JP4411497B2 - フッ素樹脂チューブ及びその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、フッ素樹脂チューブ、特に、複写機、プリンター、ファクシミリ等の電子写真方式を用いた画像形成装置に使用されるベルト表面離型層を形成する為のフッ素樹脂チューブに関する。
具体的には、感光体上に形成された静電潜像上にトナーを現像する現像ユニットに使用される現像スリーブ表層、現像されたトナー像を紙等の記録材へ転写するために使用する中間転写ベルト表層、該記録材上に転写されたトナー像を定着する定着ベルト表層、あるいは転写と定着を兼用する転写定着ベルト表層等の電子写真用ベルト離型層として使用されるフッ素樹脂チューブに関するものである。
フッ素樹脂チューブは、電気絶縁性、耐熱性、離型性等に優れるため、電子写真方式を用いた画像形成装置に使用されるベルト表面離型層として用いられている。このベルト表面離型層は、肉薄であり肉厚や径にバラツキのない高品質なものが求められている。
従来、フッ素樹脂チューブは、フッ素樹脂を溶融してこれをダイから押出し成形して製造されている。フッ素樹脂チューブは真円形に保持するために、外側規制又は内側規制のいずれかによって押出しされる（特許文献１，２等）。
近年、より高い画像品質の向上が求められており、十分に長いニップ幅を確保する必要性から、定着ベルトの大口径化が進んできている。
従来のφ100mm未満の小さい径を有するフッ素樹脂薄肉チューブでは、自ずと剛性を保ち真円形に押し出すことができるため、充分な厚み精度を得ることが出来ていた。しかし、φ100mm以上の大きな径のチューブの場合、押出した後のチューブ厚みがその径に比して薄すぎるため剛性が不足し重力に負けてたわんでしまい、均一な肉厚および物性を保持しえなかった。そのため、その周方向における厚みや物性のばらつきが大きく、市場の要求に対応できる大口径薄肉チューブは製造が困難であった。
また、フッ素樹脂チューブは、配向度が高いとローラやベルト成型時もしくは実際の使用時に表層チューブのワレやサケと呼ばれる現象が発生しやすくなる。φ100mm以上の大きな径のチューブの場合、配向度がばらつき、高くなる傾向にあるため、これを改善する必要があった。
特開平6-143389号公報 実開平7-033624号公報
本発明は、大口径（例えばφ100mm以上）であっても優れた膜厚精度及び低く安定した配向度を有する大口径薄肉フッ素樹脂チューブ及びその製造方法を提供することを目的とする。
発明者は、フッ素樹脂チューブの平均厚みがその平均外径に比して薄い場合、例えば、チューブ平均外径が平均厚みに対して極端に大きくなった場合に、その製法に起因してフッ素樹脂チューブの剛性が不足し重力に負けてたわんでしまい膜厚精度が低く、樹脂の配向度が高くなってしまうとの知見を得た。特に、平均外径φ100mm以上の大口径チューブの場合には、周方向の膜厚精度が大きく劣化し、樹脂の配向度もより高くなってしまう。そこで、その大口径チューブの場合でも、膜厚精度に優れかつ配向度の小さいフッ素樹脂チューブを製造する方法を模索していた。
発明者は、上記の課題を解決するために鋭意研究を行った結果、フッ素樹脂の溶融押し出し機出口において、溶融押し出された円筒形フッ素樹脂チューブをその外面と内面とを径規制治具に接触させるとともに、チューブ内部に空気を吹き込んで内圧を加えることにより、均一な厚みを有するフッ素樹脂チューブを製造できることを見出した。この方法を採用すれば、平均外径φ100mm以上の大口径チューブでもたわむことなく円筒形のまま支持できる。
また、フッ素樹脂チューブの内面を規制する治具にエア導入部（エア管）を設け、該エア導入部から吐出される空気圧により外面が規制されたチューブの内面に適度な内圧をかけてチューブの形状を保持することができることを見出した。
さらに、溶融押出されたフッ素樹脂チューブが内面規制治具に接触するまでの範囲において、金型に設けられた円筒状のカバーで該チューブ状フッ素樹脂の外周を覆うことにより、外部気流により生じる溶融状態チューブの温度低下や温度ムラをさらに低減し、内面径規制治具とチューブとの接触する位置を一定に制御して、樹脂配向の乱れを抑制することができることをも見出した。これにより、膜厚精度に優れかつ配向度の低いフッ素樹脂チューブを製造できる。
かかる知見に基づき、さらに研究を重ねて本発明を完成するに至った。
即ち、本発明は下記のフッ素樹脂チューブ及びその製造方法を提供する。
項１． 平均厚さが70μm以下であり外径が100mm以上のフッ素樹脂チューブであって、該チューブの厚みのばらつきが該チューブの平均厚み±20％以内であり、配向度（Ｆ）が0.25〜0.55の範囲であるフッ素樹脂チューブ。
項２． フッ素樹脂がＰＦＡ、ＦＥＰ、ＥＴＦＥ、及びこれらの混合物からなる群より選ばれる少なくとも１種である項１に記載のフッ素樹脂チューブ。
項３． 折り目を持たないことを特徴とする項１又は２に記載のフッ素樹脂チューブ。
項４． フッ素樹脂をチューブ状に溶融押出して、該チューブ状フッ素樹脂の外面と内面の両方を径規制治具に接触させるとともに、該チューブ状フッ素樹脂内面に内圧をかけてチューブの形状を保持することを特徴とするフッ素樹脂チューブの製造方法。
項５． 該チューブ状フッ素樹脂の内面を径規制治具に接触させた後、その外面を径規制治具に接触させることを特徴とする項４に記載のフッ素樹脂チューブの製造方法。
項６． 該チューブ状フッ素樹脂が内面規制治具に接触するまでの範囲において、金型に設けられた円筒状のカバーで該チューブ状フッ素樹脂の外周を覆うことを特徴とする項５に記載のフッ素樹脂チューブの製造方法。
項７． 項１〜３のいずれかに記載のフッ素樹脂チューブからなる電子写真方式を用いた画像形成装置に使用されるベルト表面離型層。

以下、本発明を詳細に説明する。
フッ素樹脂チューブ
本発明のフッ素樹脂チューブは、肉薄であり大口径のチューブを対象とするものである。その平均厚さが70μm以下であり外径が100mm以上のフッ素樹脂チューブであって、該チューブの厚みのばらつきが該チューブの平均厚み±20％以内であり、配向度（Ｆ）が0.25〜0.55の範囲であることを特徴とする。
本発明のフッ素樹脂チューブで用いられるフッ素樹脂としては、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、テトラフルオロエチレン−パーフルオロメチルビニルエーテル共重合体（ＭＦＡ）、テトラフルオロエチレン−パーフルオロエチルビニルエーテル共重合体（ＥＦＡ）、ポリエチレン−テトラフルオロエチレン（ＥＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリクロロ三フッ化エチレン（ＰＣＴＦＥ）、フッ化ビニル（ＰＶＦ）等が挙げられる。そのうち、特に耐熱性、機械特性等の観点から、ＰＦＡ、ＦＥＰ、ＥＴＦＥ、それらの混合物が好適である。
さらに、フッ素樹脂には充填材が添加されていてもよく、溶融押出成型に適するものであれば特に制限されない。例えば、硫酸バリウム、合成マイカ、グラファイト、カーボンブラック等が例示される。
本発明のフッ素樹脂チューブの平均厚さは、70μm以下、さらに30〜60μm、特に30〜50μmである。ここで「チューブの平均厚み」とは、チューブの中心軸方向に等間隔で測定点を１０点選び、それらの各点から周方向に等間隔で８点選び、計８０点における厚さの平均値を意味する。
本発明のフッ素樹脂チューブの外径は、100mm以上、更に100〜200mm、特に100〜180mmである。ここで「チューブの外径」とは、チューブを真円形にしたときの外径を意味する。具体的には、チューブを半折した状態（折径）でそのチューブ幅を測定して、それに２を乗じてπで除することにより外径を算出する。
本発明のフッ素樹脂チューブは、その厚みのばらつきが平均厚み±20％以内である。つまり、定寸６００ｍｍでカットされたチューブの中心軸方向に等間隔で測定点を１０点選び、それらの各点から周方向に等間隔で８点選び（図３を参照）、計８０点における厚さの平均値に対して、各８０点における厚さが全て平均厚み±20％以内にあることを意味する。換言すれば、平均厚さを100％としたときに、各８０点における厚さが全て80〜120％の範囲内にあることを意味する。厚みのばらつきは、好ましくは平均厚み±15％以内、より好ましくは平均厚み±10％以内である。
本発明のフッ素樹脂チューブの配向度（Ｆ）は、0.25〜0.55、好ましくは0.30〜0.50、特に好ましくは0.35〜0.45である。該配向度は、定寸６００ｍｍでカットされたチューブにおいて、中心軸方向の任意の点における周方向に等間隔で４箇所選び、各箇所においてフッ素樹脂結晶ピークの方位角分布強度を測定し、その平均値として表した。
配向度は次式により算出される。
Ｆ＝（１８０−α）/１８０ （αは配向ピークの半価幅）
フッ素樹脂チューブの製法
本発明のフッ素樹脂チューブは、フッ素樹脂を溶融押出しして、チューブ状フッ素樹脂の外面と内面の両方を径規制治具に接触させるとともに、該チューブ状フッ素樹脂内面に内圧をかけてチューブの形状を保持して成形される。そのため上記で示したように、大口径であっても優れた膜厚精度及び低い配向度を有している。
具体的には、押出機のホッパに上記のフッ素樹脂を投入し、環状ダイスを用いて溶融押出する。押し出されたチューブ状樹脂の外面及び内面を、径を規制する２種の治具に接触させることにより膜厚の精度が向上する。径規制治具の材質は、例えば、真鍮などの金属からなり、チューブ状樹脂と接触する面は任意の加工が施されていてもよい。２つの径規制治具の内部には冷却用の水が通過（循環）しており、押し出されたチューブ状溶融樹脂と接触して急冷できるようになっている。これによりチューブの径が定まる。該治具の温度は通常10〜90℃程度に保持される。
チューブ状樹脂の内面に接触する径規制治具（内面径規制治具）は円筒形状を有し、その外面にチューブ状樹脂を接触させて急冷する。該治具は例えば金型から支持棒で固定されており、該治具の支持棒中央には穴が空いておりエアの通過、導入が可能な構造となっている。
また、チューブ状樹脂の外面に接触する径規制治具（外面径規制治具）はリング形状を有し、リングの内面にチューブ状樹脂を接触させて急冷する。
本発明の製造方法では、上記の２つの径規制治具を用いることを特徴とするが、チューブの内面を規制する治具とチューブの外面を規制する治具の使用する順序は特に限定はない。つまり、チューブ状フッ素樹脂の内面を径規制治具に接触させた後、その外面を径規制治具に接触させてもよいし、チューブ状フッ素樹脂の外面を径規制治具に接触させた後、その内面を径規制治具に接触させてもよい。好ましくは、前者である。
例えば、環状ダイスから溶融押出されたチューブ状フッ素樹脂を、まず内面径規制治具に接触させた後、次いで外面径規制治具に接触させる例を、図２を参照して説明する。
環状ダイスから溶融押出されたチューブ状フッ素樹脂は、内面径規制治具に接触され、これにより溶融チューブの形状を適正に保持でき、かつ樹脂配向を小さく制御できる。その際、溶融チューブが内面規制治具に接触するまでの範囲において、金型に設けられた円筒状のカバー（配向制御カバー）でチューブの外周を覆うことが、チューブにかかる気流などの外乱を防止しかつ溶融状態で保温することができるため好ましい。円筒状のカバーの材質は、金型に固定でき外部気流を遮断できるものであれば特に限定はなく、例えば、ステンレス、アルミニウムなどが挙げられる。
また、後述の外面径規制治具内は、エア管１から吐出される空気によりやや加圧状態となっている。環状ダイスから押し出された溶融チューブと内面径規制治具で囲まれた空間の圧力を、エア管１の吐出空間の圧力と均一にするために、内面径規制治具を貫通するエア管２を設けることが好ましい。エア管２は１個であっても２個以上であってもよい。
上記のような構成とすることにより、均一な形状を保持した溶融チューブが内面径規制治具と接触することができるため、チューブ状樹脂の内面の形状をより適正に保持できる点で好適である。また、溶融チューブと内面径規制治具との接触する位置を一定に制御することができ、かつ樹脂配向の乱れも抑えることができるため好ましい。
その後、外面径規制治具に移動したチューブ状樹脂は、該内面径規制治具の支持棒中央の穴（エア管１）から導入される空気圧により、該外面径規制治具内面に密着させられ冷却される。これにより、厚み精度が均一で配向度の低い真円のチューブ形状にすることができる。２つの径規制治具を経たチューブ状樹脂はその形状を保持したままローラに巻き取られる。
このように、２つ内外の径規制治具を用い、かつ、エアの導入により内圧をかけてチューブ状フッ素樹脂を成形することにより、大口径のチューブであってもチューブの自重による垂れ下がりや、規制治具への冷却ポイントにずれが生じない。
さらに、円筒状のカバー（配向制御カバー）を金型に取り付けることにより、内面径規制治具に接触する前のチューブにかかる外乱の影響を減少し、チューブ温度を均一に保持できる。そのため厚み精度（特に、周方向の厚み精度）が高く、しかも配向度が小さいチューブが得られる。
作製したチューブは、引き取りローラによって半折し巻き取りコアで巻き取られる。ここで、引き取りローラのローラ幅を、半折されるチューブの幅よりも小さくすることにより、チューブの両端をつぶさない（ピンチしない）ようにすることができる。これにより、折り目を持たない高品位のチューブを得ることができる。
本発明のフッ素樹脂チューブは、例えば、感光体上に形成された静電潜像上にトナーを現像する現像ユニットに使用される現像スリーブ表層、現像されたトナー像を紙等の記録材へ転写するために使用する中間転写ベルト表層、該記録材上に転写されたトナー像を定着する定着ベルト表層、転写と定着を兼用する転写定着ベルト表層等の電子写真方式を用いた画像形成装置に使用されるベルト表面離型層として好適に使用される。
本発明のフッ素樹脂チューブは、平均外径φ100mm以上の大口径であっても優れた膜厚精度及び低い配向度を有している。該フッ素樹脂チューブは、膜厚精度に優れるため、膜厚のばらつきが十分に小さい。そのため、該フッ素樹脂チューブをベルト表面離型層に用いた場合、熱伝導性等が均一となり良好な画像形成が可能である。また、該フッ素樹脂チューブは、配向度が0.55以下と低いため定着ローラ及びベルトの成形時または成形後の実使用時においてチューブにワレやサケが生じにくい。
そのため、本発明のフッ素樹脂チューブは、電子写真方式を用いた画像形成装置に使用されるベルト表面離型層として好適である。
従来のフッ素樹脂チューブの成形例を示す。 本発明のフッ素樹脂チューブの成形例を示す。 フッ素樹脂チューブの厚さの測定点（計８０点）を示す。
以下に、本発明を、実施例を用いてより詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
製造されたフッ素樹脂チューブを下記の通りに評価した。
［チューブの厚さ］
チューブの平均厚さは、定寸６００ｍｍでカットされたチューブの中心軸方向に等間隔で測定点を１０点選び、それらの各点から周方向に等間隔で８点選び、これらの計８０点において厚さを測定し、その平均値として求めた。（図３を参照）。肉厚測定は、ミツトヨ製マイクロメーターを用いた。
［配向度（Ｆ）］
配向度は、定寸６００ｍｍでカットされたチューブにおいて、中心軸方向の任意の点における周方向に等間隔で４箇所試料（軸方向×周方向：2×1cm）を切り出し、各試料においてフッ素樹脂結晶ピークの方位角分布強度を測定し、その平均値として表した。配向度測定において使用した装置および条件は以下の通りである。
装置 ： リガク製 RINT2550
付属装置： 繊維試料台
Ｘ線源 ： ＣuＫ α
出力 ： 40ｋＶ 370ｍA
検出器 ： シンチレーションカウンター
測定は各試料（2×1cm）そのままをホルダーに固定し、Through Viewで試料を測定した。試料の軸方向（ＭＤ方向）を基準軸として、ＰＦＡ結晶ピーク（２θ＝１８°付近）の方位角分布強度を測定した。配向度は次式より算出した。
Ｆ＝（１８０−α）/１８０ （αは配向ピークの半価幅）
（実施例１）
次のようにして、融点310℃のPFA（MFR=2.1g/10min）を、環状ダイスを用いて溶融押出し成型し、外径150mm、平均厚み29μmのPFAチューブを製造した。
環状ダイスから出てきた溶融樹脂を冷却固化し所定の径に規制する２種の径規制治具を設置しチューブが治具に接触するまでの範囲において円筒状の金属カバーを設置した。図２を参照。
まず、押出されたチューブ内表面がこの第１の冷却及び径規制治具に接触するようにした。この治具は内部に冷却用の水が通過（循環）しており、治具の支持棒中央には穴が空いておりエアの導入が可能な状態となっている。この穴から常温のエアを導入し治具接触後のチューブにたるみが生じないように内圧を加えた。
更にチューブ外表面に接触する冷却及び径規制治具を設置しておき、チューブの内表面接触後すぐに外表面も接触させた。作製したチューブをピンチローラによって半折し、コアに巻き取った。
チューブの平均厚みは29μmであり、チューブの８０点の厚さが全てチューブの平均厚さ±10.3％の範囲内であることを確認した。また、チューブの配向度（Ｆ）は0.34であった。
（実施例２）
外径165mm、厚み33μmのPFAチューブとすること以外は、実施例１と同様にしてPFAチューブを製造した。
チューブの平均厚みは33μmであり、チューブの８０点の厚さが全てチューブの平均厚さ±9.1％の範囲内であることを確認した。また、チューブの配向度（Ｆ）は0.50であった。
（比較例１）
チューブ内部へのエアの導入による加圧を省略したこと以外は実施例１と同様にしてチューブを作成した。
チューブの平均厚さは32μmであり、チューブの８０点の厚さが全てチューブの平均厚さ±25.0％の範囲内であることを確認した。また、チューブの配向度（Ｆ）は0.58であった。
（比較例２）
円筒状の金属カバーを外しチューブ外表面の冷却及び径規制治具との接触を省略したこと以外は実施例１と同様にしてチューブを作成した。
チューブの平均厚さは30μmであり、チューブの８０点の厚さが全てチューブの平均厚さ±26.7％の範囲内であることを確認した。また、チューブの配向度（Ｆ）は0.65であった。

Claims (7)

  1. 平均厚みが７０μｍ以下であり外径が１００ｍｍ以上のフッ素樹脂チューブであって、
    該チューブの厚みのばらつきが該チューブの平均厚み±２０％以内であり、配向度（Ｆ）が０．２５〜０．５５の範囲であり、
    フッ素樹脂が、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体であるフッ素樹脂チューブ。
  2. フッ素樹脂チューブの厚みのばらつきが該チューブの平均厚み±１５％以内であり、配向度（Ｆ）が０．３０〜０．５０の範囲であることを特徴とする請求項１に記載のフッ素樹脂チューブ。
  3. 折り目を持たないことを特徴とする請求項１又は２に記載のフッ素樹脂チューブ。
  4. フッ素樹脂をチューブ状に溶融押出して、該チューブ状フッ素樹脂の外面と内面の両方を径規制治具に接触させるとともに、該チューブ状フッ素樹脂内面に内圧をかけてチューブの形状を保持することを特徴とするフッ素樹脂チューブの製造方法。
  5. 該チューブ状フッ素樹脂の内面を径規制治具に接触させた後、その外面を径規制治具に接触させることを特徴とする請求項４に記載のフッ素樹脂チューブの製造方法。
  6. 該チューブ状フッ素樹脂が内面規制治具に接触するまでの範囲において、金型に設けられた円筒状のカバーで該チューブ状フッ素樹脂の外周を覆うことを特徴とする請求項５に記載のフッ素樹脂チューブの製造方法。
  7. 請求項１〜３のいずれかに記載のフッ素樹脂チューブからなる電子写真方式を用いた画像形成装置に使用されるベルト表面離型層。
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