DE2257536B2

DE2257536B2 - Verfahren zum Wärmeschmelzfixieren eines Tonerbildes

Info

Publication number: DE2257536B2
Application number: DE2257536A
Authority: DE
Inventors: Ryoichi Hino Tokio Namiki (Japan)
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1971-12-03
Filing date: 1972-11-23
Publication date: 1979-04-05
Also published as: JPS4862438A; JPS5637549B2; DE2257536A1; US3853552A; GB1409755A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Wärmeschmelzfixieren eines Tonerbildes der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung.

Aus der DE-OS 17 72 898 ist ein Verfahren zum Fixieren eines Tonerbildes bekannt, bei dem dieses nicht erwärmt, sondern nur einem relativ hohen Druck ausgesetzt wird Nachteilig ist hierbei, daß die Einzelteile der Fixiervorrichtung, insbesondere die Andruckwalzen und ihre Lager, sehr massiv ausgebildet werden müssen, um die auftretenden, hohen Belastungen aufzunehmen. Außerdem kann es durch den aufgebrachten, hohen Druck zu einer Beschädigung des Aufzeichnungsmaterials kommen, auf dem sich das Tonerbild befindet

Deshalb sind Wärmeschmelzfixierverfahren entwikkelt worden, bei denen das Aufzeichnungsmaterial mit dem Tonerbild durch zwei Fixierwalzen hindurchge· führt wird, die mit relativ geringem Andruck aneinanderliegen; dabei wird eine oder beide Walzen erhitzt, um das Tonerbild aufzuschmelzen und fest mit dem Aufzeichnungsmaterial zu verbinden.

So ist aus der DE-OS 15 22714 ein Verfahren zur Fixierung von Tonerbildern bekannt, bei dem das Schmelzen des Tonerbildes in Anwesenheit eines festen, kristallinen Weichmachers erfolgt Ein solcher kristalliner Weichmacher fördert das Schmelzen des thermoplastischen Toners unter Wärmebedingungen, unter denen unbehandelter Toner nur an den Rändern oder gar kein Verschmelzen zeigt Dieser feste, kristalline Weichmacher bewirkt also eine Art »Schmelzpunkterniedrigung« des Toners, wobei sich der Weichmacher nach dem Abkühlen des Toners auf Raumtemperatur von diesem trennt Durch diese »Schmelzpunkterniedrigung« ergibt sich auch bei niedrigeren Temperaturen eine permanente Verbindung zwischen dem Tonerbild und dem Aufzeichnungsmaterial.

Bei allen herkömmlichen Fixierverfahren tritt jedoch das folgende Problem auf: Der im aufgeschmolzenen Zustand flüssige Toner haftet an den Umfangsflächen der Fixierwalzen und kann dadurch auf das folgende Aufzeichnungsmaterial übertragen werden, das auf diese Weise verschmutzt wird, so daß sich qualitativ minderwertige Kopien ergeben. Dieser Effekt wird als Offset-Effekt bezeichnet

Aus der DE-OS 20 53 176 ist ein Verfahren zum Wärmeschmelzfixieren eines Tonerbildes der angegebenen Gattung bekannt, bei dem der Toner in einem kautschukartigen Zustand fixiert wird, der sich durch den Kriechmodul definieren läßt Der Kriechmodul hängt jedoch wiederum von verschiedenen Parametern ab, wie beispielsweise Temperatur, Zeit, Material Molekulargewicht usw., so daß vorher die Beziehung zwischen dem Kriechmodul und den verschiedenen Parametern ermittelt werden muß. Auch dann ist jedoch die Einstellung eines exakt definierten Kriechmoduls sehr schwierig. Außerdem gibt es Tonerpulver, bei denen der Kriechmodul bei vorgegebener Berührungszeit des Tonerbildes mit der Fixierwalze nur innerhalb

ίο eines engen Temperaturbereiches den erstrebten Wert annimmt

Weiterhin reicht die Verwendung eines Tonerpulvers mit genau definiertem Kriechmodul nicht für die Vermeidung des Offset-Effektes aus, sondern es muß darüberhinaus noch eine Fixierwalze verwendet werden, die mit einem bestimmten, in einem aufwendigen Verfahren hergestellten Material beschichtet ist

Das bekannte Wärmeschmelzfixierverfahren ist also äußerst umständlich, da einmal ganz bestimmte, genau definierte Anforderungen an den Aufbau und die Oberflächenbeschaffenheit der Walze gestellt und außerdem der Kriechmodul jedes einzelnen Tonerpulvers für die jeweils gegebenen Betriebsbedingungen ermittelt werden müssen. Diese Betriebsbedingungen müssen dann sehr exakt eingehalten werden, da sich mit jeder Abweichung von dem vorgegebenen Wert auch der Kriechmodul ändert, so daß der gewünschte kautschukartige, nachgiebige Zustand des Tonerpulvers bei der Fixierung nicht erreicht wird.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Wärmeschmelzfixieren eines Tonerbildes der angegebenen Gattung zu schaffen, mit dem sich das Auftreten von Offset-Bildern ohne aufwendige Behandlung des Aufzeichnungsmaterials und der WaI-

J5 zen, nämlich durch Ermittlung und Einhaltung eines einzigen, einfach zu bestimmenden Parameters, vermeiden läßt

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen

Merkmale gelöst

Eine zweckmäßige Ausführungsform ist im Anspruch 2 angegeben.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile beruhen auf der Feststellung, daß sich bei der Erwärmung des Tonerpulvers ein genau definierter, einfach zu bestimmender Temperaturbereich ergibt, in dem das Tonerbild fixiert werden kann, ohne daß die Gefahr einer Verschmutzung der Walzen und damit des Auftretens des Offset-Effektes besteht

Erhitzt man nämlich Tonerpulver, so bleibt seine Viskoelastizität zunächst konstant und ändert sich erst in der Nähe der Glasumwandlungstemperatur Tg. In diesem Bereich erfolgt dann jedoch eine sehr rasche Änderung der Viskoelastizität, wobei ein Temperaturanstieg von 5—1O⁰C zu einer tausendfachen Erhöhung des Elastizitätsmoduls führen kann. Das Tonerpulver hat dann einen etwa kautschukartigen Zustand. Hierbei findet jedoch keine Umwandlung der Tonerteilchen statt, sondern sie werden nur weich.

Erhöht man nun die Temperatur des Tonerpulvers weiter, so beginnen die Tonerteilchen zu schmelzen, bis nach Durchlaufen des Schmelzpunktes Tm alle Tonerteilchen in den flüssigen Zustand übergegangen sind.
Erwärmt man also das Tonerbild auf einen Temperaturbereich, der zwischen der Glasumwandlungstemperatur Tg und dem Schmelzpunkt Tm liegt, so kann es fixiert werden, ohne daß Tonerteilchen am Umfang der Walzen haften und Offset-Bilder entstehen können.

Das Aufweichen der Tonerteilchen und ihr Übergang in den flüssigen Zustand wird durch den gleichzeitig ausgeübten Druck beschleunigt, so daß insgesamt die für die Fixierung erforderliche Zeitspanne verringert werden kann.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, daß keine: komplexen und kostspieligen Einrichtungen erforderlich sind, um die Walzen Wi einer das Tonerpulver abstoßenden Beschichtung zu versehen. Dadurch läßt sich also dieses Verfahren bei jedem herkömmlichen Kopiergerät einsetzen, bei dem die Fixierung durch Erhitzen und Druckanwendung erfolgt Weiterhin ergibt sich eine sehr gute Ausnutzung der aufgebrachten Energie, da das Tonerpulver nur auf die Temperatur erhitzt werden is muß, die für eine optimale Fixierung benötigt wird. Dabei kann insbesondere die Energie eingespart werden, die üblicherweise für das Aufschmelzen des Tonerpulvers erforderlich ist Und schließlich muß sowohl bei der ersten Inbetriebnahme des Kopiergerätes als auch während seines Dauerbetriebes nur ein Parameter, nämlich die Temperatur, eingeregelt werden, um die optimale Herstellung von Kopien zu erreichen, so daß sich auch hierdurch der Aufbau eines Kopiergerätes vereinfacht

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die schematischen Zeichnungen näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 eine grafische Darstellung der Änderung der Viskoelastizität eines Tonerpulvers mit einer Tempera- Jo Umänderung, und

Fig.2 einen Schnitt durch eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Bei einem elektrofotografischen Kopiergerät wird zunächst auf einem Aufzeichnungsmaterial eine elektro- J5 statische, latente Abbildung einer Vorlage erzeugt; auf diese elektrostatische, latente Abbildung wird elektrisch ein Tonerpulver aufgebracht, wodurch ein Tonerbild entsteht, das durch Erhitzen fixiert wird.

Im allgemeinen besteht der Toner im wesentlichen aus thermoplastischem Kunststoff und Kohlenstoff. Ein Weichmacher und andere Stoffe werden zugesetzt, um den Schmelzpunkt des Toners auf eine zwischen 45 und 120⁰C liegende Temperatur zu verringern.

Der Toner besteht demgemäß zu 70 bis 90% aus « Kunststoff, so daß sein Verhalten durch die Eigenschaften des darin enthaltenen Kunststoffs bestimmt wird. Demzufolge entspricht das Verhalten eines Toners im wesentlichen dem von hochmolekularen Verbindungen.

F i g. 1 zeigt das Verhalten einer solchen hochmolekularen Verbindung. Man kann erkennen, daß eine solche Verbindung bei einer Erhitzung bei der Glasumwandlungstemperatur Tg von der Pulverform in eine Glasumwandlungszone A, aus der Glasumwandlungszone A bei der Temperatur Tr in eine Zone B, in welcher ή die Verbindung einen kautschukartigen Zustand hat, und von dieser Zone B der Temperatur Tm in die Zone C übergeht, in welcher der Toner aufgeschmolzen, also flüssig, ist Im allgemeinen beträgt Tg V2 bis '/3 von Tm.

Der die Glasumwandlungstemperatur 7£ umgebende Bereich stellt den Temperaturbereich der Erweichung einer hochmolekularen Verbindung, beispielsweise eines Toners, dar. Erwärmt man eine hochmolekulare Verbindung oder einen Toner bis in die Nähe dieses Bereiches, so ergibt sich eine rasche, schlagartige Änderung der Viskoelastizität. Ein Temperaturanstieg von 5 bis 10⁰C kann zu einer tausendfachen Erhöhung des Elastizitätsmoduls führen, wobei der Toner in einen kautschukartigen Zustand übergeht und elastisch wird. Bei der Glasumwandlungstemperatur ergibt sich bei Tonerteilchen nur selten eine Umwandlung; der Toner neigt dazu, viskoelastisch und flüssig zu werden, während die Teilchen zwischen Tr und Tm aufschmelzen; bei einer Temperaturerhöhung über Tm hinaus werden die Teilchen flüssig. Durch eine Erhitzung des Toners auf den Temperaturbereich zwischen 7g· und Tm wird also eine Fixierung des Toners ohne Verschmutzung der Walzen und damit ohne Offset-Effekt möglich.

Bei einer Erhitzung werden die Oberflächen der Tonerteilchen weich, so daß sie zu schmelzen beginnen. Das Flüssigwerden der Teilchen kann beschleunigt werden, indem zu diesem Zeitpunkt ein Druck auf die Tonerteilchen ausgeübt wird. Gleichzeitig mit ihrer Erweichung beginnen die Teilchen auch zusammenzubacken.

Wird das auf dem Aufzeichnungsmaterial haftende Tonerbild durch Erhitzen mit Hilfe von Fixierwalzen fixiert, so muß die Temperatur des Toners nicht bis in die Flüssigzone C erhöht werden, in der eine Übertragung des Tonerbildes auf die Umfangsfläche der Walzen erfolgt Wenn die Temperatur des Toners sich der Flüssigzone C nähert oder sie erreicht, hängt die Verschmutzung der Walzen im wesentlichen vom Material der Fixierwalzen ab. Bei Versuchen ist folgendes festgestellt worden: Wenn das Material der Fixierwalze zu einer Verschmutzung neigt, so ergibt sich eine solche Verschmutzung auch dann, wenn die Temperatur des Toners etwas unterhalb der Temperatur in der Flüssigzone C liegt; wenn andererseits dieses Material nur selten zu einer Verschmutzung führt, so wird selbst dann kein Tonerbild auf die Walzen übertragen, wenn der Toner auf die Temperatur in der Zone Cerhitzt wird.

Manchmal wird Oi zur Vermeidung des Offset-Effektes eingesetzt, wenn das Tonerbild auf eine über seinem Schmelzpunkt liegende Temperatur erhitzt wird; dabei wird das öl auf aus Metall bestehende Fixierwalzen aufgebracht Dadurch läßt sich jedoch die Übertragung des Tonerbildes auf die Walzen nicht verhindern, da offensichtlich die ölschicht keinerlei Grenzschmierwirkung hat wenn die Stärke der Schicht zwischen 10~⁵ und 10-⁶mm liegt. Hat jedoch die ölschicht eine ausreichende Dicke, um eine Flüssigschmierung zu bewirken, so läßt sich unter Umständen die Verschmutzung der Walzen verhindern. Es ist jedoch nicht möglich, bei einer oberhalb des Schmelzpunktes Tm liegenden Temperatur mit einer so dicken Schicht zu arbeiten. Außerdem könnte eine solche dicke Schicht zu einer Verfärbung des Aufzeichnungsmaterials führen.

Innerhalb des Temperaturbereiches in der Nähe der Glasumwandlungstemperatur, in dem die Erweichung des Toners erfolgt, beträgt die Viskosität des Toners 10" bis 10¹² P, wobei der Toner flüssig wird, wenn er von 1 bis 10 see. in diesem Temperaturbereich gehalten wird. In der Praxis wird ein bogenförmiges Aufzeichnungsmaterial den Fixierwalzen mit einer Geschwindigkeit von etwa lOcm/sec zugeführt Wenn die Berührungszone der Fixierwalzen mit den einzelnen Bögen jeweils 5 mm beträgt, so steht der Toner etwa 0,5 see. mit den Fixierwalzen in Berührung. Die Oberflächentemperatur der Fixierwalzen muß deshalb auf einen Wert erhöht werden, der oberhalb der Glasumwandlungstemperatur liegt. Wegen der Zeitverzögerung wird der Toner bei schnellem Erhitzen nicht flüssig, es sei denn, der Toner wird über seinen Schmelzpunkt hinaus erhitzt. Bei einer schnellen Erhitzung des foners tritt der Offsett-Effekt

auch dann nicht auf, wenn die Temperatur nahe bei dem Schmelzpunkt Tm liegt

Wird bei einer Temperatur unerhalb der Glasumwandlungstemperatur 7& gearbeitet so klebt der Toner aufgrund der Reibungsaufladung zwischen dem Toner und den Fixierwalzen an der Oberfläche der Walzen, das heißt die Tonerteilchen können nicht zähflüssig werden. Dabei wird der Toner mit einer Kraft zu den Fixierwalzen hin angezogen, welche die Anziehungskraft des Aufzeichnungsmaterials übersteigt, so daß der Toner an den Walzen haftet, diese verschmutzt und zu Offset-Bildern führt

Die Fixierung des Toners auf dem Aufzeichnungsmaterial kann durch die im Aufzeichnungsmaterial gestaute Wärme und durch den aufgebrachten Drück vollendet werden, der nach dem Verlassen der Fixierwalzen auf das Aufzeichnungsmaterial ausgeübt wird. Dies gilt dann, wenn die Fixiertemperatur für den Toner auf einen Wert in der Nähe der Glasumwandlungstemperatur eingestellt wird. Die Temperatur des Aufzeichnungsmaterials beträgt 1 Sekunde nach dem Verlassen der Fixierwalzen etwa 50 bis 8O⁰C. Die Fixiertemperatur für den Toner kann auch in Abhängigkeit von der Dicke des Aufzeichnungsmaterials variiert werden.

Aufgrund dieser Bedingungen sollte die Erhitzung des Toners durch die Fixierwalzen bei einer Temperatur durchgeführt werden, die im Bereich zwischen der Glasumwandlungstemperatur und dem Schmelzpunkt liegt In F i g. 2 ist eine Vorrichtung gezeigt, mit welcher das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann.

Wie sich aus F i g. 2 erg bt werden zwei Fixierwalzen 1 und 2 in Anlage aneinander gehalten. Die Fixierwalze 1 besteht aus einem hitzebeständigen Zylinder 3 und einem koaxial im Innern des Zylinders 3 angeordneten Heizelement 5, während die Fixierwalze 2 aus einem weiteren, hitzebeständigen Zylinder 4 und einem koaxial im Innern des Zylinders 4 vorgesehenen Heizelement 6 besteht; die Zylinder 3 und 4 können durch einen Antrieb (nicht dargestellt) in Drehung versetzt werden, wobei sich die Heizelemente 5 und 6 entweder mitdrehen oder stationär gehalten werden.

Ein bogenförmiges Aufzeichnungsmaterial 6 mit einem darauf haftenden Tonerbild 7 wird mit einer Geschwindigkeit von 10 cm pro Sekunde zwischen die Fixierwalzen 1 und 2 eingeführt. Gleichzeitig werden die Walzen 1 und 2 mit einer Andruckkraft von 5 kp aneinander gedrückt. Das blattförmige Aufzeichnungsmaterial hat eine Größe A4 nach der japanischen Norm, entsprechend einer zu behandelnden Breite von 21 cm.

Erhitz man die Oberflächen der Fixierwalzen 1 und 2 auf eine Temperatur zwischen 100 und 120⁰C, so ergibt sich eine einwandfreie Verbindung des Toners mit dem Aufzeichnungsmaterial ohne jede Verschmutzung der Fixierwalzen, also ohne Auftreten des Offset-Effektes. Die sich ergebende Kopie ist qualitativ hochwertig. Dabei liegt die Glasumwandlungstemperatur des Toners bei 50⁰C.

Entsprechende Versuche wurden mit anderen Tonermaterialien gemacht; dabei wurde ein Toner verwendet, dessen Glasumwandlungstemperatur bei 70° C lag; wird ein aus diesem Toner bestehendes Tonerbild durch Erhitzen der Oberfläche der Fixierwalzen auf 130 bis 180⁰C auf das blattförmige Aufzeichnungsmaterial fixiert, so ergibt sich ebenfalls kein Offset-Effekt

Fixiert man einen Toner mit einer Glasumwandlungstemperatur von 100⁰C durch Erhitzung der Oberfläche der Fixierwalzen auf 165 bis 225° C auf dem blattförmigen Aufzeichnungsmaterial, so ergibt sich ebenfalls keine Verschmutzung der Walzenoberfläche.

Bei der oben erläuterten Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Wärmeschmelzfixierverfahrens muß nur eine der beiden Walzen eine Fixierwalze sein, während es sich bei der anderen Walze um eine übliche Walze ohne Heizelement handeln kann. Außerdem können die beiden Walzen auch so ausgelegt sein, daß eine getrennte Heizwalze vorgesehen ist, in der sich ein Heizelement befindet; die von diesem Heizelement ausgestrahlte Wärme kann dann eine Hauptwalze erhitzen. Außerdem kann die Erhitzung der Walzen auch durch Heizelemente erfolgen, die außerhalb der Walzen vorgesehen ist Und schließlich kann zusammen mit der Fixierwalze ί auch ein endloses, über zwei Rollen geführtes Band statt der Fixierwalze 2 verwendet werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Wärmeschmelzfixieren eines Tonerbildes mittels eines unter gegenseitigem Andruck stehenden Fixierwalzenpaares, dessen Fixierwalze oder beide Walzen erhitzt sind und bei dem der Toner in einem kautschukartigen Zustand fixiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Tonerbild auf eine Temperatur erhitzt wird, die zwischen der Glasumwandlungstemperatur (Tg) und dem Schmelzpunkt (Tmjüegt

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Fixierwalzenpaar bei einer Spaltlänge von 21 cm mit einer Andruckkraft zwischen 2 und 10 kp beaufschlagt wird.