DE69722695T2

DE69722695T2 - Fluoroelastomerteile

Info

Publication number: DE69722695T2
Application number: DE69722695T
Authority: DE
Inventors: Santokh S. Badesha; Che C. Chow; Roger N. Ciccarelli; George J. Heeks; Arnold W. Henry; Joseph R. Weber
Original assignee: Xerox Corp
Current assignee: Xerox Corp
Priority date: 1996-03-28
Filing date: 1997-03-12
Publication date: 2003-12-18
Anticipated expiration: 2017-03-13
Also published as: EP0798606A3; US5695878A; DE69722695D1; JPH1010894A; JP3913829B2; EP0798606B1; EP0798606A2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Fixiersystemelement und auf ein Verfahren zum Fixieren thermoplastischer Harztonerbilder auf ein Dokumentsubstrat. Genauer bezieht sich die vorliegende Erfindung auf Fixiersystemelemente mit einer Fluorelastomeroberfläche, die als Bestandteile elektrostatographischer Verfahren, insbesondere xerographischer Verfahren brauchbar sind, wobei Antragswalzen, Andruckwalzen, Fixierwalzen, Tonerübertragungsbänder oder Walzenoberflächen und dergleichen eingeschlossen sind. Die Fluorelastomeroberfläche weist verglichen mit durch bekannte Verfahren gehärteten Oberflächen eine ausreichende Festigkeit und eine ausgezeichnete chemische, physikalische und thermische Stabilität auf. Die Fixierelemente der vorliegenden Erfindung sind gegenüber einem Heißabschmieren weniger anfällig.
Bei einem typischen elektrostatographischen Kopiergerät wird ein Lichtbild eines zu kopierenden Originals in Form eines elektrostatischen Latentbildes auf einem lichtempfindlichen Element aufgezeichnet und das Latentbild wird nachfolgend durch das Aufbringen elektroskopischer Harz- und Pigmentteilchen, die gemeinhin als Toner bezeichnet werden, sichtbar gemacht. Das sichtbare Tonerbild liegt anschließend in loser, pulveriger Form vor und kann leicht durcheinandergebracht oder zerstört werden. Das Tonerbild wird üblicherweise auf einen Träger, der das lichtempfindliche Element selbst oder eine andere Trägerfolie wie etwa Normalpapier sein kann, festgelegt oder fixiert.
Die Verwendung thermischer Energie zum Fixieren von Tonerbildern auf ein Trägerelement ist wohlbekannt. Zum dauerhaften Fixieren elektroskopischen Tonermaterials auf eine Trägeroberfläche durch Wärme ist es üblicherweise notwendig, die Temperatur des Tonermaterials auf einen Punkt zu erhöhen, an dem die Bestandteile des Tonermaterials verlaufen und klebrig werden. Dieses Erhitzen bewirkt, daß der Toner in gewissem Ausmaß in die Fasern und Poren des Trägerelements fließt. Wenn das Tonermaterial danach abkühlt, bewirkt die Verfestigung des Toners, daß der Toner fest an den Träger gebunden wird.
Typischerweise werden die thermoplastischen Harzteilchen durch Erwärmen auf eine Temperatur von 90ºC bis 200ºC oder höher in Abhängigkeit vom Erweichungsbereich des jeweiligen, im Toner verwendeten Harzes an dem Substrat fixiert. Es ist jedoch unerwünscht, wegen der Neigung des Substrats, sich bei derart erhöhten Temperaturen, insbesondere wenn das Substrat Papier ist, zu verfärben oder Feuer zu fangen, die Temperatur des Substrats wesentlich höher als 250ºC zu erhöhen.
Mehrere Wege zum thermischen Fixieren elektroskopischer Tonerbilder sind beschrieben worden. Diese Verfahren schließen das Bereitstellen der Anwendung von Wärme und Druck im wesentlichen gleichzeitig durch verschiedene Mittel wie etwa ein in Druckkontakt gehaltenes Walzenpaar, ein Bandelement in Druckkontakt mit einer Walze und dergleichen ein. Wärme kann durch Erhitzen einer oder beider Walzen, Plattenelemente oder Bandelemente angewendet werden. Das Fixieren der Tonerteilchen findet statt, wenn die richtige Kombination aus Wärme, Druck und Kontaktzeit bereitgestellt wird. Das Ausgleichen dieser Parameter, um das Fixieren der Tonerteilchen herbeizuführen, ist in der Technik wohlbekannt und sie können so eingestellt werden, daß sie an besondere Maschinen oder Druckbedingungen angepaßt sind.
Während des Betriebs des Fixiersystems, bei dem Wärme angewendet wird, um das thermische Fixieren der Tonerteilchen auf einen Träger zu bewirken, läßt man sowohl das Tonerbild als auch den Träger durch einen zwischen dem Walzenpaar oder den Platten- oder Bandelementen gebildeten Spalt gehen. Die gleichzeitige Wärmeübertragung und die Anwendung von Druck in dem Spalt bewirkt das Fixieren des Tonerbilds auf den Träger. Es ist bei dem Fixierverfahren wichtig, daß während des normalen Betriebes kein Abschmieren der Tonerteilchen vom Träger auf das Fixierelement stattfindet. Tonerteilchen, die auf das Fixierelement abschmieren, können nachfolgend auf andere Teile der Maschine oder auf das Substrat bei nachfolgenden Kopierdurchläufen überführt werden, wodurch auf diese Weise der Hintergrund oder die Beeinträchtigung des zu kopierenden Materials erhöht werden. Das angeführte "Heißabschmieren" tritt dann auf, wenn die Tonertemperatur auf einen Punkt erhöht wird, wo sich die Tonerteilchen verflüssigen und ein Aufspalten des geschmolzenen Toners während des Fixiervorgangs stattfindet, wobei ein Teil auf dem Fixierelement zurückbleibt. Die Heißabschmiertemperatur oder die Erniedrigung der Heißabschmiertemperatur ist ein Maß für die Trenneigenschaft der Fixierwalze und es ist dementsprechend erwünscht, eine Fixieroberfläche bereitzustellen, die eine zum Liefern der benötigten Trennung niedrige Oberflächenenergie aufweist. Zum Sicherstellen und Erhalten guter Trenneigenschaften der Fixierwalze ist es üblich, während des Fixiervorgangs Trennmittel auf die Fixierwalze aufzubringen. Typischerweise werden diese Materialien als dünne Filme aus zum Beispiel Silikonölen zum Verhindern eines Tonerabschmierens aufgebracht.
Fixiersysteme unter Verwenden von Fluorelastomeren als Oberflächen für Fixierelemente werden im US-Patent 4 264 181 an Lentz et al., US-Patent 4 257 699 an Lentz und US-Patent 4 272 179 an Seanor beschrieben.
Das US-Patent 5 017 432 beschreibt eine Fixieroberflächenschicht, die aus einem speziellen Fluorelastomer, Poly(vinylidenfluorid-hexafluorpropylentetrafluorethylen), erhalten wurde, wobei das Vinylidenfluorid in einer Menge von weniger als 40 Gewichtsprozent vorhanden ist. Dieses Patent beschreibt weiter das Härten des Fluorelastomers mit von E.I. Du Pont de Nemours, Inc. erhältlichem VITON® Curative No. 50 (VC-50), das in einer Lösungsmittellösung des Polymers in niedrigem Grundgehalt löslich ist und an den reaktionsfähigen Stellen zum Vernetzen leicht zur Verfügung steht. Das Patent offenbart ferner die Verwendung eines Metalloxids (wie etwa Kupferoxid) außer VC-50 zum Härten.
Das US-Patent 5 061 965 an Ferguson et al. offenbart eine Antragsschicht aus einem Elastomertrennmittel, das Poly(vinylidenfluorid-hexafluorpropylentetrafluorethylen), wobei das Vinylidenfluorid in einer Menge von weniger als 40 Gewichtsprozent vorliegt, und ein Metalloxid umfaßt. Die Trennmittelantragsschicht wird mit einem nukleophilen Härtungsmittel in Gegenwart einer anorganischen Base gehärtet.
Im allgemeinen schließt das Verfahren zum Liefern der Elastomeroberfläche auf dem Fixiersystemelement, z. B. Antragswalze, Andruckwalze, Tonerübertragungsband oder Walzenoberflächen und dergleichen, das Bilden einer Lösungsmittellösung/-dispersion durch Mischen eines in einem Lösungsmittel wie etwa Methylethylketon und Methylisobutylketon gelösten Fluorelastomers, eines Fluorwasserstoff abspaltenden Mitttels wie etwa eine Base, zum Beispiel die basischen Metalloxide MgO und/oder Ca(OH)&sub2;, und eines nukleophilen Härtungsmittels wie etwa VC-50, das einen Beschleuniger und ein Vernetzungsmittel umfaßt, und das Auftragen der Lösungsmittellösungl-dispersion auf das Substrat ein. Die Oberfläche wird anschließend schrittweise wärmegehärtet. Vor der schrittweisen Wärmehärtung wird üblicherweise 2 bis 24 Stunden ein Kugelmahlen ausgeführt.
Das Härten kann bei der Herstellung von Fluorelastomeroberflächen als wichtig angesehen werden. Der Härtungsgrad ist darin wichtig, daß er die Hochtemperaturstabilität zusammen sowohl mit den chemischen als auch physikalischen Eigenschaften der Elastomeren beeinflußt. Die Hochtemperaturstabilität ist für Fixiersubsystemanwendungen von Bedeutung, wogegen eine unvollständige Härtung die Übertragungsleistung flüssiger und trockener Toner nachteilig beeinflussen kann. Fluorelastomere werden wie vorstehend angeführt gehärtet, wobei der Zusatz Fluorwasserstoff abspaltender Mittel umfaßt wird. Die Fluorwasserstoff abspaltenden Mittel erzeugen Doppelbindungen, die auf dem Fluorelastomer Vernetzungsstellen liefern. Beispiele von Härtungsmitteln schließen Peroxide (zum Beispiel Bis(2,4-dichlorbenzoyl)peroxid, Dibenzoylperoxid, Dicumylperoxid, Di-tert-butylperoxid und 2,5-Dimethyl-2,5-bis(t-butylperoxy)hexan), Diamine, Hydride, Oxide und dergleichen ein. Die bevorzugten Härtungsmittel sind die basischen Metalloxide (MgO und Ca(OH)2) und aliphatische und aromatische Amine, worin die aromatischen Gruppen Benzol, Toluol, Naphthalin, Anthracen und dergleichen sein können. Die besonders bevorzugten Härtungsmittel sind die nukleophilen Härtungsmittel wie etwa VC-50, das einen Beschleuniger (wie etwa ein quaternäres Phosphoniumsalz oder - salze) und ein Vernetzungsmittel (Bisphenol AF) umfaßt. VC-50 ist bevorzugt, da es das thermisch stabilere Produkt liefert. Der Härtungsbestandteil kann auch nach dem Kugelmahlen in Form einer Lösung zugefügt werden. Das sich daraus ergebende Elastomer wird auf einem Substrat bereitgestellt. Normalerweise erfolgt als nächstes die schrittweise Wärmehärtung durch 2 Stunden Wärmehärtung bei etwa 93ºC, gefolgt von 2 Stunden bei 149ºC, 2 Stunden bei 177ºC und 16 Stunden bei 208ºC.
Bekannte Härtungsverfahren erfordern außer Fluorwasserstoff abspaltenden Mitteln, wie etwa die basischen Metalloxide MgO und Ca(OH)&sub2;, den Zusatz von Härtungsmitteln und Vernetzungsmitteln. Diese Härtungs- und Vernetzungsmittel erhöhen zusammen mit den basischen Metalloxiden die Kosten des Herstellungsverfahrens ungemein. Außerdem ist normalerweise bei bekannten Härtungsverfahren, bei denen basische Metalloxide verwendet werden, ein Walzenmahlen und/oder Kugelmahlen erforderlich. Walzenmahlen und/oder Kugelmahlen kann ein äußerst kostspieliges und zeitaufwendiges Verfahren sein, das irgendwo zwischen 2 bis 24 Stunden bis zum Abschluß erfordert. Außerdem muß das Härtungsverfahren sehr sorgfältig und besonders genau verfolgt werden, um Fluorelastomere mit ausreichender chemischer, physikalischer und thermischer Stabilität zusammen mit ausreichender Festigkeit zu bilden.
Weiterhin neigen Entwickler- und/oder Tonerharze, insbesondere niedrigschmelzende Tonerharze dazu, mit den in der gehärteten Fluorelastomeroberfläche vorhandenen Metalloxiden zu reagieren, was sie dazu veranlaßt, an die Metalloxide zu binden. Das Ergebnis ist, daß Toner an der Oberfläche des Fixierelements haftet, was zu einem Heißabschmieren führt.
Das US-Patent 5 366 772 an Badesha et al. offenbart ein Fixierelement, das ein Trägersubstrat und eine äußere Schicht umfaßt, die sich aus einem daran angebrachten interpenetrierenden Hybridpolymernetzwerk zusammensetzt, das ein Halogenelastomer, ein Kupplungsmittel, ein funktionelles Polyorganosiloxan und ein Vernetzungsmittel umfaßt.
Ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist das Bereitstellen eines Fixiersystemelements, das eine Fluorelastomeroberfläche mit sowohl ausreichender Festigkeit als auch ausreichender chemischer, physikalischer und thermischer Stabilität aufweist und das das Anhaften von Toner an der Oberfläche verringert.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist das Bereitstellen von Fixierelementsystemen mit vielen der hierin angegebenen Vorteile.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist das Bereitstellen eines Fixierelementes mit einer Fluorelastomeroberfläche und eines Verfahrens zum Fixieren thermoplastischer Harztonerbilder auf einem Trägersubstrat, das keine Verwendung zusätzlicher Kupplungs- und Vernetzungsmittel erfordert.
Noch ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist das Bereitstellen eines Fixierelements mit einer Fluorelastomeroberfläche und eines Verfahrens zum Fixieren thermoplastischer Harztonerbilder auf einem Trägersubstrat, das nicht die Verwendung eines Härters erfordert, der erneut dispergiert werden muß.
Noch ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist das Bereitstellen eines Fixierelements mit einer Fluorelastomeroberfläche zusammen mit einem Verfahren zum Fixieren thermoplastischer Harztonerbilder auf einem Trägersubstrat, das kein zeitraubendes und kostspieliges Walzenmahlen und/oder Kugelmahlen erfordert.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Fixiersystemelement (1) bereit, umfassend ein Trägersubstrat (4) und eine äußere Oberflächenschicht (2), die ein Reaktionsprodukt umfaßt, das durch Umsetzen eines Fluorelastomers und eines Aminosilans in Abwesenheit eines Kupplungsmittels, eines Vernetzungsmittels und eines basischen Metalloxids erhalten wurde.
Die vorliegende Erfindung stellt weiter ein Verfahren zum Fixieren thermoplastischer Harztonerbilder auf einem Dokumentsubstrat bereit, umfassend (a) das Bilden eines Filmes aus einem polymeren Trennmittel mit funktionellen Gruppen auf der Oberfläche eines erhitzten Fixiersystemelements (1), wobei das Fixiersystemelement (1) ein Trägersubstrat (4) mit einer ein Fluorelastomer umfassenden äußeren Oberflächenschicht (2) umfaßt, wobei die Fluorelastomeroberfläche durch Lösen eines Fluorelastomers, Zufügen und Umsetzen eines Aminosilans in Abwesenheit eines Kupplungsmittels, eines Vernetzungsmittels und eines basischen Metalloxids unter Bilden eines homogenen Fluorelastomers und nachfolgend Versehen des Trägersubstrats mit einer Oberflächenschicht aus der homogenen Fluorelastomerlösung hergestellt wird, (b) das Zusammenbringen von Tonerbildern auf dem Dokumentsubstrat mit der erhitzten Fluorelastomeroberfläche (2) über einen zum Erweichen des Toners ausreichenden Zeitraum und (c) - das Fließenlassen des Toners in das Dokumentsubstrat.
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden in den Unteransprüchen aufgeführt.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Fixiersystemelement bereit, das ein Trägersubstrat und eine äußere Oberflächenschicht umfaßt, die ein Reaktionsprodukt eines Fluorelastomers und eines Aminosilans umfaßt. Die Fluorelastomeroberfläche zeigt eine ausreichende chemische, physikalische und thermische Stabilität zusammen mit ausreichender Festigkeit ohne das Bedürfnis nach zusätzlichen Materialien wie etwa Kupplungsmittel und Vernetzungsmittel und basische Metalloxide und ohne die zeitraubenden und kostspieligen Walzenmahl- und/oder Kugelmahlschritte. Außerdem haftet an der Fixierelementoberfläche weniger Tonerharz an.
Fig. 1 stellt eine Querschnittsansicht eines Fixiersystems dar, bei dem das Fixierelement der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann.
Ein bekanntes Fixiersystem umfaßt eine erhitzte, zylinderförmige Fixierwalze mit einer Fixieroberfläche mit einer rückseitigen zylinderförmigen Druckwalze, die dazwischen einen Fixierspalt bildet. Eine Trennmittelantragswalze ist ferner zum Zuführen von Trennmittel an die Fixierwalze vorgesehen. Obschon die physikalischen und leistungsmäßigen Eigenschaften jeder dieser Walzen und insbesondere ihrer funktionellen Oberflächen in Abhängigkeit von den verschiedenen Eigenschaften des gewünschten Fixiersystems nicht genau gleich sind, werden typischerweise dieselben Klassen Materialien für eine oder mehr Walzen in einem Fixiersystem in einem elektrostatographischen Bilderzeugungs- oder Drucksystem verwendet.
Das vorliegende Verfahren ermöglicht in Ausführungsformen wie zusammen mit einer in Fig. 1 dargestellten Fixiersystemanordnung beschriebene Oberflächen, worin das Bezugszeichen 1 eine Fixierwalze bezeichnet, die eine Elastomeroberfläche 2 auf einem geeigneten Grundelement 4, einem aus irgendeinem geeigneten Metall wie etwa Aluminium, anodisiertes Aluminium, Stahl, Nickel, Kupfer und dergleichen gefertigten Hohlzylinder oder Kern mit einem in dessen sich in Zylinderrichtung erstreckendem, hohlem Teil angebrachten, geeigneten Heizelement 6 umfaßt. Die Stütz- oder Andruckwalze 8 wirkt mit der Fixierwalze 1 unter Bilden eines Spaltes oder Kontaktwinkels 10 zusammen, durch den ein Kopierpapier oder ein anderes Substrat 12 hindurch geht, so daß Tonerbilder 14 darauf die Elastomeroberfläche 2 der Fixierwalze 1 berühren. Wie in Fig. 1 dargestellt, weist die Stützwalze 8 einen starren Stahlkern 16 mit einer Elastomeroberfläche oder -schicht 18 darauf auf. Der Sumpf 20 enthält polymeres Trennmittel 22, das bei Raumtemperatur ein Feststoff oder eine Flüssigkeit sein kann, bei Betriebstemperaturen aber ein Fluid ist.
Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform zum Aufbringen des polymeren Trennmittels 22 auf die Elastomeroberfläche 2 sind zwei Trennmittelantragswalzen 17 und 19 in der angegebenen Richtung drehbar zum Befördern des Trennmittels 22 zur Elastomeroberfläche 2 vorgesehen. Die Antragswalze 17 taucht zum Teil in den Sumpf 20 ein und befördert auf ihrer Oberfläche Trennmittel aus dem Sumpf zur Antragswalze 19. Durch Verwenden einer Meßklinge 24 kann eine Schicht aus polymerem Trennfluid zuerst auf die Antragswalze 19 und nachfolgend auf das Elastomer 2 in kontrollierter Dicke, die von Submikrometerdicke bis zu einer Dicke von mehreren Mikrometer Trennfluid reicht, aufgebracht werden. So kann durch die Meßvorrichtung 24 Trennfluid in einer Dicke von 0,1 bis 2 Mikrometer oder größerer Dicke auf die Oberfläche des Elastomers 2 aufgetragen werden.
Beispiele der bei der Ausführung der vorliegenden Erfindung brauchbaren Fluorelastomeren sind in den US-Patenten 5 166 031, 5 281 506, 5 366 772, 5 370 931, 4 257 699, 5 017 432 und 5 061 965 genau beschriebenen. Wie darin beschrieben sind diese Fluorelastomeren, insbesondere aus der Klasse der Copolymeren und Terpolymeren von Vinylidenfluorid, Hexafluorpropylen und Tetrafluorethylen im Handel unter verschiedenen Bezeichnungen als VITON A®, VITON B®, VITON E®, VITON E60C®, VITON E430®, VITON 910®, VITON GH® und VITON GF® bekannt. Die Bezeichnung VITON® ist ein Warenzeichen der E.I. Du Pont de Nemours, Inc. Andere im Handel erhältliche Materialien schließen FLUOREL 2170®, FLUOREL 2174®, FLUOREL 2176®, FLUOREL 2177® und FLUOREL LVS 76® ein, wobei FLUOREL® ein Warenzeichen der 3M Company ist. Weitere im Handel erhältliche Materialien schließen sowohl AFLASm, ein Poly(propylentetrafluorethylen) und FLUOREL II® (LI1900), ein Poly(propylen-tetrafluorethylenvinylidenfluorid) ein, die beide ebenfalls von der 3M Company erhältlich sind, als auch die als FOR-60KIR®, FOR-LHF®, NM® FOR-THF®, FOR-TFS®, TH®, TN505® bezeichneten, von der Montedison Specialty Chemical Company erhältlichen Tecnoflone ein. Einige VITON-Zusammensetzungen enthalten geringe Mengen Olefin mit Bromendgruppen als Monomer mit einer Härtungsstelle. Dies erlaubt das Härten mit Dinukleophilen oder Peroxiden.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Fluorelastomer eines mit einer verhältnismäßig geringen Menge an Vinylidenfluorid, wie etwa bei dem von E.I. Du Pont de Nemours, Inc. erhältlichen VITON GF®. VITON GF® enthält 35 Gewichtsprozent Vinylidenfluorid, 34 Gewichtsprozent Hexafluorpropylen und 29 Gewichtsprozent Tetrafluorethylen mit 2 Gewichtsprozent Monomer mit einer Härtungsstelle. Die zum Bereitstellen der Oberfläche des Fixiersystemelements gemäß der vorliegenden Erfindung zu verwendende Menge Fluorelastomer hängt von der zum Bilden der gewünschten Dicke der Schicht oder Schichten Oberflächenmaterial ab. Genauer wird das Fluorelastomer in einer Menge von 1 bis 75 Prozent und vorzugsweise 5 bis 30 Gewichtsprozent zugesetzt.
Jedes bekannte Lösungsmittel, das zum Lösen eines Fluorelastomers geeignet ist, kann in der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Beispiele geeigneter Lösungsmittel schließen Methylethylketon, Methylisobutylketon, andere organische Lösungsmittel und dergleichen ein. Das Lösungsmittel wird in einer zum Lösen des Fluorelastomers ausreichenden Menge verwendet. Genauer wird das Lösungsmittel in einer Menge von 25 bis 99 Prozent und vorzugsweise von 70 bis 95 Prozent verwendet. Das Fluorelastomer wird in dem Lösungsmittel durch bekannte Mittel wie etwa Rühren gelöst. Es ist bevorzugt, das Gemisch heftig mit der Hand oder mittels eines mechanischen Rührers zu rühren. Das Rühren sollte 1 bis 10 Stunden und vorzugsweise 2 bis 5 Stunden andauern.
Das Fluorwasserstoff abspaltende Mittel, das das Fluorelastomer unter Erzeugen einer Doppelbindung angreift, ist aus der Gruppe der starken nukleophilen Mittel wie etwa Peroxide, Hydride, Basen, Oxide, Amine und dergleichen ausgewählt. Beispiele starker nukleophiler Mittel schließen primäre, sekundäre und tertiäre, aliphatische und aromatische Amine ein, wobei die aliphatischen und aromatischen Amine 2 bis 15 Kohlenstoffatome aufweisen. Ferner sind aliphatische und aromatische Diamine mit 6 bis 30 Kohlenstoffatomen und 2 bis 15 Kohlenstoffatome enthaltende Triamine eingeschlossen, wobei die aromatischen Gruppen Benzol, Toluol, Naphthalin, Anthracen und dergleichen sein können. Bei den aromatischen Diaminen und Triaminen ist es im allgemeinen bevorzugt, daß die aromatische Gruppe in der ortho-, meta- und para-Stellung substituiert ist. Typische Substituenten schließen Niederalkylaminogruppen mit 1 bis 6 Kohlenstoffen wie etwa Ethylamino, Propyiamino und Butylamino ein, wobei Propylamino bevorzugt ist.
Das Aminosilan als Härtungs- und/oder Fluorwasserstoff abspaltendes Mittel liegt in Ausführungsformen im Reaktionsgemisch in einer wirksamen Menge von zum Beispiel 0,5 bis 10% (Gewichtsprozent) bezogen auf das Gewicht des Fluorelastomers vor. Es ist bevorzugt, daß das Aminosilan in einer Menge von 1 bis 5% vorhanden ist. 1 bis 2% sind besonders bevorzugte Mengen.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann das Aminosilan als Fluorwasserstoff abspaltendes Mittel zu Beginn des Verfahrens zum Liefern einer Fluorelastomeroberfläche verwendet werden und es ist kein weiteres Härtungsmittel notwendig. Das Aminosilan wirkt außer dem Härtungsmittel als Fluorwasserstoff abspaltendes Mittel. Wahlweise kann ein Fluorwasserstoff abspaltendes Mittei zugesetzt werden und das Fluorelastomer durch das Aminosilan als Härtungsmittel gehärtet werden. Das Fluorwasserstoff abspaltende Mittel kann wie vorstehend aufgeführt oder ein Aminosilan sein.
Obschon der Mechanismus der Reaktion mit dem Aminosilan nicht genau bekannt ist, wird angenommen, daß die Aminoverbindungen sowohl als Vernetzungsmittel als auch als Kupplungsmittel wirken. Es besteht daher kein Bedarf am Zusetzen weiterer Kupplungsmittel, Vernetzungsmittel und basischer Metalloxide während des Härtungsverfahrens. Genauer ist das Aminosilan ein Silan mit einer Aminoalkylfunktionalität und weist an einem Ende eine Aminfunktionalität und am anderen ein Trialkoxysilan auf. Die Doppelfunktionalität des Aminosilans legt nahe, daß das Amin an das Fluorpolymer chemisch gebunden ist, was es der Trialkylsilanfunktionalität erlaubt, unter gewissen Bedingungen eine Kondensationsreaktion zwischen Fluorpolymermolekülen zu bewirken. Im Gegensatz dazu ist der wahrscheinlichste Mechanismus für VC-50 und andere bekannte Härtungsmittel, daß das Vernetzen von Fluorpolymerketten über eine einzige reaktionsfähige Funktionalität erfolgt.
Genauer ist das Aminosilan von der allgemeinen Formel NH&sub2;(CH&sub2;)nNH&sub2;(CH&sub2;)mSi((OR)t(R')w], worin n und m Zahlen von 1 bis 20 und vorzugsweise von 2 bis 6 sind, t + w = 3, R und R' gleich oder verschieden sind und eine aliphatische Gruppe von 1 bis 20 Kohlenstoffatomen wie etwa Methyl, Ethyl, Propyl, Butyl und dergleichen oder eine aromatische Gruppe von 6 bis 18 Kohlenstoffen, zum Beispiel Benzol, Tolyl, Xylyl und dergleichen sind. Beispiele von Aminäsilanen schließen 4-Aminobutyldimethyl-methoxysilan, 4-Aminobutyl-triethoxysilan, (Aminoethylaminomethyl)phenyi-triethoxysilan, N-(2-Aminoethyl)-3-aminopropyimethyl-dimethoxysilan, N-(2-Aminoethyl)-3- aminopropyl-trimethoxysilan, N-(2-Aminoethyl)-3-aminopropyl-tris(2-ethylhexoxy)silan, N- (6-Aminohexyl)aminopropyl-trimethoxysilan, 3-(1-Aminopropoxy)-3,3-dimethyl-1-propenyl-trimethoxysilan, 3-Aminopropyi-tris(methoxyethoxyethoxy)silan, 3-Aminopropyldimethyl-ethoxysilan, 3-Aminopropylmethyl-diethoxysüan, 3-Aminopropyl-diisopropylethoxysilan, 3-Aminopropyl-triethoxysilan, 3-Aminopropyl-trimethoxysilan oder 3-Aminopropyltris(trimethyisiloxy)silan ein. Besonders bevorzugte Aminosilane sind AO700 (N-(2-Aminoethyl)-3-aminopropyltrimethoxysilan), 3-(N-Styrylmethyl-2-aminoethylamino)propyltrimethoxysilan-hydrochlorid und (Aminoethylaminomethyl), Phenethyltrimethoxy, die alle von Huls of America, Inc. hergestellt werden.
Typische Freiradikalpolymerisationsinitiatoren sind Peroxide und Azonitrile, insbesondere Benzoylperoxid und Azoisobutyronitril, AIBN. Die Polymerisationsinitiatoren liegen in dem Reaktionsgemisch in einer wirksamen Menge von zum Beispiel 1 bis 20% und vorzugsweise 2 bis 10% vor.
Andere Zusatzstoffe und Füllstoffe können in das Elastomer gemäß der vorliegenden Erfindung aufgenommen werden, vorausgesetzt, daß sie den Zusammenhalt des Fluorelastomers nicht nachteilig beeinflussen. Derartige, normalerweise beim Mischen von Elastomeren angetroffene Füllstoffe schließen Farbmittel, verstärkende Füllstoffe und Verarbeitungshilfen ein. Oxide wie etwa Kupferoxide können in bestimmten Mengen wie etwa zum Beispiel von 1 bis 10 Vol.% Fixierwalzenüberzügen zugesetzt werden, um genügend Verankerungsstellen für funktionelle Trennöle zu liefern und dadurch die ausgezeichneten Tonerfreisetzungseigenschaften derartiger Elemente zu gestatten.
Das Substrat für das Fixierelement der Fixiersystemanordnung kann eine Walze, ein Band, eine ebene Oberfläche oder eine andere geeignete Form sein, die beim Fixieren thermoplastischer Tonerbilder auf ein geeignetes Substrat verwendet werden. Es kann die Form eines Fixierelements, eines Andruckelements oder Trennmittelantragelements, vorzugsweise die Form einer zylinderförmigen Walze annehmen. Typischerweise nimmt das Substrat die Form eines zylinderförmigen Rohres aus Aluminium, Kupfer, Stahl oder bestimmten Kunststoffmaterialien an, die sowohl zum Erhalt der Festigkeit, des strukturellen Zusammenhalts als auch dazu ausgewählt sind, in der Lage zu sein, das Fluorelastomer darauf beschichtet und fest daran haftend aufzuweisen. Der Substratdurchmesser beträgt von 10 bis 100 mm und vorzugsweise von 40 bis 75 mm. Es ist bevorzugt, daß das Trägersubstrat eine zylinderförmige Hülse mit einer Außenschicht von 1 bis 6 mm ist.
Wahlfreie Haftzwischenschichten und/oder Elastomerschichten können zum Erzielen bestimmter erwünschter Eigenschaften und Leistungsvorgaben der vorliegenden Erfindung aufgebracht werden. Gewünschtenfalls können sich eine oder mehr und vorzugsweise bis zu 10 Zwischenschichten zwischen dem Substrat und der Außenschicht aus gehärtetem Fluorelastomer befinden. Die Dicke der Zwischenschicht(en) beträgt zum Beispiel von 0,5 bis 20 mm und vorzugsweise von 1 bis 5 mm. Typische Materialien mit den für derartige Schichten geeigneten thermischen und mechanischen Eigenschaften schließen Süikonelastomere, Fluorelastomere und mit TEFLON® PFA umhüllte EPDM- Walzen (Ethylenpropylendienmonomer) ein. Bevorzugte Zwischenschichten schließen Elastomerschichten und Haftschichten ein. Eine Haftschicht kann aus einer polymeren Verbindung ausgewählt werden, die aus Epoxyharzen und Silanen, zum Beispiel Epoxyharzen, Polysilanen und Polysiloxanen ausgewählt ist. Bevorzugte Haftmaterialien sind gesetzlich geschützte Materialien wie etwa THIXON 403/404, Union Carbide A-1100, Dow TACTIX 740, Dow TACTIX 741 und Dow TACTIX 742. Ein besonders bevorzugtes Härtungsmittel für die vorstehend angeführten Haftmittel ist Dow H41. Bevorzugte Elastomerschichten umfassen ein Halogenelastomer oder ein Silikonelastomer. Die Dicke der Zwischenschicht beträgt von 0,5 bis 20 mm, vorzugsweise von 1 bis 5 mm.
Eine Silikonelastomer-Zwischenschicht kann entsprechend herkömmlicher Techniken wie etwa Spritzgießen und Gießen aufgebracht werden, wonach sie bis zu 15 Minuten und bei 120º bis 180ºC unter Liefern einer vollständigen Härtung ohne einen bedeutsamen Nachhärtungsvorgang gehärtet wird. Dieser Härtungsvorgang sollte im wesentlichen vollständig sein, um ein Ablösen des Silikonelastomers von dem Kern zu verhindern, wenn er der Form entnommen wird. Danach wird die Oberfläche des Silikonelastomers zum Entfernen des Formentrennmittels geschliffen und mit einem Lösungsmittel wie etwa Isopropylalkohol zum Entfernen allen Schleifstaubs sauber gewischt. Die Zwischenschicht kann auch aus Fluorelastomeren wie VITON GF® hergestellt werden, wobei eine typische Zusammensetzung durch zum Beispiel Zufügen von 30 Teilen Ruß wie REGAL N991® auf 100 Teile VITON GF® hergestellt wird, gefolgt vom Gummimischen in einem Branbury-Mischer und danach Spritzgießen auf einen Metallkern. Wahlweise kann die Zwischenschicht gemäß der vorliegenden Erfindung gebildet werden.
Die Außenschicht des Fixierelements wird vorzugsweise durch Lösen des Fluorelastomers in einem typischen Lösungsmittel wie etwa Methylethylketon, Methylisobutylketon und dergleichen hergestellt. Ein nukleophiles Fluorwasserstoff abspaltendes Mlittel, vorzugsweise Aminosilan, wird anschließend zugefügt, gefolgt von 15 bis 60 Minuten Rühren bei 45ºC bis 85ºC. Die sich daraus ergebende Lösung wird anschließend zum Herstellen der Außenschicht eines Fixierelements durch herkömmliche Lösungsauftragverfahren, Sprühen, Tauchen, Fließbeschichtung oder dergleichen verwendet. Die Beschichtungsdicke kann in Abhängigkeit von speziellen Anwendungen von 10 bis 250 Mikrometer dick schwanken. Die Beschichtung wird zuerst luftgetrocknet und anschließend an der Luft schrittweise wärmegehärtet. Für Fixieranwendungen kann die Dicke der trockenen Fluorelastomerschicht von jeder geeigneten Dicke, zum Beispiel von 25 bis 75 Mikrometer und vorzugsweise von 35 bis 50 Mikrometer sein. Dieser Dickenbereich wird zum Liefern einer zum Verhindern einer großen Wärmedämmung zum Fixieren dünn genugen und zum Gestatten einer angemessenen Verschleißdauer dick genugen Schicht gewählt. Obschon Gieß-, Extrusions- und Umwickeltechniken alternative Mittel sind, die verwendet werden können, ist es bevorzugt, ein nachfolgendes Auftragen der Lösungsmittellösung zu sprühen oder fließzubeschichten. Wenn die gewünschte Dicke der Beschichtung erhalten worden ist, wird die Beschichtung gehärtet und dadurch an die Walzenoberfläche gebunden.
Die Härtungszeit ist zum Beispiel 30 Minuten bis 24 Stunden und 1 bis 24 Stunden sind bevorzugt und 1 bis 2 Stunden sind besonders bevorzugt. Die Härtungstemperatur beträgt 100 bis 150ºC und vorzugsweise 130 bis 150ºC.
Die Oberflächen enthalten keine basischen Metalloxide, die dazu neigen, an Entwickler- und/oder Tonerharze zu binden, was eine Toneransammlung auf der Fixierelementoberfläche bewirkt und ein Heißabschmieren verursacht und wiederum zur einer schlechten Kopienqualität einschließlich Tonerflecken auf dem Kopiensubstrat, unvollständiger Bildübertragung, kürzerer Fixierwalzentrennzeit und dergleichen führt. Da das beschriebene Härtungsverfahren ein Aminosilan als Härtungsmittel verwendet, sind die basischen Metalloxide nicht notwendig.
Harze, die eine Neigung zum Binden an Fixierelementoberflächen aufweisen, die Metalloxide in dem fertigen Oberflächenprodukt enthalten, schließen Polyesterharze und ferner Tonerharze ein, die aus niedrigschmelzenden Teilchen wie etwa ungesättigten Polyestern bestehen. Spezielle Beispiele schließen SPAR ein, das ein polymeres Veresterungsprodukt aus einer Dicarbonsäure und einem ein Diphenol umfassenden Diol ist. Ein SPAR-Harz wird im US-Patent 3 590 000 an Palermiti et al. beschrieben. Andere Beispiele niedrigschmelzende Harze umfassender Toner schließen die in den US-Patenten 5 277 460, 5 376 494, 5 401 602 und 5 324 611 veranschaulichten ein. Das Binden der Harze an die Fixierelementoberfläche erfolgt entweder durch direkte Reaktion mit einem Metall wie etwa Mg oder Ca oder durch Spaltung der in dem Harz vorhandenen Doppelbindungen durch basische Metalloxide wie etwa Ca(OH)&sub2; und/oder MgO. In Ausführungsformen werden die Oberflächen der Erfindung durch ein Verfahren gebildet, das das Bedürfnis nach eine starke Base enthaltenden Verbindungen wie etwa Ca(OH)&sub2; und/oder MgO und alle ionischen Metalle entbehrlich macht. Daher weist das Harz keine Metalloxide oder ionischen Metalle, um daran zu binden auf. Das Ergebnis ist eine Oberfläche, die eine langsamere Toner- und/oder Entwickleransammlungsrate und Kopiersubstrate mit geminderten Tonerbildern fortführt.
Die vorliegende Erfindung verringert die mit dem Bereitstellen einer Fluorelastomeroberfläche auf einem Trägersubstrat verbundenen Kosten und Zeit stark. Genauer verzichtet die vorliegende Erfindung auf die mit Materialien verbundenen, zusätzlichen Kosten, die früher zum Bewirken einer Härtung notwendig waren, wie etwa das Kupplungs- und Vernetzungsmittel und basische Metalloxide. Das Aminosilan ist sowohl als Fluorwasserstoff abspaltendes Mittel als auch als Härtungsmittel wirksam. Außerdem sind der Walzmahl- oder letzte Kugelmahlschritt bedeutsame, mit dem Härtungsverfahren verbundene Kosten. Durch Verzicht auf die Notwendigkeit des Walzmahl- oder letzten Kugelmahlschrittes spart die vorliegende Erfindung sowohl Zeit als auch Kosten ein. Die Herstellungskosten je Einheit können mit Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wesentlich verringert werden.
Außer der Kostenverringerung und Zeitersparnis wird durch Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eine Fluorelastomeroberfläche mit ausreichender chemischer, physikalischer und thermischer Stabilität und erhöhter Festigkeit bereitgestellt. Weiterhin besteht eine Abnahme bei der Toner- und/oder Entwicklerharzansammlung auf der Fixierelementoberfläche aufgrund eines Mangels an Metallionen und/oder Metalloxiden in der fertigen Fixierelementoberfläche.
Die folgenden Beispiele definieren und beschreiben Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung weiter. Solange nicht anders angegeben sind alle Teile und Prozentangaben in Gewicht.

Beispiel 1

Herstellung einer Fixierwalze aus mit einem Aminosilan und VC-50 gehärtetem Viton GF

Eine Lösung wurde durch Lösen von 2500 Gramm Viton GF in 25 Liter eines 3 : 1-Gemisches aus Methylethylketon (MEK) und Methylisobutylketon (MIBK) durch Rühren bei Raumtemperatur (25ºC) hergestellt. Dies wird von heftigem Rühren mittels eines mechanischen Rührers begleitet. In Abhängigkeit von der Rührintensität werden ungefähr zwei bis vier Stunden zum Ende des Auflösens benötigt. Die sich daraus ergebende Lösung wurde anschließend als Vorratslösung zum Herstellen von Fixierwalzenbeschichtungen verwendet. Der vorstehenden Lösung wurden zwei Portionen zu 1000 Gramm entnommen.
Eine Menge von 1000 Gramm der vorstehenden, durch VC-50 zu härtenden Lösung (Teil A) wurde einem Mahlbecher mit Mahlmedium zugefügt. Außerdem wurden 5 Gramm Du Pont Curative VC-50-Katalysator als Vernetzungsmittel in 45 Gramm Methylethylketon, 2, 2 Gramm Calciumhydroxid und 4, 4 Gramm Magnesiumoxid dem vorstehenden Becher zugesetzt. Der Becherinhalt wurde anschließend 17 bis 24 Stunden kugelgemahlen. Diese Dispersion wurde als Teil A gekennzeichnet und wurde später zum Herstellen von Fixierwalzen verwendet.
Der zweiten Portion zu 1000 Gramm des vorstehenden, mit A0700 zu härtenden Viton GF (Teil B) wurden 2 Gramm N-(2-Aminoethyl-3-aminopropyl)-trimethoxysilan (A0700, von Huls of America, Inc., Piscataway, N. J.) zugesetzt. Die Lösung wurde etwa zwei Minuten mit Unterstützung eines mechanischen Rührers gerührt und wurde anschließend zum Herstellen von Fixierwalzen verwendet. Diese Lösung wurde als Teil B gekennzeichnet.

Herstellung von Fixierwalzen und Test der Vorrichtung

Sowohl Teil A als auch Teil B wurden als Dispersionen zum Herstellen von Fixierwalzenoberflächen durch herkömmliche Sprüh- oder Fließbeschichtungsverfahren verwendet. Eine wärmeleitfähige Silikonschicht wurde über einen Aluminiumhohlkern mit einem Außendurchmesser von 48 mm druckgegossen oder preßgespritzt. Nachdem die leitende Silikonschicht vernetzt worden war, wurde sie auf eine Dicke von 1,25 mm abgeschliffen. Oben auf diese Schicht wurden einzelne Walzen unter Verwenden der Dispersionen entweder von Teil A oder Teil B fließbeschichtet, gefolgt vom Härten der Walzen unter Anwenden des Standardhärtungsverfahrens unter schrittweisem Erhitzen 2 Stunden auf 93ºC, 2 Stunden auf 149ºC, 2 Stunden auf 177ºC und 16 Stunden auf 208ºC.
Ein Tonertrenntest wurde auf die folgende Weise ausgeführt: ein unfixierte Tonerbilder tragendes Kopierpapier wurde über die Fixierwalze (einer xerographischen Testvorrichtung wie etwa Xerox Corporation 5090) mit entweder der Dispersion Teil A oder Teil B als Mittel zum Bilden der Trennschicht und eine Stahlandruckwalze zugeführt. Der Toner, der auf das Kopierpapier überführt wurde, war aus einem vernetzten SPAR-Harz hergestellt, das 0,3 Gew.-% Zinkstearat ohne Bontron, ein Ladungskontrollmittel, enthielt. Tabelle I: Fixierwalzen-Trenndauer von Viton GF-Materialien
Das Vorstehende beweist, daß die Walze aus Teil B ein unerwartet besseres Trennleistungsvermögen als die Walze aus Teil A aufwies. Diese Ergebnisse neigen dazu, zu zeigen, daß die Anwesenheit von Metalloxiden eine Zunahme der Tonerhaftung an der Walzenoberfläche hervorrief und auf diese Weise ihre Trenndauer verkürzte.

Claims

1. Fixiersystemelement (1) umfassend ein Trägersubstrat (4) und eine äußere Oberflächenschicht (2), die ein Reaktionsprodukt umfaßt, das durch Umsetzen eines Fluorelastomers und eines Aminosilans in Abwesenheit eines Kupplungsmittels, eines Vernetzungsmittels und eines basischen Metalloxids erhalten wurde.

2. Fixiersystemelement (1) des Anspruchs 1, wobei der Aminosilangehalt von 0,5 bis 10 Gewichtsprozent bezogen auf das Gewicht des Fluorelastomers beträgt.

3. Fixiersystemelement (1) des Anspruchs 1 oder 2, wobei das Trägersubstrat (4) aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einer Fixierwalze, einer Andruckwalze, einer Trennmittelantragwalze, einer zylinderförmigen Hülse, einer Trommel, einem Band und einem Endlosband besteht.

4. Fixiersystemelement (1) eines der Ansprüche 1 bis 3, das weiter 1 bis 10 zwischen dem Trägersubstrat und der Fluorelastomeroberfläche gelegene Zwischenschichten umfaßt, wobei wenigstens eine Zwischenschicht eine Elastomerschicht oder eine Haftschicht ist und wobei die Elastomerzwischenschicht ein Silikonelastomer umfaßt.

5. Fixiersystemelement (1) eines der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Aminosilan von der Formel NH&sub2;(CH&sub2;)nNH(CH&sub2;)mSi[(OR)t(R')w] ist, worin n und m Zahlen von 1 bis 20 sind, t + w = 3 und R und R' ein aliphatischer Kohlenwasserstoff mit 1 bis 20 Kohlenstoffatomen oder eine aromatische Gruppe mit 6 bis 18 Kohlenstoffen sind.

6. Fixiersystemelement (1) eines der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Aminosilan aus der aus N-(2-Aminoethyl)-3-aminopropyltrimethoxysilan, 3-(N-Styrylmethyl-2-aminoethylamino)propyltrimethoxysilan-hydrochlorid und (Aminoethylaminomethyl)phenetlnyltrimethoxysilan bestehenden Gruppe ausgewählt ist.

7. Fixiersystemelement (1) eines der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Fluorelastomer aus der aus (1) einer Klasse von Copolymeren aus Vinylidenfluorid und Hexafluorpropylen und (2) einer Klasse von Terpolymeren aus Vinylidenfluorid, Hexafluorpropylen und Tetrafluorethylen bestehenden Gruppe ausgewählt ist.

8. Verfahren zum Fixieren thermoplastischer Harztonerbilder auf ein Dokumentsubstrat umfassend das:

a) Bilden eines Filmes aus einem polymeren Trennmittel mit funktionellen Gruppen auf der Oberfläche eines erhitzten Fixiersystemelements (1), wobei das Fixiersystemelement (1) ein Trägersubstrat (4) mit einer äußeren Oberflächenschicht (2) umfaßt, die ein Fluorelastomer umfaßt, wobei die Fluorelastomeroberfläche durch Lösen eines Fluorelastomers, Zufügen und Umsetzen eines Aminosilans in Abwesenheit eines Kupplungsmittels, eines Vernetzungsmittels und eines basischen Metalloxids unter Bilden eines homogenen Fluorelastomers und nachfolgend Versehen des Trägersubstrats mit einer Oberflächenschicht aus der homogenen Fluorelastomerlösung hergestellt wird;

b) Zusammenbringen von Tonerbildern auf dem Dokumentsubstrat mit der erhitzten Fluorelastomeroberfläche (2) über einen zum Erweichen des Toners ausreichenden Zeitraum und

c) Fließenlassen des Toners in das Dokumentsubstrat.

9. Verfahren des Anspruchs 8, wobei das Harz ein Polyesterharz ist, das ein polymeres Veresterungsprodukt aus einer Dicarbonsäure und einem ein Diphenol umfassenden Diol umfaßt.

10. Verfahren des Anspruchs 8 oder 9, wobei das Aminosilan aus der aus N-(2-Aminoethyl)-3-aminopropyltrimethoxysilan, 3-(N-Styrylmethyl-2-aminoethylamino)propyltrimethoxysilan-hydrochlorid und (Aminoethylaminomethyl)phenethyltrimethoxysilan bestehenden Gruppe ausgewählt ist.