umgesetzt werden, um eine SOF-Vorstufe zu erhalten. Die SOF-Vorstufe und die in der Abwesenheit eines Katalysators gebildeten molekularen Bausteine können in Abwesenheit eines Katalysators in flüssigem Zustand erhitzt werden, um die Auflösung der molekularen Bausteine und der SOF-Vorstufen zu unterstützen. In einigen Ausführungsformen können die SOF-Vorstufen und die in Gegenwart eines Katalysators gebildeten molekularen Bausteine bei einer Temperatur erhitzt werden, bei der die keine signifikante weitere Umsetzung der molekularen Bausteine und/oder der SOF-Vorstufen erfolgt um die Auflösung der molekularen Bausteine und der SOF-Vorstufen zu unterstützen. Das Reaktionsgemisch kann auch gemischt werden, gerührt, gemahlen, oder dergleichen, um eine gleichmäßige Verteilung der Komponenten der Mischung vor dem Abscheiden des Reaktionsgemisches als Nassfilm sicherzustellen.
In einigen Ausführungsformen kann das Reaktionsgemisch erwärmt werden, bevor es als Nassfilm abgeschieden wird. Hierdurch kann die Auflösung von einem oder mehreren der molekularen Baustein(e) gefördert werden und/oder die Viskosität der Reaktionsmischung durch partielle Umsetzung des Reaktionsgemisches vor dem Abscheiden der Nassschicht zur Bildung der SOF-Vorstufe erhöht werden. Zum Beispiel kann der Gewichtsprozentsatz an molekularen Bausteinen in der Reaktionsmischung, die zu vorher umgesetzten molekularen Bausteinen bzw. SOF-Vorstufen gegeben wird, weniger als 20 Gew.-% betragen, wie von etwa 1 Gew.-% bis etwa 15 Gew.-% oder von 5 Gew.-% bis etwa 10 Gew.-%. In einigen Ausführungsformen beträgt das Molekulargewicht von 95% der SOF-Vorstufen-Moleküle weniger als 5.000 Dalton, wie etwa 2.500 Dalton oder 1.000 Dalton. Die Herstellung der SOF-Vorstufen kann verwendet werden, um die Beladung der molekularen Bausteine in der Reaktionsmischung zu erhöhen.
Im Falle der Bildung einer SOF-Vorstufe über eine Aktivierung von funktionellen Gruppe kann der Molprozentsatz an aktivierten funktionellen Gruppen weniger als 50 Mol.-% betragen, wie etwa 10 Mol.-% bis etwa 30 Mol.-% oder etwa 5 Mol.-% bis etwa 10 Mol.-%.
In einigen Ausführungsformen können die zwei Verfahren zur Bildung der SOF-Vorstufe (Bildung der SOF-Vorstufe durch die Reaktion zwischen molekularen Bausteinen oder Bildung der SOF-Vorstufe durch ”Aktivierung” der funktionellen Gruppen molekularer Bausteine) in Kombination auftreten. Ferner können die in den Strukturen der SOF-Vorstufen vorhandenen molekularen Bausteine aktivierte funktionelle Gruppen enthalten. In einigen Ausführungsformen kann die Bildung der SOF-Vorstufe durch die Reaktion zwischen molekularen Bausteinen und die Bildung der SOF-Vorstufe durch ”Aktivierung” der funktionellen Gruppen molekularer Bausteine gleichzeitig erfolgen.
In einigen Ausführungsformen beträgt die Dauer der Bildung der SOF-Vorstufe etwa 10 Sekunden bis etwa 48 Stunden, wie etwa 30 Sekunden bis etwa 12 Stunden, oder etwa 1 Minute bis 6 Stunden.
In bestimmten Ausführungsformen muss die Reaktionsmischung eine bestimmte Viskosität aufweisen, um die abgeschiedene Nassschicht zu unterstützen. Die Viskositäten des Reaktionsgemisches liegen im Bereich von etwa 10 bis etwa 50000 cps, wie von etwa 25 bis etwa 25000 cps oder von etwa 50 bis etwa 1000 cps.
Die Beladung der molekularen Bausteine und Capping-Einheiten oder die „Beladung” in der Reaktionsmischung ist als das Verhältnis des Gesamtgewichts der molekularen Bausteine (und gegebenenfalls der Capping-Einheiten und Katalysatoren) dem Gesamtgewicht des Reaktionsgemisches definiert. Die Beladung der molekularen Bausteine kann von etwa 3% bis 100% betragen, wie von etwa 5 bis etwa 50% oder von etwa 15 bis etwa 40%. Wird ein molekularer Baustein als einzige flüssige Komponente im Reaktionsgemisch verwendet (d. h. keine zusätzliche Flüssigkeit wird verwendet), so beträgt die Beladung der molekularen Bausteine etwa 100%. Die Beladung der Capping-Einheiten kann derart gewählt werden, um die gewünschte Beladung der Capping-Gruppen zu erreichen. Je nachdem, wann die Capping-Einheit dem Reaktionsgemisch zugegeben wird, die dem Reaktionssystem zugesetzt werden, kann die Beladung der Capping-Einheiten, etwa 3 Gew.-% bis 80 Gew.-%, wie von etwa 5 Gew.-% bis etwa 50 Gew.-% oder von etwa 15 Gew.-% bis etwa 40 Gew.-% betragen.
In einigen Ausführungsformen ist die theoretische Obergrenze für Beladung der Capping-Einheiten die molare Menge an Capping-Einheiten, die die Anzahl der verfügbaren Linkergruppen auf 2 pro molekularen Baustein in der flüssigen SOF-Zusammensetzung reduziert. Bei einer derartigen Beladung kann die Bildung von SOFs durch Verringern (durch Umsetzung mit der jeweiligen Capping-Gruppe) der Anzahl der verfügbaren verknüpfbaren funktionellen Gruppen pro molekularen Baustein effektiv gehemmt werden. Zum Beispiel werden in einem solchen Fall (wenn die Beladung der Capping-Einheiten in einer Menge vorliegt, die ausreicht sicherzustellen, dass der molare Überschuss der verfügbaren Verknüpfungsgruppen weniger als 2 pro molekularen Baustein in der flüssigen SOF-Formulierung ist) anstelle eines SOF überwiegend Oligomere, lineare Polymere, und molekulare Bausteine gebildet, die vollständig mit Capping-Einheiten blockiert sind.
In einigen Ausführungsformen kann die SOF-Vorstufe aus Bausteinen mit einer oder mehreren hinzugefügten Funktionalitäten ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus hydrophoben, superhydrophoben, hydrophilen, lipophoben, superlipophoben, lipophilen und elektronisch aktiven Funktionalitäten. In einigen Ausführungsformen entsprechen die Grundeigenschaften der molekularen Bausteine der hinzugefügten Funktionalitäten der SOF-Vorstufen. In einigen Ausführungsformen ist die hinzugefügte Funktionalität des SOF keine Grundeigenschaft der molekularen Bausteine.
Flüssigkeiten, die im Reaktionsgemisch verwendet werden, können reine Flüssigkeiten, wie etwa Lösungsmittel sein und/oder Lösemittelgemische. Flüssigkeiten werden verwendet, um die molekularen Bausteine und Katalysatoren/Modifikatoren in der Reaktionsmischung aufzulösen oder zu suspendieren. Die Auswahl der Flüssigkeiten erfolgt im Allgemeinen im Hinblick auf ein Gleichgewicht zwischen der Auflösung/Dispersion der molekularen Bausteine, der Beladung bestimmter Bausteine, der Viskosität der Reaktionsmischung und dem Siedepunkt der Flüssigkeit, welcher die Umwandlung der Nassschicht zum trockenen SOF beeinflusst. Geeignete Flüssigkeiten weisen Siedepunkte im Bereich von etwa 30°C bis etwa 300°C auf, wie von etwa 65°C bis etwa 250°C, oder von etwa 100°C bis etwa 180°C.
Flüssigkeiten können Molekülklassen wie Alkane, gemischte Alkan, verzweigte Alkane, aromatische Verbindungen, Ether, cyclische Ether, Ester, Ketone, cyclische Ketone, Amine, Amide, Alkohole, Nitrile, halogenierte Aromate, halogenierte Alkane und Wasser umfassen.
Flüssigkeitsgemische, die ein erstes, zweites, drittes, usw. Lösungsmittel umfassen, können ebenfalls in der Reaktionsmischung verwendet werden. Es können zwei oder mehr Flüssigkeiten verwendet werden, um die Auflösung/Dispersion der molekularen Bausteine zu fördern; und/oder die Beladung der molekularen Bausteine zu erhöhen; und/oder die Abscheidung eines stabilen Nassfilms zu ermöglichen, indem die Benetzung des Substrats und Abscheidungsinstruments gefördert wird; und/oder die Wandlung der Nassschicht zum trockenen SOF zu beeinflussen. In einigen Ausführungsformen unterscheidet sich der Siedepunkt, die Dampfdruckcharakteristik oder die Affinität des zweiten Lösungsmittels gegenüber molekularen Bausteinen von jenen des ersten Lösungsmittels. In weiteren Ausführungsformen weist das erste Lösungsmittel einen höheren Siedepunkt auf als das zweite Lösungsmittel. In einigen Ausführungsformen beträgt der Siedepunkt des zweiten Lösungsmittels etwa 100°C oder weniger, wie z. B. von etwa 30°C bis etwa 100°C, oder von etwa 40°C bis etwa 90°C, oder etwa 50°C bis etwa 80°C.
In einigen Ausführungsformen weist das erste Lösungsmittel oder das höher siedende Lösungsmittel einen Siedepunkt von etwa 65°C oder höher auf, wie z. B. von etwa 80°C bis etwa 300°C, oder von etwa 100°C bis etwa 250°C, oder von etwa 100°C bis etwa 180°C.
Das Verhältnis der gemischten Flüssigkeiten kann von einem Fachmann auf dem Gebiet ermittelt werden. Das Volumenverhältnis der Flüssigkeiten einer binär gemischten Flüssigkeit kann von etwa 1:1 bis etwa 99:1 betragen, wie von etwa 1:10 bis etwa 10:1, oder von etwa 1:5 bis etwa 5:1. Wenn n Flüssigkeiten verwendet werden, wobei n im Bereich von etwa 3 bis etwa 6 liegt, beträgt die Menge jeder Flüssigkeit von etwa 1% bis etwa 95%, so dass die Summe des Beitrags jeder Flüssigkeit 100% entspricht.
In einigen Ausführungsbeispielen umfasst das Flüssigkeitsgemisch mindestens ein erstes und ein zweites Lösungsmittel mit unterschiedlichen Siedepunkten. In weiteren Ausführungsformen kann die Siedepunktdifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Lösungsmittel von etwa Null bis etwa 150°C betragen, wie etwa von Null bis etwa 50°C. Zum Beispiel kann der Siedepunkt des ersten Lösungsmittels den Siedepunkt des zweiten Lösungsmittels um von etwa 1°C bis etwa 100°C übertreffen, wie z. B. mehr als etwa 5°C bis etwa 100°C oder von etwa 10°C bis etwa 50°C. Das Flüssigkeitsgemisch kann wenigstens ein erstes und ein zweites Lösungsmittel mit unterschiedlichen Dampfdrücken umfassen, wie etwa Kombinationen von Lösungsmitteln mit hohem Dampfdruck und/oder niedrigem Dampfdruck. Der Begriff ”Lösungsmittel mit hohem Dampfdruck” bezieht sich auf ein Lösungsmittel mit einem Dampfdruck von mindestens etwa 1 kPa, wie etwa 2 kPa oder etwa 5 kPa. Der Begriff ”Lösungsmittel mit niedrigem Dampfdruck” bezieht sich zum Beispiel ein Lösungsmittel mit einem Dampfdruck von weniger als etwa 1 kPa, wie etwa 0,9 kPa oder 0,5 kPa. In einigen Ausführungsformen kann das erste Lösungsmittel ein Lösungsmittel mit niedrigem Dampfdruck sein, wie beispielsweise Terpineol, Diethylenglykol, Ethylenglykol, Hexylenglykol, N-Methyl-2-pyrrolidon und Tri(ethylenglycol)dimethylether. Ein Lösungsmittel mit hohem Dampfdruck ermöglicht eine schnelle Entfernung des Lösungsmittels durch Trocknen und/oder einer Verdampfung bei Temperaturen unterhalb des Siedepunktes. Lösungsmittel mit hohem Dampfdruck können zum Beispiel Aceton, Tetrahydrofuran, Toluol, Xylol, Ethanol, Methanol, 2-Butanon und Wasser sein.
In Ausführungsformen, bei denen Flüssigkeitsgemische ein erstes, zweites, drittes usw. Lösungsmittel in der Reaktionsmischung verwendet werden, kann die Förderung einer Umwandlung des Nassfilms und Bildung des trockenen SOF beispielsweise folgende Maßnahmen umfassen: Erwärmen des Nassfilms auf eine Temperatur über dem Siedepunkt der Reaktionsmischung, um den trockenen SOF zu bilden; oder Erwärmen des Nassfilms auf eine Temperatur über dem Siedepunkt des zweiten Lösungsmittels (unterhalb der Temperatur des Siedepunktes des ersten Lösungsmittels), um das zweite Lösungsmittel im Wesentlichen zu entfernen, während das erste Lösungsmittel im Wesentlichen im Nassfilm verbleibt, und anschließendes Erwärmen der resultierenden Zusammensetzung bei einer Temperatur oberhalb oder unterhalb des Siedepunktes des ersten Lösungsmittels, um den trockenen SOF zu bilden; oder Erwärmen des nassen Films unter dem Siedepunkt des zweiten Lösungsmittels, um das zweite Lösungsmittel (Lösungsmittel mit hohem Dampfdruck) im Wesentlichen zu entfernen, während das erste Lösungsmittel im Wesentlichen im Nassfilm verbleibt, und, nach dem Entfernen des zweiten Lösungsmittels, Entfernen des ersten Lösungsmittels durch Erhitzen der resultierenden Zusammensetzung bei einer Temperatur oberhalb oder unterhalb des Siedepunktes des ersten Lösungsmittels, um den trockenen SOF zu bilden.
Der Begriff ”im Wesentlichen entfernen” bezieht sich auf die Entfernung von mindestens 90% des jeweiligen Lösungsmittels, wie z. B. 95% des jeweiligen Lösungsmittels. Der Begriff ”im wesentlichen verbleiben” bezieht sich zum Beispiel die Entfernung von nicht mehr als 2% des jeweiligen Lösungsmittels, wie z. B. die Entfernung von nicht mehr als 1% des jeweiligen Lösungsmittels.
Diese Flüssigkeitsgemische können verwendet werden, um die Umsetzung der Nassschicht zum SOF zu verlangsamen oder zu beschleunigen, um die Eigenschaften der SOFs zu beeinflussen. Zum Beispiel können in Kondensations- und Additions/Eliminierungs Reaktionen Flüssigkeiten wie Wasser oder Alkohole (wie z. B. Methanol, Ethanol, Propanol, Isopropanol, Butanol, 1-Methoxy-2-propanol, tert-Butanol) verwendet werden.
Optional kann ein Katalysator in der Reaktionsmischung vorhanden sein, um die Umwandlung der Nassschicht zum trockenen SOF zu fördern. Die Auswahl und Verwendung des optionalen Katalysators hängt von den funktionellen Gruppen an den molekularen Bausteinen ab. Die typische Katalysatorbeladung liegt im Bereich von etwa 0,01% bis etwa 25%, wie z. B. von etwa 0,1% bis etwa 5% der Beladung der molekularen Bausteine in der Reaktionsmischung. Der Katalysator kann in der endgültigen SOF-Zusammensetzung vorliegen oder nicht.
Optional können Additive oder sekundäre Komponenten, wie etwa Dotiersubstanzen in der Reaktionsmischung und Nassschicht vorliegen. Derartige Additive oder sekundäre Komponenten können ebenfalls in einem trockenen SOF integriert sein. Additive oder sekundäre Komponenten können in homogener oder heterogener Form in der Reaktionsmischung und der Nasschicht oder im trockenen SOF vorliegen. Der Begriff „Additiv” oder „sekundäre Komponente” bezieht sich z. B. auf Atome oder Moleküle, die in dem SOF nicht kovalent gebunden sind, sondern zufällig in der Zusammensetzung verteilt sind. In einigen Ausführungsformen können sekundäre Komponenten wie etwa konventionelle Additive verwendet werden, um die bekannten Eigenschaften derartiger konventioneller Additive vorteilhaft zu nutzen. Derartige Additive können verwendet werden, um die physikalischen Eigenschaften des SOF zu beeinflussen, wie z. B. die elektronischen Eigenschaften (Leitfähigkeit, Halbleitereigenschaften, Elektronentransport, Lochtransport), die Oberflächenenergie (Hydrophobizität, Hydrophilizität), Festigkeit, und thermische Leitfähigkeit. Derartige Additive können Schlagzähmodifikatoren, Verstärkungsfasern, Schmiermittel, antistatische Mittel, Haftvermittler, Netzmittel, Antischleiermittel, Flammschutzmittel, UV-Stabilisatoren, Antioxidantion, Biozide, Farbstoffe, Pigmente, Duftstoffe, Deodorantien, Nukleierungsmittel und dergleichen umfassen.
In einigen Ausführungsformen kann der SOF Antioxidantien als sekundäre Komponenten enthalten, um den SOF vor Oxidation zu schützen. Das Antioxidans, wenn vorhanden, kann in dem vorliegenden zusammengesetzten SOF in jeder gewünschten oder wirksamen Menge vorliegen, wie von etwa 0,25 Gew.-% bis etwa 10 Gew.-% des SOF oder von etwa 1 Gew.-% bis etwa 5 Gew.-% des SOF.
In einigen Ausführungsformen kann der SOF zudem ein beliebiges, dem Fachmann als sekundäre Komponente bekanntes Polymermaterial enthalten, wie z. B. Polycarbonate, Acrylatpolymere, Vinylpolymere, Cellulosepolymere, Polyester, Polysiloxane, Polyamide, Polyurethane, Polystyrole, Polystyrol, Polyolefine, fluorierte Kohlenwasserstoffe (Fluorkohlenwasserstoffe), und technische Harze sowie Block-, statistische oder alternierende Copolymere davon. Der zusammengesetzte SOF bzw. Verbund-SOF kann Homopolymere, Polymere höherer Ordnung, oder Mischungen davon umfassen und kann eine Art von Polymermaterial oder Gemische aus mehreren Arten von polymeren Materialien umfassen, wie etwa Mischungen aus zwei, drei, vier, fünf oder mehr verschiedene Arten von Polymermaterial. In einigen Ausführungsformen schließen geeignete Beispiele für Polymere kristalline und amorphe Polymere oder Mischungen davon ein. In bestimmten Ausführungsformen ist das Polymer ein Fluorelastomer.
Geeignete Fluorelastomere sind im Detail in den US-Patenten Nr. 5,166,031 , 5,281,506 , 5,366,772 , 5,370,931 , 4,257,699 , 5,017,432 und 5,061,965 beschrieben. Die Menge an der Fluorelastomer-Verbindung im SOF beträgt etwa 1 Gew.-% bis etwa 50 Gew.-% oder von etwa 2 Gew.-% bis etwa 10 Gew.-% des SOF, bezogen auf das Gewicht der Gesamtfeststoffe. Gesamtfeststoffe, wie hierin verwendet, umfassen die Menge der sekundären Komponenten und den SOF.
In einigen Ausführungsformen können die Nebenkomponenten, einschließlich der Polymere, homogen oder heterogen verteilt sein, wie z. B. in einem linearen oder nichtlinearen Gradienten im SOF. In einigen Ausführungsformen können die Polymere in die SOF in der Form einer Faser oder einem Teilchen, dessen Größe von etwa 50 nm bis etwa 2 mm liegt, beinhalten. Die Polymere, falls vorhanden, können in dem vorliegenden zusammengesetzten SOF bzw. Verbund-SOF in jeder gewünschten oder wirksamen Menge vorliegen, wie von etwa 1 Gew.-% bis etwa 50 Gew.-% des SOF oder von etwa 1 Gew.-% bis etwa 15 Gew.-% des SOF.
In weiteren Ausführungsformen kann der SOF ferner Kohlenstoff-Nanotubes oder Nanofaseraggregate umfassen, die mikroskopische Teilchenstrukturen von Nanoröhrchen darstellen, wie in US-Patenten Nr. 5,165,909 ; 5,456,897 ; 5,707,916 ; 5,877,110 ; 5,110,693 ; 5,500,200 und 5,569,635 beschrieben.
In weiteren Ausführungsformen kann der SOF ferner Lochtransportmaterial oder Elektronenakzeptoren als sekundäre Komponenten umfassen. Solche Ladungstransportmoleküle umfassen beispielsweise positive Löcher transportierende Materialen ausgewählt aus Verbindungen, die in der Hauptkette oder der Seitenkette einen polycyclischen aromatischen Ring enthalten, wie z. B. Anthracen, Pyren, Phenanthren, Coronen und dergleichen, oder einen stickstoffhaltigen Heteroring wie z. B. Idol, Carbazol, Oxazol, Isoxazol, Thiazol, Imidazol, Pyrazol, Oxadiazol, Pyrazolin, Thiadiazol, Triazol und Hydrazonverbindungen. Typische Lochtransportmaterialien sind Elektronendonor-Materialien, wie z. B. Carbazol, N-Ethylcarbazol, N-Isopropylcarbazol, N-Phenylcarbazol, Tetraphenylpyren, 1-Methylpyren, Perylen, Chrysen, Anthracen, Tetraphen, 2-Phenylnaphthalin, Azopyren, 1-Ethylpyren; Acetylpyren, 2,3-Benzochrysen, 2,4-Benzopyren, 1,4-Brompyrene, Poly(N-vinylcarbazol), Poly(vinylpyren), Poly(vinyltetraphen), Poly(vinyltetracene) und Poly(vinylperylene). Geeignete Elektronentransport-Materialien umfassen Elektronenakzeptoren wie 2,4,7-Trinitro-9-fluorenon, 2,4,5,7-Tetranitrofluorenon, Dinitroanthracen; Dinitroacriden; Tetracyanopyren; Dinitroanthrachinon und Butylcarbonylfluorenmalononitril (siehe US-Patent Nr. 4,921,769 ). Andere Lochtransport-Materialien umfassen Arylamine, wie in US-Patent Nr. 4,265,990 beschrieben, wie z. B. N, N'-Diphenyl-N,N'-Bis(alkylphenyl)-(1,1'-biphenyl)-4,4'-diamin, worin Alkyl ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Methyl, Ethyl, Propyl, Butyl, Hexyl und dergleichen; und Lochtransport-Moleküle wie z. B. in US-Patenten Nr. 4,306,008 ; 4,304,829 ; 4,233,384 ; 4,115,116 ; 4,299,897 ; 4,081,274 , und 5,139,910 beschrieben. Ferner können andere bekannte Ladungstransportschicht-Moleküle ausgewählt werden, wie z. B. US-Patenten Nr. 4,921,773 und 4,464,450 dargestellt. Die Lochtransport-Moleküle oder Elektronenakzeptoren, wenn vorhanden, können in dem zusammengesetzten SOF bzw. Verbund-SOF in jeder gewünschten oder wirksamen Menge vorliegen, beispielsweise von etwa 0,25 Gew.-% bis etwa 50 Gew.-% des SOF oder von etwa 1 Gew.-% bis etwa 20 Gew.-% des SOF.
In einigen Ausführungsformen kann der SOF ferner Biozide als sekundäre Komponenten umfassen. Biozide können im Mengen von etwa 0,1 bis etwa 1,0 Gew.-% im Bezug auf das Gesamtgewicht des SOF vorliegen.
In einigen Ausführungsformen kann der SOF ferner kleine organische Moleküle als sekundäre Komponenten umfassen. Derartige kleine organische Moleküle umfassen die vorstehend im Bezug auf die ersten und zweiten Lösungsmittel genannten Verbindungen. Die kleinen organischen Moleküle, wenn vorhanden, können in dem SOF in jeder gewünschten oder wirksamen Menge vorliegen, wie von etwa 0,25 Gew.-% bis etwa 50 Gew.-% des SOF oder von etwa 1 Gew.-% bis etwa 10 Gew.-% des SOF.
Falls vorhanden, können die sekundären Komponenten oder Additive jeweils einzeln oder in Kombination in der Zusammensetzung in jeder gewünschten oder wirksamen Menge vorliegen, wie von etwa 1 Gew.-% bis etwa 50 Gew.-% der Zusammensetzung oder von etwa 1 Gew.-% bis etwa 20 Gew.-% der Zusammensetzung.
SOF können mit sekundären Komponenten (Dotierstoffe und Zusatzstoffe, wie z. B. Lochtransport-Moleküle (mTBD), Polymere (Polystyrol), Nanopartikel (C60 Buckminsterfulleren), kleine organische Moleküle (Biphenyl), Metallteilchen (Kupfer-Mikropulver) und Elektronenakzeptoren (Chinon)) modifiziert werden, um zusammengesetzte SOF oder Verbund-SOF herzustellen.
In einigen Ausführungsformen können die sekundären Komponenten ähnliche oder unterschiedliche Eigenschaften aufweisen, um die gewünschten Eigenschaften des Capped SOF derart zu verstärken oder zu hybridisieren (synergistische oder verbessernde Effekte, sowie die Fähigkeit, die inhärenten Eigenschaften oder die Grundeigenschaften des Capped SOF zu verstärken), dass die gewünschten Leistungsziele erreicht werden. Zum Beispiel erhöht die Modifikation der Capped-SOF mit antioxidativen Verbindungen deren Lebensdauer, indem chemische Abbauprozesse verhindert werden. Darüber hinaus können Zusatzstoffe hinzugefügt werden, um die morphologischen Eigenschaften der Capped-SOF zu verbessern, indem die während der Bildung der Capped-SOF auftretenden Reaktionen abgestimmt werden.
Das Reaktionsgemisch kann als ein Nassfilm auf eine Vielzahl von Substraten (wie z. B. Druckkopfvorderseiten) unter Verwendung einer Reihe von flüssigen Flüssigabscheidungstechniken aufgebracht werden. Alternativ kann die SOFs umfassende Beschichtung hergestellt und anschließend auf die Druckkopfvorderseite aufgebracht werden. Die Dicke des SOF ist abhängig von der Dicke der Nassfilms und der Beladung der molekularen Bausteine in der Reaktionsmischung. Die Dicke des Nassfilms ist abhängig von der Viskosität der Reaktionsmischung und dem Verfahren, das verwendet wird, um das Reaktionsgemisch als ein Nassfilm abzuscheiden.
Substrate umfassen beispielsweise Polymere, Papiere, Metalle und Metalllegierungen, dotierte und undotierte Formen von Elementen der Gruppen III–VI des Periodensystems, Metalloxide, Metallchalkogenide und zuvor hergestellte SOF oder Capped-SOF.
In einigen Ausführungsformen kann das Substrat beispielsweise aus Silizium, einer Glasplatte, oder einer Kunststofffolie oder einem Kunststofffilm bestehen. Für strukturell flexible Vorrichtungen können Kunststoffsubstrate wie z. B. Folien aus Polyester, Polycarbonat, Polyimid und dergleichen verwendet werden. Die Dicke des Substrats kann von etwa 10 μm bis über 10 mm betragen, mit beispielhaften Dicken von etwa 50 μm bis etwa 100 μm (insbesondere für ein flexibles Kunststoffsubstrat), und von etwa 1 mm bis etwa 10 mm (für ein starres Substrat, wie z. B. Glas oder Silizium).
Das Reaktionsgemisch kann auf das Substrat unter Verwendung einer Reihe von Flüssigabscheidungstechniken aufgetragen werden, einschließlich z. B. Schleuderbeschichten, Rakelbeschichten, Web-, Tauch-, Becher-, Stabbeschichten, Siebdruck, Tintenstrahldruck, Sprühbeschichten, Prägen und dergleichen. Das für die Abscheidung des Nassfilms verwendete Verfahren wird in Abhängigkeit von der Art, Größe und Form des Substrats und der gewünschten Nassschichtdicke ausgewählt. Die Dicke der Nassschicht kann von etwa 10 nm bis etwa 5 mm betragen, wie z. B. von etwa 100 nm bis etwa 500 mm, oder von etwa 1 μm bis etwa 500 μm.
In einigen Ausführungsformen können die Capping-Einheiten und/oder sekundären Komponenten nach Beendigung des vorangehend beschriebenen Verfahrensschritts (b) eingeführt werden. Eine derartige Einbringung der Capping-Einheit und/oder der sekundären Komponente kann durch jede beliebige Maßnahme erfolgen, durch die die Capping-Einheit und/oder sekundäre Komponente homogen, heterogen oder als spezifisches Muster über dem Nassfilm verteilt werden kann. Nach Einbringung der Capping-Einheit und/oder sekundären Komponente können die folgenden Verfahrensschritte fortsetzend mit Verfahrensschritt (c) durchgeführt werden.
Beispielsweise können nach Abschluss des Verfahrensschritts (b) (d. h. nachdem die Reaktionsmischung auf das Substrat aufgebracht wird) die Capping-Einheit(en) und/oder sekundäre(n) Komponente(n) (Dotierstoffe, Additive usw.) durch ein beliebiges geeignetes Verfahren zur Nassschicht hinzugefügt werden, wie etwa durch die Verteilung der Capping-Einheit(en) und/oder sekundäre(n) Komponente(n) auf die Oberseite der Nassschicht (z. B. mittels Stäuben, Spritzen, Gießen, Sprühen, usw., je nachdem, ob die Capping-Einheit und/oder sekundäre Komponente ein Teilchen, Pulver oder Flüssigkeit darstellt). Die Capping-Einheiten und/oder sekundären Komponenten können in der gebildeten Nassschicht in homogener oder heterogener Form aufgebracht werden (einschließlich verschiedener Muster), wobei die Konzentration oder Dichte der Capping-Einheit(en) und/oder sekundäre Komponente in bestimmten Bereichen reduziert ist, um beispielsweise ein Muster von alternierenden Bändern einer bestimmten Breite mit hohen und niedrigen Konzentrationen der Capping-Einheit(en) und/oder sekundäre(n) Komponente(n) auf der Nassschicht zu erzeugen. In einigen Ausführungsformen kann die Anwendung der Capping-Einheit(en) und/oder sekundäre Komponente auf die Oberseite der Nassschicht dazu führen, dass ein Teil der Capping-Einheit(en) und/oder sekundäre Komponente in die Nassschicht diffundiert oder absinkt und dadurch eine heterogene Verteilung der Capping-Einheit(en) und/oder sekundären Komponente entlang der Dicke des SOF gebildet wird. Auf diese Art und Weise kann ein linerarer oder nicht-linearer Konzentrationsgradient im gebildeten SOF erreicht werden, nachdem die Nassschicht in einen trockenen SOF überführt wird. In einigen Ausführungsformen können (eine) Capping-Einheit(en) und/oder die sekundäre Komponente auf die Oberfläche der abgeschiedenen Nassschicht aufgebracht werden, welche letztlich in einem trockenen SOF mit heterogener Verteilung der Capping-Einheit(en) und/oder sekundären Komponente resultiert. In Abhängigkeit von der Dichte des Nassfilms und der Dichte der Capping-Einheit(en) und/oder sekundären Komponente, kann eine Mehrheit der Capping-Einheit(en) und/oder sekundären Komponente in der oberen Hälfte (gegenüber dem Substrat) des trockenen SOF oder in der unteren Hälfte (angrenzend an das Substrat) des trockenen SOF vorliegen.
Der Begriff ”Förderung” bezieht sich zum Beispiel um eine beliebige geeignete Technik, um eine Reaktion der molekulare Bausteine und/oder der SOF-Vorstufen zu erleichtern, wie z. B. eine chemische Reaktion der funktionellen Gruppen der Bausteine und/oder der SOF-Vorstufen. In dem Fall, wo eine Flüssigkeit entfernt werden muss, um den trockenen Film auszubilden, bezieht sich der Begriff ”Förderung” auch auf die Entfernung der Flüssigkeit. Die Reaktion der molekulare Bausteine und/oder SOF-Vorstufen und die Entfernung der Flüssigkeit können nacheinander oder gleichzeitig erfolgen. In bestimmten Ausführungsformen ist die Flüssigkeit auch einer der molekularer Bausteine und wird in den SOF eingebaut. Der Begriff ”trockener SOF” bezieht sich auf im Wesentlichen trockene SOFs, oder auf SOFs, die einen Flüssigkeitsgehalt von weniger als etwa 5 Gew.-% des SOF aufweisen, vorzugsweise weniger als 2 Gew.-% des SOF.
In einigen Ausführungsformen weist der trockene SOF oder ein bestimmter Bereich des trockenen SOF (z. B. die Oberfläche bis zu einer Tiefe von etwa 10% der Dicke des SOF oder einer Tiefe von etwa 5% der Dicke des SOF, das obere Viertel des SOF, oder die oben erwähnten Bereiche) ein Molverhältnis von Capping-Einheiten zu Segmenten von etwa 1:100 bis etwa 1:1 auf, wie von etwa 1:50 bis etwa 1:2, oder von etwa 1:20 bis 1:4.
Die Förderung einer Umwandlung des Nassfilms zu einem trockenen SOF kann durch jede geeignete Technik erreicht werden. Typischerweise umfasst die Förderung einer Umwandlung des Nassfilms zu einem trockenen SOF eine thermische Behandlung, einschließlich z. B. Ofentrocknung, Infrarotstrahlung, und dergleichen, mit Temperaturen im Bereich von 40°C bis 350°C, von 60°C bis 200°C, oder von 85°C bis 160°C. Die gesamte Heizdauer kann von etwa vier Sekunden bis etwa 24 Stunden betragen, wie z. B. von einer Minute bis 120 Minuten, oder von drei Minuten bis 60 Minuten.
In Ausführungsformen, in welchen eine sekundäre Komponente vorhanden ist, kann die Molekülgröße des sekundäre Komponente derart gewählt werden, dass während der Förderung einer Umwandlung des Nassfilms zu einem trockenen SOF die sekundäre Komponente innerhalb der Grundstruktur des SOF eingebunden wird, so dass die eingebundene sekundäre Komponente während der Behandlung mit einem flüssigen Toner oder einem Lösungsmittel nicht aus dem SOF ausgelaugt bzw. extrahiert wird.
Die Förderung einer Umwandlung des Nassfilms zum SOF durch Infrarotstrahlung kann unter Verwendung eines über einem Bandtransportsystem montierten Infrarot-Heizmoduls erreicht werden. Hierbei können verschiedene Arten von Infrarot-Emittern verwendet werden, wie z. B. kohlenstoffbasierte Infrarot-Emitter oder kurzwellige Infrarot-Emitter (erhältlich von Heraeus). Zusätzliche Informationen zu kohlenstoffbasierten Infrarot-Emittern oder kurzwelligen Infrarot-Emittern sind in der folgenden Tabelle (Tabelle 1) zusammengefasst. Tabelle 1: Angaben zu kohlenstoffbasierten Infrarot-Emittern und kurzwelligen Infrarot-Emittern

Infrarot-Lampe Peak-Wellenlänge Anzahl der Lampen Leistung (kW)

kohlenstoffbasiert 2,0 μm 2 – zwei Röhren 4,6

kurzwellig 1,2–1,4 μm 3 – zwei Röhren 4,5
In einigen Ausführungsformen ist eine freistehender SOF erwünscht. Freistehende SOFs können erhalten werden, wenn bei der Abscheidung der Nassschicht ein geeignetes, schwach haftendes Substrat verwendet wird. Geeignete Substrate mit geringer Haftung gegenüber SOFs aufweisen, können beispielsweise Metallfolien, metallisierte Polymersubstrate, Trennfolien und SOFs umfassen, wie z. B. SOFs mit einer Oberfläche, die derart modifiziert wurde, dass sie eine geringe Haftung oder eine verringerte Neigung zur Haftung oder Anbindung aufweist. Das Entfernen des SOF von dem Trägersubstrat kann in durch einem Fachmann auf dem Gebiet durch zahlreiche Verfahren erreicht werden. Zum Beispiel kann das Entfernen des SOF von dem Substrat ausgehend von einer Ecke oder Kante des Films erfolgen und gegebenenfalls dadurch erleichtert werden, dass das Substrat und der SOF über eine gekrümmte Fläche gelegt wird.
Gegebenenfalls kann ein freistehender SOF oder ein von einem flexiblen Substrat gestützter SOF zu einer Rolle verarbeitet werden. Der SOF kann für Lagerung, Transport und eine Vielzahl anderer Zwecke zu einer Rolle verarbeitet werden. Das Ausgangskrümmung der Rolle wird derart gewählt, dass der SOF während des Walzprozesses nicht verzerrt wird oder darin Risse entstehen.
Das Verfahren zum Schneiden und Falzen der SOFs ist ähnlich dem in US-Patent Nr. 5,455,136 (für Polymerfolien) genannten. Ein SOF-Band kann aus einem einzigen SOF, einem mehrschichtigen SOF oder einer aus einer Rolle geschnittenen SOF-Platte hergestellt werden. Derartige Platten können eine rechteckige Form oder jede gewünschte Form aufweisen. Alle Seiten der SOFs können die gleiche Länge aufweisen oder ein Paar der parallelen Seiten kann länger sein als das andere Paar von parallelen Seiten. Die SOFs können in Formen, wie z. B. ein Gurtband hergestellt werden, indem gegenüberliegenden Endbereichen der SOF-Folie überlappend verbunden werden. Eine Naht wird in der Regel an der Stelle der Verbindung im Überlappungsbereich hergestellt. Die Verbindung kann durch jedes geeignete Mittel erreicht werden. Typische Verbindungstechniken umfassen z. B. Schweißen (einschließlich Ultraschall), Kleben, Klebestreifenverklebung, Warmpressschweißen und dergleichen. Verfahren wie Ultraschallschweißen sind im Allgemeinen wünschenswerte Verfahren zum Verbinden von flexiblen Folien wegen ihrer Geschwindigkeit, Sauberkeit (keine Lösungsmittel) und der Erzeugung einer dünnen und schmalen Schweißnaht.
Ein SOF kann in dem SOF-Bildungsprozess als Substrat verwendet werden, um einen mehrschichtigen SOF zu erhalten. Die Schichten eines mehrschichtigen SOF können miteinander chemisch oder physikalisch gebunden sein. Mehrschichtige SOFs mit chemisch verbundenen Schichten können gebildet werden, indem funktionelle Gruppen auf der Oberfläche des SOF-Substrats mit den molekularen Bausteinen in der abgeschiedenen Nassschicht reagieren, um die zweite SOF-Schicht auszubilden. Die physikalisch gebundenen Schichten eines mehrschichtigen SOF können nicht chemisch aneinander gebunden sein.
Zur Herstellung mehrschichtiger SOFs kann ein SOF-Substrat gegebenenfalls vor der Abscheidung der Nassschicht chemisch behandelt werden, um die chemische Anbindung einer zweiten SOF-Schicht zu ermöglichen oder zu erleichtern.
Alternativ kann zur Herstellung mehrschichtiger SOFs mit physikalisch aneinander gebundenen Schichten ein SOF-Substrat vor der Abscheidung der Nassschicht chemisch behandelt werden, um die chemische Anbindung einer zweiten SOF-Schicht zu verhindern (Herabsetzung der Oberflächenreaktivität).
Zur Bereitstellung mehrschichtiger SOF mit physikalisch aneinander gebundenen Schichten können weitere Verfahren (wie z. B. das Laminieren zweier oder mehrerer SOF) angewendet werden.
Ein SOF kann eine strukturierte mikroskopische Anordnung von Segmenten sein. Der Begriff ”strukturiert” bezieht sich auf eine Abfolge, in welcher Segmente miteinander verbunden sind, z. B. wo das Segment A nur mit dem Segment B verbunden ist, und umgekehrt, Segment B nur mit Segment A. Eine Ausführungsform der Offenbarung besteht in der Bereitstellung eines SOF, in dem die mikroskopische Anordnung von Segmenten strukturiert vorliegt. Ein strukturierter SOF würde demnach eine Zusammensetzung umfassen, in welcher beispielsweise Segment A nur mit dem Segment B verbunden ist, und umgekehrt, Segment B lediglich mit Segment A. Ferner ist ein System, in welchem nur ein Segment vorliegt – beispielsweise Segment A – strukturiert, da A lediglich mit A reagieren kann. Prinzipiell kann eine beliebige Anzahl an Segmenten verwendet werden um einen strukturierten SOF herzustellen. Die Strukturierung von Segmenten kann gesteuert werden, indem molekulare Bausteine verwendet werden, deren funktionelle Gruppen bevorzugt mit einem anderen molekularen Baustein reagieren und die Wahrscheinlichkeit einer Reaktion mit sich selbst minimiert ist. Die Strukturierung von Segmenten ist nicht auf die oben genannte Strategie beschränkt. In einigen Ausführungsformen wird keine spezifische Strategie zur Steuerung der Strukturierung angewendet.
Ein strukturierter Film kann durch spektroskopische Verfahren analysiert werden, die es erlauben, die Bildung der Bindungen im SOF zu bestimmen. Solche spektroskopische Verfahren umfassen z. B. FT-Infrarotspektroskopie, Raman-Spektroskopie und Festkörper-NMR-Spektroskopie. Nach der Datenerfassung durch eine spektroskopische Technik gilt die Abwesenheit von Signalen von funktionellen Gruppen aus molekularen Bausteinen und die Anwesenheit von Signalen von Verknüpfungsgruppen als Indiz für die Reaktion zwischen Bausteinen und gleichzeitig für die Bildung und Strukturierung des SOF.
Einige Ausführungsformen betreffen ferner unterschiedliche Strukturierungsgrade. Die vollständige Strukturierung eines SOF wird durch die Abwesenheit von spektroskopischen Signalen von funktionellen Gruppen aus den molekularen Bausteinen nachgewiesen. In einigen Ausführungsformen weisen SOFs zudem verminderte Strukturierungsgrade auf, wobei innerhalb der SOFs strukturierte Bereiche existieren. SOFs mit strukturierten Bereichen liefern bei spektroskopischer Untersuchung Signale von den funktionellen Gruppen von Bausteinen, die im Umfeld eines gemusterten Bereiches unverändert vorhanden sind.
Es versteht sich, dass eine sehr geringe Strukturierung mit einer ineffizienten Reaktion zwischen den Bausteinen sowie dem Unvermögen zur Filmbildung einhergeht. Daher erfordert eine erfolgreiche Durchführung des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung eine erhebliche Strukturierung zwischen den Bausteinen innerhalb des SOF. Der erforderliche Strukturierungsgrad ist variabel und kann von den gewählten molekularen Bausteinen und gewünschten Linkergruppen abhängig sein. Die Bildung von Verknüpfungsgruppen kann spektroskopisch nachgewiesen werden, wie in den obigen Ausführungsformen beschrieben. Der Mindestgrad der Strukturierung ist jener Strukturierungsgrad, der für die Bildung eines Films mit dem hierin beschriebenen Verfahren erforderlich ist, und kann als Anteil an gebildeten Verknüpfungen von etwa 20% oder mehr bezogen auf die vorgesehenen Verknüpfungen quantifiziert werden, bevorzugt etwa 40% oder mehr; der nominale Strukturierungsgrad nach der vorliegenden Offenbarung beträgt etwa 60% oder mehr, wie z. B. 100%, bezogen auf Anteil an gebildeten Verknüpfungen im Verhältnis zu den vorgesehenen Verknüpfungen.
BEISPIEL 1:
(Schritt (a)) Herstellung einer Flüssigkeit enthaltenden Reaktionsmischung.
Folgende Reagenzien wurden vereinigt: der Baustein N,N,N',N'-Tetrakis-[(4-Hydroxymethyl)-phenyl]-biphenyl-4,4'-diamin (2,64 g); der Baustein N,N'-Bis-(3-hydroxyphenyl)-N,N'-Diphenyl-Biphenyl-4,4'-diamin (3,73 g); das Additiv Cymel 303 (67 mg), das Additiv Silclean 3700 (264 mg), der Katalysator Nacure 5225 (132 mg) und Dowanol (18,48 g). Das Gemisch wurde geschüttelt und auf 55°C für 60 Minuten erhitzt. Nach dem Abkühlen auf Raumtemperatur wurde die Lösung durch eine fünf Mikrometer PTFE-Membran filtriert.
(Schritt (b)) Abscheiden der Reaktionsmischung als Nassfilm.
Das Reaktionsgemisch wurde unter Verwendung einer Abziehbeschichtungsvorrichtung (ausgestattet mit einer Bird-Bar mit einer Spaltöffnung von 50,8 μm; konstante Geschwindigkeit) auf ein Substrat (entweder Polyimidfolien oder Edelstahlbleche) aufgebracht
(Schritt (c)) Förderung einer Umwandlung des Nassfilms zu einem Trockenfilm.
Das Trägersubstrat (Polyimidfolien und Edelstahlbleche) für die Nassschicht wurde schnell in einen aktiv belüfteten, auf 155°C vorgeheizten Ofen gegeben und anschließend für 40 Minuten erhitzt, um den gewünschten SOF bereitzustellen.
BEISPIEL 2
(Schritt (a)) Folgende Reagenzien wurden vereinigt: der Baustein Octafluor-1,6-Hexandiol [Segment = Octafluor-1,6-Hexyl; Fg = Hydroxyl- (-OH), (0,43 g; 1,65 mmol)]; ein zweiter Baustein N4,N4,N4',N4'-Tetrakis(4-(Methoxymethyl)phenyl)-biphenyl-4,4'-diamin [Segment = N4,N4,N4',N4'-Tetra-p-tolylbiphenyl-4,4'-diamin; Fg = Methoxyether (-OCH₃), (0,55 g; 0,82 mmol)]; ein saurer Katalysator, zugegeben in Form von 0,05 g einer 20 Gew.-%-Lösung von Nacure XP-357, um das Flüssigkeit enthaltende Reaktionsgemisch bereitzustellen; ein Verlaufsadditiv, zugegeben in Form von 0,04 g einer 25 Gew.-%-Lösung von Silclean 3700; und 2,96 g an 1-Methoxy-2-propanol. Das Gemisch wurde geschüttelt und bei 85°C für 2,5 Stunden erhitzt, und anschließend durch eine 0,45 um PTFE-Membran filtriert.
(Schritt (b)) Das Reaktionsgemisch wurde unter Verwendung einer Abziehbeschichtungsvorrichtung (ausgestattet mit einer Bird-Bar mit einer Spaltöffnung von 254 μm; konstante Geschwindigkeit) auf die reflektierende Seite eines metallisierten (TiZr) Mylar-Substrats aufgebracht.
(Action C) Das metallisierte Mylar-Trägersubstrat für die Nassschicht wurde schnell in einen aktiv belüfteten, auf 155°C vorgeheizten Ofen gegeben und anschließend für 40 Minuten erhitzt. Durch die vorangehenden Schritte wurde ein SOF mit einer Dicke von 6–8 μm bereitgestellt, welches von dem Substrat als einzelner freistehender Film delaminiert werden konnte. Der SOF war bernsteinfarben.
BEISPIEL 3
(Schritt (a)) Folgende Reagenzien wurden vereinigt: der Baustein Dodecafluor-1,8-Octandiol [Segment = Dodecafluor-1,8-Octyl; Fg = Hydroxyl- (-OH), (0,51 g; 1,41 mmol)]; als zweiter Baustein N4,N4,N4',N4'-Tetrakis(4-(Methoxymethyl)phenyl)-biphenyl-4,4'-diamin [Segment = N4,N4,N4',N4'-Tetra-p-tolylbiphenyl-4,4'-diamin; Fg = Methoxyether (-OCH₃), (0,47 g, 0.71 mmol)]; ein saurer Katalysator, zugegeben in Form von 0,05 g einer 20 Gew.-%-Lösung von Nacure XP-357, um das Flüssigkeit enthaltende Reaktionsgemisch bereitzustellen; ein Verlaufsadditiv, zugegeben in Form von 0,04 g einer 25 Gew.-%-Lösung von Silclean 3700; und 2,96 g an 1-Methoxy-2-propanol. Das Gemisch wurde geschüttelt und bei 85°C für 2,5 Stunden erhitzt, und anschließend durch eine 0,45 um PTFE-Membran filtriert.
(Schritt (b)) Analog zu Beispiel 2.
Das metallisierte Mylar-Trägersubstrat für die Nassschicht wurde schnell in einen aktiv belüfteten, auf 155°C vorgeheizten Ofen gegeben und anschließend für 40 Minuten erhitzt. Durch die vorangehenden Schritte wurde ein SOF mit einer Dicke von 6–8 μm bereitgestellt, welches von dem Substrat als einzelner freistehender Film delaminiert werden konnte. Der SOF war bernsteinfarben.
BEISPIEL 4
(Schritt (a)) Folgende Reagenzien wurden vereinigt: der Baustein Hexadecafluor-1,10-Decandiol [Segment = Hexadecafluor-1,10-Decyl; Fg = Hydroxyl- (-OH), (0,57 g; 1,23 mmol)]; ein zweiter Baustein N4,N4,N4',N4'-Tetrakis(4-(Methoxymethyl)phenyl)-biphenyl-4,4'-diamin [Segment = N4,N4,N4',N4'-Tetra-p-tolylbiphenyl-4,4'-diamin; Fg = Methoxyether (-OCH₃), (0,41 g; 0,62 mmol)], ein saurer Katalysator, zugegeben in Form von 0,05 g einer 20 Gew.-%-Lösung von Nacure XP-357, um das Flüssigkeit enthaltende Reaktionsgemisch bereitzustellen; Verlaufsadditiv, zugegeben in Form von 0,04 g einer 25 Gew.-%-Lösung von Silclean 3700; und 2,96 g an 1-Methoxy-2-propanol. Das Gemisch wurde geschüttelt und bei 85°C für 2,5 Stunden erhitzt, und anschließend durch eine 0,45 μm PTFE-Membran filtriert.
(Schritt (b)) Analog zu Beispiel 2.
Das metallisierte Mylar-Trägersubstrat für die Nassschicht wurde schnell in einen aktiv belüfteten, auf 155°C vorgeheizten Ofen gegeben und anschließend für 40 Minuten erhitzt. Durch die vorangehenden Schritte wurde ein SOF mit einer Dicke von 6–8 μm bereitgestellt, welches von dem Substrat als einzelner freistehender Film delaminiert werden konnte. Der SOF war bernsteinfarben.
Als Beschichtungen auf Edelstahl- und Polyimidsubstraten stellten die SOF qualitativ hochwertige Filme dar. Die Handhabung, Reibung und Biegung der SOF erfolgte, ohne jegliche Schäden oder einer Delaminierung aus dem Substrat.
Festtinte
Die nachfolgend beschriebenen Versuche wurden anhand einer gelben Tinte und zweier Magenta-Tinten durchgeführt, die verschiedene Pigmente enthalten. Pigmente (~ 2–3% der Zusammensetzung) sind häufig eine Quelle von Wechselwirkungen zwischen Tinten und der Vorderseitenoberflächen. Insbesondere im Falle von Magenta-Pigmenten wurde gezeigt, dass diese im Vergleich mit anderen Pigmenten eine erhöhte Haftung aufweisen, weshalb in erster Linie Magenta-Tinten getestet wurden. Die Oberflächenhaftung kann jedoch auf einige oder alle Komponenten in einer Festtintenzusammensetzung zurückführbar sein. Im Allgemeinen sind die getesteten Festtinten amidwachsbasierte Tinten mit Pigmenten, wobei das Wachs polyethylen- oder polyesterbasiert sein kann. In den getesteten Tinten ist das Verhältnis von Wachs und Wachsamid etwa gleich (50:50). Dispergiermittel sind in einem Verhältnis von 1 bis 1,5 im Bezug auf das Pigment vorhanden, und umfassen terminale funktionelle Gruppen und interne Funktionalitäten, welche Amine Aminosalze, Ester oder andere Funktionalitäten mit wachsartigen Alkylketten (wie z. B. Polyethylen) darstellen können.
UV-Tinte
Die nachfolgend beschriebenen Versuche wurden mit Hilfe einer UV-härtbaren Phasenwechsel-Cyantinte und Tintenbasis durchgeführt. Die Cyantinte des Beispiels ist acrylatbasiert und enthält sowohl difunktionelle als auch multifunktionelle Acrylate. Die Tinte enthält gegebenenfalls zudem ein härtbares Wachs, das alternativ Polyester oder ein anderes wachsartiges Kettenmolekül, und ein organisches Geliermittel sein kann. UV-Tinten enthalten ferner Photoinitiatoren wie z. B. Phosphinoxide, alpha-Hydroxyketone, alpha-Aminoketone und dergleichen, sowie einen Radikalstabilisator wie z. B. einen Nitroxidradikal-Stabilisator. Ebenfalls vorhanden sind Pigmente und Dispergiermittel, die ein Blockcopolymer enthalten können, wobei die vorliegende Beschichtung auch für die Verwendung mit nicht pigmentierten Systemen geeignet ist.
Auswertung: Kontaktwinkelmessungen und Bestimmung der Oberflächenenergie
Kontaktwinkelmessungen wurden unter Verwendung dreier Lösungsmittel durchgeführt – Wasser, Formaldehyd und Diiodmethan.
Die Proben wurden mit einem Doppelklingen-Schneidewerkzeug in Formen mit dem Maß 15 mm × 50–145 mm geschnitten. Bei Verwendung von Standardhalterungen sollte die Probendicke weniger als 1,5 mm und mit eigens angefertigten, speziellen Halterungen weniger als 5,0 mm betragen. Die Probe wurde auf den Probenhalter mit doppelseitigem Klebeband montiert. Während der Kontaktwinkelmessungen wurden drei Lösungsmittel verwendet – Wasser, Formaldehyd und Diiodmethan.
Es wurden je nach Verfügbarkeit der Probe etwa 8 Tropfen erzeugt und der Kontaktwinkel gemessen. Die durchschnittlichen Kontaktwinkel wurden für 0,1 s, 1 s und 10 s aufgezeichnet. Die freie Oberflächenenergie, Säure- und Base-Komponenten der polaren Oberflächenenergie sowie die dispersive Komponente wurden unter Verwendung von Lewis-Säure-Base-Methode berechnet. Die Lewis-Säure-Base-Theorie ist durch die folgende Gleichung für die Fest-Flüssig-Grenzflächenenergie gekennzeichnet: γ_j(1 + cosθ_j) = 2(γ_s ^LWγ_j ^LW)^1/2 + 2(γ_s ^–γ_j ⁺)^1/2 + 2(γ_s ⁺γ_j ^–)^1/2 wobei (LW), (+), (–) die dispersiven Komponenten und Säure-Base-Komponenten des SFE Index darstellen, j die Flüssigkeiten 1, 2, 3 kennzeichnet, θ_j der Kontaktwinkel der j-ten Flüssigkeit auf dem Substrat ist, γ_j die Oberflächenspannung der Flüssigkeit j kennzeichnet und der Index n sich auf den Feststoff bezieht.
Ferner wurde die freie Oberflächenenergie für den SOF aus Beispiel 1 zu 28,39 mN/m bestimmt. Die Kontaktwinkelmessungen sind in nachfolgender Tabelle 2 zusammengefasst. Tabelle 2: Kontaktwinkel-Messungen (Grad)

Wasser Formaldehyd Diiodmethan

0,1 s 1 s 10 s 0,1 s 1 s 10 s 0,1 s 1 s 10 s

SOF 97,0 97,0 96,3 84,5 84,4 84,6 64,7 64,5 64,1
Tintentropfen-Dochtwirkungstest
Die SOF-beschichteten Polyimid- und Edelstahlsubstrate wurden auf eine Aluminiumplatte gegeben und auf 120°C erhitzt. Die getesteten Tinten und Tintenkomponenten für die Festtinten-Adhäsion umfassten Zusammensetzungen von Festtinten, die Magenta-Pigmente, und Synergistformulierungen (mit Gelbpigment oder Magenta-Pigment) enthielten. Zwei Tropfen jeder geschmolzenen Festtintenprobe wurden – angeordnet nach ansteigendem Austrittsvermögen – auf die SOF-Proben (aus Beispiel 1) gegeben. Ein Tropfen von jeder Tinte wurde durch das Abtupfen mit einem Wattestäbchen innerhalb von 2 Minuten nach der Aufbringung auf das SOF (Zeitpunkt Null) entfernt. Der zweite Tropfen aus jeder Tintenprobe wurde bei 120°C für 24 Stunden erhitzt. Anschließend wurde der zweite Tropfen durch Abtupfen des Tropfens mit einem Wattestäbchen entfernt. Es wurden keine Unterschiede zwischen der Entfernung der Tintentropfen zum Zeitpunkt Null und nach 24 Stunden feststellbar. Durch zwei- bis viermalige Berührung der Tinte mit einem Wattestäbchen konnte die gesamte Tintenmenge entfernt werden (abhängig von der Größe/Benetzung des Wattestäbchens).
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

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US 4921773 [0110]
US 4464450 [0110]
US 5455136 [0129]

Claims

Eine Beschichtung für einen Tintenstrahl-Druckkopfvorderseite, gekennzeichnet dadurch, dass die Beschichtung einen strukturierten organischen Film umfasst, welcher eine Vielzahl von Segmenten und eine Vielzahl von Linkern umfasst, wobei die Vielzahl von Segmenten und die Vielzahl von Linkern als kovalentes organisches Netzwerk angeordnet sind.
Beschichtung gemäß Anspruch 1, wobei ausgestoßene Tropfen einer UV-härtbaren Tinte oder Festtinte auf der Tintenstrahl-Druckkopfvorderseite einen Kontaktwinkel von etwa von etwa 140° bis etwa 60° aufweisen.
Beschichtung gemäß Anspruch 2, wobei der Kontaktwinkel etwa 110° bis etwa 75° beträgt.
Beschichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der strukturierte organische Film fluoriert ist.
Beschichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der strukturierte organische Film ein zusammengesetzter strukturierter organischer Film ist.
Beschichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der strukturierte organische Film eine zusätzliche Funktionalität aufweist.
Beschichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der strukturierte organische Film eine Capping-Einheit aufweist.