DE60033298T2

DE60033298T2 - Elektrostatische Schmelzfixierrollen und -bänder

Info

Publication number: DE60033298T2
Application number: DE60033298T
Authority: DE
Inventors: L. Gregory Lexington REAM; L. Ronald Lexington ROE; L. Bradley Lexington BEACH; A. Steven Nicholasville CURRY
Original assignee: Lexmark International Inc
Current assignee: Lexmark International Inc
Priority date: 1999-09-10
Filing date: 2000-09-05
Publication date: 2007-11-22
Anticipated expiration: 2020-09-06
Also published as: EP1218579A4; DE60033298D1; US6284373B1; AU6950700A; US20010044025A1; US20030190470A1; WO2001018290A1; EP1218579B1; US6689528B2; JP2003508811A; EP1218579A1

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Erfindung betrifft elektrofotografische Prozesse und insbesondere Heißwalzen und -bänder, die beim Schmelzfixierschritt von solchen Prozessen verwendet werden.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
In der Elektrofotografie wird auf der Oberfläche eines isolierenden fotoleitenden Materials ein Latentbild erzeugt, indem ein Bereich der Oberfläche belichtet wird. Es wird ein Unterschied in einer elektrostatischen Ladungsdichte zwischen den Bereichen auf der Oberfläche, die belichtet werden, und denjenigen, die nicht belichtet werden, erzeugt. Das elektrostatische Latentbild wird durch elektrostatische Toner, die Pigmentkomponenten und thermoplastische Komponenten enthalten, in ein sichtbares Bild entwickelt. Die Toner, die Flüssigkeiten oder Pulver sein können, werden abhängig von den relativen elektrostatischen Ladungen auf der Oberfläche des Fotoleiters, der Entwicklungselektrode und dem Toner selektiv zur Oberfläche des Fotoleiters, die entweder belichtet oder nicht belichtet ist, angezogen. Der Fotoleiter kann entweder positiv oder negativ geladen sein, und das Tonersystem kann ähnlich negativ oder positiv geladene Teilchen enthalten.
Man versieht einen Papierbogen oder ein Zwischenübertragungsmedium mit einer zu derjenigen des Toners entgegengesetzten elektrostatischen Ladung, und dann lässt man ihn/es in der Nähe der Oberfläche des Fotoleiters vorbeilaufen, wobei der Toner von der Fotoleiteroberfläche auf das Papier oder Zwischenmedium noch in dem Muster des von der Fotoleiteroberfläche entwickelten Bildes gezogen wird. Ein Satz von Schmelzfixierwalzen oder -bändern, die unter Hitzeeinfluss stehen, schmilzt und fixiert den Toner im Anschluss an eine direkte Übertragung oder indirekte Übertragung, wenn ein Zwischenübertragungsmedium verwendet wird, in das Papier, wobei das Druckbild erzeugt wird.
Der elektrostatische Druckprozess umfasst deshalb eine fortlaufende Reihe von Schritten, in denen die Fotoleiteroberfläche geladen und entladen wird, während das Drucken stattfindet. Zusätzlich werden während des Prozesses verschiedene Ladungen auf der Fotoleiteroberfläche, dem Toner und der Papieroberfläche gebildet, um zu ermöglichen, dass der Druckprozess stattfindet. Was den Prozess funktionieren lässt, ist, die geeigneten Ladungen in den geeigneten Plätzen zu den geeigneten Zeiten vorliegen zu haben.
Eine Verunreinigung von Druckmedien entsteht in elektrofotografischen Druckern und Kopierern infolge einer Ladungsanhäufung auf der Schmelzfixierheißwalze oder -band und der Anpresswalze. Diese Verunreinigung ergibt sich aus dem Offset von Toner von den Druckmedien auf die in Berührung stehende Schmelzfixierheißwalze oder -band aufgrund ungünstiger elektrostatischer Felder in und um den Schmelzfixierspalt (d.h. den Spalt, der zwischen der Schmelzfixierwalze oder -band und der Anpresswalze gebildet ist). Diese Verunreinigung ("Toneroffset") führt zu einer Druckseite von schlechter Qualität, was im Allgemeinen durch das Erscheinen von unerwünschten weißen Linien, gefolgt von Tonertrümmerteilchen nach einer zusätzlichen Umdrehung der Schmelzfixierheißwalze oder -band, gekennzeichnet ist.
Frühere Lösungen für dieses Problem konzentrieren sich darauf, den Widerstand des Überzugs auf der Schmelzfixierheißwalze oder -band in Kombination mit darunterliegenden Elektroden zu steuern, die geerdet sein können oder zwischen denen und einer Vorspannungsquelle eine Verbindung hergestellt sein kann. Unter Verwendung eines solchen Lösungsansatzes weist eine Schmelzfixierheißwalze einen leitenden (typischerweise metallenen) Kern mit einem oder mehreren Fluorpolymerüberzügen auf, die zusätzlich zu thermisch leitenden oder verstärkenden Teilchen mit elektrisch leitenden Teilchen beladen sein können. Ähnlich würde ein Schmelzfixierfolienband aufweisen: eine Substratlage von hohem Zugmodul (typischerweise eine Polyimidlage), die mit thermisch leitenden Teilchen (typischerweise Bornitrid) beladen ist, eine leitende Primärlage (z.B. rußbeladenes Fluorpolymer) und eine äußere Lage, die durch die Zugabe von leitenden Teilchen (wie z.B. Ruß) oder ionenleitenden Zusatzmitteln zu einem Fluorpolymerharz ohmsch gemacht ist. In einem alternativen Lösungsansatz kann die Anpresswalze aus Materialien zusammengesetzt sein, die eine Ansammlung einer Oberflächenladung begrenzen und sie als eine Elektrode verwendbar machen. Unter Verwendung dieses Lösungsansatzes würde ein Metallkern oder -welle mit einem kompressiblen Kautschukmaterial bedeckt werden, das mit Ruß beladen ist, um es ohmsch zu machen. Ein Fluorpolymer wird aufgebracht, um eine Oberflächenlage auf der Anpresswalze zu bilden, die durch die Zugabe von Ruß oder einem ionenleitenden Agens ohmsch gemacht ist. Die ohmsche Beschaffenheit dieser Überzüge führt zur Ableitung der Oberflächenladung. Beispiele für diesen Lösungsansatz sind in den unten zitierten Patenten beschrieben. Das Problem bei diesem Lösungsansatz besteht darin, dass er teilchenförmige Materialien, wie z.B. Russ, in jeder von den Lagen auf der Schmelzfixierwalze oder -band oder Anpresswalze erfordert, insbesondere in der äußeren Lage (d.h. der Lage, die in Berührung mit der Druckseite kommt), was ein Ablösen der Druckseite von dem Schmelzfixierer schwieriger macht.
Die japanische Offenlegungsanmeldung 7-199700, Canon K. K., eingereicht Dezember 1993, beschreibt ein Schmelzfixierband zur Verwendung in einem elektrofotografischen Prozess, das eine Ladungsanhäufung auf dem Band verhindern soll. Das Band umfasst ein isolierendes Substrat, eine leitende Primärlage und eine hochohmige Ablöselage, wie z.B. das Fluorharz PTFE mit Siliciumteilchen, die darin dispergiert sind.
Das US-Patent 4,179,601, Tarumi et al., erteilt am 18. Dezember 1979, beschreibt eine Fixier(Schmelzfixier)vorrichtung für einen elektrofotografischen Prozess, die den Pegel einer elektrischen Ladung auf der Fixierwalzenoberfläche verringert. Es wird gelehrt, dass die Fixierwalze und/oder Anpresswalze in diesem Gerät eine äußere Lage aufweist, die aus einem harzigen Material zusammengesetzt ist, in dem ein Pulver von niedrigem elektrischem Widerstand enthalten ist (wie z.B. das Fluorharz PTFE, in dem Ruß und Titandioxid enthalten sind).
Das US-Patent 4,434,355, Inigaki et al., erteilt am 28. Februar 1984, beschreibt ein Heißfixiergerät zur Verwendung in einem elektrofotografischen Prozess, das einen Toneroffset hemmen soll. Die Heißfixierwalze, die beschrieben ist, umfasst eine äußere Lage, die aus einem Fluorharz (wie z.B. PTFE, PFA oder FEP) zusammengesetzt ist, die zwischen 9% und 25% Kohlenstofffasern enthält.
Das US-Patent 4,550,243, Inagaki, erteilt am 29. Oktober 1985, beschreibt auch ein Heizwalzenfixiergerät zur Verwendung in einem elektrofotografischen Prozess, das einen Toneroffset hemmen soll. Die Walze umfasst einen elektrisch leitenden Kern, der eine Primärlage trägt, die teilchenförmigen Ruß enthält, wobei sich eine Fluorharzlage oben auf ihr befindet; die Primärlage liegt teilweise an der Fluorharzlagenoberfläche frei. Die auf der Oberfläche der Fluorharzlage erzeugten Ladungen werden durch Erden durch die Primärlage und den leitenden Kern freigesetzt. Siehe auch das US-Patent 4,596,920, Inagaki, erteilt am 24. Juni 1986.
Das US-Patent 5,045,891, Semba et al., erteilt am 23. September 1991, beschreibt eine Bildfixiervorrichtung, die einen Toneroffset hemmen soll. Die Heizwalze umfasst einen elektrisch leitenden Kern, der eine Fluorharzlage (wie z.B. PFA oder PTFE) trägt, die 3% bis 20% einer niederohmigen Einkristallfaser, wie z.B. Kaliumtitanat, Siliciumcarbid oder Kohlenstoff, umfasst. Diese Fasern sollen leitende Pfade von der Oberfläche der Walze zu dem leitenden Kern bilden, was bewirkt, dass jegliche Oberflächenladung, die gebildet wird, entladen wird.
Bis jetzt sind die elektrischen Durchschlagcharakteristika der Schmelzfixierwalze oder -bands nicht als ein primäres Kriterium zum Formulieren einer Walze oder eines Bands verwendet worden, die/das einen Toneroffset minimiert. Es ist nun gefunden worden, dass, wenn eine Schmelzfixierwalze oder -band formuliert wird, so dass sie einen elektrischen Durchschlag bei 250 Volt oder weniger zeigt, das Toneroffsetverunreinigungsproblem, das mit einer Ladungsanhäufung auf dem Schmelzfixierband oder -walze verbunden ist, beseitigt ist.
Die US-5,918,099 offenbart ein Schmelzfixierelement mit einem Polyimidsubstrat, einer fakultativen lösungsmittelfreien Zwischenlage, einer äußeren Polyphenylensulfidlage und einer fakultativen äußeren Ablöselage. Vorzugsweise umfassen die äußere Polyphenylensulfidlage und die fakultative äußere Ablöselage ein leitendes Füllmittel.
Weiter ist es möglich, eine solche Walze oder ein solches Band ohne teilchenförmiges Material in der äußeren Lage zu formulieren, wodurch die Ablösecharakteristika beim Druckprozess verbessert werden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung umfasst ein Heizwalzenfixiergerät zur Verwendung in einem elektrofotografischen Prozess, umfassend ein Kernelement, auf dem eine Mehrzahl von konzentrischen Lagen aufgebracht ist, wobei mindestens eine von diesen Lagen kein elektrisch leitendes Material enthält und wobei die Walze selbst einen elektrischen Durchschlag bei etwa 250 Volt oder weniger zeigt, wobei die Lagen eine Primärlage auf dem Kern, eine Zwischenlage auf der Primärlage und eine Beschichtungsdecklage auf der Zwischenlage umfassen. Die Beschichtungsdecklage oder Ablöselage enthält keinerlei elektrisch leitende Materialien. Die Gesamtdicke der Lagen liegt im Bereich zwischen 1 und 50 μm.
Die vorliegende Erfindung umfasst auch ein Schmelzfixierband zur Verwendung in einem elektrofotografischen Heißfixierprozess, umfassend ein wärmebeständiges Harzsubstrat in der Form eines Endlosbands, das darauf eine Mehrzahl von Lagen trägt, die die äußere Oberfläche des Bands sequenziell überziehen, wobei mindestens eine von den Lagen keine elektrisch leitenden Materialien enthält und wobei das Band einen elektrischen Durchschlag bei etwa 250 Volt oder weniger zeigt, wobei die Lagen, die von dem Band getragen werden, umfassen: eine Primärlage, die das Band direkt bedeckt, eine Zwischenlage, die die Primärlage direkt bedeckt, und eine Decklage, die die Zwischenlage direkt bedeckt. Die Beschichtungsdecklage oder Ablöselage enthält keinerlei elektrisch leitende Materialien. Die Gesamtdicke der Lagen liegt im Bereich zwischen 1 und 50 μm.
Bevorzugte Ausführungsformen werden nun nur anhand eines Beispiels mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
1 ist eine schematische Darstellung einer Testvorrichtung, die verwendet werden kann, um eine Schmelzfixierband- oder -walzendurchschlagspannung und Zeitkonstante zu bestimmen.
2 ist eine grafische Darstellung von typischen Ergebnissen, die unter Verwendung der in 1 dargestellten Testvorrichtung erhalten werden.
3 ist eine grafische Darstellung, die eine gemessene Durchschlagspannung gegen eine Überzugsdicke und Kohlenstoffbeladung der äußeren Lage für Schmelzfixierbänder zeigt, die in der vorliegenden Anmeldung erläutert sind.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft Heißschmelzfixierwalzen und Heißschmelzfixierbänder, die in dem Fixierteil des elektrofotografischen Prozesses verwendet werden. Genauer gesagt anerkennt die vorliegende Erfindung die Wichtigkeit des Durchschlag (oder Ladungsaufnahme)-Werts eines Heißwalzen- oder eines Schmelzfixierbandüberzugs, um die Ansammlung von Ladung auf den Schmelzfixierelementen zu begrenzen, statt (wie es im Stand der Technik geschieht) sich auf den spezifischen Widerstand der Walzen oder Bänder zu konzentrieren. Dieser Lösungsansatz begrenzt eine Feldgröße und Tonerverunreinigung, die mit der Schmelzfixiererelektrostatik verbunden sind, ohne dass jede einzelne Lage der Walze oder des Bands durch die Zugabe von leitenden Teilchen, Fasern oder ionischen Zusatzmitteln ohmsch gemacht werden muss. Dies liefert eine viel größere Flexibilität in der Formulierung von Schmelzfixierheißwalzen und Schmelzfixierbändern, und, was wichtig ist, ermöglicht es, dass solche Walzen und Bänder ohne teilchenförmiges Material in der Beschichtungsdecklage oder Ablöselage formuliert werden, wodurch die Ablöseeigenschaften der Druckseiten von dem Schmelzfixiersystem verbessert werden.
Die vorliegende Erfindung beruht auf dem Befund, dass Heißwalzen und -bänder, die einen elektrischen Durchschlag bei 250 Volt oder weniger (wie mit einer Korona aufgebracht und mit einer elektrostatischen Sonde gemessen) zeigen, ein spezielles Tonerverunreinigungsproblem beseitigen, das mit einer Ladungsanhäufung auf dem Schmelzfixierband oder der Heißwalze verbunden ist. Die Unterscheidung zwischen einem ohmschen Überzug und einem Überzug, der einen dielektrischen Durchschlag zeigt, ist ein wichtiger Unterschied, da niedrigere Beladungen von elektrisch leitenden Teilchen oder ionenleitenden Agenzien in dicken Fluorharzlagen oder dünne Fluorharzüberzüge ohne leitende Teilchen oder ionenleitende Agenzien verwendet werden können, um einen elektrischen Gesamtverbundüberzugdurchschlag im Bereich von 250 Volt oder weniger zu erzielen. Funktionell sind die Ablösecharakteristika des Fluorpolymerüberzugs signifikant verbessert, wenn leitende Agenzien konzentrationsvermindert oder beseitigt sind.
Die Schmelzfixierheißwalzen der vorliegenden Erfindung umfassen ein Kernelement, das im Allgemeinen von zylindrischer Form ist, auf dem eine Mehrzahl von konzentrischen Lagen laminiert (beschichtet) ist, die verschiedene Funktionen liefern. Die Kernelemente sind im Stand der Technik wohlbekannt und können aus einem beliebigen Material hergestellt sein, das Wärme leitet. Beispiele für solche Materialien umfassen Aluminium, Kupfer, Aluminiumlegierungen, Kupferlegierungen, Stahl und Edelstahl. Aluminium ist ein bevorzugtes Material, weil es leichtgewichtig, wärmeleitend und verhältnismäßig kostengünstig ist. Das Kernelement ist im Allgemeinen hohl, was ermöglicht, dass eine Heizlampe in ihm platziert wird, wodurch die Wärmeenergie zur Schmelzfixierwalze geliefert wird. Der Kern ist durch zwei oder mehr Lagen überzogen, die die äußere Oberfläche des Kernmaterials ganz überziehen. Diese Lagen liefern die geeigneten Oberflächencharakteristika für die Heißschmelzfixierwalze, sind ausreichend wärmebeständig, um Schmelzfixiertemperaturen auszuhalten (z.B. 180°C) und liefern (allein oder zusammen mit leitenden Materialien) die erforderlichen elektrischen Durchschlagcharakteristika der Walze. Die Gesamtdicke der Oberflächenlagen liegt im Bereich von zwischen etwa 1 und etwa 50 μm. Beispiele für Materialien, die in den Oberflächenlagen verwendet werden können, umfassen fluorhaltige Harze, Polyimidharze, Polyamidoimidharze, Silikonharze, Polybenzimidazolharze, Polyphenylenoxidharze und Polybutylenterephthalatharze. Fluorhaltige Harze werden bevorzugt. Beispiele für fluorhaltige Harze umfassen Polytetrafluorethylen (PTFE), Tetrafluorethylen-Perfluorakylvinylether-Copolymer (PFA) und Tetrafluorethylen-Hexafluorpropylen-Copolymer (FEP). Ein Schlüssel zur vorliegenden Erfindung besteht darin, dass mindestens eine von den Überzugslagen keine elektrisch leitenden Materialien enthält und dass die Walze selbst einen elektrischen Durchschlag bei etwa 250 Volt oder weniger zeigt.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Heißwalze ein Kernelement, eine Primärlage, die den Kern überzieht, eine Zwischenlage, die die Primärlage überzieht, und eine Beschichtungsdeck (Ablöse)-Lage, die die Zwischenlage überzieht. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform enthält die Beschichtungsdeck (Ablöse)-Lage keinerlei elektrisch leitende Materialien. Die Primär- und Zwischenlage sind vorzugsweise aus Fluorpolymeren, wie z.B. denjenigen, die oben beschrieben sind, gebildet, wobei sie elektrisch leitende Materialien enthalten, wie z.B. Ruß und die ionenleitenden Materialien, die im US-Patent 5,697,037, Yano et al., erteilt am 9. Dezember 1997, beschrieben sind.
In bevorzugten Strukturen enthielten die Primär- und Zwischenlage zwischen etwa 1% und etwa 10% der leitenden Materialien, bezogen auf das Gewicht des Fluorpolymers. Die Primärlage weist im Allgemeinen eine Dicke von zwischen etwa 1 und etwa 13 μm, vorzugsweise zwischen etwa 2 und etwa 5 μm, auf; die Zwischenlage weist eine Dicke von zwischen etwa 15 und etwa 30 μm, vorzugsweise zwischen etwa 18 und etwa 22 μm, auf; und die Beschichtungsdecklage oder Ablöselage weist im Allgemeinen eine Dicke von zwischen etwa 1 und etwa 7 μm, vorzugsweise zwischen etwa 2 und etwa 3 μm, auf.
Die Schmelzfixierbänder der vorliegenden Erfindung umfassen im Allgemeinen ein wärmebeständiges Harzsubstrat in der Form eines Endlosbands, das darauf eine Mehrzahl von Lagen trägt, die die äußere Oberfläche des Bands sequenziell überziehen. Die Folie für das Schmelzfixierband ist typischerweise eine wärmebeständige Folie, wie z.B. Polyamid, Polyamid oder Polyphenylenoxid. Ein bevorzugtes Band ist eine nahtlose Polyimidfolie, die z.B. durch Gießen eines durch Umsetzen einer aromatischen Tetracarbonsäure-Komponente mit einer aromatischen Diamin-Komponente in einem organischen polaren Lösungsmittel erhaltenen Polyimidvorläufers auf die Oberfläche eines Zylinders, thermisches Behandeln des Gusswerkstoffs und dann Unterziehen des behandelten Materials einer Dehydratations-Kondensations-Reaktion erhalten werden kann.
Die Lagen, die auf dem Band enthalten sind, wirken, um die Oberfläche des Bands auf eine Weise zu modifizieren, die erforderlich ist, um sie als ein wirkungsvolles Schmelzfixierband wirken zu lassen. Die Lagen, die verwendet werden, sind diejenigen, die geeignete Hafteigenschaften für das Band selbst aufweisen, ausreichend wärmebeständig sind, um Schmelzfixiertemperaturen auszuhalten, die gewünschten Ablösecharakteristika für die Druckseite liefern und entweder allein oder in Kombination mit leitenden Materialien ein Band bereitstellen, das einen elektrischen Durchschlag bei etwa 250 Volt oder weniger zeigt. Ein Schlüsselaspekt der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass mindestens eine von den Lagen kein elektrisch leitendes Material enthält. Die Gesamtdicke der Oberflächenlagen liegt im Bereich von zwischen etwa 1 und etwa 50 μm. Beispiele für Materialien, die für solche Lagen verwendet werden können, umfassen fluorhaltige Harze, Polyimidharze, Polyamidoimidharze, Silikonharze, Polybenzimidazolharze, Polyphenylenoxidharze und Polybutylenterephthalatharze. Fluorhaltige Harze werden am meisten bevorzugt. Beispiele für geeignete fluorhaltige Harze umfassen Polytetrafluorethylen (PTFE), Tetrafluorethylen-Perfluorakylvinylether-Copolymer (PFA) und Tetrafluorethylen-Hexafluorpropylen-Copolymer (FEP).
Bevorzugte Bandstrukturen enthalten ein Polyimidharz für das Band und eine Primärlage, eine Zwischenlage und eine Beschichtungsdeck (Ablöse)-Lage, wobei die Primärlage direkt auf der äußeren Oberfläche des Bands einen Überzug vornimmt, die Zwischenlage die Primärlage überzieht und die Beschichtungsdeck (Ablöse)-Lage die Zwischenlage überzieht. In bevorzugten Ausführungsformen enthält die Beschichtungsdecklage oder Ablöselage keinerlei elektrisch leitende Materialien. In bevorzugten Ausführungsformen umfassen die Primär- und Zwischenlage ein Fluorpolymer mit leitenden Materialien, wie z.B. Ruß oder die ionenleitenden Zusätze, die im US-Patent 5,697,037, Yano et al., erteilt am 9. Dezember 1997, beschrieben sind.
Die leitenden Materialien sind vorzugsweise bei zwischen etwa 5% und etwa 30% bezogen auf einen Fluorpolymergehalt in der Primärlage und zwischen etwa 1% und etwa 5% bezogen auf einen Fluorpolymergehalt in der Zwischenlage anwesend. Das Band kann auch eine Menge eines thermisch leitenden Materials, wie z.B. Bornitrid, vorzugsweise in einer Menge von zwischen etwa 15% und etwa 30% bezogen auf den Polyimidgehalt des Bands enthalten. Das Polyimidband weist im Allgemeinen eine Dicke von zwischen etwa 30 μm und etwa 60 μm, vorzugsweise zwischen etwa 45 μm und etwa 55 μm, auf; die Primärlage weist eine Dicke von zwischen etwa 1 μm und etwa 10 μm, vorzugsweise zwischen etwa 2 μm und etwa 5 μm, auf; die Zwischenlage weist eine Dicke von zwischen etwa 5 μm und etwa 20 μm, vorzugsweise zwischen etwa 8 μm und etwa 12 μm, auf; und die Beschichtungsdeck (Ablöse)-Lage weist eine Dicke von zwischen etwa 2 μm und etwa 5 μm, vorzugsweise zwischen etwa 2 μm und etwa 3 μm, auf.
Eine Charakterisierung von Isolatoren hinsichtlich Spannungs- oder dielektrischem Durchschlag und spezifischem Widerstand ist in der Drahtindustrie wohlbekannt. Ein Fluorpolymerharz, z.B. Polytetrafluorethylen (PTFE), ist hinsichtlich seiner Durchschlagspannung von 60 bis 80 Volt pro Mikrometer und seines spezifischen Widerstands von größer als 1E18 Ohm-cm gekennzeichnet. Ein anderes Fluorpolymer, fluoriertes Ethylenpropylen (FEP), ist so gekennzeichnet, dass es eine Durchschlagspannung von 80 Volt pro Mikrometer und einen spezifischen Widerstand von größer als 1E18 Ohm-cm aufweist. Der Unterschied zwischen Durchschlagspannung und spezifischem Widerstand sollte beachtet werden (Daten aus Plastics for Engineers, Hans Domininghaus, Hanser Publishers, New York, 1988).
Eine Charakterisierung von Materialien hinsichtlich dielektrischem Durchschlag und spezifischem Widerstand ist in der Elektrofotografie auch wohlbekannt. Z.B. sind Fotoleiter durch eine Ladungsaufnahme gekennzeichnet (d.h. die Spannung, bei der eine Fotoleiterfolie von einer vorgegebenen Dicke (im Dunkeln) keine Spannungszunahme mehr zeigt, wenn mit einer Ladungsquelle eines Corotrons oder einer Ladungswalze versehen). Diese steht direkt mit der Durchschlagspannung in Beziehung. Der spezifische Folienwiderstand r ist durch die gemessene Ladungsabklingzeit (auch im Dunkeln veranschlagt) gekennzeichnet, wobei die gemessene Zeitkonstante T durch T(sec) = r (Ohm-cm) × Kεo (Farad/cm) gegeben ist. In dieser Gleichung ist K die relative Dielektrizitätskonstante der Folie, und εo ist die Permittivität des leeren Raums (8,854E-14 Farad/cm).
Eine Vorrichtungsprozedur zur Veranschlagung der Durchschlagspannung und Zeitkonstante für ein Schmelzfixierband oder -walze ist in 1 dargestellt. Die Testprozedur, die verwendet wird, ist wie folgt:

(1) Reinige die Band- oder Walzenoberfläche in einem Bereich von 3 × 10 cm, wo die Messung ausgeführt werden soll. Wische mit einem Reinraumreinigungstuch, das mit Isopropylalkohol befeuchtet worden ist. Wische trocken, dann trockne 30 Sekunden mit Luft.
(2) Platziere das Band auf den Dorn der Testvorrichtung.
Sorge für eine Erde zur Primärlage des Bands (oder zum Heißwalzenkern).
(3) Positioniere die Monroe-ESV-Sonde für eine einsatzbereite Platzierung 1 bis 1,5 mm von der Komponente, die getestet wird.
(4) Bewege die Probe seitwärts. Schalte Monroe-Corona Ply II mit +20 μA, 0 bis 10 KV ein, wobei sich die Ladungsbürste in der Hand befindet.
(5) Zieh die Ladungsbürste leicht über die Oberfläche des Schmelzfixierbands (oder -walze), wobei 3 Überstrei chungen über den Bereich von 3 × 10 cm gemacht werden. Dann führe drei zusätzliche Aufladungsüberstreichungen mit der Ladungsbürste 2 bis 4 mm von der Oberfläche des Bands (oder Walze) durch.
(6) Schalte die Corona Ply II aus, und repositioniere sofort die ESV-Sonde 1 bis 1,5 mm von der Mitte des geladenen Bereichs.
(7) Registriere die Spannung bei 3 Sekunden als "V3".
(8) Registriere die Spannung bei 30 Sekunden als "V30". Das Ergebnis einer Aufladung eines Schmelzfixierbands mit der Ladungsbürste und einer Überwachung der Spannung auf seiner Oberfläche nach Entfernung der Ladungsquelle ist in 2 dargestellt. Hier ist die Durchschlagspannung des Verbundstoffüberzogenen Bands als V3 definiert, die Spannung, die bei 3 Sekunden nach Entfernung der 20 μA-Ladungsbürste gemessen wird. Die Zeitkonstante T = 27/ln (V3/V30).

Eine füllmittelfreie PTFE-Fluorpolymeraußenlage schlägt bei ungefähr 80 Volt pro Mikrometer durch, was zu einer Durchschlagspannung von 960 Volt für eine 12 μm dicke Überzugslage führt. Man würde erwarten, dass eine Verringerung der Dicke auf 6 μm die Durchschlagspannung auf ungefähr 480 Volt verringert. Man würde erwarten, dass eine weitere Verringerung der Dicke auf 2 μm die Durchschlagspannung auf etwa 160 Volt verringert.
Durch Hinzufügen von Kohlenstoffteilchen zu dem Fluorharzüberzug kann die effektive Isolationsdicke wesentlich (abhängig von der Beladung) verringert werden, um einen Durchschlag von 40 bis 200 Volt für denselben 12 μm dicken PTFE-Überzug zu erzielen. Die gemessene Zeitkonstante, die in 2 veranschaulicht ist, ist ungeändert, was anzeigt, dass es die Durchschlagspannung und nicht der spezifische Überzugswiderstand ist, die/der durch die Kohlenstoffbeladung verringert worden ist. Der spezifische Überzugswiderstand ist derjenige des PTFE (sehr hoch), sobald sich das Oberflächenpotenzial unter der Isolationsdurchschlagspannung befindet.
Die Schmelzfixierwalzen und Schmelzfixierbänder der vorliegenden Erfindung werden durch die folgenden Beispiele veranschaulicht, die dafür veranschaulichend und nicht beschrän kend sein sollen.
BEISPIEL 1
Ein Schmelzfixierband der vorliegenden Erfindung weist die folgende Zusammensetzung auf:

1. Eine 50 μm dicke Polyimid-Basislage, die mit Bornitrid bei 15 Gew.-% bis 30 Gew.-% beladen ist.
2. Eine 3 μm dicke leitende Primärlage, die aus DuPont 855-029 hergestellt ist (eine Dispersion, die eine PTFE/FEP-Mischung mit leitendem Russ enthält).
3. Eine 10 μm dicke Fluorpolymer-Durchschlaglage, die aus DuPont 855-411 (eine Dispersion, die PFA und ungefähr 3,8% Ruß enthält), das mit DuPont 857-210 (eine Dispersion, die PFA enthält) im Verhältnis 40:60 gemischt ist, hergestellt ist, so dass sich ein Überzug mit ungefähr 1,5% Ruß ergibt.
4. Eine 2 μm dicke Fluorpolymer-Decklage, die aus DuPont 857-210 hergestellt ist, ohne dass ein elektrisch leitendes Zusatzmittel anwesend ist.

Das Schmelzfixierband wird wie folgt hergestellt:
Ein nahtloses Polyimidrohr (25,4 mm Durchmesser) wird als das Überzugssubstrat verwendet. Das Polyimid ist ein Biphenyl-3,3',4,4'-tetracarboxyldianhydrid/p-Phenylendiamin (BPDA/PDA)-Typ, der mit Bornitrid beladen ist. Das Rohr wird auf einen eloxierten Aluminiumdorn platziert. Er ist auf einem Ende konisch zulaufend, um zu helfen, das Rohr an seinem Ort zu halten, wenn der Dorn gedreht wird. Eine Luftspritzpistole mit Schwerkraftzuführung, Iwata Model RG-2, wird auf einer Vorrichtung montiert, die mittels einer Drehspindel in einer Translationsbewegung nach links und rechts bewegt wird. Das Rohr mit dem Dorn wird innerhalb 150 bis 200 mm von der Spitze der Pistole montiert.
Das DuPont 855-029-Primärlagenmittel wird langsam rotiert, um sich zu mischen, dann durch einen 50-Mikrometer-Nylonbeutel filtriert. Die Dispersion wird mit einer 1%igen wässrigen Lösung von Triton^TM X-100-Tensid von Union Carbide auf 20% Feststoffe verdünnt. Der Pistolendurchsatz wird auf 0,0125 gr/sec und ein Zerstäubungsdruck auf 40 psi eingestellt. Das Primärlagenmittel wird in 2 Überstreichungen in einer Richtung mit einer Geschwindigkeit von 3,0 cm/sec und einer Dorndrehung von 120 U/min gespritzt.
DuPont 855-411 und 857-210 werden langsam rotiert, um sich zu mischen. 40 gr von 855-411 werden zu 60 gr von 857-210 zugesetzt. Diese Mischung wird langsam rotiert, um sich zu mischen, dann durch einen 100 Mikrometer-Nylonbeutel filtriert. Eine Maske wird verwendet, um freiliegendes Primärlagenmittel auf einem Ende des Bands zurück zu lassen. Der Pistolendurchsatz wird auf 0,0362 gr/sec und ein Zerstäubungsdruck auf 60 psi eingestellt. Die Durchschlaglage wird in 3 Überstreichungen in einer Richtung mit einer Geschwindigkeit von 3,0 cm/sec und einer Dorndrehung von 120 U/min gespritzt.
Die DuPont 857-210-Beschichtungsdecklage wird langsam rotiert, um sich zu mischen, dann durch einen 100 Mikrometer-Nylonbeutel filtriert. Die Dispersion wird mit einer 1%igen wässrigen Lösung von Triton^TM X-100-Tensid von Union Carbide auf 25% Feststoffe verdünnt. Der Pistolendurchsatz wird auf 0,0362 gr/sec und ein Zerstäubungsdruck auf 60 psi eingestellt. Die Beschichtungsdecklage wird in 1 Überstreichung mit einer Geschwindigkeit von 3,0 cm/sec und einer Dorndrehung von 120 U/min gespritzt. Das Rohr wird dann 10 Minuten lang bei 200C getrocknet und 2 Stunden lang bei 380C gesintert. Das Rohr wird auf einer Drehbank getrimmt, um eine freiliegende Beschichtungsdecklage zurück zu lassen.
BEISPIEL 2
Ein Schmelzfixierband der vorliegenden Erfindung mit der vorstehend dargelegten Zusammensetzung wird gemäß dem in Beispiel 1 beschriebenen Verfahren hergestellt.

1. Eine 50 μm dicke Polyimid-Basislage, die mit Bornitrid bei 15 Gew.-%-30 Gew.-% beladen ist.
2. Eine 3 μm dicke leitende Primärlage, die aus Fluorpolymer DuPont 855-029 hergestellt ist (eine Dispersion, die eine PTFE/FEP-Mischung mit leitendem Russ enthält).
3. Eine 10 μm dicke Fluorpolymer-Durchschlaglage, die aus DuPont 857-210 PFA hergestellt ist, mit einem ionenleitenden Zusatzmittel des Typs, der im US-Patent 5,697,037 beschrieben ist.
4. Eine 2 μm dicke Fluorpolymer-Decklage, die aus DuPont 857-210 hergestellt ist, ohne dass ein elektrisch leitendes Zusatzmittel anwesend ist.

BEISPIEL 3
Eine Schmelzfixierheißwalze der vorliegenden Erfindung umfasst die folgenden Komponenten:

1. Einen Aluminiumkern, der auf ungefähr 3 μm Ra aufgeraut ist.
2. Eine 3 μm dicke leitende Primärlage, die aus DuPont 855-029 hergestellt ist (eine Dispersion, die eine PTFE/FEP-Mischung mit leitendem Russ enthält).
3. Eine 20 μm dicke Fluorpolymer-Durchschlaglage, die aus DuPont 855-411 (eine Dispersion, die PFA bei ungefähr 3,8% Ruß enthält), das mit DuPont 857-210 (eine Dispersion, die PFA enthält) in einem 40:60-Verhältnis gemischt ist, hergestellt ist, so dass sich ein Überzug mit ungefähr 1,5% Ruß ergibt.
4. Eine 2 μm dicke Fluorpolymer-Decklage, die aus DuPont 857-210 hergestellt ist, ohne dass ein elektrisch leitendes Zusatzmittel anwesend ist.

Die Schmelzfixierheißwalze wird unter Verwendung der folgenden Prozedur hergestellt: Ein Aluminiumrohr, das bis auf eine durchschnittliche Rauhigkeit von 3,5 Mikrometer gesandstrahlt worden ist, wird als der Kern verwendet. Der Überzugsprozess ist derselbe, wie derjenige, der in Beispiel 1 beschrieben ist, außer dass 6 Überstreichungen für die Durchschlaglage verwendet werden und die Überzugsgeschwindigkeit eingestellt wird, wenn der Durchmesser des Rohrs von Beispiel 1 verschieden ist.
BEISPIEL 4
Unter Verwendung der in Beispiel 3 oben beschriebenen Prozedur wird eine Schmelzfixierheißwalze mit den unten beschrie benen Komponenten hergestellt.

1. Ein Aluminiumkern, der auf ungefähr 3 μm Ra aufgeraut ist.
2. Eine 3 μm dicke leitende Primärlage, die aus DuPont 855-029 hergestellt ist (eine Dispersion, die eine PTFE/FEP-Mischung mit leitendem Russ enthält).
3. Eine 20 μm dicke Fluorpolymer-Durchschlaglage, die aus DuPont 857-210 PFA hergestellt ist, mit einem ionenleitenden Zusatzmittel des Typs, der im US-Patent 5,697,037 beschrieben ist.
4. Eine 2 μm dicke Fluorpolymer-Decklage, die aus DuPont 857-210 hergestellt ist, ohne dass ein elektrisch leitendes Zusatzmittel anwesend ist.

BEISPIEL 5
Eine Rußbeladungs- und Foliendickenuntersuchung wurde ausgeführt. Die Zusammensetzungen, die untersucht wurden, und die Ergebnisse, die erhalten wurden, sind in der folgenden Tabelle und in 3 dargestellt.
Es wurden Folien unter Verwendung einer Reihe von Mischungsverhältnissen der füllmittelfreien DuPont 857-210-PFA- und der rußbeladenen DuPont 855-411-PFA- (mit ungefähr 8,5 Gew.-% Ruß) Fluorpolymere hergestellt. 3 veranschaulicht die erwarteten Wirkungen von sowohl Rußbeladung als auch Foliendicke auf die Durchschlagspannungsmessung. Ein separater funktioneller Test zeigte, dass Bänder mit einer Durchschlagspannung von 250 Volt oder weniger keine Toneroffsetverunreinigung zeigten. Die 250 Volt-Schwellenwertspannung, die dem Beginn dieser Verunreinigungswirkung entspricht, ist auch in 3 dargestellt. Der bevorzugte Betriebsbereich ist unter der Schwellenwertlinie.
Eine zweite Untersuchung wurde bei vierlagigen Schmelzfixierbändern ausgeführt. Durchschlagspannungsmessungen für drei experimentelle vierlagige Schmelzfixierbandproben, die mit einer leitenden Primärlage, einer Durchschlaglage mit Rußbeladung und einer füllmittelfreien Beschichtungsdecklage konstruiert waren, sind in der folgenden Tabelle dargestellt. Hier entsprach, wie erwartet, Bandprobe #3 mit einer 2 μm dicken Beschichtungsdecklage dem gewünschten Durchschlagspannungsziel von < 250 V. Bänder mit dickeren Beschichtungsdecklagen überschritten das Durchschlagziel von 250 Volt.
Die verwendeten Überzugsmaterialien sind wie folgt:
DuPont 855-029 (eine Dispersion, die eine PTFE/FEP-Mischung mit leitendem Russ enthält)
DuPont 855-101 (eine Dispersion, die eine PTFE/FEP-Mischung mit Ruß enthält)
DuPont 857-210 (eine Dispersion, die PFA enthält)

Claims

Heizwalzenfixiergerät zur Verwendung bei einer Elektrofotografie, umfassend ein Kernelement, auf dem eine Mehrzahl von konzentrischen Lagen aufgebracht ist, wobei die Lagen eine Primärlage auf dem Kern, eine Zwischenlage auf der Primärlage und eine Beschichtungsdecklage auf der Zwischenlage umfassen; wobei die Beschichtungsdecklage keine elektrisch leitenden Materialien enthält und dass die Walze einen elektrischen Durchschlag bei 250 Volt oder weniger zeigt; dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtdicke der Lagen im Bereich von 1 μm bis 50 μm liegt.
Heizwalze nach Anspruch 1, bei der die Primär- und Zwischenlage ein Flourpolymer umfassen, das elektrisch leitende Materialien enthält.
Heizwalze nach Anspruch 2, bei der das elektrisch leitende Material aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Ruß, ionenleitenden Zusatzmitteln und Mischungen davon zusammengesetzt ist.
Heizwalze nach Anspruch 2 oder 3, bei der das elektrisch leitende Material mit zwischen 1% und 10% bezogen auf das Gewicht des Fluorpolymers anwesend ist.
Heizwalze nach einem vorangehenden Anspruch, bei der die Primärlage eine Dicke von zwischen 1 und 13 μm aufweist, die Zwischenlage eine Dicke von zwischen 15 und 30 μm aufweist und die Beschichtungsdecklage eine Dicke von zwischen 1 und 7 μm aufweist.
Heizwalze nach Anspruch 5, bei der die Primärlage eine Dicke von zwischen 2 und 5 μm aufweist, die Zwischenlage eine Dicke von zwischen 18 und 22 μm aufweist und die Beschichtungsdecklage eine Dicke von zwischen 2 und 3 μm aufweist.
Heizwalze nach einem vorangehenden Anspruch, bei der das Kernelement aus Aluminium hergestellt ist.
Band zur Verwendung in einem elektrofotografischen Heißfixierprozess, umfassend ein wärmebeständiges Harzsubstrat in der Form eines Endlosbands, das darauf eine Mehrzahl von Lagen trägt, die die äußere Oberfläche des Bands sequenziell überziehen, wobei die Lagen, die durch das Band getragen werden, umfassen: eine Primärlage, die das Band direkt bedeckt, eine Zwischenlage, die die Primärlage direkt bedeckt, und eine Decklage, die die Zwischenlage direkt bedeckt; wobei die Beschichtungsdecklage keine elektrisch leitenden Materialien enthält und das Band einen elektrischen Durchschlag bei 250 Volt oder weniger zeigt; dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtdicke der Lagen im Bereich von zwischen 1 μm und 50 μm liegt.
Schmelzfixierband nach Anspruch 8, wobei das Band aus Polyimidharz hergestellt ist.
Schmelzfixierband nach Anspruch 9, wobei das Polyimidband zwischen 15% und 30% eines wärmeleitenden Materials enthält.
Schmelzfixierband nach Anspruch 10, bei dem das wärmeleitende Material Bornitrid ist.
Schmelzfixierband nach Anspruch 9, 10 oder 11, bei dem die Dicke des Polyimidbands zwischen 30 und 60 μm liegt, die Dicke der Primärlage zwischen 1 und 10 μm liegt, die Dicke der Zwischenlage zwischen 5 und 20 μm liegt und die Dicke der Decklage zwischen 2 und 5 μm liegt.
Schmelzfixierband nach Anspruch 12, bei dem die Dicke des Polyimidbands zwischen 45 und 55 μm liegt, die Dicke der Primärlage zwischen 2 und 5 μm liegt, die Dicke der Zwischenlage zwischen 8 und 12 μm liegt und die Dicke der Decklage zwischen 2 und 3 μm liegt.
Schmelzfixierband nach einem der Ansprüche 8 bis 13, bei dem die Primärlage und Zwischenlage beide ein Fluorpolymer und elektrisch leitende Materialien umfassen.
Schmelzfixierband nach Anspruch 14, bei dem die elektrisch leitenden Materialien aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Ruß, ionenleitenden Zusatzmitteln und Mischungen davon zusammengesetzt ist.
Schmelzfixierband nach Anspruch 14 oder 15, bei dem die elektrisch leitenden Zusatzmittel mit zwischen 5% und 30% bezogen auf das Gewicht des Fluorpolymers in der Primärlage und mit zwischen 1% und 5% bezogen auf das Gewicht des Fluorpolymers in der Zwischenlage anwesend sind.