DE102011089830A1

DE102011089830A1 - Fluorelastomer-Verbundmaterialien mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen und anorganischen Nanofüllstoffteilchen

Info

Publication number: DE102011089830A1
Application number: DE201110089830
Authority: DE
Inventors: Qi Zhang; Yu Qi; Nan-Xing Hu; Gordon Sisler
Original assignee: Xerox Corp
Current assignee: Xerox Corp
Priority date: 2010-12-27
Filing date: 2011-12-23
Publication date: 2012-06-28
Also published as: JP5785071B2; US8790774B2; US20120163888A1; JP2012136698A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verbundmaterial mit Nanoteilchen und ein Verfahren zu dessen Herstellung, sowie ein Aufschmelzelement, welches das Verbundmaterial umfasst und welches in einer Aufschmelzvorrichtung verwendet werden kann. Das Verbundmaterial umfasst eine Vielzahl von Kohlenstoff-Nanoröhrchen und eine Vielzahl von anorganischen Nanofüllstoffteilchen in einer Polymer-Matrix, so dass das Verbundmaterial mit Nanoteilchen die gewünschten Eigenschaften hat.

Description

Diese Erfindung betrifft Verbundmaterialien. Genauer gesagt, die Erfindung betrifft Fluorelastomer-Verbundmaterialien mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen und anorganischen Nanofüllstoffteilchen.
Bei herkömmlichen elektrofotografischen Verfahren zum Herstellen eines Bildes wird gewöhnlich ein sichtbares Tonerbild auf einem Bildempfangsmaterial (wie beispielsweise einem Blatt Papier) aufgebracht. Genauer gesagt, ein elektrostatisches latentes Bild, das auf einem Fotorezeptor erzeugt wurde, wird mit einem Toner entwickelt, um das Bild sichtbar zu machen, und das sichtbare Tonerbild wird dann auf ein Bildempfangsmaterial übertragen und unter Verwendung eines Schmelzelementes auf dem Bildempfangsmaterial aufgeschmolzen (fixiert), wobei ein permanentes Bild erhalten wird.
Die Materialien der äußersten Schicht der Aufschmelzelemente, die derzeit in elektrofotografischen Verfahren verwendet werden, umfassen Fluorelastomere, wie zum Beispiel VITON^® von E. I. DuPont de Nemours, Inc. (Wilmington, DE). Die VITON^®-Fluorelastomere verleihen den Aufschmelzelementen mechanische Flexibilität und die Fähigkeit, Stoßenergie zu absorbieren. Die VITON^®-Fluorelastomere ermöglichen auch einen High-Speed-Betrieb. Da die VITON^®-Materialien jedoch eine unzureichende mechanische Festigkeit und eine geringe Verschleißbeständigkeit haben, treten Probleme auf.
Bisher wurden Füllstoffe in die Materialien der äußersten Schicht der Aufschmelzelemente eingebracht, um diese Probleme zu lösen. Beispiele für solche Füllstoffe umfassen Ruß, Metalloxide und Kohlenstoff-Nanoröhrchen. Die mechanische Widerstandsfähigkeit und die Verschleißbeständigkeit müssen jedoch weiter verbessert werden, so dass die kurze Betriebslebensdauer von herkömmlichen Aufschmelzelementen verlängert werden kann. Die Wärmeleitfähigkeit der Oberfläche herkömmlicher Aufschmelzelemente muss ebenfalls verbessert werden, so dass die Oberfläche eine gleichmäßigere Wärmeverteilung hat und der Energieverbrauch beim Aufschmelzen verringert werden kann, ohne dass die mechanische Festigkeit und andere gewünschte Eigenschaften beeinträchtigt werden.
Es besteht deshalb ein Bedarf an Zusammensetzungen mit Nanoteilchen, die in Aufschmelzvorrichtungen verwendet werden können und die die zuvor beschriebenen sowie andere bekannte Probleme lösen.
Die vorliegende Erfindung stellt bereit:

(1) Ein Aufschmelzelement, umfassend ein Verbundmaterial mit Nanoteilchen, das auf einem Substrat aufgebracht ist, wobei das Verbundmaterial mit Nanoteilchen eine Vielzahl von Kohlenstoff-Nanoröhrchen und eine Vielzahl von anorganischen Nanofüllstoffteilchen in einer Fluorelastomer-Matrix umfasst, wobei die anorganischen Nanofüllstoffteilchen in einer Menge im Bereich von etwa 2 Gewichtsprozent bis etwa 50 Gewichtsprozent enthalten sind, bezogen auf das Gesamtgewicht des Verbundmaterials mit Nanoteilchen, so dass das Verbundmaterial mit Nanoteilchen eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 0,2 W/m·K bis etwa 4 W/m·K hat.
(2) Ein Aufschmelzelement gemäß Punkt (1), wobei die anorganischen Nanofüllstoffteilchen ausgewählt sind aus der Gruppe, bestehend aus Teilchen von Siliciumcarbiden, Bornitriden, Borcarbiden, Aluminiumnitriden, Titannitriden, Titancarbiden, Zirkoniumcarbiden, Aluminiumoxid und Kombinationen davon.
(3) Ein Aufschmelzelement gemäß Punkt (1) oder (2), wobei die Oberfläche der anorganischen Nanofüllstoffteilchen eine funktionelle Gruppe umfasst, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus -OH, -NH₂ und einer Kombination davon.
(4) Ein Aufschmelzelement gemäß einem der Punkte (1) bis (3), wobei die anorganischen Nanofüllstoffteilchen mindestens eine Abmessung (Dimension) im Bereich von etwa 5 nm bis etwa 1000 nm haben.
(5) Ein Aufschmelzelement gemäß einem der Punkte (1) bis (4), wobei die Kohlenstoff-Nanoröhrchen in einer Menge im Bereich von etwa 0,1 Prozent bis etwa 25 Prozent enthalten sind.
(6) Ein Aufschmelzelement gemäß einem der Punkte (1) bis (5), wobei die Kohlenstoff-Nanoröhrchen Kohlenstoff-Nanoröhrchen mit einer Wand, Kohlenstoff-Nanoröhrchen mit zwei Wänden, Kohlenstoff-Nanoröhrchen mit mehreren Wänden oder Kombinationen davon umfassen.
(7) Ein Aufschmelzelement gemäß einem der Punkte (1) bis (6), wobei die Kohlenstoff-Nanoröhrchen einen mittleren Innendurchmesser im Bereich von etwa 1 nm bis etwa 20 nm, einen mittleren Außendurchmesser im Bereich von etwa 5 nm bis etwa 100 nm, und ein mittleres Aspektverhältnis im Bereich von etwa 10 bis etwa 1000000 haben.
(8) Ein Aufschmelzelement gemäß einem der Punkte (1) bis (7), wobei das Verbundmaterial mit Nanoteilchen einen Oberflächenwiderstand im Bereich von etwa 0,1 × 10⁴ Ω/Flächenquadrat bis etwa 1 × 10⁸ Ω/Flächenquadrat und eine Oberflächenenergie im Bereich von etwa 19 mN/m² bis etwa 24 mN/m² hat.
(9) Ein Aufschmelzelement gemäß einem der Punkte (1) bis (8), wobei das Verbundmaterial mit Nanoteilchen eine Zugfestigkeit im Bereich von etwa 600 psi bis etwa 5000 psi, eine Zähigkeit im Bereich von etwa 1000 in·lbf/in³ bis etwa 5000 in·lbf/in³, oder eine prozentuale Bruchdehnung im Bereich von etwa 100% bis etwa 600% hat.
(10) Ein Aufschmelzelement gemäß einem der Punkte (1) bis (9), wobei die Fluorelastomer-Matrix mindestens ein Fluorelastomer umfasst, das eine vernetzende Monomereinheit und eine sich wiederholende Monomereinheit umfasst, wobei die sich wiederholende Monomereinheit ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Vinylidenfluorid, Hexafluorpropylen, Tetrafluorethylen, Perfluor(methylvinylether), Perfluor(propylvinylether), Perfluor(ethylvinylether) und Kombinationen davon.
(11) Ein Aufschmelzelement gemäß einem der Punkte (1) bis (10), wobei die Fluorelastomer-Matrix ein Fluorelastomer mit Vinylidenfluoridgruppen umfasst, das mit einem Härtungsmittel vernetzt wurde, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus einer Bisphenolverbindung, einer Diaminoverbindung, einer Aminophenolverbindung, einer Aminosiloxanverbindung, einer Aminosilanverbindung, einer Phenolsilanverbindung und Kombinationen davon.
(12) Ein Aufschmelzelement gemäß einem der Punkte (1) bis (11), wobei das Substrat aus einem Material hergestellt wurde, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus einem Metall, einem Kunststoff, einer Keramik oder einer Kombination davon; wobei das Metall ein Material umfasst, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Aluminium, anodisch oxidiertem Aluminium, Stahl, Nickel, Kupfer und Gemischen davon; und wobei der Kunststoff ein Material umfasst, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus einem Polyimid, einem Polyester, einem Polyetheretherketon (PEEK), einem Poly(arylenether), einem Polyamid und Gemischen davon.
(13) Ein Aufschmelzelement, umfassend eine äußerste Schicht, die auf einem Substrat aufgebracht ist, wobei die äußerste Schicht eine Vielzahl von Kohlenstoff-Nanoröhrchen und eine Vielzahl von anorganischen Nanofüllstoffteilchen in einer Fluorelastomer-Matrix umfasst, wobei die Kohlenstoff-Nanoröhrchen in einer Menge im Bereich von etwa 0,1 Prozent bis etwa 25 Prozent enthalten sind und wobei die anorganischen Nanofüllstoffteilchen in einer Menge im Bereich von etwa 1 Gewichtsprozent bis etwa 80 Gewichtsprozent enthalten sind, bezogen auf das Gesamtgewicht der äußersten Schicht.
(14) Ein Aufschmelzelement gemäß Punkt (13), wobei die äußerste Schicht eine Dicke im Bereich von etwa 5 μm bis etwa 100 μm hat.
(15) Ein Aufschmelzelement gemäß Punkt (13) oder (14), wobei die äußerste Schicht mindestens eine der folgenden Eigenschaften hat: eine Wärmeleitfähigkeit im Bereich von etwa 0,1 W/m·K bis etwa 6 W/m·K; eine Oberflächenenergie im Bereich von etwa 18 mN/m² bis etwa 25 mN/m²; eine Oberflächenenergie im Bereich von etwa 19 mN/m² bis etwa 24 mN/m²; eine Zugfestigkeit im Bereich von etwa 600 psi bis etwa 5000 psi; eine Zähigkeit im Bereich von etwa 1000 in·lbf/in³ bis etwa 5000 in·lbf/in³; und eine prozentuale Bruchdehnung im Bereich von etwa 100% bis etwa 600%.
(16) Ein Aufschmelzelement gemäß einem der Punkte (13) bis (15), wobei das Substrat ein Zylinder, eine Walze, eine Trommel, ein Band, eine Platte, ein Film, ein Blatt oder ein Drelt ist.
(17) Eine Aufschmelzvorrichtung, umfassend das Aufschmelzelement gemäß einem der Punkte (13) bis (16), wobei die Aufschmelzvorrichtung weiterhin ein Stützelement umfasst, das in Kontakt mit dem Aufschmelzelement angeordnet ist, und wobei ein Druckmedium mit einem unfixierten Tonerbild zwischen dem Aufschmelzelement und dem Stützelement hindurchtransportiert werden kann, so dass das unfixierte Tonerbild auf dem Druckmedium fixiert (aufgeschmolzen) wird.
(18) Ein Verfahren zum Herstellen eines Aufschmelzelementes, umfassend die folgenden Schritte: das Herstellen einer ersten Zusammensetzung mit Nanoteilchen, die eine Vielzahl von Kohlenstoff-Nanoröhrchen, die gleichmäßig in einem Fluorelastomer dispergiert sind, umfasst; das Herstellen einer zweiten Zusammensetzung mit Nanoteilchen, umfassend das Vermischen der ersten Zusammensetzung mit mindestens einem Bestandteil, ausgewählt aus dem Fluorelastomer, Kohlenstoff-Nanoröhrchen und anorganischen Nanofüllstoffteilchen, so dass die Kohlenstoff-Nanoröhrchen und die anorganischen Nanofüllstoffteilchen gleichmäßig in dem Fluorelastomer dispergiert sind und in der gewünschten Konzentration vorliegen; das Herstellen einer Dispersion, umfassend das Auflösen der zweiten Zusammensetzung in einem geeigneten Lösungsmittel zusammen mit mindestens einem Bestandteil, ausgewählt aus einem geeigneten Härtungsmittel, einem Metalloxid und einem oberflächenaktiven Mittel; das Aufbringen der Dispersion auf einer Oberfläche; und das Aushärten der aufgebrachten Dispersion, um eine Überzugsschicht auf der Oberfläche herzustellen, so dass die Überzugsschicht etwa 0,1 Gewichtsprozent bis etwa 25 Gewichtsprozent der Kohlenstoff-Nanoröhrchen und etwa 1 Gewichtsprozent bis etwa 80 Gewichtsprozent der anorganischen Nanofüllstoffteilchen enthält, bezogen auf das Gesamtgewicht der Überzugsschicht.
(19) Ein Verfahren gemäß Punkt (18), wobei das Vermischen bei einer Scherspannung im Bereich von etwa 1500 mg Drehmoment (mg torque) bis etwa 2400 mg Drehmoment bei einer Temperatur im Bereich von etwa 120°C bis etwa 200°C durchgeführt wird.
(20) Ein Verfahren gemäß Punkt (18) oder (19), wobei die Überzugsschicht mindestens eine der folgenden Eigenschaften hat: eine Wärmeleitfähigkeit im Bereich von etwa 0,1 W/m·K bis etwa 6 W/m·K; eine Zähigkeit im Bereich von etwa 1000 in·lbf/in³ bis etwa 5000 in·lbf/in³; und eine Oberflächenenergie im Bereich von etwa 18 mN/m² bis etwa 25 mN/m², und wobei diese Eigenschaften im Wesentlichen unverändert bleiben, wenn die Überzugsschicht etwa 30 Minuten lang auf eine Temperatur von etwa 160°C oder darüber erwärmt wird.

Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung betrifft ein Aufschmelzelement mit einem Substrat, auf dem ein Verbundmaterial mit Nanoteilchen aufgebracht ist. Das Verbundmaterial umfasst eine Vielzahl von Kohlenstoff-Nanoröhrchen und eine Vielzahl von anorganischen Nanofüllstoffteilchen in einer Fluorelastomer-Matrix. Die anorganischen Nanofüllstoffteilchen sind in einer Menge im Bereich von etwa 2 Gewichtsprozent bis etwa 50 Gewichtsprozent enthalten, bezogen auf das Gesamtgewicht des Verbundmaterials mit Nanoteilchen, so dass das Verbundmaterial eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 0,2 W/m·K bis etwa 4 W/m·K hat.
Eine andere Ausführungsform der Erfindung betrifft ein Aufschmelzelement mit einem Substrat, auf dem eine äußerste Schicht aufgebracht ist. Die äußerste Schicht umfasst eine Vielzahl von Kohlenstoff-Nanoröhrchen und eine Vielzahl von anorganischen Nanofüllstoffteilchen in einer Fluorelastomer-Matrix. Die Kohlenstoff-Nanoröhrchen sind in einer Menge im Bereich von etwa 0,1 Prozent bis etwa 25 Prozent enthalten und die anorganischen Nanofüllstoffteilchen sind in einer Menge im Bereich von etwa 1 Gewichtsprozent bis etwa 80 Gewichtsprozent enthalten, bezogen auf das Gesamtgewicht der äußersten Schicht.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Aufschmelzelementes. In diesem Verfahren wird eine erste Zusammensetzung mit Nanoteilchen hergestellt, die eine Vielzahl von Kohlenstoff-Nanoröhrchen umfasst, die gleichmäßig in einem Fluorelastomer dispergiert sind. Dann wird eine zweite Zusammensetzung mit Nanoteilchen hergestellt, indem die erste Zusammensetzung mit mindestens einem Bestandteil, ausgewählt aus dem Fluorelastomer, Kohlenstoff-Nanoröhrchen und anorganischen Nanofüllstoffteilchen, vermischt wird, so dass die Kohlenstoff-Nanoröhrchen und die anorganischen Nanofüllstoffteilchen gleichmäßig in dem Fluorelastomer dispergiert sind und in der gewünschten Konzentration vorliegen. Das Vermischen kann bei einer hohen Scherkraft und bei einer hohen Temperatur durchgeführt werden. Dann wird eine Dispersion hergestellt, indem die zweite Zusammensetzung in einem geeigneten Lösungsmittel zusammen mit mindestens einem Bestandteil, ausgewählt aus einem geeigneten Härtungsmittel, einem Metalloxid und einem oberflächenaktiven Mittel, gelöst wird. Die Dispersion wird dann auf einer Oberfläche aufgebracht und ausgehärtet, um eine Überzugsschicht auf der Oberfläche herzustellen. Die Überzugsschicht enthält etwa 0,1 Gewichtsprozent bis etwa 25 Gewichtsprozent der Kohlenstoff-Nanoröhrchen und etwa 1 Gewichtsprozent bis etwa 80 Gewichtsprozent der anorganischen Nanofüllstoffteilchen, bezogen auf das Gesamtgewicht der Überzugsschicht.
Die 1A und 1B veranschaulichen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Aufschmelzelemente.
Die 2 veranschaulicht ein Verbundmaterial mit Nanoteilchen entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung.
Die 3 zeigt ein Beispiel für eine Aufschmelzvorrichtung, in der die Aufschmelzelemente verwendet werden, die in den 1A und 1B gezeigt sind.
Die Erfindung betrifft ein Verbundmaterial mit Nanoteilchen und ein Aufschmelzelement, welches das Verbundmaterial umfasst; die Erfindung betrifft ebenfalls ein Verfahren zum Herstellen eines Aufschmelzelementes sowie die Verwendung des Aufschmelzelementes in einer Aufschmelzvorrichtung. Das Verbundmaterial ist ein Elastomerverbundwerkstoff, der eine Vielzahl von Kohlenstoff-Nanoröhrchen und eine Vielzahl von anorganischen Nanofüllstoffteilchen in einer Polymer-Matrix umfasst.
Der Ausdruck ”Aufschmelzelement”, der hier verwendet wird, umfasst auch andere Elemente, die in einem elektrofotografischen Drucker verwendet werden können, wie zum Beispiel ein Fixierelement; ein Element, mit dem ein mechanischer Druck ausgeübt wird (Druckelement); ein Element, das Wärme erzeugt; und/oder ein Donorelement. Das Aufschmelzelement kann zum Beispiel in Form eines Bandes, einer Platte, eines Blattes, einer Walze, eines Zylinders, einer Trommel, eines sogenannten ”Drelt” (eine Mischform zwischen einer Trommel und einem Band) und/oder dergleichen vorliegen.
Die 1A und 1B veranschaulichen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Aufschmelzelemente 100A und 100B.
Die Aufschmelzelemente 100A und 100B umfassen ein Substrat 110 und ein Verbundmaterial 150 mit Nanoteilchen, das auf dem Substrat 110 aufgebracht ist. Dazwischen können eine oder mehrere funktionelle Schichten angeordnet sein. In der Ausführungsform, die in der 1A gezeigt ist, ist eine elastische Schicht 120 zwischen dem Verbundmaterial 150 mit Nanoteilchen und dem Substrat 110 angeordnet. In der Ausführungsform, die in der 1B gezeigt ist, ist eine Zwischenschicht 130 zwischen der elastischen Schicht 120 und dem Verbundmaterial 150 mit Nanoteilchen angeordnet. Das Aufschmelzelement kann auch andere funktionelle Schichten umfassen, wie zum Beispiel eine Klebstoffschicht, die zwischen den in den 1A und 1B gezeigten Schichten angeordnet werden kann.
Das Substrat 110 des Aufschmelzelementes 100 kann zum Beispiel ein Band, eine Platte, eine Walze, eine zylindrische Trommel und/oder ein Drelt sein. Das Substrat 110 kann verschiedene Materialien umfassen, wie zum Beispiel ein Metall, eine Metalllegierung, ein Gummi (Kautschuk), ein Glas, eine Keramik, einen Kunststoff oder ein Gewebe. Beispiele für geeignete Metalle umfassen Aluminium, anodisch oxidiertes Aluminium, Stahl, Nickel, Kupfer und Gemische davon; und Beispiele für die Kunststoffe umfassen Polyimide, Polyester, Polyetheretherketone (PEEK), Poly(arylenether), Polyamide und/oder Gemische davon. Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Substrat 110 ein Aluminiumzylinder oder eine Aluminiumwalze.
Die elastische Schicht 120, die in den 1A und 1B gezeigt ist, kann zum Beispiel eine Silikongummischicht sein, und die Zwischenschicht 130 kann, abhängig von der beabsichtigten Verwendung, zum Beispiel ein Silan, beispielsweise ein Amin-modifiziertes Silan, wie zum Beispiel Aminopropyltriethoxysilan (beispielsweise A1100 von OSI Specialties, Friendly, W. Va.), ein Titanat, ein Zirkonat, ein Aluminat, oder dergleichen, und Gemische davon enthalten. Die Zwischenschicht kann auf dem Substrat oder einer anderen Schicht in einer Dicke von etwa 2 nm bis etwa 2000 nm oder in einer Dicke von etwa 2 nm bis etwa 500 nm aufgebracht werden. Die Zwischenschicht kann unter Anwendung bekannter Verfahren aufgebracht werden, wie zum Beispiel durch Sprühbeschichten oder durch Auftragen mit einem Schwamm. Die Zwischenschicht 130 kann die Filmqualität der elastischen Schicht 120 und/oder die des Verbundmaterials 150 mit Nanoteilchen verbessern. Die Materialien, die für die Herstellung der elastischen Schicht und der Zwischenschicht des erfindungsgemäßen Schmelzelementes 100 verwendet werden können, können den Materialien entsprechen, die für die Herstellung herkömmlicher Schmelzelemente verwendet werden, und die Verfahren zum Herstellen der elastischen Schicht und der Zwischenschicht können den Verfahren entsprechen, die auch bei der Herstellung herkömmlicher Schmelzelemente angewandt werden.
Das Verbundmaterial 150 mit Nanoteilchen kann Kohlenstoff-Nanoröhrchen und anorganische Nanofüllstoffteilchen, die in einer Fluorelastomer-Matrix enthalten sind, umfassen. Der Ausdruck ”Fluorelastomer-Matrix”, der hier verwendet wird, bedeutet ein chemisch oder physikalisch vernetztes Polymer, wie zum Beispiel ein Fluorelastomer, ein Thermoelastomer, ein Polyperfluoretherelastomer, ein Silikonelastomer oder ein anderes vernetztes Material, oder ein Gemisch dieser vernetzten Materialien. Die vernetzten Polymere können halbweich und/oder geschmolzen sein, so dass sie sich mit den Kohlenstoff-Nanoröhrchen und anorganische Nanofüllstoffteilchen vermischen.
Die Fluorelastomere können beispielsweise sich wiederholende Monomereinheiten umfassen, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Tetrafluorethylen, Perfluor(methylvinylether), Perfluor(propylvinylether), Perfluor(ethylvinylether), Vinylidenfluorid, Hexafluorpropylen und Gemische davon. Die Fluorelastomere können auch Monomereinheiten enthalten, die ein Aushärten ermöglichen, indem sie zum Beispiel mit einem Härtungsmittel reagieren.
Beispiele für handelsüblich erhältliche Fluorelastomere umfassen VITON^®A: Copolymere von Hexafluorpropylen (HFP) und Vinylidenfluorid (VDF oder VF2); VITON^®B: Terpolymere von Tetrafluorethylen (TFE), Vinylidenfluorid (VDF) und Hexafluorpropylen (HFP); VITON^®GF: Tetrapolymere von TFE, VF2, HFP); sowie VITON^®E; VITON^®E-60C; VITON^®E430; VITON^®910; VITON^®GH und VITON^®GF. VITON^® ist ein Handelsname von E. I. DuPont de Nemours, Inc. (Wilmington, DE), und wird im Folgenden auch als ”VITON” bezeichnet.
Beispiele für andere handelsüblich erhältliche Fluorelastomere umfassen die Produkte von 3M Corporation (St, Paul, Minnesota), wie zum Beispiel DYNEON^TM Fluorelastomere, AFLAS^® Fluorelastomere (wie zum Beispiel ein Poly(propylen-tetrafluorethylen)), und FLUOREL^® Fluorelastomere (beispielsweise FLUOREL^®II (wie zum Beispiel LII900), ein Poly(propylen-tetrafluorethylen-vinylidenfluorid), FLUOREL^®2170, FLUOREL^®2174, FLUOREL^®2176, FLUOREL^®2177 und/oder FLUOREL^®LVS 76. Weitere Beispiele für andere handelsüblich erhältliche Fluorelastomere umfassen die ”tecnoflons”, wie zum Beispiel FOR^®-60KIR, FOR^®-LHF, FOR^®-NM, FOR^®-THF, FOR^®-TFS, FOR^®-TH und FOR^®-TN505, erhältlich von Solvay Solexis (West Deptford, NJ).
Die Polymermatrix kann Polymere enthalten, die mit einem Härtungsmittel (hier auch als ”Vernetzungsmittel” bezeichnet) vernetzt wurden, um Elastomere zu erhalten, die relativ weich sind und elastische Eigenschaften haben. Wenn die Polymermatrix beispielsweise ein Fluorelastomer mit Vinylidenfluorideinheiten umfasst, kann das Härtungsmittel eine Bisphenolverbindung, eine Diaminoverbindung, eine Aminophenolverbindung, eine Aminosiloxanverbindung, eine Aminosilanverbindung und/oder eine Phenolsilanverbindung enthalten. Ein Beispiel für ein Vernetzungsmittel vom Bisphenol-Typ ist VITON^®Curative No. 50 (VC-50), erhältlich von E. I. du Pont de Nemours, Inc. VC-50 kann in einer Lösungsmittelsuspension gelöst werden und zum Beispiel mit den reaktiven Gruppen von VITON^®-GF (E. I. du Pont de Nemours, Inc.) reagieren, so dass das Polymer vernetzt wird.
Der Ausdruck ”Nanoröhrchen”, der hier verwendet wird, bedeutet längliche Materialien (umfassend organische und anorganische Materialien) mit mindestens einer kurzen Abmessung (Dimension), wie zum Beispiel einer Breite oder einem Durchmesser, von etwa 1000 nm oder weniger. Der Ausdruck ”Nanoröhrchen”, der hier verwendet wird, umfasst auch andere längliche Strukturen, wie beispielsweise stielförmige Nanomaterialien, säulenförmige Nanomaterialien, Nanodrähte, Nanostäbe und Nanonadeln, sowie deren abgeleitete Fibrillformen, wie zum Beispiel Nanofasern, beispielsweise Nanofäden, Nanogarn oder Nanogewebe.
Die Nanoröhrchen können Kohlenstoff-Nanoröhrchen mit einer Wand, Kohlenstoff-Nanoröhrchen mit zwei Wänden oder Kohlenstoff-Nanoröhrchen mit mehreren Wänden sein, oder deren abgeleitete Fibrillformen, wie zum Beispiel Kohlenstoff-Nanofasern. Die Nanoröhrchen können einen Innendurchmesser und einen Außendurchmesser haben. Der mittlere Innendurchmesser kann im Bereich von etwa 1 nm bis etwa 20 nm, im Bereich von etwa 2 nm bis etwa 10 nm oder im Bereich von etwa 3 nm bis etwa 8 nm liegen; und der mittlere Außendurchmesser kann im Bereich von etwa 5 nm bis etwa 100 nm, im Bereich von etwa 10 nm bis etwa 50 nm oder im Bereich von etwa 8 nm bis etwa 15 nm liegen. Die Nanoröhrchen können ein mittleres Aspektverhältnis im Bereich von etwa 10 bis etwa 1000000, im Bereich von etwa 20 bis etwa 1000 oder im Bereich von etwa 30 bis etwa 500 haben.
Die anorganischen Nanofüllstoffteilchen, die erfindungsgemäß verwendet werden, können mindestens eine kurze Abmessung (Dimension), wie zum Beispiel eine Breite oder einen Durchmesser, im Bereich von etwa 5 nm bis etwa 1000 nm, im Bereich von etwa 20 nm bis etwa 500 nm oder im Bereich von etwa 30 nm bis etwa 50 nm haben. Beispiele für die anorganischen Nanofüllstoffe umfassen Siliciumcarbid, Bornitrid, Borcarbid, Aluminiumnitrid, Titannitrid, Titancarbid, Zirkoniumcarbid, Aluminiumoxid und dergleichen. Entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung können die anorganischen Nanofüllstoffteilchen funktionelle Gruppen an der Oberfläche der Teilchen haben, wie zum Beispiel -OH oder -NH₂, wodurch die Kompatibilität mit organischen Lösungsmitteln und Polymeren verbessert wird, so dass die Teilchen besser dispergiert werden können.
Die Kohlenstoff-Nanoröhrchen und die anorganischen Nanofüllstoffteilchen können verschiedenste Querschnittsformen haben, wie beispielsweise eine rechteckige Form, eine polygonale Form (wie zum Beispiel eine hexagonale Form), eine ovale Form oder eine kreisförmige Form, oder sie können die Form eines Drahtes oder eines Whiskers mit einem hohen Aspektverhältnis haben. Die Kohlenstoff-Nanoröhrchen und die anorganischen Nanofüllstoffteilchen können zum Beispiel eine zylindrische 3-dimensionale Form haben.
Die Kohlenstoff-Nanoröhrchen und die anorganischen Nanofüllstoffteilchen können mittels physikalischer und/oder chemischer Verfahren modifiziert beziehungsweise funktionalisiert werden, um die thermischen Eigenschaften, die mechanischen Eigenschaften, die elektrischen Eigenschaften und/oder die Oberflächeneigenschaften der Nanoteilchen zu verbessern. Die Oberfläche der Kohlenstoff-Nanoröhrchen und/oder die Oberfläche der anorganischen Nanofüllstoffteilchen kann beispielsweise mit einem Material modifiziert werden, ausgewählt aus Perfluorkohlenstoffen, Perfluorpolyethern, Polydimethylsiloxanen und Gemischen davon.
Die 2 zeigt eine Ausführungsform des Verbundmaterials 150 mit Nanoteilchen, das als äußerste Schicht der Aufschmelzelemente 100A und 100B, die in den 1A und 1B gezeigt sind, verwendet werden kann. Die Nanoröhrchen 254 und die Nanofüllstoffe 256, die in der 2 gezeigt sind, haben eine bestimmte Größe und eine bestimmte Form. Die Nanoröhrchen 254 können jedoch eine beliebige andere Form und eine beliebige andere Größe (Länge, Breite oder Durchmesser) haben, und die Nanofüllstoffteilchen 256 können auch eine beliebige andere Form und eine beliebige andere Größe (Länge, Breite oder Durchmesser) haben.
Die Kohlenstoff-Nanoröhrchen 254 und die anorganischen Nanofüllstoffteilchen 256 sind, wie in der 2 gezeigt, in einer Polymer-Matrix 252 enthalten. In der Ausführungsform, die in der 2 gezeigt ist, sind die Kohlenstoff-Nanoröhrchen 254 statistisch miteinander verflochten und liegen in Form von Bündeln vor, die gleichmäßig in der Polymer-Matrix 252 dispergiert sind. Die Kohlenstoff-Nanoröhrchen 254 können gleichmäßig dispergiert sein und/oder räumlich voneinander getrennt sein; sie können zum Beispiel innerhalb der Polymer-Matrix 252 durch Anlegen eines magnetischen Feldes in einer bestimmten Richtung ausgerichtet oder orientiert werden. Die anorganischen Nanofüllstoffteilchen 256 können ebenfalls statistisch oder gleichmäßig in der Polymer-Matrix 252 dispergiert sein, oder sie können räumlich voneinander getrennt sein.
Entsprechend Ausführungsformen der Erfindung können die dispergierten Nanoröhrchen 254 in der Polymer-Matrix in einer Menge im Bereich von etwa 0,1 Gewichtsprozent bis etwa 25 Gewichtsprozent, in einer Menge im Bereich von etwa 1 Gewichtsprozent bis etwa 10 Gewichtsprozent oder in einer Menge im Bereich von etwa 2 Gewichtsprozent bis etwa 5 Gewichtsprozent enthalten sein, bezogen auf das Gewicht des Verbundmaterials 150 mit Nanoteilchen. Die anorganischen Nanofüllstoffteilchen 256 können in der Polymer-Matrix in einer Menge im Bereich von etwa 1 Gewichtsprozent bis etwa 80 Gewichtsprozent, in einer Menge im Bereich von etwa 2 Gewichtsprozent bis etwa 50 Gewichtsprozent oder in einer Menge im Bereich von etwa 5 Gewichtsprozent bis etwa 20 Gewichtsprozent enthalten sein, bezogen auf das Gewicht des Verbundmaterials 150 mit Nanoteilchen.
Die erfindungsgemäße Kombination von Kohlenstoff-Nanoröhrchen 254 und anorganischen Nanofüllstoffteilchen 256, die in der Polymer-Matrix 252 vorliegen, führt zu synergistischen Effekten; diese Kombination führt zu einem Verbundmaterial 150 mit Nanoteilchen, das sich durch verbesserte thermische Eigenschaften (beispielsweise durch eine verbesserte Wärmebeständigkeit oder/oder Wärmeleitfähigkeit), verbesserte mechanische Eigenschaften (beispielsweise durch eine verbesserte Zugfestigkeit, Zähigkeit, Verschleißbeständigkeit und/oder Bruchfestigkeit), verbesserte elektrische Eigenschaften (beispielsweise durch eine verbesserte elektrische Leitfähigkeit) und/oder verbesserte funktionelle Oberflächeneigenschaften auszeichnet.
Das Verbundmaterial 150 mit Nanoteilchen, das sowohl die Kohlenstoff-Nanoröhrchen 254 als auch die anorganischen Nanofüllstoffteilchen 256 enthält, kann eine Wärmeleitfähigkeit im Bereich von etwa 0,1 W/m·K bis etwa 6 W/m·K, im Bereich von etwa 0,2 W/m·K bis etwa 4 W/m·K oder im Bereich von etwa 0,4 W/m·K bis etwa 2 W/m·K; einen Oberflächenwiderstand im Bereich von etwa 0,1 × 10⁴ Ω/Flächenquadrat bis etwa 1 × 10⁸ Ω/Flächenquadrat, im Bereich von etwa 0,5 × 10⁴ Ω/Flächenquadrat bis etwa 1,5 × 10⁶ Ω/Flächenquadrat oder im Bereich von etwa 0,8 × 10⁴ Ω/Flächenquadrat bis etwa 1,5 × 10⁴ Ω/Flächenquadrat; und/oder eine Oberflächenenergie im Bereich von etwa 18 mN/m² bis etwa 25 mN/m², im Bereich von etwa 19 mN/m² bis etwa 24 mN/m² oder im Bereich von etwa 20 mN/m² bis etwa 21 mN/m² haben, wobei die freie Oberflächenenergie zum Beispiel unter Anwendung des Lewis Säure-Base-Verfahrens aus den Ergebnissen eines Verfahrens zum Messen des Kontaktwinkels unter Verwendung der Apparatur Fibro DAT1100 Instrument (Fibro Systems AB, Schweden) berechnet werden kann.
Das Verbundmaterial 150 mit Nanoteilchen, das die Kohlenstoff-Nanoröhrchen 254 und die anorganischen Nanofüllstoffteilchen 256 enthält, kann verbesserte mechanische Eigenschaften haben, wie zum Beispiel eine Zugfestigkeit im Bereich von etwa 600 psi bis etwa 5000 psi, im Bereich von etwa 800 psi bis etwa 3000 psi oder im Bereich von etwa 1000 psi bis etwa 2500 psi; eine Zähigkeit im Bereich von etwa 1000 in·lbf/in³ bis etwa 5000 in·lbf/in³, im Bereich von etwa 1500 in·lbf/in³ bis etwa 4000 in·lbf/in³ oder im Bereich von etwa 2200 in·lbf/in³ bis etwa 3500 in·lbf/in³; und/oder eine prozentuale Bruchdehnung im Bereich von etwa 100% bis etwa 600%, im Bereich von etwa 150% bis etwa 500% oder im Bereich von etwa 250% bis etwa 400%. Diese Materialeigenschaften können zum Beispiel unter Verwendung der Vorrichtung Universal Instron Testing Machine (Instron, Norwood, Massachusetts) ermittelt werden.
Die Erfindung betrifft ebenfalls Verfahren zum Herstellen der Aufschmelzelemente 100A und 100B. In diesen Verfahren wird eine Dispersion hergestellt, die das Polymer, die Kohlenstoff-Nanoröhrchen und die anorganischen Nanofüllstoffteilchen enthält, und die Dispersion wird verwendet, um das Verbundmaterial 150 mit Nanoteilchen herzustellen.
Genauer gesagt, die Dispersion kann zum Beispiel unter Anwendung eines sogenannten ”let-down-Prozesses” hergestellt werden, der das Vermischen der Bestandteile umfasst. Der Ausdruck ”Vermischen”, der hier verwendet wird, umfasst zum Beispiel das Vermischen bei einer hohen Scherkraft (Scherspannung) bei hohen Temperaturen. Die hohe Scherkraft kann zum Beispiel im Bereich von etwa 1500 mg Drehkraft (Drehmoment) (mg torque) bis etwa 2400 mg Drehkraft, im Bereich von etwa 1600 mg Drehkraft bis etwa 2200 mg Drehkraft oder im Bereich von etwa 1800 mg Drehkraft bis etwa 2000 mg Drehkraft liegen. Die hohen Temperaturen können Temperaturen im Bereich von etwa 120°C bis etwa 200°C, im Bereich von etwa 150°C bis etwa 180°C oder im Bereich von etwa 160°C bis etwa 170°C sein.
Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst das Herstellen einer ersten Zusammensetzung mit Nanoteilchen, welche die Kohlenstoff-Nanoröhrchen, die gleichmäßig in einem Fluorelastomer (wie zum Beispiel VITON) dispergiert sind, umfasst. Dann wird eine zweiten Zusammensetzung mit Nanoteilchen hergestellt, indem diese erste Zusammensetzung mit mindestens einem Bestandteil, ausgewählt aus dem Fluorelastomer, Kohlenstoff-Nanoröhrchen und/oder anorganischen Nanofüllstoffteilchen (beispielsweise SiC und/oder BN) vermischt wird. Unter Anwendung solch eines let-down-Prozesses können die Gehalte an Fluorpolymer, Kohlenstoff-Nanoröhrchen und/oder anorganischen Nanofüllstoffteilchen auf die gewünschten Gehalte eingestellt werden, so dass die Nanoteilchen gleichmäßig in der zweiten Zusammensetzung dispergiert sind.
Die Dispersion für die Herstellung des Verbundmaterials 150 mit Nanoteilchen kann dann hergestellt werden, indem die zweite Zusammensetzung in einem geeigneten Lösungsmittel zusammen mit mindestens einem Bestandteil, ausgewählt aus einem geeigneten Härtungsmittel, einem Metalloxid und einem oberflächenaktiven Mittel, dispergiert wird. Beispiele für geeignete Lösungsmittel umfassen Methylisobutylketon (MIK), Aceton, Methylethylketon (MEK) und Gemische davon. Es können jedoch auch andere geeignete Lösungsmittel verwendet werden.
Es können bekannte Verfahren angewandt werden, wie zum Beispiel ein Beschichtungsverfahren, ein Extrusionsverfahren und/oder ein Formverfahren, um das Verbundmaterial 150 mit Nanoteilchen auf dem Substrat 110, auf der elastischen Schicht 120 oder auf der Zwischenschicht 130, oder auf einer anderen funktionellen Schicht auf dem Substrat 110 (siehe die 1A und 1B) aufzubringen. Die Dispersion für die Herstellung des Verbundmaterials 150 mit Nanoteilchen kann zum Beispiel durch Eintauchbeschichten, durch Beschichten mit einem Pinsel, durch Beschichten mit einer Bürste, durch Beschichten mit einer Walze, durch Beschichten mit einem Gewebe, durch Sprühbeschichten, durch Schleuderbeschichten, durch Gießen und/oder durch Fließbeschichten aufgebracht werden. Zum Beschichten eines flachen Substrats, wie zum Beispiel eines Bandes oder einer Platte, kann ein sogenanntes ”gap-coating-Verfahren” angewandt werden, und zum Beschichten eines zylindrischen Substrats, wie zum Beispiel einer Trommel oder einer Walze, kann ein Fließbeschichtungsverfahren angewandt werden.
Nach dem Aufbringen der Dispersion auf dem Substrat wird der Überzug (die Beschichtung) zum Beispiel durch Verdampfen, Bestrahlen, Trocknen, Vernetzen und/oder Verdicken ausgehärtet. Die Art des Aushärtungsprozesses hängt von den verwendeten Polymeren und Härtungsmitteln ab. Entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Aushärten zum Herstellen des Verbundmaterials 150 mit Nanoteilchen einen Aushärtungsprozess mit mehreren Schritten. Eine aufgebrachte, extrudierte oder geformte Zusammensetzung aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen, anorganischen Nanofüllstoffteilchen und einem Polymer wird beispielsweise etwa 2 Stunden lang in einem Konvektionsofen auf etwa 49°C erwärmt; die Temperatur kann auf etwa 177°C erhöht werden und die Zusammensetzung wird bei dieser Temperatur etwa 2 Stunden lang weiter ausgehärtet; die Temperatur kann dann auf etwa 204°C erhöht werden und die Zusammensetzung wird bei dieser Temperatur etwa 2 Stunden lang weiter ausgehärtet; und schließlich kann die Ofentemperatur auf etwa 232°C erhöht werden und die Zusammensetzung wird bei dieser Temperatur etwa 6 Stunden lang werter ausgehärtet. Andere Aushärtungsprofile sind ebenfalls möglich. Der Fachmann kann bekannte Aushärtungsprofile anwenden.
Das erhaltene Verbundmaterial 150 mit Nanoteilchen der Aufschmelzelemente 100A und 100B kann eine Dicke im Bereich von etwa 5 μm bis etwa 100 μm, im Bereich von etwa 10 μm bis etwa 60 μm oder im Bereich von etwa 20 μm bis etwa 30 μm haben.
Entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das erfindungsgemäße Aufschmelzelement 100A oder 100B in einer Aufschmelzvorrichtung verwendet werden, um das Aufschmelzen eines Toners und somit die Qualität des erhaltenen Ausdruckes zu verbessern. Die 3 zeigt ein Beispiel für eine Aufschmelzvorrichtung 300, in der das Aufschmelzelement 100A oder 100B verwendet wird, das in der 1A oder 1B gezeigt ist.
Die Aufschmelzvorrichtung 300, die in der 3 gezeigt ist, umfasst die Aufschmelzwalze 100A oder 100B, die eine äußerste Schicht aus einem Verbundmaterial 150 mit Nanoteilchen umfasst, die auf einem geeigneten Substrat 110 aufgebracht ist. Das Substrat 110 kann zum Beispiel ein hohler Zylinder aus einem beliebigen geeigneten Material sein. Die Aufschmelzwalze 100A/B kann ein geeignetes Heizelement 306 umfassen, das im Hohlraum des Substrats 110, wie beispielsweise des Zylinders, angeordnet ist. Die Stütz- oder Druckwalze 308 bildet zusammen mit der Aufschmelzwalze 100A/B einen Zwischenraum mit einer Schmelzzone 310, durch die ein Druckmedium 312, wie zum Beispiel ein Kopierpapier oder ein anderes Kopiersubstrat, hindurchtransportiert wird, so dass das Tonerbild 314 auf dem Druckmedium 312 während des Schmelzprozesses mit dem Verbundmaterial 150 mit Nanoteilchen in Kontakt kommt. Die Stützwalze 308 kann während des Schmelzprozesses gegen die Aufschmelzwalze gedrückt werden und so als Druckwalze dienen. Nachdem das Druckmedium 312 durch die Schmelzzone 310 geleitet wurde, ist das Tonerbild 316 auf dem Druckmedium 312 aufgeschmolzen.
Entsprechend Ausführungsformen der Erfindung hat das Aufschmelzelement 100 eine verbesserte thermische Leitfähigkeit, eine verringerte Oberflächenenergie und eine verbesserte Verschleißbeständigkeit, wenn es ständig mit Tonerchemikalien in Kontakt kommt und der Toner bei hohen Temperaturen aufgeschmolzen wird. Das Verbundmaterial 150 mit Nanoteilchen, das ein Bestandteil des Aufschmelzelementes 100 ist und das die Kohlenstoff-Nanoröhrchen 254 und die anorganischen Nanofüllstoffteilchen 256 enthält, hat eine hohe Wärmebeständigkeit.
Der Ausdruck ”Wärmebeständigkeit”, der hier verwendet wird, bezieht sich auf die Stabilität eines Materials, das über einen bestimmten Zeitraum hinweg einer bestimmten Temperatur ausgesetzt wird. Der Ausdruck ”hohe Wärmebeständigkeit” oder ”thermisch beständig” bedeutet, dass sich die Materialeigenschaften (wie zum Beispiel die thermische Leitfähigkeit, der Oberflächenwiderstand, die Oberflächenenergie und/oder die mechanischen Eigenschaften) nicht oder nur unwesentlich ändern, wenn das Material über einen bestimmten Zeitraum hinweg (beispielsweise mindestens etwa 30 Minuten lang) einer hohen Temperatur ausgesetzt wird. Der Ausdruck ”hohe Temperatur” bedeutet eine Temperatur von etwa 160°C oder darüber. Wenn das erfindungsgemäße Verbundmaterial mit Nanoteilchen verwendet wird, werden die gewünschten Fixierergebnisse und die gewünschte Druckqualität erhalten, wenn der Toner zum Beispiel bei einer Temperatur im Bereich von etwa 150°C bis etwa 200°C, im Bereich von etwa 155°C bis etwa 190°C oder im Bereich von etwa 160°C bis etwa 180°C aufgeschmolzen wird.
Beispiele
Beispiel 1 – Herstellung eines Verbundmaterials mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen, Nanofüllstoffteilchen und VITON
Etwa 12,5 Gramm Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Masterbatch (enthaltend 12 Gewichtsprozent Kohlenstoff-Nanoröhrchen mit mehreren Wänden in VITON GF), etwa 2,5 Gramm BN (etwa 70 nm Durchmesser beziehungsweise Breite) und etwa 35 Gramm VITON GF (erhältlich von E. I. du Pont de Nemours, Inc.) wurden auf etwa 170°C erwärmt und unter Verwendung eines Innenmischers, wie zum Beispiel der Vorrichtung HAAKE Rheomix, bei einer Rotorgeschwindigkeit von etwa 20 Umdrehungen pro Minute (U/Min.) etwa 20 Minuten lang vermischt, wobei etwa 50 Gramm eines polymeren Verbundmaterials, enthaltend etwa 5 Gewichtsprozent BN und etwa 3 Gewichtsprozent Kohlenstoff-Nanoröhrchen, erhalten wurden. Unter Anwendung dieses let-down-Prozesses wurden Extrudate mit unterschiedlichen Gehalten an BN und/oder SiC hergestellt.
Beispiel 2 – Herstellung einer Beschichtung mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen, BN und VITON
Eine Beschichtungsdispersion mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen, BN und VITON wurde hergestellt, indem das Verbundmaterial mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen, BN und VITON, das in Beispiel 1 erhalten worden war, mit Metalloxiden (Magnesiumoxid und/oder Calciumhydroxid) und dem Bisphenol-Härtungsmittel VC-50 (VITON^®Curative No. 50, erhältlich von E. I. du Pont de Nemours, Inc.) in Methylisobutylketon (MIBK) vermischt wurde. Die erhaltene Beschichtungsdispersion wurde dann zum Beispiel unter Anwendung eines Fließbeschichtungsprozesses oder eines Formungsprozesses auf einem geeigneten Aufschmelzwalzensubstrat aufgebracht. Der Großteil des Lösungsmittels wurde verdampft, und dann wurde der Überzug zum Beispiel unter Anwendung des folgenden Profils ausgehärtet: etwa 2 Stunden lang bei etwa 149°C; dann etwa 2 Stunden lang bei etwa 177°C; dann etwa 2 Stunden lang bei etwa 204°C, und nachfolgend etwa 6 Stunden lang bei etwa 232°C (Nachhärtung).
Die erhaltenen Überzugsschichten aus dem Verbundmaterial von Kohlenstoff-Nanoröhrchen, BN und VITON hatten eine hohe Zugfestigkeit und Zähigkeit, verglichen mit der Zugfestigkeit und Zähigkeit von VITON ohne Kohlenstoff-Nanoröhrchen oder BN. Die Zugfestigkeit stieg an, wenn die Menge an Füllstoff erhöht wurde. Die Ergebnisse sind in der Tabelle 1 zusammengefasst. Die in der Tabelle 1 angegebene Zähigkeit wurde über eine integrale mittlere Spannung/Verformung am Bruchpunkt ermittelt, das heißt die Fläche unter der Spannung-Verformung-Kurve kann für die Ermittlung der Zähigkeit herangezogen werden; dieses Verfahren ist dem Fachmann bekannt.
Beispiel 3 – Herstellung einer Beschichtung mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen, SiC und VITON

Eine Beschichtungsdispersion mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen, SiC und VITON wurde hergestellt, indem das Verbundmaterial mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen, SiC und VITON, das in Beispiel 1 erhalten worden war, mit Metalloxiden (Magnesiumoxid und/oder Calciumhydroxid) und dem Bisphenol-Härtungsmittel VC-50 (VITON^®Curative No. 50, erhältlich von E. I. du Pont de Nemours, Inc.) in Methylisobutylketon (MIBK) vermischt wurde. Die Beschichtungen wurden unter Anwendung der gleichen Beschichtungs- und Aushärtungsprozesse hergestellt, die in Beispiel 2 beschrieben wurden. Die erhaltenen Überzugsschichten aus dem Verbundmaterial von Kohlenstoff-Nanoröhrchen, SiC und VITON hatten eine hohe Zugfestigkeit und Zähigkeit, verglichen mit der Zugfestigkeit und Zähigkeit von VITON ohne Kohlenstoff-Nanoröhrchen und/oder SiC. Die Zugfestigkeit stieg an, wenn die Menge an Füllstoff erhöht wurde, wie in der Tabelle 1 gezeigt. Tabelle 1

Kohlenstoff-Nanoröhrchen/anorganische Nanofüllstoffteilchen		Füllstoffgehalt	Zugspannung bei max. Belastung (psi)	Zugverformung bei max. Belastung (%)	Modul (psi)	Zähigkeit
VITON-Referenzbeispiel		0	599	178	463	580
Kohlenstoff-Nanoröhrchen (3%)	BN (70 nm)	5	1296	333	579	2203
	BN (70 nm)	20	1614	341	996	3145
	BN (500 nm)	5	1397	390	459	2656
	BN (500 nm)	20	1646	373	975	3448
	SiC (< 100 nm)	5	1382	333	517	2245
	SiC (< 100 nm)	20	2143	286	1152	3291

Claims

Aufschmelzelement, umfassend ein Verbundmaterial mit Nanoteilchen, das auf einem Substrat aufgebracht ist, wobei das Verbundmaterial mit Nanoteilchen eine Vielzahl von Kohlenstoff-Nanoröhrchen und eine Vielzahl von anorganischen Nanofüllstoffteilchen in einer Fluorelastomer-Matrix umfasst, wobei die anorganischen Nanofüllstoffteilchen in einer Menge im Bereich von etwa 2 Gewichtsprozent bis etwa 50 Gewichtsprozent enthalten sind, bezogen auf das Gesamtgewicht des Verbundmaterials mit Nanoteilchen, so dass das Verbundmaterial mit Nanoteilchen eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 0,2 W/m·K bis etwa 4 W/m·K hat.
Aufschmelzelement nach Anspruch 1, wobei die anorganischen Nanofüllstoffteilchen ausgewählt sind aus der Gruppe, bestehend aus Teilchen von Siliciumcarbiden, Bornitriden, Borcarbiden, Aluminiumnitriden, Titannitriden, Titancarbiden, Zirkoniumcarbiden, Aluminiumoxid und Kombinationen davon.
Aufschmelzelement nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Fluorelastomer-Matrix mindestens ein Fluorelastomer umfasst, das eine vernetzende Monomereinheit und eine sich wiederholende Monomereinheit umfasst, wobei die sich wiederholende Monomereinheit ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Vinylidenfluorid, Hexafluorpropylen, Tetrafluorethylen, Perfluor(methylvinylether), Perfluor(propylvinylether), Perfluor(ethylvinylether) und Kombinationen davon.
Aufschmelzelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Fluorelastomer-Matrix ein Fluorelastomer mit Vinylidenfluoridgruppen umfasst, das mit einem Härtungsmittel vernetzt wurde, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus einer Bisphenolverbindung, einer Diaminoverbindung, einer Aminophenolverbindung, einer Aminosiloxanverbindung, einer Aminosilanverbindung, einer Phenolsilanverbindung und Kombinationen davon.
Aufschmelzelement, umfassend eine äußerste Schicht, die auf einem Substrat aufgebracht ist, wobei die äußerste Schicht eine Vielzahl von Kohlenstoff-Nanoröhrchen und eine Vielzahl von anorganischen Nanofüllstoffteilchen in einer Fluorelastomer-Matrix umfasst, wobei die Kohlenstoff-Nanoröhrchen in einer Menge im Bereich von etwa 0,1 Prozent bis etwa 25 Prozent enthalten sind und wobei die anorganischen Nanofüllstoffteilchen in einer Menge im Bereich von etwa 1 Gewichtsprozent bis etwa 80 Gewichtsprozent enthalten sind, bezogen auf das Gesamtgewicht der äußersten Schicht.
Aufschmelzelement nach Anspruch 5, wobei die äußerste Schicht eine Dicke im Bereich von etwa 5 μm bis etwa 100 μm hat.
Aufschmelzelement nach Anspruch 5 oder 6, wobei die äußerste Schicht mindestens eine der folgenden Eigenschaften hat: eine Wärmeleitfähigkeit im Bereich von etwa 0,1 W/m·K bis etwa 6 W/m·K; eine Oberflächenenergie im Bereich von etwa 18 mN/m² bis etwa 25 mN/m²; eine Zugfestigkeit im Bereich von etwa 600 psi bis etwa 5000 psi; eine Zähigkeit im Bereich von etwa 1000 in·lbf/in³ bis etwa 5000 in·lbf/in³; und eine prozentuale Bruchdehnung im Bereich von etwa 100% bis etwa 600%.
Verfahren zum Herstellen eines Aufschmelzelementes, umfassend die folgenden Schritte: das Herstellen einer ersten Zusammensetzung mit Nanoteilchen, die eine Vielzahl von Kohlenstoff-Nanoröhrchen, die gleichmäßig in einem Fluorelastomer dispergiert sind, umfasst; das Herstellen einer zweiten Zusammensetzung mit Nanoteilchen, umfassend das Vermischen der ersten Zusammensetzung mit mindestens einem Bestandteil, ausgewählt aus dem Fluorelastomer, Kohlenstoff-Nanoröhrchen und anorganischen Nanofüllstoffteilchen, so dass die Kohlenstoff-Nanoröhrchen und die anorganischen Nanofüllstoffteilchen gleichmäßig in dem Fluorelastomer dispergiert sind und in der gewünschten Konzentration vorliegen; das Herstellen einer Dispersion, umfassend das Auflösen der zweiten Zusammensetzung in einem geeigneten Lösungsmittel zusammen mit mindestens einem Bestandteil, ausgewählt aus einem geeigneten Härtungsmittel, einem Metalloxid und einem oberflächenaktiven Mittel; das Aufbringen der Dispersion auf einer Oberfläche; und das Aushärten der aufgebrachten Dispersion, um eine Überzugsschicht auf der Oberfläche herzustellen, so dass die Überzugsschicht etwa 0,1 Gewichtsprozent bis etwa 25 Gewichtsprozent der Kohlenstoff-Nanoröhrchen und etwa 1 Gewichtsprozent bis etwa 80 Gewichtsprozent der anorganischen Nanofüllstoffteilchen enthält, bezogen auf das Gesamtgewicht der Überzugsschicht.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Vermischen bei einer Scherspannung im Bereich von etwa 1500 mg Drehmoment (mg torque) bis etwa 2400 mg Drehmoment bei einer Temperatur im Bereich von etwa 120°C bis etwa 200°C durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Überzugsschicht mindestens eine der folgenden Eigenschaften hat: eine Wärmeleitfähigkeit im Bereich von etwa 0,1 W/m·K bis etwa 6 W/m·K; eine Zähigkeit im Bereich von etwa 1000 in·lbf/in³ bis etwa 5000 in·lbf/in³; und eine Oberflächenenergie im Bereich von etwa 18 mN/m² bis etwa 25 mN/m², und wobei diese Eigenschaften im Wesentlichen unverändert bleiben, wenn die Überzugsschicht etwa 30 Minuten lang auf eine Temperatur von etwa 160°C oder darüber erwärmt wird.