DE102005001350B4 - Selbstreinigende Fixierwalzen - Google Patents

Abstract

Selbstreinigende Fixierwalze oder selbstreinigendes Fixierband zum Abreinigen von geschmolzenem Toner mit einer polymeren Beschichtung, deren Oberfläche eine hydrophobe, elastisch deformierbare Struktur besitzt, die 1–2 μm voneinander beabstandete hervorstehende Stellen aufweist sowie zusätzlich eine Feinstruktur mit einer Ausdehnung von 0,1–0,3 μm besitzt,
– wobei in einem mit einer Gegendruckwalze gebildeten Fixierspalt die hervorstehenden Stellen der hydrophoben Struktur zusammengedrückt sind und in den zusammengedrückten Stellen der hydrophoben Struktur elastische Energie gespeichert ist,
– und wobei nach dem Verlassen des Fixierspaltes die zusammengedrückten Stellen der hydrophoben Struktur aufgrund der gespeicherten elastischen Energie durch Wiederaufrichten der Struktur in ihre ursprünglich hervorstehende Stellung zurückspringen.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren bzw. Vorrichtung und ein Herstellungsverfahren einer Fixierwalze oder eines Fixierbandes, die mit einer polymerischen Beschichtung versehen ist.
• Zur Fixierung von Tonern werden in digitalen Kopiergeräten und Druckmaschinen oft heiße Walzenpaare verwendet in denen das Tonerbild durch Einwirken von Hitze und Druck auf das Substrat wie Papier oder Folien fixiert wird. Dabei wird in der Regel eine oder beide Walzen intern oder extern beheizt. Die Oberfläche dieser Fixierwalzen besteht oft aus tonerabweisenden Material mit großem Oberflächenkontaktwinkel, welches flüssiger Toner möglichst wenig benetzt. Dabei werden u.a. Silicon- und Fluorpolymere und -copolymere zur Oberflächenbeschichtung der Walzen verwendet. Trotzdem ist das Fixierfenster, das ist der Temperaturbereich ohne störende Offseterscheinungen oft nur klein und muss durch das Auftragen von Trennmitteln wie z.B. Siliconölen auf die Oberfläche von Fixierwalzen vergrössert werden. Dadurch kann die Oberflächenverschmutzung der Fixierwalzen und die damit verbundenen Druckbildbeeinträchtigungen durch sogenanntes Kaltoffset oder Heissoffset in einem größeren Temperaturintervall und/oder in für einen längeren Zeitraum vermieden werden.
• Selbstreinigende Oberflächen sind bekannt. So wird die Oberflächenchemie und -morphologie der Lotuspflanze bereits zur Herstellung von selbstreinigenden Oberflächen verwendet (WO 2000/58410). Auch sind Gegenstände mit diesen Oberflächen und Verfahren zur Herstellung derselben bekannt, wobei die Selbstreinigung vorzugsweise dadurch erfolgt, dass die Oberflächen von Zeit zu Zeit bewegtem Wasser ausgesetzt sind ( EP 772 514 ). Auch ist bereits ein hydrophobes Beschichtungsmaterial für Fassaden und Gebäudeteile bekannt mit einem Füllmaterial mit einer bimodalen Teilchengrößenverteilung und einer Makrostruktur von mindesten 5 μm und einer Mikrostruktur nicht größer als 3 μm (WO 200039049). Diese Feinstruktur vermeidet die Benetzung der Oberfläche mit Fremdstoffen durch ihre Morphologie und Hydrophobie. Die Struktur wird beispielsweise durch Wachskristalle erzeugt.
• Bei Farbdrucken, bei denen durch die Überlagerung von vier oder mehr Farbauszügen ein farbiges Bild erzeugt wird, müssen Toner mit niedriger Schmelzviskosität verwendet werden, um die Qualitätsansprüche zu erfüllen und beispielsweise einen für diese Anwendungen ausreichend hohen Glanz des Druckbildes zu erreichen. Auch werden bei Vollfarbdrucken in der Regel größere Mengen Toner aufgetragen als bei ein oder zweifarbigen Druckern. Aus beiden Gründen müssen größere Mengen von Silikonöl auf die Fixierwalzen aufgetragen werden, um die Fixierwalzen sauber zu halten und um Offseterscheinungen zu vermeiden. Diese erhöhten Mengen Silikonöl können dann allerdings die Beschreibbarkeit der Oberfläche der Drucke beinträchtigen oder bei zweiseitigem Druck den Duplex-Papierpfad des Druckers verunreinigen.
• Wachskristalle sind nicht geeignet, die Oberfläche von heißen Fixierwalzen zu bilden, da sie nicht stabil genug sind um die Temperaturen und die mechanische Belastung an der Oberfläche von Fixierwalzen auszuhalten. Dies sind insbesondere der Druck und die Walkkräfte, die im Fixierspalt herrschen und die starken Abriebkräfte von Papier.
• Um die Oberflächen von Walzen, speziell Fixierwalzen zu beschichten sind eine Reihe von Verfahren bekannt, wie Ringbeschichtung, Tauchbeschichtung, Gießbeschichtung, Sprühbeschichtung oder Beschichtung mit Mehrwalzencoatern.
• Die genannten Applikationsverfahren sind alleine nicht geeignet die Oberfläche von heißen Fixierwalzen zu bilden, da sie keine ausreichende Schichtdickenkonstanz ermöglichen. Schickdickenvariationen führen zu Fixierqualitätsschwankungen durch ungleichmäßigen Druck und zu Papierlaufproblemen wie Schieflauf und Faltenbildung durch Overdriveeffekte.
• Außerdem sind aus EP 0709749 mit einem fluorhaltigen Harz beschichtete Fixierwalzen bekannt auf die ein fluorhaltiges Silikonöl aufgetragen wird.
• Aus DE 10063171 ist ferner ein bogenführendes Zylindermantelprofil für Gegendruck- oder Bogenführungszylinder mit Erhebungen der Chromoberfläche mit typischen Abständen von 20–100 μm und zusätzlich aufgebrachten Schicht mit einer Mikrostruktur von 10 nm bis 2 μm bekannt.
• Schließlich sind aus DE 10138036 strukturierte selbstreinigende Oberflächen mit stochastischer oder periodischer Struktur mit Grobstrukturen im Bereich von 30–50 μm bzw. 20–30 μm bekannt.
• Es ist also wünschenswert eine Oberflächenstruktur von Fixierwalzen zur Verfügung zu haben die aufgrund ihrer Morphologie und Hydrophobie nicht oder wesentlich schwerer als nach dem Stand der Technik durch Toner benetzt werden kann. Dies gilt auch für andere Oberflächen von Kopiergeräten und Druckmaschinen, wie Bebilderungs- oder Transfertrommeln die in Kontakt kommen mit benetzenden Flüssigkeiten wie Toner in flüssigen Aggregatzustand.
• Aufgabe der Erfindung ist es eine Oberflächenstruktur auszubilden, die bei Verwendung niederviskoser Toner für den Vollfarbdruck ohne Fixieröl oder mit einer deutlich reduzierten Menge Fixieröl gegenüber dem Stand der Technik auskommt.
• Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Fixierung von Toner auf einem Substrat unter Verwendung von mindestens einer erfindunggemässen Fixierwalze oder eines erfindungsgemässen Fixierbandes, die mit einer polymerischen Beschichtung versehen ist und deren Oberfläche eine Struktur bevorzugt mit einer Ausdehnung von 1–2 μm besitzt und eine verfahrensgemäss hergestellte Fixierwalze oder eine verfahrensgemäß hergestelltes Fixierband.
• Das mit der erfinderischen Vorrichtung durchzuführende erfinderische Verfahren erzielt der Lotusblüte ähnelnde Oberflächenstruktur und deren Oberflächeneigenschaften ohne die mit der Verwendung eines Wachses verbundenen Instabilitäten unter Verwendung von mindestens einer Fixierwalze oder eines Fixierbandes, die mit einer polymeren Beschichtung versehen ist und deren Oberfläche eine hydrophobe Struktur besitzt.
• Eine verbesserte Reinigungswirkung wird erzielt, wenn die Oberfläche einer erfindungsgemäß hergestellten Fixierwalze oder eines erfindungsgemäß hergestellten Fixierbandes zusätzlich eine Feinstruktur besitzt. Als besonders günstig für dem Selbstreinigungseffekt hat sich eine Feinstruktur mit einer Ausdehnung von 0,1–0,3 μm erwiesen.
• Die Reinigungswirkung durch die Struktur und die Feinstruktur allein ist nicht in jedem Fall ausreichend insbesondere bei langen Druckaufträgen ohne Leerlauf einer erfindunggemässen Fixierwalze oder eines erfindungsgemässen Fixierbandes, bei dem eine verstärkte Selbstreinigung der Oberflächen beobachtet werden kann. Dann kann die Reinigungswirkung verbessert werden in dem ein Trennmittel zu Beispiel aus der Klasse der Silikonöle aufgetragen wird. Dazu wird ein an sich bekanntes Verfahren wie Auftragen mit einem Walzen- oder Bürstencoater oder mit Düsen verwendet. Die Struktur der Oberfläche der erfindunggemässen Fixierwalze oder des erfindungsgemässen Fixierbandes hat jetzt den Vorteil, dass sich beim Abrakeln eines eventuell überschüssigen Trennmittel nach dem Auftragen eine definierte Menge des Trennmittels in den Tälern der Oberfläche befindet.
• Ein weiterer Vorteil der Struktur der erfindunggemässen Fixierwalze oder des erfindungsgemässen Fixierbandes ist, dass sie elastisch ist und Energie speichert. Im Fixierspalt wird diese Fixierwalzenbeschichtung durch die Vorspannung der Walzen zusammengepresst und flachgedrückt. Die Oberfläche der erfindunggemässen Fixierwalze oder des erfindungsgemässen Fixierbandes passt sich dabei der Papieroberfläche an. Dies ist insbesondere bei glatten und/oder glänzenden Oberflächen von Papier von Vorteil mit denen ein hoher Glanz der Druckbildes erzeugt werden kann. Im Fixierspalt werden dann die vorher hervorstehenden Stellen der erfindunggemässen Fixierwalze oder des erfindungsgemässen Fixierbandes stärker zusammengedrückt als die nicht hervorstehenden Stellen. Sobald die Oberfläche der erfindunggemässen Fixierwalze oder des erfindungsgemässen Fixierbandes den Fixierspalt verlässt veranlasst die elastische Energie, die in den vormaligen Bergen der Walzenoberfläche gespeichert ist die Walzenoberfläche herauszuspringen was mitwirkt den geschmolzenen Toner von der Walzenoberfläche zu lösen.
• Zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Fixierwalze oder eines erfindungsgemässen Fixierbandes wird erst einmal eine Schicht mit einem bekannten Verfahren wie Ringbeschichtung, Tauchbeschichtung, Gießbeschichtung, Sprühbeschichtung oder Beschichtung mit Mehrwalzencoatern aufgetragen.
• Durch Schleifen einer mit einem geeigneten Beschichtungsverfahren aufgetragenen Schicht mit einem Kolloid aus Submikronteilchen in Wasser kann die erwünschte Struktur ohne die Verwendung instabiler Wachskristalle erzeugt werden.
• Auch kann die Struktur vorteilhaft mit einem stempelartigen Werkzeug, auf dem die Struktur vorgeprägt ist hergestellt werden.
• Alternativ wird eine stabile Oberlfläche durch Spritzgießen in einer Form erzielt deren Oberfläche durch Erodieren, Schleifen oder Ätzen die gewünschte Struktur erhält. Ein besonderer Vorteil der durch dieses Verfahren erzielten Struktur ist, dass Fixieröl – soweit es überhaupt verwendet wird – durch die Struktur in genau definierten Mengen aufgebracht wird indem Rakel oder Abstreifblätter eingesetzt werden.
• Die Struktur kann in den Fällen des stempelartigen Werkzeuges und der Oberfläche des Spritzgusswerkzeuges kann bevorzugt durch Läppen, Honen oder Ätzen erzeugt werden.
• Die Anwendung einer „Lotus" Oberflächenstruktur wie hier beschrieben kann auch für andere Oberflächen in einem Kopiergerät oder einer Druckmaschine nützlich sein wie Bebilderungs- oder Transfertrommeln, die mit benetzenden Flüssigkeiten wie Toner in flüssigen Aggregatzustand in Berührung kommen.
• Beispielhafte Erläuterungen der Erfindung erfolgen nachfolgend im Zusammenhang mit Abbildungen aus denen sich weitere erfinderische Maßnahmen ergeben, ohne dass die Erfindung auf die erläuternden Beispiele beschränkt wird.
• 1 zeigt das Fixier- und Offsetverhalten von Toner im Fixierspalt zur Erläuterung der Begriffe Kaltoffset, Fixierung, Glanzerzeugung und Heissoffset.
• 2 zeigt einen nicht benetzenden Tropfen auf einer ebenen und auf einer strukturierten Oberfläche.
• 1a–d erläutert die Begriffe Kaltoffset, Fixierung, Glanzerzeugung und Heissoffset. Das Papier 11 mit Toner 12 wird in Pfeilrichtung durch das Fixierwalzenpaar transportiert von dem nur die obere Fixierwalze 13 und der Toner 12 auf dem Papier dargestellt sind. Zur besseren Übersichtlichkeit ist die obere Fixierwalze etwas vom Papier abgehoben dargestellt. In 1a ist Kaltoffset dargestellt. Dabei ist der Toner nicht ausreichend aufgeschmolzen, noch zäh und klebrig und trenntlich beim Verlassen des Fixierspaltes in einen Tonerteil auf dem Papier 11 und an der Fixierwalze 14. In 1b ist der Toner 12 ausreichend aufgeschmolzen und löst sich beim Verlassen des Fixierspaltes von der Fixierwalze 13. Er ist aber noch nicht soweit aufgeschmolzen, dass er die glatte Oberfläche der Fixierwalze 13 abbildet sondern hat eine rauhe Oberfläche, die ein mattes Druckbild ergibt. In 1c ist der Toner so niederviskos dass die Oberflächenglätte der Fixierwalze 13 abgebildet wird und der Toner nach Abkühlen ein glänzendes Druckbild ergibt. In 1d ist die Viskosität noch niedriger mit der Folge, dass sich die Tonerschicht in zwei Teile aufspaltet.. Es entsteht starker Heissoffset
• 2 zeigt schematisch eine unstrukturierte, tonerabweisende Oberfläche 16 nach dem Stand der Technik, die von einem geschmolzenen Tonertropfen 15 bei einem Kontaktwinkel von ca. 100° teilweise benetzt wird und eine erfinderische strukruierte Oberfläche 17, die von dem erfinderischen Toner bei einem Kontaktwinkel von ca. 150° nicht benetzt wird.
• Eine Form zu Herstellung der Beschichtung einer Fixierwalze mit einer erfindungsgemässen Struktur erhält durch Ätzen eine Oberflächenstruktur mit einer Grobstruktur im Bereich von 1–2 μm und eine Feinstruktur im Bereich 0.1 bis 0.3 μm. Anschliessen wird auf den Kern der Fixierwalze eine Beschichtung durch Spritzgiessen in folgender Weise analog zu dem in DE 10251616 näher beschrieben Verfahren hergestellt:
• 1. Ein Kern wird in das Werkzeug eingeführt. Anschliessend wird ein fluormodifiziertes Silikon als Beschichtungsmaterial durch die Düsen eingespritzt. Gegebenfalls wird wie in DE 10251616 beschrieben ein zweites Material eingespritzt um einen Gradienten in den Eigenschaften der Beschichtung zu erzielen.
• 2. Die Fliessen und die gleichmässige Verteilung des Beschichtungsmaterials wird durch Ultraschalleinwirkung unterstützt.
• 3. Anschliessend wird die Beschichtung durch Erhitzen ausgehärtet. Dabei schrumpft die Beschichtung etwas.
• 4. Der Halterung des Kerns wird wird gekühlt und kühlt dabei den Kern der Fixierwalze ab.
• 5. Die Form wird von der geschrumpften und abgekühlten Beschichtung abgezogen.

Claims (5)

1. Selbstreinigende Fixierwalze oder selbstreinigendes Fixierband zum Abreinigen von geschmolzenem Toner mit einer polymeren Beschichtung, deren Oberfläche eine hydrophobe, elastisch deformierbare Struktur besitzt, die 1–2 μm voneinander beabstandete hervorstehende Stellen aufweist sowie zusätzlich eine Feinstruktur mit einer Ausdehnung von 0,1–0,3 μm besitzt, – wobei in einem mit einer Gegendruckwalze gebildeten Fixierspalt die hervorstehenden Stellen der hydrophoben Struktur zusammengedrückt sind und in den zusammengedrückten Stellen der hydrophoben Struktur elastische Energie gespeichert ist, – und wobei nach dem Verlassen des Fixierspaltes die zusammengedrückten Stellen der hydrophoben Struktur aufgrund der gespeicherten elastischen Energie durch Wiederaufrichten der Struktur in ihre ursprünglich hervorstehende Stellung zurückspringen.
2. Verfahren zur Herstellung einer selbstreinigenden Fixierwalze oder eines selbstreinigenden Fixierbandes nach Anspruch 1, wobei die Struktur durch Schleifen mit einem Kolloid von Teilchen in einem flüssigen Trägermedium erzeugt wird.
3. Verfahren gemäß Anspruch 2, wobei das flüssige Trägermedium Wasser ist.
4. Verfahren gemäß Anspruch 3, wobei die Teilchen aus Submikronteilchen bestehen.
5. Verfahren zur Selbstreinigung von mindestens einer Fixierwalze oder eines Fixierbandes, die mit einem Gegendruckwalze einen Fixierspalt bildet, wobei die Fixierwalze mit einer polymeren Beschichtung versehen ist, deren Oberfläche eine hydrophobe, elastisch deformierbare Struktur besitzt, wobei die Struktur eine Ausdehnung von 1–2 μm aufweist und zusätzlich eine Feinstruktur mit einer Ausdehnung von 0,1–0,3 μm besitzt, mit folgenden Verfahrensschritten: a) Zusammendrücken der vor dem Einführen in den Fixierspalt hervorstehenden Stellen der hydrophoben Struktur der Fixierwalze oder des Fixierbandes innerhalb des Fixierspaltes, wobei elastische Energie in den zusammengedrückten Stellen der hydrophoben Struktur gespeichert wird, b) Drehen der Fixierwalze, so dass die zusammengedrückten Stellen der hydrophoben Struktur der Fixierwalze oder des Fixierbandes den Fixierspalt verlassen, c) Herausspringen der zusammengedrückten Stellen der hydrophoben Struktur durch Wiederaufrichten der Struktur nach dem Verlassen des Fixierspaltes, so dass der geschmolzene Toner von der Oberfläche der hydrophoben Struktur der Fixierwalze oder des Fixierbandes gelöst wird.