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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine neue semi-leitende Silikongummiwalze
bzw. -rolle und ein Verfahren zu deren Herstellung. Die Erfindung
betrifft insbesondere eine Gummiwalze, die aus einem elektrisch leitenden
Kerndorn und einer Schicht aus einem Silikongummi auf und um den
Kerndorn herum besteht, wobei der Silikongummi über einen elektrischen Volumenwiderstand
im Halbleiterbereich verfügt
und wobei die Rolle bzw. Walze in Fotokopiervorrichtungen, Laserstrahldruckern,
in Computern und Facsimile-Maschinen und dergleichen eingesetzt
werden kann und über
eine ausgezeichnete Dauerhaftigkeit der Druckcharakteristika verfügt. Die
Erfindung betrifft ferner ein einzigartiges Verfahren zur Herstellung
einer derartigen Silikongummiwalze.
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Eine
Gummiwalze bzw. -rolle bestehend aus einem elektrisch leitenden
oder metallischen Kerndorn und einer halbleitenden Gummischicht
auf und um den Kerndorn herum wird als Entwicklerwalze bei verschiedenen
Arten von elektrofotographischen Druckern häufig eingesetzt. In der 2 der begleitenden Zeichnungen
ist ein Beispiel für
ein derartiges elektrofotographisches Druckersystem schematisch
gezeigt, bei dem durch Reibung elektrisierte Tonerpartikel auf der
Oberfläche
der Gummiwalze in einer sehr dünnen
Schicht gehalten werden, um das latente Abbild zu visualisieren,
das auf einem das latente Abbild aufweisenden Körper ausgebildet ist.
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Das
in der 2 schematisch
gezeigte Entwicklungssystem eines elektrofotographischen Druckers besteht
aus einer lichtempfindlichen Trommel 10, einer Elektrifizierungswalze 11,
einer Entwicklungswalze 12, einer den Toner tragenden Walze 13,
einer Transferwalze 14, einer Reinigungswalze 15,
einem Rührer 16,
einer elektrisierenden Reibwalze 17, einem LED array 18 und
einem Gehäuse 19.
Ein Blatt aus einem Aufzeichnungspapier 20 wird zwischen
der lichtempfindlichen Walze 10 und der Transferwalze 14 hindurchgeführt.
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Bei
dem oben erläuterten
Entwicklungssystem wird eine Gummiwalze zur Anwendung gebracht,
bei der die Gummischicht halbleitend ist. Ein derartiges halbleitendes
Gummimaterial wird beispielsweise hergestellt, indem ein Basisgummi,
beispielsweise Urethangummis, NBRs, Silikongummis und dergleichen,
mit einem ionisch elektrisch leitenden Mittel oder einem elektrisch
leitenden Füllstoff,
das bzw. der dem Basisgummi eine elektrische Leitfähigkeit
verleiht, vermischt wird.
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Bei
der durch Vermischen hergestellten Formulierung für das oben
erwähnte
semileitende gummiartige Material für die halbleitende Gummiwalze
auf Basis eines Urethangummis NBR und dergleichen wird die Gummizusammensetzung üblicherweise
mit flüssigen
Additiven vermischt, beispielsweise Weichmacherölen, weichmachenden Mitteln
und dergleichen, um eine in adäquater
Weise reduzierte Härte
des Gummis herbeizuführen.
Ein derartiges flüssiges
Additiv neigt jedoch zum Ausbluten auf der Oberfläche der
Gummiwalze und verursacht dadurch schwerwiegende Probleme. Die Gummiwalze
wird daher üblicherweise
auf der Oberfläche mit
einer ein Ausbluten verhindernde Schutzschicht aus einem Harz, beispielsweise
Urethanharz, Nylon und dergleichen, ausgestattet. Die harzartige
Schutzschicht auf der Gummioberfläche führt jedoch zu einem weiteren
Problem, da die Verwitterungsbeständigkeit des harzartigen Materials
nicht sehr ausgeprägt
ist und das Harz hydrolisieren kann, wenn es längere Zeit einer schädlichen
Umgebung aus einer hohen Temperatur und einer hohen Feuchtigkeit
ausgesetzt wird. Dies führt
dazu, dass denaturierte Harzpartikel an der Oberfläche des
Trägers
des latenten Bildes haften bleiben. Wird eine derartige oberflächengeschützte Gummiwalze
als Entwicklerwalze bei bestimmten Arten von elektrofotographischen
Druckern zur Anwendung gebracht, dann ist die Reinigungswirkung
hinsichtlich der Tonerpartikel nicht immer gut genug. Dies beruht
wahrscheinlich auf der unzureichenden Adhäsion der Tonerpartikel an der
geschützten
Walzenoberfläche.
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Als
Gegenmaßnahme
für die
oben erläuterten
Probleme ist vorgeschlagen worden, ein Silikongummi als gummiartiges
Material bei halbleitenden Gummiwalzen für Drucker einzusetzen, um die
ausgezeichnete Verwitterungsstabilität auszunutzen, so dass hinsichtlich
der Tonerpartikel eine starke Reinigungswirkung erzielt wird. Allerdings
weisen halbleitende Entwicklerwalzen aus einem Silikongummi einen
anderen Nachteil auf, indem die Druckcharakteristika der Gummiwalze
nachlassen, wenn die Walze über
einen langen Zeitraum eingesetzt wird. Dies beruht auf der verhältnismäßig niedrigen
Verschleißfestigkeit
der Silikongummi im allgemeinen, was zu einem abrasiven Abnutzen
der Gummioberfläche
führt.
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In
der Patentanmeldung GB 2 010 444 ist eine Fixier-Heißwalze für einen
Xerographie-Kopierer beschrieben, die hergestellt wird, indem eine
dünne Schicht
aus einem Silikongummi auf eine hitzeleitende zylindrische Basis
ausgebildet und die Schicht vernetzt wird. Danach wird die Schicht
einer Bestrahlung mit ultraviolettem Licht ausgesetzt. Die Intensität und der
Zeitraum der Bestrahlung werden derart gewählt, dass die Freiheit der
Walze auf Null reduziert wird.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine halbleitende Gummiwalze
für elektrofotographische Drucker,
die über
eine fanganhaltende Stabilität
der Druckcharakteristika verfügt
und ein Verfahren zu deren Herstellung bereitzustellen.
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Gelöst wird
diese Aufgabe durch eine Gummiwalze bzw. -rolle aus einem Kerndorn
aus einem steifen elektrisch leitenden Material, beispielsweise
Metalle, und einer röhrchenförmigen Schicht
aus einem vernetzten Silikongummi auf und um den Kerndorn herum,
wobei das Silikongummi einen Volumen-Widerstand von 1 × 104 bis 1 × 109 ohm·cm
besitzt, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Außenoberfläche der
vernetzten Silikongummischicht einer Bestrahlung mit ultraviolettem
Licht mit Hauptwellenlängen
von 253,7 nm und 184,9 nm mit einer Ultraviolett-Bestrahlungsdosis von 1,2 bis 76 J/cm2 bezüglich
der Energie des ultravioletten Lichts mit einer Wellenlänge von
253,7 ausgesetzt wird, um eine ultraviolett-gehärtete Oberflächenschicht
mit einer solchen Rauheit zu erzeugen, dass die Unregelmäßigkeitsamplitude
Rz mindestens 8 μm
und die durchschnittliche Unregelmäßigkeitsdistanz Sm nicht mehr
als 50 μm
betragen, gemäß den Definitionen
im japanischen Industriestandard B 0601-1994.
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Das
Verfahren zur Herstellung der oben beschriebenen verbesserten Silikongummiwalze
umfasst die Stufe der Ausbildung einer röhrchenförmigen Schicht aus einem vernetzten
Silikongummi auf und um den Kerndorn aus einem steifen elektrisch
leitenden Material herum, wobei der Silikongummi einen Volumenwiderstand
von 1 × 104 bis 1 × 109 ohm·cm
besitzt, und umfasst weiterhin die Stufe der Bestrahlung der Außenoberfläche der
Silikongummischicht mit ultraviolettem Licht, wobei dieses Verfahren
dadurch gekennzeichnet ist, dass die Bestrahlung in einer sauerstoffhaltigen
Atmosphäre
und mit einer Niederdruckquecksilberlampe als Lichtquelle mit Hauptwellenlängen von
253,7 nm und 184,9 nm mit einer Ultraviolett-Bestrahlungsdosis von 1,2
bis 76 J/cm2 bezüglich der Energie des ultravioletten
Lichts mit einer Wellenlänge
von 253,7 nm durchgeführt
wird.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNG
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Die 1A und 1B zeigen jeweils eine schematische radiale
Querschnittsansicht der erfindungsgemäßen Silikongummiwalze mit bzw.
ohne eine Unterschicht aus einem schwammartigen Silikongummi.
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2 zeigt schematisch ein
elektrofotographische Drucksystem, das für die Tests in den Beispielen und
Vergleichsbeispielen eingesetzt wurde.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Wie
aus der oben beschriebenen Zusammenfassung hervorgeht, besteht das
charakteristischste Merkmal der vorliegenden Erfindung in der Bestrahlungsbehandlung
der Außenoberfläche der
Silikongummischicht einer Silikongummiwalze mit ultraviolettem Licht
der spezifizierten Hauptwellenlängen
einer solchen Energiedosis, dass die durch ultraviolettes Licht
vernetzte bzw. gehärtete
Oberflächenschicht
die spezifizierte Oberflächenrauhigkeit
besitzt.
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Nachstehend
wird die erfindungsgemäß verbesserte
halbleitende Silikongummiwalze ausführlicher unter Bezug auf die 1A und 1B der begleitenden Zeichnungen beschrieben.
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1A zeigt eine schematische
radiale Querschnittsansicht der erfindungsgemäßen Silikongummiwalze nach
einer ersten Ausführungsform,
die aus einem elektrisch leitenden Kerndorn 1 aus üblicherweise einem
Metall und einer röhrchenförmigen Silikongummischicht 2A auf
und um den Kerndorn 1 herum besteht. Das Silikongummi,
das die Schicht 2A bildet, ist fest und somit nicht schwammartig.
Die Außenoberfläche der Silikongummischicht
wird durch Bestrahlung durch ultraviolettes Licht gehärtet, um
eine ultraviolettgehärtete Oberflächenschicht 3 zu
ergeben.
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1B zeigt eine radiale Querschnittsansicht
der erfindungsgemäßen Silikongummiwalze
nach einer zweiten Ausführungsform,
bei der die feste oder nicht schwammartige Silikongummischicht 2A auf
und um eine Unterschicht 2B herum aus einem schwammartigen
Silikongummi ausgebildet ist.
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Die
erfindungsgemäße halbleitende
Silikongummiwalze kann in dem in der 2 gezeigten
Drucksystem eingesetzt werden, indem der elektrisch leitende Kerndorn 1 geerdet
wird oder indem eine Vorspannung daran angelegt wird, um Ladungen
auf die Tonerpartikel zu übertragen, und
indem die elektrostatischen latenten Abbildungen durch den Transfer
der Tonerpartikel entwickelt werden.
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Bezüglich des
Materials des elektrisch leitenden Kerndorns 1 bestehen
keine besonderen Beschränkungen.
Es können
Metalle, Harze und Keramiken eingesetzt werden, mit der Maßgabe, dass
mindestens die Oberflächenschicht
davon über
eine elektrische Leitfähigkeit
im Bereich der metallischen Leitfähigkeit verfügt. Demzufolge
ist das Material des Kerndorns 1 nicht auf Metalle wie
Aluminium, rostfreiem Stahl, Messing und dergleichen beschränkt. Das
Material kann ein thermoplastisches oder thermohärtendes Harz sein, sofern die Oberfläche des
Harzdorns elektrisch leitend ausgebildet ist, indem eine metallische
Platierungsschicht ausgebildet wird. Es kann sich auch um eine elektrisch
leitende harzartige Zusammensetzung handeln, die aus einem Harz
und einer ausreichenden Menge eines elektrisch leitenden Füllstoffes,
beispielsweise Ruß-
und Metallpulver, besteht.
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Bei
dem halbleitenden Silikongummi, das die halbleitende Gummischicht 2A bildet,
handelt es sich um einen vernetzten bzw. gehärteten Körper aus einer Silikongummimischung.
Diese Mischung enthält
als gleichförmige
Mischung ein Organopolysiloxangummi, beispielsweise Dimethylpolysiloxane,
Methylvinylpolysiloxane, Methylphenylpolysiloxane und dergleichen
mit einer gummiartigen Konsistenz entweder alleine oder in einer
Kombination. Ferner ist ein verstärkender Füllstoff vorhanden, beispielsweise
gerauchte Silika- und präzipitierte
Silika-Füllstoffe.
Damit vermischt ist weiterhin eine geeignete Menge eines eine elektrische
Leitfähigkeit verleihenden
Mittels, bei dem es sich beispielsweise um elektrisch leitendes
Ruß, ein
Pulver aus einem Metall, wie Nickelaluminium, Kupfer und dergleichen,
ein Pulver aus einem Metalloxid mit einer elektrischen Leitfähigkeit,
beispielsweise Zinkoxid, Zinnoxid und dergleichen, oder ein Pulver
aus einem isolierenden anorganischen Material, wie Bariumsulfat,
Titandioxid, Kaliumtitanat und dergleichen handelt, wobei die Partikel
daraus mit einer leitenden Überzugsschicht
aus beispielsweise Zinnoxid, sowie einem Vernetzungsmittel, bei
dem es sich um ein organisches Peroxid oder, falls das Organopolysiloxangummi über Vinylgruppen
verfügt,
eine Kombination aus einem Organowasserstoffpolysiloxan und einer
katalytischen Platinmischung handelt.
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Die
so erhaltene Silikongummimischung wird auf und um den Kerndorn 1 herum
geformt und gehärtet, wobei
eine röhrchenförmige halbleitende
nicht-schwammartige Silikongummischicht 2A mit Hilfe des
Pressformens, des Extrusionsformens, des Spritzformens und dergleichen
bei geeigneten Bedingungen für
die Härtung
ausgebildet wird.
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In
der 1B ist eine zweite
Ausführungsform
der Erfindung dargestellt. Danach kann die oben beschriebene nicht-schwammartige
halbleitende Silikongummischicht 2A auf einer Unterschicht 2B aus
einem schwammartigen Silikongummi hergestellt werden, welches auf
und um den Kerndorn 1 herum ausgebildet ist. Dazu wird
die Silikongummimischung weiterhin mit einer geeigneten Menge eines
Blähmittels,
beispielsweise Azobisisobutyronitril, Azodicarbonamid und dergleichen
versehen, um das Aufschäumen
des Silikongummis gleichzeitig mit der Vernetzung beim Erhitzen
zu bewirken.
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Die
halbleitende Silikongummischicht 2A auf und um den Kerndorn 1 herum
sollte in Abhängigkeit
von der gewünschten
Anwendung der Gummiwalze einen Volumenwiderstand von 1 × 107 bis 1 × 109 ohm·cm
und vorzugsweise von 1 × 104 bis 1 × 109 ohm·cm
besitzen. Ist der Volumenwiderstand der halbleitenden Silikongummischicht 2A zu
niedrig oder zu hoch, dann können
manchmal Probleme bei dem Drucken auftreten. Dazu zählt eine
Zersträubung
der Tonerpartikel hinter die abbildenden Bereiche, das Auftreten
des sogenannten Foggings, eine ungleichmäßige Druckdichte usw.
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Die
halbleitende Silikongummischicht 2A dient in dem Druckverfahren
als eine Elektrode für
die Entwicklung, eine durch Kontakt elektrisierende Elektrode für Tonerpartikel
und als eine Elektrode für
die Ladungsinjektion und dient ferner dazu, die Tonerpartikel auf
die Oberfläche
der Walze zu tragen und zu transferieren mittels der Oberflächenungleichmäßigkeiten
und einer Anziehungskraft, wie beispielsweise der van der Waals'schen Kraft, der
Bildkraft, der Coulomb'schen
Kraft und dergleichen. Da es sich bei dem gummiartigen Material
um ein Silikongummi handelt, verfügt die halbleitende Gummischicht 2A über eine
ausgezeichnete Witterungsbeständigkeit
bei nachteiligen Bedingungen, wie einer hohen Temperatur und einer
hohen Feuchtigkeit. Wenn zudem ein die elektronische Leitfähigkeit
verleihendes Mittel eingesetzt wird, hängt die elektrische Leitfähigkeit
der Gummischicht 2A von den Umgebungsbedingungen nur wenig
ab.
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Auftragungsverfahren
zur Ausbildung der halbleitenden Silikongummischicht 2A auf
und um den Kerndorn 1 herum, sind beispielsweise das Extrusionsformverfahren,
bei dem eine Silikongummimischung integral in Blattform mit dem
Kerndorn ausgebildet wird, wobei eine Extrusionsvorrichtung eingesetzt
wird, die mit einem Querkopf ausgestattet ist. Anschließend erfolgt
eine erste Härtung
der Silikongummischicht in einem Geer-Ofen oder einem Infrarotofen.
Ferner kann das Spritzformverfahren eingesetzt werden, bei dem die
Silikongummimischung in den Hohlraum einer Metallform, welche den
Kerndorn darin hält,
injiziert wird, um ein erstes Härten
der Silikongummimischung bei Raumtemperatur oder bei einer erhöhten Temperatur
zu bewirken. Ferner kann das Formpressverfahren Anwendung finden,
bei dem die Silikongummimischung unter Erhitzen in einer Metallform,
welche den Kerndorn hält,
druckgeformt wird. Diesbezüglich
bestehen keine besonderen Einschränkungen. Die Silikongummischicht
nach dem ersten Härten
bzw. Vernetzen auf die oben beschriebene Art und Weise wird dann
einer zweiten Vernetzungsbehandlung für eine festgelegte Zeitspanne
in einem Geer-Ofen und dergleichen unterworfen, um der Schicht stabile
physikalische Eigenschaften zu verleihen.
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Der
wie oben erhaltene integrale Körper,
der aus dem Kerndorn und der darauf aufgebrachten Silikongummischicht
besteht, stellt einen Precursor der erfindungsgemäßen halbleitenden
Silikongummiwalze dar. Dazu wird der Precursor-Körper mit ultraviolettem Licht
bestrahlt. Dies geschieht gewöhnlich
nach der Fertigstellung des Außenumfanges,
beispielsweise auf einer zylindrischen Schleifmaschine zur Herstellung
eines spezifizierten gleichmäßigen Außendurchmessers.
Gewünschtenfalls
kann die Bestrahlung mit ultraviolettem Licht nach einer Modifizierung
der Oberflächenbedingung
der Silikongummischicht durch Abstrahlen, Sandstrahlen, Läppen, Schwabbeln
und dergleichen durchgeführt
werden.
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Die
Silikongummiwalze wird nach der oben beschriebenen mechanischen
Fertigstellung mit ultraviolettem Licht mit Hauptwellenlängen von
253,7 nm und 184,9 nm in einer integralen Dosis von 1,2 bis 76 J/cm2, vorzugsweise in einer sauerstoffhaltigen
Atmosphäre
bestrahlt, um eine ultraviolett-gehärtete Schicht 3 als Oberflächenschicht
der halbleitenden Silikongummischicht 2A auszubilden.
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Bei
dem hier zur Anwendung gebrachten ultraviolettem Licht handelt es
sich um ein Licht mit einer Wellenlänge von 100–380 nm mit einer breiteren
Definition oder von 200–280
nm mit einer engeren Definition. Es ist gut bekannt, dass eine Reinigungswirkung
mit Hilfe einer Ultraviolettbestrahlung auf einem Substratkörper aus
Glas, Metall, Keramik und dergleichen, der eine fettartige oder ölige Verschmutzung
aufweist, erzielt werden kann. Es wurde nun erfindungsgemäß und sehr überraschend
gefunden, dass eine ultraviolett-gehärtete Oberflächenschicht 3 auf
der halbleitenden Silikongummischicht 2A, ohne dass diese
stark abgebaut wird, erhalten werden kann, wenn die Bestrahlung
mit ultraviolettem Licht bei den zuvor genannten Bedingungen und
vorzugsweise in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre, beispielsweise Luft, die
gewünschtenfalls
bezüglich des
Sauerstoffgehaltes angereichert oder angereichert sein kann, durchgeführt wird.
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Obwohl
die Ultraviolettbestrahlung gewünschtenfalls
je nach Erfordernis stufenweise zuerst mit Licht mit einer Wellenlänge von
184,9 nm und dann mit Licht mit einer Wellenlänge von 253,7 nm oder vice
versa durchgeführt
werden kann, besteht ein sehr zufriedenstellender und bevorzugter
Weg darin, die Ultraviolettbestrahlung mit Hilfe einer Lichtquelle
durchzuführen,
welche ultraviolettes Licht mit diesen beiden Wellenlängen imitiert.
Auf diese Weise wird eine hohe Produktivität erzielt und werden mögliche Probleme
bezüglich
der Arbeitsumgebung vermieden. Der Grund für diese Bevorzugung liegt im
folgenden.
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Wird
die Ultraviolettbestrahlung in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre, beispielsweise
Sauerstoff, Luft oder mit Sauerstoff angereicherter oder mit Sauerstoff
abgereicherter Luft mit einer Lichtquelle für ultraviolettes Licht, welche
eine Wellenfänge
von 184,9 nm imitiert, durchgeführt,
dann wird das Licht dieser Wellenlänge durch den Sauerstoff in
der Atmosphäre
absorbiert, wobei Ozon O3 gemäß den folgenden
Gleichungen: O2 → O + O und O + O2 → O3 erzeugt wird. Im Gegensatz dazu bewirkt
ultraviolettes Licht mit einer Wellenlänge von 253,7 nm eine Zersetzung
von Ozon O3, wenn es dadurch absorbiert
wird. Es ist allgemein bekannt, dass Ozon ein sehr starkes Oxidationsmittel
darstellt, so dass eine große
Menge an Ozon, sofern es von dem menschlichen Körper aufgenommen wird, die
Gesundheit des Menschen schwer schädigen kann. Wird die Ultraviolettbestrahlung
mit ultraviolettem Licht, das beide oben aufgeführte Wellenlängen besitzt,
entweder simultan oder nacheinander durchgeführt, wobei die Bestrahlung
mit dem Licht mit einer Wellenlänge
von 184,9 nm unmittelbar von der Bestrahlung mit dem Licht mit einer
Wellenlänge
von 253,7 nm gefolgt wird, dann wird das durch das erstere Licht
erzeugte Ozon durch das letztere Licht zersetzt, so dass die Ozonkonzentration
in der Atmosphäre
der Arbeitsumgebung unterhalb einer tolerierbaren oberen Grenze
abgesenkt wird, wodurch die Gesundheit der Arbeiter sichergestellt
wird.
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Obwohl
das oben beschriebene Sicherheitsproblem besteht, stellt das durch
Ultraviolettbestrahlung erzeugte Ozon eine sehr starkes Oxidationsmittel
dar, das wahrscheinlich hinsichtlich der Modifizierung der Oberflächeneigenschaften
der halbleitenden Silikongummischicht 2A sehr wirksam ist.
So handelt es sich bei dem dadurch erzeugten chemischen Effekt um
eine Abnahme des Kohlenstoffgehalts und einer Zunahme des Sauerstoffgehaltes
in der Oberflächenschicht 3.
Als physikalischer Effekt ist dabei die Bildung von sehr feien Unregelmäßigkeiten
oder einer Oberflächenrobustheit
zu verzeichnen, wobei der statische Reibungskoeffizient abnimmt.
Es ist ferner wahrscheinlich, dass die dreidimensionalen Vernetzungen,
die zwischen den Organopolysiloxanmolekülen ausgebildet werden, zu
einer Verbesserung der Abriebfestigkeit der Gummioberfläche infolge
eines synergistischen Effektes mit der Abnahme des Reibungskoeffizienten
führt.
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Bezüglich der
Lichtquelle für
die Ultraviolettbestrahlung bestehen keine besonderen Beschränkungen. Niederdruckquecksilberlampen,
die im Handel erhältlich
sind, können
in zufriedenstellender Weise eingesetzt werden, da die Energieverteilung
des davon imitierten ultravioletten Lichts derart ist, dass das
Licht mit einer Wellenlänge
von 253,7 nm etwa 90% der ultravioletten Energie ausmacht, während das
Licht mit einer Wellenlänge
von 184,9 nm nur einige wenige Prozente der Energieverteilung ausmacht.
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Die
Ultraviolettbestrahlung der halbleitenden Silikongummioberfläche mit
dem ultravioletten Licht, das die beiden Hauptwellenlängen aufweist,
wird vorzugsweise mit einer integralen Bestrahlungsdosis von 1,2
bis 76 J/cm2 durchgeführt. Ist die Bestrahlungsdosis
zu gering, dann können
die vorteilhaften und erwünschten Oberflächeneigenschaften
der Silikongummischicht nicht erreicht werden. Ist die Dosis der
Ultraviolettbestrahlung hingegen zu groß, dann werden die Eigenschaften
der halbleitenden Silikongummischicht reduziert, so dass die Gummiwalze
nicht über
einen längerfristigen
Zeitraum eingesetzt werden kann, was zu einer Zerstörung der
Druckcharakteristika führt.
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Die
Bestrahlungsbehandlung mit ultraviolettem Licht kann entweder in
Form eines Batch-Verfahrens oder in Form eines kontinuierlichen
Verfahrens durchgeführt
werden. Dabei wird ein Transportsystem oder ein System eingesetzt,
das eine Gleichmäßigkeit
der Bestrahlungsdosis bezüglich
der Gesamtheit der Oberfläche der
Silikongummischicht sicherstellt. Daher besitzt die Vorrichtung
zur Bestrahlung mit ultraviolettem Licht vorzugsweise einen Mechanismus
zum axialen Drehen der Gummiwalze bei der Behandlung oder zum Verschieben
der Ultraviolettlampen mit einer konstanten Geschwindigkeit entlang
der Oberfläche
der Gummiwalze, um eine lokale oder ungleichmäßige Bestrahlung zu vermeiden.
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Wie
bereits oben dargelegt wurde, beruht die Verbesserung der Abriebbeständigkeit
der Silikongummioberfläche
auf der Behandlung mit ultraviolettem Licht teilweise auf dem Auftreten
von feinen und hochdichten Oberflächenungleichmäßigkeiten,
die unter Verwendung einer Vorrichtung zum Testen der Oberflächenrauhigkeit
gemessen werden können.
So wurde beispielsweise die 10 Punkt-Durchschnittsrauhigkeit um 1,04 auf
das 2,02-fache durch die Bestrahlung mit ultraviolettem Licht erhöht. Zudem
wurde die durchschnittliche Ortsfrequenz als Maß der der Dichte der Ungleichmäßigkeit
von 12,5 mm–1 vor
der Ultraviolettbestrahlung auf 20 bis 55 mm–1 nach
der Bestrahlung erhöht.
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Die
oben erwähnten
Parameter, welche die Oberflächenrauhigkeit
repräsentieren,
wurden erhalten, indem eine Kombination aus einer Testvorrichtung
für die
Oberflächenrauhigkeit
(Model Surfcom 554A, hergestellt durch Tokyo Seimitsu Co.) und einer
Antriebseinheit für
die Umfangsrauhigkeit (Model E-RM-S07A, hergestellt von der gleichen
oben erwähnten
Firma), die mit einer Aufnahmevorrichtung für eine Probe mit einem Durchmesser
von 10 μm
und einer Probenbelastung von 0,07 mN ausgestattet war, eingesetzt
wurde. Die Testvorrichtung zur Untersuchung der Oberflächenrauhigkeit
wurde bei folgenden Bedingungen betrieben: 0,32 mm Cutoff, 0,3 mm/sec Verschiebegeschwindigkeit
und 0,50 mm Verschiebebreite bei einer Temperatur von 20°C. Die Aufzeichnung
der Kurve wurde mit 2000-facher Vergrößerung bzw. mit 50-facher Vergrößerung in
Richtung der Tiefe bzw. in Umfangsrichtung der Walze durchgeführt. Die
10 Punkt-Durchschnittsrauhigkeit wurde durch die in die Vorrichtung
eingebaute Computereinheit berechnet und die durchschnittliche Ortsfrequenz
wurde berechnet, indem die Wellenungleichmäßigkeiten auf der Aufzeichnungskurve
gezählt
wurden. Gemäß der Lehre
in dem Japanischen Patent Kokai 6-41437 besitzen die Oberflächenungleichmäßigkeiten mit
Vorsprüngen
und Hohlräumen
einen stabilisierenden Effekt bezüglich der Druckcharakteristika
der Silikongummiwalze als Entwicklerwalze in elektrofotographischen
Druckern, da die Tonerpartikel auf der Walzenoberfläche zurückgehalten
werden, indem sie an den Unregelmäßigkeiten haften, so dass sich
die getragene Menge an den Tonerpartikeln selbst nach einer langen
Laufzeit der Druckwalze nur wenig ändert.
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Die
Erfindung wird im folgenden anhand von Beispielen und Vergleichsbeispielen
näher erläutert, ohne
dadurch den Umfang der Erfindung in irgendeiner Weise zu begrenzen.
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Beispiel 1
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Ein
Stab aus Automatenstahl der Klasse SUM 22 mit einem Durchmesser
von 10 mm und einer Länge von
250 mm wurde mit einem Silikonprimer (Primer No. 16, ein Produkt
von Shin-Etsu Chemical Co.) beschichtet und in einem Geer-Ofen bei
150°C während einer
Zeitspanne von 10 min einer Trocknungsbehandlung unterworfen.
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Getrennt
davon wurde eine halbleitende Silikongummimischung hergestellt,
indem 100 Gewichtsteile eines Silikongummis, härtbar mit einem organischen
Peroxid (KE 78 VES, ein Produkt von Shin-Etsu Chemical Co.) mit
10 Gewichtsteilen Ruß (thermischer
Ruß, Asahithermal,
ein Produkt von Asahi Carbon Co.) und 25 Gewichtsteile eines gerauchten
Silicafüllstoffes
(Aerosil 200, ein Produkt von Nippon Aerosil Co.) in einem unter
Druck setzbaren Kneter gleichmäßig vermischt
wurden. Danach wurden 2,0 Gewichtsteile eines Vernetzungsmittels
auf Basis eines organischen Peroxids (C-8, ein Produkt von Shin-Etsu
Chemical Co.) hinzugemischt.
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Die
so hergestellte Silikongummimischung wurde zusammen mit dem Primer-behandelten
Stahlstab als Kerndorn in den zylindrischen Hohlraum mit einem Durchmesser
von 20 mm in einer Metallform zum Formpressen gegeben und darauf
gehärtet
sowie damit durch Erhitzen während
eines Zeitraumes von 10 min auf 175°C unter Druck gebunden. Anschließend erfolgte
ein zweites Härten
in einem Geer-Ofen während
einer Zeitspanne von 7 h bei 200°C,
um eine vernetzte rohrförmige
feste Silikongummischicht auf und um dem Kerndorn herum auszubilden.
Die Außenoberfläche der
Silikongummischicht wurde auf einer zylindrischen Schleifvorrichtung
geschliffen, um die Silikongummiwalze fertig zu stellen, bei der
die Silikongummischicht einen Außendurchmesser von 18 mm und
eine Länge
von 210 mm besaß.
Die Silikongummischicht besaß eine
Oberflächenrauhigkeit
Rz von 8,5 μm.
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Danach
wurde die Oberfläche
der Silikongummischicht mit ultraviolettem Licht bestrahlt, das
von einer 80 Watt-Niederdruckquecksilberlampe mit einer linearen
Outputdichte von 1 Watt/cm in einem Abstand von 20 mm emittiert
wurde, während
die Silikongummiwalze um den Kerndorn als Achse während einer
Zeitspanne von 1 min. rotiert wurde, um eine Ultraviolett-Bestrahlungsdosis
von 1,3 J/cm2 zu erhalten. Die so erhaltene Silikongummiwalze
wurde dann Bewertungstests für
die Oberflächenrauhigkeit,
dem Walzenwiderstand und der durchschnittlichen Ortsfrequenz der
Oberflächenungleichmäßigkeiten
gemäß den unten
beschriebenen Testverfahren unterworfen, wobei die in der Tabelle
1 gezeigten und unter den Überschriften
SR, RR und ASF aufgeführten
Ergebnisse erhalten wurden.
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Oberflächenrauhigkeit (Surface roughness;
SR)
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Die
Bestimmung der Oberflächenrauhigkeit
oder der Ungleichmäßigkeitamplitude
Rz wurde mit Hilfe einer Testvorrichtung für die universale Oberflächenrauhigkeit
für die
10 Punkt-Durchschnittsrauhigkeit
in μm in
der Umfangsrichtung der Walze durchgeführt.
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Walzenwiderstand (Roller
resistance; RR)
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Nach
der Bestrahlungsbehandlung mit ultraviolettem Licht wurde die Silikongummiwalze
horizontal auf eine längliche
goldplatierte Elektrode mit einer Länge von 205 mm gefegt. Die
Silikongummischicht wurde gegen die Elektrode gedrückt, indem
ein Gewicht von 500 g an jedes der Enden des Kerndorns gehängt wurde. Es
wurde der elektrische Widerstand in kohm zwischen dem Kerndorn und
der Elektrode bei Anlegen einer Gleichspannung von 10 Volt gemessen.
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Durchschnittliche Ortsfrequenz
der Oberflächenungleichmäßigkeiten
(Average spatial freguency of surface irregularities; ASF)
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Die
Zahl der Peak-Scheitelwerte und der lokalen Peak-Scheitelwerte auf
dem Aufzeichnungsblatt für die
Bestimmung der Oberflächenrauhigkeit
in der Umfangsrichtung der Gummiwalze wurde gezählt. Es wurde die durchschnittliche
Zahl davon pro mm ermittelt, bei dem es sich um den Reciprokwert
für die
durchschnittliche Ungleichmäßigkeits-Sm
handelt.
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Außerdem wurde
die Silikongummiwalze einem Haltbarkeitstest bei kontinuierlichem
Betrieb als Entwicklerwalze in einem elektrofotographischen Drucker
unterworfen. Dabei wurden die Druckvorgänge des Schwarzdruckens (Solid
black printing) des Raster-Punkt-Druckens,
des Druckens mit 5% Belastung (5%-duty printing) und des Druckens
mit weißem
Hintergrund 5000 mal wiederholt. Die Messungen wurden vor und nach dem
Betriebstest für
die folgenden Werte durchgeführt,
wozu die Gewichtsabnahme der Gummiwalze, das Fogging und die Druckdichte
bei den dort beschriebenen, entsprechenden Verfahren zählen. Es
wurden dabei die in der Tabelle 1 unter den Überschriften WD, FG und PD
aufgeführten
Ergebnisse erhalten. Bei diesem Betriebstest wurde keine Adhäsion der
Tonerpartikel auf der Walzenoberfläche festgestellt. Ein Verlaufen
des gedruckten Abbildes wurde selbst nach dem Betriebstest nicht
festgestellt. Die allgemeine Bewertung der Silikongummiwalze wurde
als akzeptabel bewertet.
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Gewichtsabnahme der Gummiwalze
(Weight decrease of rubber Toller; WD)
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Das
Gewicht der Gummiwalze wurde mit Hilfe einer Präzisionswaage exakt festgestellt.
Der Gewichtsunterschied in mg vor und nach dem Betriebstest wurde
als Maß für die Abriebbeständigkeit
ermittelt.
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Nebligwerden (Fogging;
FG)
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Die
Bestimmungen wurden für
die Macbeth-Dichte auf dem weißen
Hintergrund bei dem oben erwähnten
Drucken mit 5%-Belastung (5%-duty printing) mit Hilfe eines Macbeth-Densitometers
durchgeführt.
Ein Wert für
das Fogging bzw. für
das Nebligwerden von nicht mehr als 0,015 ist für eine akzeptierbare Gummiwalze
sowohl vor als auch nach dem Betriebstest erforderlich.
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Druckdichte (Printing
density; PD)
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Die
Bestimmungen der Macbeth-Dichte wurden für die Dichte beim solid black-printing
unter Verwendung eines Macbeth-Densitometers bestimmt. Ein Wert
für die
Druckdichte von mindestens 1,3 ist für eine akzeptable Gummiwalze
sowohl vor als auch nach dem Betriebstest erforderlich.
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Beispiele 2–4
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Die
Verfahren zur Herstellung der Silikongummiwalze und die Bewertungstests
waren im wesentlichen die gleichen wie beim oben aufgeführten Beispiel
1. Allerdings wurde die Zeitspanne für die Bestrahlung mit ultraviolettem
Licht von 1 min im Beispiel 1 auf 10 min, 30 min und 60 min erhöht, um eine
Dosis für
die Ultraviolettbestrahlung von 12,6 J/cm2,
37,8 J/cm2 und 75,6 J/cm2 zu
erhalten. Die Ergebnisse der Bewertungstests sind in der Tabelle
1 aufgeführt.
Bei keinem dieser Beispiele konnte eine Adhäsion der Tonerpartikel an der Walzenoberfläche festgestellt
werden. Selbst nach dem Betriebstest wurde bei keinem dieser Beispiele
ein Verwischen festgestellt. Jede der in diesen Beispielen eingesetzte
Silikongummiwalzen wurde als akzeptierbar bewertet.
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Vergleichsbeispiele 1–3
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Die
Verfahren zur Herstellung der Silikongummiwalzen und die Bewertungstests
dafür waren
im wesentlichen die gleichen wie beim oben beschriebenen Beispiel
1. Allerdings wurde die Bestrahlungsbehandlung mit ultraviolettem
Licht beim Vergleichsbeispiel 1 weggelassen. Bei den Vergleichsbeispielen
2 bzw. 3 wurde die Zeitspanne der Bestrahlungsbehandlung mit ultraviolettem
Licht von 1 min im Beispiel 1 auf 0,5 min reduziert bzw. auf 70
min erhöht,
um Ultraviolettbestrahlungsdosen von 0,6 J/cm2 und
88,2 J/cm2 zu erhalten. Die Ergebnisse der
Bewertungstests sind in der Tabelle 1 aufgeführt. Beim Vergleichsbeispiel
wurde nach dem Betriebstest ein Verwischen der gedruckten Abbilder
festgestellt. Dies konnte jedoch bei den Vergleichsbeispielen 2
und 3 nicht festgestellt werden. Obwohl die Adhäsion der Tonerpartikel auf
der Walzenoberfläche
bei jedem dieser Vergleichsbeispiele nicht festgestellt werden konnte,
wurden die Silikongummiwalzen bei diesen Vergleichsbeispielen als
nicht akzeptabel bewertet.
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Vergleichsbeispiele 4–8
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Die
Verfahren zur Herstellung der Silikongummiwalzen und die Bewertungstests
waren im wesentlichen die gleichen wie beim oben beschriebenen Beispiel
1. Allerdings wurde die Bestrahlungsbehandlung mit ultraviolettem
Licht der Silikongummioberfläche
anstelle der Niederdruckquecksilberlampe mit einer Hochdruckquecksilberlampe
durchgeführt,
die ultraviolettes Licht mit Wellenlängen 365 nm, 546,1 nm, 577
nm und 435,8 nm limitierte, wobei Ultraviolettbestrahlungsdosen
von 0,5 J/cm2, 1,3 J/cm2,
30,3 J/cm2, 75,2 J/cm2 und 90,4
J/cm2 bei den Vergleichsbeispielen 4, 5,
6, 7 und 8 erhalten wurden. Die Ergebnisse dieser Bewertungstests
sind in der Tabelle 2 aufgeführt.
Ein Verwischen der gedruckten Abbilder wurde bei jedem dieser Vergleichsbeispiele
nach dem Betriebstest festgestellt. Obwohl bei keinem dieser Vergleichsbeispiele
eine Adhäsion
der Tonerpartikel an der Walzenoberfläche festgestellt werden konnte,
wurden die Silikongummiwalzen bei diesen Vergleichsbeispielen jeweils
als nicht akzeptierbar bewertet.
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