JP6442300B2 - 電子写真用部材及び熱定着装置 - Google Patents
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Description
一般に、電子写真方式に用いられる熱定着装置では、一対の加熱されたローラとローラ、フィルムとローラ、ベルトとローラといった電子写真用部材としての回転体が圧接されている。そして、未定着のトナーによる画像を保持した記録媒体が、この回転体間に形成された圧接部位に導入されて加熱され、該トナーを溶融し、記録媒体に当該画像を定着させる。
熱定着装置用の電子写真用部材には、定着部材や加圧部材が含まれる。ここで、記録媒体上に保持された未定着トナー像が接し、当該未定着トナーを加熱する部材を定着部材と称する。定着部材には、その形態に応じて定着ローラ、定着フィルム、定着ベルトが含まれる。一方、定着部材と対向して配置され、該定着部材と共に定着ニップを形成する部材を加圧部材と称する。加圧部材には、その形態に応じて加圧ローラ、加圧フィルム、加圧ベルトが含まれる。
すなわち、図6のように、当該熱定着装置が定着可能な最も大きなサイズの紙(以下、「フルサイズ紙」ともいう)に比べて長手方向の幅が相対的に小さい紙(以下、「小サイズ紙」ともいう)を、連続して定着ニップを通紙させる際においては、小サイズ紙の通過する領域(長手方向幅W1)と異なり、小サイズ紙の通過しない領域(長手方向幅W2)の電子写真用部材の表面は、小サイズ紙によって熱が奪われることがない。
このように、電子写真用部材における、小サイズ紙が接しない領域(以下、この領域を「非通紙部」ともいう)においては、定着部材からの熱が記録材や記録材上のトナーによって奪われることがないために、電子写真用部材の非通紙部の温度が高くなる。以下、この現象を「非通紙部昇温」と称することがある。
かかる現象は、プリンタの画像出力の速度(プロセススピード)が速くなるほど発生しやすい。すなわち、画像出力の速度の高速化に伴って記録材がニップを通過する時間が短くなるため、より短い時間でトナー像に十分な熱を伝える必要がある。そのためには、定着部材の温度をより高くする必要があるからである。
そして、本発明者らの検討によれば、上記の構成を有する電子写真用部材を用いた熱定着装置を長期にわたって稼働させた場合に、電子写真用部材の非通紙部の硬度が上昇し、非通紙部以外の硬度との差が大きくなるという新たな課題を見出した。
非通紙部とそれ以外の部分とで大きな硬度差が生じた電子写真用部材を定着部材として用いてフルサイズ紙上に形成されたトナー像を定着した場合、定着部材の、相対的に高硬度化した非通紙部分が接したトナーは、相対的に低硬度の非通紙部分以外の部分が接したトナーと比較して、より押し潰されるため、定着後の画像の光沢度にムラが生じ、フルサイズ紙上に形成された電子写真画像の品位を低下させてしまうことがあった。
また、本発明は、長期にわたって稼働させた状態で、フルサイズ紙上のトナーを定着させた場合においても、定着ムラが生じ難い熱定着装置を提供することを目的とする。
アナターゼ型の酸化チタンは、図1に示すように、光触媒活性により、光に照射されると表面にマイナス電荷をもった電子や、プラス電荷をもった正孔が生じる。これらは空気中の水や酸素などと反応し、ヒドロキシラジカル(・OH)やスーパーオキサイドアニオンラジカル(・O2 −)等の活性酸素種を生じる。中でも特に酸化力の強いヒドロキシラジカル(・OH)が有機物質の結合を切断し、分解困難な有機物質を酸化分解すると考えられている(非特許文献1参照)。
後述する、比較例1に使用したアナターゼ型酸化チタンを含まないシリコーンゴム組成物と、実施例1に使用したアナターゼ型酸化チタンを含むシリコーンゴム組成物を準備した。それぞれのサンプルを、シート用金型を用いて厚さ500μmのシート状に硬化・成型した。更に200℃の加熱炉で4時間かけて二次硬化させ、アナターゼ型酸化チタンを含まない硬化シリコーンゴムシート(I)と、アナターゼ型酸化チタンを含有する硬化シリコーンゴムシート(II)を得た。
上記2つの硬化シリコーンゴムシート(I)・(II)の一部をダイヤモンドセルにて押しつぶした状態で全反射(ATR)測定を行った。
Si−O結合は、伸縮振動に伴い波数1020cm−1付近に強い赤外吸収を示す。さらに、Si−CH3結合は、その構造に起因する変角振動に伴い、波数1260cm−1付近に強い赤外吸収を示すことから、その存在を確認することが可能である。
各試験サンプルを240℃加熱炉内で加熱することで、耐熱試験を実施し経時的な変化について実験・計測を行った。
耐熱試験100時間(試験サンプルを240℃加熱炉内で100時間加熱)ごとに加熱炉から試験サンプルを一つ取り出し、被覆したフッ素樹脂チューブを丁寧に剥がし、耐熱試験後の硬化シリコーンゴムシート(I)・(II)について初期(耐熱試験0時間に相当)と同じ条件で全反射(ATR)測定を行った。耐熱試験100、200、300、400、500時間後のサンプルについてのSi−O結合に起因する1020cm−1における赤外線吸収強度と、Si−CH3結合に起因する1260cm−1における赤外線吸収強度との比(1020cm−1/1260cm−1)をそれぞれα100、α200、α300、α400、α500とした。結果を表1に示す。
それぞれにおいて、電子写真用部材は基材1、弾性層2、接着層3、離型層4を有する。
基材1の材質としては、例えばアルミニウム、鉄、ステンレス、ニッケルなどの金属や合金、ポリイミドなどの耐熱性樹脂が用いられる。特に熱定着装置が電磁誘導加熱方式の場合には、発熱効率の観点からニッケルや鉄を主成分とした合金が用いられる。
電子写真用部材がエンドレスベルト形状を有する場合には、基材1としては、例えば電鋳ニッケルスリーブやステンレススリーブ、ポリイミドなどからなる耐熱樹脂ベルト等が挙げられる。内面には耐磨耗性や断熱性などの機能を付与するための層(不図示)が更に設けられることがある。
電子写真用部材がローラ形状である場合、基材1には芯金が用いられる。芯金の材質としては、例えば、アルミニウム、鉄、ステンレスなどの金属や合金が挙げられる。このとき芯金の内部が中空状であっても定着装置での加圧に耐える強度を有していれば良い。また、中空状の場合には内部に熱源や電磁誘導加熱用のコアやコイルを設けることも可能となる。
特に弾性層としてシリコーンゴムを用いる場合には、表面処理としてプライマー処理が一般的に用いられる。ここで用いられるプライマーとは、有機溶剤中に、シランカップリング剤、シリコーンポリマー、水素化メチルシロキサン、アルコキシシラン、加水分解・縮合・付加などの反応促進触媒、ベンガラ等の着色剤等が適宜配合分散された塗料状態のものであり市販もされている。このプライマーを基材の表面(弾性層との接着面)に塗布し、乾燥や焼成のプロセスを経てプライマー処理が施される。
プライマーは基材の材質、弾性層の種類や架橋時の反応形態などによって適宜選択可能である。特に弾性層が不飽和脂肪族基を多く含む場合には、不飽和脂肪族基との反応により接着性を付与するため、プライマーとしてはヒドロシリル基を含有するものが好んで用いられる。また、弾性層がヒドロシリル基を多く含む場合には、反対にプライマーとしては不飽和脂肪族基を含有するものが好んで用いられる。そのほかにもアルコキシ基を含有するものなど、被着体である基材と弾性層の種類に応じて適宜選択可能である。
弾性層2は、熱定着装置において定着時にトナーを押しつぶさず、紙の繊維の凹凸に追従する弾性を電子写真用部材に坦持させる層として機能する。
かかる機能を発現させる上で、弾性層2には、シリコーンゴム硬化物(すなわち、硬化シリコーンゴム)が用いられる。中でも液状の付加硬化型シリコーンゴム中に、前記したアナターゼ型の酸化チタン粒子、及びその他の任意成分を混合した付加硬化型シリコーンゴム組成物を硬化させたシリコーンゴム硬化物を用いることが好ましい。
液状の付加硬化型のシリコーンゴムは、本発明に係る酸化チタン、およびその他の任意成分としての充填剤(フィラー)等を分散させやすく、後述する充填剤の種類や添加量に応じて、その架橋度を調整することで、弾性を容易に調整することができるからである。
また、シリコーンゴム組成物中には、硬化後の弾性層においてシリコーンポリマー成分中のメチル基の酸化を抑制し、硬度変化を抑える目的で、アナターゼ型の結晶構造を有する酸化チタン粒子を含有する。
さらに、これらに加え、熱伝導性や耐熱性、導電性、補強性等を付与するために、それぞれの目的にあった充填剤を混練・分散することでシリコーンゴム組成物が得られる。
弾性層の厚さは電子写真用部材の表面硬度への寄与、並びにニップ幅確保の観点から、適宜設計可能である。電子写真用部材がベルト形状を有する際には、熱定着装置に組み込んだときに、基材の変形によりニップ幅が確保できるため、また、ベルト内に発熱源を有する場合が多い。そのため、弾性層の厚みの好ましい範囲は、100μm以上500μm以下、更に好ましくは200μm以上500μm以下である。電子写真用部材がローラ形状を有する際には、基材が剛体であり、ニップ幅を弾性層の変形で形成する必要がある。このため弾性層の厚みの好ましい範囲は、300μm以上10mm以下、更に好ましくは1mm以上5mm以下である。
一般に、付加硬化型シリコーンゴム原液は、不飽和脂肪族基を有するオルガノポリシロキサンと、ケイ素に結合した活性水素基を有するオルガノポリシロキサン、架橋触媒としての白金化合物、およびインヒビターとよばれる硬化制御剤(阻害剤)で構成される。
・R1 2SiOで表わされる中間単位およびR1R2SiOで表わされる中間単位からなる群から選択されるいずれか一方または両方の中間単位と、R1 2R2SiO1/2で表される分子末端とを有する直鎖状オルガノポリシロキサン、
・R1SiO3/2で表わされる中間単位およびSiO4/2で表わされる中間単位から選択されるいずれか一方または両方の中間単位と、R1 2R2SiO1/2で表される分子末端とを有する分岐状オルガノポリシロキサン。
ここでR1はケイ素原子に結合した、不飽和脂肪族基を含まない1価の非置換または置換炭化水素基を表す。具体例は、以下のものを含む。
・アルキル基(例えば、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基等);
・アリール基(フェニル基等);
・置換炭化水素基(例えば、クロロメチル基、3−クロロプロピル基、3,3,3−トリフルオロプロピル基、3−シアノプロピル基、3−メトキシプロピル基等)。
・アルキル基(例えば、メチル、エチル、プロピル、ブチル、ペンチル、ヘキシル等);
・アリール基(フェニル基等);
・置換炭化水素基(例えば、クロロメチル、3−クロロプロピル、3,3,3−トリフルオロプロピル、3−シアノプロピル、3−メトキシプロピル等)。
オルガノポリシロキサンは、高分子化合物であるため、分子量を一意に特定することは難しいが、サイズ排除クロマトグラフィー(SEC)によって測定される重量平均分子量(Mw)を用いることでその構成を確認することが可能である。具体的には、重量平均分子量が150,000以下のものが好ましく、更には70,000以下のものが好ましい。重量平均分子量が、上記範囲にあるものを用いることによって、付加硬化型シリコーンゴム組成物の構造粘性が過度に大きくなることを抑制することができる。
特に、合成や取扱いが容易で、優れた耐熱性が得られることから、R1の50%以上がメチル基であることが好ましく、すべてのR1がメチル基であることが特に好ましい。
先述したように、アナターゼ型の結晶構造を有する酸化チタンは、シリコーンポリマー中のケイ素原子に結合したメチル基の酸化を抑制するため、弾性層の硬度上昇を抑えるために必要な構成成分である。
酸化チタンは多形性を示し、ルチル型、ブルカイト型、アナターゼ型の3つの結晶相がよく知られているが、本発明においてはアナターゼ型の結晶構造を有する酸化チタンを用いる。
酸化チタンの結晶構造はX線回折測定(XRD)(例えば、商品名:UltimaIV,株式会社リガク製)を用いて特定することが可能である。測定条件は、X線源:Cu−Kα線、管電圧/電流;30kv/20mA、走査範囲:10°〜80°、スキャン速度:2.0°/分、サンプリング角度:0.01°、積算回数:3回に設定することで、2θ=25.3°付近に、アナターゼ型結晶の最強線である面指数(101)に特徴的な回折ピークを確認することができる。
なお、弾性層中のアナターゼ型酸化チタン粒子の一次粒子の体積平均粒子径は、フロー式粒子像分析装置(商品名:FPIA−3000;シスメックス株式会社製)で求めるものとする。具体的には、弾性層から切り出したサンプルを磁器製のるつぼに入れ、窒素雰囲気中で1000℃に加熱し、ゴム成分を分解させ除去する。次いで、このるつぼを空気雰囲気下で1000℃に加熱し、気相成長法炭素繊維を燃焼させる。その結果、るつぼ中には、サンプルに含まれていた酸化チタンのみが残る。るつぼ中の酸化チタンを乳鉢と乳棒を用いて1次粒子となるように解砕したのち、これを水に分散させて、試料液を調製する。この試料液を、上記粒子像分析装置に投入し、装置内で撮像セル内に導入し通過させ、酸化チタンを静止画像として撮影する。
平面に投影された酸化チタンの粒子像(以下、「粒子投影像」ともいう)と等しい面積を有する円(以下、「等面積円」ともいう)の直径を、当該粒子像にかかる酸化チタンの直径とする。そして、1000個の酸化チタン粒子の等面積円を求め、それらの算術平均値を、酸化チタンの一次粒子の体積平均粒子径とする。
弾性層2は、熱定着装置に用いられる電子写真用部材として、伝熱特性の向上、及び断熱性、補強性、耐熱性、加工性、導電性等の付与のために、本発明の効果を阻害しない範囲で、目的に応じてアナターゼ型酸化チタン以外の充填剤(フィラー)を含有させてもよい。特に伝熱特性を向上させる目的では、充填剤自体の熱伝導率、比熱容量、密度、粒径等を考慮して選択する。具体的には、無機物、特に金属、金属化合物等を挙げることができる。伝熱特性を向上させる目的で用いられるフィラーの具体例は、以下の例を含む。
炭化ケイ素;窒化ケイ素;窒化ホウ素;窒化アルミニウム;アルミナ;酸化亜鉛;酸化マグネシウム;シリカ;銅;アルミニウム;銀;鉄;ニッケル;金属ケイ素;炭素繊維等。
上記(2−1)で説明した付加硬化型シリコーンゴム組成物を用いて形成されてなる弾性層においては、硬化シリコーンゴムの架橋構造が経時的に切断され、硬度が経時的に変化する現像、所謂、ゴムの老化現象を生じることが知られている。そして、弾性層中にビニル基等の不飽和脂肪族基を含有させておくことによって、当該老化現象を有効に抑制することができる。これは、硬化シリコーンゴムの架橋構造が切断された場合であっても、弾性層中の不飽和脂肪族基が、ラジカル付加反応することにより、架橋構造が再構築されるため、弾性層の弾性の経時的な低下が抑えられるためであると考えられる。
従って、付加硬化型シリコーンゴム原液は、不飽和脂肪族基に対する活性水素基の数の割合が、0.3以上0.8以下となるような割合で配合されていることが好ましい。0.3以上であると、定着部材の弾性層として必要な弾性を十分に確保可能な架橋構造を構築できるためである。0.8以下であれば、架橋反応時に未反応で残った弾性層中に存在する不飽和脂肪族基により、架橋構造を構築させ、弾性層の弾性の低下を十分に抑制できるためである。不飽和脂肪族基に対する活性水素基の数の割合は水素核磁気共鳴分析(例えば、1H−NMR(商品名:AL400型 FT−NMR;日本電子株式会社製)を用いた測定により定量・算出することができる。不飽和脂肪族基に対する活性水素基の数の割合を上記数値範囲内とすることで、弾性層の硬度を安定なものとすることができる。
ここで、弾性層中の不飽和脂肪族基の量を直接的に観測することは困難である。しかし、以下の方法により間接的には観測することができる。
まず、定着部材の弾性層から、所定のサイズ(例えば、20mm×20mm)の薄片の複数枚を切り出し、厚さ2mmになるように積層する。そして、この積層体について、タイプCマイクロ硬度をマイクロゴム硬度計(マイクロゴム硬度計MD−1 capaタイプC;高分子計器株式会社製)を用いて測定する。このとき測定値をHμ0とする。
次いで、上記の積層体を構成していた弾性層の薄片の全てをメチルハイドロジェンシリコーンオイル(商品名:DOW CORNING TORAY SH1107FLUID;東レ・ダウコーニング株式会社製)中に完全に浸漬させる。メチルハイドロジェンシリコーンオイルを温度30℃に維持して24時間静置する(以降、この処理を「24時間浸漬」)ともいう。これにより、各薄片の内部にまでメチルハイドロジェンシリコーンオイルを浸漬させる。次いで、24時間浸漬の処理を施した全ての薄片をメチルハイドロジェンシリコーンオイルから取り出し、表面のオイルを十分に取り除き、200℃のオーブン中で4時間加熱後、室温にまで冷却する。これにより、全ての薄片について、主反応の不飽和脂肪族基とメチルハイドロジェンシリコーンオイルとの反応を完了させる。次に全ての薄片を積層し、得られた積層体のマイクロ硬度を上記の装置を用いて測定する。このときのマイクロ硬度をHμ1とする。そして、硬度上昇率(=Hμ1/Hμ0)を算出する。
弾性層中に不飽和脂肪族基の量が多い場合には、試験片の内部に浸透したメチルハイドロジェンシリコーンオイルによって、試験片中に新たな架橋点が形成される。その為、熱処理後の試験片は大幅な硬度上昇を示す。つまり、Hμ1/Hμ0で定義される硬度上昇率は比較的大きな値を示す。
一方、弾性層中の不飽和脂肪族基の量が少ない場合には、試験片にメチルハイドロジェンシリコーンオイルを浸漬させ、加熱処理を施しても、新たな架橋点が形成されにくい。よって、熱処理後の試験片の硬度変化は軽微なものとなる。つまり、硬度上昇率は比較的小さな値を示すことになる。
硬度上昇率の算出のための実験については、試験片中の不飽和脂肪族基を確実に反応させることができれば、上記した条件などに限定されるものではない。
また、弾性層における架橋構造の安定性の点から、硬度上昇率は、5.0以下、特には4.5以下が好ましい。
なお、硬度上昇率の具体的な制御は、弾性層の形成に用いる付加硬化型シリコーンゴム原液の組成の調整により可能である。
すなわち、付加硬化型シリコーンゴム原液中の、不飽和脂肪族基を有するオルガノポリシロキサンと、ケイ素原子に結合した活性水素基を有するオルガノポリシロキサンとの混合比を調整して、付加硬化型シリコーンゴム原液中の、不飽和脂肪族基のモル数と活性水素基のモル数との比を調整する。具体的には、活性水素基のモル数に対する不飽和脂肪族基のモル数を多くすることによって、弾性層中の不飽和脂肪族基の存在量を多くすることができる。その結果として、硬度上昇率を大きくすることができる。
より具体的には、硬度上昇率が、1.0以上、1.5未満であるような、不飽和脂肪族基の含有量が少ない弾性層を有する電子写真用部材であっても、弾性層中にアナターゼ型酸化チタン粒子を存在させることで、本発明に係る効果を得られるものである。
接着層3は、付加硬化型シリコーンゴム接着剤によって弾性層と離型層を接着せしめることで生じる層である。接着剤としては、自己接着成分が配合された付加硬化型シリコーンゴムを用いることが好ましい。具体的には、ビニル基に代表される不飽和脂肪族基を分子鎖中に複数有するオルガノポリシロキサンと、ハイドロジェンオルガノポリシロキサンおよび架橋触媒としての白金化合物を含有する。そして、付加反応により硬化する。このような接着剤としては、既知のものを使用することができる。
・ビニル基等のアルケニル基、(メタ)アクリロキシ基、ヒドロシリル基(SiH基)、エポキシ基、アルコキシシリル基、カルボニル基、およびフェニル基からなる群から選択される少なくとも1種、好ましくは2種以上の官能基を有するシラン、
・ケイ素原子数が2個以上30個以下、好ましくは4個以上20個以下の、環状または直鎖状のシロキサン等の有機ケイ素化合物、
・1価以上4価以下、好ましくは2価以上4価以下のフェニレン構造等の芳香環を1分子中に1個以上4個以下、好ましくは1個以上2個以下含有し、かつ、ヒドロシリル化付加反応に寄与しうる官能基(例えば、アルケニル基、(メタ)アクリロキシ基)を1分子中に少なくとも1個、好ましくは2個以上4個以下含有する、分子中に酸素原子を含んでもよい、非ケイ素系(即ち、分子中にケイ素原子を含有しない)有機化合物。
上記の自己接着成分は1種単独でも2種以上を組み合わせても使用することができる。
当該フィラー成分の例は、以下のものを含む。
・シリカ、アルミナ、酸化鉄、酸化セリウム、水酸化セリウム、カーボンブラック等。
フッ素樹脂離型層4は、フッ素樹脂からなり、例えば、以下に例示列挙する樹脂をチューブ状に成形したものが用いられる。
・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)、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−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)等。
上記例示列挙した樹脂材料中、成形性やトナー離型性の観点からPFAが好ましい。
基材1の外周面に形成された弾性層2の表面に、付加硬化型シリコーンゴム接着剤5を塗布する。更にその外面に、フッ素樹脂離型層4としてのフッ素樹脂チューブ6を被覆し、積層させる。
被覆方法は特に限定されないが、付加硬化型シリコーンゴム接着剤を潤滑材として被覆する方法や、フッ素樹脂チューブを外側から拡張し、被覆する方法などを用いることができる。
不図示の手段を用いて、弾性層とフッ素樹脂離型層との間に残った、余剰の付加硬化型シリコーンゴム接着剤を、扱き出すことで除去する。扱き出した後の接着層の厚みは、伝熱性の観点から20μm以下とすることが好ましい。
本発明に係る熱定着装置は、一対の加熱されたローラとローラ、フィルムとローラ、ベルトとローラ、ベルトとベルト、といった回転体が圧接されており、熱定着装置が搭載される電子写真画像形成装置全体としてのプロセス速度、大きさ等の条件を勘案して適宜選択される。
熱定着装置においては、加熱された電子写真用部材である、定着部材と加圧部材を圧接することで定着ニップNを形成し、この定着ニップNに未定着トナーtによって画像が形成された、被加熱体となる記録媒体Sを挟持搬送させる。これにより、トナー像を加熱、加圧する。その結果、トナー像は溶融・混色、その後、冷却されることによって記録媒体上にトナー像が定着される。
ここでは、熱定着装置の具体例として電磁誘導加熱方式の熱定着装置を示して、その構成を説明するが、本発明の範囲並びに用途はこれに限定されるものではない。
なお、ここで、熱定着装置またはこれを構成している部材について長手または長手方向とは定着ベルト11の基材軸方向のことであり紙面に垂直の方向である。熱定着装置について正面とは記録媒体Sの導入側の面である。左右とは装置を正面から見て左または右である。ベルトの幅とはベルト基材軸方向のベルト寸法(=ベルト長手方向の寸法)である。また記録媒体の幅とは記録媒体面において長手方向の記録媒体寸法である。また上流または下流とは記録媒体の搬送方向に関して上流または下流である。
この熱定着装置は、本発明に係る電子写真用部材としての定着ベルト11と、加圧ベルト12とを備えている。
ローラ17は、外径が20mmで、内径が18mmである厚さ1mmの鉄製の中空ローラであり、定着ベルト11に張りを与えるテンションローラとして機能している。
定着側ローラ18は、外径が20mmで、径が18mmである鉄合金製の芯金に、弾性層としてのシリコーンゴム層が設けられた高摺動性の弾性ローラである。この定着側ローラ18は駆動ローラとして駆動源(モータ)Mから不図示の駆動ギア列を介して駆動力が入力されて、矢印の時計方向に所定の速度で回転駆動される。この定着側ローラ18に上記のように弾性層を設けることで、定着側ローラ18に入力された駆動力を定着ベルト11へ良好に伝達することができるとともに、定着ベルト11からの記録媒体の分離性を確保するための定着ニップを形成できる。弾性層によって、内部への熱伝導も少なくなるため、ウォームアップタイムの短縮にも効果がある。
定着ベルト11は、定着側ローラ18が回転駆動されると、定着側ローラ18のシリコーンゴム表面と定着ベルト11の内面との摩擦によって定着側ローラ18と共に回転する。定着ベルトの内径は55mmである。
テンションローラ19は、外径が20mmで、径が16mmである鉄合金製の芯金に、熱伝導率を小さくして加圧ベルト12からの熱伝導を少なくするためにシリコーンスポンジ層を設けてある。
加圧側ローラ20は、外径が20mmで、内径が16mmである厚さ2mmの鉄合金製とされた低摺動性の剛性ローラである。
また、装置を大型化することなく幅広い定着ニップNを得るために、加圧パッドを採用している。すなわち、定着ベルト11を加圧ベルト12に向けて加圧する第1の加圧パッドとしての定着パッド21と、加圧ベルト12を定着ベルト11に向けて加圧する第2の加圧パッドとしての加圧パッド22である。定着パッド21及び加圧パッド22は装置の不図示の左右の側板間に支持させて配設してある。加圧パッド22は、不図示の加圧機構により矢印Gの方向に所定の加圧力にて定着パッド21に向けて加圧されている。第1の加圧パッドである定着パッド21はパッド基体26と定着ベルトに接する摺動シート(低摩擦シート)23を有する。第2の加圧パッドである加圧パッド22もパッド基体27と加圧ベルトに接する摺動シート24を有する。これはパッドのベルト内周面と摺擦する部分の削れが大きくなるという問題があるためである。ベルトとパッド基体の間に、摺動シート23と24を介在させることで、パッドの削れを防止し、摺動抵抗も低減できるので、良好なベルト走行性、ベルト耐久性を確保できる。
なお、定着ベルトには非接触の除電ブラシ(不図示)、加圧ベルトには接触の除電ブラシを各々設けている。
このように熱定着装置に長手方向で温度分布が発生している状態で、多量の記録媒体を通紙すると定着ベルト11のW1相当幅とW2相当幅とで電子写真用部材の弾性層に大きな硬度変化が生じる場合があった。しかし、本発明で開示した構成を取ることで、硬度変化を最小限に抑制可能となった。
(1)定着ベルトの作製
まず、弾性層の材料に用いるシリコーンゴム組成物を調製した。
側鎖に不飽和脂肪族基を有するメチル基含有シリコーンポリマー(以下、「第1のシリコーンポリマー」ともいう)として、前記式2の構造式(式2中、R1はメチル基、R2はビニル基)で示される、側鎖部にビニル基の量がケイ素原子比で1.2モル%導入されたシリコーンポリマー(重量平均分子量28000)を70質量部準備した。
次いで、末端に不飽和脂肪族基を有するメチル基含有シリコーンポリマー(以下、「第2のシリコーンポリマー」ともいう)として、前記式3の構造式(式3中、R1はメチル基、R2はビニル基)で示される、末端部にビニル基が導入されたシリコーンポリマー(重量平均分子量28000)を27質量部準備した。
さらに架橋剤シリコーンポリマー(以下、「第3のシリコーンポリマー」ともいう)として、前記式4の構造式(式4中、R1はメチル基)で示され、ヒドロシリル基の量がケイ素原子比で19.5モル%導入されたメチル基含有シリコーンポリマー(重量平均分子量2000)を3質量部準備した。
そして、上記第1〜第3のシリコーンポリマーを十分に混合して、ベースポリマーとしてのシリコーンポリマー 100質量部を得た。
得られたベースポリマーにおける不飽和脂肪族基に対する活性水素基の数の比率(モル比、以降、「H/Vi」とも記す)は、0.6であった。
このベースポリマー100質量部に対し、アナターゼ型の結晶構造を有する酸化チタン粒子として、アナターゼA(商品名:酸化チタン(IV)アナターゼ型 208−18231、和光純薬工業株式会社製、体積平均粒子径30nm)を8.0質量部、更に熱伝導性の充填剤としてアルミナ(商品名:アルナビーズCB−A09S、昭和電工株式会社製、平均粒子径9μm)を400質量部添加し、更に微量のヒドロシリル化触媒(白金触媒:白金カルボニルシクロビニルメチルシロキサン錯体)とインヒビター(メチルビニルテトラシロキサン)を添加し、十分に混練することでシリコーンゴム組成物を得た。
このプライマー処理された基材上に、リングコート法で上記シリコーンゴム組成物を厚さ450μmにて塗布した。得られたエンドレスベルトを200℃に設定した電気炉中で4時間加熱して、シリコーンゴムを硬化させることにより厚さが450μmの弾性層を得た。
その後、フッ素樹脂チューブの上からベルト表面を均一に扱くことにより、過剰の接着剤を弾性層とフッ素樹脂チューブの間から、接着剤の厚みが5μm程度まで薄くなるように、扱き出した。
当該エンドレスベルトを200℃に設定した電気炉にて1時間加熱することで接着剤を硬化させて当該フッ素樹脂チューブを弾性層上に固定した。得られたエンドレスベルトの両端部を切断し、幅が368mmの定着ベルトを得た。
上記(1)で得た定着ベルトの基材と弾性層との界面、及び接着層と弾性層との界面をかみそり刃(razor blade)で切り離して、定着ベルトから基材及び接着層とフッ素樹脂チューブとを除去した。この弾性層から、20mm四方のゴム片の複数枚を切り出した。
次いで、当該ゴム片を厚み2mmとなるように積層して、この積層体のマイクロ硬度(Hμ0)を、タイプCマイクロ硬度計(商品名:マイクロゴム硬度計MD−1 capa タイプC;高分子計器株式会社製)を用いて測定した。測定値は、62.9度であった。
メチルハイドロジェンシリコーンオイル(商品名:DOW CORNING TORAYSH 1107 FLUID;東レ・ダウコーニング株式会社製)50mLを入れたビーカーを用意した。上記積層体を構成した全てのゴム片を、当該ビーカーに入れ、各ゴム片の全体が浸るように浸漬した。そして、温度30℃に設定した水浴を用いて、ビーカー中のオイルを温度30℃に維持し、24時間静置した。その後、メチルハイドロジェンシリコーンオイルからゴム片を取り出し、各ゴム片の表面のオイルをワイパー(商品名:キムワイプS−200;日本製紙クレシア株式会社製)で充分に拭き取った。そして、各ゴム片を、200℃に設定したオーブンに入れ、4時間加熱した後、室温まで冷却した。各ゴム片をオーブンから取り出し、再び積層して、先と同様にして積層体のマイクロ硬度(Hμ1)を測定した。測定値は、88.1度を示した。
よって、実施例1に係る定着ベルトの弾性層の硬度上昇率(Hμ1/Hμ0)は、1.4となった。
上記(1)に記載した方法によって新たな定着ベルトを作製した。
この定着ベルトを、電子写真方式の複写機(商品名:imageRUNNER ADVANCE C7065、キヤノン株式会社製)の熱定着装置に装着し、印刷試験を行った。
試験方法は、小サイズ紙の通紙に伴う、出力画像の光沢感の変化を評価した。評価のタイミングは、初期、小サイズ紙の通紙枚数30万枚時、及び小サイズ紙の通紙枚数60万枚時のそれぞれの時点でフルサイズ紙の画像を印刷し、光沢感について評価した。
小サイズ紙としてはA4サイズ紙(商品名:−高白色用紙GF−C081,坪量81g/m2;キヤノン株式会社製)を、縦送り(短辺が定着ベルトの長手方向に並行)となるようにセットし通紙を実施した。
光沢感の評価画像としては、330mm×483mmサイズのコート紙(商品名:OKトップコート+、坪量128g/m2;王子製紙株式会社製)にシアントナーとマゼンタトナーをほぼ全面に100%濃度で印刷した。これを評価用画像とし、小サイズ紙の長手方向幅W1に相当する部分と、W2に相当する部分との光沢感の差を5人の被験者で評価した。
・ランクA:5人の被験者のうち4名以上が光沢感の差が無いと判断
・ランクB:5人の被験者のうち3名が光沢感の差が無いと判断
・ランクC:5人の被験者のうち3名が光沢感の差があると判断
・ランクD:5人の被験者のうち4名以上が光沢感の差があると判断
表3に示すように酸化チタンの種類と量を変化させた以外は、実施例1と同様の手順で定着ベルトを作製し、同様の印刷試験及び光沢差の評価を行った。比較例1では酸化チタンを添加せずに定着ベルトを作製した。結果を表4に示す。
尚、実施例2〜9及び比較例2、3においては、各々下記の酸化チタン粒子を用いた。
・実施例6:アナターゼB(商品名:光触媒用酸化チタン AMT−100;テイカ株式会社製、体積平均粒子径6nm)
・実施例7:アナターゼC(商品名:光触媒酸化チタン粉体 ST−21;石原産業株式会社製、体積平均粒子径20nm)
・実施例8:アナターゼD(商品名:超微粒子酸化チタン STT−65C−S;チタン工業株式会社製、体積平均粒子径40nm)
・実施例9:アナターゼE(商品名:ジュピターS F−1S02;昭和電工株式会社製、体積平均粒子径90nm)
・比較例2、3:ルチルF(商品名:酸化チタン(IV)ルチル型 203−09413;和光純薬工業株式会社製、体積平均粒子径30nm)
弾性層の材料に用いるシリコーンゴム組成物を調製した。
第1のシリコーンポリマーとして、前記式2の構造式(式2中、R1はメチル基、R2はビニル基)で示される、側鎖部にビニル基の量がケイ素原子比で1.2モル%導入されたシリコーンポリマー(重量平均分子量28000)を71質量部準備した。
次いで、第2のシリコーンポリマーとして、前記式3の構造式(式3中、R1はメチル基、R2はビニル基)で示される、末端部にビニル基が導入されたシリコーンポリマー(重量平均分子量28000)を27質量部準備した。
さらに第3のシリコーンポリマーとして、前記式4の構造式(式4中、R1はメチル基)で示され、ヒドロシリル基の量がケイ素原子比で19.5モル%導入されたメチル基含有シリコーンポリマー(重量平均分子量2000)を2質量部準備した。これらを十分に混合して、ベースポリマーとしてのシリコーンポリマー100質量部を得た。
得られたベースポリマーにおけるH/Viは、0.4であった。
このベースポリマー100質量部に対し、アナターゼ型の結晶構造を有する酸化チタン粒子として、アナターゼA(商品名:酸化チタン(IV)アナターゼ型 208−18231、和光純薬工業株式会社製、体積平均粒子径30nm)を15.0質量部、更に熱伝導性の充填剤としてアルミナ(商品名:アルナビーズCB−A09S、昭和電工株式会社製、平均粒子径9μm)を400質量部添加し、更に微量のヒドロシリル化触媒(白金触媒:白金カルボニルシクロビニルメチルシロキサン錯体)とインヒビター(メチルビニルテトラシロキサン)を添加し、十分に混練することでシリコーンゴム組成物を得た。
こうして調製したシリコーンゴム組成物を用いた以外は、実施例1と同様にして、本実施例に係る定着ベルトを作製した。
得られた定着ベルトについて、上記実施例1の(2)に基づき、弾性層の硬度上昇率の算出し、また、上記実施例1の(3)に基づき評価した。
実施例10における第1〜第3のシリコーンポリマーの量を下記表2に示したように変更した。実施例11および実施例12に係るベースポリマーのH/Viを表2に示す。
これらのベースポリマーを用いた以外は、実施例10に係るシリコーンゴム組成物と同様にして実施例11および実施例12に係るシリコーンゴム組成物を調製した。
そして、これらのシリコーンゴム組成物を用いた以外は、実施例1と同様にして、実施例11、12に係る定着ベルトを調製した。
得られた定着ベルトについて、上記実施例1の(2)に基づき、弾性層の硬度上昇率の算出し、また、上記実施例1の(3)に基づき評価した。
アナターゼ型酸化チタンを添加しなかった以外は、上記実施例10に係るシリコーンゴム組成物と同様にしてシリコーンゴム組成物を調製した。このシリコーンゴム組成物を用いた以外は、実施例10と同様にして、比較例4に係る定着ベルトを調製した。
得られた定着ベルトについて、上記実施例1の(2)に基づき、弾性層の硬度上昇率の算出し、また、上記実施例1の(3)に基づき評価した。
アナターゼ型酸化チタンを添加しなかった以外は、上記実施例12に係るシリコーンゴム組成物と同様にしてシリコーンゴム組成物を調製した。このシリコーンゴム組成物を用いた以外は、実施例12と同様にして、比較例5に係る定着ベルトを調製した。
得られた定着ベルトについて、上記実施例1の(2)に基づき、弾性層の硬度上昇率の算出し、また、上記実施例1の(3)に基づき評価した。
上記実施例1〜12、比較例1〜5に係る定着ベルトの弾性層の組成の概要、弾性層の硬度上昇率を表3に示す。また、各実施例及び各比較例に係る定着ベルトの評価の結果を表4に示す。
2 弾性層
3 接着層
4 離型層
5 付加硬化型シリコーンゴム接着剤
6 フッ素樹脂チューブ
11 定着ベルト
12 加圧ベルト
13 誘導加熱部材
14 励磁回路
15 温度検知素子
16 制御回路部
17 ローラ
18 定着側ローラ
19 テンションローラ
20 加圧側ローラ
21 定着パッド
22 加圧パッド
23、24 摺動シート
25 分離部材
26、27 パッド基体
N 定着ニップ
t 未定着トナー
S 記録媒体
M モータ
Claims (12)
- 基材、ケイ素原子に結合したメチル基を有する硬化シリコーンゴムを含む弾性層、および該弾性層の表面に付加硬化型シリコーンゴム接着剤によって接着されたフッ素樹脂チューブからなるフッ素樹脂離型層を有している電子写真用部材であって、
該フッ素樹脂チューブは、10μm以上50μm以下の厚さを有し、
該弾性層が、アナターゼ型の結晶構造を有する酸化チタン粒子を含有することを特徴とする電子写真用部材。 - 基材、ケイ素原子に結合したメチル基を有する硬化シリコーンゴムを含む弾性層、および該弾性層の表面に付加硬化型シリコーンゴム接着剤によって接着されたフッ素樹脂チューブからなるフッ素樹脂離型層を有している電子写真用部材であって、
該フッ素樹脂チューブは、10μm以上50μm以下の厚さを有し、
該弾性層が、アナターゼ型の結晶構造を有する酸化チタン粒子を含有することを特徴とする電子写真用部材(但し、該弾性層が、弾性層から切り出したサンプルのマイクロ硬度をHμ0とし、該サンプルをメチルハイドロジェンシリコーンオイルに24時間浸漬した後、更に硬化させた後のマイクロ硬度をHμ1としたときに、Hμ1/Hμ0で定義される硬度上昇率が1.5以上、5.0以下である弾性層である場合を除く)。 - 前記酸化チタン粒子の一次粒子の体積平均粒子径が、20nm以上40nm以下である請求項1または2に記載の電子写真用部材。
- 前記弾性層中の前記硬化シリコーンゴム100質量部に対する前記酸化チタン粒子の含有量が、0.5質量部以上、12.0質量部以下である請求項1〜3のいずれか一項に記載の電子写真用部材。
- 前記弾性層中の前記硬化シリコーンゴム100質量部に対する前記酸化チタン粒子の含有量が、6.0質量部以上、10.0質量部以下である請求項4に記載の電子写真用部材。
- 前記弾性層が、弾性層から切り出したサンプルのマイクロ硬度をHμ0とし、該サンプルをメチルハイドロジェンシリコーンオイルに24時間浸漬した後、更に硬化させた後のマイクロ硬度をHμ1としたときに、Hμ1/Hμ0で定義される硬度上昇率が、1.0以上、1.5未満である請求項1〜5のいずれか一項に記載の電子写真用部材。
- 前記電子写真用部材が、エンドレスベルト形状の前記基材の外周面上に前記弾性層が設けられてなるベルト形状を有するものであり、該弾性層の厚さが、100μm以上、500μm以下である請求項1〜6のいずれか一項に記載の電子写真用部材。
- 前記弾性層の厚さが、200μm以上である請求項7に記載の電子写真用部材。
- 前記電子写真用部材が、前記基材としての芯金の周面に前記弾性層が設けられてなるローラ形状を有するものであり、該弾性層の厚さが、300μm以上、10mm以下である請求項1〜6のいずれか一項に記載の電子写真用部材。
- 前記弾性層の厚さが、1mm以上、5mm以下である請求項9に記載の電子写真用部材。
- 前記フッ素樹脂離型層が、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、ポリテトラフルオロエチレン、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からなる群から選択されるいずれかを含む請求項1〜10のいずれか一項に記載の電子写真用部材。
- 記録媒体上に形成された未定着トナー画像を加熱及び加圧により該記録媒体上に定着する熱定着装置であって、
請求項1〜11のいずれか一項に記載の電子写真用部材を備えていることを特徴とする熱定着装置。
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JP2014012584 | 2014-01-27 | ||
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