[发明专利]冷冻喷墨设备和实现这样的设备的方法

说明书

发明领域

本发明提供能够执行喷墨印刷而没有喷嘴阻塞的方法和设备，包括通过使用无湿润剂的油墨。更具体地，本发明提供了在比周围温度低的温度时喷射油墨。

有利地，本发明在电子设备的领域中得到应用，例如以形成PEMFC型电池(聚合物电解质膜燃料电池)中的催化层。

背景

喷墨技术的一般原理是借助于计算机投射和引导小的油墨滴。喷墨可以以范围从25kHz(在需要时滴下)到1MHz(连续喷墨)的频率可再现地分配具有范围在25和125微米之间的直径的球形滴(从8微微升到1纳升)。

喷墨技术的数字性质具有优于常规技术例如丝网印刷、苯胺印刷和平板印刷的很多优点。在没有蒙片和网屏的情况下，借助于存储数据的CAD软件来印刷支撑物。

在喷墨过程中使用的油墨由至少一种湿润剂形成，用于避免使油墨在喷嘴的出口处干燥，并因此用于防止其阻塞。由于高沸腾温度和良好的亲水性，乙二醇、甘油和丙二醇通常在油墨制剂中用作湿润剂。

提供能够使用紫外线处理的新湿润剂例如聚亚烷基二醇丙烯酸盐和聚醚丙烯酸盐的文献US 6846851，给出在没有湿润剂的情况下使喷嘴阻塞的配方的例子。

类似地，文献US 2005/0187312报告了在油墨中的太低比率的湿润剂在喷嘴中产生太高的蒸发率，因而导致其阻塞。

因此对于本领域的技术人员很清楚地证实，预定用于喷墨方法的油墨需要湿润剂的存在。此外，在油墨中的湿润剂的存在通常不是干扰的，特别是在标准应用例如图形技术中。

喷墨方法还在燃料电池和质子交换膜(PEM)电解的领域中得到应用。在这样的背景下，所使用的油墨包括催化剂例如铂，其由于物理吸附而对污染特别敏感。换句话说，在这样的油墨中，具有高沸点的产品的引入——正如湿润剂这样——通常通过除了由物理吸附的污染以外的另一机制不利地影响电池性能。事实上，在干燥期间和在形成活性层时，这样的产品不完全蒸发，并停留在活性层的孔隙中。该孔隙度的降低因此降低了气体朝着催化剂位置扩散的能力。

预定用于这样的应用的油墨由此看来必须使用尽可能少的添加剂来配制，且如果可能则不使用湿润剂来配制。

因此，Chisaka和Daiguji(M.Chisaka和H.Daiguji，Effect of glycerol onmicro/nano structures of catalyst layers in polymer electrolyte membrane fuelcells，Electrochim.Acta 51(2006)，第4828-4833页)证明，在油墨中太高比率的甘油不利地影响电池性能。为了克服这个问题，它提出通过蒸汽提取来从活性层蒸发残余甘油。

类似地，Y.-G.Yoon等人(Y.-G.Yoon，G.-G.Park，T.-H.Yang，J.-N.Han，W.-Y.Lee，C.-S.Kim，Effect of pore structure of catalyst layer in a PEMFC onits performance，Int.J.Hydrogen Energy 28(2003)第657-662页)说明了在催化剂油墨的制剂中引入27和60％的乙二醇之后燃料电池的性能的降低。

如已经提到的，尽可能降低湿润剂比率或甚至排除它以借助于喷墨方法形成燃料电池电极，看来是必要的。

然而到目前为止，所提供的唯一的技术解决方案是保持油墨中的湿润剂的存在并在层被印刷之后移除它。

因此，显然需要找到能够避免特别是在喷墨设备喷嘴中的油墨阻塞(如果可能，通过从油墨制剂中消除湿润剂的存在)的技术解决方案。

发明概述

本发明基于能够在比周围温度低的温度喷射油墨并因此避免溶剂的蒸发和喷墨设备喷嘴的阻塞的温度调节系统的实现。

实际上，本发明包括安装用于冷却喷墨设备的系统，其允许范围在-20℃和20℃之间的温度下的操作。

应注意，在现有技术中，已经描述了具有喷嘴冷却系统的喷墨系统，然而用于不同的目的。因此，且作为例子，文献US 6648443提供了用于调节喷墨喷嘴的温度的系统。该系统包括加热构件，例如电阻器和能够通过加热或冷却喷嘴来调节温度的一个或多个珀尔帖效应。该系统具有例如通过在太高的加热之后冷却喷嘴来提供更好的喷嘴温度调节的优点以及因此提高喷射的可再现性的优点。它还能够降低在使用之后的喷嘴温度。