DE60113220T2

DE60113220T2 - Verfahren zur Herstellung einer mehrschichtigen elastomeren Beschichtung

Info

Publication number: DE60113220T2
Application number: DE60113220T
Authority: DE
Inventors: Carla M. Webster Santos; Elizabeth L. Rochester Ogren; Alan R. Webster Kuntz; George A. Webster Riehle
Original assignee: Xerox Corp
Current assignee: Xerox Corp
Priority date: 2000-11-28
Filing date: 2001-11-15
Publication date: 2006-01-19
Anticipated expiration: 2021-11-16
Also published as: DE60113220D1; EP1209542A2; EP1209542B1; US6555181B1; EP1209542A9; EP1209542A3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft elastomere Beschichtungen unter anderem für Binde- oder Fixierbauteile.
In einer typischen elektrostatografischen Druckvorrichtung wird ein Lichtbild eines zu kopierenden Originals in der Form eines elektrostatisch latenten Bildes auf ein fotoempfindliches Bauteil aufgezeichnet und das latente Bild wird anschließend durch den Auftrag von elektroskopischen, thermoplastischen Harzpartikeln sichtbar gemacht, die üblicher Weise als Toner bezeichnet werden. Das sichtbare Tonerbild liegt dann in einer lose gepulverten Form vor und kann leicht gestört oder zerstört werden. Das Tonerbild wird üblicherweise auf einem Träger fixiert oder gebunden, der selbst ein fotoempfindliches Bauteil oder eine andere Stützplatte wie einfaches Papier, transparentes, spezialbeschichtetes Papier oder Ähnliches sein kann.
Die Verwendung thermischer Energie zur Fixierung von Tonerbildern auf ein Trägerbauteil ist wohl bekannt. Um elektroskopisches Tonermaterial auf eine Trägeroberfläche permanent durch Wärme zu binden, ist es notwendig, die Temperatur des Tonermaterials auf einen Punkt zu erhöhen, bei dem die Inhaltsstoffe des Tonermaterials zerschmelzen und klebrig werden. Dieses Erwärmen bewirkt, dass der Toner in einigem Ausmaß in die Fasern oder Poren des Trägerbauteils fließt. Danach bewirkt, während das Tonermaterial abkühlt, die Verfestigung des Tonermaterials, dass das Tonermaterial fest an den Träger gebunden wird.
Typischer Weise werden thermoplastische Harzpartikel an das Substrat durch Erwärmen auf eine Temperatur zwischen 90°C bis 160°C oder höher, abhängig von dem Erweichungsbereich des jeweiligen Harzes, der in dem Toner verwendet wird, gebunden. Es ist jedoch nicht wünschenswert, die Temperatur des Substrats wesentlich höher als 200°C zu erhöhen, bedingt durch die Tendenz des Substrats, sich bei solchen höheren Temperaturen zu verfärben, insbesondere, wenn das Substrat Papier ist.
Es wurden verschiedene Ansätze zur thermischen Bindung von elektroskopischen Tonerbindern im Stand der Technik beschrieben. Diese Verfahren umfassen die Bereitstellung der im Wesentlichen gleichzeitigen Anwendung von Hitze und Druck durch verschiedene Mittel, einschließlich eines Rollenpaares, das in Druckkontakt gehalten wird, eines Bandbauteils in Druckkontakt mit einer Rolle und Ähnliches. Wärme kann durch Erwärmen von einer oder beiden der Rollen, der Plattenbauteile oder der Bandbauteile aufgetragen werden. Das Verschmelzen der Tonerpartikel findet im Allgemeinen statt, wenn die richtige Kombination aus Hitze, Druck und Kontaktzeit zur Verfügung gestellt wird. Die Ausbalancieren dieser Parameter, um die Bindung der Tonerpartikel zu erreichen, ist auf dem Gebiet wohl bekannt, und diese können angepasst werden, um bestimmte Maschinen, Prozessbedingungen und Drucksubstrate zu bedienen.
Während der Durchführung eines Fusionssystems, bei dem Hitze aufgetragen wird, um eine thermische Bindung der Tonerpartikel an einen Träger zu bewirken, werden sowohl das Tonerbild wie auch der Träger durch eine Spalte durchgeführt, die durch das Rollenpaar oder die Platte und/oder die Bandbauteile gebildet wird. Der gleichzeitige Transfer von Hitze und der Auftrag von Druck in der Spalte bewirkt die Bindung des Tonerbildes an das Trägermaterial. Es ist in dem Bindungsprozess wichtig, dass kein Offset der Tonerpartikel von dem Träger auf das Bindungsbauteil während der normalen Durchführungen stattfindet. Ein Offset (Absetzen) der Tonerpartikel auf das Bindungsbauteil kann anschließend auf andere Teile der Maschine oder auf das Trägermaterial in anschließenden Kopierzyklen übertragen werden, wodurch der Hintergrund erhöht wird, oder dies mit dem Material wechselwirkt, das kopiert wird. Der so genannte „heiße Offset" kommt vor, wenn die Temperatur des Toners auf einen Punkt erhöht wird, bei dem die Tonerpartikel flüssig werden und eine Aufspaltung des geschmolzenen Toners während des Fusionsvorganges stattfindet, wobei ein Teil auf dem Fusionsbauteil verbleibt.
Die heiße Offsettemperatur oder Zersetzung der heißen Offsettemperatur ist ein Maß der relativen Freisetzungseigenschaft der Bindungsrolle, und dem entsprechend ist es wünschenswert, eine Bindungsoberfläche zur Verfügung zu stellen, die eine geringe Oberflächenenergie aufweist, um die notwendige Freisetzung bereit zu stellen. Um gute Freisetzungseigenschaften der Bindungsrolle sicherzustellen und beizubehalten, ist es üblich geworden, Freisetzungsmittel auf die Fusionsbauteile aufzutragen, um sicherzustellen, dass der Toner vollständig von der Bindungsrolle während des Bindungsvorgangs freigesetzt wird. Typischer Weise werden diese Materialien als dünne Filme aus z. B. Silikonölen aufgetragen, um Toner-Offset zu verhindern. Zusätzlich zur Verhinderung des heißen Offsets, ist es wünschenswert, eine so groß wie mögliche Anwendungsbreite zur Verfügung zu stellen. Unter Anwendungsbreite ist der Unterschied in der Temperatur zwischen der minimalen Temperatur, die notwendig ist, um den Toner auf das Papier zu fixieren, der minimalen Fixierungstemperatur, und der Temperatur, bei der sich der heiße Toner auf der Bindungsrolle absetzt, der heißen Offset-Temperatur, gemeint.
Im Allgemeinen werden Fusions- und Fixierrollen durch den Auftrag von einer oder mehreren Schichten eines geeigneten Substrats hergestellt. Zum Beispiel werden zylindrische Fusions- und Fixierrollen typischer Weise durch den Auftrag einer fluorelastomeren Schicht mit oder ohne zusätzliche Schichten auf einen Aluminiumkern hergestellt. Die beschichtete Rolle wird dann in einem Konvektionsofen erhitzt, um das Fluorelastomermaterial zu härten. So eine Verarbeitung wird zum Beispiel in US A 5,501,881, US A 5,512,409 und US A 5,729,813 offenbart.
Ein Problem bei der konventionellen Verarbeitung ist jedoch, dass die Konvektionsofenhärtung des Fusionsbauteils oder ähnlicher Bauteile eine lange Verarbeitungszeit voraussetzt, die typischerweise über 16, 28, 20 oder mehr Stunden hinausgeht. Zum Beispiel offenbart die US A 5,759,813 , dass die Beschichtung durch ein schrittweises Erwärmungsverfahren von insgesamt ungefähr 24 Stunden gehärtet wird, wie zwei Stunden bei 95°C, zwei Stunden bei 150°C, zwei Stunden bei 175°C, zwei Stunden bei 200°C und 16 Stunden bei 230°C, gefolgt durch Kühlen und Sandstrahlen. Solche langwierigen Härtungsprozesse sind neben der Tatsache, dass sie zeitaufwändig sind, energieintensiv und setzen oft eine Kessel- anstatt eine kontinuierliche Prozessführung voraus.
Des Weiteren ist ein Problem, dass mit solch einer Konvektionsofenhärtung der Bindungs- oder Fixierbauteile vorkommt, dass der Konvektionshärtungsprozess in Fällen zerstörerisch sein kann, bei denen die Härtungstemperatur der Beschichtung höher als die Prozesstemperatur des Substrats und/oder der anschließenden Beschichtungen ist. In diesen Fällen können die hohen Temperaturen, die notwendig sind, um die Fluorelastomerbeschichtung zu härten, unerwünschte Änderungen in dem Substrat oder den anderen Schichten bewirken, was die chemischen Zusammensetzungen und/oder Eigenschaften der Schichten ändert.
JP 63-070878 offenbart eine Fixierrolle zur Verwendung in einer elektroplatografischen Kopiervorrichtung. Die Fixierrolle umfasst einen Metallkern mit einer wärmewiderstandsfähigen elastischen Schicht, die darauf ausgebildet ist. Eine Silikonbeschichtungslage wird auf der elastischen Schicht gebildet, wobei die Silikonbeschichtungslage durch ultraviolette Strahlen härtbar ist.
Es gibt einen Bedarf auf dem Gebiet an verbesserten Beschichtungs- und Härtungsprozessen, wodurch die oben genannten Nachteile der Konvektionshärtungsprozesse des Standes der Technik beseitigt werden können. In gleicher Weise gibt es einen Bedarf auf dem Gebiet an einem Härtungsverfahren, das einen höheren Durchsatz hat, während es dennoch ökonomische und materielle Vorteile bei der Herstellung von Fusionsbauteilen, Fixierbauteilen und Ähnlichem zur Verfügung stellt. Diese und andere Vorteile werden durch die vorliegende Erfindung zur Verfügung gestellt.
Die vorliegende Erfindung stellt Bindungs- und Fixierbauteile sowie ähnlich beschichtete Bauteile und Verfahren für die Herstellung davon zur Verfügung. Die vorliegende Erfindung stellt einen weiten Bereich an Vorteilen zur Verfügung, der zuvor auf dem Gebiet nicht verfügbar war, einschließlich Kosteneinsparungen, Raumeinsparungen, weniger Einfluss auf die Umwelt, verbesserte physikalische oder Durchführungseigenschaften und eine kontinuierliche Prozessführung.
Insbesondere stellt die vorliegende Erfindung in Ausführungsformen ein Verfahren zur Herstellung eines mehrschichtigen, Elastomer-beschichteten Bauteils zur Verwendung in einer elektrostatografischen Druckvorrichtung zur Verfügung, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
das Auftragen einer Beschichtung aus einem elastomeren Material auf ein unterstützendes Substrat; und
das Härten des elastomeren Materials durch Aufsetzen an Strahlungsenergie in einer durch Strahlungsenergie härtenden Vorrichtung,
dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsenergie Infrarotstrahlung ist.
Es werden nun besondere Ausführungsformen gemäß dieser Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, bei denen:
1 eine Querschnittsansicht eines Fusionssystems ist, das das Fusionsbauteil gemäß der vorliegenden Erfindung verwenden kann.
2 ist eine aufgeschnittene Ansicht eines beispielhaften mit Strahlungsenergie härtenden Ofens gemäß der Erfindung.
3 ist eine Querschnittsansicht des mit Strahlungsenergie härtenden Ofens von 2.
Gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden Fusions- und Fixierbauteile und Ähnliches zur Verfügung gestellt. In Ausführungsformen werden die verschiedenen Bauteile gemäß einem der verschiedenen bekannten Verfahren auf dem Gebiet hergestellt, außer dass ein Strahlungswärmeverfahren verwendet wird, um eine oder mehrere der aufgetragenen Schichten oder Materialien zu härten, anstelle eines durch Konvektion härtenden Verfahrens.
Ein typisches Fusionsbauteil der vorliegenden Erfindung wird in Verbindung mit einer Fusionsanordnung beschrieben, wie sie in 1 gezeigt wird, wo die Zahl 1 eine Fusionsrolle bezeichnet, die eine elastomere Oberfläche 2 auf einem geeigneten Basisbauteil 4 umfasst. Das Basisbauteil 4 kann ein hohler Zylinder oder Kern sein, der aus jeglichem geeigneten Metall wie Aluminium, anodisiertem Alumimium, Stahl, Nickel, Kupfer oder Ähnlichem hergestellt wurde. Das Basisbauteil 4 hat ein geeignetes Erhitzungselement 6, das in dem hohlen Teil davon positioniert ist, und das sich mit dem Zylinder zusammen verlängert. Die Stütz- und Druckrolle 8 kooperiert mit der Fusionsrolle 1, um eine Spalte oder einen Kontaktbogen 10 auszubilden, den ein Kopierpapier oder ein anderes Substrat 12 durchläuft, so dass Tonerbilder 14 auf dem Kopierpapier oder einem anderen Substrat 12 die Elastomeroberfläche 2 der Fusionsrolle 1 kontaktieren. Wie in 1 gezeigt wird, hat die Stützrolle 8 einen starren Stahlkern 16 mit einer weichen Oberflächenschicht 18 darauf, obwohl die Anordnung nicht darauf eingeschränkt ist. Die Wanne 20 enthält ein polymeres Freisetzungsmittel 22, das bei Raumtemperatur ein Feststoff oder eine Flüssigkeit sein kann, aber bei Durchführungstemperaturen eine Flüssigkeit ist.
In der Ausführungsform, die in 1 zum Auftragen des polymeren Freisetzungsmittels 22 auf die Elastomeroberfläche 2 gezeigt wird, werden zwei Freisetzungsmittel zuführende Rollen 17 und 19, die in Rotationsweise in der Richtung angebracht sind, die angezeigt wird, zur Verfügung gestellt, um das Freisetzungsmittel 22 von der Wanne 20 auf die Elastomeroberfläche zu transportieren. Wie in 1 illustriert wird, ist die Rolle 17 teilweise in die Wanne 20 eingetaucht und transportiert auf ihrer Oberfläche das Freisetzungsmittel von der Wanne zur Auftragsrolle 19. Durch Verwendung einer Messklinge 24 kann eine Schicht der polymeren Freisetzungsflüssigkeit als erstes auf die Zuführrolle 19 aufgetragen werden und anschließend auf das Elastomer 2 der Fusionsrolle 1 in einer gesteuerten Dicke im Bereich einer Submikrometerdicke bis zu einer Dicke von mehreren Mikrometern der Freisetzungsflüssigkeit. Somit können durch die Messvorrichtung 24 ungefähr 0,1 bis 2 Mikrometer oder mehr an Dicke der Freisetzungsflüssigkeit auf die Oberfläche des Elastomers 2 aufgetragen werden.
Wie er hierin verwendet wird, kann der Begriff „Bindungs-" oder „Fixier-" bauteil und Varianten davon eine Rolle, ein Band wie ein endloses Band, eine flache Oberfläche wie eine Folie oder Platte oder eine andere geeignete Form sein, die bei der Fixierung von thermoplastischen Tonerbildern auf ein geeignetes Substrat verwendet werden. Es kann die Form eines Fusionsbauteils, eines Druckbauteils oder eines Freisetzungsmittelspenderbauteils, vorzugsweise in der Form einer zylindrischen Rolle annehmen. Typischer Weise wird das Fusionsbauteil aus einem hohlen, zylindrischen Metallkern wie Kupfer, Aluminium, Stahl und Ähnlichem hergestellt und hat eine äußere Schicht aus dem ausgewählten, gehärteten Elastomer oder Fluorelastomer. Alternativ dazu können eine oder mehrere Zwischenschichten zwischen dem Substrat und der äußeren Schicht des gehärteten Elastomers vorhanden sein, wenn dieses erwünscht ist. Typische Materialien mit den geeigneten thermischen und mechanischen Eigenschaften für solche Schichten umfassen Silikonelastomere, Fluorelastomere, EPDM (Ethylenpropylenhexadien) und Teflon^® (d. h. Polytetrafluorethylen) wie Teflon PFA Laufrollen.
In Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung besteht das Fusionsbauteil aus einem Kern wie einem Metall mit einer Beschichtung, üblicherweise einer kontinuierlichen, aus einem thermisch leitenden und widerstandsfähigen komprimierbaren Material, das vorzugsweise eine hohe thermomechanische Stärke aufweist. Verschiedene Designs für Fusions- und Fixierbauteile sind auf dem Gebiet bekannt und werden zum Beispiel in US A 4,373,239, US A 5,501,881, US A 5,512,409 und US A 5,729,813.
Im Allgemeinen kann der Kern jegliches geeignetes Stützmaterial umfassen, um das oder auf das die anschließenden Schichten gebildet werden. Geeignete Kernmaterialien umfassen, sind aber nicht eingeschränkt auf, Metalle wie Aluminium, anodisiertes Aluminium, Stahl, Nickel, Kupfer und Ähnliche.
Eine Beschichtung, die vorzugsweise ein thermisch leitendes und widerstandsfähiges komprimierbares Material ist, wird dann auf das Kernbauteil aufgetragen. Die Beschichtung kann jegliches geeignetes Material sein, einschließlich, nicht aber eingeschränkt auf, jegliches geeignetes thermisch leitendes Fluorkohlenstoffelastomergummi. Geeignete Materialien umfassen z. B. Bisphenol- härtbares Polyhexafluorpropylen-tetrafluorethylen und Vinylidenfluoridpolymere. Silikonelastomere können mit dem Fluorelastomer in den Beschichtungszusammensetzungen kombiniert werden. Typischer Weise wird es aus Peroxid-härtbarem Polyorganosiloxan hergestellt, die im Allgemeinen als Hochtemperaturvulkanisate (HTVs) bekannt sind, auch Raumtemperaturvulkanisaten (RTVs) und flüssigen Silikongummis (LSRs), die typischer Weise Polydimethylsiloxane mit anhängigen Vinylgruppen sind, einschließlich Trifluorpropyl, Cyanopropyl, Phenyl und Vinyl, die verwendet werden, um einige der Methylgruppen zu substituieren, um bestimmte Härtungs-, mechanische oder chemische Eigenschaften auf das Silikongummi zu vermitteln. Die Einführung von Phenolgruppen reduziert die Elastizität und erhöht die Zug- und Zerreißstärke der Vulkanisate. Phenylgruppen reduzieren die Vulkanisationsausbeute. Trifluorpropylgruppen erhöhen die Widerstandsfähigkeit gegen Lösungsmittel. Die Einführung von geringen Prozentanteilen von Vinylgruppen verringert die Vulkanisationstemperatur und vermittelt eine größere Elastizität und geringere Kompression der Gummis. Peroxid-härtende Gummis können auch Vinyldimethylsiloxy-endständig sein. Die am häufigsten verwendeten Peroxide sind Benzoylperoxid und Bis(dichlorbenzoyl)peroxid. Dicumylperoxid kann für Vinylenthaltende Polymere verwendet werden. Im Allgemeinen beträgt die Peroxidbeladung 0,2 bis 1,0% und die Härtung kommt bei 120°C bis 140°C vor. Zusätzlich können andere Peroxide wie 2,5-Dimethyl-2,5-bist-butylperoxy)hexan verwendet werden, um HTVs bei Temperaturen bis zu 180°C zu vernetzen.
Andere Fluorelastomere, die in der Durchführung in der vorliegenden Erfindung nützlich sind, umfassen solche, die im Detail in der US A 4,257,699 beschrieben werden, deren gesamte Offenbarung hiermit durch Referenzieren aufgenommen wird, sowie solche, die in den US A 5,017,432 und US A 5,061,965 beschrieben werden, deren gesamte Offenbarung hiermit durch Referenzieren aufgenommen wird. Wie darin beschrieben wird, diese Fluorelastomere, insbesondere aus der Klasse der Copolymere und Terpolymere aus Vinylidenfluorid, Hexafluorpropylen und Tetrafluorethylen, die kommerziell unter verschiedenen Bezeichnungen wie Viton A, Viton E60C, Viton E430, Viton 910, Viton GH und Viton GF bekannt sind. Die Viton-Bezeichnung ist ein Markenname von E. I. DuPont de Nemours, Inc. Andere kommerziell verfügbare Materialien umfassen Fluorel 2170, Fluorel 2174, Fluorel 2176, Fluorel 2177 und Fluorel LVS 76, wobei Fluorel ein Markenname der 3 M Company ist. Zusätzliche kommerziell verfügbare Materialien umfassen Aflas, ein Poly(propylen-tetrafluorethylen), Fluorel II (LII900), ein Poly(propylen-tetrafluorethylenvinylidenfluorid), die beide auch von der 3 M Company verfügbar sind, sowie die Tecnoflons, die als FOR-60KIR, FOR-LHF, NM, FR-THF, FOR-TFS, TH, TN505 identifiziert werden, die von Montedison Specialty Chemical Co. verfügbar sind. Typischer Weise werden diese Fluorelastomere durch ein nukleophiles Additionshärtungssystem gehärtet, wie ein Bisphenolvernetzungsmittel mit einem Organophosphoniumsalzbeschleuniger, wie er in mehr Detail in den oben referenzierten US A 4,257,699 und US A 5,017,432 beschrieben wird. Ein spezifisches, nicht einschränkendes Beispiel eines geeigneten Härtungsmittels ist Viton Curative VC50^® (von United Chemical Technologies, Inc. verfügbar), das einen Beschleuniger umfasst (wie ein quartäres Phosphoniumsalz oder Salze wie VC20) und ein Vernetzungsmittel (Bisphenol AF oder VC30). Andere Härtungsmittel umfassen z. B., sind aber nicht eingeschränkt auf, A0700 Härtungsmittel (N-(2-aminoethyl)-3-amino-propyltrimethoxysilan, das von United Chemical Technologies, Inc., verfügbar ist.) In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das Fluorelastomer eines mit einer relativ geringen Menge an Vinylidenfluorid wie in Viton GF, das von E. I. DuPont de Nemours, Inc., verfügbar ist. Das Viton GF hat 35 Gewichtsprozent Vinylidenfluorid, 34 Gewichtsprozente Hexafluorpropylen und 29 Gewichtsprozent Tetrafluorethylen mit 2 Gewichtsprozent Härtungsmonomer.
Die Beschichtung kann auf das Kernbauteil durch jegliches geeignetes Verfahren, das auf dem Gebiet bekannt ist, aufgetragen werden. Solche Verfahren umfassen, sind aber nicht eingeschränkt auf, Aufsprühen, Eintauchen, Flussbeschichten, Giessen oder Formen. Typischer Weise beträgt die Oberflächenschicht des Fusionsbauteils 4 bis 9 mil und vorzugsweise 6 mil an Dicke als ein Gleichgewicht zwischen der Konformität und den Kosten und, um eine gewisse Bandbreite an Herstellungsdicke zur Verfügung zu stellen.
In Ausführungsformen können zusätzlich zu dem Kernbauteil und der äußeren Beschichtungsschicht die Fusions- oder anderen Bauteile auch optional eine oder mehrere thermisch leitende Zwischenschichten zwischen dem Substrat und der äußeren Schicht des gehärteten Elastomers umfassen, wenn das erwünscht ist. Solche Zwischenschichten können z. B. eine Grundierschicht, eine haftende Schicht, eine Metalloxidfüllerschicht oder Ähnliches umfassen.
Typische Materialien mit den geeigneten thermischen und mechanischen Eigenschaften für solche Zwischenschichten umfassen thermisch leitende (z. B. 0,59 Watt/ Meter/ Kelvin) Silikonelastomere wie mit Hochtemperatur vulkanisierbare („HTV") Materialien, flüssige Silikongummis („LSR") und bei Raumtemperatur vulkanisierbare („RTV") Materialien, die optional Füllmaterialien wie ein Aluminiumfüllmaterial umfassen können. Das Silikonelastomer kann eine Dicke von 2–10 nm (Radius) aufweisen. Ein HTV ist entweder ein einfaches Polydimethylsiloxan („PDMS") mit nur Methylsubstituenten auf der Kette (OSi(CH₃)₂) oder ein ähnliches Material mit einigen Vinylgruppen auf der Kette (OSi(CH=CH₂)(CH₃)). Jegliches Material wird Peroxid-gehärtet, um eine Vernetzung herzustellen. Ein LSR besteht üblicherweise aus zwei Arten von PDMS-Ketten, wobei eine mit einigen Vinylsubstituenten und die andere mit einigen Hydridsubstituenten vorkommt. Sie werden getrennt gelagert, bis sie direkt vor dem Formen vermischt werden. Ein Katalysator in einer der Komponenten führt zu der Addition der Hydridgruppe (OSiH(CH₃) in einer Kettenart zu der Vinylgruppe in der anderen Kettenart, was eine Vernetzung bewirkt.
Um die Haftung zwischen dem Fusionsbauteilkern und der Hydrofluorelastomeroberflächenschicht zu unterstützen, wird ein Haftmittel, und insbesondere ein Silanhaftmittel, wie es in der US A 5,049,444 beschrieben wird, das ein Copolymer aus Vinylidenfluorid, Hexafluorpropylen und wenigstens 20 Gewichtsprozent eines Kopplungsmittels umfassen kann, das wenigstens ein organofunktionelles Silan und einen Aktivator umfasst, verwendet werden. Zusätzlich kann für die höher molekulargewichtigen Hydrofluorelastomere wie z. B. Viton GF das Haftmittel aus dem FKM Hydrofluorelastomer in einer Lösungsmittellösung zusammen mit einem Aminosilan, das durch die Formel dargestellt wird, wie sie in der US A 5,332,641 beschrieben wird, gebildet werden.
Sobald die gewünschten Schichten auf das Kernbauteil aufgetragen sind, werden die Elastomermaterialien gehärtet. Obwohl verschiedene Härtungsverfahren auf dem Gebiet wie Konvektionsofentrocknung bekannt sind, verwendet die vorliegende Erfindung ein durch Strahlungsenergie trocknendes Verfahren zur Härtung des Elastomermaterials. Dem entsprechend werden die beschichteten Bauteile vorzugsweise in einen durch Strahlung trocknenden Ofen bewegt oder platziert und Strahlungsenergie wird in einer ausreichenden Menge und für einen ausreichenden Zeitraum zur Bewirkung des gewünschten Härtungsgrades aufgetragen.
Gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird die Härtung durch Strahlungsenergie durch Infraroterwärmen durchgeführt. Vorzugsweise ist die Intensität der Strahlungsenergie ausreichend, um die Temperatur des gewünschten zu härtenden Materials auf die gewünschte Härtungstemperatur zu erhöhen. Zum Beispiel ist es im Allgemeinen in dem Fall von Fusions- und Fixierbauteilen erwünscht, dass das Material auf eine Temperatur von 200 bis 500°F (93–260°C), vorzugsweise 350–475°F (177–246°C) und mehr bevorzugt 400–450°F (204–232°C) erhöht wird. Natürlich können diese Temperaturen von dem zu härtendem Material abhängen und können wie gewünscht variiert werden. Wärmeintensitäten von 50–250, vorzugsweise 100–225 und mehr bevorzugt 150–200 sind bevorzugt. Vorzugsweise korrespondiert die Wärmeintensität mit dem ungefähr Zweifachen der Spannung, die an den Infrarotlampen angelegt wird. Die Härtungszeit der Strahlungsenergie wird im Allgemeinen aus ungefähr 5 bis ungefähr 60 Minuten, mehr bevorzugt ungefähr 10 oder 50 Minuten und sogar noch mehr bevorzugt aus ungefähr 15 bis ungefähr 30 Minuten ausgewählt.
Ein besonderer Vorteil der Härtung durch Strahlungsenergie gegenüber einer Härtung durch einen Konvektionsofen ist, dass die Härtung mit Strahlungsenergie effizienter in Bezug auf die Prozesszeit und den Energieverbrauch ist. Zum Beispiel wird die Zeiteffizienz dadurch realisiert, dass die Härtung durch Strahlungsenergie in ungefähr einer Größenordnung weniger Zeit durchgeführt werden kann, als sie für eine Härtung mit einem konventionellen Konvektionsofen verwendet wird. Während das Härten mit einem konventionellen Konvektionsofen 18–24 Stunden dauern kann, kann die Härtung mit Strahlungsenergie gemäß der vorliegenden Erfindung in 15–30 Minuten durchgeführt werden.
Die Effizienz in Bezug auf die Energieverwendung wird auf mindestens zwei Wegen realisiert. Als erstes resultiert die kürzere Härtungszeit, die oben diskutiert wird, in direkten Energieeinsparungen. Zweitens werden die Energieeinsparungen realisiert, da die aufgetragene Strahlungsenergie, die in einer direkt sichtbaren Weise wirkt, zuerst auf die äußere elastomere Schicht des Bauteils anstatt auf das gesamte Bauteil als ein Ganzes. Somit werden zum Beispiel die Substratschicht und jegliche dazwischen liegenden Schichten, die im Allgemeinen nicht gehärtet werden, nicht auf die notwendige Härtungstemperatur der äußeren Schicht erwärmt.
Zum Beispiel verwendet ein typischer Konvektionsofen, wie einer, der von der Grieve Oven Company verfügbar ist, der mit 800 kW für eine 18-stündige Härtungsdurchführung bewertet wird, 14,4 kW-h Energie auf. Im Gegensatz dazu wendet ein Ofen mit Strahlungsenergie, der 36 T3 Lampen verwendet, die jeweils 16 Inch (400 mm) lang sind und 100 W/In. pro Lampe benötigen (4 W/mm) und der für einen 30-minütigen Härtungszeitraum verwendet wird, 1,66 kW-h Energie auf. Dem entsprechend kann eine vergleichbare Härtungsdurchführung in einem Konvektionsofen die 9-fache Energie der Härtungsdurchführung mit Strahlungsenergie verwenden.
Obwohl das Design des Härtungsofens mit Strahlungsenergie nicht sonderlich wichtig ist, kann das jeweilige Design die Gesamtprozesszeit beeinflussen. Zum Beispiel kann, wenn der Härtungsofen mit Strahlungsenergie nur eine einzige Lampe aufweist, dann die Rotation der Lampe und/oder des Substrats notwendig sein, um die gewünschte Härtung des gesamten Substrats zu bewirken. Dem entsprechend ist es in Ausführungsformen bevorzugt, dass der Härtungsofen mit Strahlenenergie mit einer Vielzahl von Lampen ausgestattet ist, die vorzugsweise im Wesentlichen einheitlich um das Substrat herum angeordnet sind, so dass das gesamte Substrat zur gleichen Zeit gehärtet werden kann. Falls notwendig, können eine oder mehrere Masken verwendet werden, um Teile der Substrate vor der direkten Bestrahlung durch die Lampen zu maskieren oder diese zu blockieren.
Ein Beispiel solch eines Härtungsofens mit Strahlungsenergie wird in den 2 und 3 gezeigt. In 2 umfasst der Härtungsofen mit Strahlungsenergie 40 eine Hülle oder ein Gehäuse 30 und daran befestigt (oder darin gestützt) eine Anzahl von Strahlungsenergie-aussendenden Lampen 32. 2 zeigt, dass die Lampen in Gruppen von 3 in axialer Richtung des Ofens angeordnet sind, wobei die Gruppen um die Peripherie des Ofens herum angeordnet sind. Wie in 3 gezeigt wird, können die Lampen in einheitlichem Abstand um das Innere des Ofens 40 angeordnet sein. Die Substrate können durch den Ofen in jeglicher konventionellen Weise durchgeführt werden (nicht gezeigt), wie mit einem Band oder Ähnlichem.
In Ausführungsformen kann der Härtungsofen mit Strahlungsenergie entweder mit einem härtenden Kesselmodus oder mit einem kontinuierlichen Härtungsmodus ausgestattet sein. In einem kontinuierlichen Härtungsmodus kann der Ofen zum Beispiel in langgezogener Form bereitgestellt werden, wobei die Lampen entlang der Länge des Ofens lokalisiert sind, so dass die Härtung zustande kommt, während die Substrate kontinuierlich durch den Ofen hindurchgeführt werden. Solch ein kontinuierlicher Härtungsöfen ist in Ausführungsformen bevorzugt, da die Kürze der Härtungszeit den Strahlungsenergiehärtungsprozess zu einer kontinuierlichen Durchführung nahelegt, die leichter in einen Gesamtproduktionsprozess integriert werden kann. Zudem hilft der kontinuierliche Härtungsprozess, wenn er in einer Produktionslinie mit dem Herstellungsverfahren des Bauteils verwendet wird, sicherzustellen, dass alle hergestellten Bauteile ähnliche Eigenschaften haben, dahingehend, dass sie in einer vergleichbaren Zeitspanne nach dem Auftragen der Beschichtung verarbeitet wurden, anstatt dass einige Bauteile längere Zeit warten mussten, bevor ein Kesselhärtungsvorgang durchgeführt wurde.
Wie den Fachleuten auf dem Gebiet aus der vorliegenden Offenbarung gegenwärtig sein wird, kann das Härtungsverfahren auf verschiedene Arten modifiziert werden, um die Härtungsgeschwindigkeit und/oder Einheitlichkeit des Materials zu verändern. Zum Beispiel kann die Härtungsgeschwindigkeit auch durch den Abstand des Materials von der Infrarotquelle betroffen sein. In ähnlicher Weise kann die Einheitlichkeit des Härtens durch das Rotieren des Substrats und/oder der Infrarotquelle verbessert werden, um eine einheitlichere Bestrahlung zur Verfügung zu stellen. Andere Modifikationen und verschiedene sind auch möglich und auch von der vorliegenden Erfindung mit umfasst.
Wie es oben beschrieben wird, stellt das Härtungsverfahren mit Strahlungsenergie der vorliegenden Erfindung viele signifikante Vorteile zur Verfügung, die auf dem Gebiet nicht realisiert wurden. Zum Beispiel stellt die vorliegende Erfindung die oben beschriebenen Zeit- und Energieeinsparungen zur Verfügung, die effiziente Durchführungen insbesondere in einem kontinuierlichen Herstellungsverfahren ermöglichen. Zusätzlich gibt es jedoch noch andere signifikante Vorteile der vorliegenden Erfindung.
Ein solcher Vorteil ist, dass die Abgastemperaturen aus dem Härtungsverfahren signifikant geringer als im Stand der Technik sind. Zum Beispiel ist es im Allgemeinen notwendig, um ein Teil in einem Konvektionsofen zu härten, dass die erwärmte Luft bei einer Temperatur gleich oder höher als die gewünschte Härtungstemperatur liegt. Als ein Ergebnis kann die ausgehende Luft aus dem Konvektionsofen 450°F (232°C) oder mehr sein, was in einer sehr hohen Stapeltemperatur resultiert. Im Gegensatz dazu resultiert das Härten mit Strahlungsenergie der vorliegenden Erfindung in einer Lufttemperatur von nur 165°F (74°C), was in einer signifikant geringeren Stapeltemperatur resultiert.
Zusätzlich zu den Zeit- und Energieeinsparungen, die oben in Bezug auf die Härtungsdurchführung selbst diskutiert werden, werden zusätzliche Zeit- und Energieeinsparungen zu Prozessbeginn realisiert. Zum Beispiel ist es, weil Konvektionsöfen allgemein lange Startzeiten brauchen, um die gewünschte Temperatur zu erreichen, üblich geworden, Konvektionsöfen anzulassen, wenn sie nicht verwendet werden. Im Gegensatz dazu haben die Strahlungsenergieöfen der vorliegenden Erfindung eine erheblich kürzere Aufwärmzeit, die es ihnen ermöglicht, während den Phasen der Nichtverwendung abgeschaltet zu werden. Diese Vorteile verringern somit die Prozessstartzeit, wenn die Öfen abgeschaltet waren, und verringern die Energiekosten während den Phasen der Nichtverwendung.
Zudem können Raumeinsparungen in Herstellanlagen drastisch verringert werden. Zum Beispiel können direkte Raumeinsparungen dadurch realisiert werden, dass die Härtungsöfen mit Strahlungsenergie im Allgemeinen kleiner als vergleichbare Konvektionsöfen und das unterstützende Zubehör sind. Zudem sind jedoch wegen der kürzeren Prozesszeiten, die oben diskutiert wurden, weniger Strahlungsenergiehärtungsöfen notwendig, um die gleiche Menge Arbeit zu leisten. Zum Beispiel kann in einem besonderen Verfahren ein Härtungsofen mit Strahlungsenergie anstelle von 5 Härtungsöfen mit konventioneller Konvektion verwendet werden.
Noch weiter, die Härtung mit Strahlungsenergie der vorliegenden Erfindung kann in einer erhöhten Produktqualität resultieren. In Härtungsöfen mit Konvektion wird im Allgemeinen erwärmte Luft über den Teil, der zu erwärmen ist, darüber geführt, bis der Teil die die Härtungstemperatur erreicht. Jedoch kann die erwärmte Luft Verunreinigungen enthalten, die auf dem Teil abgelagert werden oder darin eingebracht werden können. Dieses Problem kann in der vorliegenden Erfindung vermieden werden, da weniger Luft über das Teil geblasen wird, wodurch das Kontaminierungsproblem verringert wird.
Sogar noch weiter, kann das Härtungsverfahren mit Strahlungsenergie der vorliegenden Erfindung für eine größere Spanne von Materialien im Vergleich zu dem Konvektionshärtungsprozess verwendet werden. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Strahlungsenergie bevorzugt gegenüber den darunter liegenden Schichten des Teils auf die äußere Schicht aufgetragen, da die Strahlungsenergie in der sichtbaren Weise arbeitet. Dieses ermöglicht es der äußeren Schicht eines Teils, auf eine ausreichende Härtungstemperatur erhitzt zu werden, ohne auch die darunter liegenden Schichten auf die gleichen Temperaturen zu erhöhen, was in veränderten chemischen und/oder physikalischen Eigenschaften der darunter liegenden Schichten resultieren könnte.
Zum Beispiel kann eine Metallrolle, die mit einem Silikongummi beschichtet ist, und mit einem PTFE-Elastomer (Polytetrafluorethylen) überschichtet ist, im Allgemeinen nicht adäquat in einem Konvektionsofen gehärtet werden. Dies ist deshalb so, weil während die äußere PTFE-Schicht eine Härtungstemperatur von 600–800°C voraussetzt, die darunter liegende Silikonschicht brüchig wird und sich bei signifikant niedrigeren Temperaturen wie 420°C zersetzt. Jedoch könnte ein solches Bauteil adäquat gemäß dem vorliegenden Strahlungsenergiehärtungsverfahren gehärtet werden, da die Strahlungsenergie die PTFE-Schicht auf die notwendige Härtungstemperatur erhöhen könnte, während die Temperatur der darunter liegenden Schichten nicht erhöht wird.
Als ein anderes Beispiel ist es manchmal wünschenswert, Bauteile mit einem Plastiksubstrat und einer Elastomerbeschichtung herzustellen. Jedoch kann das Elastomer im Allgemeinen nicht in einem Konvektionsofen gehärtet werden, da die Härtungstemperatur das Plastiksubstrat schmelzen wird. Jedoch kann Strahlungsenergiehärten wirksam verwendet werden, weil jegliche nicht beschichteten Teile maskiert werden können und die Strahlungsenergie selektiv auf die Elastomerbeschichtung aufgetragen werden kann.
Die folgenden Beispiele illustrieren spezifische Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Ein Fachmann auf dem Gebiet wird erkennen, dass geeignete Reagenzien und Komponentenverhältnisse/Konzentrationen wie notwendig angepasst werden können, um spezifische Produkteigenschaften zu erhalten. Alle Teilangaben und Prozentangaben sind nach Gewicht, es sei denn, dieses wird anderweitig angezeigt.
Beispiele
Beispiel 1
Eine beschichtete Fusionsrolle wird durch Beschichten einer Schicht aus VITON-Gummi mit AO700 Härtungsmittel (N-(2-aminoethyl)-3-aminopropyltrimethoxysilan, verfügbar von United Chemical Technologies, Inc.) auf ein metallisches Substrat hergestellt. Das Fusionsrollensubstrat ist ein zylindrischer Aluminiumfusionsrollenkern von ungefähr 3 Inch (75 mm) im Durchmesser und 16 Inch (400 mm) Länge, der entfettet, sandgestrahlt, entfettet und mit einem Silanhaftmittel bedeckt wird, wie es in der US A 5,332,641 beschrieben wird.
Die Elastomerschicht wird aus einer Lösungsmittelösung/Dispersion hergestellt, die Viton^® Polymer und AO700 Härtungsmittel enthält. Das Beschichtungsmaterial umfasst das A0700 Härtungsmittel in einer Menge von 2–10 pph. Die Lösung wird auf die 3 Inch (75 mm) zylindrische Rolle auf eine nominale Dicke von ungefähr 10–12 Mil aufgesprüht (0,25–0,30 mm). Das beschichtete Fusionsbauteil wird dann in einem Ofen mit Infrarotstrahlungsenergie für 30 Minuten bei einer Hitzeintensität von 200 gehärtet.
Die Fusionsrolle wird dann auf die Vernetzungsdichte der Elastomerschicht sowie auf Widerstandsfähigkeit, Zugfestigkeit und Dehnverlängerung getestet. Die Ergebnisse werden unten in Tabelle I gezeigt.
Beispiele 2–8
Die Fusionsrollen werden wie in Beispiel 1 oben hergestellt, außer dass die Härtungsmenge, Härtungszeit und/oder Wärmeintensität verändert werden, wie unten in Tabelle I gezeigt wird. Die Fusionsrollen werden wie in Beispiel 1 getestet und die Ergebnisse werden unten in Tabelle I gezeigt.
Tabelle 1
Beispiele 9–16
Die beschichteten Fusionsrollen werden durch das Beschichten einer Schicht aus VITON Gummi mit VC50 Härtungsmittel auf ein metallisches Substrat hergestellt. Das Fusionsrollensubstrat ist ein zylindrischer Aluminiumfusionsrollenkern von ungefähr 3 Inch (75 mm) im Durchmesser und 16 Inch (400 mm) Länge, der entfettet, sandgestrahlt, entfettet und mit einem Silanhaftmittel beschichtet wird, wie es in der US A 5,332,641 beschrieben wird. Der Fusionsrollenkern ist auch TEFLON^®-beschichtet, um eine leichte Freisetzung des VITON- Films zur anschließenden Analyse zu ermöglichen.
Die Elastomerschicht wird aus einer Lösungsmittellösung/Dispersion hergestellt, die Viton^® Polymer und VC50 Härtungsmittel enthält. Das Beschichtungsmaterial umfasst das VC50 Härtungsmittel in einer Menge von 3–5 pph. Die Lösung wird auf die 3 Inch (75 mm) zylindrische Rolle aufgesprüht, um eine nominal gehärtete Dicke des Films von ungefähr 20 Mikron zur Verfügung zu stellen. Das beschichtete Fusionsbauteil wird in einem Ofen mit Infrarotstrahlungsenergie 24 Stunden nach dem Auftrag der Beschichtung gehärtet. Der Ofen mit Infrarotstrahlungsenergie wird bei einer Wärmeintensität von zwischen 350 und 500 betrieben. Die spezifischen Parameter für jede Fusionsrolle werden unten in Tabelle II gezeigt.
Die Fusionsrollen werden dann auf deren jeweiligen Kontaktwinkel getestet und Prozentanteile extrahierbarer Materialien, die in der gehärteten Beschichtung vorhanden sind. Die Ergebnisse werden unten in Tabelle II gezeigt.
Tabelle II
Diese Beispiele zeigen den Einfluss der Änderung des Prozentanteils des härtenden Mittels und der Hitzeintensität des Infrarotofens auf die physikalischen Eigenschaften.

Claims

Ein Verfahren zur Herstellung eines mehrschichtigen, Elastomer-beschichteten Bauteils (1) zur Verwendung in einer elektrostatografischen Druckvorrichtung, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: das Auftragen einer Beschichtung aus einem elastomeren Material auf ein unterstützendes metallisches Substrat (4); und das Härten des elastomeren Materials durch Aussetzen an Strahlungsenergie in einer durch Strahlungsenergie härtenden Vorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsenergie Infrarotstrahlung ist.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, worin das Elastomer ein härtbares Material umfasst, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Silikonelastomeren, Fluorelastomeren, Ethylenpropylenhexadien, Elastomerpolymeren aus Polytetrafluorethylen, Perfluoralkoxyharz-basierenden Elastomeren und Mischungen davon besteht.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, worin das elastomere Material ein Hochtemperatur-vulkanisiertes Material ist.
Ein Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, worin die Beschichtung des elastomeren Materials eine Dicke von 4 bis 12 Mil (0,1 bis 0,3 mm) aufweist.
Ein Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, das zusätzlich das Auftragen einer Beschichtung aus einem Zwischenschichtmaterial auf das unterstützende Substrat vor dem Auftragen der Beschichtung aus einem elastomeren Material umfasst, wobei das Zwischenschichtmaterial aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einer Grundierung, einem Haftmittel, einem Metalloxidfüllmaterial und Mischungen davon besteht.
Ein Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, worin der Härtungsschritt über einen Zeitraum von 5 bis 60 Minuten durchgeführt wird.
Ein Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, worin der Härtungsschritt das Elastomermaterial härtet, nicht aber Materialien einer der darunter liegenden Schichten chemisch modifiziert.
Ein Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, worin das Härten in der Abwesenheit von Konvektionswärme durchgeführt wird.
Ein Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, worin die Auftragungs- und Härtungsschritte innerhalb eines kontinuierlichen Verfahrens durchgeführt werden.