JP2011175218A - Ｏａ機器用ローラの製造方法及びｏａ機器用ローラ - Google Patents

Abstract

【課題】印刷スピードの高速化に対応可能であり、離型性に優れるＯＡ機器用ローラの製造方法及びＯＡ機器用ローラを提供すること。
【解決手段】管状の基材の外周面に直接又は中間層を介して設けられたフッ素樹脂層を有するＯＡ機器用ローラの製造方法であって、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）とポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）を９９：１〜５０：５０（質量比）の割合で含有するフッ素樹脂塗料を準備する工程、該フッ素樹脂塗料を管状の基材の外周面に直接又は中間層を介して塗布する工程、３４０℃以上の温度で該フッ素樹脂塗料を焼成してフッ素樹脂層を形成する工程、焼成後、２０℃／分以下の冷却速度で冷却する工程、を有する、ＯＡ機器用ローラの製造方法。
【選択図】 図１

Description

本発明は、複写機やプリンター等のＯＡ機器において、記録紙等の被転写物上に転写されたトナー画像を加熱して定着するために用いられるＯＡ機器用ローラの製造方法及びＯＡ機器用ローラに関する。

複写機、レーザービームプリンター等の画像形成装置において、その印刷・複写の最終段階では加熱源を内部に設けた加熱定着ローラと加圧ローラとを圧接させ、その間にトナー画像が転写された被転写物を通過させ、未定着のトナーを加熱溶融させる熱定着方式が一般に行われている。

加熱定着ローラとしては、ポリイミドや金属等からなる筒状の基材の外周面（被転写物に接する面）に直接又は他の層を介してフッ素樹脂層を形成した構造のものが一般に使用されている。他の層として、弾性、離型性、耐摩耗性等が優れるゴム等を用いたものは定着用スリーブとも呼ばれる。トナーを良好に定着させるためにはトナーが定着ローラに残留して二重転写となる、いわゆるオフセットを防ぐ必要があり、加熱定着ローラの表面層にはトナーに対する離型性が求められる。また加圧ローラの圧力に耐えられるように、加熱定着ローラの表面層には耐摩耗性も要求される。

フッ素樹脂としては、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パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（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（ＥＦＰ）等が使用されている。フッ素樹脂層は通常これらのフッ素樹脂を含有する分散液（塗料）を基材に直接又は他の層を介して塗布、焼成することにより形成されている。

フッ素樹脂としては比較的安価なＰＴＦＥが一般に用いられていたが、定着ローラに求められる離型性等の特性の向上に伴い、高価ではあるが分子量が小さくＰＴＦＥよりも離型性に優れるＰＦＡをＰＴＦＥと混合した塗料が用いられるようになってきた。例えば特許文献１には、ＰＦＡ２０〜９７重量％とＰＴＦＥ３〜８０重量％を含有するフッ素樹脂混合物を用いてフッ素樹脂層を形成した定着ローラが記載されている。ＰＦＡとＰＴＦＥとの混合物を用いることで離型性と耐摩耗性とをバランスできると記載されている。フッ素樹脂層は、塗料（フッ素樹脂混合物）を基材の表面に塗布、乾燥した後、３５０℃で２０分間焼成して形成されている（段落００２１）。

また特許文献２には、表面に特定のフッ素樹脂からなる離型層を設けた定着ベルトが開示されている。フッ素樹脂層は、フッ素樹脂塗料を塗布し、フッ素樹脂の融点を超える温度で加熱した後、１０℃／ｍｉｎ以上の冷却速度で急速に冷却することが好ましいと記載されている（請求項４、段落００１６）。急速に冷却することで離型層（フッ素樹脂層）の融解熱量を一定の値以下とでき、結晶化しにくく比較的硬い膜を形成できると記載されている。

特開平１０−１４２９９０号公報 特開２００３−１１４５８５号公報

フッ素樹脂層はフッ素樹脂塗料を塗布した後焼成して形成されるが、従来は特許文献２に記載されているように焼成後に急冷することでフッ素樹脂の結晶化を防いでトナーの離型性を高めていた。フッ素樹脂、特に結晶化度の高いＰＴＦＥは、徐冷して結晶化度が高くなるとラメラ構造（繊維状の構造）がフッ素樹脂層の表面に形成され、フッ素樹脂層の表面粗度が高くなることで離型性が低下するためである。

画像形成装置における印刷スピードの高速化に伴い定着ローラにはさらなる離型性、耐摩耗性の向上が求められており、フッ素樹脂層の離型性を高める必要がある。ＰＴＦＥとＰＦＡを混合した塗料を用いることで離型性をある程度高めることが可能となったが、要求特性が厳しくなり更なる離型性の向上が求められている。

本発明は、印刷スピードの高速化に対応可能であり、離型性に優れるＯＡ機器用ローラの製造方法及びＯＡ機器用ローラを提供することを課題とする。

請求項１に記載の発明は、管状の基材の外周面に直接又は中間層を介して設けられたフッ素樹脂層を有するＯＡ機器用ローラの製造方法であって、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）とポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）を９９：１〜５０：５０（質量比）の割合で含有するフッ素樹脂塗料を準備する工程、該フッ素樹脂塗料を管状の基材の外周面に直接又は中間層を介して塗布する工程、３４０℃以上の温度で該フッ素樹脂塗料を焼成してフッ素樹脂層を形成する工程、焼成後、２０℃／分以下の冷却速度で冷却する工程、を有する、ＯＡ機器用ローラの製造方法である。

本発明者らは、フッ素樹脂の焼成条件と結晶化について検討を行い、フッ素樹脂としてＰＦＡをＰＴＦＥと混合した塗料を用いる場合には結晶化の挙動が異なることを見いだした。ＰＴＦＥとは異なりＰＦＡはＰＴＦＥよりも結晶化しにくいため、ラメラ構造を形成しにくい。そのため従来のように急冷するのではなく、逆に２０℃／分以下の冷却速度で徐冷することでＰＦＡの結晶化度を高め、フッ素樹脂層の離型性を向上できることがわかった。ＰＴＦＥは結晶化が進みやすく、ラメラ構造により表面の凹凸が出やすいが、ＰＦＡとＰＴＦＥとの混合比を９９：１〜５０：５０とすることで表面の凹凸を抑えることができる。また上記の割合でＰＦＡとＰＴＦＥとが混合していると、冷却工程においてＰＴＦＥが結晶核剤のように働き、ＰＦＡの結晶化度をより高めることができる。

なお、ポリイミド、金属等の基材上にフッ素樹脂層を設けた構造のものをチューブローラ、基材とフッ素樹脂層の間にゴム弾性層を設けた構造のものをスリーブローラということもある。本明細書ではこれらを総称してＯＡ機器用ローラという。

請求項２に記載の発明は、フッ素樹脂層を形成後の冷却速度が１５℃／分以下である、請求項１に記載のＯＡ機器用ローラの製造方法である。冷却速度を１５℃／分以下にすると、さらに結晶化度が高くなりＯＡ機器用ローラの離型性を向上できる。

請求項３に記載の発明は、前記管状の基材がポリイミドチューブからなる基材、またはポリイミドチューブを弾性層で被覆した基材である、請求項１又は２に記載のＯＡ機器用ローラの製造方法である。ポリイミドは耐熱性、寸法安定性、化学的特性及び機械的強度に優れており好ましい。

請求項４に記載の発明は、管状の基材の外周面に直接又は中間層を介して設けられたフッ素樹脂層を有するＯＡ機器用ローラであって、該フッ素樹脂層は、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）とポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）とを９９：１〜５０：５０（質量比）の割合で含有するフッ素樹脂塗料を焼成して形成されたものであり、該フッ素樹脂層のＤＳＣ吸熱量が２５ｍＪ／ｍｇ以上であるＯＡ機器用ローラである。ＤＳＣ吸熱量はフッ素樹脂の結晶化度と相関しており、吸熱量が大きいほど結晶化度が高くなり離型性が向上する。なおＤＳＣ吸熱量は、ＪＩＳ Ｋ７１２１に準拠して測定した値とする。ＤＳＣ吸熱量はＰＦＡとＰＴＦＥとの混合比にも依存するが（ＰＴＦＥ混合割合が高くなるとＤＳＣ吸熱量は大きくなる）、ＰＦＡとＰＴＦＥとの混合割合が９９：１〜５０：５０（質量比）の範囲であれば、ＤＳＣ吸熱量が２５ｍＪ／ｍｇ以上で、離型性を得るために十分な結晶化度となっていると考えられる。

本発明によれば、表面の離型性に優れ、印刷スピードが高速化してもオフセットが発生しにくいＯＡ機器用ローラを製造することができる。

本発明のＯＡ機器用ローラの一例を示す断面模式図である。

図１はＯＡ機器用ローラの一例を示す断面模式図である。図１（ａ）では、管状の基材１の外周面にフッ素樹脂層２が形成されている。また図１（ｂ）では、管状の基材１の外側を弾性層３が被覆しており、弾性層３の外周面にフッ素樹脂層２が形成されている。図１（ａ）の構造のものはチューブローラ、図１（ｂ）の構造のものはスリーブローラと呼ばれている。フッ素樹脂層２とポリイミドチューブ１又は弾性層３との間にプライマー層を設けても良い。プライマー層を設けることでフッ素樹脂層２とその下層との密着性を向上できる。

基材１の厚みは特に限定されないが、耐久性と弾力性の面から３０μｍ〜８０μｍが好ましい。基材１の材料としてはポリアミド、ポリイミド等の耐熱性樹脂、金属等が用いられる。強度、耐熱性、成形性を考慮するとポリイミドを用いることが好ましい。基材１の製造方法としては、例えば、金属製の円筒状芯体の外周面にポリイミド前駆体（ポリアミック酸）の溶液（ポリイミドワニス）に塗布した後加熱して前駆体を脱水、閉環させてポリイミドチューブを得る方法が挙げられる。ポリイミドの加熱温度は３５０℃から４５０℃である。

ポリイミド前駆体はＮ−メチルピロリドン、ジメチルアセトアミド等の溶媒に溶解させて使用する。ポリイミド前駆体溶液（ポリイミドワニス）としては宇部興産社製のUワニスS等を使用できる。基材の特性を向上するために、ポリイミドワニス中に熱伝導性フィラー等の添加物を混合しても良い。

基材１の外側に弾性層３を設けると、ローラの弾性を高めてトナーの定着性を向上できる。弾性層３の材料としては、シリコーンゴムやフッ素ゴム等の耐熱性ゴムを用いることができる。熱伝導性フィラー等の添加物を耐熱性ゴム中に混合しても良い。弾性層３の厚みは２０μｍ〜１００μｍとすることが好ましい。弾性層は、基材の外周面に塗布後熱加硫により形成することができる。

フッ素樹脂層は、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）とポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）を９９：１〜５０：５０（質量比）の割合で含有するフッ素樹脂塗料を用いて形成する。ＰＦＡ、ＰＴＦＥ共に水に分散したディスパージョン液を用いることができ、ＰＦＡとＰＴＦＥの質量比が上記の範囲内となるように混合して用いる。

フッ素樹脂塗料中には、フッ素樹脂の他に酸化錫、酸化チタン、アルミナ等の無機フィラーやカーボンブラック、カーボンナノチューブ等の導電性フィラーを添加しても良い。

フッ素樹脂層は以下のようにして形成する。まずフッ素樹脂塗料を基材の外周面に塗布する。塗布厚みは特に限定されないが、焼成後のフッ素樹脂層の厚みが１μｍ〜５０μｍ、より好ましくは２μｍ〜３５μｍとなるようにする。

フッ素樹脂塗料を塗布た基材を加熱炉に入れ、温度を上昇して塗料中の溶剤を飛ばすとともにフッ素樹脂塗料を焼成させる。焼成温度は３００℃以上とし、５分以上加熱するのが好ましい。焼成後、加熱炉の温度をコントロールし、基材表面（フッ素樹脂層）の温度が２０℃／分以下となるように冷却する。温度が２００℃以下、好ましくは１５０℃以下となるまで２０℃／分以下の速度で冷却するのが好ましい。

基材又は弾性層とフッ素樹脂層との間にプライマー層を形成すると、基材とフッ素樹脂層との密着性が向上して好ましい。プライマー層の材質は特に限定されないが、ゴム系プライマー材料やフッ素系プライマー材料を使用することができる。またプライマー層中に無機フィラーや導電性フィラーを添加しても良い。

次に、本発明を実施例に基づいてさらに詳細に説明する。実施例は本発明の範囲を限定するものではない。

（基材の作製）
金属製の円筒状芯体の外周面に、適量の熱伝導性改善用のフィラーを配合したポリイミド前駆体の有機溶媒溶液（宇部興産社製、商品名：Ｕ−ワニスＳ）をディスペンサー法で塗布し、３５０℃から４５０℃程度に加熱し、前記前駆体を脱水、閉環させポリイミド化させた後、円筒状芯体から取り外してチューブ状の基材を得た。なおこの基材の寸法は厚さ５０μｍ、内径２６ｍｍ、長さ２４ｃｍである。

（フッ素樹脂塗料）
ＰＦＡの水分散液（三井デュポンフロロケミカル（株）社製）、ＰＴＦＥの水分散液（三井デュポンフロロケミカル（株）社製）、充填剤を混合したフッ素樹脂塗料を作製した。基材上に塗布した後加熱炉に入れて４００℃まで温度上昇させた後、４００℃で３０分間焼成した。焼成後、表１に示す冷却速度で１５０℃まで冷却し、フッ素樹脂層を形成した。フッ素樹脂層の厚みは１２μｍであった。

（ＤＳＣ吸熱量の測定）
基材からフッ素樹脂層のみを取り出し、示差走査熱量計ＤＳＣ５２００（セイコーインスツルメンツ（株）製）を用い、ＪＩＳ Ｋ７１２１に準拠してＤＳＣ吸熱量を測定した。

（接触角の測定）
製作したチューブローラについて、協和界面科学（株）製接触角計を用いて接線法で接触角を測定した。接触角が大きい方が離型性が優れる。

（画像性評価）
製作したチューブローラを用いて実際にモノクロ画像を印刷して評価した。印刷時の表面温度は１５０℃、押圧力は６ｋｇとした。また印刷時の通紙の条件は、Ａ４の印刷用紙を連続１０枚、２５枚／分で印刷し、色むらの有無とざらつきの有無を目視により判定した。その結果を以下の基準に基づいて評価した。
◎：色むらとざらつきが全くない。
○：色むらとざらつきがほとんどない。
△：色むら、ざらつきがあるが許容範囲内である。
×：色むらとざらつきのいずれもが許容範囲外である。

実施例１〜５は、ＰＦＡとＰＴＦＥとを９９：１〜５０：５０の比率で含有するフッ素樹脂塗料を用いたものである。冷却速度が２０℃／分よりも高いとＤＳＣ吸熱量が２５ｍＪ／ｍｇよりも小さく結晶化度が低い。また画像性評価結果も悪かった。これに対して冷却速度が２０℃／分よりも低いとＤＳＣ吸熱量は２５ｍＪ／ｍｇよりも大きく、画像性も良好である。また冷却速度が低くなるほど接触角が大きくなり、離型性が向上することがわかる。

比較例１、比較例２はＰＦＡよりもＰＴＦＥの含有量を多くしたフッ素樹脂塗料を用いたものである。接触角は大きく離型性は優れているが、画像性が悪い。これはＰＴＦＥの結晶化により表面に凹凸が出たためと推測される。

１ 基材
２ フッ素樹脂層
３ 弾性層

Claims (4)

1. 管状の基材の外周面に直接又は中間層を介して設けられたフッ素樹脂層を有するＯＡ機器用ローラの製造方法であって、
   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）とポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）を９９：１〜５０：５０（質量比）の割合で含有するフッ素樹脂塗料を準備する工程、
   該フッ素樹脂塗料を管状の基材の外周面に直接又は中間層を介して塗布する工程、
   ３４０℃以上の温度で該フッ素樹脂塗料を焼成してフッ素樹脂層を形成する工程、
   焼成後、２０℃／分以下の冷却速度で冷却する工程、
   を有する、ＯＡ機器用ローラの製造方法。
2. フッ素樹脂層を形成後の冷却速度が１５℃／分以下である、請求項１に記載のＯＡ機器用ローラの製造方法。
3. 前記管状の基材が、ポリイミドチューブからなる基材である、請求項１又は２に記載のＯＡ機器用ローラの製造方法。
4. 管状の基材の外周面に直接又は中間層を介して設けられたフッ素樹脂層を有するＯＡ機器用ローラであって、
   該フッ素樹脂層は、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）とポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）を９９：１〜５０：５０（質量比）の割合で含有するフッ素樹脂塗料を焼成して形成されたものであり、
   該フッ素樹脂層のＤＳＣ吸熱量が２５ｍＪ／ｍｇ以上である、
   ＯＡ機器用ローラ。

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