DE69125120T2

DE69125120T2 - Schmelzfixierelement

Info

Publication number: DE69125120T2
Application number: DE69125120T
Authority: DE
Inventors: Santokh S Badesha; Louise D Fratangelo; George J Heeks; Arnold W Henry; David H Pan; William M Prest
Original assignee: Xerox Corp
Current assignee: Xerox Corp
Priority date: 1990-12-21
Filing date: 1991-12-18
Publication date: 1997-06-19
Anticipated expiration: 2011-12-19
Also published as: US5141788A; CA2051570C; MX9102017A; JP3142074B2; EP0492416B1; EP0492416A1; JPH04308879A; ES2099121T3; DE69125120D1; BR9105422A; CA2051570A1; US5281506A

Description

OUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN

Es wird auf die folgenden mitanhängigen, an den Treuhänder der vorliegenden Anmeldung übertragenen Anmeldungen aufmerksam gemacht: die "Schmelzfixierelement" betitelte US-Anmeldung Seriennr. 07/405392 mit einem wirksamen Anmeldedatum vom 11. September 1989 im Namen von Clifford O. Eddy et al.; die "Schmelzfixieranordnung mit einem Element für die Trennmittelzufuhr" betitelte, am 30 April 1990 eingereichte US-Anmeldung Seriennr. 07/516950. Ferner wird auch auf die gleichzeitig hiermit gemeinsam übertragene, "Neues Material zur Herstellung von Schmelzfixierkomponenten" betitelte US-Anmeldung (noch nicht übertragen) (D/90505) im Namen von Santokh S. Badesha et al. aufmerksam gemacht (EP-A-0 492 402).

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Schmelzfixierelement, ein Verfahren zum Schmelzfixieren von Tonerbildern bei einem elektrostatographischen Kopiergerät und ein Verfahren zum Herstellen des Schmelzfixierelements. Insbesondere bezieht sie sich auf ein Schmelzfixierelement, das vorzugsweise die Form einer Schmelzfixierwalze, einer Anpreßwalze oder einer Walze für die Trennmittelzufuhr annimmt.
Bei einem typischen elektrostatographischen Kopiergerät wird ein Lichtbild eines zu kopierenden Originals in Form eines elektrostatischen Latentbildes auf einem lichtempfindlichen Element aufgezeichnet und das Latentbild wird nachfolgend durch die Anwendung elektroskopischer thermoplastischer Harzteilchen, die gemeinhin als Toner bezeichnet werden, sichtbar gemacht. Das sichtbare Tonerbild liegt anschließend in lose gepulverter Form vor und kann leicht gestört oder zerstört werden. Das Tonerbild wird üblicherweise auf einem Träger fixiert oder schmelzfixiert, welcher das lichtempfindliche Element selbst oder eine andere Trägerfohe wie etwa einfaches Papier sein kann.
Die Verwendung von Wärmeenergie zum Fixieren von Tonerbildern auf ein Trägerelement ist wohlbekannt. Zum dauerhaften Schmelzfixieren elektroskopischen Tonermaterials auf eine Trägeroberfläche durch Wärme ist es notwendig, die Temperatur des Tonermaterials bis zu dem Punkt zu erhöhen, bei dem die Bestandteile des Tonermaterials zusammenlaufen und klebrig werden. Dieses Erwärmen läßt den Toner in einem gewissen Ausmaß in die Fasern oder Poren des Trägerelements laufen. Wenn danach das Tonermaterial abkühlt, läßt die Verfestigung des Tonermaterials das Tonermaterial fest an den Träger binden.
Typischerweise werden die thermoplastischen Harzteilchen durch Erwärmen auf eine Temperatur zwischen etwa 90ºC bis etwa 160ºC oder höher in Abhängigkeit von dem Erweichungsbereich des in dem Toner verwendeten besonderen Harzes an den Träger schmelzfixiert. Wegen der Neigung des Substrats, sich bei solch hohen Temperaturen zu verfärben, ist jedoch unerwünscht, die Temperatur des Substrats auf wesentlich mehr als 200ºC zu erhöhen, insbesondere wenn das Substrat Papier ist.
Mehrere Wege zum thermischen Schmelzfixieren elektroskopischer Tonerbilder sind im Stand der Technik beschrieben worden. Diese Verfahren schließen die im wesentlichen gleichzeitige Anwendung von Wärme und Druck durch verschiedene Mittel ein: ein in Druckkontakt gehaltenes Walzenpaar; ein mit einer Walze in Druckkontakt stehendes Bandelement und dergleichen. Wärme kann durch Erhitzen einer oder beider Walzen, Plattenelemente oder Bandelemente angewandt werden. Das Schmelzfixieren der Tonerteilchen findet statt, wenn die geeignete Kombination von Wärme, Druck und Kontaktzeit bereitgestellt wird. Das Abstimmen dieser Parameter zum Zustandebringen des Schmelzfixieren der Tonerteilchen ist in der Technik wohlbekannt und sie können so eingestellt werden, daß sie an bestimmte Maschinen- oder Verfahrensbedingungen angepaßt sind.
Während des Betriebs des Schmelzfixiersystems, bei dem Wärme zum Bewirken des thermischen Schmelzfixierens der Tonerteilchen auf einen Träger angewandt wird, läßt man sowohl das Tonerbild als auch den Träger durch einen Spalt hindurchgehen, der zwischen dem Walzenpaar oder den Platten- oder Bandelementen gebildet wird. Die gleichzeitige Wärmezufuhr und Druckausübung in dem Spalt bewirkt das Schmelzfixieren des Tonerbildes auf den Träger. Bei dem Schmelzfixierverfahren ist es wichtig, daß während des normalen Betriebs keine Verschiebung der Tonerteilchen vom Träger zu dem Schmelzfixierelement stattfindet. Eine Verlagerung von Tonerteilchen auf das Schmelzfixierelement kann sich nachfolgend auf andere Maschinenteile oder auf den Träger bei nachfolgenden Kopierdurchläufen übertragen und auf diese Weise den Hintergrund verstärken oder das dort kopierte Material stören. Die sogenannte "Heißverschiebung" tritt auf, wenn die Temperatur des Toners auf einen Wert erhöht wird, wo sich die Tonerteilchen verflüssigen und ein Aufspalten des geschmolzenen Toners während des Schmelzfixiervorgangs stattfindet, wobei ein Teil auf dem Schmelzfixierelement zurückbleibt. Die Temperatur der Heißverschiebung oder der Abfall der Temperatur der Heißverschiebung ist ein Maß für die Trenneigenschaft der Schmelzfixierwalze und demgemäß ist es erwünscht, eine Schmelzfixieroberfläche bereitzustellen, die eine zum Liefern der benötigten Trennung niedrige Oberflächenenergie besitzt. Zum Sicherstellen und Aufrechterhalten guter Trenneigenschaften der Schmelzfixierwalze ist es üblich geworden, Trenumittel auf die Schmelzfixierelemente anzuwenden, um sicherzustellen, daß der Toner während des Schmelzfixiervorgangs vollständig von der Schmelzfixierwalze getrennt wird. Typischerweise werden diese Materialien als dünne Filme aus zum Beispiel Silikonölen zum Verhindern einer Tonerverschiebung angewandt.
Besonders bevorzugte Schmelzfixiersysteme nehmen die Form einer erhitzen zylinderförmigen Schmelzfixierwalze mit einer Schmelzfixieroberfläche an, welche von einer zylinderförmigen Anpreßwalze verstärkt wird, die dazwischen einen Schmelzfixierspalt bildet. Eine Walze für die Trennmittelzufuhr ist zum Liefern von Trennmittel an die Schmelzfixierwalze ebenfalls vorgesehen. Obschon die physikalischen und die Leistungseigenschaften jeder dieser Walzen und besonders ihrer wirksamen Oberflächen in Abhängigkeit von den verschiedenen Eigenschaften des gewünschten Schmelzfixiersystems nicht genau die gleichen sind, werden in einem Schmelzfixiersystem bei einem elektrostatographischen Drucksystem typischerweise bei einer oder mehren Walzen dieselben Materialklassen verwendet.
Eines der frühesten und erfolgreichsten Schmelzfixiersysteme umfaßte die Verwendung von Schmelzfixieroberflächen aus Silikonelastomeren, wie etwa eine Walze mit einem Silikonöl-Trennmittel, das durch eine Walze zur Silikonelastomerzufuhr der Schmelzfixierwalze zugeführt werden konnte. Die in einem derartigen System verwandten Silikonelastomere und Silikonöl-Trennmittel werden in zahlreichen Patenten beschrieben und werden im US-Patent 4 777 087 an Heeks et al. ziemlich umfassend veranschaulicht. Obschon diese Systeme ziemlich erfolgreich eine Schmelzfixieroberfläche mit einer sehr niedrigen Oberflächenenergie unter Liefern ausgezeichneter Trenneigenschaften bereitstellen, um sicherzustellen, daß der Toner während des Schmelzfixiervorgangs vollständig von der Schmelzfixierwalze getrennt wird, leiden sie an einer bedeutenden Verschlechterung der physikalischen Eigenschaften im Lauf der Zeit in einer Schmelzfixierumgebung. Insbesondere neigt das Silikonöl-Trennmittel dazu, in die Oberfläche der Silikonelastomer-Schmelzfixierelemente einzudringen, was zu einem Quellen des Elastomerkörpers führt und einem größere mechanischen Ausfall einschließlich des Abtrennens des Elastomers vom Träger, Erweichens und einer verringerten Zähigkeit des Elastomers verursacht und es abplatzen und zerbröckeln läßt, die Maschine verschmutzt und eine ungleichförmige Trennmittelzufuhr liefert. Wie weiterhin im US-Patent 4 777 087 beschrieben, ergibt sich aus der oxidativen Vernetzung, insbesondere einer Schmelzfixierwalze bei erhöhten Temperaturen, eine zusätzliche Verschlechterung der physikalischen Eigenschaften der Silikonelastomeren.
Eine neuere Entwicklung bei Schmelzfixiersystemen umfaßt die Verwendung von Fluorelastomeren als Schmelzfixierelemente, welche eine Oberfläche mit einem metallhaltigen Füllstoff besitzen, die mit polymeren Trennmitteln mit funktionellen Gruppen in Wechselwirkung tritt, welche mit dem metallhaltigen Füllstoff in der Fluorelastomeroberfläche in Wechselwirkung treten. Derartige Schmelzfixiersysteme, Schmelzfixierelemente und Trennmittel werden im US-Patent 4 264 181 an Lentz et al., US-Patent 4 257 699 an Lentz und US-Patent 4 272 179 an Seano, welche alle an den Treuhänder der vorliegenden Anmeldung übertragen sind, als auch den beiden vorstehend zitierten, zuvor eingereichten, mitanhängigen Anmeldungen beschrieben. Typischerweise sind die Fluorelastomeren (1) Copolymere von Vinylidenfluorid und Hexafluorpropylen und (2) Terpolymere von Vinylidenfluorid, Hexafluorpropylen und Tetrafluorethylen. Im Handel erhältliche Materialien umfassen sowohl Viton E430, Viton GF und andere Viton- Bezeichnungen als Warenzeichen von E.I. Dupont deNemours, Inc., als auch die Fluorel-Materialien der 3M Company. Das für diese Materialien bevorzugte Härtungssystem ist ein nukleophiles System mit einem Bisphenol-Vernetzungsmittel zum Erzeugen eines kovalent vernetzten Netzwerkpolyers, das durch Wärmeeinwirkung, gefolgt von der basischen Dehydrofluorierung des Copolymers gebildet wurde. Beispielhaft für ein derartiges Schmelzfixierelement ist ein Element auf Aluminiumgrundlage mit einem Poly(vinylidenfluorid-hexafluorpropylen)copolymer, das mit einem Bisphenol-Härtungsmittel mit darin dispergiertem Bleioxidfüllstoff gehärtet wurde und ein mercaptofunktionelles Polyorganosiloxan als Trennmittel verwendet. Bei diesen Schmelzfixierverfahren besitzen die polymeren Trennmittel funktionelle Gruppen (auch als chemisch reaktionsfähige, funktionelle Gruppen bezeichnet), die mit dem in den Elastomer- oder Harzmaterial der Schmelzfixierelementoberfläche dispergierten, metallhaltigen Füllstoff unter Bilden eines wärmestabilen Films in Wechselwirkung treten, welcher einen Toner aus einem thermoplastischen Harz freisetzt und welcher den Toner aus einem thermoplastischen Harz an der Berührung mit dem Elastomermaterial selbst hindert. Das in dem Elastomer oder dem Harz auf der Schmelzfixierelementoberfläche dispergierte Metalloxid, Metallsalz, Metallegierung oder andere geeignete Metallverbindung als Füllstoff tritt mit den funktionellen Gruppen des polymeren Trennmittels in Wechselwirkung. Vorzugsweise verursachen die metallhaltigen Füllmaterialien keinen Abbau des polymeren Trennmittels mit funktionellen Gruppen oder haben eine nachteilige Wirkung darauf. Wegen dieser Reaktion zwischen dem Elastomer mit einem metallhaltigen Füllstoff und dem polymeren Trennmittel mit funktionellen Gruppen, wird eine ausgezeichnete Trennung und die Herstellung von Kopien hoher Qualität selbst bei hohen Geschwindigkeiten der elektrostatographischen Kopiermaschinen erhalten.
Obschon der an diesen Schmelzfixiersystemen beteiligte Mechanismus nicht vollständig verstanden wird, ist beobachtet worden, daß, wenn gewisse polymere Fluide mit funktionellen Gruppen auf die Oberfläche eines Schmelzfixierelements mit einer Elastomeroberfläche mit einem Metalloxid, Metallsalz, Metall, Metallegierung oder anderen geeigneten, darin dispergierten Metallverbindungen aufgebracht werden, eine Wechselwirkung (eine chemische Reaktion, Koordinationskomplex, Wasserstoffbindung oder anderer Mechanismus) zwischen dem Metall des Füllstoffs in dem Elastomer und dem polymeren Fluid mit funktionellen Gruppen stattfindet, so daß das polymere Trennmittel mit funktionellen Gruppen in Form einer Flüssigkeit oder eines Fluids eine ausgezeichnete Oberfläche zur Trennung liefert, welche eine ausgezeichnete Neigung zum Verbleib auf der Oberfläche des Schmelzfixierelenents besitzt. Ungeachtet des Mechanismus scheint auf der Elastomeroberfläche die Bildung eines Films zu erfolgen, welcher sich von der Zusammensetzung des Elastomers und der Zusammensetzung des polymeren Trennmittels mit funktionellen Gruppen unterscheidet. Dieser Film besitzt jedoch eine größere Affinität für das eine Metallverbindung enthaltende Elastomer als der Toner und liefert dadurch einen ausgezeichneten Trennüberzug auf der Elastomeroberfläche. Der Trennüberzug besitzt eine Bindekraft, die geringer als das Haftvermögen zwischen dem erhitzten Toner und dem Substrat, auf welches er aufgebracht ist, und den Bindekräften des Toners ist. Die Wechselwirkung zwischen der funktionellen Gruppe des polymeren Trennmittels und dem Metall in dem metallhaltigen Elastomer führt zu einer Gesamtabnahme der kritischen oder hochenergetischen Oberfläche des Metalls in dem metallhaltigen Füllstoff
Obschon diese Fluorelastomeren ausgezeichnete mechanische und physikalische Eigenschaften haben, indem sie typischerweise eine lange Verschleißbeständigkeit besitzen, wobei sie in einer Schmelzfixierumgebung die Zähigkeit und Festigkeit im Lauf der Zeit aufrechterhalten, können sie nur mit sehr teuren funktionellen Trennmitteln verwendet werden und müssen teure, metallhaltige Füllstoffe mit Wechselwirkung enthalten. Typischerweise sind die funktionellen Trenumittel zum Beispiel in der Größenordnung des Vierfachen teurer als ihre nicht-funktionellen Silikonöl-Trennmittel.

STAND DER TECHNIK

Es sind Versuche zum Kombinieren der Vorteile eines jeden dieser Schmelzfixiersysteme unternommen worden.
"Improving Release Performance of Viton Fuser Rolls" [Verbessertes Trennvermögen von Viton-Schmelzfixierwalzen] von Henry et al., Xerox Disclosure Journal, Band 9, #1, Januar/Februar 1984, offenbart ein Schmelzfixierelement, das aus einem Copolymer aus Vinylidenfluorid und Hexafluorpropylen hergestellt ist, welches die Neigung zum Reagieren mit dem Tonerladungskontrollnittel besitzt, wodurch eine erhöhte Vernetzung und dadurch eine Härtung erzeugt wird, wenn die Doppelbindungen des Fluorelastomers gesättigt werden, und eine weitere Vernetzung durch Zusatz einer Silanwasserstoffverbindung wie etwa Polymethylhydrosiloxan unter kovalentem Binden des Siloxans an die Oberfläche des Fluorelastomers verhindert wird und dadurch ein weiteres Härten verhindert wird, und außerdem gute Trenneigenschaften besitzt.
,,Viton/RTV Silicone Fuser Release Overcoating" [Viton/RTV-Silikon-Schmelzfixier-Trennüberzug], Ferguson et al., Xerox Disclosure Journal, Band 11, #5, September/Oktober 1986, beschreibt ein Schmelzfixierelement, bei dem ein Fluorelastomer wie etwa ein Copolymer aus Vinylidenfluorid und Hexafluorpropylen und ein RTV-Silikonkautschuk zusammen gelöst, auf ein Aluminiumsubstrat gesprüht und unter Liefern einer gleichförmigen Silikondispersion innerhalb der Fluorelastomermatrix gehärtet wird. Von einer derartigen Schmelzfixieroberfläche wird beschrieben, daß sie die mechanische Festigkeit des Fluorelastomers und die Trenneigenschaften des Silikons besitzt und mit herkömmlichen Dimethylsilikon-Trennfluids verwendet werden kann.
Das US-Patent 4 853 737 an Heartly et al. beschreibt eine Schmelzfixierwalze, die ein gehärtetes Fluorelastomer umfaßt, welches Diorganosiloxan-Seitenkettenabschnitte enthält, die kovalent an das Rückgrat des Fluorelastomers gebunden sind. Das Siloxan wird dadurch an das Fluorelastomer gebunden, daß der zu härtenden Zusammensetzung ein Polydiorganosiloxanoligomer mit funktionellen Gruppen wie etwa Phenoxy- oder Aminogruppen unter Bilden der kovalenten Bindung zugesetzt wird. Das Schmelzfixierelement besitzt vorzugsweise einen metalloxidhaltigen Füllstoff, um mit dem funktionellen Trennmittel zu reagieren.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Entsprechend einem Hauptaspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Schmelzfixierelement mit langer Lebensdauer zusammen mit einem Verfahren zum Herstellen des Schmelzfixierelements und ein Schmelzfixiersystem bereitgestellt, in welchem es verwendet werden kann, das keine Verwendung funktioneller Trennmittel oder die Anwesenheit metallhaltiger Füllstoffe in dem Schmelzfixierelement unter Wechselwirken mit dem funktionellen Trennmittel erfordert. Weiter wird eine dünne Oberflächenschicht aus einer Polyorganosiloxan-Trennschicht auf einem gehärteten Fluorelastomer bereitgestellt, welche die physikalischen Eigenschaften des Fluorelastomers nicht beeinflußt.
In einem speziellen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Schmelzfixierelement bereitgestellt, umfassend ein Trägersubstrat mit einer äußeren Schicht aus einem vorher gehärteten Fluorelastomer und mit einer dünnen Oberflächenschicht aus einem Polyorganosiloxan, das auf die Oberfläche des gehärteten Fluorelastomers in Anwesenheit eines Dehydrofluorierungsmittels für das Fluorelastomer und eines Polyorganosiloxans mit einer Funktionalität zur Reaktion und der Formel
worin R eine Alkyl-, Alkenyl- oder Arylgruppe mit weniger als 19 Kohlenstoffatomen oder eine Arylgruppe ist, die mit einer Alkyl- oder Alkenylgruppe mit weniger als 19 Kohlenstoffatomen substituiert ist, die funktionelle Gruppe A Wasserstoff, Hydroxy, Alkoxy, Amino, Epoxy, Vinyl oder Mercapto ist und n 2 bis 350 ist, aufgepfropft wurde.
In einen weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird das Fluorelastomer aus der Gruppe ausgewählt, die aus Poly(vinylidenfluorid-hexafluorpropylen) und Poly(vinylidenfluorid-hexafluorpropylen-tetrafluorethylen) besteht.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die dünne Oberflächenschicht etwa 5 bis etwa 100 Nanometer dick und ist kovalent an das gehärtete Fluorelastomer gebunden.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird das Dehydrofluorierungsmittel aus der Gruppe ausgewählt, die aus anorganischen Basen und Peroxiden wie etwa den Alkali- und Erdalkalimetallbasen, Wasserstoffperoxid und Benzoylperoxid besteht.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung besitzt das Schmelzfixierelement einen zylinderförmigen Mantel als Trägersubstrat und wird als Anpreßwalze, Schmelzfixierwalze oder Trennmittel-Zufuhrelement verwendet.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird das Schmelzfixierelement durch Bereitstellen eines Trägersubstrats mit einer äußeren Schicht aus einem gehärteten Fluorelastomer und Zusammenbringen des gehärteten Fluorelastomers mit einer Lösung eines Dehydrofluorierungsmittels hergestellt, welche ein Polyorganosiloxan mit einer Funktionalität zur Reaktion der folgenden Formel enthält:
worin R eine Alkyl-, Alkenyl- oder Arylgruppe mit weniger als 19 Kohlenstoffatomen oder eine Arylgruppe ist, die mit einer Alkyl- oder Alkenylgruppe mit weniger als 19 Kohlenstoffatomen substituiert ist, die funktionelle Gruppe A Wasserstoff, Hydroxy, Alkoxy, Amino, Epoxy, Vinyl oder Mercapto ist und n 2 bis 350 ist.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Figur 1 ist eine Querschnittsansicht eines Schmelzfixiersystems, welches das Schmelzfixierelement der vorliegenden Erfindung verwenden kann.

GENAUE BESCHREIBUNG DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG

Ein typisches Schmelzfixierelement der vorliegenden Erfindung wird in Verbindung mit einer in Figur 1 dargestellten Schmelzfixieranordnung beschrieben, worin das Bezugszeichen 1 eine Schmelzfixierwalze bezeichnet, die eine Elastomeroberfläche 2 auf einem geeigneten Unterlagenelement 4 umfaßt, welches ein Hohlzylinder oder Kern ist, der aus irgendeinem geeigneten Metall, wie etwa Aluminium, anodisiertes Aluminium, Stahl, Nickel, Kupfer und dergleichen, hergestellt ist und in dessen hohlem Abschnitt ein geeignetes Heizelement 6 angebracht ist, das sich gemeinsam mit dem Zylinder erstreckt. Die Stützoder Andruckwalze 8 wirkt mit der Schmelzfixierwalze 1 unter Bilden eines Spaltes oder Kontaktbogens 10, durch welchen ein Kopierpapier oder ein anderes Substrat 12 so hindurchgeht, daß Tonerbilder 14 darauf die Elastomeroberfläche 2 der Schmelzfixierwalze 1 berühren. Wie in Figur 1 dargestellt, besitzt die Stützwalze 8 einen starren Stahlkern 16 mit einer Elastomeroberfläche oder Schicht 18 darauf. Der Sumpf 20 enthält polymeres Trennmittel 22, das bei Raumtemperatur fest oder flüssig sein kann, bei Betriebstemperatur aber ein Fluid ist.
In der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform sind zum Aufbringen des polymeren Trennmittels 22 auf die Elastomeroberfläche 2 zwei Walzen 17 und 19 zur Trennmittelzufuhr in der angezeigten Richtung drehbar angebracht, um Trennmittel 22 aus dem Sumpf 20 zu der Elastomeroberfläche zu befördern. Wie in Figur 1 veranschaulicht, taucht Walze 17 teilweise in den Sumpf 20 ein und befördert auf ihrer Oberfläche Trennmittel aus dem Sumpf zur der Zufuhrwalze 19. Durch Verwenden einer Dosierklinge 24 kann eine Schicht polymeres Trennfluid zuerst auf die Zufuhrwalze 19 und nachfolgend auf Elastomer 2 in kontrollierter Dicke aufgebracht, welche von Submikrometerdicke bis zur Dicke von mehreren Mikrometer Trennfluid reicht. Auf diese Weise kann durch die Meßvorrichtung 24 Trennfluid in etwa 0,1 bis 2 Mikrometer Dicke oder mehr auf die Oberfläche von Elastomer 2 aufgebracht werden.
Hierin verwendet kann der Ausdruck Schmelzfixierelement eine Walze, ein Band, eine ebene Oberfläche oder eine andere, beim Fixieren thermoplastischer Tonerbilder auf einem geeigneten Substrat verwendete, geeignete Form sein. Es kann die Form eines Schmelzfixierelements, eines Andruckelements oder Elements für die Trennmittelzufuhr, vorzugsweise in Form einer zylindrischen Walze annehmen. Typischerweise ist das Schmelzfixierelement aus einem hohlen, zylinderförmigen Metallkern wie etwa Kupfer, Aluminium, Stahl und dergleichen hergestellt und besitzt eine äußere Schicht aus dem gewählten gehärteten Fluorelastomer. Wahlweise können gewünschtenfalls zwischen dem Substrat und der äußeren Schicht des gehärteten Elastomers eine oder mehr Zwischenschichten vorhanden sein.
Der Ausdruck Oberflächenpfropfung soll eine dünne Schicht aus dem Polyorganosiloxan definieren, welche kovalent an die gehärtete äußere Oberfläche des Fluorelastomers des Schmelz fixierelements gebunden ist.
Der Ausdruck kovalent gebunden soll die chemische Bindung zwischen dem Kohlenstoff des Fluorelastomers und dem funktionellen Atom des Polyorganosiloxans definieren. Diese Bindungen können in Abhängigkeit von der Funktionalität C-C-, C-O-, C-N-, C-Si- usw. sein.
Die bei der Ausübung der vorliegenden Erfindung verwendeten Fluorelastomeren sind sowohl die in dem vorstehend zitierten US-Patent 4 257 699 an Lentz im einzelnen beschrieben als auch die in der gemeinsam übertragenen, mitanhängigen Anmeldung mit der Seriennr. 07/405 392 und 07/516 950 beschriebenen. Wie darin beschrieben sind diese Fluorelastomeren, insbesondere aus der Klasse der Copolymeren und Terpolymeren aus Vinylidenfluorid, Hexafluorpropylen und Tetrafluorethylen, im Handel unter verschiedenen Bezeichnungen als Viton A, Viton E, Viton E60C, Viton E430, Viton 910, Viton GH und Viton GF bekannt. Die Bezeichnung Viton ist ein Warenzeichen von E.I. Dupont deNemours, Inc. Andere im Handel erhältliche Materialien schließen Fluorel 2170, Fluorel 2174, Fluorel 2176, Fluorel 2177 und Fluorel LVS 76 ein, wobei Fluorel ein Warenzeichen der 3M Company ist. Weitere im Handel erhältliche Materialien schließen Aflas, ein Poly(propylen-tetrafluorethylen), Fluorel II (L1900), ein Poly(propylen-tetrafluorethylen-vinylidenfluoren), die beide ebenfalls von der 3M Company erhältlich sind, als auch die von Montedison Specialty Chemical Co. erhältlichen, FOR-60KIR, FOR-LHF, NM, FOR-THF, FOR-TFS, TH, TN505 bezeichneten Tecnoflons ein. Typischerweise werden diese Fluorelastomere mit einem Härtungssystem der nukleophilen Addition wie etwa einem in größerer Einzelheit in dem vorstehend zitierten Lentz-Patent und in der Seriennr. 07/405 392 beschriebenen Bisphenol-Vernetzungsmittel mit einem Organophosphoniumsalz als Beschleuniger gehärtet.
Das Überziehen des Schmelzfixierelements als Substrat mit dem Fluorelastomer wird am bequemsten durch Sprühen, Tauchen oder dergleichen einer Lösung oder homogenen Dispersion des Elastomers durchgeführt. Obschon Gieß-, Extrusions- und Umwickeltechniken oder alternative Mittel verwendet werden können, bevorzugen wir das Sprühen als erfolgreiches Aufbringen einer Lösung des Polymers in einem Lösungsmittel auf die zu überziehende Oberfläche. Typische Lösungsmittel, die zu diesem Zweck verwendet werden können, schließen Methylethylketon, Methylisobutylketon und dergleichen ein.
Andere Hilfsstoffe und Füllstoffe können im Einklang mit der vorliegenden Erfindung in das Elastomer eingearbeitet werden, so lang sie den Zusammenhalt des Fluorelastomers nicht beeinflussen. Beim Mischen von Elastomeren normalerweise angetroffene Füllstoffe schließen Farbstoffe, verstärkende Füllstoffe, Vernetzer, Verarbeitungshilfen, Beschleuniger und Polymerisationsinitiatoren ein. Auf das Auftragen des Fluorelastomers auf das Substrat folgend wird es 2 Stunden einem Härtungsschritt bei etwa 38ºC, gefolgt, von 4 Stunden bei 77ºC und 2 Stunden bei 177ºC unterzogen.
Die dünne Oberflächenschicht des Polyorganosiloxans, die auf das gehärtete Fluorelastomer aufgepfropft ist, stammt aus einem Polyorganosiloxan mit einer Funktionalität zur Reaktion und der Formel
worin R eine Alkyl-, Alkenyl- oder Arylgruppe mit weniger als 19 Kohlenstoffatomen oder eine Arylgruppe ist, die mit einer Alkyl- oder Alkenylgruppe mit weniger als 19 Kohlenstoffatomen substituiert ist, die funktionelle Gruppe A Wasserstoff, Hydroxy, Alkoxy, Amino, Epoxy, Vinyl oder Mercapto ist und n 2 bis 350 ist. In der vorstehenden Formel schließen typische Gruppen R Methyl, Ethyl, Propyl, Octyl, Vinyl, Allyl, Crotyl, Phenyl, Naphthyl und Phenanthryl ein und typische substituierte Arylgruppen sind in ortho-, meta- und para-Stellung mit niedrigen Alkylgruppen mit weniger als 15 Kohlenstoffatomen substituiert. Weiterhin liegt zum Liefern einer ausreichenden Zahl zum Aufpfropfen auf das Fluorelastomer reaktionsfähiger Gruppen n in einer bevorzugten Ausführungsform zwischen 60 und 80.
Damit das Pfropfen erfolgreich ist, muß es in Anwesenheit eines Dehydrofluorierungsmittels stattfinden, das typischerweise aus der Gruppe der Peroxide, anorganischen Basen wie etwa den Alkali- und Erdalkalimetallbasen wie etwa Natrium-, Kalium-, Calcium- und Magnesiumhydroxiden ausgewählt ist. Außerdem sind sowohl Hydride wie etwa Natriumborhydrid und Lithiumaluminiumhydrid als auch primäre, sekundäre und tertiäre aliphatische und aromatische Amine, worin die aliphatischen und aromatischen Gruppen 2 bis 15 Kohlenstoffatome besitzen, wirksame Dehydrofluorierungsmittel. Diese Gruppe schließt aliphatische und aromatische Diamine und Triamine mit 2 bis 15 Kohlenstoffatomen ein, worin die aromatischen Gruppen Benzol, Toluol, Naphthalin oder Anthracen sein können. Bei den aromatischen Diaminen und Triaminen ist es im allgemeinen bevorzugt, daß die aromatische Gruppe in der ortho-, meta- und para-Stellung substituiert ist. Typische Substituenten schließen Niederalkylaminogruppen wie etwa Ethylamino, Propylamino und Butylamino ein, wobei Propylamino bevorzugt ist. Die Peroxide wie etwa Wasserstoffperoxid und Benzoylperoxide sind jedoch zusammen mit den vorstehend angeführten anorganischen Basen die bevorzugten Dehydrofluorierungsmittel. Typischerweise wird das Pfropfen durch Lösen des gewählten Dehydrofluorierungsmittels in einem polaren Lösungsmittel, wie etwa ein Keton oder Ether einschließlich Methylethylketon, Methylisobutylketon, Cyclohexanon und Tetrahydrofuran, in einer Menge von 1-10% des Gewichts des Dehydrofluorierungsmittels an dem gewählten funktionellen Polyorganosiloxan erreicht. Wenn das Trägersubstrat mit der äußeren Schicht aus dem gehärteten Fluorelastomer der Lösung des Dehydrofluorierungsmittels und Siloxans zugesetzt wird, wirkt das Dehydrofluorierungsmittel unter Dehydrofluorieren des Fluorelastomers, wodurch an seiner Oberfläche eine Ungesättigtheit erzeugt wird, welche eine nachfolgende Additionsreaktion mit der Siloxanfunktionalität unter Liefern der Oberflächenpfropfung des Siloxans auf das Fluorelastomer ermöglicht.
Das Dehydrofluorierungsmittel erzeugt durch die Dehydrofluorierungsreaktion auf der Oberfläche des Fluorelastomers Doppelbindungen. Um dies zu ermöglichen, wird das Trägersubstrat mit der äußeren Schicht des gehärteten Fluorelastomers in die Lösung des Dehydrofluorierungsmittels und Polyorganosiloxans etwa 5-20 Minuten bei 45-65ºC eingetaucht, wonach es entfernt wird, zum Entfernen umumgesetzter Reaktionsteilnehmer mit demselben Lösungsmittel gewaschen wird und zum Entfernen des Lösungsmittels 20-45 Minuten bei 100-150ºC an der Luft getrocknet wird. Dies liefert eine sehr dünne Oberflächenschicht des kovalent gebundenen Polyorganosiloxans an dem bereits gehärteten Fluorelastomer. Typischerweise ist die Polyorganosiloxanschicht 5 bis etwa 100 Nanometer dick, was zum Liefern der überlegenen Trenneigenschaften des Polyorganosiloxans ausreichend ist, ohne die physikalischen Eigenschaften des darunterliegenden Fluorelastomers zu beeinflussen. Obschon nicht gewünscht wird, an irgendeine Theorie gebunden zu werden, wird angenommen, daß das Dehydrofluorierungsmittel auf der Oberfläche des Fluorelastomers durch Entfernung von Fluorwasserstoffsäure Kohlenstoff- Kohlenstoff-Doppelbindungen erzeugt und das Polyorganosiloxan anschließend durch eine Additionsreaktion über seine Funktionalität kovalent gebunden wird. Dies liefert ein Schmelzfixierelement mit einem an seine äußere Schicht chemisch gebundenen Polyorganosiloxan, wodurch eine ausgezeichnete Trennoberfläche geliefert wird, bei der die Oberflächenpfropfung ein chemisch daran gebundener statt physikalisch vermischter Teil der äußeren Oberfläche ist. Da die Oberflächenpropfung weiter sehr dünn ist, hat das Schmelzfixierelement den Vorteil der hohen physikalischen Stabilität der äußeren Schicht aus gehärtetem Fluorelastomer. Außerdem liefert die Oberflächenpfropfung aus Polyorganosiloxan eine mit dem Trennmittel verträgliche Oberfläche, wodurch eine bessere Freisetzung bewirkt wird, und liefert wegen seiner niedrigeren Oberflächenenergie eine nicht von Tonerteilchen verschmutzte Oberfläche. Schließlich sind bei der Polyorganosiloxan Oberflächenpfropfung als Trennmittel keine Verankerungsstellen des metallhaltigen Füllstoffs, typischerweise Metalloxid, erforderlich und das Schmelzfixiersystem erfordert keine Verwendung eines funktionellen Trennmittels zum Wechselwirken mit dem metallhaltigen Füllstoff
Das folgende Beispiel definiert und beschreibt weiter ein Schmelzfixierelement, das gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde und veranschaulicht eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Solange nicht anders angegeben sind alle Teile und Prozentwerte in Gewicht.

BEISPIEL

Eine Anpreßwalze wird aus einem Standard-Stahlkern mit etwa 1½ Zoll Durchmesser hergestellt, der mit dem Epoxykleber Thixon 300/301 grundiert ist. Die folgende Formulierung wurde in der aufgeführten Reihenfolge gemischt und auf dem Kern zu den angegebenen Abmessungen formgepreßt.
Viton E 45 (DuPont) 100 g
Carbon Black N999 (Vanderbilt) 10
Ca(OH)&sub2; 49
MAG D (CP Hall) 29
C-20 (DuPont) 1,4 g
C-30 (DuPont) 2,8 g
Die gegossene Walze wird 2 Stunden bei 200ºF, zwei Stunden bei 300ºF, zwei Stunden bei 350ºF, zwei Stunden bei 400ºF, sechzehn Stunden bei 450ºF Bedingungen des Härtens und Nachhärtens unterzogen. Der Viton-Fluorelastomerüberzug wird auf eine Durchmesserabmessung von 3 Zoll abgeschliffen und von Formentrennmittel gesäubert. Eine Lösung von 250 g Polydimethylsiloxan mit Vinylendgruppen und mit 100 Centistoke (von Hüls America Inc. erhältliches PS 441) und 100 g Wasserstoffperoxid (Konzentration 50%) wurde in einem Liter eines Lösungsmittelgemisches von Toluol und Methylethylketon im Verhältnis 9:1 mittels eines Zweiliter-Erlenmeyerkolbens hergestellt. Diese Lösung wurde anschließend ungefähr 15 Minuten mittels eines Magnetrührers mit Heizplatte gerührt und auf 40-45ºC erhitzt. Die Lösung wurde anschließend in einen offenen Edelstahltrog gegossen und die Andruckrolle wurde anschließend in einer solchen Weise in den Trog gestellt, daß nur ihre Oberfläche mit der Lösung in Berührung gelangte. Die Walzenoberfläche wurde durch ihr Vor- und Rückwärtsdrehen während 45 Minuten behandelt. Die Walze wurde anschließend aus dem Trog herausgenommen und 1 Stunde an der Luft getrocknet, nach welcher Zeit sie gründlich mit n-Hexan gewaschen wurde. Die Walze wurde anschließend in den Ofen gelegt und 30 Minuten auf 80ºC erhitzt. Die Ofentemperatur wurde anschließend über einen Zeitraum von 1 Stunde auf 200ºC erhöht. Diese Temperatur wurde 20 Minuten aufrechterhalten, nach welcher Zeit die Walze herausgenommen und auf Raumtemperatur abkühlen gelassen wurde.

Röntgen-Photoelektronen-Charakterisierung der Pfropfungsoberfläche

1. Herstellung der Oberfläche

Die Propfungsoberfläche wurde nacheinander 3 bis 4 Mal mit Lösungsmittel, Hexan oder Lösungsmittelgemisch aus Hexan/Methylethylketon 90/10, gewaschen. Das unumgesetzte oder nur lose gebundene Siloxan ist in diesen Lösungsmitteln löslich und kann von der Oberfläche entfernt werden, während das aufgepfropfte Siloxan in und auf der Oberflächenschicht zurückbleibt.

2. XPS-Charakterisierung

Die extrahierten Oberflächen wurden anschließend mit der Röntgen-Photoelektronenspektroskopie untersucht, was die chemische Zusammensetzung der obersten 5 bis 10 Nanometer der Oberflächenschicht lieferte. Die Daten zeigen, daß sich die Oberfläche der mit der Pfropflösung behandelten Probe hauptsächlich aus Siloxan zusammensetzte.

Testen der mit einer Oberflächenpfropfung versehenen Andruckwalze

Die mit einer Oberflächenpfropfung versehene Andruckwalze wurde in einer simulierten Kundenumgebung unter Belastung getestet. Das Ziel des Tests war ein zweifaches, das erste war das Bestätigen der Trenneigenschaften der Walzenoberfläche. Das zweite Ziel war das Erkennen des Wertes der Verunreinigung durch Toner und Papierbruchstücke auf der Walzenoberfläche im Lauf der Zeit. Die Testbedingungen beanspruchten beide Bedingungen durch Aufbringen einer großen Tonermasse auf einen begrenzten Bereich und Verarbeiten von 14" Leichtpapier.
Nach 250000 Kopien gab es kein Anzeichen einer Verschlechterung des Leistungsvermögens bezüglich der Trennung und kein Anzeichen einer Oberflächenverschmutzung. Der Test wurde als signifikant angesehen und die Oberfläche wurde als für die Xerox 5090F-Produktlinie annehmbar erachtet. Der Test wurde ohne Ausfall beendet.
Somit ist gemäß der vorliegenden Erfindung ein Schmelzfixierelement mit langer Lebensdauer bereitgestellt worden, das als Schmelzfixierwalze, Zufuhrwalze oder Anpreßwalze in einem Schmelzfixiersystem verwendet werden kann, welches nicht der Verwendung eines funktionellen Trennmittels oder der Anwesenheit eines metallhaltigen Füllstoffs in der Transportoberfläche des Schmelzfixierelements unter Wechselwirken mit dem funktionellen Trennmittel unter Bilden einer Trennschicht bedarf. Dies erlaubt ein ökonomisches Schmelzfixiersystem, das die Vorteile von Fluorelastomeroberflächen von Schmelzfixierelementen und nichtfunktionellen herkömmlichen Silikontrennmitteln vereinigt. Außerdem ist die Schicht aus dem Polyorganosiloxan genügend dünn, so daß sie die physikalischen Eigenschaften der Fluorelastomer-Trägerschicht nicht verschlechtert.
Obschon das vorstehende Beispiel ein funktionelles Trennmittel verwendet, ist anzumerken, daß das Schmelzfixierelement keine metallhaltigen Füllstoffe enthielt, die als Verankerungsstellen für das funktionelle Trennmittel dienen, und daß bei einer Walze, die hauptsächlich aus Fluorelastomer besteht, ein annehmbares Leistungsvermögen erreicht wurde. Die Abwesenheit eines metallhaltigen Füllstoffs erlaubt ein physikalisch stabileres Schmelzfixierelement und eines, das billiger und leichter herzustellen ist.
Alle hierin zitierten Patente und Anmeldungen sind in der vorliegenden Beschreibung hierdurch speziell und vollständig in ihrer Gesamtheit durch Verweis inbegriffen.
Obschon die Erfindung unter Bezug auf spezielle und bevorzugte Ausführungsformen im einzelnen beschrieben worden ist, ist einzusehen, daß für den Fachmann verschiedene Modifikationen und Variationen offensichtlich sind. Von allen derartigen Modifikationen und Ausführungsformen, die für den Fachmann leicht zu erkennen sind, wird angenommen, daß sie im Umfang der beigefügten Ansprüche liegen.

Claims

1. Schmelzfixierelement umfassend ein Trägersubstrat mit einer äußeren Schicht aus einem gehärteten Fluorelastomer und mit einer dünnen Oberflächenschicht aus einem Polyorganosiloxan, welche auf die Oberfläche des gehärteten Fluorelastomers in Anwesenheit eines Dehydrofluorierungsmittel für das Fluorelastomer und aus einem Polyorganosiloxan mit einer Funktionalität zur Reaktion und der Formel

worin R eine Alkyl-, Alkenyl- oder Arylgruppe mit weniger als 19 Kohlenstoffatomen oder eine Arylgruppe ist, die mit einer Alkyl- oder Alkenylgruppe mit weniger als 19 Kohlenstoffatomen substituiert ist, die funktionelle Gruppe A Wasserstoff, Hydroxy, Alkoxy, Amino, Epoxy, Vinyl, Acryl oder Mercapto ist und n 2 bis 350 ist, aufgepfropft wurde.

2. Schmelzfixierelement von Anspruch 1, wobei das Fluorelastomer aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Poly(vinylidenfluorid-hexafluorpropylen) und Poly(vinylidenfluorid-hexafluorpropylen-tetrafluorethylen) besteht.

3. Schmelzfixierelement von Anspruch 1, wobei die dünne Oberflächenschicht etwa 5 bis etwa 100 Nanometer dick ist.

4. Schmelzfixierelement von Anspruch 1, wobei das Dehydrofluorierungsmittel aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus anorganischen Basen und Peroxiden besteht.

5. Schmelzfixierelement von Anspruch 4, wobei das Mittel aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Alkali- und Erdalkalimetallbasen, Wasserstoffperoxid und Benzoylperoxid besteht.

6. Schmelzfixierelement von Anspruch 1, wobei das Trägersubstrat ein zylinderförmigen Mantel ist.

7. Schmelzfixierelement von Anspruch 1, wobei das Polyorganosiloxan kovalent an das gehärtete Fluorelastomer gebunden ist und ausreichend dünn ist, um im wesentlichen keinen Einfluß auf die physikalischen Eigenschaften des gehärteten Fluorelastomers zu haben.

8. Schmelzfixierelement von Anspruch 6, wobei das Element eine Anpreßwalze, Schmelzfixierwalze oder Walze zur Trennmittel zufuhr ist.

9. Schmelzfixierelement von Anspruch 1, wobei n 60 bis 80 ist.

10. Verfahren zum Schmelzfixierens eines Tonerbildes aus thermoplastischem Harz auf einem Substrat, welches das Bilden eines Films aus einem polymeren Trennmittel auf der Oberfläche eines in Anspruch 1 bis 9 definierten erhitzten Schmelz fixierelements umfaßt.

11. Verfahren zum Herstellen eines Schmelzfixierelements, welches das Bereitstellen eines Trägersubstrats mit einer äußeren Schicht aus einem gehärteten Fluorelastomer, das Herstellen einer Lösung eines Dehydrofluorierungsmittels in einem Lösungsmittel, welches ein Polyorganosiloxan mit einer Funktionalität zur Reaktion und der folgenden Formel enthält:

worin R eine Alkyl-, Alkenyl- oder Arylgruppe mit weniger als 19 Kohlenstoffatomen oder eine Arylgruppe ist, die mit einer Alkyl- oder Alkenylgruppe mit weniger als 19 Kohlenstoffatomen substituiert ist, die funktionelle Gruppe A Wasserstoff, Hydroxy, Alkoxy, Amino, Epoxy, Vinyl, Acryl oder Mercapto ist und n 2 bis 350 ist, und das Zusammenbringen des gehärteten Fluorelastomers mit der Lösung unter Bedingungen zum Bilden einer dünnen Oberflächenschicht aus dem auf das Fluorelastomer aufgepfropften Polyorganosiloxan umfaßt.

12. Verfahren von Anspruch 11, wobei das behandelte gehärtete Fluorelastomer nachfolgend aus der Lösung entfernt wird, mit Lösungsmittel zum Entfernen unumgesetzten Materials gewaschen wird und zum Entfernen von Lösungsmittel getrocknet wird.

13. Verfahren von Anspruch 11, wobei das Fluorelastomer aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Poly(vinylidenfluorid-hexafluorpropylen) und Poly(vinylidenfluorid- hexafluorpropylen-tetrafluorethylen) besteht.

14. Verfahren von Anspruch 11, wobei die dünne Oberflächenschicht etwa 5 bis etwa 100 Nanometer dick ist.

15. Verfahren von Anspruch 11, wobei das Dehydrofluorierungsmittel aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus anorganischen Basen und Peroxiden besteht.

16. Verfahren von Anspruch 16, wobei das Mittel aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Alkali- und Erdalkalimetallbasen, Wasserstoffperoxid und Benzoylperoxid besteht.

17. Verfahren von Anspruch 11, wobei das Trägersubstrat ein zylinderförmiger Mantel ist.

18. Verfahren von Anspruch 11, wobei das Polyorganosiloxan kovalent an das gehärtete Fluorelastomer gebunden ist und ausreichend dünn ist, um im wesentlichen keinen Einfluß auf die physikalischen Eigenschaften des gehärteten Fluorelastomers zu haben.

19. Verfahren von Anspruch, wobei das Element eine Anpreßwalze, Schmelzfixierwalze oder Walze zur Trennmittelzufuhr ist.

20. Verfahren von Anspruch 11, wobei n 60 bis 80 ist.