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TECHNISCHES GEBIET
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Diese
Erfindung betrifft bei der Elektrophotographie verwendete Walzen
und insbesondere eine elektrisch leitende Walze mit einer Oberfläche mit
einem hohen elektrischen Widerstand, die sich besonders als Ladungswalze
eignet.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Eine
Funktionswalze zur Verwendung beim elektrophotographischen Druck
erfordert oft eine äußere Oberflächenschicht
mit hohem elektrischem Widerstand über einem Kern mit gesteuerter
elektrischer Leitfähigkeit.
Das US-Patent Nr. 5 707 743, das für diese Erfindung Stand der
Technik ist, beschreibt eine solche Walze und ein Verfahren zur
Herstellung, bei dem Polybutadien in die Materialien des Kerns eingebaut
wird und der Kern dann thermisch behandelt wird, um das Polybutadien
an der Oberfläche
des Kerns zu oxidieren, was zu einer widerstandsbehafteten Oberfläche auf
dem Kern führt.
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Die
Ausführungsformen
des obigen Patents 5 707 743 betrafen Anwendungen für Entwicklerwalzen. Eine
Entwicklerwalze berührt
eine photoleitende Oberfläche
und transportiert Toner zur photoleitenden Oberfläche. Diese
Erfindung betrifft eine Modifizierung solcher Entwicklerwalzenausführungsformen,
um den Widerstand des Kerns zu verringern und die Härte der
fertigen Walze zu erhöhen.
Eine solche Walze entspricht dem Wesen einer Entwicklerwalze, die
spezielle Ausführungsform
dieser Patentschrift ist jedoch eine Ladungswalze. Eine Ladungswalze
berührt
ein photoleitendes Element und wird mit einer hohen Spannung ausgestattet,
wodurch ein elektrisches Potential an das photoleitende Element übertragen
wird. Diese Spannung für
die Ladungswalze ist typischerweise eine über eine Gleichspannung gelegte
Wechselspannung, wobei es als für
den Betrieb optimal angesehen wird, wenn der Spitzenwert der Wechselspannung
wenigstens das Doppelte der Gleichspannung beträgt. Dies ist eine Funktion,
die durch eine Koronaentladungseinrichtung und durch andere bekannte
Verfahren erzielt werden kann, die Kontaktaufladung z.B. mit einer
Ladungswalze hat jedoch den besonderen Vorteil, dass ein Minimum
an nebenher stattfindenden Entladungen erzeugt wird, welche die
Umgebung schwächen
können.
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Gemäß dieser
Erfindung werden Füllstoffe
zugegeben, um den elektrischen Widerstand des Kerns zu verringern.
Ein Polyetherdiol wird zugegeben, um die Härte zu verringern und den Widerstand
des Kerns zu verringern.
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Die
Walze dieser Erfindung ist eine gegossene oder auf andere Weise
geformte, elektrisch leitende Polymerwalze mit einer Oberflächenschicht
mit hohem elektrischem Widerstand. Diese Walze imitiert die elektrischen
Eigenschaften einer beschichteten Walze. Die Walze besteht aus einem
Polydien, wie z.B. einem Polyisopren oder speziell Polybutadien,
mit einem Polyurethan-Vorpolymer, einem trifunktionellen Polyetherpolyol,
einem teilchenförmigen
Füllstoff,
wie z.B. Eisen(III)chlorid, der sowohl ein leitendes Additiv als
auch ein Katalysator ist, einem zweiten leitenden Additiv und einem
Polyetherdiol. Der Bulkwiderstand der Walze ist gering, verglichen
mit typischen Urethanwerten. Die Oberfläche der gehärteten Walze wird oxidiert,
um eine Oberflächenschicht
aus Material mit hohem elektrischem Widerstand zu erzeugen. Die
Oberfläche
dieser oxidierten Walze ist sehr widerstandsbehaftet. Die Produktionskosten
sind gering, verglichen mit dem Hinzufügen von einer oder mehreren
separaten äußeren Schichten.
Die Ladungswalzen dieser Erfindung laden sich in Umgebungen mit
niedriger Temperatur und niedriger Feuchtigkeit gut auf, wenn ein
Gleichspannungspotential mit einer Wechselspannungsüberlagerung
an sie als ihre Spannungsquelle angelegt wird, was der Funktion
einer mit einer widerstandsbehafteten Schicht beschichteten Ladungswalze
entspricht. Ladungswalzen mit einem einzigen Widerstand funktionieren
in Umgebungen mit niedriger Temperatur und niedriger Feuchtigkeit
im Allgemeinen nur gut, wenn ausschließlich eine Gleichspannung angelegt
wird.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Durch
Verwendung der in dieser Patentschrift beschriebenen Kombination
aus Materialien wird eine gegossene Urethanwalze mit einer widerstandsbehafteten
Oberflächenschicht
durch thermische Behandlung in Luft bei erhöhter Temperatur erzeugt. Die
Oxidation von Polybutadien in Gegenwart von Eisen(III)chlorid erzeugt
eine hoch widerstandsbehaftete Schicht an der Oberfläche, während ein
lineares bifunktionelles Polyol sowie die Zugabe von leitenden Füllstoffen
zusätzlich
zu Eisen(III)chlorid dem Walzenkörper
die erwünschte Härte und
Leitfähigkeit
verleihen.
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Polycaprolactonurethan-Vorpolymer,
wie z.B. Vibrathane 6060 (Markenprodukt von Uniroyal Chemical) ist
aufgrund seines stabilen elektrischen Widerstands bei Temperatur-
und Feuchtigkeitsveränderungen das
verwendete Urethan. Vibrathane 6060 ist ein Polycaprolactonestertoluoldiisocyanat-Vorpolymer.
Eisen(III)chlorid, mit Antimon dotiertes Zinnoxid und/oder Ruß verringern
den elektrischen Widerstand des Walzenkerns auf weniger als 1E7
(1 × 107) Ohm-cm. Die Kombination aus Polycaprolactonurethan,
Polyethertriol, Polyetherdiol, Eisen(III)chlorid, mit Antimon dotiertem
Zinnoxid und/oder Ruß erzeugt
eine Walze mit einem einzigen niedrigen Widerstand von der Walzenoberfläche zur
Mitte. Um eine Walze mit einer Oberflächenschicht mit hohem Widerstand
zu erzeugen, muss ein Polydien, wie z.B. Polybutadien, in die Formulierung
eingebaut werden.
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Polybutadien
kann entweder in Vorpolymer- oder in Diolform zugesetzt werden.
Das Polycaprolactonurethan kann mittels einer Kombination aus Polybutadiendiol
mit einem Polyethertriol-Härtungsmittel,
wie z.B. Simusol TOIE, ein Produkt von SEPPIC, Inc. (Simusol TOIE
ist ein anderes Markenprodukt, es wird jedoch angenommen, dass es
chemisch im Wesentlichen äquivalent
zu Voranol 234-630 (Handelsprodukt von Dow Chemical Co., Inc.) ist,
welches bei den Ausführungsformen
des obigen Patents 5 707 743 verwendet wurde). Das Polybutadiendiol
dient als Polymerkettenverlängerungsmittel
für das
Urethan, genau wie Poly-G 55-37 (Markenprodukt von Olin Corp.),
ein Polyetherdiol mit hohem Molekulargewicht (Zahlenmittelmolekulargewicht 3000).
Das Poly-G 55-37 macht das resultierende Material weicher, wenn
dessen relative Menge in der Mischung erhöht wird.
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Die
Verwendung eines Hydrolysestabilisators ist erforderlich, um die
physikalischen und elektrischen Eigenschaften der Walze über einen
langen Zeitraum und bei verschiedenen Umgebungsbedingungen aufrecht
zu erhalten. Die Zugabe von TIPA (Handelsmarke von Dow Chemical
Co.) (chemisch Triisopropanolamin) dient zur hydrolytischen Stabilisierung
der beschriebenen Entwicklerwalze auf Urethanbasis. Darüber hinaus
sollte 2,6-Di-tert.-butyl-p-cresol (Naugard BHT: Markenprodukt von
Uniroyal Chemical) oder ein anderes Antioxidationsmaterial zu den
Materialien zugegeben werden, um der oxidativen Alterung entgegenzuwirken. Typische
Mengen werden variieren. 3000 ppm (Teile pro Millionen Teile) erwiesen
sich jedoch als für
diesen Zweck wirksam.
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Die
Urethanformulierung wird dann in eine Form um eine in der Mitte
liegende Metallachse herum gegossen und anschließend bei etwa 93°C bis zu
einer Stunde unter Verwendung einer Kombination aus Härtung in
der Form und außerhalb
der Form gehärtet,
um eine Gummiwalze zu erzeugen. Die Walze wird dann abgeschliffen,
bis sie die richtige Größe besitzt.
Diese Walze besitzt auf ihrer Oberfläche keine widerstandsbehaftete
Schicht. Die widerstandsbehaftete Schicht wird durch thermische
Behandlung der abgeschliffenen Walze in Luft bei einer erhöhten Temperatur
für eine
gewisse Zeitspanne erzeugt. Dieses Wärmebehandlungsverfahren oxidiert
das Polybutadien. Das Polybutadien ist hochgradig ungesättigt (60%
trans-1,4-, 20% cis-1,4- und 20% 1,2-Vinylstruktur), so dass es
sehr oxidationsempfindlich ist. Die Gegenwart von Eisen(III)chlorid
ist notwendig, um den Oxidationsprozess zu katalysieren. Alternative
ionische Salze, die diesen Oxidationsprozess katalysieren, sind
Eisen(II)chlorid, Calciumchlorid und Cobalthexafluoracetylacetonat.
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Die
Oxidation von Polybutadien in Gegenwart von Eisen(III)chlorid erzeugt
eine stark widerstandsbehaftete Oberflächenschicht. Die Dicke und
der elektrische Widerstand dieser Oberflächenschicht können durch Variieren
der Konzentration von Eisen(III)chlorid, der Konzentration von Polybutadien,
der Temperatur der Wärmebehandlung,
der Konzentration von Sauerstoff und der Wärmebehandlungszeit gesteuert
werden. Für eine
als Ladungswalze zu verwendende Walze werden diese Parameter vorzugsweise
so verändert,
dass die Eigenschaften der Walze für die spezielle angelegte Spannung
optimiert werden.
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BEISPIEL 1
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Die
folgende Methode wird wie nachstehend beschrieben durchgeführt.
- 1) Erwärme
im Voraus auf 75°C:
Vibrathane 6060, Poly bd R-45HT, Poly-G 55-37 und TIPA.
- 2) Erwärme
eine Walzenform im Voraus auf 93°C
(200°F);
das Aufbringen eines Formtrennmittels für die Ausformung kann notwendig
sein.
- 3) Mische eine Lösung
von FeCl3 und Simulsol TOIE bei niedriger
Wärme und
unter Rühren.
- 4) Entgase das V6060 gründlich,
entgase die Polyol/FeCl3-Mischung und das
Poly bd R45HT.
- 5) Gib eine Achse in die Form und erwärme im Voraus ~10 Minuten auf
93°C.
- 6) Vermische vorsichtig wie folgt:
Gib V6060, Poly bd R-45HT,
Poly-G 55-37 und SnO2 zusammen und vermische
anschließend,
gib die Polyol/FeCl3-Mischung, TIPA zu,
vermische anschließend
und befülle
die Form.
Anmerkung: Das Vermischen erfolgt vorsichtig mittels
eines pneumatischen Mixers, um eine Durchdringung der Materialien
mit Luft zu verhindern und die Blasenbildung minimal zu halten.
- 7) Härte
bei 93°C.
- 8) Überprüfe die Härtung nach
15–20
Minuten und forme aus, wenn die Härte ausreichend berührungsfest ist
(notiere die Zeit).
- 9) Härte
1,5 Stunden bei 93°C
nach, um die äußere Oberfläche der
Walze zu oxidieren.
- *
%NCO V6060 = 3,42
- ** OH-Zahl = 618,00
- – Äquivalentgew.
(g/Äquiv.)
= 90,78
- *** OH-Zahl = 0,83
- – Äquivalentgew.
(g/Äquiv.)
= 1204,82
- TIPA-Äquivalentgew.
(g/Äquiv.)
= 63,70
- **** OH-Zahl = 37,00
- – Äquivalentgew.
(g/Äquiv.)
= 1516,22
- Stöchiometrie
0,95 (in der Praxis wird die isocyanatfunktionelle Gruppe als 1
betrachtet, demgemäß definiert diese
Stöchiometrie
100 Isocyanat zu 95 Hydroxyl)
| Chargengröße (g) | 100,00 |
| Nominale Äquivalentefraktion
von TOIE | 0,50 |
| Nominale Äquivalentefraktion
von Poly bd R-45HT | 0,22 |
| Nominale Äquivalentefraktion
von TIPA | 0,02 |
| Nominale Äquivalentefraktion
von Poly-G 55-37 | 0,26 |
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Die Äquivalentfraktion
ist das Verhältnis
eines Bestandteils zur Gesamtmenge einer zur Verfügung gestellten
funktionellen Gruppe. Da die letzten vier Materialien sämtliche
Hydroxylgruppen stellen, betragen deren Äquivalentfraktionen zusammen
eins. Variationen bei den Gewichtsprozenten basieren auf den verschiedenen
Rohmaterialchargen werden erwartet, und es werden geringfügige Anpassungen
durchgeführt,
wie es den Fachleuten auf dem Gebiet der Polyurethanformulierung
bekannt ist.
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Diese
Methode, die nur das mit Antimon dotierte Zinnoxid und Eisen(III)chlorid
einsetzt, liefert einen Kern-Bulkwiderstand von nicht weniger als
etwa 2E7 Ohm-cm (gemessen bei –100
Volt Gleichspannung).
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Das
nächste
Beispiel liefert niedrigere Kern-Bulkwiderstände, die bei bestimmten Anwendungen
erforderlich sein können.
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BEISPIEL 2
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Die
folgende Methode wird wie nachstehend beschrieben durchgeführt.
- 1) Erwärme
im Voraus auf 75°C:
Vibrathane 6060, Poly bd R-45HT, Poly-G 55-37 und TIPA.
- 2) Erwärme
eine Walzenform im Voraus auf 93°C
(200°F);
das Aufbringen eines Formtrennmittels für die Ausformung kann notwendig
sein.
- 3) Mische eine Lösung
von FeCl3 und Simulsol TOIE bei niedriger
Wärme und
unter Rühren.
- 4) Entgase das V6060 gründlich,
entgase die Polyol/FeCl3-Mischung und das
Poly bd R45HT.
- 5) Gib eine Achse in die Form und erwärme im Voraus ~10 Minuten auf
93°C.
- 6) Vermische vorsichtig wie folgt:
Gib V6060, Poly bd R-45HT,
Poly-G 55-37 und Ruß/SnO2 zusammen und vermische anschließend,
gib
die Polyol/FeCl3-Mischung, TIPA zu, vermische
anschließend
und befülle
die Form.
Anmerkung: Das Vermischen erfolgt vorsichtig mittels
eines pneumatischen Mixers, um eine Durchdringung der Materialien
mit Luft zu verhindern und die Blasenbildung minimal zu halten.
- 7) Härte
bei 93°C.
- 8) Überprüfe die Härtung nach
15–20
Minuten und forme aus, wenn die Härte ausreichend berührungsfest ist
(notiere die Zeit).
- 9) Härte
1,5 Stunden bei 93°C
nach, um die äußere Oberfläche der
Walze zu oxidieren.
- *
%NCO V6060 = 3,42
- ** OH-Zahl = 618,00
- – Äquivalentgew.
(g/Äquiv.)
= 90,78
- *** OH-Zahl = 0,83
- – Äquivalentgew.
(g/Äquiv.)
= 1204,82
- TIPA-Äquivalentgew.
(g/Äquiv.)
= 63,70
- **** OH-Zahl = 37,00
- – Äquivalentgew.
(g/Äquiv.)
= 1516,22
- Stöchiometrie
0,95
| Chargengröße (g) | 100,00 |
| Nominale Äquivalentefraktion
von TOIE | 0,50 |
| Nominale Äquivalentefraktion
von Poly bd R-45HT | 0,15 |
| Nominale Äquivalentefraktion
von TIPA | 0,02 |
| Nominale Äquivalentefraktion
von Poly-G 55-37 | 0,33 |
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Diese
Methode liefert einen Kern-Bulkwiderstand von 8E6 bis 8E7 Ohm-cm
(gemessen bei –100
Volt Gleichspannung).
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Die
Stöchiometrie
beträgt
95 hydroxylfunktionelle Gruppen pro 100 isocyanatfunktionelle Gruppen,
um eine ausreichende Fertigstellung der chemischen Reaktion zu gewährleisten.
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Die
Walzen können
durch eine Reihe von elektrischen Verfahren charakterisiert werden.
Eine Walze wird typischerweise mit Isopropylalkohol gereinigt und
in einem 10-mm-Streifen
die Walze hinab mit leitendem Ruß oder Silberfarbe bestrichen.
Anschließend
wird die Walze in eine speziell angefertigte Testvorrichtung gegeben,
die eine Kraft von 2,0 bis 2,4 kg gleichmäßig entlang der gesamten Länge der
Walze ausübt.
Der Wechselstrom-Widerstand der Walze bei 100V wird sowohl vor als
auch nach der oxidativen Härtung
gemessen, um sicherzustellen, dass die richtige Oxidationsdicke
erhalten worden ist.
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Typische
erwünschte
Werte für
den Bulkwiderstand des Ladungswalzenkerns reichen von 2E6 bis 8E7 Ohm-cm,
wobei der Widerstand der oxidierten Beschichtung von 2E7 bis 1E12
Ohm-cm reicht, in Abhängigkeit von
der speziellen Anwendung der Walze (Alle diese Messungen werden
bei –100
Volt Gleichstrom durchgeführt).
Der Widerstand der oxidierten Beschichtung kann für eine spezielle
Anwendung durch eine Erhöhung der
Härtungszeit
außerhalb
der Form erhöht
werden, die zu einer größeren Dicke
der oxidierten Beschichtung und zu einem höheren Gesamtwiderstand der
fertigen Ladungswalze führt.