JP4485504B2 - 画像形成装置用ベルト - Google Patents

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Description

本発明は、複写機、ファクシミリ、プリンタ等の画像形成装置に使用される画像形成装置用ベルトに関する。
上記の画像形成装置において、例えば転写部で用いられる中間転写ベルト、定着部で用いられる定着ベルト等の画像形成装置用ベルトには、一般に、高精度駆動の必要性からポリイミド樹脂からなるベルトが使用される。該ベルトは、ポリイミド樹脂単層からなる場合もあるが、近時、耐久性やトナーの転写性を向上する上で、ポリイミド樹脂を基材とし、該基材上に弾性層を設けた2層ベルトや、前記弾性層上にさらに離型性樹脂層を設けた3層ベルトが多く使用される。
例えば特許文献1には、2層以上の弾性を有する複層で構成された中間転写ベルトが記載されており、基材にポリイミド樹脂、弾性層にゴム材質、離型層(離型性樹脂層)にフッ素樹脂等を用いている。特許文献2には、耐熱性樹脂層(基材)上にシリコーンゴム層(弾性層)および離型性樹脂層をこの順に設けた定着部用フィルム(定着ベルト)が記載されており、基材に熱硬化性ポリイミド樹脂、離型性樹脂層にフッ素樹脂等を用いている。
ところで、前記弾性層には耐熱性、適度な弾性率、基材との接着性等といった特性が求められる。
しかしながら、前記弾性層がゴム材料やウレタン等からなる場合には、耐熱性と接着性が、フッ素樹脂やシリコーンゴム等からなる場合には、接着性にそれぞれ問題がある。
一方、特許文献3には、弾性層、芯体層(基材)がポリウレタンまたはポリウレアからなる電子写真装置用半導電性ベルトが記載されており、前記弾性層の弾性率として1.0〜60Mpaと記載されている。一般に、画像形成装置用ベルトの弾性層に求められる弾性率としては、この文献に記載されている程度の弾性率が適切であると考えられる。
しかしながら、特許文献3に記載されているベルトは、基材にポリイミド樹脂ではなく、ポリウレタン等を用いるので、高精度駆動をさせることはできない。
特開平2003−131492号公報 特開平11−15303号公報 特開2001−109276号公報
本発明の課題は、弾性層に耐熱性と適切な弾性率を有し、かつ基材との接着性に優れた材料を用いる事で高画質、高速印刷を実現し、耐久性に優れた画像形成装置用ベルトを提供することである。
本発明者らは、上記課題を解決するには、耐熱性に優れると共に、弾性率を簡単に調整することができ、かつ基材のポリイミド樹脂との親和性に優れるような弾性層を基材上に設ければよいと考え、鋭意検討を重ねた結果、前記弾性層に特定のエラストマーを使用するという新たな解決手段を見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明の画像形成装置用ベルトは、以下の構成からなる。
(1)ポリイミド樹脂からなる基材上に少なくとも弾性層が設けられた画像形成装置用ベルトであって、前記弾性層がイミド変性エラストマーからなることを特徴とする画像形成装置用ベルト。
(2)前記イミド変性エラストマーは、イミド変性ポリウレタンエラストマーである前記(1)記載の画像形成装置用ベルト。
(3)前記イミド変性ポリウレタンエラストマーは、下記一般式(I):
Figure 0004485504
[式中、R1は、芳香族環または脂肪族環を含む2価の有機基を示す。R2は、重量平均分子量100〜10,000の2価の有機基を示す。R3は、芳香族環、脂肪族環または脂肪族鎖を含む2価の有機基を示す。R4は、4個以上の炭素を含む4価の有機基を示す。nは1〜100の整数を示す。mは2〜100の整数を示す。]で表される前記(2)記載の画像形成装置用ベルト。
(4)前記イミド変性エラストマーの弾性率が1.0×106〜6.0×107Paである前記(1)〜(3)のいずれかに記載の画像形成装置用ベルト。
(5)前記弾性層上に離型性樹脂層を設けた前記(1)〜(4)のいずれかに記載の画像形成装置用ベルト。
(6)中間転写ベルトである前記(1)〜(5)のいずれかに記載の画像形成装置用ベルト。
(7)定着ベルトである前記(1)〜(5)のいずれかに記載の画像形成装置用ベルト。
本発明によれば、画像形成装置用ベルトの基材上に、イミド変性エラストマーからなる弾性層を設ける。該イミド変性エラストマーは、分子鎖中のイミド分率を変化させることによって弾性率の調整が可能なので、弾性層の弾性率を所望の弾性率に調整することができる。すなわち、弾性層の弾性率を簡単に適切な弾性率に調整することができるので、この弾性層を基材上に設けた画像形成装置用ベルトは、高画質、高速印刷を示すことができる。しかも、弾性層がイミド成分を有するイミド変性エラストマーからなると、ポリイミド樹脂からなる基材との親和性が高まるので、両者が剥離することによる耐久性の低下を抑制することができる。さらに、ポリイミド樹脂からなる基材上にイミド変性エラストマーからなる弾性層を設けた画像形成装置用ベルトは、例えば定着ベルト等に要求される耐熱性を備えたものになる。したがって、特に、温度サイクルが激しく、基材と弾性層との剥離が顕著に生じる定着ベルトに本発明にかかるベルトを用いると、本発明の有用性が増す。
<画像形成装置用ベルト>
以下、本発明の画像形成装置用ベルトの一実施形態について図面を参照して詳細に説明する。図1は、本実施形態の画像形成装置用ベルトを示す拡大概略断面図である。同図に示すように、本実施形態にかかる画像形成装置用ベルト1は、基材2と、この基材2上に設けられる弾性層3と、この弾性層3上に設けられる離型性樹脂層4とで構成されている。
基材2はポリイミド樹脂からなる。該ポリイミド樹脂は、特に限定されるものではなく、一般に、酸無水物とジアミン化合物から合成されたポリアミド酸を熱および触媒等によってイミド化することで得られる。具体的には、前記酸無水物としては、例えば無水ピロメリット酸、オキシジフタル酸二無水物、ビフェニル−3,4,3’,4’−テトラカルボン酸二無水物、ベンゾフェノン−3,4,3’,4’−テトラカルボン酸二無水物、ジフェニルスルホン−3,4,3’,4’−テトラカルボン酸二無水物、4,4’−(2,2’−ヘキサフルオロイソプロピリジン)ジフタル酸二無水物、シクロブタン−1,2,3,4−テトラカルボン酸二無水物等の芳香族テトラカルボン酸二無水物等が挙げられ、前記ジアミン化合物としては、例えば1,4−ジアミノベンゼン、1,3−ジアミノベンゼン、2,4−ジアミノトルエン、4,4’−ジアミノジフェニルメタン、4,4’−ジアミノジフェニルエーテル、3,4’−ジアミノジフェニルエーテル、3,3’−ジメチル−4,4’−ジアミノビフェニル、2,2’−ビス(トリフルオロメチル)−4,4’−ジアミノビフェニル、3,7−ジアミノ−ジメチルジベンゾチオフェン−5,5’−ジオキシド、4,4’−ジアミノベンゾフェノン、4,4’−ビス(4-アミノフェニル)スルフィド、4,4’−ジアミノベンズアニリド、1,4−ビス(4−アミノフェノキシ)ベンゼン等の芳香族ジアミン等が挙げられ、例えば特許第2560727号公報に記載されているものが挙げられる。ポリイミド樹脂は、その構造上、高強度、高耐熱、低緩和特性等といった特性を有しており、これは精密回転が必要とされる用途に用いられるベルト材料に適している。したがって、ポリイミド樹脂を基材2に用いると、該ポリイミド樹脂が低伸張かつ高強度の張力保持体として機能し、ベルト1の精密駆動が可能になる。前記ポリイミド樹脂は熱硬化性であるのが好ましい。
ベルト1を中間転写ベルトとして用いる場合には、半導電性を付与する上で、ポリイミド樹脂に導電剤を分散させる必要がある。これは、中間転写ベルトは、その表面に静電気を使ってトナーを担持するが、この時、導電率が低いとトナーを担持させるのに充分な帯電が行われず、導電率が高いとトナーが飛散してしまうためである。このため中間転写ベルトでは、ベルト表面抵抗値を、一般に、109〜1011Ω/cm2の範囲にコントロールする必要がある。前記導電剤としては、導電性もしくは半導電性の微粉末を使用でき、具体例としては、カーボンブラック,グラファイト等の導電性炭素系物質、アルミニウム,銅合金等の金属または合金、さらには酸化錫,酸化亜鉛,酸化アンチモン,酸化インジウム,チタン酸カリウム,酸化アンチモン−酸化錫複合酸化物(ATO),酸化インジウム−酸化錫複合酸化物(ITO)等の導電性金属酸化物等が挙げられ、これらは1種または2種以上を混合して用いてもよい。
導電材の含有量としては、導電剤の種類やベルト表面抵抗値に応じて任意に選定すればよく、特に限定されるものではないが、例えばカーボンブラックの場合には、通常、ポリイミド樹脂100重量%に対して15〜20重量%程度の割合で含有するのが好ましい。
基材2の厚みは50〜200μm、好ましくは100〜150μmであるのがよい。これにより、ベルト1の剛性が高くなり、ベルト1の回転時に発生するスラスト方向の荷重に対しても強くなる。
ここで、前記ポリイミド樹脂は機械特性に優れているため、例えばベルト1を中間転写ベルトとして用いる場合には、バイアスロールで中間転写ベルトを像担持体に押圧した時に、その押圧力によるベルトの変形が小さい。そして、このような状態で、電界を作用させてトナー像を静電的に中間転写ベルトに転写すると、一次転写部においてバイアスロールによる押圧力の荷重が集中し、その結果、トナー像が凝集して電荷密度が高くなるため、トナー層内部で放電が発生してトナーの極性を変化させることがある。このような要因によって、ライン画像が中抜けするホローキャラクタの画質欠陥が発生するが、この画質欠陥を防止する対策として、基材2上に弾性層3が設けられる。すなわち、基材2上に弾性層3を設けると、ベルト1の表面が柔軟になる。また、ベルト1を定着ベルトとして用いる場合にも、以下の理由から基材2上に弾性層3を設ける必要がある。すなわち、ベルトは定着部の中でローラーと共に印刷体(例えば紙)に熱と圧力を加えてトナーを定着するために使用される。この時、ベルト表面の剛性が高すぎるとトナー粒子が押し潰され、画質の解像度が低下してしまう。この対策として、基材2上に弾性層3が設けられる。
そして、弾性層3は用途や装置に応じてその弾性率を任意に調整する必要があるが、本実施形態では、この弾性層3がイミド変性エラストマーからなる。これにより、該イミド変性エラストマー中のイミド成分の含有率を調整すると、該エラストマーの弾性率を簡単に調整することができ、弾性層3が所望の弾性率を有するようになる。該弾性率は、特に限定されるものではないが、通常、1.0×106〜6.0×107Paの範囲になるように調整される。また、イミド変性エラストマーからなる弾性層3は、ポリイミド樹脂からなる基材2との親和性に優れるので、両者が剥離することによる耐久性の低下を抑制することができる。さらに、ポリイミド樹脂からなる基材2上にイミド変性エラストマーからなる弾性層3を設けたベルト1は、例えば定着ベルト等に要求される耐熱性を備えたものになる。なお、前記弾性率は、後述するように、動的粘弾性測定装置を用いて測定して得られる50℃での貯蔵弾性率E’の値である。
前記イミド変性エラストマーとは、イミド成分を有するエラストマーのことを意味する。具体的には、該エラストマー中のエラストマー成分としては、例えばポリウレタン、不飽和オレフィン系オリゴマー、アクリル系オリゴマー、フッ素ゴム系オリゴマー、シリコーン系オリゴマー等が挙げられ、イミド成分としては、例えば脂環式モノマー、複素環式モノマー、フェニルエーテル系モノマー、アルキル側鎖モノマー等が挙げられる。
本実施形態では、上記で例示したこれらのイミド変性エラストマーのうち、ポリウレタンをエラストマー成分とするイミド変性ポリウレタンエラストマー(以下、「ポリイミドウレタンエラストマー」や「PIUE」とも言う。)が柔軟性や基材2との接着性等に優れる上で好ましく、特に、上記一般式(I)で表されるPIUE(以下、「PIUE(I)」とも言う。)が好ましい。
PIUE(I)は、ポリウレタン(ポリウレタンプレポリマー)をエラストマー成分として含有すると共に、主鎖に連続した2つのイミドユニットを、その分布を制御しつつ所望の割合(イミド分率)で導入することができるので、弾性率を簡単に調整することができ、かつ柔軟性や基材2との接着性等に優れるという効果がある。かかるPIUE(I)は文献未記載の新規化合物である。
具体的には、上記一般式(I)において前記R1は、芳香族環または脂肪族環を含む2価の有機基を示すものであり、該有機基としては、例えば後述する反応行程式(A)に従ってポリウレタンプレポリマー(c)を合成する際に用いるジイソシアナート(a)の残基等が挙げられる。
前記R2は、重量平均分子量100〜10,000、好ましくは300〜5,000の2価の有機基を示すものであり、該有機基としては、例えば反応行程式(A)に従ってポリウレタンプレポリマー(c)を合成する際に用いるポリオール(b)の残基等が挙げられる。
前記R3は、芳香族環、脂肪族環または脂肪族鎖を含む2価の有機基を示すものであり、該有機基としては、例えば後述する反応行程式(B)に従ってポリウレタン−ウレア化合物(e)を合成する際に用いるジアミン化合物(d)の残基等が挙げられる。前記脂肪族鎖は、炭素数1のものも含む。
前記R4は、4個以上の炭素を含む4価の有機基を示すものであり、該有機基としては、例えば後述する反応行程式(C)に従ってイミド変性エラストマー(I)を合成する際に用いるテトラカルボン酸二無水物(f)の残基等が挙げられる。
nは1〜100の整数、好ましくは2〜50の整数を示す。mは2〜100の整数、好ましくは2〜50の整数を示す。
前記一般式(I)で表されるPIUEの具体例としては、下記式(1)で表されるPIUE等が挙げられる。
Figure 0004485504
[式中、nは1〜100の整数を示す。mは2〜100の整数を示す。xは10〜100の整数を示す。]
前記一般式(I)で表されるPIUEは、ジイソシアナートとポリオールから得た分子両末端にイソシアネート基を有するポリウレタンプレポリマーをジアミン化合物でウレア結合により鎖延長し、テトラカルボン酸二無水物でウレア結合部にイミドユニットを導入したブロック共重合体であるのが好ましい。このようなPIUEは、例えば以下に示すような反応工程式(A)〜(C)を経て製造することができる。
[反応行程式(A)]
Figure 0004485504
[式中、R1,R2,nは、前記と同じである。]
(ポリウレタンプレポリマー(c)の合成)
上記反応行程式(A)に示すように、まず、ジイソシアナート(a)とポリオール(b)から分子両末端にイソシアナート基を有するポリウレタンプレポリマー(c)を得る。PIUE(I)は、このポリウレタンプレポリマー(c)をエラストマー成分とするので、ゴム状領域(室温付近)の弾性率が低くなり、よりエラスティックにすることができると共に、このポリウレタンプレポリマー(c)の分子量を制御することにより、主鎖に連続した2つのイミドユニットを、その分布を制御しつつ所望の割合で導入することが可能となる。
具体的には、前記ジイソシアナート(a)としては、例えば2,4−トリレンジイソシアナート(TDI)、2,6−トリレンジイソシアナート(TDI)、4,4’−ジフェニルメタンジイソシアナート(MDI)、ポリメリックMDI(Cr.MDI)、ジアニシジンジイソシアナート(DADL)、ジフェニルエーテルジイソシアナート(PEDI)、ピトリレンジイソシアナート(TODI)、ナフタレンジイソシアナート(NDI)、ヘキサメチレンジイソシアナート(HMDI)、イソホロンジイソシアナート(IPDI)、リジンジイソシアナートメチルエステル(LDI)、メタキシリレンジイソシアナート(MXDI)、2,2,4−トリメチルヘキサメチレンジイソシアナート(TMDI)、2,4,4−トリメチルヘキサメチレンジイソシアナート(TMDI)、ダイマー酸ジイソシアナート(DDI)、イソプロピリデンビス(4−シクロヘキシルイソシアナート)(IPCI)、シクロヘキシルメタンジイソシアナート(水添MDI)、メチルシクロヘキサンジイソシアナート(水添TDI)、TDI2量体(TT)が挙げられ、これらは1種または2種以上を混合して用いてもよく、減圧蒸留したものを用いるのが好ましい。
前記ポリオール(b)としては、例えばポリプロピレングリコール(PPG)、ポリオキシテトラメチレングリコール(PTMG)、ポリマーポリオール等のポリエーテルポリオール;アジペート系ポリオール(縮合ポリエステルポリオール)、ポリカプロラクトン系ポリオール、ポリカーボネートポリオール等のポリエステルポリオール;ポリブタジエンポリオール;アクリルポリオール等が挙げられ、これらは1種または2種以上を混合して用いてもよい。
ポリオール(b)は、70〜90℃、1〜5mmHg、10時間〜30時間程度の条件で減圧乾燥したものを用いるのが好ましい。また、ポリオール(b)の重量平均分子量は100〜10,000、好ましくは300〜5,000であるのが好ましい。前記重量平均分子量は、ポリオール(b)をゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)で測定し、得られた測定値をポリスチレン換算した値である。
反応は、上記で例示したジイソシアナート(a)とポリオール(b)とを所定の割合で混合した後、アルゴンガス等の不活性ガス雰囲気下、室温で1時間〜5時間程度反応させればよい。ジイソシアナート(a)とポリオール(b)との混合比(モル)は、ジイソシアナート(a):ポリオール(b)=1.1:1.0〜2.0:1.0の範囲にするのが好ましい。これにより、得られるポリウレタンプレポリマー(c)の重量平均分子量を、下記で説明する所定の値にすることができる。
得られるポリウレタンプレポリマー(c)の重量平均分子量は、300〜50,000、好ましくは500〜45,000であるのがよい。この範囲内でポリウレタンプレポリマー(c)の重量平均分子量を制御して、イミドユニットを所望の割合で導入すると、柔軟性や基材2との接着性等に優れるPIUE(I)を得ることができる。
また、ポリウレタンプレポリマー(c)の重量平均分子量が、前記範囲内において小さいほど、ハードなPIUE(I)を得ることができる。これに対し、前記分子量が300より小さいと、PIUE(I)がハードになりすぎ、50,000より大きいと、ソフトになりすぎるおそれがあるので好ましくない。前記重量平均分子量は、ポリウレタンプレポリマー(c)をゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)で測定し、得られた測定値をポリスチレン換算した値である。
[反応行程式(B)]
Figure 0004485504
[式中、R1〜R3,n,mは、前記と同じである。]
(ポリウレタン−ウレア化合物(e)の合成)
上記で得られたポリウレタンプレポリマー(c)を用いて、反応行程式(B)に従ってイミド前駆体であるポリウレタン−ウレア化合物(e)を合成する。すなわち、ポリウレタンプレポリマー(c)をジアミン化合物(d)でウレア結合により鎖延長してポリウレタン−ウレア化合物(e)を得る。
具体的には、前記ジアミン化合物(d)としては、例えば1,4−ジアミノベンゼン(別名:p−フェニレンジアミン、略称:PPD)、1,3−ジアミノベンゼン(別名:m−フェニレンジアミン、略称:MPD)、2,4−ジアミノトルエン(別名:2,4−トルエンジアミン、略称:2、4−TDA)、4,4’−ジアミノジフェニルメタン(別名:4,4’−メチレンジアニリン、略称:MDA)、4,4’−ジアミノジフェニルエーテル(別名:4,4’−オキシジアニリン、略称:ODA、DPE)、3,4’−ジアミノジフェニルエーテル(別名:3,4’−オキシジアニリン、略称:3,4’−DPE)、3,3’−ジメチル−4,4’−ジアミノビフェニル(別名:o−トリジン、略称:TB)、2,2’−ジメチル−4,4’−ジアミノビフェニル(別名:m−トリジン、略称:m−TB)、2,2’−ビス(トリフルオロメチル)−4,4’−ジアミノビフェニル(略称:TFMB)、3,7−ジアミノ−ジメチルジベンゾチオフェン−5,5−ジオキシド(別名:o−トリジンスルホン、略称:TSN)、4,4’−ジアミノベンゾフェノン、3,3’−ジアミノベンゾフェノン、4,4’−ビス(4−アミノフェニル)スルフィド(別名:4,4’−チオジアニリン、略称:ASD)、4,4’−ジアミノジフェニルスルホン(別名:4,4’−スルホニルジアニリン、略称:ASN)、4,4’−ジアミノベンズアニリド(略称:DABA)、1,n−ビス(4−アミノフェノキシ)アルカン(n=3,4,5、略称:DAnMG)、1,3−ビス(4−アミノフェノキシ)−2,2−ジメチルプロパン(略称:DANPG)、1,2−ビス[2−(4−アミノフェノキシ)エトキシ]エタン(略称:DA3EG)、9,9−ビス(4−アミノフェニル)フルオレン(略称:FDA)、5(6)−アミノ−1−(4−アミノメチル)−1,3,3−トリメチルインダン、1,4−ビス(4−アミノフェノキシ)ベンゼン(略称:TPE−Q)、1,3−ビス(4−アミノフェノキシ)ベンゼン(別名:レゾルシンオキシジアニリン、略称:TPE−R)、1,3−ビス(3−アミノフェノキシ)ベンゼン(略称:APB)、4,4’−ビス(4−アミノフェノキシ)ビフェニル(略称:BAPB)、4,4’−ビス(3−アミノフェノキシ)ビフェニル、2,2−ビス(4−アミノフェノキシフェニル)プロパン(略称:BAPP)、ビス[4−(4−アミノフェノキシ)フェニル]スルホン(略称:BAPS)、ビス[4−(3−アミノフェノキシ)フェニル]スルホン(略称:BAPS−M)、2,2−ビス[4−(4−アミノフェノキシ)フェニル]ヘキサフルオロプロパン(略称:HFBAPP)、3,3’−ジカルボキシ−4,4’−ジアミノジフェニルメタン(略称:MBAA)、4,6−ジヒドロキシ−1,3−フェニレンジアミン(別名:4,6−ジアミノレゾルシン)、3,3’−ジヒドロキシ−4,4’−ジアミノビフェニル(別名:3,3’−ジヒドロキシベンジジン、略称:HAB)、3,3’,4,4’−テトラアミノビフェニル(別名:3,3’−ジアミノベンジジン、略称:TAB)等の炭素数6〜27の芳香族ジアミン化合物;1,6−ヘキサメチレンジアミン(HMDA)、1,8−オクタメチレンジアミン(OMDA)、1,9−ノナメチレンジアミン、1,12−ドデカメチレンジアミン(DMDA)、1−アミノ−3−アミノメチル−3,5,5−トリメチルシクロヘキサン(別名:イソホロンジアミン)、4,4’−ジシクロヘキシルメタンジアミン、シクロヘキサンジアミン等の炭素数6〜24の脂肪族または脂環式ジアミン化合物;1,3−ビス(3−アミノプロピル)−1,1,3,3−テトラメチルジシロキサン等のシリコーン系ジアミン化合物等が挙げられ、これらは1種または2種以上を混合して用いてもよい。
特に、1,6−ヘキサメチレンジアミン(HMDA)を用いるのが、強度に優れるPIUE(I)を得ることができるうえで好ましい。また、上記で例示したジアミン化合物(d)の選択によっても、PIUE(I)の弾性率を調整することができる。
反応は、ウレタンプレポリマー(c)と、上記で例示したジアミン化合物(d)とを等モル、好ましくはNCO/NH2比が1.0程度の割合で混合した後、アルゴンガス等の不活性ガス雰囲気下、室温〜100℃、好ましくは50〜100℃において、2時間〜30時間程度で溶液重合反応または塊状重合反応させればよい。
前記溶液重合反応に使用できる溶媒としては、例えばN,N−ジメチルアセトアミド、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)、N−ヘキシル−2−ピロリドン、1,3−ジメチル−2−イミダゾリドン等が挙げられ、特に、N,N−ジメチルアセトアミド、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)、N−ヘキシル−2−ピロリドン、1,3−ジメチル−2−イミダゾリドンが好ましい。これらの溶媒は、1種または2種以上を混合して用いてもよく、定法に従い脱水処理したものを用いるのが好ましい。
[反応行程式(C)]
Figure 0004485504
[式中、R1〜R4,n,mは、前記と同じである。]
(PIUE(I)の合成)
上記で得られたポリウレタン−ウレア化合物(e)を用いて、反応行程式(C)に従って一般式(I)で表されるPIUEを合成する。すなわち、テトラカルボン酸二無水物(f)でウレア結合部にイミドユニットを導入してブロック共重合体であるPIUE(I)を得る。
具体的には、前記テトラカルボン酸二無水物(f)としては、例えば無水ピロメリット酸(PMDA)、オキシジフタル酸二無水物(ODPA)、ビフェニル−3,4,3’,4’−テトラカルボン酸二無水物(BPDA)、ベンゾフェノン−3,4,3’,4’−テトラカルボン酸二無水物(BTDA)、ジフェニルスルホン−3,4,3’,4’−テトラカルボン酸二無水物(DSDA)、4,4’−(2,2−ヘキサフルオロイソプロピリデン)ジフタル酸二無水物(6FDA)、m(p)−ターフェニル−3,4,3’,4’−テトラカルボン酸二無水物、シクロブタン−1,2,3,4−テトラカルボン酸二無水物、1−カルボキシメチル−2,3,5−シクロペンタントリカルボン酸−2,6:3,5−二無水物等が挙げられ、これらは1種または2種以上を混合して用いてもよい。
反応は、ポリウレタン−ウレア化合物(e)とテトラカルボン酸二無水物(f)とのイミド化反応である。該イミド化反応は、溶媒下、無溶媒下のいずれであってもよい。溶媒下でイミド化反応を行う場合には、まず、ポリウレタン−ウレア化合物(e)と、上記で例示したテトラカルボン酸二無水物(f)とを所定の割合で溶媒に加え、アルゴンガス等の不活性ガス雰囲気下、100〜300℃、好ましくは135〜200℃、より好ましくは150〜170℃において、1時間〜10時間程度反応させて、下記式(g)で表されるポリウレタンアミド酸(PUA)を含む溶液(PUA溶液)を得る。
Figure 0004485504
[式中、R1〜R4,n,mは、前記と同じである。]
ここで、ポリウレタン−ウレア化合物(e)とテトラカルボン酸二無水物(f)との混合は、ポリウレタン−ウレア化合物(e)の合成で使用したジアミン化合物(d)とテトラカルボン酸二無水物(f)との混合比(モル)が、ジアミン化合物(d):テトラカルボン酸二無水物(f)=1:2〜1:2.02の範囲となる割合で混合するのが好ましい。これにより、確実にウレア結合部にイミドユニットを導入することができる。
使用できる溶媒としては、上記反応行程式(B)の溶液重合反応に使用できる溶媒で例示したものと同じ溶媒を例示することができる。なお、反応行程式(B)において溶液重合反応でポリウレタン−ウレア化合物(e)を得た場合には、該溶媒中でイミド化反応を行えばよい。
ついで、上記で得たPUA溶液を例えば円筒金型に注入して、100〜300℃、好ましくは135〜200℃、より好ましくは150〜170℃において、100〜2,000rpm、30分〜2時間程度で円筒金型を回転させながら、遠心成形によりPUAをフィルム状に成膜する。
ついで、フィルム状のPUAを加熱処理(脱水縮合反応)することにより、フィルム状の一般式(I)で表されるPIUEを得ることができる。加熱処理は、PUAが熱分解しない条件であるのが好ましく、例えば減圧条件下において150〜450℃、好ましくは150〜250℃、1時間〜5時間程度であるのがよい。
一方、無溶媒下でイミド化反応を行う場合には、通常の攪拌槽型反応器の他、排気系を有する加熱手段を備えた押出機の中でも行うことができるので、得られるPIUE(I)を押し出して、そのままフィルム状に成形することができる。
上記のようにして得られるPIUE(I)は、ガラス転移温度(Tg)が、通常、−30〜−60℃であると共に、高い弾性を有し、かつゴム状弾性領域の温度範囲が広いものになる。この理由として、以下の理由が推察される。すなわち、上記で説明した通り、PIUE(I)は、主鎖に連続した2つのイミドユニットを、その分布を制御しつつ所望の割合(イミド分率)で導入することができるので、このイミドユニットからなるハードセグメントの凝集が均一かつ強固なものになる。このため、PIUE(I)は、より均一かつ強固なミクロ相分離構造を形成し、ガラス転移温度が低くなることで、ゴム状弾性領域の温度範囲が広くなる。
PIUE(I)の重量平均分子量は10,000〜1000,000、好ましくは50,000〜800,000、より好ましくは50,000〜500,000であるのがよい。前記重量平均分子量は、上記式(g)で表されるポリウレタンアミド酸(PUA)を含むPUA溶液をゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)で測定し、得られた測定値をポリスチレン換算した値から導き出した値である。なお、PIUE(I)ではなく、PUA溶液をGPCで測定するのは、PIUE(I)は、GPCの測定溶媒に不溶なためである。
また、PIUE(I)のイミド分率(イミド成分含有率)、すなわちイミド変性エラストマー中のイミド成分の割合を調整すると、弾性率を簡単に調整することができる。イミド分率は、弾性率等に応じて任意に選定すればよく、特に限定されるものではないが、通常、25重量%以下、好ましくは15重量%以下であるのがよく、下限値としては、通常、5重量%以上が妥当である。前記イミド分率は、原料、すなわちジイソシアナート(a)、ポリオール(b)、ジアミン化合物(d)およびテトラカルボン酸二無水物(f)の仕込み量から算出される値であり、より具体的には、下記式(α)から算出される値である。
Figure 0004485504
弾性層3の厚みは50〜1,000μm、好ましくは100〜200μmであるのがよい。これにより、例えばトナーの転写効果等が優れたものになる。これに対し、弾性層3の厚みが50μmより薄いと、弾性層3に要求される柔軟性が低下し、1,000μmより大きいと、ベルトの総厚みが増して屈曲性などに悪影響を及ぼすので好ましくない。
離型性樹脂層4は、ベルト1に表面性やトナーの離型性等を付与するためのものである。本実施形態にかかる離型性樹脂層4としては、離型性、耐熱性および屈曲耐性等の上で、フッ素樹脂等が好ましく、該フッ素樹脂としては、例えばテトラフルオロエチレン樹脂(PTFE)、テトラフルオロエチレン/パーフルオロアルコキシエチレン共重合体(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)等が挙げられ、これらは1種または2種以上を混合して用いてもよい。このような離型性樹脂層4を弾性層3上に設けると、シリコーンオイル等を使用しなくてもトナーの離型性が得られると共に、紙粉固着防止効果等が得られ、オイルレス化を図ることができる。
離型性樹脂層4は、トナーおよび紙粉の離型性等を確保し、かつ弾性層3の柔軟性を損なわないような厚さで弾性層3上に設けるのが好ましい。具体的な離型性樹脂層4の厚みとしては5〜50μm、好ましくは10〜30μmであるのがよい。これに対し、離型性樹脂層4の厚みが5μmより薄いと、十分な離型性が得られず耐久性にも劣り、50μmより大きいと、弾性層3の柔軟性を損なうおそれがある。
また、離型性樹脂層4に、上記で説明した導電剤を分散させて、帯電によるオフセット等を防止するようにしてもよい。
<製造方法>
ついで、上記で説明した画像形成装置用ベルト1の製造方法の一実施形態について説明する。なお、ベルト1はシームレスベルトとして中間転写ベルトや定着ベルトに用いると、本発明の有用性が増す上で好ましい。したがって、シームレスなベルト1の製造方法の一実施形態について、弾性層3を構成するイミド変性エラストマーにPIUE(I)を用いた場合について説明する。
シームレスなベルト1は、例えば遠心成形法により得ることができる。すなわち、まず、ポリイミド樹脂の前駆体であるポリアミド酸のワニス(ポリイミドワニス)と、上記で説明したPUA溶液とを調製する。ポリイミドワニスは、特に限定されるものではなく、ポリアミド酸を適当な溶剤に加えてワニス化したものの他、市販のものを用いてもよく、具体例としては、宇部興産(株)社製の商品名「UワニスA」等が挙げられる。
なお、ベルトを中間転写ベルトとして用いる場合には、前記ポリイミドワニスに導電性を付与させる上で導電剤を配合する必要がある。具体的には、導電材として例えばカーボンブラックを配合する場合には、カーボンブラックをポリイミド樹脂100重量部に対して10〜30重量部、好ましくは20重量部程度加えた後、攪拌機で30分〜2時間、好ましくは1時間程度攪拌し、脱泡処理を行って遠心成形用のワニス溶液を調整する。該ワニス溶液の固形分量としては、10〜30重量%、好ましくは15〜25重量%、より好ましくは18重量%程度であるのがよい。なお、前記カーボンブラックとしては、例えば東海カーボン社製の商品名「トーカブラック#5500F」等が挙げられる。
PUA溶液は、固形分量を10〜30重量%、好ましくは20重量%程度に調製するのが好ましい。
ベルト成形では、まず、上記PUA溶液を、110〜130℃、好ましくは120℃程度に加熱した遠心成形機に注入する。なお、遠心成形機ドラム内面には離型処理を施す、離経剤を塗布する、あるいは樹脂で離形性を持った層を形成するなどしておくのが、下記のようにして得られる積層フィルムを遠心成型機から簡単に取り外すことができる上で好ましい。
ついで、この遠心成形機ドラムを、400〜600rpm、好ましくは500rpm程度で回転させながらPUA溶液を投入し、該PUA溶液を充分にドラム全体に延伸させる。その後、回転数を900〜1,100rpm、好ましくは1,000rpm程度に上げ、20〜40分間、好ましくは30分間程度で熱処理をした後、50〜70℃、好ましくは60℃程度にまで冷却してドラム内面にPUAフィルムを形成する。
ついで、ドラムを400〜600rpm、好ましくは500rpm程度で回転させながら、上記で調製したポリイミドワニスを上記PUAフィルム内面に注入し、その後回転数を50〜200rpm、好ましくは100rpm程度で回転させると共に、110〜130℃、好ましくは120℃程度に加熱し、30〜60分間、好ましくは45分間程度で熱処理を行ことで積層フィルム(基材2、弾性層3)を形成する。
室温まで冷却した後、ドラムから積層フィルムを取り外し、収縮による変形を防ぐため、表面離型処理を施した金型にセットし、表面にフッ素樹脂等をコーティングして離型樹脂層4を形成した後、減圧条件下で300〜400℃、好ましくは350℃程度で20〜40分間、好ましくは30分間程度で熱処理を行う。ついで、得られたフィルムを適切な大きさにスリットすることで、シームレスなベルト1を得る。
なお、上記で説明した実施形態では、効率よくシームレスなベルト1を得る上で、遠心成形により連続して基材2、弾性層3を得る場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、例えば上記で説明した遠心成形の条件で、円筒状のシームレスな基材2,弾性層3をそれぞれ調製すると共に、押出成形法等で円筒状のシームレスな離型性樹脂層4を調製し、これらを1液性または2液性のシリコーン系弾性接着剤、ウレタン系弾性接着剤、シート状ホットメルト型のシリコーン系接着剤,シラン変性ポリイミド系接着剤等や、加熱加圧等で一体化することにより、シームレスなベルト1を得てもよい。
上記のようにして得たシームレスなベルト1を中間転写ベルトとして用いる場合には、総厚み100〜150μmとするのが好ましく、定着ベルトとして用いる場合には、総厚み200〜300μmとするのが好ましい。
一方、ベルト1の総厚みが前記したこれらの厚みよりも薄いと、中間転写ベルトや定着ベルトとして必要な機械特性を満足させることが困難である。また、これらの厚みよりも大きいと、ロール屈曲部での変形によって、ベルト表面の応力が集中して、離型性樹脂層4にクラックが発生する等の問題が生じる場合がある。
以下、合成例および実施例を挙げて本発明を詳細に説明するが、本発明は以下の合成例および実施例のみに限定されるものではない。
以下の2種類のPIUE(1),(2)を合成した。
<合成例1>
PIUE(1)の合成方法について、下記式に基づいて説明する。
Figure 0004485504
[式中、nは1〜100の整数を示す。mは2〜100の整数を示す。xは5〜100の整数を示す。]
(ポリウレタンプレポリマー(j)の合成)
まず、4,4’−ジフェニルメタンジイソシアナート(MDI)(h)[日本ポリウレタン工業(株)社製]を減圧蒸留した。また、ポリオキシテトラメチレングリコール(PTMG)(i)[保土谷化学(株)社製の商品名「PTMG1000」、重量平均分子量:1,000]を80℃、2〜3mmHg、24時間の条件で減圧乾燥した。
ついで、上記MDI(h)23.8gと、PTMG(i)76.2gとを、攪拌機およびガス導入管を備えた500mlの四つ口セパラブルフラスコにそれぞれ加え、アルゴン雰囲気下、80℃で2時間攪拌して、分子両末端にイソシアナート基を有するポリウレタンプレポリマー(j)を得た。このポリウレタンプレポリマー(j)をGPCで測定した結果、ポリスチレン換算した値で重量平均分子量は4.6×104であった。
(ポリウレタン−ウレア化合物(l)の合成)
上記で得たポリウレタンプレポリマー(j)10gを脱水処理したN−メチル−2−ピロリドン(NMP)60mlに溶解させたものと、4,4’−ジアミノジフェニルメタン(MDA)(k)0.378gを脱水処理したNMP20mlに溶解させたものとを、攪拌機およびガス導入管を備えた500mlの四つ口セパラブルフラスコにそれぞれ加え、アルゴン雰囲気下、室温(23℃)で24時間攪拌して、ポリウレタン−ウレア化合物(l)の溶液を得た。
(PIUE(1)の合成)
上記で得たポリウレタン−ウレア化合物(l)の溶液中に、無水ピロメリット酸(PMDA)(m)0.831gを加え、アルゴンガス雰囲気下、150℃で2時間攪拌して、ポリウレタンアミド酸(PUA)溶液を得た。ついで、該PUA溶液を遠心成形機に流し込み、150℃で1,000rpm、1時間遠心成形してPUAシートを得た。このPUAシートを減圧デシケータ内で200℃、2時間加熱処理(脱水縮合反応)して、厚さ100μmのシート状のPIUE(1)を得た(イミド分率:15重量%)。なお、前記イミド分率は、前記式(α)から算出して得た値である。
得られたPIUE(1)について、KBr法にてIRスペクトルを測定した。その結果を図2に示す。
図2から明らかなように、1780cm-1、1720cm-1および1380cm-1にイミド環に由来する吸収が観察された。
<合成例2>
MDI(h)23.8gを27.3gにし、PTMG(i)76.2gを72.7gにした以外は、上記合成例1と同様にして、重量平均分子量が2.5×104のポリウレタンプレポリマー(j)を得た。ついで、MDA(k)0.378gを0.721gにした以外は、上記合成例1と同様にして、ポリウレタン−ウレア化合物(l)の溶液を得た。
このポリウレタン−ウレア化合物(l)の溶液中に加えるPMDA(m)0.831gを1.586gにした以外は、上記合成例1と同様にしてシート状のPIUE(2)を得た(イミド分率:25重量%)。得られたPIUE(2)について、上記合成例1と同様にしてIRスペクトルを測定した。その結果を図3に示す。
図3から明らかなように、1780cm-1、1720cm-1および1380cm-1にイミド環に由来する吸収が観察された。
上記で得たPIUE(1),(2)について、弾性率を測定した。その測定方法を以下に示すと共に、結果を表1に示す。
(弾性率の測定方法)
セイコーインスツルメンツ社(Seiko Instruments Inc.)製の動的粘弾性測定装置「DMS 6100」を用いて、10Hz、5℃/分、−100〜400℃の昇温過程にて、50℃での貯蔵弾性率E’を測定した、
Figure 0004485504
表1から明らかなように、イミド分率を調整すると弾性率を調整できるのがわかる。したがって、この結果から、弾性層の弾性率を簡単に適切な弾性率に調整することができるのがわかる。
上記合成例1,2で得たPIUE(1),(2)のうち、PIUE(1)(イミド分率15重量%・弾性率2.4×107Pa)を使用して画像形成装置用ベルトを作製し、基材と弾性層との剥離強度を測定した。
<画像形成装置用ベルトの作製>
まず、上記合成例1で得たPIUE溶液(すなわち合成例1において脱水縮合反応させる前のPUA溶液)を遠心成形機を用いて120℃で30分処理して厚さ100μmのPIUEフィルムを得た。ついで、このPIUEフィルム内面に宇部興産(株)社製の商品名「UワニスA」を注入し、120℃で45分間熱処理して積層フィルムを得た。
ついで、この積層フィルムをドラムから取り外し、金型にはめて350℃で30分熱処理を行い、片面がポリイミド、他面がイミド変性ポリウレタンエラストマーの構造、すなわちポリイミド樹脂からなる基材と、この基材上に設けられるPIUE(1)からなる弾性層とで構成されたシームレスな画像形成装置用ベルトを得た。
上記で得た画像形成装置用ベルトについて、剥離強度の測定を行った。その測定方法を以下に示すと共に、結果を表2に示す。
<剥離強度の測定>
上記で得た画像形成装置用ベルトを10mm幅の短冊状に打ち抜き、島津製作所製の引っ張り試験機「AG−2000G」を使用して、基材と弾性層との剥離強度を測定した。なお、引っ張り速度は50mm/分とした。
[比較例1]
まず、宇部興産(株)社製の商品名「UワニスA」を、遠心成形機を用いて120℃で45分間熱処理することで厚さ100μmのフィルムを得た。ついで、このフィルム内面に信越シリコーン社製の2液硬化型シリコーンゴム「KE1300」を注入し、120℃で3時間熱処理して積層フィルムを作製した。その後、このフィルムをドラムから取り外し、金型にはめて350℃で30分熱処理を行い、片面がポリイミド、他面がシリコーンゴムの構造、すなわちポリイミド樹脂からなる基材と、この基材上に設けられるシリコーンゴムからなる弾性層とで構成されたシームレスな画像形成装置用ベルトを得た。
上記で得た画像形成装置用ベルトについて、上記実施例1と同様にして剥離強度の測定を行った。その結果を表2に示す。
[比較例2]
まず、宇部興産(株)社製の商品名「UワニスA」を、遠心成形機を用いて120℃で45分間熱処理することで厚さ100μmのフィルムを得た。ついで、このフィルム内面に東レ・ダウコーニング社製の1液硬化型シリコーンゴム「SE5060」を注入し、60℃で3時間熱処理して積層フィルムを作製した。その後、この積層フィルムをドラムから取り外し、金型にはめて350℃で30分熱処理を行い、片面がポリイミド、他面がシリコーンゴムの構造、すなわちポリイミド樹脂からなる基材と、この基材上に設けられるシリコーンゴムからなる弾性層とで構成されたシームレスな画像形成装置用ベルトを得た。
上記で得た画像形成装置用ベルトについて、上記実施例1と同様にして剥離強度の測定を行った。その結果を表2に示す。
Figure 0004485504
表2から明らかなように、基材がポリイミド樹脂からなり、弾性層がイミド変性ポリウレタンエラストマーからなる実施例1の画像形成装置用ベルトは、基材と弾性層との剥離強度が、基材がポリイミド樹脂からなり、弾性層がシリコーンゴムからなる比較例1,2の画像形成装置用ベルトよりも高いのがわかる。この結果から、弾性層がイミド成分を有するイミド変性エラストマーからなると、ポリイミド樹脂からなる基材との親和性が高まるので、両者が剥離することによる耐久性の低下を抑制することができると言える。
本発明の一実施形態にかかる画像形成装置用ベルトを示す拡大概略断面図である。 合成例1で得たPIUE(1)のIRスペクトルである。 合成例2で得たPIUE(2)のIRスペクトルである。
符号の説明
1 画像形成装置用ベルト
2 基材
3 弾性層
4 離型性樹脂層

Claims (5)

  1. ポリイミド樹脂からなる基材上に少なくとも弾性層が設けられた画像形成装置用ベルトであって、前記弾性層が下記一般式(I)で表されるイミド変性ポリウレタンエラストマーからなることを特徴とする画像形成装置用ベルト。
    Figure 0004485504
    [式中、R 1 は、芳香族環または脂肪族環を含む2価の有機基を示す。R 2 は、重量平均分子量100〜10,000の2価の有機基を示す。R 3 は、芳香族環、脂肪族環または脂肪族鎖を含む2価の有機基を示す。R 4 は、4個以上の炭素を含む4価の有機基を示す。nは1〜100の整数を示す。mは2〜100の整数を示す。]
  2. 前記イミド変性ポリウレタンエラストマーの50℃での貯蔵弾性率E’が1.0×106〜6.0×107Paである請求項1記載の画像形成装置用ベルト。
  3. 前記弾性層上に離型性樹脂層を設けた請求項1または2記載の画像形成装置用ベルト。
  4. 中間転写ベルトである請求項1〜のいずれかに記載の画像形成装置用ベルト。
  5. 定着ベルトである請求項1〜のいずれかに記載の画像形成装置用ベルト。
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