DE102014206705A1

DE102014206705A1 - Fixierelement

Info

Publication number: DE102014206705A1
Application number: DE102014206705.7A
Authority: DE
Inventors: Yu Qi; Brynn M. Dooley; Nan-Xing Hu
Original assignee: Xerox Corp
Current assignee: Xerox Corp
Priority date: 2013-04-25
Filing date: 2014-04-07
Publication date: 2014-10-30
Anticipated expiration: 2034-04-08
Also published as: US20140321894A1; JP6223892B2; US9146511B2; DE102014206705B4; JP2014215610A

Abstract

Es wird ein Fixierelement mit einem Substrat und einer Oberflächenschicht beschrieben, die auf dem Substrat angeordnet ist. Die Oberflächenschicht umfasst ein Polyimid-Aerogel, das ein vernetztes Fluorpolymer und ein Trennmittel durchgehend dispergiert aufweist, wobei das Trennmittel bei einer Temperatur von über etwa 100 °C eine Flüssigkeit ist.

Description

Diese Offenbarung betrifft im Allgemeinen Oberflächenschichten für Fixierelemente, die in elektrofotografischen Bildgebungsvorrichtungen, einschließlich digitaler, Bild-auf-Bild- und dergleichen Bildgebungsvorrichtungen, verwendbar sind.
Im elektrofotografischen Druckprozess kann ein Tonerbild unter Verwendung einer Fixierwalze auf einem Träger (z. B. einem Papierbogen) fixiert oder aufgeschmolzen werden. Herkömmliche Fixiertechnologien bringen während des Fixiervorgangs Trennmittel/Fixieröle auf die Fixierwalze auf, um gute Trenneigenschaften der Fixierwalze aufrechtzuerhalten. Zum Beispiel wurden Ölfixiertechnologien für alle Hochgeschwindigkeitsprodukte auf dem Produktions- und Produktionsfarben-Einstiegsmarkt verwendet. Andere Fixiertechnologien verwenden Zusammensetzungen, die eine niedrige Oberflächenenergie aufweisen, aber nicht anpassungsfähig sind.
Es ist eine Beschichtung mit einer niedrigen Oberflächenenergie erwünscht, die anpassungsfähig, dauerhaft und leicht herzustellen ist.
Gemäß einer Ausführungsform wird ein Fixierelement bereitgestellt, das ein Substrat und eine Oberflächenschicht umfasst, die auf dem Substrat angeordnet ist. Die Oberflächenschicht umfasst ein Polyimid-Aerogel, das ein vernetztes Fluorpolymer und ein Trennmittel durchgehend dispergiert aufweist, wobei das Trennmittel bei einer Temperatur von über etwa 100 °C eine Flüssigkeit ist.
Gemäß einer anderen Ausführungsform wird ein Fixierelement bereitgestellt, das ein Substrat, eine Zwischenschicht, die auf dem Substrat angeordnet ist, und eine Oberflächenschicht aufweist, die auf der Zwischenschicht angeordnet ist. Die Oberflächenschicht umfasst ein Polyimid-Aerogel, das ein vernetztes Fluorpolymer und ein Trennmittel durchgehend dispergiert aufweist. Das vernetzte Fluorpolymer beträgt etwa 10 Gewichtsprozent bis etwa 95 Gewichtsprozent der Oberflächenschicht. Das Trennmittel ist bei einer Temperatur bei 100 °C oder darüber eine Flüssigkeit. Das Trennmittel umfasst etwa 1 Gewichtsprozent bis etwa 50 Gewichtsprozent der Oberflächenschicht.
Gemäß einer anderen Ausführungsform wird ein Fixierelement beschrieben, das ein Substrat und eine Oberflächenschicht umfasst, die auf dem Substrat angeordnet ist. Die Oberflächenschicht umfasst ein Polyimid-Aerogel, das ein Siloxyfluorkohlenstoff(SFC)-vernetztes Polymer und ein fluoriertes polyedrisches oligomeres Silsesquioxan-Trennmittel durchgehend dispergiert aufweist. Das Polyimid-Aerogel weist eine Porosität von etwa 50 Prozent bis etwa 95 Prozent auf. Die Polyimid-Aerogelschicht weist Poren mit einem Porendurchmesser von etwa 2 Nanometern bis etwa 200 Nanometer auf. Die Polyimid-Aerogelschicht weist eine Dicke von etwa 5 Mikrometern bis etwa 400 Mikrometer auf.
1 stellt ein beispielhaftes Fixierelement mit einem zylindrischen Substrat gemäß den vorliegenden Lehren dar.
2 stellt ein beispielhaftes Fixierelement mit einem Bandsubstrat gemäß den vorliegenden Lehren dar.
3A und 3B stellen eine beispielhafte Fixierkonfiguration unter Verwendung der in 1 dargestellten Fixierwalzen gemäß den vorliegenden Lehren dar.
4A und 4B stellen eine andere beispielhafte Fixierkonfiguration unter Verwendung des in 2 dargestellten Fixierbandes gemäß den vorliegenden Lehren dar.
5 stellt eine beispielhafte Fixierkonfiguration unter Verwendung einer Transfixiervorrichtung dar.
In verschiedenen Ausführungsformen kann das Fixierelement zum Beispiel ein Substrat mit einer oder mehreren darauf ausgebildeten Funktionsschichten umfassen. Das Substrat kann unter Verwendung von geeigneten Materialien, die in Abhängigkeit von einer spezifischen Konfiguration nichtleitend oder leitend sind, in verschiedenen Formen ausgebildet sein, z. B. einem Zylinder (z. B. einem Zylinderrohr), einer zylindrischen Trommel, einem Band oder einem Film, wie in 1 und 2 dargestellt.
Konkret stellt 1 ein beispielhaftes Fixierungs- oder Fixierelement 100 mit einem zylindrischen Substrat 110 dar, und 2 stellt ein anderes beispielhaftes Fixierungs- oder Fixierelement 200 mit einem Bandsubstrat 210 gemäß den vorliegenden Lehren dar. Für den Durchschnittsfachmann sollte leicht zu erkennen sein, dass das Fixierungs- oder Fixierelement 100, das in 1 dargestellt ist, und das Fixierungs- oder Fixierelement 200, das in 2 dargestellt ist, verallgemeinerte schematische Darstellungen veranschaulichen und dass andere Schichten/Substrate hinzugefügt oder bestehende Schichten/Substrate entfernt oder modifiziert werden können.
1 kann das beispielhafte Fixierelement 100 eine Fixierwalze mit einem zylindrischen Substrat 110 mit einer oder mehreren Funktionsschichten 120 (auch als Zwischenschichten bezeichnet) und einer Außenschicht 130 darauf ausgebildet sein. In verschiedenen Ausführungsformen kann das zylindrische Substrat 110 die Form eines zylindrischen Rohres, z.B. mit einer hohlen Struktur, die eine Heizlampe darin enthält, oder einer massiven zylindrischen Welle annehmen. In 2 kann das beispielhafte Fixierelement 200 ein Bandsubstrat 210 mit einer oder mehreren Funktionsschichten, z. B. 220, und einer Außenfläche 230 darauf ausgebildet umfassen.
Substratschicht
Das Bandsubstrat 210 (2) und das zylindrische Substrat (1) können zum Beispiel aus polymeren Materialien (z. B. Polyimid, Polyaramid, Polyetheretherketon, Polyetherimid, Polyphthalamid, Polyamidimid, Polyketon, Polyphenylensulfid, Fluorpolyimiden oder Fluorpolyurethanen) und Metallmaterialien (z. B. Aluminium, Nickel oder Edelstahl) gebildet sein, um Steifheit und strukturelle Integrität aufrechtzuerhalten, wie dem Durchschnittsfachmann bekannt ist.
Zwischenschicht
Beispiele für Zwischen- oder Funktionsschichten 120 (1) und 220 (2) umfassen Fluorsilikone, Silikongummis, wie beispielsweise Raumtemperaturvulkansations-(RTV)-Silikongummis, Hochtemperaturvulkanisations(HTV)-Silikongummis und Niedertemperaturvulkanisations(LTV)-Silikongummis. Diese Gummis sind bekannt und im Handel leicht erhältlich, wie beispielsweise schwarzer SILASTIC^® 735 RTV und SILASTIC^® 732 RTV, beide von Dow Corning; 106 RTV Silicone Rubber und 90 RTV Silicone Rubber, beide von General Electric; und JCR6115CLEAR HTV- und SE4705U HTV-Silikongummis von Dow Corning Toray Silicones. Andere geeignete Silikonmaterialien umfassen die Siloxane (wie beispielsweise Polydimethylsiloxane); Fluorsilikone, wie beispielsweise Silicone Rubber 552, erhältlich von Sampson Coatings, Richmond, Virginia; flüssige Silikongummis, wie beispielsweise vinylvernetzte wärmehärtbare Gummis oder bei Raumtemperatur vernetzte Silanolmaterialien, und dergleichen. Ein anderes spezifisches Beispiel ist Dow Corning Sylgard 182. Im Handel erhältliche LSR-Gummis umfassen Dow Corning Q3-6395, Q3-6396, SILASTIC^® 590 LSR, SILASTIC^® 591 LSR, SILASTIC^® 595 LSR, SILASTIC^® 596 LSR und SILASTIC^® 598 LSR von Dow Corning. Die Funktionsschichten verleihen Elastizität und können erforderlichenfalls mit anorganischen Teilchen, zum Beispiel SiC oder Al₂O₃, gemischt werden.
Beispiele für Zwischen- oder Funktionsschichten 120 (1) und 220 (2) umfassen auch Fluorelastomere. Die Fluorelastomere sind von der folgenden Klasse: 1) Copolymeren von zweien von Vinylidenfluorid, Hexafluorpropylen und Tetrafluorethylen; wie beispielsweise jene, die im Handel als VITON A^® bekannt sind, 2) Terpolymeren von Vinylidenfluorid, Hexafluorpropylen und Tetrafluorethylen, wie beispielsweise jene, die im Handel als VITON B^® bekannt sind; und 3) Tetrapolymeren von Vinylidenfluorid, Hexafluorpropylen, Tetrafluorethylen und einem Cure-Site-Monomer, wie beispielsweise jene, die im Handel als VITON GH^® oder VITON GF^® bekannt sind. Diese Fluorelastomere sind im Handel unter verschiedenen Bezeichnungen bekannt, wie beispielsweise die zuvor aufgeführten zusammen mit VITON E^®, VITON E 60C^®, VITON E430^®, VITON 910^® und VITON ETP^®. Die Bezeichnung VITON^® ist eine Marke von E.I. DuPont de Nemours, Inc. Beim Cure-Site-Monomer kann es sich um 4-Bromperfluorbuten-1, 1,1-Dihydro-4-bromperfluorbuten-1, 3-Bromperfluorpropen-1, 1,1-Dihydro-3-bromperfluorpropen-1 oder ein beliebiges anderes geeignetes, bekanntes Cure-Site-Monomer handeln, wie beispielsweise jene, die von DuPont erhältlich sind. Andere im Handel erhältliche Fluorpolymere umfassen FLUOREL 2170^®, FLUOREL 2174^®, FLUOREL 2176^®, FLUOREL 2177^® und FLUOREL LVS 76^®, wobei FLUOREL^® eine eingetragene Marke von der 3M Company ist. Weitere im Handel erhältliche Materialien umfassen AFLAS^TM, ein Poly(propylentetrafluorethylen), und FLUOREL II^® (LII900), ein Poly(propylentetrafluorethylenvinylidenfluorid), die beide ebenfalls von der 3M Company erhältlich sind, sowie die Tecnoflone, die als FOR-60KIR^®, FOR-LHF^®, NM^® FOR-THF^®, FOR-TFS^®, TH^®, NH^®, P757^®, TNS^®, T439^®, PL958^®, BR9151^® und TN505^® bezeichnet werden und von Ausimont erhältlich sind.
Die Fluorelastomere VITON GH^® und VITON GF^® weisen verhältnismäßig geringe Mengen von Vinylidenfluorid auf. VITON GF^® und VITON GH^® weisen etwa 35 Gewichtsprozent Vinylidenfluorid, etwa 34 Gewichtsprozent Hexafluorpropylen und etwa 29 Gewichtsprozent Tetrafluorethylen bei etwa 2 Gewichtsprozent Cure-Site-Monomer auf. Cure-Site-Monomere sind von Dupont erhältlich.
Für eine Walzenkonfiguration kann die Dicke der Zwischen- oder Funktionsschicht etwa 0,5 mm bis etwa 10 mm oder etwa 1 mm bis etwa 8 m oder etwa 2 mm bis etwa 7 mm betragen. Für eine Bandkonfiguration kann die Funktionsschicht etwa 25 Mikrometer bis zu etwa 2 mm oder 40 Mikrometer bis etwa 1,5 mm oder 50 Mikrometer bis etwa 1 mm sein.
Trennschicht
Eine beispielhafte Ausführungsform einer Trennschicht 130 (1), 230 (2) umfasst eine Oberflächenschicht, die ein Polyimid-Aerogel umfasst, das ein vernetztes Fluorpolymer und ein Trennmittel durchgehend dispergiert aufweist, wobei das Trennmittel bei einer Temperatur von über etwa 100 °C eine Flüssigkeit ist.
Für das Fixierelement 100 (1), 200 (2) kann die Oberflächen- oder Trennschicht 130 (1), 230 (2) etwa 5 Mikrometer bis etwa 400 Mikrometer oder etwa 20 Mikrometer bis etwa 300 Mikrometer oder etwa 40 Mikrometer bis etwa 250 Mikrometer dick sein.
Es können Additive und zusätzliche leitende oder nichtleitende Füllstoffe in den Substratschichten 110 (1) und 210 (2), den Zwischenschichten 120 (1) und 220 (2) und den Trennschichten 130 (1) und 230 (2) vorhanden sein. In verschiedenen Ausführungsformen können andere Füllmaterialien und Additive, die zum Beispiel anorganische Teilchen umfassen, für die Beschichtungszusammensetzung und die anschließend gebildete Oberflächenschicht verwendet werden. Leitende Füllstoffe, die hierin verwendet werden, können Carbon-Blacks, wie beispielsweise Kohleschwarz, Grafit, Fulleren, Acetylenschwarz, fluoriertes Kohleschwarz und dergleichen; Kohlenstoff-Nanoröhrchen, Metalloxide und dotierte Metalloxide, wie beispielsweise Zinnoxid, Antimondioxid, antimondotiertes Zinnoxid, Titandioxid, Indiumoxid, Zinkoxid, Indiumoxid, indiumdotiertes Zinntrioxid und dergleichen, sowie Mischungen davon umfassen. Bestimmte Polymere, wie beispielsweise Polyaniline, Polythiophene, Polyacetylen, Poly(p-phenylenvinylen), Poly(p-phenylensulfid), Pyrrole, Polyindol, Polypyren, Polycarbazol, Polyazulen, Polyazepin, Poly(fluor), Polynaphthalen, Salze von organischer Sulfonsäure, Ester von Phosphorsäure, Ester von Fettsäuren, Ammonium- oder Phosphoniumsalze und Mischungen davon, können als leitende Füllstoffe verwendet werden. In verschiedenen Ausführungsformen können auch andere Additive, die dem Durchschnittsfachmann bekannt sind, eingebunden werden, um die offenbarten Verbundmaterialien zu bilden.
Die Trennschicht umfasst ein Polyimid-Aerogel, das ein Fluorpolymer im gesamten Aerogel durchgehend dispergiert aufweist. Typische Techniken zum Auftragen des Fluorpolymers auf das Aerogel umfassen Fluten, Beschichten durch Flüssigkeitszerstäubung, Tauchbeschichten, Spiralrakelbeschichtung, Fließbettbeschichtung, Pulverbeschichtung, elektrostatisches Spritzen, Schallzerstäubung, Rakelstreichen, Spritzgießen, Laminieren und dergleichen.
Klebstoffschicht
Optional kann jede bekannte und verfügbare geeignete Klebstoffschicht zwischen der Trennschicht 130 (1), 230 (2), der Zwischenschicht 120 (1), 220 (2) und dem Substrat 110 (1), 210 (2) positioniert sein. Beispiele für geeignete Klebstoffschichten umfassen Silane, wie beispielsweise Aminosilane (wie zum Beispiel HV Primer 10 von Dow Corning), Titanate, Zirconate, Aluminate und dergleichen sowie Mischungen davon. In einer Ausführungsform kann ein Klebstoff in etwa 0,001%iger bis etwa 10%iger Lösung auf das Substrat gestrichen werden. Die Klebstoffschicht kann auf das Substrat oder auf die äußere Schicht bis zu einer Dicke von etwa 2 Nanometern bis etwa 2.000 Nanometer oder von etwa 2 Nanometer bis etwa 500 Nanometer aufgetragen werden. Der Klebstoff kann durch jede geeignete bekannte Technik, einschließlich Sprühbeschichtung oder Aufstrichs, aufgetragen werden.
3A und 3B sowie 4A und 4B stellen beispielhafte Fixierkonfigurationen für den Fixierprozess gemäß den vorliegenden Lehren dar. Für den Durchschnittsfachmann sollte leicht zu erkennen sein, dass die Fixierkonfigurationen 300A und B, die in 3A und 3B dargestellt sind, und die Fixierkonfigurationen 400A und B, die in 4A und 4B dargestellt sind, verallgemeinerte schematische Darstellungen veranschaulichen und dass andere Elemente/ Schichten/ Substrate/ Konfigurationen hinzugefügt oder bestehende Elemente/ Schichten/ Substrate/ Konfigurationen entfernt oder modifiziert werden können. Obwohl hierin ein elektrofotografischer Drucker beschrieben wird, können die offenbarte Vorrichtung und das offenbarte Verfahren auch auf andere Drucktechnologien angewendet werden. Beispiele umfassen Offsetdruck und Tintenstrahl- und Fest-Transfixiermaschinen.
3A und 3B stellen die Fixierkonfigurationen 300A und B unter Verwendung einer in 1 dargestellten Fixierwalze gemäß den vorliegenden Lehren dar. Die Konfigurationen 300A und B können eine Fixierwalze 100 (d. h. 100 von 1) umfassen, die einen Fixierspalt mit einem Druckbeaufschlagungsmechanismus 335, wie beispielsweise einer Druckwalze in 3A oder einem Druckband in 3B, für ein Bildträgermaterial 315 bildet. In verschiedenen Ausführungsformen kann der Druckbeaufschlagungsmechanismus 335 in Kombination mit einer Heizlampe 337 verwendet werden, um sowohl Druck als auch Wärme für den Fixierprozess der Tonerteilchen auf dem Bildträgermaterial 315 bereitzustellen. Außerdem können die Konfigurationen 300A und B eine oder mehrere externe Heizwalzen 350 z. B. zusammen mit einer Reinigungsbahn 360 umfassen, wie in 3A und 3B dargestellt.
4A und 4B stellen die Fixierkonfiguration 400A und B unter Verwendung eines in 2 dargestellten Fixierbandes gemäß den vorliegenden Lehren dar. Die Konfigurationen 400A und B können ein Fixierband 200 (d. h. 200 von 2) umfassen, das einen Fixierspalt mit einem Druckbeaufschlagungsmechanismus 435, wie beispielsweise einer Druckwalze in 4A oder einem Druckband in 4B, für ein Mediensubstrat 415 bildet. In verschiedenen Ausführungsformen kann der Druckbeaufschlagungsmechanismus 435 in Kombination mit einer Heizlampe verwendet werden, um sowohl Druck als auch Wärme für den Fixierprozess der Tonerteilchen auf dem Mediensubstrat 415 bereitzustellen. Außerdem können die Konfigurationen 400A und B ein mechanisches System 445 umfassen, um das Fixierband 200 zu bewegen und infolgedessen die Tonerteilchen zu fixieren und Bilder auf dem Mediensubstrat 415 zu erzeugen. Das mechanische System 445 kann eine oder mehrere Walzen 445a bis c umfassen, die nötigenfalls als Heizwalzen verwendet werden können.
5 zeigt eine Ansicht einer Ausführungsform eines Transfixierelements 7, welches in der Form eines Bandes, einer Folie, eines Films oder einer ähnlichen Form sein kann. Das Transfixierelement 7 ist ähnlich wie das zuvor beschriebene Fixierband 200 aufgebaut. Das entwickelte Bild 12, das auf dem Zwischenübertragungselement 1 positioniert ist, wird über Walzen 4 und 8 mit dem Transfixierelement 7 in Kontakt gebracht und darauf übertragen. Die Walze 4 und/oder die Walze 8 können Wärme damit verbunden aufweisen oder auch nicht. Das Transfixierelement 7 bewegt sich in der Richtung von Pfeil 13. Das entwickelte Bild wird auf ein Kopiersubstrat 9 übertragen und darauf fixiert, wenn das Kopiersubstrat 9 zwischen den Walzen 10 und 11 vorwärts bewegt wird. Die Walze 10 und/oder die Walze 11 können Wärme damit verbunden aufweisen oder auch nicht.
Die Oberflächenschicht umfasst ein Polyimid-Aerogel (auch als Polyimidschaum bezeichnet). Die Polyimid-Aerogelschicht wird auf das Substrat (wenn keine Zwischenschicht vorhanden ist) oder auf die Zwischenschicht aufgetragen. Die Polyimid-Aerogelschicht stellt einen Träger für das Fluorpolymer bereit, das in allen Poren des Aerogels durchgehend dispergiert wird. Folglich minimieren Fixierlemente mit einem Oberflächenschicht-Polyimid-Aerogel, das ein Fluorpolymer im gesamten Aerogel durchgehend dispergiert aufweist, Papierschaden, stellen eine verbesserte Fixierleistung bereit, ermöglichen eine größere Medienauswahl, verbessern die Bildqualität und erhöhen die Energieeffizienz.
Das Polyimid-Aerogel oder der Polyimidschaum zur Verwendung als eine Oberflächenschicht in einem Fixierelement stellt Wärmebeständigkeit und -isolierung bereit. Das Polyimid-Aerogel weist eine Dichte von etwa 0,1 gm/cm³ bis etwa 0,5 gm/cm³ oder von etwa 0,15 gm/cm³ bis etwa 0,45 gm/cm³ oder von etwa 0,2 gm/cm³ bis etwa 0,4 gm/cm³ auf. Das Polyimid-Aerogel weist einen Oberflächenbereich von etwa 100 m³/g bis etwa 550 m³/g oder von etwa 150 m³/g bis etwa 450 m³/g oder von etwa 200 m³/g bis etwa 400 m³/g auf. Das Polyimid-Aerogel weist einen Porendurchmesser von etwa 2 nm bis etwa 200 nm oder von 5 nm bis etwa 180 nm oder 10 nm bis etwa 150 nm auf.
Die Polyimid-Aerogelschicht wird durch Auftragen einer Zusammensetzung hergestellt, die ein Gel bildet. Das Lösungsmittel wird aus dem Polyimidgel extrahiert. Nach der Extraktion des Lösungsmittels bleibt eine Polyimid-Aerogelschicht zurück, welche zum Tragen eines Fluorpolymers geeignet ist, wobei das Fluorpolymer in allen Poren des Aerogels durchgehend dispergiert wird.
Polyimidgele werden hergestellt, indem eine Zusammensetzung eines oder mehrerer anhydridüberkappter Polycarbamoylcarbonsäure-Oligomere und eines oder mehrerer Multiamine (Diamine oder Triamine) in einem Lösungsmittel aufgetragen wird, um ein Gel zu bilden. Die Multiamine vernetzen die Polycarbamoylcarbonsäure-Oligomere durch eine Imidisierungsreaktion, um eine Polyimidgelschicht zu bilden. Nach Abschluss der Imidisierungsreaktion wird das Lösungsmittel durch Lösungsmittelextraktion entfernt, um eine Polyimid-Aerogelschicht bereitzustellen. Die Lösungsmittelextraktion kann durch superkritisches CO₂ erreicht werden. Die Polyimid-Aerogelgießfolien besitzen eine ausgezeichnete Flexibilität, hohe Zugfestigkeiten (d. h. 4 bis 9 MPa) und hohe Zersetzungsanfangstemperaturen (d. h. 460 °C bis 610 °C).
Die offenbarten anhydridüberkappten Polycarbamoylcarbonsäure-Oligomere umfassen eine von einer Polycarbamoylcarbonsäure von Pyromellitsäuredianhydrid, einer Polycarbamoylcarbonsäure von Pyromellitsäuredianhydrid, einer Polycarbamoylcarbonsäure von Biphenyltetracarbonsäuredianhydrid, einer Polycarbamoylcarbonsäure von Biphenyltetracarbonsäuredianhydrid, einer Polycarbamoylcarbonsäure von Benzophenontetracarbonsäuredianhydrid, einer Polycarbamoylcarbonsäure von Benzophenontetracarbonsäuredianhydrid und dergleichen sowie Mischungen davon.
In Ausführungsformen werden die anhydridüberkappten Polycarbamoylcarbonsäure-Oligomere aus der Reaktion eines Dianhydrids und eines Diamins gebildet. Geeignete Dianhydride umfassen aromatische Dianhydride und aromatische Tetracarbonsäuredianhydride, wie beispielsweise 9,9-Bis(trifluormethyl)xanthen-2,3,6,7-tetracarbonsäuredianhydrid, 2,2-Bis(3,4-dicarboxyphenyl)hexafluorpropandianhydrid, 2,2-Bis((3,4-dicarboxyphenoxy)phenyl)hexafluorpropandianhydrid, 4,4'-Bis(3,4-dicarboxy-2,5,6-trifluorphenoxy)octafluorbiphenyldianhydrid, 3,3',4,4'-Tetracarboxybiphenyldianhydrid, 3,3',4,4'-Tetracarboxybenzophenondianhydrid, Di-(4-(3,4-dicarboxyphenoxy)phenyl)etherdianhydrid, Di-(4-(3,4-dicarboxyphenoxy)phenyl)sulfiddianhydrid, Di-(3,4-dicarboxyphenyl)methandianhydrid, Di-(3,4-dicarboxyphenyl)etherdianhydrid, 1,2,4,5-Tetracarboxybenzendianhydrid, 1,2,4-Tricarboxybenzendianhydrid, Butantetracarbonsäuredianhydrid, Cyclopentantetracarbonsäuredianhydrid, Pyromellitsäuredianhydrid, 1,2,3,4-Benzentetracarbonsäuredianhydrid, 2,3,6,7-Naphthalentetracarbonsäuredianhydrid, 1,4,5,8-Naphthalentetracarbonsäuredianhydrid, 1,2,5,6-Naphthalentetracarbonsäuredianhydrid, 3,4,9,10-Perylentetracarbonsäuredianhydrid, 2,3,6,7-Anthracentetracarboxnsäuredianhydrid, 1,2,7,8-Phenanthrentetracarbonsäuredianhydrid, 3,3',4,4'-Biphenyltetracarbonsäuredianhydrid, 2,2',3,3'-Biphenyltetracarbonsäuredianhydrid, 3,3',4-4'-Benzophenontetracarbonsäuredianhydrid, 2,2',3,3'-Benzophenontetracarbonsäuredianhydrid, 2,2-Bis(3,4-dicarboxyphenyl)propandianhydrid, 2,2-Bis(2,3-dicarboxyphenyl)propandianhydrid, Bis(3,4-dicarboxyphenyl)etherdianhydrid, Bis(2,3-dicarboxyphenyl)etherdianhydrid, Bis(3,4-dicarboxyphenyl)sulfondianhydrid, Bis(2,3-dicarboxyphenyl)sulfon, 2,2-Bis(3,4-dicarboxyphenyl)-1,1,1,3,3,3-hexafluorpropandianhydrid, 2,2-Bis(3,4-dicarboxyphenyl)-1,1,1,3,3,3-hexachlorpropandianhydrid, 1,1-Bis(2,3-dicarboxyphenyl)ethandianhydrid, 1,1-Bis(3,4-dicarboxyphenyl)ethandianhydrid, Bis(2,3-dicarboxyphenyl)methandianhydrid, Bis(3,4-dicarboxyphenyl)methandianhydrid, 4,4'-(p-Phenylendioxy)diphthalsäuredianhydrid, 4,4'-(m-Phenylendioxy)diphthalsäuredianhydrid, 4,4'-Diphenylsulfiddioxybis(4-phthalsäure)dianhydrid, 4,4'-Diphenylsulfondioxybis(4-phthalsäure)dianhydrid, Methylenbis(4-phenyleneoxy-4-phthalsäure)dianhydrid, Ethylidenbis(4-phenylenoxy-4-phthalsäure)dianhydrid, Isopropylidenbis-(4-phenyleneoxy-4-phthalsäure)dianhydrid, Hexafluorisopropylidenbis(4-phenyleneoxy-4-phthalsäure)dianhydrid und dergleichen.
Beispielhafte Diamine, die zur Verwendung bei der Herstellung der anhydridüberkappten Polycarbamoylcarbonsäure-Oligomere geeignet sind, umfassen 4,4'-bis-(m-Aminophenoxy)-biphenyl, 4,4'-bis-(m-Aminophenoxy)-diphenylsulfid, 4,4'-bis-(m-Aminophenoxy)-diphenylsulfon, 4,4'-bis-(p-Aminophenoxy)-benzophenon, 4,4'-bis-(p-Aminophenoxy)-diphenylsulfid, 4,4'-bis-(p-Aminophenoxy)-diphenylsulfon, 4,4'-Diamino-azobenzen, 4,4'-Diaminobiphenyl, 4,4'-Diaminodiphenylsulfon, 4,4'-Diamino-p-terphenyl, 1,3-Bis-(gamma-aminopropyl)-tetramethyl-disiloxan, 1,6-Diaminohexan, 4,4'-Diaminodiphenylmethan, 3,3'-Diaminodiphenylmethan, 1,3-Diaminobenzen, 4,4'-Diaminodiphenylether, 2,4'-Diaminodiphenylether, 3,3'-Diaminodiphenylether, 3,4'-Diaminodiphenylether, 1,4-Diaminobenzen, 4,4'-Diamino-2,2',3,3',5,5',6,6'-octafluorbiphenyl, 4,4'-Diamino-2,2',3,3',5,5',6,6'-octafluordiphenylether, Bis[4-(3-aminophenoxy)-phenyl]sulfid, Bis[4-(3-aminophenoxy)phenyl]sulfon, Bis[4-(3-aminophenoxy)phenyl]keton, 4,4'-Bis(3-aminophenoxy)biphenyl, 2,2-Bis[4-(3-aminophenoxy)phenyl]-propan, 2,2-Bis[4-(3-aminophenoxy)phenyl]-1,1,1,3,3,3-hexafluorpropan, 4,4'-Diaminodiphenylsulfid, 4,4'-Diaminodiphenylether, 4,4'-Diaminodiphenylsulfon, 4,4'-Diaminodiphenylmethan, 1,1-Di(p-minophenyl)ethan, 2,2-Di(p-aminophenyl)propan und 2,2-Di(p-aminophenyl)-1,1,1,3,3,3-hexafluorpropan und dergleichen sowie Mischungen davon.
Beispielhafte Multiamine, die zum Vernetzen von anhydridüberkappten Polycarbamoylcarbonsäure-Oligomeren geeignet sind, umfassen Diamine und Triamine. Die vorstehend aufgeführten Diamine können zum Vernetzen der dianhydridüberkappten Poly(carbamoylcarbon)säure-Oligomere verwendet werden. Beispiele für zusätzliche Multiaminverbindungen umfassen 1,3,5-Triaminophenoxybenzen, 1,3,5-Triaminobenzen, Cyclohexan-1,3,5-triamin, 1,3,5-Triazin-2,4,6-triamin, 1,3,5-Triazin-2,4,6-triamin, N2-(4,6-Diamino-1,3,5-triazin-2-yl)-1,3,5-triazin-2,4,6-triamin, N2-(4,6-Diamino-1,3,5-triazin-2-yl)-1,3,5-triazin-2,4,6-triamin, N2-(4,6-Diamino-1,3,5-triazin-2-yl)-1,3,5-triazin-2,4,6-triamin, N2-(4,6-Diamino-1,3,5-triazin-2-yl)-1,3,5-triazin-2,4,6-triamin, N2-(4,6-Diamino-1,3,5-triazin-2-yl)-octa(aminophenyl)silsesquioxan.
Die anhydridüberkappten Polycarbamoylcarbonsäure-Oligomere und Multiamine sind zum Beispiel in einem Gewichtsverhältnis von Diamin oder Triamin zu Polycarbamoylcarbonsäure-Oligomeren von etwa 1 Prozent bis etwa 5 Prozent und insbesondere in einem Gewichtsverhältnis von etwa 2 Prozent ausgewählt. Die zuvor erwähnten Anhydride und Diamine und Triamide werden einzeln bzw. als ein Gemisch verwendet. Ein Dianhydrid und ein Diamin werden bei Raumtemperatur in einem aprotischen organischen Lösungsmittel, wie beispielsweise NMP, DMAc oder DMF gemischt, um eine Polycarbamoylcarbonsäure zu bilden. Das Triamin wird der Polycarbamoylcarbonsäurelösung zugegeben, und anschließend werden Essigsäureanhydrid und Pyridin zur chemischen Imidisierung zugegeben. Ungefähr 20 min nach der Zugabe von Essigsäureanhydrid und Pyridin werden Gele gebildet. Nach 12-stündiger Alterung wird das Gel mit einer Reihe von Lösungen extrahiert, die eine Lösung von 75 Gewichtsprozent NMP in Aceton, 25 Gewichtsprozent NMP in Aceton und 100 Prozent Aceton umfassen. Das Lösungsmittel wird durch Extraktion mit superkritischem CO₂ bei 31 °C und 1100 bis 1400 psi extrahiert und anschließend unter Vakuum bei 80 °C getrocknet.
Die Zusammensetzung von Polycarbamoylcarbonsäure-Oligomeren und Amin umfasst ein Lösungsmittel. Beispiele des Lösungsmittels, das zur Bildung der Zusammensetzung ausgewählt wird, umfassen Toluol, Hexan, Cyclohexan, Heptan, Tetrahydrofuran, Methylethylketon, Methylisobutylketon, N,N’-Dimethylformamid, N,N’-Dimethylacetamid, N-Methylpyrrolidon (NMP), Methylenchlorid und dergleichen sowie Mischungen davon, wobei das Lösungsmittel zum Beispiel in einer Menge von etwa 70 Gewichtsprozent bis etwa 95 Gewichtsprozent und von etwa 80 Gewichtsprozent bis etwa 90 Gewichtsprozent bezogen auf die Mengen im Beschichtungsgemisch ausgewählt ist.
Nach der Bildung der Polyimidgelschicht muss das Lösungsmittel aus dem Gel entfernt werden. Dies wird durch Ersetzen des Lösungsmittels durch superkritisches CO₂ und Vakuumtrocken zum Entfernen des CO₂ erreicht, um die Poren im Gel intakt zu lassen. In Ausführungsformen kann das Lösungsmittel der Beschichtungslösung gegen ein zweites Lösungsmittel, wie beispielsweise Aceton, ausgetauscht werden, das im superkritischen CO₂ löslich ist, was die Entfernung des Lösungsmittels verbessert. Die Bedingungen für das Entfernen des CO₂ umfassen eine Temperatur von etwa 31 °C und einen Druck von etwa 1100 psi bis etwa 1400 psi.
Nach dem Bereitstellen der Polyimid-Aerogelschicht auf dem Fixierelement wird ein Fluorpolymer bereitgestellt, das im gesamten Polyimid-Aerogel durchgehend dispergiert wird. Die Polyimid-Aerogelbeschichtung wird durch Auftragen einer NMP-Lösung eines oligomeren Polyimids auf ein Substrat durch Tauchbeschichten oder Fluten hergestellt. Nach dem Bilden und 24-stündigen Altern der Gelschicht wird sie mit einer Lösung von 75 % NMP in Aceton extrahiert und über Nacht eingeweicht. Anschließend wird das Lösungsmittel in 24-Stunden-Intervallen gegen 25 % NMP in Aceton und dann 100 % Aceton ausgetauscht. Vakuumtrocknen über Nacht bei 80 °C und optional superkritische CO₂-Extraktion vor dem Trocknen führen zu einer Polyimid-Aerogelschicht mit Nanoporosität (Porosität von ~90 %, 1).
Die Oberflächenschicht oder Trennschicht des Fixierelements umfasst das Polyimid-Aerogel, das ein vernetztes Fluorpolymer und ein Trennmittel durchgehend dispergiert aufweist, welches bei einer Temperatur von über etwa 100 °C eine Flüssigkeit ist.
Das vernetzte Fluorpolymer umfasst: Copolymere von zweien von Vinylidenfluorid, Hexafluorpropylen und Tetrafluorethylen; Terpolymere von Vinylidenfluorid, Hexafluorpropylen und Tetrafluorethylen; Tetrapolymere von Vinylidenfluorid, Hexafluorpropylen, Tetrafluorethylen und ein Cure-Site-Monomer; Perfluorpolyether und Siloxyfluorcarbon. Das Trennmittel umfasst Perfluorpolyether; Polysiloxane, zum Beispiel Silikonöl; fluorierte Polysiloxane; fluorierte Silane und polyedrische oligomere Silsesquioxane (POSS). Die Menge von vernetztem Fluorpolymer in der Trennschicht, die das Polyimid-Aerogel enthält, liegt im Bereich von etwa 10 Gewichtsprozent bis etwa 95 Gewichtsprozent oder in Ausführungsformen von etwa 20 Gewichtsprozent bis etwa 90 Gewichtsprozent oder von etwa 50 Gewichtsprozent bis etwa 80 Gewichtsprozent. Die Menge des Trennmittels, welches bei einer Temperatur von über 100 °C eine Flüssigkeit ist, in der Trennschicht, die das Polyimid-Aerogel enthält, liegt im Bereich von etwa 1 Gewichtsprozent bis etwa 50 Gewichtsprozent oder von etwa 5 Gewichtsprozent bis etwa 40 Gewichtsprozent oder von etwa 10 Gewichtsprozent bis etwa 20 Gewichtsprozent. Die Dicke der Trennschicht liegt im Bereich von etwa 5 µm bis etwa 400 µm oder von etwa 20 µm bis etwa 300 µm oder von etwa 25 µm bis etwa 200 µm.
Vernetzte Fluorpolymere
Geeignete vernetzte Fluorpolymere umfassen die Fluorelastomere, die zuvor für die Zwischenschicht aufgeführt wurden. Fluorkunststoffe sind zur Verwendung hierin geeignet und umfassen eine monomere Wiederholungseinheit, die aus der Gruppe bestehend aus Vinylidenfluorid, Hexafluorpropylen, Tetrafluorethylen, Perfluoralkylvinylether und Mischungen davon ausgewählt ist. Beispiele für Fluorkunststoffe umfassen Polytetrafluorethylen (PTFE); Perfluoralkoxypolymerharz (PFA); Copolymer von Tetrafluorethylen (TFE) und Hexafluorpropylen (HFP); Copolymere von Hexafluorpropylen (HFP) und Vinylidenfluorid (VDF oder VF2); Terpolymere von Tetrafluorethylen (TFE), Vinylidenfluorid (VDF) und Hexafluorpropylen (HFP); und Tetrapolymere von Tetrafluorethylen (TFE), Vinylidenfluorid (VF2) und Hexafluorpropylen (HFP) sowie Mischungen davon.
Geeignete vernetzte Fluorpolymere umfassen außerdem vernetzten Perfluorpolyether, der von Shin-Etsu (Handelsbezeichnung SIFEL^®) erhältlich ist.
wobei n eine Zahl von etwa 0 bis etwa 5000 ist.
Ein Siloxyfluorkohlenstoff-Netzwerk (SFC) ist ein geeignetes Fluorpolymer, das in das Polyimid-Aerogel eingemischt werden kann. Ein SFC-Netzwerk umfasst Alkoxysilanpräkursoren. Die Molverhältnisse der Alkoxysilanpräkursoren können geändert werden, was zu einem hochabstimmbaren System führt. Die Alkoxysilanpräkursoren können in eine flüssige Beschichtungsformulierung eingemischt werden, die aus nichtfluorierten Lösungsmitteln durch Sprühbeschichten oder Fluten direkt auf die Polymerfasermatrix aufgetragen und bei Temperaturen bei oder unter 180 °C gehärtet werden kann.
Das siloxyfluorkohlenstoffvernetzte Polymer wird durch einen chemischen Sol-Gel-Prozess gebildet. Siloxyfluorkohlenstoffmonomere werden durch einen chemischen Sol-Gel-Prozess vernetzt, wobei Hydrolyse und Kondensation von Alkoxy- oder Hydroxidgruppen stattfinden und nach dem Härten bei erhöhten Temperaturen eine Beschichtung produziert wird, die auf Fixieroberflächen verwendet wird. Das siloxyfluorkohlenstoffvernetzte Polymer kann Bedingungen hoher Temperaturen standhalten, ohne zu schmelzen oder abgebaut zu werden, ist unter Fixierbedingungen mechanisch robust und weist unter Fixierbedingungen eine gute Trennung auf.
Es können monofunktionelle, bifunktionelle oder trifunktionelle Silan-Endgruppen zur Herstellung eines siloxyfluorkohlenstoffvernetzten Polymers verwendet werden. Siloxyfluorkohlenstoffmonomere werden durch die folgende Struktur dargestellt:
wobei C_f eine lineare oder aromatische Fluorkohlenstoffkette mit 2 bis 40 Kohlenstoffatomen ist; L eine C_nH_2n-Gruppe ist, wobei n eine Zahl zwischen 0 und etwa 10 ist; und X₁, X₂ und X₃ reaktive Hydroxidfunktionalitäten, reaktive Alkoxidfunktionalitäten, unreaktive aliphatische Funktionalitäten mit etwa 1 Kohlenstoffatom bis etwa 10 Kohlenstoffatomen, unreaktive aromatische Funktionalitäten mit etwa 1 Kohlenstoffatom bis etwa 10 Kohlenstoffatomen sind, wobei alle Siloxyfluorkohlenstoffmonomere über Siliciumoxid (Si-O-Si)-Verbindungen in einem einzigen System aneinander gebunden sind, und wobei das siloxyfluorkohlenstoffvernetzte Polymer in Lösungsmitteln unlöslich ist, die aus der Gruppe bestehend aus Ketonen, chlorierten Lösungsmitteln und Ethern ausgewählt sind.
Neben den zuvor aufgeführten Monomeren kann das siloxyfluorkohlenstoffvernetzte Polymer unter Verwendung von Monomeren mit der folgenden Struktur hergestellt werden:
wobei C_f eine lineare oder verzweigte Fluorkohlenstoffkette mit 2 bis 40 Kohlenstoffatomen ist; L eine C_nH_2n-Gruppe ist, wobei n eine Zahl zwischen 0 und etwa 10 ist, wobei m eine Zahl zwischen 1 und 3 ist; und X₁, X₂ und X₃ reaktive Hydroxidfunktionalitäten, reaktive Alkoxidfunktionalitäten, unreaktive aliphatische Funktionalitäten mit etwa 1 Kohlenstoffatom bis etwa 10 Kohlenstoffatomen oder unreaktive aromatische Funktionalitäten mit etwa 1 Kohlenstoffatom bis etwa 10 Kohlenstoffatomen sind, und wobei alle Siloxyfluorkohlenstoffmonomere über Siliciumoxid (Si-O-Si)-Verbindungen in einem einzigen System aneinander gebunden sind, und wobei das siloxyfluorkohlenstoffvernetzte Polymer in Lösungsmitteln unlöslich ist, die aus der Gruppe bestehend aus Ketonen, chlorierten Lösungsmitteln und Ethern ausgewählt sind.
Neben den zuvor aufgeführten Monomeren kann das siloxyfluorkohlenstoffvernetzte Polymer unter Verwendung von Monomeren hergestellt werden, die nichtfluorierte Silanmonomere umfassen, die aus der Gruppe bestehend aus Siliciumtetraalkoxid und verzweigten Pentasilanen ausgewählt sind. Das Siliciumtetraalkoxid wird dargestellt durch:
wobei R für Wasserstoff, Methyl, Ethyl, Propyl, Isobutyl, andere Kohlenwasserstoffgruppen oder Mischungen davon stehen kann.
Die verzweigten Pentasilane können im Allgemeinen durch die folgende entsprechende Struktur dargestellt werden:
wobei X₁, X₂ und X₃ so sind, wie zuvor definiert.
Das siloxyfluorkohlenstoffvernetzte Polymer umfasst einen Fluorgehalt von etwa 20 Gewichtsprozent bis etwa 70 Gewichtsprozent oder von etwa 25 Gewichtsprozent bis etwa 70 Gewichtsprozent oder von etwa 30 Gewichtsprozent bis etwa 60 Gewichtsprozent. Der Siliciumgehalt bezogen auf das Gewicht im siloxyfluorkohlenstoffvernetzten Polymer beträgt etwa 1 Gewichtsprozent Silicium bis etwa 20 Gewichtsprozent Silicium oder etwa 1,5 Gewichtsprozent Silicium bis etwa 15 Gewichtsprozent Silicium oder etwa 2 Gewichtsprozent Silicium bis etwa 10 Gewichtsprozent Silicium.
Die Monomere sind miteinander derart vernetzt, dass alle Monomere in der gehärteten Beschichtung über Siliciumoxid (Si-O-Si)-Verbindungen molekular aneinander gebunden sind. Daher kann keine relative Molekülmasse für das siloxyfluorkohlenstoffvernetzte Polymer angegeben werden, da die Beschichtung zu einem System vernetzt ist.
Lösungsmittel, die zur Sol-Gel-Verarbeitung von Siloxyfluorkohlenstoffpräkursoren und zum Auftragen von Schichten verwendet werden, umfassen organische Kohlenwasserstoff-Lösungsmittel und fluorierte Lösungsmittel. Beispielhafte Beschichtungslösungsmittel, die Alkohole, wie beispielsweise Methanol, Ethanol, Isopropanol und n-Butanol umfassen, werden typischerweise verwendet, um Sol-Gel-Reaktionen in Lösung zu fördern. Weitere Beispiele von Lösungsmitteln umfassen Ketone, wie beispielsweise Methylethylketon und Methylisobutylketon. Es können Mischungen von Lösungsmitteln verwendet werden. Das Lösungsmittelsystem umfasst die Zugabe eines kleinen Teils Wasser, wie beispielsweise etwa 1 Moläquivalent bis etwa 10 Moläquivalente Wasser gegenüber den Gesamtmoläquivalenten Silicium, oder etwa 2 Moläquivalente bis etwa 4 Moläquivalente Wasser.
Nach der Zugabe von Wasser zur Lösung der Sol-Gel-Präkursoren reagieren Alkoxygruppen mit Wasser und kondensieren, um Agglomerate zu bilden, die teilweise vernetzt sind und als Sol bezeichnet werden. Nach dem Auftragen des teilweise vernetzten Sols auf das Polyimid-Aerogel wird bei Trocknen ein Gel gebildet, und mit der anschließenden Wärmebehandlung wird die vollständig vernetzte SFC-Beschichtung (syloxyfluorkohlenstoffvernetztes Polymer) innerhalb des Polyimid-Aeroegels gebildet.
Ein syloxyfluorkohlenstoffvernetztes Polymer löst sich nicht auf, wenn Lösungsmitteln (wie beispielsweise Ketonen, chlorierten Lösungsmitteln, Ethern usw.) ausgesetzt, wird bei Temperaturen bis zu 250 °C nicht abgebaut und ist bei höheren Temperaturen stabil. Das siloxyfluorkohlenstoffvernetzte Polymer weist eine gute Trennung auf, wenn Tonern oder anderen Kontaminanten ausgesetzt, so dass der Toner und andere druckbezogene Materialien nicht am Fixierelement haften bleiben.
Das vernetzte SFC-Polymer weist weder einen Schmelzpunkt noch eine Glasübergangstemperatur (Tg) auf. Die Oberflächenwiederherstellung hängt von der Rate ab, bei welcher das POSS durch die Matrix zur Oberfläche diffundieren kann. Sie hängt mehr von der Vernetzungsdichte ab, die von der SCF-Formulierung abhängt.
In einer Ausführungsform können Metallalkoxid(M = Si, Al, Ti usw.)-Funktionalitäten als Vernetzungskomponenten zwischen Fluorkohlenstoffketten verwendet werden. Damit Vernetzung im ganzen Verbundstoff durchgehend wirksam stattfindet, können bifunktionelle Fluorkohlenstoffketten verwendet werden. Außerdem können monofunktionelle Fluorkohlenstoffketten zugegeben werden, um den Fluorierungsgehalt anzureichern. CF₃-terminierte Ketten richten sich an der Fixieroberfläche aus, um die Oberflächenenergie zu verringern und die Trennung zu verbessern.
Bespiele für Präkursoren, die zum Bilden des Verbundstoffsystems verwendet werden können, umfassen Siliciumtetraalkoxid und siloxanterminierte Fluorkohlenstoffketten und sind im Folgenden dargestellt. Siloxanbasierte Sol-Gel-Präkursoren sind im Handel erhältlich. Die Zugabe eines Siliciumtetraalkoxids (wie beispielsweise des nachstehend dargestellten Siliciumtetraalkoxids) führt zusätzliche Vernetzung und Robustheit in das Material ein, ist aber nicht erforderlich, um das Sol-Gel-/Fluorkohlenstoff-Verbundsystem zu bilden.
Fluorkohlenstoffketten umfassen leicht erhältliche Dialkenpräkursoren, welche dann über Hydrosilierung (Reaktion 1) in Siloxane umgewandelt werden können. Monofunktionelle fluorierte Siloxanketten sind im Handel als Methyl- oder Ethylsiloxane erhältlich oder könnten aus Chlorsilan- oder Dialkenpräkursoren umgewandelt werden.
Reaktion 1: Herstellung von fluorierten Alkoxysilanpräkursoren
Die Alkoxysilanpräkursoren können geändert werden, was zu einem hochabstimmbaren System führt, und werden typischerweise aus nichtfluorierten Lösungsmitteln durch Sprühbeschichten oder Fluten direkt auf die Polymerfasermatrix aufgetragen und bei Temperaturen bei oder unter 180 °C gehärtet. Die Bildung des vernetzten SFCs innerhalb und auf der Oberseite der Polymerfasermatrix ist im Folgenden dargestellt.
Trennmittel
Das Trennmittel, das bei einer Temperatur von über 100 °C eine Flüssigkeit ist, umfasst Perfluorpolyether; Polysiloxane, zum Beispiel Silikonöl; fluorierte Polysiloxane; fluorierte Silane und polyedrische oligomere Silsesquioxane (POSS).
Polyedrische oligomere Silsesquioxane (POSS) mit Perfluoralkylsubstituenten sind geeignete Trennmittel und ähneln chemisch den zuvor beschriebenen vernetzten Polymeren, was die Auflösung und Dispersion von POSS innerhalb des vernetzten Polymers ermöglicht.
Polysiloxane, zum Beispiel Silikonöl; fluorierte Polysiloxane; fluorierte Polysilane sind allgemein bekannte Trennmittel, die in elektrofotografischen Vorrichtungen verwendet werden.
Ein geeigneter Perfluorpolyether zur Verwendung als Trennmittel wird in US-Patent 7,491,435 beschrieben, das in seiner Gesamtheit hierin aufgenommen wird. Beispiele von geeigneten Trennmitteln umfassen jene mit der folgenden Skeletformeln I oder II: CF₃-(CF.₂CF₂)_m-O-(R₁R₂O)-(R₃R₃O)_n-(R.₃O)_p-(CF₂)_q-CF₃ (Formel I) wobei R₁ für CF₂, CF-CF₃ oder -NHR₄ steht; R₂ für CF₂, CF-CF₃ oder --NR₄R₅ steht; und R₃ für CF₂ oder CF₃ steht, R₄ aus der Gruppe bestehend aus Wasserstoff, Alkylgruppe mit etwa 1 bis etwa 18 Kohlenstoffatomen oder etwa 1 bis 8 Kohlenstoffatomen oder etwa 1 bis etwa 6 Kohlenstoffatomen oder etwa 1 bis etwa 3 Kohlenstoffatomen, Arylalkylgruppe (wobei entweder die Alkylgruppe oder die Arylgruppe an das Siliciumatom gebunden ist)) mit etwa 7 bis etwa 18 Kohlenstoffatomen oder etwa 7 bis etwa 9 Kohlenstoffatomen, mercapto-, hydrid- oder carbinolfunktioneller Gruppe ausgewählt ist; R₅ aus der Gruppe bestehend aus Alkyl mit etwa 1 bis etwa 20 Kohlenstoffen oder etwa 1 bis etwa 10 Kohlenstoffen, wie beispielsweise Methyl, Ethyl, Butyl und dergleichen, und einem Fluoralkyl mit etwa 2 bis etwa 10 Kohlenstoffen, wie beispielsweise Fluormethyl, Fluorbutyl, Difluorethyl, und dergleichen, ausgewählt ist; m eine Zahl von 0 oder 1 ist; n eine Zahl von etwa 0 bis etwa 500 oder etwa 200 bis etwa 350 ist; p eine Zahl von etwa 0 bis etwa 100 oder etwa 50 bis etwa 75 ist; q eine Zahl von 0 oder 1 ist; und p + n eine Zahl von etwa 100 bis etwa 500 oder etwa 250 bis etwa 425 ist; und CF₃-(CF₂CF₂)_m-O-(R₂R₂O)_n-(R₂O)_p-(CF₂)_q-CF₂-R₁ (Formel II) wobei R₂ aus der Gruppe bestehend aus CF₂ und CF-CF₃ ausgewählt ist; m eine Zahl von 0 oder 1 ist; n eine Zahl von etwa 0 bis etwa 500 oder von etwa 200 bis etwa 350 ist; p eine Zahl von etwa 0 bis etwa 100 oder von etwa 50 bis etwa 75 ist; q eine Zahl von 0 oder 1 ist; und p + n eine Zahl von etwa 100 bis etwa 500 oder von etwa 250 bis etwa 425 ist. Die vorstehenden Alkylgruppen können lineare, verzweigte, cyclische und ungesättigte Alkylgruppen umfassen.
Zusätzliche Perfluorpolyether, die von Shin Etsu erhältlich sind, umfassen:
wobei n eine Zahl von etwa 0 bis etwa 500 ist.
In Ausführungsformen weist das Perfluorpolyether-Trennmittel eine Viskosität von etwa 75 bis etwa 1.500 cS oder von etwa 100 bis etwa 1.000 cS auf, wenn das Trennmittel mit Toner verwendet wird.
Polyedrische oligomere Silsesquioxane (POSS) mit längeren Perfluoralkylsubstituenten sind geeignete Trennmittel. Sie sind die hydrophobsten kristallinen Feststoffmaterialien, die bekannt sind, und ihre Einmischung in die Trennschicht aus Fluorpolymer und Polyimid-Aerogel senkt die freie Oberflächenenergie (SFE) und verbessert die Tonertrennung. Außerdem bedeutet der niedrige Schmelzpunkt dieser perfluorierten POSS-Materialien von weniger als 100 °C, dass das POSS während des Fixierens in der Schmelzphase ist, was zu einer „nachhaltigen Trennung“ von Toner führen kann, da das POSS migriert und die Oberflächenschicht des Fixierelements nachfüllt und wiederherstellt.
Das fluorierte polyedrische oligomere Silsesquioxan wird dargestellt durch:
wobei R_f eine lineare aliphatische oder aromatische Fluorkohlenstoffkette mit 2 bis 40 Kohlenstoffatomen ist. In Ausführungsformen ist Rf CH₂CH₂CF₂CF₂CF₂ CF₃ (Fluorhexyl) oder CH₂CH₂CF₂CF₂ CF₂CF₂CF₂ CF₃ (Fluoroctyl) oder CH₂CH₂CF₂CF₂ CF₂CF₂ CF₂CF₂CF₂ CF₃ (Fluordecyl).
Alternativ kann eine Mischung aus funktionellen Silikonmaterialien und nichtfunktionellem perfluoriertem Polyether-Trennmittel und POSS verwendet werden, um die Vorteile von beiden individuellen Trennmitteln zu vereinen.
Es erfolgte die Herstellung einer Polyimid-Aerogelbeschichtung. Eine Lösung von Biphenyl-3,3’,4,4’-tetracarbonsäuredianhydrid (BPDA) (2,395 g, 8,15 mmol) und 4,4’-Oxydianilin (ODA) (1,58 g, 7,9 mmol) in 25 ml n-Methylpyrrolidin (NMP) wurde bei Raumtemperatur unter Argongas für 30 min gerührt. Der Lösung wurde eine Lösung von 1,3,5,-Triaminophenoxybenzen (TAB) (0,175 mmol, 0,07 g) in 8 ml NMP zugegeben. Die Lösung wurde für 1 Stunde gerührt, und anschließend wurden der Lösung Essigsäureanhydrid (65 mmol, 6,15 g) und Pyridin (65 mmol, 5,14 g) zugegeben. Die Lösung wurde auf ein Polyimid-Bandsubstrat aufgetragen, und innerhalb von 20 Minuten wurde eine Gelschicht gebildet. Die Gelschicht wurde für 24 Stunden gealtert. Nach dem Altern wurde das Gel mit einer Lösung von 75 % NMP in Aceton extrahiert und über Nacht eingeweicht. Das Lösungsmittel im Gel wurde in 24-Stunden-Intervallen gegen 25 % NMP in Aceton und dann 100 % Aceton ausgetauscht. Schließlich führten Extraktion mit superkritischem CO₂ bei etwa 1100 psi und 31 °C und Trocknen unter Vakuum zu einer Polyimid-Aerogelschicht mit einer Porosität von etwa 90 Prozent. Die Polyimid-Aerogelschicht besitzt eine ausgezeichnete Flexibilität, hohe Zugfestigkeiten (d. h. 4 bis 9 MPa) und hohe Zersetzungsanfangstemperaturen (d. h. 460 °C bis 610 °C).
Nach dem Auftragen des Polyimid-Aerogels auf eine Fixierwalze, die mit einer Silikonschicht beschichtet ist, wird eine Zusammensetzung aus vernetztem Perfluorpolyether (SIFEL^®) gemischt mit flüssigem Perfluorpolyether durch Fluten auf die Polyimid-Aerogelschicht aufgetragen. Das Gemisch von vernetztem Perfluorpolyether und flüssigem Perfluorpolyether wird durch Wärmebehandlung bei etwa 150 °C bis etwa 200 °C gehärtet. Der gehärtete Polyfluorpolyether wird in der gesamten Polyimid-Aerogelschicht durchgehend dispergiert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 7491435 [0064]

Claims

Fixierelement, umfassend: ein Substrat; eine Oberflächenschicht, die auf dem Substrat angeordnet ist, wobei die Oberflächenschicht ein Polyimid-Aerogel umfasst, das ein vernetztes Fluorpolymer und ein Trennmittel durchgehend dispergiert aufweist, wobei das Trennmittel bei einer Temperatur von über etwa 100 °C eine Flüssigkeit ist.
Fixierelement nach Anspruch 1, wobei das Trennmittel aus der Gruppe bestehend aus Perfluorpolyethern; Polysiloxanen; fluorierten Polysiloxanen; fluorierten Silanen und polyedrischen oligomeren Silsesquioxanen ausgewählt ist.
Fixierelement, umfassend: ein Substrat; eine Zwischenschicht, die auf dem Substrat angeordnet ist; eine Oberflächenschicht, die auf der Zwischenschicht angeordnet ist, wobei die Oberflächenschicht ein Polyimid-Aerogel umfasst, das ein vernetztes Fluorpolymer und ein Trennmittel durchgehend dispergiert aufweist, wobei das vernetzte Fluorpolymer etwa 10 Gewichtsprozent bis etwa 95 Gewichtsprozent der Oberflächenschicht umfasst, wobei das Trennmittel bei einer Temperatur bei 100 °C oder darüber eine Flüssigkeit ist, wobei das Trennmittel etwa 1 Gewichtsprozent bis etwa 50 Gewichtsprozent der Oberflächenschicht umfasst.
Fixierelement, umfassend: ein Substrat; eine Oberflächenschicht, die auf dem Substrat angeordnet ist, wobei die Oberflächenschicht ein Polyimid-Aerogel umfasst, das ein Siloxyfluorkohlenstoff(SFC)-vernetztes Polymer und ein fluoriertes polyedrisches oligomeres Silsesquioxan durchgehend dispergiert aufweist, wobei das Polyimid-Aerogel eine Porosität von etwa 50 Prozent bis etwa 95 Prozent aufweist, und wobei die Polyimid-Aerogelschicht Poren mit einem Porendurchmesser von etwa 2 Nanometern bis etwa 200 Nanometer aufweist, und wobei die Polyimid-Aerogelschicht eine Dicke von etwa 5 Mikrometern bis etwa 400 Mikrometer aufweist.