DE2053167A1

DE2053167A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Fixieren

Info

Publication number: DE2053167A1
Application number: DE19702053167
Authority: DE
Inventors: Charles Allen Sanders James Frederick Saint Paul Minn Donnelly (V St A) P
Original assignee: Minnesota Mining and Manufacturing Co
Current assignee: 3M Co
Priority date: 1969-10-17
Filing date: 1970-10-16
Publication date: 1971-05-06
Also published as: CA924376A; AT322355B; GB1316309A; NL7014701A; JPS5113583B1; SE359175B; ZA707064B; US3669707A; DE2053167B2; AT321721B; FR2066064A5; NL166802C; NL166802B; CH545497A

Description

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PATENTANWÄLTE Q HANS RUSCHKE ne. HEJNZ AOULAR BERLIN 33

Minnesota Mining and Manufacturing Company, Saint Paul, Minnesota 55101, V.St.A.

Verfahren und Vorrichtung zum Fixieren

Die ErfindJ-g oetrifft das Gebiet der Vervielfältigung und insbesondere die Fixierung von kleinteiligem, thermoplastischem Toner durch direkte. Berührung mit einer Siliconelastomeroberfläcne, während sich der Toner in einem besonderen, nicht-festen oder geschmolzenen Zustand befindet. Die Erfindung betrifft ferner (| ^ für ein solches Verfanren geeignete Scumelzwalze.

Das ei-findungsgemässe Verfahreri ist besonders oraucnbar zur Fixierung von Bildern aus harzartigem Pulver, die durch Elektropnotographi^ auf Aufnahmeblättern wie z.B. solchen aus Papier erzeugt worder, sind. Dieses Pulveruild kann mittels einer Reine von bekannten Arbeitsweisen erzeugt werden, welche nicht in den Geltungsbereich der Erfindung fallen. Die Pulver oder Toner, auf die sich die Erfindung bezieht, sind allgemein in der Wärme erweichend; dazu gehören z.B. Toner, die thermoplastische Harze enthalten.

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Die bisherigen Fixierungstechniken für in der Wärme erweichende Tonerpulver umfasster, aas Erhitzen mittels einer Wärae ausstrahlenden Vorrichtung wie z.B.· durch Wendeldrähte oder Heizlampen; Beispiele hierfür sind in den USA-Patentschriften 3 432 639; 3 448 970; 3 449 546 und 3 452 181 beschrieben.■Diese Arbeits- . ■ weisen haben sich als unbrauchbar erwiesen, da man das Blatt, im allgemeinen Papier, auf eine Temperatur nahe der Verkohlungstemperatur über längere Zeiträume erhitzen muss, wobei in einigen Fällen das Papier verbrennt. Es wurde deshalb eine Fixierungstechnik entwickelt, bei der man eine erhitzte Oberfläche verwendet, welche in direkte Berünrung mit dem in der Wärme erweichenden, harzartigen Toner gelangt. Im allgemeinen wird dies mit Hilfe eines Paares von'Haltewalzen durchgeführt, von denen die eine eine Schmelzwalze mit einer Oberfläche an ihrem Umfang, welche eine geringe Affinität für geschmolzenen oder erweichten Toner besitzt-, (In der Technik allgemein ale Abhäslon bezeichnet) und die andere eineDruck- oder Gegenwalze ist, die gewöhnlich einen federnden Oberflächenbelag hat. Die Schmelzwalze und/oder die Druckwalze können von innen erhitzt werden, um die Wärme zum Erweichen des thermoplastischen Toners zu liefern, Ein Blatt, im allgemeinen Papier, das ein thermoplastisches Pulverbild trägt * wird durch den Spalt oder den Berührungsbereich der beiden oben ! beschriebenen Walzen geführt,, um das Pulverbild zu fixieren. Hierbei treten Probleme hinsichtlich der verwendeten Ooerflachenmaterialien auf, wobei das schwerwiegendste darin besteht, ciass einige Teilchen des Toners an der Oberfläche der Scnmel-iwal^e haften bleiben können, wenn der Toner so erweicht ist, dass er die erfoderliche Haftfähigkeit am Blatt aufweist. Dies verursacht eine Spaltung des Bildes und führt zu einem teilweisen oder "Geisterbild" auf dem nächsten Blatt, wodurch ein Bild entsteht, das in der rervielfältigungst*ciüJ.k gewöhnlich als ^wOf»et·* bild¹¹ bezeichnet wird.

Das Problem des Offsetbildes hat die Zusammensetzung der mit dem Toner in Berührung konmienden Oberflächen auf bestimmte Materialien mit sehr hohen Freigabe- oder Abnäsionseigenschaften beschränkt. '

_Ä _{ΛΛ ΛΛ} BADQRIGJMAL

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Dies hat zu komplizierten Fi xi er ungs systemen geführt, s.B.

solche, bei denen Haltewalzen verwendet werden, die mit einem..

Tetrafluoräthylenharz wie Teflon beschichtet sind, sowie einem System zur Verteilung eines Siliconöls auf den.erhitstea Waisen.

Bei diesem aufwendigen System, das s.B. in den USA-Patantscuriften 3 291 466; 3 331 592; 3 449 548 und 3 452 I8I beschrieben wird, werden bei den Systemen zur Aufgabe der Flüssigkeit Probleme angetroffen, wenn die Flüssigkeitsquelle erschöpft ist, oder wenn die Flüssigkeit ur.g,leic:iMässig auf der Oberfläche de-¹ erhitzten WaI^e verteilt wird, wodurcu Wartezeit zum Auffüllen des Vorratsbehältox's oder aas Auswechseln der Auftragsvorrichtung eriOrder*- lich sind, bevor die Vorrichtung erneut auf wirksame Weise in Betrieb genommen werden kann. Da die erfindungsgemässe, mit deir. \ Toner in Berührung kommende Oberfläche ohne die Notwendigkeit solcher Flüssigkeiten arbeitet, werden die mit diesen verbundenen Probleme ausgeschaltet.

Die Erfindung schlägt ein Verfahren und einen Gegenstand zur raschen Fixierung von Tonerbildern ohne Spaltung der Bilder oder Entstehung von Offsetbildern vor·

Gemäss der Erfindung wird ein Verfahren zum Fixieren von thermoplastischem Toner vorgeschlagen, bei dem man eine Aufnahmeoberfläche, die thermoplastischen Toner trägt, mit einer Silicon- ; elastoiiieroberf lache über einen solchen Zeitraum und bei einer solchen Temperatur in Berührung bringt, dass der in Berührung ™ stehende Toner in einem Zustand vorliegt, In welchem sein kohäsiver Zusammenhalt grosser als die Adhäsionskraft·, die durch das Siliconelastomer auf den Toner ausgeübt wird, ist, und in welchem die Adhäsionskraft zwischen dem thermoplastischen Toner , und der Aufnahmeoberfläche grosser als die Adhäsionskraft zwischen dem th#reoplastischenJToner und dem Siliconelastoder 1st; und ! bei dem man die Aufnahmeoberfläche von der Sillconelastomerober- ■ fläche trennt, während sich der thermoplastische Toner in dem , genannten Zustand befindet, wodurch der thermoplastische· Toner praktisch vollständig in einer fixierten Stellung auf der Aufnahme·» oberfläche verbleibt.

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FIg. 1 zeigt eine AuBnjhrungsforni einer SiHo one last ome^fcör-, die an einer Walze befestigt ist. ,. .

F.ig. 2 ist eine Quersehnitfcsdarßteilung von Haltewalzen, die « für die Ausführung der Erfindung geeignet sind.

; In Fig. 1 wird die Walae IO gezeigt, die die Zapfe» 11 aur.

■ und einen Silicone las tomerbelim IjJ* 4er auf dem zylindrii|ök*n. Teil 12 aufgebracht ist, weiohöo $9Lß* Vorriciitung zur Sraeugung ■

J von Wa rrae bis zu 200° C für den "Öfelag 13 enthalten kann, aufweist.

Fig..2 zeigt ein Paar von Haltewalzen 20 und 30 in DruokbeZiehung, wobei ein Spalt 31 erzeugt wird, durch welchen ein Blatt 27 mit einem Pulverbild geführt wii'd. Um das Absetzen von Toner an die Walze 20 zu verhindern, ist die Oberfläche ihres Umfaages mit einem Belag 23 aus Siliconelastomer versehen.

Die Wulzen 20 und 30 werden auf übliche Weise so gegeneinander gedreht, dass dais Blatt 27 hindurchgezogen wird. Wenn diese Kombination als Fixierung«- oder Schmelzvorrichtung für den Toner verwendet wird, werden entweder die Walze 20 oder die Walze 30 oder beide erhitzt, oder die Wärme kann durch eine Extravorriohtung vor dem Eintritt des Blattes 27 in den Spalt 31

»ι Qaß

; zugeführt werden. Während das Blatt 27, welches ««te- Pulverbild trägt, in den erhitzten Spalt 31 gezogen wird, wird das Pulverbild 28 fixiert, und das permanente Bild 29 entsteht. Die Walze 20wird üblicherweise in Fixlerungsvorrichtungen als Schmelzwalze bezeichnet, wobei die Wälze eine direkte Berührung mit djm Tonerbild herstellen und imstande sein muss, den Toner zu fixie-

! ren, ohne geschmolzenen Toner zurückzuhalten, der ein Offeetbild : auf dem folgenden Blatt hervorrufen würde.

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Die Walze 30, die Gegen- oder Druckwalze, kann in bestimmten Fällen einen Siliconbelag 26 aufweisen, der auf den Kern £g> . aufgebracht 1st; -unter Betriebsbedingungen, wo diese Walze., nicht mit dem Toner in Berührung gelangt, ist dies jedoch nioht erfor-

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BAt) ORtO)NAL

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derlich.

Die Fixierungswal2e 20 wird mit einer OberfläcnengeschwlndiEkeit von 5 bis 76 cm/see und bei eir.er· solci.eri Temperatur, dass der Toner in einem geschmolzenen, nicht übertragenden Zustand vov>llegt, betrieben. Die Temperatur liegt im allgemeinen im Bereich vor. 100 bis 200° C, abhängig von der Oberflächengeschrtindigkeit und physikalischen Eigenschaften des Toners. Die Seziehung Zeit-Temperatur des Toners in dem erhitzte:: Spalt j51 regelt die Überführung des Toners in den gewünschten Zustand, wie nachfolgend 'erläutert wird, und seine Fixierung auf dem Aufnahnaeblatt 27 ohne Zurückbleiben auf der Siliconelastomeroberfläch« 22. Die Verweilseit des Toners in dem erhitzten Sp&lt kann-auf verseiledene Weise geragelt weiden, 2..B. dur-ch Einstellung der Walzengeschwindigkeit oder der Spalfcbreite, wobei letztere durch Änderung des Druckes auf den Spalt oder der Verformbarkeit der Spaltmaterialien herbeigeführt wird. Diese F&kt^öen sowie auch die Temperatur werden eo variiert, dass die geeignete Beziehung zwischen Zeit und Temperatur erreicht wird, um den Toner in den gewünschten geschmolzenen Zustand, in dem er weder vollständig ι noch teilweise übertragen wird, während der Fixierung zu über- ^f führen.

Das Schmelzen des thermoplastischen Toners wird gemäss der Erfindung unter Ausnutzung von Kräften und Eigenschaften, die den bei dem Verfahren verwendeten Materialien, d.h. deni Siliconelastomer, dem thermoplastischen Toner und verschiedenen Aufnahjneoberflächen» auf deinen der Toner fixiert wird, innewohnen· Wörm üsr thermoplastische Toaer mit. uer erhitzten SiXiconobörfläaho H-. BUi JiIM, mÜBumi be«i;iim·^« BwdJ-tigungen hörrnci-Osb um der iMxicu-irg des Toners &n£ -..v Äai*

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Oberfläche ausgeübt wird, und die Adiiäßionßkraft zwischen dem Toner und der Siliconelastomeroberfläohe muss geringer als die Adhäsionskraft zwlschendem Aufnahraeblatt und dem geschmolzenen Toner sein. Die Bezeichnung ^grofc", wie sie hier verwendet wird, bezieht sich auf die gesamte Masse des thermoplastischen Toners und nicht auf einzelne Teilchen·

Die für die Ausführung der Erfindung erforderlichen Siliconelastomere werden durch Härtung oder weitere Polymerisation von Silioonkautsoliuken hargestellt. Siliconelastomere besitzen eine Adhäsionseigenschaft, die in Form des Frei gabewertes quantitativ angegeDen werden kann· Freigabewerte werden au/ einer "inetron¹¹-Maschine, Model TM ermittelt, die mit einer Querkopfgeso3awindigkeit von 30 cm/min und einer MesQtreifengeschwindigkeit von 5 cm/min betrieben wird. Es wird eine wasserfestes Klebeband der Fa. Johnson and Johnson, Marke "Red Cross" von 2,5 gsb verwendet, wobei nur eine Rolle alt einer Zurüakhaltungekraft von etwa 450 (425 - ^75) g# gemessen b·! 27° C auf einem Versuohbleeh von 0,6096 mm au« roetfreiem Stahl Ho. 4 oberfIachenbenanctelt, ausgewählt wird. Um entweder die Zurüoklmltungekraft des zu verwendenden Bandes oder den Freigabewert einer Probe zu bestimmen, wird ein Streifen de« Bandes von 25 cm auf eine Platte von 15 χ 3,8 cm aufgebracht,, indea man eine 2 kg schwere Bandwalze mit Kautschuk-Oberfläche zweimal über das Band rollt, wobei nur da» Gewicht der Walae ausgenutzt wird. Die Probe wird eofort in die Instronmasöhine gebracht, um die Kraft ln^_# die erforderlich 1st, um das Band in einem Winkel von l80° fbzuziehen, wird bestimmt. Die zum Abziehen des Bandes erforderliche Kraft wird als "Freigabewert" bezeichnet; Je grosser der Freigabewert iet, desto grüssere Adhäsion hat zwischen dem Klebeband und der Oberfläche bestanden.

Ein kleiner Freigabewert zeigt einen ttuerzug mit guter Frei^-bewirkung an, ein holier Freigaoewert zeigt elr.en tfeer^ug mit unwirksamer Freigabe an. Standardversuciie über Freigabe*erte sinu in "TAPPl" (Technical Association tov fcne Pulp and .Pi.per Incustry·), Band 43, Ni-. p, Seite l6^A (August 1900). und "TA ^PI Routine

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Control Method RC-SSj, Quality of Release Coatings", herausgegeben i960, -beschrieben· Zanlreiehe Silieonelastorneroberf lachen haben Freigabewerte vo^ nur O,h g/cra und nicht über 12 g/cm ergeben. Solche Materialien sind für das erfindungsgetnässe Verfahren zufriedenstellend. !Materialien, clie einen Freigabewert von mehr als 40 o/cm besitzen, .bilden keine geeignete Berührungoberfläche für <len Toner-, da ein Teil des Toners, wenn er gescuruolzen ist und sich in Berührung mit der Oberfläche befindet, von dem Aufnahmeblatt übertragen wird» und somit das zu fixierende Bild gespalten wird. Das als nächstes geschmolzene Blatt wiLde dann dem auf der Elastomeroberflache zurückgebliebenen Toner ausgesetzt, und ein Offsetbild würde sich ergeben.

Abhängig von dem ευ verwendenden Har.tungsniechanisrnus werden spezielle Siliconkautsehuke hergestellt, die alle die zentrale, wiederkehrende lineare Einheit

R
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Si-O
1

aufweisen, wobei η einen Wert von nur 2 oder sogar 20 000 oder darüber haben kann, und wobei sänStliehe Reste R in der Kette dieselbe oder unterschiedliche Bedeutung haben können, wobei jeder einzelne Rest R eine einwertige Alkyl- oder Aalgruppe, j halogönierte Alkyl- oder Ary!gruppe oder danoalkylgruppe sein ; kann, wobei nicht mehr als einige Prozente aller Reste R Vinyl-J Phenyl- oder halogenierte Vinyl- oder Phenylgruppen sind, und wobei der Hauptanteil der Reste R gewöhnlich Methylgruppen ! sind. Wenn das Siliconelastomer zur Einverleibung eines Püll- | steif es mit geringer Obei'flächenenergie vermählen werden soll, hat π -einen solchen Wert, dass der Kautschuk ein Molekulargewicht aufweist, b*ei dem er sich vermählen lässt. Dlmethylpolysiloxane, die 1 bis 4 Mol-.' Vinylsuostituenfcen an der Hauptkette enthalten, werden bevorzugt. Aufgrund seiner Verträglichkeit mit

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Teflon ist ein weiterer bevorzugter Kautschuk ein solcher, der Methyl- und Perfluoralkylgruppen als Reste R enthält·

Siliconelastomere, die durch Weiterpolymerisation der oben erläuterten Kautschuke gebildet worden sind, können im allgemeinen als sehr geringfügig vernetzte (gehärtete) Dimethy!polysiloxane * mit hohem duronscixnltt lichen Molekulargewicht, z.B. 100 000 1 000 000, charakterisiert werden. Die Geringfügigkeit der Vernetzung zeigt sich in R/Si-Verhältnissen nahe 2, im allgemeinen oberhalb 1,95 oder sogar über 1,99, und im allgemeinen unterhalb 2,1 oder sogar unterhalb 2,01, wobei gewöhnlich 200 - 500 Dirne-· thyleinheiten zwischen Vernetzungsetellen vorliegen. Im Gegensatz dazu fallen die stärker vernetzten Siliconharze, die man üblicherweise in der Technik als brauchbar erachtet, in den R/Si-Verhältnißbereioh von 1,2-1,5.

Beispiele für vermahlbare Siliconkautschuke, die für die Ausführung der Erfindung geeignet sind, sind Dimethylpolysiloxan unter dem Handelenamen "Silastle 400", polymerlsiertes Vinyldimethylpolysiloxan unter dem Handelsnamen "Silastio⁽43OY, polymerisiertes Vinyl- und Rienolpolysiloxan unter der Handelsbezeichnung "Silastic 44O^w, polym«risiertes Trifluorpropyl- und Vinyldimethylpolysiloean unter der Handelsbezeichnung "Silastlc LS 420" und dgl. Der bevorzugte Kautschuk ist polymerisiertes Vinyldlmethylpolysiloxan unter der Handelsbezeichnung "Sllastic 430", jedoch sind auch andere in gleicner Weise verwenüldi'.

Auch andere Siliconelastomere können gemäss der Erfindung verwendet werden. Beispiele dafür sind feuchtigkeltshärtende Siliconkautschuke, wie z.B. diejenigen mit Acetoxy-Endgruppen, sowie die bei Raumtemperatur vulkanisierbaren Silicone, wie z.B. diejenigen, die unter Verwendung von Katalysatoren wie Dibutylzinndilaurat, Zinnoctoat und 31eioctoat gehärtet werden.

Die Art de» Füllstoffes, der mit den Siliconelastomeren vermischt wird, ist ein wesentliches. Merkmal der Erfindung. Die Kopierlebensdauer de.· Scnrael^walze oder die Anzahl der Kopien, die

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fixiert werden können, bevor der Belag einer Schmelzwalze versagt, ist ein bestimmender Faktor bei der Auswahl eines Materials oder < eines Schmelzwalzenbelages. Schmelzwalzen, die imstande sind, viele Tausend Kopien zu fixieren, sind bei der Vervielfältigung erwünscht. Schmelzwalzen, mit denen mehr als 100 000 Kopien fixiert werden können, werden bevorzugt. Die üblichen Massen aus Siliconelastomeren, die mit Füllstoffen mit hoher Oberfläohenenergle, wie z.B. Siliciumdioxid, Titandioxid und Eisenoxid, zubereitet sind, besitzen nur eine sehr kurze Verwendbarkeit zum Kopieren. Mit einem Siliconelastomerenbelag mit z.B. 20 Gew.-Jl Siliciumdioxid ( einem Füllstoff mit hoher Oberflächenenergie ) können nur 1 000 Kopien fixiert werden, bevor sich Toner absetzt ' ä und der Belag unbrauchbar wird. Siliconelastomere, die praktisch _; keine verstärkenden Füllstoffe aufweisen ( zumindest weniger als : 1 Qew.-#, bezogen auf das Silioonelastomer ), und die unter den- j selben Bedingungen verwendet werden, fixleren etwa 35 0OQ Kopien, bevor das Elastomer mechanlseh versagt, Bs wurde gefunden, dass , der Zusatz von verstärkenden PUlIstofftn mit geringer Oberflächen«! energie, welche bei den Fixierung«teeperaturen ( z.B. 100 « 2QO⁰C)' sich nicht tnermisoh zersetzen, die Kopierlebensdauer von Silicon*' r elastomer-Schmelzw.aizenbelägen drastisch verbessert. Schmelzwal-' zenbeläge aus Siliconelastomere^ die mit Füllstoffen mit geringer¹ Oberflächenenergie, z.B. Teflon, vermischt worden sind, wurden unter ähnllohen Bedingungen zur Fixierung von mehr als 100 000 ' Kopien ohne Absetzen von Toner oder mechanisches Versagen ver- _: wendet. Eine überraschend lange Kopierlebensdauer wird somit : durch den Zusatz von Füllstoffen alt geringer Oberflächenenergie ' . erreicht· .. '<

Im allgemeinen sind die organischen Polymerisate Materialien alt geringer Oberfläoüenenergle, vobel sie Oberflächenenergien von. etwa 50 dyn/o» oder darunter aufweisen. DIt bevorzugten organ!· sehen Polymerisate sind die fluoreV*n Harze mit Oberflächenenerglen unter JQ dyn/om. Polytetrafluorethylen, erhältlich unter dem Handelenamen "Teflon", besitzt eine Oberflächenenergie von etwa 18 - 20 dyn/om. Die üblichen Füllstoffe sind anorganische Materialien wie Siliciumdioxid, Eisenoxid, Titandioxid usw.,

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welche Oberflächenenergien oberhalb 50 dyn/cxn, gewöhnlich oberhalb 70 dyn/om, aufweisen. Oberflächenenergien von veiscuiedenen Materialien werden von P*M.· Powkes in "Surfaces and Interfaces I - Chemical and Pnyaical Characteristics'¹, Seiten 197 - 223 (1967) angegeben. Abgesehen von den Anforderungen hinsichtlich der Oberfläohenenergie muss der Füllstoff den Fixierungstemperatüren über längere Zeiträume widerstehen können, irn allgemeinen 100 - ü00° C für mindestens 50 Stunden, vorzugsweise 100 Stunden und länger. Fluorierte Harze, insbesondere Polytetrafluoräthylen, entsprechen diesen Anforderungen aufgrund ihrer Freigabeeigenschaften, Temperaturbeständigkeit und Verstärkungseigenschaften auf einzigartige Welse, wenn sie mit Sllioonelastomeren vermählen werden·

Siliconelastomere, das mit einem Füllstoff von hoher Oberflächenenergie gefüllt 1st, bildet anfange ebenfalls, einen guten Schmelz-; walzenbelag. Während Jedoch das Elastomer mit dem Toner und dem .' Aufnahraeblatt, auf dem er sich befindet, in Berührung gelangt, ■ tritt Abrieb ein, wobei Stellen mit hoher OberflKohenenerg» < innerhalb de· Belages freigelegt werden. Danach hat der geschmolzene Toner eine Neigung, an den feiliegenden Stellen von hoher Oberflächenenergie zu haften und sich zu sammeln, was zu Offset- : bildern führt. Diese Erscheinung kann zeitweilig gebessert werden,. indem man den angesammelten Toner von der Elastomeroberfläche ^! durch Reinigen entfernt, sie kann jedoch nicht vollständig ausgeschaltet werden. Das Freiliejen „von Stellen mit hoher Oberfläohenenergie in Siliconelastomeren, die mit Füllstoffen von hoher Obvrflächenenergle gefüllt sind, trat bei den Silicon- Ielastomerzubereitungen vollständig unerwartet auf. Man hatte angenommen, dass Füllstoffe mit hoher Oberflächenenergie von dem Siliconelastomer vollständig befeuchtet würden, und daher ein

IProblem dieser Art nicht auftreten könnte*

Siliconelastomere, die praktisch frei von Füllstoffen mit hoher Oberfläbhenenergie sind, bilden Schmelzwalzenbeläge ohne das oben erörterte Offset-Problem. Siliconelastomere frei von Füllstoffen ergeben SchrnelzwalzenbellUge, die i,ur Verwendung in üblichen Kopiermaschineη geeignet sind. S lchen Belägen fehlt jedoch

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die physikalische Festigkeit,die für eine längere störungsfreie Verwendung erforderlich ist; hierin besteht jedoch eine der Hauptanforderungen an Sohmelzwalzenoeläge in Kopiervorrichtungen. Die bevorzugten Beläge werden durch Veimischen von Füllstoffen mit geringer Oberflächenenergie, z.B. Fluorkoxilenstoffharzen, vorzugsweise Teflon, mit Siliconelasto.neren, welche praktisch frei VO₄, Füllstoffen it.it .aouer Oberflächenenergie sind ( weniger als 1 Gew.-;-j ), gebildet. Siliconelastomere, die mit Füllstoffen von niedriger Oberfläcasnendi-gie vermiscnt worden sind, ergeben Schmel2;wal^enbeläge,die über längere Zeiträume ohne das Problem der flteiliegenden Stellen von .loher Oberflachenenergie verwendet wex'den können, welche bei Siliconelastomeren auftreten, die mit Füllstoffen von hoher Oberflächenenergie verstärkt worden sind. ^

Siliconelastomeroberflächen für Walzen können gemass einer Reihe von Arbeitswelsen hergestellt werden. Die gewünschte Walzenabdeckung sollte glatt sein und eine geregelte Dicke besitzen. Die bevorzugten Elastomeren, die Füllstoffe mit geidnger Oberflächenenergie enthalten, müssen durch "Vermählen mit den Füllstoffen vermischt werden, und müssen daher vermahlbare Siliconkautschuke sein. Die vermahlene^ Nassen lassen sich leicht durch Pressen in einer geeigneten Form zu Belägen formen.

Ein geeignetes Verfahren zur Herstellung der Silieonelastorner-Schmelzwalzenbeläge besteht darin, dass :.ian einen Füllstoff mit £erir._wer Obei-flächenenergifc langsam zu einet;; Siliconkautschuk " von ^cuer Viskosität in einer Hoch^esehwinuigkeitsmiscuvcrrichtung hinzugibt, um eine innige Vermischung der Komponenten zu erreichen. Das Mischen der Komponenten bei hoher Scherwirkung scheint im Falle 'von Teflon die Verlängerung der Teflonteilchen -u FUuen zu verursachen, wodurch in dem Slliconelastomer eine faserartige Struktur entsteht. Um den kritischen Verstäi-kungseffekt der Fluorkohetynstoffharze, s.B. Teflon, zu erzielen, müssen die Harze gründlich .niteinander Vüi-miscat werden, ^_#D, durch Vermählen mit einem ver.v.ahlbaren Siliconelastomer. Die verstärkenden Eigenschaften weiden ^.B. nicht jurch oiniucnes Mischen des Fluor-

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kohlenstoffharzes mit einem Siliconkautschuk: ohne Vermählen und anschliessendes Härten dee Gemisches erhalten.

Bei der Herateilung werden die üblichen Härtungemittel für SiIic'onkautschuke zu dem Oemlsch hinzugegeben, und zwar nach dem Vermählen des Füllstoffes von geringer Oberflächenenergie mit dem Siliconkautschuk bei hoher Geschwindigkeit. Beispiele für Härtung*n4ttel sind Benzaylperoxid, 2,4-Dichlorbenzoylperoxld, tert.-Butylperfcjenzoat, DicumylperaoBUi und andere handelsübliche Härtungsmittel für Siliconkautsehuie. Die für diese Mittel er-,forderlichen Härtungsbedingungen variieren efewas mit dem speziellen Härtungsmittel und dem Siliconkautschuk. Im allgemeinen 1st Wärme zur Härtung der Siliconkautschuke erforderlich, und Üblicherwelse werden Temperaturen bla zu I70⁰ C angewendet. Eine Nachhärtung der Silioonelastomermaaeen kann erforderlich sein, wenn sie bei hohen Temperaturen angewendet werden soll. Die Nachhärtung wird durchgeführt, indem man das Elastomer in einem Druckluftofen 2 bis 4 Stunden lang oder langer auf Temperaturen bis zu 2JJ0⁰ C erhitzt.

Die Füllstoffe von geringer Oberflächenenergie sind vorzugsweise fluorierte oder teilweise fluorierte organische Harze. Beispiele dafür sind Folytetrafluoräthylen unter dem Handelsnamen "Teflon", das Mischpolymerisat aus Vinylidenfluorid und Hexafluorpropen unter dem Handelsnamen "Fluorel" und das Terpolymerisat aus Vinylidenfluorid, Hexafluorpropen und Tetrafluoräthylen unter dem Handelnamen "Viton B".

Die angewendete Menge an Füllstoff von geringer Oberflächenenergie kann über einen weiten Bereich variieren und beträgt im allgemeinen etwa 0,1 bis etwa 20 Qew.-#, vorzugsweise etwa 0,3 bis ', 5,0 Oew.-% und speziell etwa 2,0 Gew.-v>, bezogen auf die Gesamt- \ menge.

Die Härte der Masse steigt im allgemeinen mit steigenden Mengen an Füllstoff von ^erin^er Oberfläoiienerie.üie ^an* 2s ist eiwünscJit,

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dass eine innige Berührung zwischen der Siliconelastomer-Fixierungsoberfläche und dem Substrat, das das Tonerpulver trägt, stattfindet. Daher sind Pixierungsoberflächen mit einer Shore A-Härte von weniger als 80 erwünscht. Shore Α-Härten der Masse eines Schraelzwalzenbelages von mehr als 80 machen im allgemeinen einen sehr hohen Druck auf den Spalt erforderlich, um zufriedenstellende Pixierungsergebnisse zu erzielen; der Gehalt an Füllstoff von geringer Oberflächenenergie in der bevorzugten Masee wird.daher durch diesen Faktor begrenzt.

Ein Schmelzwalzenbelag wird hergestellt, indem man das Siliconelastomer, welches mit dem Füllstoff von geringer Oberflächen- ä energie und dem Härtungsmittel vermischt worden ist, in eine polierte Form bringt, welche mit einer die Freigabe fördernden Substanz überzogen sein kann. Die Form 1st mit Ausgleichsscheiben ausgestattet, um einen Belag mit bestimmter Dicke zu erhalten. ' Die gefüllte Form wird in elnerPlattenpresse, die auf eine zur Härtung des Elastomere ausreichende Temperatur erhitzt worden ' ist, gepresst. Das erhaltene Blatt wird durch Kleben oder auf mechanischem Wege am Kern einer Schmelzwalze befestigt, um die vollständige Schmelzwalze zu bilden. In ähnlicher Welse kann die ' Masse in einer Form gepresst werden, die auf ihrer Grundplatte ein Blatt bzw. Betych z.b; aus ros.tfreiem Stahl, aufweist. Das Blech ist vorzugsweise mit einem Klebemittel beschichtet. Die erhaltene, an das Blech aus rostfreiem Stahl gebundene Masse kann dann mechanisch oder durch Kleben auf den Walzenkern aufgebracht werden.

Um eine Fixierung ohne Absetzen des gesamten oder eines Teiles des thermoplastischen Toners von der Aufnahmeoberfläche auf das

Siliconelastomer zu erreichen, muss der kohäsive Zusammenhalt des Tonerpulvers grosser als die Adhäsionskraft, die von dem ! 3iliconelas torner auf es ausgeübt wird, sein, und ferner muss die Auinanmeoberfläche eine grössere Adhäsionskraft gegenüber

dem Toner in seinen» für die Fixierung geeigneten Zustand als das Siliconelastomer aufweisen. Beispiele für· Aufnahmeoberflachen

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sind Papier, Ton, Keramik, O las., Ku: istharae u:.d Metalle, £.3. Aluminium oder rostfreier Stahl, usw. Um eine Fixierung o..i:e Absetzen zu erreichen, sues sich der thermoplastische Toner im allgmeinen Iv- einem kautschukartigen, nachgiebigen Zustand befinden, der sicn durcn die vlskoelastischen Eigenschaften als derjenige Zustand definieren lässt, in welchem der geschmolzene, thermoplastische Toner einen Kriechmodul ( definiert als

®(t) ^β ' ' ' ^wor3-ⁿ J(t) ¹^⁵ Kriechvermögen

* ' J/₁% * ' ( creep compliance)

Qp il Ο

ist) im Bereich zwischen etwa 10 dyn/cm und etwa 10 äyn/cm oesitzt. Unter Betriebsbedingungen hängt der" Krieeunodul ei.es geschmolzenen, thermoplastlsqhen Toners von zwei Parameter;: ab - der Temperatur des geschmolzenen, thermoplastischen Toners und der Zeit, während der zwei Oberflächen in Berührung miteinander stehen, wobei sich der geschmolzene, thermoplastische Toner zwischen den sieh berührenden Oberflächen befindet.

Bei einer gegebenen Temperatur näng£ der Bereich der Berührun&szeit, über den ein geschmolzener Toner einen Modul innerhalb !

h Q ρ !

des Bereiches,von 10 bis 10 dyn/cm ( der im allgemeinen als der kautsohukartige Bereich bezeichnet wird ) zeigt, von.dem Material und seinem Molekulargewicht ab. Bei amorphen Polymerisaten mit hohem Molekulargewicht ist der kautschukartige üereLcu die Spanne, In der das Polymerisat im verflochtenen Zustand vorliegt, und kann sich über mehrere Dekaden der verkürzten Zeit erstrecken. Einige halbkristalline Materialien, Polymerisate mit niedrigem Molekulargewicht und andere organische Verbindungen weisen eventuell kein Plateau auf und befinden sicn somit nur ' über einen relativ kurzen Zeitraum im kautschukartigen Bereich. In ähnlicher Weise zeigen solche Toner bei einer gegebener. Berührung zeit kautschukartige Merkmale ( im allgemeinen einen Modul von 10
raturbereicli.

ii ti ρ
Modul von 10 bis 10 dyn/cm ) über einen relativ engen Tetiipe-

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Geeignete Toner für das oben beschriebene Verfahren sind Massen,

die thermoplastische Materialien wie diejenigen» die bei Temperaturen unterhalb 8O⁰C in einem trockenen, kleinteiligen Zustand verbleiben und dennoch beim Erhitzen einen kautschukartigen

4 S oder nachgiebigen Zustand mit einem Kriecnmodul von 10 bis 10

dyn/cm erreicuen, enthalten. Beispiele für thermoplastische Stoffe, die zum Einverleiben in Tonerpulver geeignet Bind, sind Epoxyharze wie z.B. die unter der Handelsbezeichnung "Epon 1004" vertriebenen, und Polystyrolharze wie die unter der Bezeichnung "Piccolastic D 125" und ⁿD 150" im Handel erhältlichen. Ein 3eispiel für iin Tonerpulver ist die folgende Mischung, wobei die Prozente Gew.-fT sind und die mittlere Teilchengrösse 7 Mikron betrat:

44 % "Epon 1004"

52 ρ Magnetit
4 £ Ruse,

Das Pulver wird durch Sprühtrocknung dieser Zubereitung aus einem Lösungsmittel wie Chloroform uergestellt. Ein weiterer geeigneter Toner für das oben beschriebene Verfahren besteht aus C^ % Polystyrol und 35 % Russ.

Der thermoplastische Toner kann geraäss verschiedenen Arbeitsweisen ^uoeeeitet werden; beispiel s weise durch Sprühtrocknung einer ^ organischen Lösung oder durca Emulgierung des Entwicklermaterials ' oder durch ein Auspress-Mahlverfahren. Die Teilchen können zu dem gewünschten Grössenbereich sortiert werden. Die Teilcnengrösse des UfcertragungsmitteIs liegt bei den meisten Anwendungen im allgemeinen im Bereich von 0,5 bis 50 Mikron, vorzugsweise etwa 2 bis etwa 15 Mikron. Spezielle Anwendungszwecke können jedoen kleinere oder gröesere TellchengrÖssenbereiche erforderlich machen. Im all^neinen werden r~:ae Teilchen bevorzugt. Die Pulver "besitzen vorzugsweise eine.¹. Flies&fähißkeits-Schütbwinkel im Berelci. von c0 bis Ic^ Grad. Die Fliesefilhigkeit Wi₁.; ve.:ieEf,en, inucii, r.ian eirien dünnen Fulve^strom auf aie obers, flache Ooeiflachife

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BXt)

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eines kreisförmigen Sockels aus einem vibrierenden Trichter aufgibt, wodurch eine konische Abscheidung von Pulver auf dem Sockel erzeugt wird. Der Schüttwinkel ist definiert als der Winkel zwischen der Seite des Konus und dem Sockel bei 25° C.

Die folgenden Beispiele sollen die Erfindung erläutern, jedoch nicht begrenzen; sämtliche Teile und Prozente sind auf das Gewicht bezogen, falls nicht anders angegeben.

Beispiel 1

Eine Walze wurde hergestellt, indem 98Ο g von Füllstoff freier Siliconkautschuk-, der unter der Bezeichnung "Silastic 4^O^H i,n Handel erhältlich ist, auf einer KautscLukmühle, die eine Walze von J53 cm aufwies, verarbeitet wurden. 20 g pulverisiertes ; Polytetrafluoräthylen, das unter der Bezeichnung "Teflon¹¹ im : Handel erhältlich ist, der Pulvergüte 6 ( Oberflächenenergie 19 - 20 dyn/cm ) wurden langsam zu dem Siliconkautschuk hinzugegeben. Das Mischen wurde 15 Minuten lang fortgesetzt, um die Komponenten gründlich zu vermischen· Danach wurde das Gemisch in einetn Banburymischer von hoher Scherwirkung übergeführt und darin 15 Minuten lang bei einer Temperatur von 120 bis 140° C | vermählen. Dieses Gemisch wurde dann abkühlen gelassen und in die Kautschukmühle zurückgebracht. 15 g Benzoylperoxidiin einer gleichen Oewichtsmenge Siliconkautschukpaste wurden auf der Kautschukwalze mit der Mischung vermischt. Nach 15 Minuten langem Vermählen wurde die Mischung auf ein Blech aus rostfreiem Stahl mit den Abmessungen 0,0>8 cm χ 25 cm χ 46 cm aufgetragen, welches zuvor mit der Siliconkautschukgrundierung Nr. 2k60 der ^MDow Corning Co.^w grundiert worden wax·, um die Haftung des Siliconelastomere an dem , Blech zu verbessern. Das Blech wurde so eingerichtet, dass sich eine endgültige Dicke des Belages von 0,10 cm ergab, und dann in einer Plattenpresse bei einem Druck von y00 metrischen Tonnen 10 Minuten lang bei 1^0° C gepresst. Die Decke wurde dann 4 Stunden lan^ bei 200° C in einem Druckluftofen nachgehärtet und nach dem Abkühlen durch Kleben mit der St-htnelzwalze einer Ver-

BAD ORIGINAL

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suchs-Kopiermaschine verbunden, die einen Durchmesser von 15 cm und eine Länge von 30 cm besass. Die Walze war innen mit einem Heizelement ausgestattet, welches die Oberflächentemperatur dea Belages bei 163° C hielt. ·

Pulverbilder wurden auf Feinpapier gemäss dem in der französischen Patentschrift 1 456 993 beschriebenen Verfahren abgeschieden,· wobei ein Toner verwendet wurde, der aus βθ ?, Magnetit und 40 # Epoxyharz (^wEpon 1004") bestand, der auf der Aussenseite mit Kohlenstoff zusammengeballt worden war. Danach wurden die Blätter der Reihe nach durch den Spalt geführt, der durch die obige Schmelzwalze in Berührung mit einer Gegenwalze gebildet wurde, ä wobei ein 3elastungsdruck von 1,75 bis 3*5 kg/cm auf den Spalt herrschte, wodurch eine Spaltbreite von 1,3 cm mit der Gegenwalze erzeugt wurde. Die Sclunelzwalze wurde im Gegenzeigersinn mit einer Oberflächengeschwindigkeit von 40 cm pro Sekunde gedreht und in dieser Weise verwendet, um mehr als 100 000 Pulverbildkopien zufriedenstellend zu fixieren.

Beispiele 2 -4

Beläge für Schmelzwalzen wurden gemäss dem in Beispiel 1 beschriebenen Verfahren unter Verwendung des Siliconelastomers "Silastio 430" hergestellt, wobei nur der Füllstoffgehalt variiert. g wurde. Sowohl Füllstoffe von hoher als auch solche von geringer OberflMchenenergie enthaltende Massen wurden zubereitet, und die Ergebnisse ihrer Bewertung sind zusammen mit denjenigen von Beispiel 1 unten zusammengefasst.

Beispiel Gew.-^ an Füllstoff, fixierte Kopien Grund für Nr. Oberflächiiienergie vor dem Versagen Versagen hoch^a ge ring^b

1	0	2,0	100 000	kein Versagen; Versuch beendet
2	O	0	35 000	Versagen des Kautschuks ;
3	24,7	0	1 000	Absetzen von Toner

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Beispiel Nr.	* 18 - 0ew.-$ an FUllstoff, Oberflächenenergie . *hoch gering**	1,95	fixierte Kopien vor (Sea Versagen	2053167 N 2394 Orund ItIr Versagen
4	20,0		15 000	i Absetzen von > Töner
(a) Siliciumdioxid (b) Teflon

- Patentansprüche -

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Claims

~1

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Patentansprüche :

Verfahren zum Fixieren von thermoplastischem Toner, dadurch Λ gekennzeichnet, dass man

(a) eine Aufnahmeoberfläche, die thex-moplastischen Toner trägt, mit einer Siliconelastomeroberflache solange und bei einer solchen Temperatur in Berührung bringt, dass sich der Toner während der Berührung in einem Zustand befindet, in welchem sein kohäsiver Zusammenhalt größer als die Adhäsionskraft, die von dem Siliconelastomer auf ihn ausgeübt wird, ist, und in welchem die Adhäsionskraft zwischen dem thermoplastischen Toner und der Aufnahme oberfläche grosser als die Adhäsionskraft i zwischen dem thermoplastischen Toner und dem Silioon-

elastomer 1st; und dass man M

(b) die Aufnahmeoberfläche von der Siliconelastomeroberfläche trennt, während sich der thermoplastische Toner in dem genannten Zustand befindet, wodurch der thermoplastische Toner praktisch vollständig in fixierter '■ Stellung auf der Aufnahmeoberfläche verbleibt.

2, Verfahren naoh Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmeoberfläche Papier ist.

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5· Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Silioonelastomer praktisch frei von Füllstoffen mit hoher Oberflächenenergie ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Siliconelastomer praktisch frei von Füllstoffen mit hoher Oberflächenenergie ist und mit Füllstoffen von geringer Ober— flächenenergie vermischt ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der für das Silioonelastomer verwendete Füllstoff mit geringer Oberflächenenergie Polytetrafluorethylen ist, welches mit de* Siliconelastomer vermählen worden ist.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Siliconelastomer praktisch frei von Füllstoffen mit hoher Oberflächenenergie ist und mit 0,1 bis 20,0 Gew.-# Polytetrafluorethylen vermischt worden ist.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Siliconelastomer praktisch frei von Füllstoffen mit hoher " Oberflächenenergie ist und mit 0,5 bis 5*0 Öew.-Ji Polytetrafluoräthylen vermischt worden ist.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass , der tnermoplastische Toner in dem genannten Zustand einen Modul > innerhalb des Bereiches von etwa 10 bis etwa 10 dyn/en an- : nimmt. ,

9. Walze, die bei drekter Berührung als Schmelz vor richtung mn Fixleren von pulverförmiger thermoplastischen Tonerbildern an j einem Blatt, auf welchem die Bilder abgeschieden worden sind, j geeignet 1st, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine zylindrische! Form besitzt, und dass ein das Absetzen von Toner verhindernder Ϊ Belag aus Silioonelastomer angrenzend an die Oberfläche des Um- ' fanges der zylindrischen Form angebracht ist, wobei das Silioonelastomer praktisch frei von Füllstoffen mit hoher Oberflächen- * energie ist.

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SADORtQ)NAl.

10. Waise nach Anspruch 9* dadurch gekennzeicnnet, dass der das Absetzen verhindernde Belag aus Siliconelastomer 0,1 bis 20 Gew.-;j eines Füllstoffes mit geringer Oberflächenenergie in gut vermischter Form enthält.

11. Walze nach Anspruch 9* dadurch gekennzeichnet, dass das Siliconelastomer 0,1 bis 20 Gew.-^ eines Fluorkohlenstoffharzes als Füllstoff mit geringer Oberflächenenergie enthält.

12. Walze no.ch Anspruch 9* dadurch gekennzeichnet, dass das Siliconelastoüier 0,1 bis 20 Gew.-^ Polytetrafluoräthylen enthält.

4a

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