JP5928706B2 - 定着加圧ロールの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、シリコーンエラストマー多孔質体などのエラストマー多孔質体からなる弾性層を具備する定着加圧ロールに関し、定着部の定着ロール、加圧ロールなどとして用いて有用なものである。

プリンター、複写機等の電子写真画像形成装置では、未定着トナーを定着する定着部において、定着ロール、加圧ロールなどが使用されている。このような定着部の定着ロールや加圧ロールは押圧されてニップ部を形成した状態で高温環境下で回転駆動される。また、このような定着加圧ロールには、加熱するエネルギーを低減するために低熱容量化が求められ、多孔質化する手法が知られている。

そこで、従来、発泡剤で発泡させた発泡シリコーンゴムからなる弾性層が用いられるが、セル径やセル間の壁厚が不均一であるためか、圧縮時の応力集中によりセルの破壊が生じ、これによりニップ部の面圧が低下し、定着不良などが生じるという問題があった。

そこで、硬化してエラストマーを生成する液状ゴム材を連続相とするエマルジョン組成物を経由して製造される、均一な球形のセルを有するエラストマー多孔質体が注目されている（特許文献１など参照）。

しかしながら、このようなエラストマー多孔質体をシランカップリング剤で芯金との接着を行い、弾性層とした定着ロールや加圧ロールを定着部に適用すると、加圧時のせん断応力により芯金近傍の弾性層に破壊が生じ、駆動力などの伝達機能が喪失するという問題が生じた。

特許第４６３８７１４号公報

本発明は、このような事情に鑑み、エマルジョンを経由して製造される多孔質体からなる弾性層を用い、耐久性を向上させた定着加圧ロールを提供することを目的とする。

前記目的を達成する本発明の第１の態様は、芯体と、この芯体の周囲に設けられた厚さ０．００５ｍｍ〜１．０ｍｍのゴム層と、このゴム層の周囲に設けられた、液状ゴム材を連続相とするエマルジョン組成物の硬化物であるエラストマー多孔質体からなる弾性層とを具備することを特徴とする定着加圧ロールにある。

本発明の第２の態様は、前記液状ゴム材が液状シリコーンゴム材であることを特徴とする請求項１に記載の定着加圧ロールにある。

本発明の第３の態様は、前記エマルジョン組成物がＷ／Ｏ型エマルジョンからなることを特徴とする請求項１又は２に記載の定着加圧ロールにある。

本発明によれば、実質的に真球状の微細なセルを有して耐久性に優れたエラストマー多孔質体を弾性層とし、芯体近傍での剥離や破壊を防止した定着加圧ロールを提供することができる。

一実施形態の定着加圧ロールの縦断面図及び横断面図である。 一実施形態の定着加圧ロールの製造工程を示す図である。 本発明の定着加圧ロールの使用例を示す図である。 本発明の定着加圧ロールの使用例を示す図である。 本発明の定着加圧ロールの使用例を示す図である。

本発明で採用するエラストマー多孔質体は、エラストマーで作られた母体（マトリックス）とこの母体中に分散・分布し且つ実質的に真球状の微細なセルを多数含むものである。

ここで、マトリックスを構成するエラストマーとしては、シリコーン、ウレタン、クロロプレン、エチレンプロピレン共重合体（ＥＰＭ）、エチレンプロピレン三元重合体（ＥＰＤＭ）、スチレンゴム（ＳＢＲ）、ニトリルゴム（ＮＢＲ）、ポリエステル系エラストマー、及びポリエーテル系エラストマー、ポリオレフィン系エラストマー、エピクロルヒドリン系ゴムなどを挙げることができるが、定着加圧ロールとしての耐熱性等を考慮すると、シリコーンゴムが好ましい。

すなわち、本発明で用いるエラストマー多孔質体は、エラストマーを生成する液状ゴム材を連続相とするエマルジョン組成物を経由して、具体的には、エマルジョン組成物の連続相である液状ゴムを、エマルジョン状態を保持したまま硬化してエラストマーマトリックスとした後、分散相を除去してセルを形成したものであり、各セルは真球状でそれぞれが実質的に独立して存在する。

さらに、本発明で用いるエラストマー組成物は、非常に微細なセルを多数且つ緻密に有するものである。従って、従来の化学発泡などによる多孔質体で、空隙率が同程度のものと比較すると、単位面積当たりのセルの数が大きく異なる。本発明で用いるエラストマー多孔質体は、空隙率は例えば３０％以上、好ましくは４０％以上であり、一平方ｍｍ当たりのセルの数が２００以上、好ましくは１０００以上、さらに好ましくは２０００以上である。

このように、本発明で用いるエラストマー多孔質体はエマルジョン組成物を経由して形成されたものであるが、エマルジョン組成物に抱き込まれた気泡に起因するセルを排除することにより、さらに実質的に真球状のセルのみを有するエラストマー多孔質体となる。このような観点から、エマルジョン組成物を調製する際に、好ましくは減圧状態とすることにより、エマルジョン組成物に含有される気泡を除去することにより、分散相が除去されて形成されるセルのみを有する多孔質体となり、さらに実質的に真球状のセルを有するものとなる。

ここで、本発明の定着加圧ロールの一例の縦断面及び横断面を図１に示す。図１に示すように、本発明の定着加圧ロール１０は、金属製の芯体（芯金）１１と、芯体１１の周囲に設けられたゴム層１２と、このゴム層１２上に設けられた上述したこのようなエラストマー多孔質体からなる弾性層１３とを具備するものである。

弾性層１３は、図２に示すように、金型２１内に、ゴム層１２を設けた芯体１１をセットし、周囲に、エラストマー多孔質体の前駆体（エマルジョン組成物）１３Ａを注入し、エマルジョン組成物の成分を揮発させない状態で一次加熱を行って硬化を行い、その後、二次加熱を行って脱液処理をしながら完全に硬化させるようにして形成される。これにより、ゴム層１２と良好に密着して接着された弾性層１３が形成される。

ここで、ゴム層１２は、発泡していないゴム層であり、弾性層１３との接着剤の機能を果たすものである。よって、エラストマー多孔質体を構成するゴム材と同種のゴムで、好ましくは接着剤としての機能を有しているものが好ましい。よって、エラストマー多孔質体がシリコーンゴムからなる場合には、液状シリコーンゴム、又はシリコーンゴム系の接着剤で形成するのが好ましい。勿論、ゴム層１２と弾性層１３とを異種材料で形成してもよい。

ゴム層１２は、できるだけ薄く設けるのが好ましく、１．０ｍｍ以下、好ましくは、０．５ｍｍ以下の厚さとする。また、ゴム層１２は、下地である芯体１１の影響を、特に金属製とした場合の芯体１１の影響を排除できる厚さを有している必要があり、このような観点から０．００１ｍｍ以上、好ましくは、０．００５ｍｍ以上の厚さとするのがよい。

また、ゴム層１２の厚さをＴ１、弾性層１３の厚さＴ２とした場合、両者の比（Ｔ１／Ｔ２）が０．０００１〜０．２５、好ましくは０．００２〜０．１５とするのが好ましい。これは、ゴム層１２が、エラストマー多孔質体からなる弾性層１３を前駆体から形成する際に、芯体１１表面の極性基などの影響を排除し、前駆体であるエマルジョン組成物のエマルジョンがエラストマー多孔質体になる過程で安定して存在し、加熱硬化後の弾性層１３において、ゴム層１２近傍と弾性層１３表面とのセル形状ができるだけ均一になることができる。

これは、金属製芯体表面に接着層としてシランカップリング剤を１μｍ〜１０μｍの厚さになるように塗布しても、金属面の露出を完全になくす事が出来ず、芯体近傍に配置されたエマルジョン組成物の構造を破壊する可能性がある。また、露出を抑えるために厚さを５０〜１００μｍ程度になるように塗布した場合においては、圧縮時のせん断応力により接着層内で破壊が生じてしまうという知見に基づき、ゴム層１２と弾性層１３の厚さを変化させて形成した弾性層１３の厚さ方向のセルの均一性を種々観察した結果、導き出されたものであり、この結果、両者の比（Ｔ１／Ｔ２）が０．０００１〜０．２５、好ましくは０．００２〜０．１５とするのが好ましいことがわかっている。

また、ゴム層１２は、弾性層１３を設ける前には完全には硬化させない状態とし、弾性層１３の二次加熱の際にゴム層１２を同時に完全に硬化するようにするのが好ましい。これにより、ゴム層１２と弾性層１３との密着性をさらに向上させることができる。しかしながら、ゴム層１２は、金型で弾性層１３を成形する際には、形状を保っておく必要があるので、液状シリコーンゴムの場合には、架橋密度や架橋度などの反応率を６０％以上、８０％以下程度にしておくのが好ましい。勿論、弾性層１３を完全に硬化させた後、プライマーや接着剤を塗布した後、弾性層１３を設けてもよい。

なお、弾性層１３の表面には、必要に応じて、ＰＦＡなどのフッ素系樹脂やシリコーンゴムなどからなるチューブやコーティング層を設けてもよい。また、チューブを設ける場合には、弾性層１３の上に被せてもよいが、上述した製造過程で金型２１内に配置してゴム層１２とチューブとの間に弾性層１３を形成するようにしてもよい。

ここで、本発明で用いるエラストマー多孔質体及びその製造方法について、シリコーンエラストマー多孔質体を例にとりながらさらに説明する。

シリコーンエラストマー多孔質体は、基本的に、硬化してシリコーンエラストマーを生成する液状シリコーンゴム材、および分散相として水又はアルコールなどの水系溶媒を含有した水を含有する油中水型エマルジョンから製造することができる。この際、液状シリコーンゴム材が好ましくは低い粘度を有する液状シリコーンゴム材と水を減圧下で十分に攪拌し、エマルジョンを生成させ、その後すぐに加熱して硬化させることができる。しかしながら、本発明のシリコーンエラストマー多孔質体は、硬化してシリコーンエラストマーを生成する液状シリコーンゴム材および水とともに、界面活性作用を有するシリコーンオイル材を含有する油中水型エマルジョンを減圧下で製造し、これを経由して好適に製造することができる。

液状シリコーンゴム材は、加熱により硬化してシリコーンエラストマーを生成するものであれば特に制限はないが、いわゆる付加反応硬化型液状シリコーンゴムを使用することが好ましい。

ここで、液状ゴム材をシリコーン以外とする場合には、液状ゴム材を連続相とすると共に、連続相と相分離する溶媒を分散相とし、必要に応じて界面活性剤や界面活性作用を有する物質を添加してエマルジョンとしたものをエマルジョン組成物とすればよい。

また、エラストマー多孔質体は、上述したように実質的に真球状のセルを有するが、これを製造するためには、減圧下でエマルジョン組成物を調製する必要がある。ここで、減圧下でエマルジョン組成物を調製するとは、原料を混合攪拌してエマルジョンとするプロセスを減圧下で行うことであり、調製した後のエマルジョン組成物を減圧状態として脱気する工程を付与しても不十分である。

液状シリコーンゴム材は、市販されているものを用いることができる。例えば、付加反応硬化型液状シリコーンゴムは、それを構成する不飽和脂肪族基を有するポリシロキサンと活性水素含有ポリシロキサンとは別々のパッケージで提供され、以後詳述する両者の硬化に必要な硬化触媒は、不飽和脂肪族基を有するポリシロキサンに添加されている。いうまでもなく、液状シリコーンゴム材は、２種類以上を併用して用いることができる。

界面活性作用を有するシリコーンオイル材は、エマルジョン中に水を安定に分散させるための分散安定剤として作用するものである。すなわち、この界面活性作用を有するシリコーンオイル材は、水に対し親和性を示すとともに、液状シリコーンゴム材に対しても親和性を示すものである。

水は、いうまでもなく、上記油中水型エマルジョン中において、粒子（水滴）の形態で不連続相（分散相）として分散して存在する。後に詳述するように、この水粒子の粒径が、本発明のシリコーンエラストマー多孔質体のセル（気泡）の径を実質的に決定する。

上記油中水型エマルジョンにおいて、液状シリコーンゴム材１００重量部に対し、界面活性作用を有するシリコーンオイル材を０．２〜１０重量部の割合で、水を１０〜２５０重量部の割合で使用することが、水分散安定性に特に優れたエマルジョンを得る上で好ましい。そのような水分散安定性に優れたエマルジョンを使用することにより、良好な多孔質体をより一層安定に製造することができる。また、界面活性作用を有するシリコーンオイル材は二種以上併用してもよいことはいうまでもない。

ここで、液状ゴム材がシリコーン以外とする場合には、エマルジョン組成物は、液状ゴム材を連続相として連続相と相分離する溶媒を分散相とし、必要に応じて界面活性剤や界面活性作用を有する物質を添加してエマルジョンとしたものをエマルジョン組成物とすればよい。

また、エラストマー多孔質体は、その用途に応じて、種々の添加剤を含有することができる。そのような添加剤としては、着色料（顔料、染料）、導電性付与材（カーボンブラック、金属粉末等）、充填材（シリカ等）を例示することができる。

本発明で用いるエマルジョン組成物は、種々の方法により製造することができる。シリコーンエラストマーを含有する油中水型エマルジョン組成物を例とすると、一般的には、液状シリコーンゴム材、界面活性作用を有するシリコーンオイル材、および水を、必要に応じてさらなる添加剤とともに、減圧下で混合し、十分に撹拌することによって製造される。ここで、減圧条件は、例えば、−３０ｋＰａ以下、好ましくは−６０ｋＰａ以下である。また、減圧下で混合・攪拌するかわりに、各原料を予め脱気した後、空気などの気体に接触しない状態で攪拌してエマルジョンとしてもよい。

エマルジョン組成物を用いてエラストマー多孔質体を製造するためには、必要に応じて硬化触媒の存在下に、エマルジョン組成物の成分を揮発させない状態で一次加熱を行って硬化を行い、その後、二次加熱を行って脱液処理をしながら完全に硬化させるようにする。

シリコーンエラストマー多孔質体を製造するには、エマルジョン組成物を、まず一次加熱する。一次加熱では、エマルジョン中の水を揮発させることなく、液状シリコーンゴム材を加熱硬化させるために、１３０℃以下の加熱温度を用いることが好ましい。一次加熱の際の加熱温度は、通常、８０℃以上であり、加熱時間は、通常、５分〜６０分程度である。この一次加熱により、液状シリコーンゴム材が硬化し、エマルジョン中の水粒子をエマルジョン中の状態のまま閉じ込める。硬化したシリコーンゴムは、以下述べる二次加熱による水分の蒸発の際の膨張力に耐える程度までに硬化する。水粒子を閉じ込めた硬化シリコーンゴムから水分を除去するために、二次加熱を行う。この二次加熱は、７０℃〜３００℃の温度で行うことが好ましい。加熱温度が７０℃未満では水の除去に長時間を要し、加熱温度が３００℃を超えると、硬化したシリコーンゴムが劣化し得る。７０℃〜３００℃の加熱では、１時間〜２４時間で水分は揮発除去される。二次加熱により水分が揮発除去されるとともに、シリコーンゴム材の最終的な硬化も達成される。揮発除去された水分は、硬化したシリコーンゴム材（シリコーンエラストマー）中に、水粒子の粒径にほぼ等しい径を有するセルを残す。

このように、本発明で用いるエラストマー多孔質体は、化学発泡などの発泡現象を伴うことなくエマルジョン組成物から製造することができる。エマルジョン組成物中の水粒子などの分散相は、一次加熱により硬化したエラストマーに閉じ込められ、二次加熱の際には、単に揮発するだけである。

ここで、以上説明した定着加圧ロール１０の使用態様を以下に例示する。

図３（ａ）は、ヒータを内蔵する押圧部材３１を内部に具備する定着用ベルト３２に押圧された状態で使用される加圧ロール１０Ａとして本発明の定着加圧ロールを使用した例である。

図３（ｂ）は、押圧部材３３とは別にヒータ３４を内蔵する定着用ベルト３２に押圧された状態で使用される加圧ロール１０Ｂとして本発明の定着加圧ロールを使用した例である。

図４（ａ）は、定着用ベルト３２の内側に、ヒータを内蔵する定着ロール１０Ｃを配置した例であり、このような定着ロール１０Ｃとしても本発明の定着加圧ロールが使用できる。また、定着用ベルト３２を介して定着ロール１０Ｃに押圧される加圧ロール１０Ｄとしても本発明の定着加圧ロールを使用できる。

図４（ｂ）は、定着用ベルト３２の内側にインナーロール１０Ｅとヒータ３５を内蔵するハロゲンヒータ３６とを配置し、定着用ベルト３２を介してインナーロール１０Ｅに押圧される加圧ロール１０Ｆを設けた例であり、インナーロール１０Ｅや加圧ロール１０Ｆとしても本発明の定着加圧ロールを使用できる。

図５は、加圧ロール１０Ｇに対向して、内部にハロゲンヒータ３６を内蔵する定着ロール１０Ｈを配置した例であり、加圧ロール１０Ｇや定着ロール１０Ｈとしても本発明の定着加圧ロールを使用できる。

（エマルジョン組成物の調製）
減圧攪拌装置内（−６０ｋＰａ減圧）において、液状シリコーンゴム材１００重量部に、フィラー５重量部、界面活性作用のあるシリコーンオイル５重量部を加え、−６０ｋＰａ減圧下で混合して攪拌して混合物を得た。次に、この混合物に水１４０重量部を除々に添加しながら攪拌し、油中水型エマルジョン組成物を調製した。

（実施例１）
直径２０ｍｍの金属製芯体の表面に、メチルビニルシリコーン系の液状シリコーンゴムを０．００５ｍｍの厚さになるように配置し、形状を保てる程度まで硬化させた後に、これを金型の中心にセットし、上述したエマルジョンを流し込み、設定温度１３０℃で４０分間加熱（一次加熱）し、成形した。得られた成形体（多孔質体前駆体）を電気炉中、２００℃で６時間加熱（二次加熱）し、水を除去した。その後研磨して、外径φ４０ｍｍ、硬度（Ａｓｋｅｒ Ｃ）２０°のロールを得た。

（実施例２）
直径２０ｍｍの金属製芯体の表面に設けたゴム層の厚さを０．５ｍｍとした以外は実施例１と同様にして実施例２のロールを得た。

（比較例１）
直径２０ｍｍの金属製芯体の表面に、シランカップリング剤を０．００５ｍｍの厚さで設けた以外は実施例１と同様にして比較例１のロールを得た。

（比較例２）
直径２０ｍｍの金属製芯体の表面に、シランカップリング剤を０．０５ｍｍの厚さで設けた以外は実施例１と同様にして比較例２のロールを得た。

（試験例１）
実施例１、２及び比較例１、２のロールを、外径が４０ｍｍでハロゲンランプを内蔵する定着ロールに対し、圧縮率が５０％となるように押し付けた加圧ロールとして用い（図５参照）、定着ロールを温度１８０℃で加熱した状態で回転駆動し、加圧ロールが破壊するまでの時間を計測した。

この結果、比較例１、２の加圧ロールは５００時間で破壊したが、実施例１，２の加圧ロールは２０００時間駆動しても破壊しなかった。よって、実施例１、２の加圧ロールは比較例１、２と比較して４倍以上の耐久性を有することがわかった。

１０ 定着加圧ロール
１１ 芯体
１２ ゴム層
１３ 弾性層
２１ 金型
３１、３３ 押圧部材
３２ 定着用ベルト
３４、３５ ヒータ
３６ ハロゲンヒータ

Claims (1)

1. 芯体と、この芯体の周囲に厚さ０．００５ｍｍ〜１．０ｍｍの架橋密度が６０％〜８０
   ％の液状シリコーンゴム層を形成する工程と、このシリコーンゴム層の周囲に、硬化して
   エラストマーを生成する液状シリコーンゴム材を連続相とするエマルジョン組成物からエ
   ラストマー多孔質体からなる弾性層を設ける工程とを具備することを特徴とする定着加圧
   ロールの製造方法。

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