KR100924691B1 - 전도성 폴리우레탄 롤러 및 이의 제조방법 - Google Patents

전도성 폴리우레탄 롤러 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전도성 폴리우레탄 롤러 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 본 발명의 전도성 폴리우레탄 롤러는 전도성 코팅층을 포함하여 표면 조도, 전기 저항 및 경도등 표면 특성이 우수하고 균일하다.
또한, 상기 전도성 폴리우레탄 롤러의 제조 방법은 연마 공정을 거치지 않고 수평 금형대신 수직 금형을 사용하여 공정이 단순하고 편리하며 비용이 절감된다.
롤러, 폴리우레탄, 연마 공정, 전도성 코팅층

Description

전도성 폴리우레탄 롤러 및 이의 제조방법{A conductive polyurethane roller and manufacturing method thereof}
본 발명은 전도성 폴리우레탄 롤러 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
구체적으로는 폴리우레탄 고무층의 상면에 전도성 코팅층이 형성되어 우수한 표면 특성을 갖는 전도성 폴리우레탄 롤러 및 수직 금형을 사용하여 재료의 손실이 적고 비용이 절감되며 연마공정이 필요없어 공정이 간편한 상기 전도성 폴리우레탄 롤러의 제조방법에 관한 것이다.
최근들어 복사기, 프린터, 팩시밀리등 전자 사진 방식을 이용한 화상 형성 장치에 있어서 출력속도 고속화 및 제품의 고급화에 따른 품질향상이 절실히 요구되어 지고 있다. 이러한 물성을 충족 시키기 위해서는 현상 클리닝, 급지, 반송등의 각 공정에서, 대전 롤러(charge roller), 토너 공급 롤러(supply roller), 현상 롤러(development roller), 급지 롤러, 반송 롤러(transfer roller)등이 중요한 역할을 하게 된다. 또한, 현상롤러, 대전롤러, 토너 공급 롤러등은 전도성이 요구된 다.
전자사진 화상 형성 장치에 사용되는 전도성 고무 롤러는 i) 적당한 닙(nip)폭을 얻고 토너 스트레스를 줄이기 위해서는 저경도일 것, ii) 내마모성 및 내구성이 우수할 것, iii) 현상롤러의 표면상에 균일한 토너층을 얻기위해서는 적당한 표면 조도를 가질 것, iv) 일정 범위의 전기 저항을 가질 것등의 특성을 필요로 한다.
종래 전도성 롤러는 상기 서술한 물성을 만족시키기 위해 아크릴로니트릴 부타디엔고무(acrylonitrile butadiene rubber, NBR), 에틸렌 프로필렌 디엔고무(ethylene propylene diene rubber, EPDM), 실리콘 고무, 폴리우레탄등의 고분자 엘라스토머(elastomer)나 폼(foam)등에 카본 블랙(carbon black), 금속산화물, 이온화합물등을 첨가하였다. 상기와 같은 종래의 전도성 롤러의 경우 저항은 105 내지 1010 Ω/sq. 범위로 우수하나, 경도는 쇼어 A타입으로 50도 ~ 100도 정도로 경도를 더 이상 낮게 할 수 없어, 즉 저경도 롤러를 제조할 수 없기 때문에 토너에 스트레스를 주어 화상의 선명도를 떨어뜨린다. 다시 말해, 전기적 저항을 낮추기 위해 탄소등의 외첨제를 많이 넣으면 경도가 올라가고, 경도를 낮추기 위해 외첨조건을 바꾸면 전기적 저항이 필요이상으로 올라가는등의 문제점이 발생한다. 카본블랙등의 불균일한 분산에 따라 표면 특성이 불균일해지는 문제도 있다.
또한, 종래의 레이져 프린터용 전도성 폴리우레탄 롤러는 수평 금형을 사용하여 우레탄 원액을 주형기를 통해 성형후 연마공정에 의해 표면 조도를 결정하는 공정에 의해 제조되고 있었다. 기존의 니트릴 고무(NBR)와 에피클로로히드린 고무(ECO)를 혼합하여 제조된 고무형 롤러의 경우에서도 접착제를 도포한 롤러 축을 투입하여 롤러의 형상을 만든 후 일정한 온도에 의해 가황을 시키고 황삭, 중삭, 정삭등의 연마작업을 거쳐 롤러를 제조한다. 상기 공정은 수평 금형을 사용하는 경우 금형 외부로 원료가 흘러나가 재료의 소모가 많고, 황삭, 중삭, 정삭의 3차 연마 공정에 의해 최종적인 롤러의 품질이 결정되므로 화상의 선명도가 떨어지며, 상기 토너의 수명을 단축시키는 문제점을 갖고 있다.
상기의 문제점을 해결하고자 본 발명의 목적은, 저경도, 적당한 표면 조도 및 전기적 저항등 우수한 표면 특성을 갖는 전도성 폴리우레탄 롤러 및 연마공정을 거치지 않고도 상기의 우수한 표면 특성을 구현할 수 있는 상기 전도성 폴리우레탄 롤러의 제조방법을 제공하고자 한다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,
폴리우레탄 주액 및 경화제를 포함하는 폴리우레탄 고무층(10);
상기 폴리우레탄 고무층(10)의 중심부에 위치하는 샤프트(20);
상기 폴리우레탄 고무층(10)의 상면에 형성된 전도성 코팅층(30)을 포함하는 전도성 폴리우레탄 롤러(100)를 제공한다.
상기 폴리우레탄 주액은 폴리올 75 내지 92.9 중량%, 촉매 0.1 내지 2 중량%, 반응성 실리콘 정포제 2 내지 5 중량%, 안료 1 내지 5 중량%, 전도성 고분자 또는 전도성 카본 3 내지 10 중량% 및 산화방지제 1 내지 3 중량%를 포함한다.
상기 전도성 고분자는 알카리 금속염, 알카리 토금속염 또는 전이금속 양이온과 이온전도 유기화합물의 배위결합에 의해 형성된 양이온-이온 전도물질 및 음이온-이온 전도물질로 이루어진 군으로부터 선택된 단독 또는 이들의 혼합물일 수 있다.
상기 경화제는 이소시아네이트 30 내지 85 중량%, 변성 이소시아네이트 5 내지 20 중량% 및 폴리올 10 내지 50 중량%를 포함한다.
상기 전도성 코팅층은 전도성 고분자 5 내지 30 중량%; 열경화성 바인더 2 내지 25 중량%; 물 20 내지 40 중량%; 유기용매 40 내지 70 중량%;및 슬립제 및 자외선 안정제로 이루어진 군으로부터 선택된 단독 또는 이들의 혼합물 0.1 내지 5 중량%를 포함하는 열경화형 코팅제로 이루어질 수 있다.
상기 전도성 코팅층은 광경화형 하드 코팅 조성물 10 내지 40 중량%; 전도성 고분자 3 내지 30 중량%; 광개시제 0.1 내지 5 중량%; 유기 용매 40 내지 80 중량%; 및 슬립제 및 자외선 안정제로 이루어진 군으로부터 선택된 단독 또는 이들의 혼합물 0.1 내지 5 중량%를 포함하는 광경화형 코팅제로 이루어질 수 있다.
상기 하드 코팅 조성물은 아크릴계 모노머, 콜로이드성 무기 산화물, 실란 화합물, 알킬-알콕시 아크릴레이트 모노머 또는 올리고머 및 콜로이드 안정제를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,
금형의 중심축에 샤프트를 장착하는 샤프트 장착 단계;
샤프트가 장착된 상기 금형에 폴리우레탄 주액 및 경화제를 토출시켜 폴리우레탄 주액과 경화제의 반응에 의해 샤프트를 포함한 폴리우레탄 고무층이 형성되는 고무층 형성 단계; 및
상기 폴리우레탄 고무층의 상면에 열경화성 또는 광경화성 코팅제를 도포하고 경화시켜 전도성 코팅층을 형성하는 전도성 코팅층 형성 단계를 포함하는 상기 전도성 폴리우레탄 롤러의 제조방법을 제공한다.
상기 고무층 형성 단계후에 상기 샤프트를 포함한 폴리우레탄 고무층을 60 내지 100℃의 온도로 12 내지 24시간 동안 방치하는 숙성 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 전도성 폴리우레탄 롤러는 저경도이므로 현상롤러로 사용되는 경우 적당한 닙(nip)폭을 가질 수 있고, 토너 스트레스가 적다. 전기적 저항이 낮아 화상이 선명하며, 적당한 표면 조도를 가져 현상롤러의 표면상에 균일한 토너층이 형성될 수 있다. 또한, 표면 특성이 균일하다.
본 발명의 상기 전도성 폴리우레탄 롤러의 제조방법은 수직 금형을 사용하므로 수평 금형을 사용할 때보다 금형 밖으로 흘러나가는 원료의 양이 감소하여 원료비가 절감되고 공정이 편리하며, 여러 단계의 복잡한 연마공정을 거치지 않아도 우수한 표면 특성이 얻어지므로 공정이 단순화 된다.
따라서, 본 발명의 전도성 폴리우레탄 롤러 및 이의 제조방법은 칼라 프린터, 고속 복사기등에 사용되는 전도성 롤러인 현상 롤러, 대전 롤러등에 이용될 수 있다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의해 제조된 전도성 폴리우레탄 롤러의 사시도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 전도성 폴리우레탄 롤러는 폴리우레탄 고무층(10); 상기 폴리우레탄 고무층의 중심부에 위치한 샤프트(20); 및 전도성 코팅 층(30)을 포함한다.
상기 전도성 폴리우레탄 롤러는 폴리우레탄 고무층의 상면에 전도성 코팅층이 형성되어 있어, 표면 특성이 균일하다. 저경도로 현상롤러등에 이용시 적당한 닙(nip)폭을 가질수 있고, 토너 스트레스가 적다. 전기 저항이 적어 선명한 화상이 얻어질 수 있고, 적당한 표면 조도를 가져 균일한 토너층을 형성할 수 있다.
상기 폴리우레탄 고무층(10)은 폴리우레탄 주액 및 경화제를 포함한다.
상기 폴리우레탄 고무층(10)은 탄성체로 저경도이며, 전도성 고분자 또는 전도성 카본 등의 대전 방지제를 포함하여 전도성을 띄므로 롤러 전체의 저항을 낮춰줄 수 있다.
상기 폴리우레탄 주액은 폴리올(polyol) 75 내지 92.9 중량%, 촉매 0.1 내지 2 중량%, 반응성 실리콘 정포제 2 내지 5 중량%, 안료 1 내지 5 중량%, 전도성 고분자 또는 전도성 카본 3 내지 10 중량% 및 산화방지제 1 내지 3 중량%를 포함할 수 있다.
상기 폴리우레탄 주액은 사출과정에서 경화제와 혼합되고 경화제에서 형성된 프리폴리머와 상기 폴리올이 촉매 및 정포제의 존재하에 반응하여 폴리우레탄이 형성된다.
상기 폴리올은 폴리에테르 폴리올(polyether polyol), 폴리에스테르 폴리올(polyester polyol), 폴리테트라메틸렌 에테르 글리콜(polytetra methylene ether glycol), THF-알킬렌 옥사이드(tetrahydrofuran-alkylene oxide) 공중합체 폴리올(polyol), 아크릴 폴리올(acrylic polyol)및 폴리올레핀 폴리올(polyolefin polyol)등을 사용할 수 있다.
상기 전도성 고분자는 롤러의 전도성을 증가시켜 이들의 저항값을 낮추는 역할을 한다.
상기 전도성 고분자는 알카리 금속염 또는 알카리 토금속염과 이온전도 유기화합물의 배위결합에 의해 형성된 양이온-이온 전도물질 또는 음이온-이온 전도물질등의 유기이온- 콤플렉스 전도성 고분자일 수 있다. 또한, 상기 양이온-이온 전도물질은 알칼리 금속 양이온 또는 전이금속 양이온과 배위자를 형성할 수 있는 분자내 산소, 질소, 황, 인 등과 같은 홀 전자쌍을 가진 끓는점이 140℃ 이상인 이온 전도 유기 화합물과의 배위결합에 의해 형성된 것을 사용할 수 있다.
상기 경화제는 이소시아네이트 30 내지 85 중량%, 변성 이소시아네이트 5 내지 20 중량% 및 폴리올 10 내지 50 중량%를 포함한다.
상기 경화제는 폴리올과 과잉의 이소시아네이트 화합물로서 폴리올과 이소시아네이트가 반응하여 프리폴리머가 형성된다.
상기 이소시아네이트는 방향족 이소시아네이트, 지방족 이소시아네이트, 치환족 이소시아네이트 및 이들의 유도체가 사용될 수 있다. 구체적으로는 톨루엔 디이소시아네이트(Toluene diisocyanate, TDI), 오르토 톨루이딘 디이소시아네이트(ortho toluidine diisocyanate, TODI), 나프탈렌 디이소시아네이트(naphthalene diisocyanate, NDI), 크실렌 디이소시아네이트(xylene diisocynate, XDI), 메틸렌 디페닐 디이소시아네이트(Methylene diphenyl diisocyanate, MDI), 및 카보디이미 드 변성 메틸렌디페닐디이소시아네이트등이 있다.
상기 전도성 코팅층(30)은 열경화형 코팅제 또는 광경화형 코팅제로 이루어질 수 있다.
폴리우레탄 고무층(10)의 상면에 코팅층(30)이 형성되어 고무층 내부의 첨가제의 불균일한 분산이 있었다 하더라도 표면 특성이 균일해질 수 있다. 또한, 표면조도, 전기 저항, 내마모도등 표면 특성이 우수해진다. 또한, 전기 전도성이 우수하여 전기 저항을 낮추어 주면서도, 저경도를 유지할 수 있다.
상기 열경화형 코팅제는 전도성 고분자 5 내지 30 중량%; 열경화성 바인더 2 내지 25 중량%; 물 20 내지 40 중량%; 유기용매 40 내지 70 중량%;및 슬립제 및 자외선 안정제로 이루어진 군으로부터 선택된 단독 또는 이들의 혼합물인 첨가제 0.1 내지 5 중량%를 포함할 수 있다.
상기 열경화형 코팅제는 열을 가하면 단단히 굳게되는 코팅제로서, 전도성 고분자를 포함하여 전도성을 증가시켜 롤러의 표면 저항을 감소시키면서도 롤러의 경도가 상승되지 않아 토너 스트레스가 감소한다.
상기 열경화성 바인더는 아크릴계, 우레탄, 아크릴-우레탄 공중합체등을 사용할 수 있다.
상기 유기 용매는 이소프로필알코올, 에탄올, 메탄올, 물, 톨루엔, 에틸아세테이트 및 1-메틸-2-피롤리디논로 이루어진 군으로부터 선택된 단독 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다.
상기 광경화형 코팅제는 광경화형 하드코팅 조성물 10 내지 40 중량%; 전도성 고분자 3 내지 30 중량%; 광개시제 0.1 내지 5 중량%; 유기 용매 40 내지 80 중량%; 및 슬립제, 자외선 안정제 중에서 선택된 적어도 하나의 첨가제 0.1 내지 5 중량%을 포함한다.
상기 광경화형 코팅제는 빛을 조사하면 단단히 굳게 되는 코팅제로서, 전도성 고분자를 포함하여 롤러의 표면 저항을 감소시키면서도 경도를 상승시키지 않는다.
상기 광경화형 하드 코팅 조성물은 아크릴계 모노머, 콜로이드성 무기 산화물, 실란 화합물, 알킬-알콕시 아크릴레이트 모노머 또는 올리고머 및 콜로이드 안정제를 포함한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전도성 폴리우레탄 롤러의 제조방법을 도시한 것이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 전도성 폴리우레탄 롤러의 제조방법은 샤프트 장착 단계; 고무층 형성 단계; 및 전도성 코팅층 형성 단계를 포함한다. 또한, 상기 고무층 형성 단계후에 숙성 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 전도성 폴리우레탄 롤러의 제조방법에 의하면, 황삭, 중삭, 정삭등 여러 단계에 걸쳐 진행되는 연마공정없이도 우수한 표면 특성을 얻을 수 있어 공정이 단순화되고 간편하다. 또한 종래의 수평금형이 아닌 수직금형을 사용하여 재료의 소모가 감소된다. 즉 상기 공정에 의하면 공정이 단순화되어 간편하고 비용도 절감 된다.
상기 샤프트 장착 단계는 금형의 중심축에 샤프트를 장착하는 단계이다.
상기 샤프트는 롤러의 중심축으로 샤프트에 의해 화상 형성 장치에 장착되게 된다. 상기 샤프트는 당업계에 공지된 어느 것이나 제한없이 사용할 수 있다.
필요에 따라 샤프트 장착후 금형에 이형제를 도포할 수 있다. 이 때 금형은 수직 금형을 사용한다. 수직 금형을 사용함으로써 수평 금형을 사용할때보다 금형 밖으로 흘러나가는 재료의 양이 줄어 비용이 절약되고 공정이 간편하다.
상기 고무층 형성 단계는 상기 샤프트가 장착된 금형에 폴리우레탄 주액 및 경화제를 토출시켜 폴리우레탄 주액과 경화제의 반응에 의해 폴리우레탄 고무층을 형성하는 단계이다.
2액형 주형기에 폴리우레탄 주액 및 경화제를 주입하고 이를 동시에 80 내지 120℃의 수직 금형에 토출하고 폴리우레탄 주액 및 경화제를 10 내지 30분간 반응시켜 폴리우레탄 고무층을 형성한다. 상기에서 폴리우레탄 주액 및 경화제를 금형에 토출하기 전에, 금형의 온도는 60℃로 예열하고, 폴리우레탄 주액 및 경화제를 주형기에 주입하고 온도는 40℃를 유지하면서 탈포 및 고속 교반하는 과정을 거칠 수 있다.
상기 숙성 단계는 상기 고무층 형성 단계후에 샤프트를 포함한 폴리우레탄 고무층을 60 내지 100℃의 온도로 12 내지 24시간동안 방치하는 단계이다.
상기 숙성단계에 의해 미반응된 반응물의 반응이 완결될 수 있다.
상기 전도성 코팅층 형성 단계는 상기 폴리우레탄 고무층의 상면에 열경화성 또는 광경화성 코팅제를 도포하고 경화시켜 전도성 코팅층을 형성하는 단계이다.
황삭, 중삭, 정삭등 여러 단계에 걸친 연마 공정을 거치지 아니하고 상기와 같이 고무층의 상면에 전도성 코팅층을 형성함으로 제조공정이 단순화되고 비용이 절감된다.
상기 열경화형 코팅제 및 광경화형 코팅제는 디핑 또는 스프레이 방식에 의해 코팅될 수 있으며, 당업계에 공지된 코팅 방식이 제한없이 사용될 수 있다.
상기 열경화성 코팅제를 도포하는 경우에는 50 내지 90℃에서 1 내지 10 분동안 건조시켜 코팅층을 형성할 수 있다.
상기 광경화형 코팅제를 도포하는 경우에는 건조 후, 300 내지 500 mJ의 광량으로 경화할 수 있다.
상기 방법에 의해 제조된 전도성 폴리우레탄 롤러는 ASTM D257방식에 의해 측정한 표면 저항이 104 내지 1010 Ω/㎠ 이며, 경도는 쇼어 A타입 경도계로 측정시 30도 내지 50도(A)이다.
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 전도성 폴리우레탄 롤러의 사시도이다.
도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 전도성 폴리우레탄 롤러의 제조방법을 나타낸 것이다.

Claims (9)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 폴리우레탄 주액 및 경화제를 포함하는 폴리우레탄 고무층;
    상기 폴리우레탄 고무층의 중심부에 위치하는 샤프트; 및
    상기 폴리우레탄 고무층의 상면에 형성된 전도성 코팅층을 포함하고,
    상기 전도성 코팅층이 광경화형 하드코팅 조성물 10 내지 40 중량%; 전도성 고분자 3 내지 30 중량%; 광개시제 0.1 내지 5 중량%; 유기 용매 40 내지 80 중량%; 및 슬립제 및 자외선 안정제로 이루어진 군으로부터 선택된 단독 또는 이들의 혼합물 0.1 내지 5 중량%를 포함하는 광경화형 코팅제로 이루어지고,
    상기 광경화형 하드 코팅 조성물이 아크릴계 모노머, 콜로이드성 무기 산화물, 실란 화합물, 알킬-알콕시 아크릴레이트 모노머 혹은 올리고머 및 콜로이드 안정제를 포함하는 것을 특징으로 하는 전도성 폴리우레탄 롤러.
  7. 삭제
  8. 수직 금형의 중심축에 샤프트를 장착하는 샤프트 장착 단계;
    샤프트가 장착된 상기 금형에 폴리우레탄 주액 및 경화제를 토출시켜 폴리우레탄 주액과 경화제의 반응에 의해 샤프트를 포함한 폴리우레탄 고무층을 형성하는 고무층 형성 단계; 및
    상기 폴리우레탄 고무층의 상면에 광경화형 코팅제를 도포하고 경화시켜 코팅층을 형성하는 전도성 코팅층 형성 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 제6항의 전도성 폴리우레탄 롤러의 제조방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 고무층 형성 단계후에 샤프트를 포함한 폴리우레탄 고무층을 60 내지 100℃의 온도로 12 내지 24시간 동안 방치하는 숙성 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전도성 폴리우레탄 롤러의 제조방법.
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