DE102012208453B4

DE102012208453B4 - Ladeelement zur elektrostatischen Aufladung und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102012208453B4
Application number: DE102012208453.3A
Authority: DE
Inventors: Brian P. Gilmartin; Liang-Bih Lin; Jeanne M. Koval; Jin Wu; Aaron M. Stuckey
Original assignee: Xerox Corp
Current assignee: Xerox Corp
Priority date: 2011-05-27
Filing date: 2012-05-21
Publication date: 2019-06-27
Anticipated expiration: 2032-05-22
Also published as: JP6126793B2; JP2012247775A; US10585371B2; US20120301818A1; DE102012208453A1

Abstract

Ein Ladeelement zur elektrostatischen Aufladung, umfassend:ein leitfähiges Substrat;eine über dem leitfähigen Substrat angeordnete Basisschicht, wobei die Basisschicht ein elastomeres Material und ein Halbleitermaterial umfasst, undeine über der Basisschicht angeordnete äußere Schutzschicht, wobei die äußere Schutzschicht ein Polymerharz und eine Mehrzahl an leitfähigen Teilchen umfasst; wobei das Polymerharz ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Polyestern, Phenolharzen und Aminoplastharzen, und wobei die äußere Schutzschicht einen spezifischen Oberflächenwiderstand im Bereich von etwa 10Ω/sq bis etwa 10Ω/sq aufweist.

Description

Die Offenbarung betrifft allgemein Ladeelemente zur elektrostatischen Aufladung mit schützenden Deckschichten, und Verfahren zu deren Herstellung.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
In einer elektrophotographischen Druckvorrichtung umfasst ein herkömmlicher Aufladungsschritt das Anlegen einer Hochspannung an einem Metalldraht, wodurch eine Korona erzeugt wird, die anschließend zur Aufladung eines elektrophotographischen lichtempfindlichen Elements verwendet wird. Allerdings werden zusammen mit der Korona auch unerwünschte Koronaentladungs-Produkte, wie Ozon und NO_x, erzeugt. Solche Korona-Entladungsprodukte können sich negativ auf die Oberfläche des lichtempfindlichen Elements auswirken, was zu einer Verschlechterung der Bildqualität führen kann (wie z. B. Bildunschärfe oder Verblassen oder das Vorhandensein von schwarzen Streifen über Kopierblättern) und bei einer Freisetzung in relativ großen Mengen für Menschen schädlich sein kann (z. B. Ozon).
Eine Alternative zur Coronaaufladung stellt die Direktaufladung dar, worin eine Kontakttyp-Aufladungsvorrichtung verwendet wird. Die Kontakttyp-Aufladungsvorrichtung kann ein Ladeelement zur elektrostatischen Aufladung wie etwa ein Ladeelement mit Vorspannung umfassen, das mit Spannung versorgt wird und das photoempfindliche Element auflädt, sobald es mit dem photoempfindlichen Element in Kontakt steht. Ladeelemente mit Vorspannung müssen als solche eine äußere Schicht mit einem Oberflächenwiderstand innerhalb eines gewünschten Bereichs aufweisen. Materialien mit unzureichendem (zu geringem) Widerstand verursachen Kurzschlüsse und/oder unannehmbar hohe Stromflüsse zum lichtempfindlichen Element. Materialien mit übermäßigem (zu hohem) Widerstand erfordern unverhältnismäßig hohe Spannung für die Aufladung. Ist der spezifische Widerstand außerhalb des gewünschten Bereichs, können weitere Probleme entstehen, einschließlich der Nichtkonformität am Kontaktspalt, schlechte Löseeigenschaften des Toners, und die Erzeugung von Verunreinigungen während dem Ladevorgang durch deren Auslösung aus dem lichtempfindlichen Element. Diese nachteiligen Effekte können dazu führen, dass das Ladeelement zur elektrostatischen Aufladung entlang der Länge des Kontaktelements einen uneinheitlichen Widerstand aufweist oder einen Widerstand, der anfällig ist gegenüber Schwankungen der Temperatur, der relativen Luftfeuchtigkeit, Betriebszeit und/oder Verunreinigungen.
Durch den direkten Kontakt mit dem lichtempfindlichen Element unterliegt eine Kontakttyp-Ladevorrichtung auch erhöhter Beanspruchung und mechanischen Verschleiß, was typischerweise zu Oberflächenfehlern - z. B. Kratzern, Schlieren, Abrieb und lochförmigen Deformationen - auf dem Ladeelement zur elektrostatischen Aufladung führen kann. Defekte auf dem Ladeelement zur elektrostatischen Aufladung können zu ungünstigen Druckfehlern im Endprodukt führen, wie etwa dunklen Streifen und weiße/dunkle Flecken. Diese Defekte verringern die Lebensdauer des Ladeelements zur elektrostatischen Aufladung und reduzieren letztlich die Lebensdauer der elektrophotografischen Druckvorrichtung.
US 6,620,476 B2 betrifft ein Ladeelement, umfassend eine äußere Schicht, aufgebracht auf einer unteren Schicht, welche wiederum auf einem Substrat aufgebracht ist. Die äußere Schicht umfasst ein Polymermaterial, ausgewählt aus der Gruppe aus Polyamiden, Polyimiden und fluorierten Epichlorhydridharzen, sowie Zinkoxidfüllstoffe, welche darin dispergiert sind.
US 2011/0123219 A1 offenbart ein Ladeelement, umfassend einen leitfähigen Kern, und eine äußere Oberflächenschicht auf dem leitfähigen Kern, wobei die äußere Oberflächenschicht Kohlenstoffschwarz und einen AcrylnitrilButadien-Styrolkautschuk umfasst.
Somit besteht ein Bedarf, diese und andere Probleme des Standes der Technik zu überwinden und elektrophotographische Ladeelemente mit wünschenswerten Oberflächenwiderstand und verbesserter mechanischer Festigkeit bereitzustellen sowie die Nutzbarkeit des Ladeelements durch eine Verlängerung seiner Lebensdauer zu verbessern.
Die vorliegende Erfindung betrifftein Ladeelement zur elektrostatischen Aufladung, welches ein leitfähiges Substrat; eine über dem leitfähigen Substrat angeordnete Basisschicht und eine über der Basisschicht angeordnete äußere Schutzschicht umfasst, wobei die Basisschicht ein elastomeres Material und ein Halbleitermaterial umfasst, wobei die äußere Schutzschicht ein Polymerharz und eine Mehrzahl an leitfähigen Teilchen umfasst; wobei das Polymerharz ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Polyestern, Phenolharzen und Aminoplastharzen; und wobei die äußere Schutzschicht einen spezifischen Oberflächenwiderstand im Bereich von etwa 10⁵ Ω/sq bis etwa 10¹³ Ω/sq aufweist.
Die vorliegende Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Herstellung des oben genannten Ladeelements zur elektrostatischen Aufladung, wobei das Verfahren das Bereitstellen eines leitfähigen Substrats; das Bilden einer Basisschicht auf dem leitfähigen Substrat; und das Bilden einer äußeren Schutzschicht auf der Basisschicht umfasst, wobei die äußere Schutzschicht ein Polymerharz und eine Mehrzahl von leitfähigen Teilchen umfasst, wobei das Polymerharz ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Polyestern, Phenolharzen und Aminoplastharzen; und wobei die äußere Schutzschicht einen spezifischen Oberflächenwiderstand im Bereich von etwa 10⁵ Ω/sq bis etwa 10¹³ Ω/sq aufweist.
ist eine schematische Darstellung einer beispielhaften Druckvorrichtung gemäß den verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Lehre.
zeigt schematisch einen Querschnitt einer beispielhaften Ladestation, gemäß verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Lehre.
zeigt die Druckausgabe eines gescannten Bildes aus einem Ladeelement zur elektrostatischen Aufladung ohne Verwendung der vorliegend offenbarten Ausführungsformen.
zeigt schematisch eine beispielhafte Druckvorrichtung 100. Die beispielhafte Druckvorrichtung 100 kann ein xerographischer Drucker sein und einen elektrophotographischen Photorezeptor 172 sowie eine Ladestation 174 zum gleichmäßigen Aufladen des elektrophotographischen Photorezeptors 172 beinhalten. Die Ladestation 174 kann ein Ladeelement zur elektrostatischen Aufladung umfassen, das eine Rollen- bzw. Zylinderform (wie in gezeigt) oder eine Band- oder Blattform (nicht gezeigt) aufweist. Der elektrophotographische Photorezeptor 172 kann ein trommelförmiger Photorezeptor (wie in gezeigt) oder ein riemenartiger Photorezeptor (nicht gezeigt) sein. Die beispielhafte Druckvorrichtung 100 kann ferner eine Imagingstation 176 umfassen, wo ein Originaldokument (nicht gezeigt) zur Erzeugung eines latenten Bildes auf dem elektrophotographischen Photorezeptor 172 einer Lichtquelle (auch nicht gezeigt) ausgesetzt wird. Die beispielhafte Druckvorrichtung 100 kann ferner ein Entwicklungs-Teilsystem 178 zur Umwandlung des latenten Bildes in ein sichtbares Bild auf dem elektrophotographischen Photorezeptor 172 sowie ein Transfer-Teilsystem 179 zur Übertragung des sichtbaren Bildes auf ein Medium 120 umfassen. Die Druckvorrichtung 100 kann auch ein Fixier-Teilsystem 101 zum Fixieren des sichtbaren Bildes auf das Medium 120 umfassen. Die Fixier-Teilsystem 101 kann eine oder mehrere Fixiereinheit(en) 110, Druckelement(e) 112, Schmier-Teileinheit(en) (nicht gezeigt), und ein oder mehrere Reinigungsgewebe (nicht gezeigt) umfassen.
zeigt schematisch den Querschnitt einer beispielhaften Ladestation 200 in Übereinstimmung mit verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Lehre. Die Ladestation 200 kann ein beispielhaftes Ladeelement zur elektrostatischen Aufladung 210 sein, das an eine Hochspannungs-Stromversorgung 260 gekoppelt ist. Die Vorspannungs-Laderolle 210 kann in Kontakt mit dem Photorezeptor 172 stehen, um den Photorezeptor 172 gleichmäßig zu laden.
Das Ladeelement zur elektrostatischen Aufladung 210 kann jede geeignete Form aufweisen, einschließlich, jedoch nicht beschränkt auf Rollen-, Walzen-, Bandformen und dergleichen. In einer Ausführungsform kann das elektrostatische Ladeelement 210 eine Walze, wie eine Vorspannungs-Laderolle sein. Das Ladeelement zur elektrostatischen Aufladung 210 kann ein leitfähiges (Kern-)Substrat 220 sein. Das leitfähige Substrat 220 kann einen Durchmesser von zum Beispiel etwa 1 mm bis etwa 50 mm aufweisen, obwohl nach Wunsch auch größere oder kleinere Durchmesser verwendet werden können. Das leitfähige Substrat 220 kann aus jedem geeigneten beständigen Material gefertigt werden, wie beispielsweise Metall (z. B. Aluminium, Stahl und dergleichen) oder einem leitfähigen Polymer oder einem isolierenden Polymer mit einer Oberflächenbeschichtung aus Metall, wie Kupfer, Nickel und dergleichen.
Das Ladeelement zur elektrostatischen Aufladung 210 kann eine über dem leitfähigen Kern 220 angeordnete äußere Schutzschicht 240 aufweisen. Optional kann eine Basisschicht 230 zwischen dem leitfähigen Kern 220 und der äußeren Schutzschicht 240 angeordnet sein, wie in gezeigt. Obwohl die Basisschicht 230 als eine Schicht dargestellt ist, ist es möglich, diese wegzulassen oder mehrere Basisschichten zu verwenden. Wenn eine Basisschicht 230 enthalten ist, kann diese ein beliebiges elastomeres Material und ein Halbleitermaterial enthalten, wie im Folgenden diskutiert. In nicht einschränkenden Ausführungsbeispielen kann das elastomere Material Isoprene, Chloroprene, Epichlorhydrine, Butyl-Elastomere, Polyurethane, Silikon-Elastomere, Fluor-Elastomere, Styrol-Butadien-Elastomere, Butadien-Elastomere, Nitril-Elastomere, Ethylen-Propylen-Elastomere, Epichlorhydrin-Ethylenoxid-Copolymere, Epichlorhydrin-Ethylenoxid-Allylglycidylether-Copolymere, Ethylen-Propylen-Dien(EPDM)-Elastomere, AcrylnitrilButadien-Copolymere (NBR), Naturkautschuke und dergleichen, und Kombinationen davon umfassen. In einer Ausführungsform kann das elastomere Material Polyurethan, Silikon, EPDM, NBR, Epichlorhydrin-Ethylenoxid-Copolymeren, Epichlorhydrin-Ethylenoxid-Allylglycidylether-Copolymere und dergleichen, sowie eine Kombination davon sein.
Zusammen mit dem elastomeren Material kann jedes halbleitende Material enthalten sein. In Ausführungsformen umfasst das Halbleitermaterial, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, Ruß, pyrolytischen Kohlenstoff, Graphit, Metalloxide, dotierte Metalloxide, Metall-Legierungen, leitfähige Polymere, Chlorate oder Perchlorate von Tetraethylammonium und/oder Lauryltrimethylammonium, Salze von Alkalimetallen oder Erdalkalimetallen, und dergleichen, sowie Kombinationen davon.
Die Basisschicht 230 kann gemäß jedem geeigneten, aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren gebildet werden. Zum Beispiel kann ein allgemeines Mischverfahren angewandt werden, in dem alle Inhaltsstoffe zuvor in einem Trockner, einem V-Mischer, oder dergleichen, gemischt werden und die resultierende Mischung unter Verwendung eines Extruders homogen schmelzvermischt wird. Die extrudierte Schmelzmischung kann unter Anwendung beliebiger bekannter Verfahren auf den leitfähigen Kern 220 aufgebracht werden. Wahlweise kann die Basisschicht 230 mit einem Klebstoff and den leitfähigen Kern 220 befestigt werden.
Die Menge an elastomerem Material in der Basisschicht 230 kann von etwa 70 bis etwa 99 Gew.-% betragen, wie von etwa 75 bis etwa 90 Gew.-% oder von etwa 80 bis etwa 85 Gew.-% bezogen auf das Gesamtgewicht der Basisschicht. Die Menge des halbleitenden Materials in der Basisschicht 230 kann von etwa 1 bis etwa 30 Gew.-% betragen, wie von etwa 10 bis etwa 25 Gew.-% oder von etwa 15 bis etwa 20 Gew.-% bezogen auf das Gesamtgewicht der Basisschicht. Die Basisschicht 230 kann eine Dicke von etwa 10 mm bis etwa 20 cm aufweisen, beispielsweise von etwa 50 mm bis etwa 3 cm.
Eine äußere Schutzschicht 240 kann über den leitfähigen Kern 220 oder über die Basisschicht 230 angeordnet werden. Die äußere Schutzschicht 240 umfasst ein polymeres Harz und ein leitfähiges Teilchen, wobei das Harz ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Polyestern, Phenolharzen und Aminoplastharzen.
Verschiedene Polyester können hierin in geeigneter Weise als thermoplastisches Harz verwendet werden. In Ausführungsformen umfassen geeignete thermoplastische Polyester Polycaprolactone. In einer bevorzugten Ausführungsform können die thermoplastischen Polycaprolactone ein durchschnittliches Molekulargewicht im Bereich von etwa 10.000 bis etwa 80.000, wie von etwa 20.000 bis etwa 50.000 oder von etwa 25.000 bis etwa 45.000 aufweisen. Kommerziell erhältliche Beispiele für thermoplastische Polycaprolactone umfassen Capa 6250 und Capa 6100 (Perstorp AB von Perstorp, Schweden; erhältlich von Perstorp USA, Toledo, Ohio).
Verschiedene Phenolharze können hierbei als duroplastische Harze eingesetzt werden. Der Begriff „Phenolharze“, wie hierin verwendet, bezieht sich auf Kondensationprodukte eines Aldehyds mit einer Phenol-Quelle in Gegenwart eines sauren oder basischen Katalysators.
Die Phenol-Quelle besteht beispielsweise aus Phenol, Alkylsubstituierten Phenolen, wie Kresolen und Xylenolen, Halogen-substituierten Phenolen, wie Chlorphenol; mehrwertigen Phenolen, wie Resorzin oder Brenzkatechin; mehrkernigen Phenolen, wie z. B. Naphthol und Bisphenol A, Arylphenolen, cyclo-Alkyl-substituierte Phenolen, Aryloxy-substituierten Phenolen und dergleichen, sowie Kombinationen davon. In verschiedenen Ausführungsformen besteht die Phenol-Quelle aus Phenol, 2,6-Xylenol, o-Kresol, p-Kresol, 3,5-Xylenol, 3,4-Xylenol, 2,3,4-Trimethylphenol, 3-Ethylphenol, 3,5-Diethylphenol, p-Butylphenol, 3,5-Dibutylphenol, p-Amylphenol, p-Cyclohexylphenol, p-Octylphenol, 3,5-Dicyclohexylphenol, p-Phenylphenol, p-Crotylphenol, 3,5-Dimethoxyphenol, 3,4,5-Trimethoxyphenol, p-Ethoxyphenol, p-Butoxyphenol, 3-Methyl-4-methoxyphenol, p-Phenoxyphenol, einem multizyklischen Phenol, wie z. B. Bisphenol A, und Kombinationen davon.
Der Aldehyd zur Verwendung bei der Herstellung des phenolischen Harzes kann zum Beispiel Formaldehyd, Paraformaldehyd, Acetaldehyd, Butyraldehyd, Paraldehyd, Glyoxal, Furfuraldehyd, Propionaldehyd, Benzaldehyd, und Kombinationen davon sein. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Aldehyd Formaldehyd.
Nicht einschränkende Beispiele für phenolische Harze umfassen Phenolharze vom Dicyclopentadien-Typ, vom Phenol-Novolak-Harze, Cresol-Novolak-Harze, Phenol-Aralkyl-Harzen und Kombinationen davon. Andere nicht einschränkende Beispiele für phenolische Harze umfassen alkohollösliche Resol-Phenol-Harze, wie z. B. PHENOLOTE J-325 (DIC Corp, Tokio, Japan); Formaldehyd-Polymere mit Phenol, p-tert-Butylphenol und Cresol, wie z. B. VARCUM 29.159 und 29.101 (OxyChem Co.) und DURITE 97 (Borden Chemical) oder Formaldehyd-Polymere mit Ammoniak, Cresol und Phenol, wie z. B. VARCUM 29.112 (OxyChem Co.) oder Formaldehyd-Polymere mit 4,4'-(1-Methylethyliden)bisphenol, wie z. B. VARCUM 29.108 und 29.116 (OxyChem Co.) oder Formaldehyd-Polymere mit Cresol und Phenol, wie z. B. VARCUM 29.457 (OxyChem Co.), DURITE SD-423A, 422A-SD (Borden Chemical) oder Formaldehyd-Polymere mit Phenol und p-tert-Butylphenol, wie z. B. DURITE ESD 556c (Border Chemical).
In einigen Ausführungsformen können die Phenolharze unverändert verwendet werden oder sie können modifiziert werden. Zum Beispiel können die Phenolharze mit geeigneten Weichmachern modifiziert werden. Derartige Weichmacher umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf Polyamide, duroplastische Acrylharze, Polyvinylformal, Alkyde, Epoxidharze, Phenoxyharze (Bisphenol A, Epichlorhydrin-Polymere, und dergleichen), Polyamide, Polyacrylate, Öle und dergleichen, sowie Kombinationen davon. Verschiedene Modifizierungsmittel sind unter zahlreichen Handelsnamen bekannt und umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf: DESMOPHEN, DESMODUR, BUTVAR, ELVAMIDE, DORESCO, SILCLEAN, und PARALOID.
Der Begriff „Aminoplastharz“, wie hierin verwendet, bezieht sich auf Aminoplastharze aus einer Stickstoff-haltigen Substanz und Formaldehyd, wobei die Stickstoff-enthaltende Substanz Melamin, Harnstoff, Benzoguanamin und Glycoluril umfasst. Die Aminoplastharze können stark oder teilweise alkyliert werden. In einigen Ausführungsformen können die Aminoplastharze unverändert verwendet werden oder sie können modifiziert werden. Zum Beispiel können die Aminoplastharze mit geeigneten Weichmachern modifiziert werden, einschließlich, jedoch nicht beschränkt auf: Polyvinylbutyral, Polyamide, duroplastische Acrylharze, Polyvinylformal, Alkyde, Epoxidharze, Phenoxyharze (Bisphenol A, Epichlorhydrin-Polymere, und dergleichen), Polyamide, Polyacrylate, Öle und dergleichen, sowie Kombinationen davon. Verschiedene Modifizierungsmittel sind unter zahlreichen Handelsnamen bekannt und umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf: DESMOPHEN, DESMODUR, BUTVAR, ELVAMIDE, DORESCO, SILCLEAN, und PARALOID.
Wird Melamin verwendet, so ist das resultierende Harz auch als „Melaminharz“ bekannt. Melaminharze sind unter verschiedenen Handelsnamen bekannt, einschließlich, jedoch nicht beschränkt auf: CYMEL, BEETLE, DYNOMIN, BECKAMINE, UFR, BAKELITE, ISOMIN, MELAICAR, MELBRITE, MELMEX, MELOPAS, RESART und ULTRAPAS.
In einigen Ausführungsformen weist das Melaminharz folgende allgemeine Formel auf:
wobei R₁, R₂, R₃, R₄, R₅ und R₆ jeweils unabhängig voneinander ein Wasserstoffatom oder eine Alkylkette mit 1 bis 8 Kohlenstoffatomen, vorzugsweise mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen darstellen.
Das Melaminharz kann wasserlöslich, dispergierbar oder nicht dispergierbar sein. In einigen Ausführungsformen kann das Melaminharz hoch alkyliert/alkoxyliert, teilweise alkyliert/alkoxyliert oder gemischt alkyliert/alkoxyliert sein. In verschiedenen Ausführungsforen kann das Melaminharz methyliert, n-butyliert oder isobutyliert sein. In weiteren Ausführungsformen kann das Melaminharz einen geringen Methylolgehalt und einen hohen Iminogehalt aufweisen. In einigen Ausführungsformen kann dass Melaminharz als Oligomer mit Methoxymethyl- und Iminogruppen beschrieben werden. Nicht einschränkende Beispiele des Melaminharzes können methylierte Melaminharze mit hohem Iminogehalt (teilweise methyloliert und hoch alkyliert), wie z. B. CYMEL 323, 325, 327, 328, 385, hoch methylierte Melaminharze, wie z. B. CYMEL 350, 9370; teilweise methylierte Melaminharze (hochmethyloliert und teilweise methyliert), wie CYMEL 373, 370; Melaminharze mit hohem Feststoffgehalt, wie z. B. CYMEL 1130, 324, n-butylierte Melaminharze, wie z. B. CYMEL 1151, 615; n-butylierte Melaminharze mit hohem Iminogehalt, wie z. B. CYMEL 1158, iso-butylierte Melaminharze, wie z. B. CYMEL 255-10. CYMEL Melaminharze sind kommerziell erhältlich von Cytec Industries Inc., Woodland Park, NJ.
In einigen Ausführungsformen kann das Melaminharz ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus methyliertem Formaldehyd-Melamin-Harz, methoxymethyliertem Melamin-Harz, ethoxymethyliertem Melaminharz, propoxymethyliertem Melaminharz, butoxymethyliertem Melaminharz, Hexamethylolmelaminharz, alkoxyalkylierten Melaminharz (wie etwa methoxymethyliertem Melaminharz, ethoxymethyliertem Melaminharz, propoxymethyliertem Melaminharz, butoxymethyliertem Melaminharz), und Mischungen davon.
Wird Harnstoff verwendet, so ist das resultierende Harz auch als „Harnstoffharz“ bekannt. Harnstoffharze sind unter verschiedenen Handelsnamen bekannt, einschließlich, jedoch nicht beschränkt auf: CYMEL, BEETLE, DYNOMIN, BECKAMINE und AMIREME.
In einigen Ausführungsformen weist das Harnstoffharz folgende allgemeine Formel auf:
wobei R₁, R₂, R₃, und R₄ jeweils unabhängig voneinander ein Wasserstoffatom oder eine Alkylkette mit 1 bis 8 Kohlenstoffatomen, vorzugsweise 1 bis 4 Kohlenstoffatomen darstellen.
In einigen Ausführungsformen kann das Harnstoffharz wasserlöslich, dispergierbar oder nicht dispergierbar sein. In verschiedenen Ausführungsformen kann das Harnstoffharz hoch alkyliert/alkoxyliert, teilweise alkyliert/alkoxyliert oder gemischt alkylierten/alkoxyliert sein. In verschiedenen Ausführungsformen kann das Harnstoffharz methyliert, n-butyliert oder isobutyliert sein. Nicht einschränkende Beispiele für Harnstoffharze umfassen methylierte Harnstoffharze, wie z. B. CYMEL U-65, U-382; n-butylierte Harnstoffharze, wie z. B. CYMEL U-1054 oder UB-30-B; iso-butylierte Harnstoff-Harze, wie z. B. CYMEL U-662 oder UI-19-I. CYMEL Harnstoffharze sind kommerziell erhältlich von Cytec Industries Inc., Woodland Park, NJ.
Wird Benzoguanamin verwendet, so ist das resultierend Harz wird auch als „Benzoguanaminharz“ bekannt. Benzoguanaminharze sind unter verschiedenen Handelsnamen bekannt, einschließlich, jedoch nicht beschränkt auf CYMEL, BEETLE und UFORMITE.
In einigen Ausführungsformen kann das Benzoguanaminharz folgende allgemeine Formel aufweisen:
wobei R₁, R₂, R₃, und R₄ jeweils unabhängig voneinander ein Wasserstoffatom oder eine Alkylkette mit 1 bis 8 Kohlenstoffatomen, vorzugsweise 1 bis 4 Kohlenstoffatomen darstellen.
Das Benzoguanaminharz kann wasserlöslich, dispergierbare oder nicht dispergierbar sein. In verschiedenen Ausführungsformen kann das Benzoguanaminharz hoch alkyliert/alkoxyliert, teilweise alkyliert/alkoxyliert oder gemischt alkyliert/alkoxyliert sein. In verschiedenen Ausführungsformen kann das Benzoguanaminharz methyliert, n-butyliert oder isobutyliert sein. Nicht einschränkende Beispiele für ein Benzoguanaminharz sind CYMEL 659, 5010, 5011. CYMEL Benzoguanaminharze sind im Handel erhältlich von Cytec Industries Inc., Woodland Park, NJ.
Wird Glykouracil verwendet, so wird das resultierende Harz auch als „Glycolurilharz“ bezeichnet. Glycolurilharze sind unter verschiedenen Handelsnamen bekannt sind, einschließlich, jedoch nicht beschränkt auf: CYMEL und POWDERLINK.
In einigen Ausführungsformen kann das Glycolurilharz folgende allgemeine Formel aufweisen:
wobei R₁, R₂, R₃, und R₄ jeweils unabhängig voneinander ein Wasserstoffatom oder eine Alkylkette mit 1 bis 8 Kohlenstoffatomen, vorzugsweise 1 bis 4 Kohlenstoffatomen darstellen.
Die Glycolurilharz kann wasserlöslich, dispergierbar oder nicht dispergierbar sein. In verschiedenen Ausführungsformen kann das Glycolurilharz hoch alkyliert/ alkoxyliert, teilweise alkyliert/alkoxyliertoder gemischt alkylierten/alkoxyliert sein. In verschiedenen Ausführungsformen kann das Glycolurilharz methyliert, n-butyliert oder isobutyliert sein. Nicht einschränkende Beispiele des Glycolurilharzes umfassen CYMEL 1170, 1171. CYMEL Glycolurilharze sind im Handel erhältlich von Cytec Industries Inc., Woodland Park, NJ.
Die äußere Schutzschicht 240 enthält ferner zusätzlich zum Polymerharz leitfähige Teilchen. Die leitfähigen Teilchen können gleich oder verschieden von dem halbleitenden Material in der Basisschicht 230 sein. In einigen Ausführungsformen können die leitfähigen Teilchen -ohne darauf beschränkt zu sein - Ruß, pyrolytischen Kohlenstoff, Graphit, Metalloxide, dotierte Metalloxide, Metall-Legierungen, leitfähige Polymere, Chlorate oder Perchlorate von Tetraethylammonium und/oder Lauryltrimethylammonium, Salze von Alkalimetallen oder Erdalkalimetalle und dergleichen, und Kombinationen davon umfassen. In einer Ausführungsform können die leitfähigen Teilchen aus Ruß; Polypyrrol, Polythiophen, Polyacetylen, Metalloxiden (wie z. B. Zinnoxid, Indiumoxid, Titanoxid und dergleichen); dotierten Metalloxiden (wie z. B. Zinnoxid-Antimonoxid-Feststofflösung, Antimon-dotiertes Titanoxid, Eisen-dotiertes Titanoxid und dergleichen); Polyanilin, Poly(3,4-ethylendioxythiophen)polyethylenglykol (PEDOT-PEG) Block-Copolymeren, Poly(3,4-ethylendioxythiophen)poly(styrolsulfonat) (PEDOT-PSS) Polymeren, und dergleichen, und Kombinationen davon bestehen. Kommerziell erhältliche Beispiele von Halbleitermaterialien zur erfindungsgemäßen Verwendung umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf VULCAN XC72 Ruß, EVONIK FW-1 Ruß und Panipol F Polyanilin.
Die Menge an Polymerharz in der äußeren Schutzschicht 240 kann von etwa 40 bis etwa 99 Gew.-% betragen, wie von etwa 50 bis etwa 90 Gew.-% oder etwa 60 bis etwa 85 Gew.-% bezogen auf die Gesamtgewicht der äußeren Schutzschicht. Die Menge an leitfähigen Teilchen in der äußeren Schutzschicht 240 kann von etwa 1 bis etwa 60 Gew.-% betragen, wie von etwa 10 bis etwa 50 Gew.-% oder von etwa 15 bis etwa 40 Gew.-% bezogen auf die Gesamtgewicht der Basisschicht. Die äußere Schutzschicht 240 kann eine Dicke von etwa 1 µm bis 100 µm aufweisen, zum Beispiel von etwa 3 µm bis 40 µm oder etwa 4 µm bis etwa 20 µm.
Von den offenbarten beispielhaften Ladeelementen zur elektrostatischen Aufladung 200 mit der über dem leitfähigen Kern 220 oder der Basisschicht 230 angeordneten schützenden Deckschicht 240 wird angenommen, dass sie im Vergleich zu herkömmlichen Vorspannungs-Laderollenelementen ohne äußere Schutzschicht 240 bei geeigneten Ladewiderständen verbesserte mechanische Eigenschaften aufweisen. In einigen Ausführungsformen kann die äußere Schutzschicht 240 eine spezifische Oberflächenleitfähigkeit im Bereich von etwa 10⁵ Ω/sq bis etwa 10¹³ Ω/sq, wie von etwa 10⁶ Ω/sq bis etwa 10¹⁰ Ω/sq, beispielsweise von etwa 10⁷ Ω/sq bis etwa 10⁸ Ω/sq aufweisen. Es wird angenommen, dass die äußere Schutzschicht eine verbesserte mechanische Festigkeit unter Beibehaltung des für eine optimale Leistung der Vorspannungs-Laderolle erforderlichen spezifischen Widerstands und der hierfür notwendigen Ladungsgleichförmigkeit. Ladeelemente zur elektrostatischen Aufladung mit unzureichendem (zu geringem) Widerstand verursachen Kurzschlüsse und/oder unannehmbar hohe Stromflüsse zum lichtempfindlichen Element. Ladeelemente zur elektrostatischen Aufladung mit übermäßigem (zu hohem) Widerstand erfordern unverhältnismäßig hohe Spannungen für die Aufladung. Ist der spezifische Widerstand außerhalb des gewünschten Bereichs, können darüber hinaus weitere Probleme auftreten, wie beispielsweise die Nichtkonformität bei dem Kontaktspaltoberfläche (d. h. die Kontaktfläche zwischen der Vorspannungs-Laderolle und dem lichtempfindlichen Element), schlechte Löseeigenschaften des Toners und die Erzeugung von Verunreinigungen während dem Ladevorgang durch deren Auslösung aus dem lichtempfindlichen Element. Diese nachteiligen Effekte können dazu führen, dass das Ladeelement zur elektrostatischen Aufladung entlang der Länge des Kontaktelements einen uneinheitlichen Widerstand aufweist oder einen Widerstand, der anfällig ist gegenüber Schwankungen der Temperatur, der relativen Luftfeuchtigkeit, Betriebszeit und/oder Verunreinigungen. Mit einer Vorspannungs-Laderolle mit der offenbarten äußeren Schutzschicht 240 können viele oder alle dieser Nachteile vermieden werden.
Die äußere Schutzschicht 240 kann aus einer Dispersion hergestellt werden, die das elastomere Material und die leitfähigen Teilchen umfasst. Die Dispersion kann mit jedem in dem Fachgebiet bekannten Verfahren hergestellt werden, wie z. B. durch Mahlen (z. B. Kugelmahlen) für eine geeignete Zeitdauer (z. B. mehrere Tage). Die Dispersion kann mit jedem geeigneten Verfahren filtriert und auf dem leitfähigen Kern 220 oder der Basisschicht 230 beschichtet werden, wie z. B. durch Tauchbeschichtung, Fluten, Sprühbeschichtung, Walzenbeschichtung, Ringwalzenbeschichtung, Druckguss, Rotationszerstäubung, und dergleichen, bei einer Temperatur von etwa 25°C bis etwa 200°C oder von etwa 100°C bis etwa 160°C für einen Zeitraum von etwa 20 bis etwa 120 Minuten, vorzugsweise etwa 30 bis etwa 60 Minuten zur Bildung der äußeren Schutzschicht 240. Die äußere Schutzschicht kann eine Dicke von etwa 1 µm bis 100 µm aufweisen, bevorzugt von etwa 2 µm bis 50 µm, besonders bevorzugt von etwa 3 µm bis etwa 20 µm.
Entsprechend verschiedener Ausführungsformen gibt es ein beispielhaftes Verfahren zur Herstellung eines Ladeelements zur elektrostatischen Aufladung 210. Das Verfahren kann folgende Schritte umfassen: das Bereitstellen eines leitfähigen Substrats; die Bildung einer Basisschicht über dem leitfähigen Substrat und die Bildung einer äußeren Schutzschicht über der Basisschicht. In verschiedenen Ausführungsformen kann das Ladeelement zur elektrostatischen Aufladung ein Substrat mit jeder geeigneten Form darstellen, wie beispielsweise einer Walze (Zylinder), einem Band oder einem Blatt. Die Basisschicht kann ein elastomeres Material und ein halbleitendes Material umfassen. Die äußere Schutzschicht kann ein Polymerharz und leitfähige Teilchen umfassen. In verschiedenen Ausführungsformen kann der Verfahrensschritt zur Bildung einer äußeren Schutzschicht das Schmelzmischen des Polymerharzes und leitfähigen Teilchens umfassen, um eine Mischung herzustellen, sowie das Schmelzextrudieren der Mischung über dem leitfähigen Kern 220 oder der Basisschicht 230. Jedoch können auch andere geeignete Schmelzmisch- und Schmelzextrudierverfahren angewendet werden.
BEISPIELE

Durch mehrtägiges Kugelmahlen von im Lösungsmittel oder in einem Lösungsmittelgemisch gelösten Polymerharz und einem leitfähigen Teilchen wurden Dispersionen hergestellt. Die Arten von Polymerharzen und leitfähigen Teilchen und deren Mengen an sind in Tabelle 1 angegeben. Nach dem Mahlen wurden die Dispersionen mit einem 20 µm Filter filtriert und dünn auf einer Polyethylenterephthalalat(PET)-Folie beschichtet. Der Oberflächenwiderstand der beschichteten PET-Folie wurde unter Verwendung eines Hiresta UP-Widerstandmessgeräts zu den in Tabelle 1 angegebenen Werten bestimmt. Die Dispersionen wurden anschließend unter Verwendung eines Tsukiage-Beschichters in den in Tabelle 1 angegebenen Schichtdicken auf eine Imari-Vorspannungs-Laderolle gegeben und bei 150°C für 40 Minuten gehärtet. TABELLE 1

Vorspannungs-Laderolle	Polymer	leitfähiges Teilchen	Beladung des leitfähigen Teilchens	spezifischer Oberflächenwiderstand (Ω/sq)	Beschichtungsdicke (µm)
1	J-235 Phenolpolymer	Vulcan XC72	5%	1,2·10⁸	5
2	CAPA 6250 Polycaprolacton	Vulcan XC72	5%	1,6·10⁶	8
3	CAPA 6100 Polycaprolacton	Vulcan XC72	5%	2,1·10⁶	8
4	Extern XH 1005 Thermoplastisches Polyimid	FW1 Carbon Black	10%	5,7·10⁶	6
5	1:1 B-98 Polyvinylbutyral/Cymel 325 Melamin	Vulcan XC72	20%	1,2·10⁵	6
6	94,5:5,5 Cymel 325/Elvamide 8061 Nylonfaser	SC9773 Carbon Black	6%	7,5·10⁵	6
7	65:35 Doresco TA-228 Acrylharz/Cymel 1170 Glycoluril mit 2% p-TSA und 1% Silclean 3700	Vulcan XC72	4%	6,0·10⁷	6
8	1:1 Cymel 325/AT-410	PEDOT -Block-PEG	25%	1,0·10¹¹	4

Wie aus Tabelle 2 entnommen werden kann, zeigte jede der beschichteten Vorspannungs-Laderollen eine ausgezeichnete Ladungsgleichförmigkeit. Bezogen auf den durchschnittlichen Ladevorgang an unbeschichteten Vorspannungs-Laderollen (Kontrollmessungen) wurde bei den erfindungsgemäßen Beispielen jeweils eine vergleichbare Ladefähigkeit beobachtet. Die erfindungsgemäßen Beispiele zeigten keine signifikanten Schwankungen und es wurden keine Probleme im Zusammenhang mit dem Drehmoment festgestellt. TABELLE 2

Vorspannungs-Laderolle	Durchschnittliche Ladungsgleichförmigkeit; t=0 [V]	Durchschnittliche Ladungsgleichförmigkeit; t=50k [V]	Durchschnittliche Ladungsgleichförmigkeit (Kontrolle)*; t=0 [V]	Durchschnittliche Ladungsgleichförmigkeit; (Kontrolle)*; t=50k [V]
1	740	745	715	739
2	686	659	"	"
3	674	635	"	"
4	705	713	622	647
5	790	790	590	612
6	724	726	"	"
7	634	725	"	"
8	615	583	"	"
* Die Kontrollmessung der durchschnittliche Ladungsgleichförmigkeit erfolgte an Vorspannungs-Laderollen ohne Beschichtung ;

Für die Belastungstests wurde jede der erfindungsgemäßen Vorspannungs-Laderollen einer Beanspruchung von 50000 Zyklen (t = 50k) n einer Hodaka-Einspannvorrichtung unterzogen. Anschließend wurden entweder eine Pinehurst- oder eine Imperia-Maschine mit den beanspruchten Vorspannungs-Laderollen ausgestattet und Drucke angefertigt. Bei allen erfindungsgemäßen Vorspannungs-Laderollen wurde im Gegensatz zu nicht-beschichteten Vorspannungs-Laderollen nach den Belastungstests keine Bildung dunkler Streifen beobachtet.

Claims

Ein Ladeelement zur elektrostatischen Aufladung, umfassend: ein leitfähiges Substrat; eine über dem leitfähigen Substrat angeordnete Basisschicht, wobei die Basisschicht ein elastomeres Material und ein Halbleitermaterial umfasst, und eine über der Basisschicht angeordnete äußere Schutzschicht, wobei die äußere Schutzschicht ein Polymerharz und eine Mehrzahl an leitfähigen Teilchen umfasst; wobei das Polymerharz ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Polyestern, Phenolharzen und Aminoplastharzen, und wobei die äußere Schutzschicht einen spezifischen Oberflächenwiderstand im Bereich von etwa 10⁵ Ω/sq bis etwa 10¹³ Ω/sq aufweist.
Das Ladeelement nach Anspruch 1, wobei die leitfähigen Teilchen ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Ruß, pyrolytischem Kohlenstoff, Graphit, Metalloxid, dotierten Metalloxiden, Metall-Legierungen, leitfähigen Polymeren und Kombinationen davon.
Das Ladeelement nach Anspruch 1, wobei die leitfähigen Teilchen in einer Menge im Bereich von etwa 1 Gew.-% bis etwa 60 Gew.-% in Bezug auf den Gesamt-Feststoffgehalt der äußeren Schutzschicht enthalten sind.
Das Ladeelement nach Anspruch 1, wobei die leitfähigen Teilchen in einer Menge im Bereich von 10 Gew.-% bis etwa 50 Gew.-% in Bezug auf den Gesamt-Feststoffgehalt der äußeren Schutzschicht enthalten sind.
Verfahren zur Herstellung des Ladeelements zur elektrostatischen Aufladung nach Anspruch 1, wobei das Verfahren umfasst: Bereitstellen eines leitfähigen Substrats; Bilden einer Basisschicht auf dem leitfähigen Substrat; und Bilden einer äußeren Schutzschicht auf der Basisschicht, wobei die äußere Schutzschicht ein Polymerharz und eine Mehrzahl von leitfähigen Teilchen umfasst, wobei das Polymerharz ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Polyestern, Phenolharzen und Aminoplastharzen, und wobei die äußere Schutzschicht einen spezifischen Oberflächenwiderstand im Bereich von etwa 10⁵ Ω/sq bis etwa 10¹³ Ω/sq aufweist.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Schritt des Bildens einer äußeren Schutzschicht auf dem leitfähigen Substrat nachfolgende Verfahrensschritte umfasst: Bereitstellen einer Dispersion, welche das Polymerharz und eine Vielzahl von leitfähigen Teilchen umfasst; und Aufbringen der Dispersion auf dem leitfähigen Substrat durch Tauchbeschichtung, Fluten, Sprühbeschichtung, Walzenbeschichtung, Ringwalzenbeschichtung, Druckgussbeschichtung oder Rotationszerstäubung.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Vielzahl von leitfähigen Teilchen ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Ruß, pyrolytischem Kohlenstoff, Graphit, Metalloxid, dotiertem Metalloxid, Metall-Legierungen, leitfähigen Polymeren und Kombinationen davon.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das leitfähige Polymer ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Polyanilin, Polythiophen, Polypyrrol, PEDOT/PSS- Polymer, PEDOT/PEG-BlockCopolymer und Kombinationen davon.