DE69728924T2

DE69728924T2 - Halbleitende Silikon-Gummirolle und ihr Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE69728924T2
Application number: DE69728924T
Authority: DE
Inventors: Tsuneo Kodama-gun Ohki; Shuji Kodama-gun Oguchi; Masahiro Kodama-gun Ikeda
Original assignee: Shin Etsu Polymer Co Ltd; Shin Etsu Chemical Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Polymer Co Ltd; Shin Etsu Chemical Co Ltd
Priority date: 1996-03-19
Filing date: 1997-03-14
Publication date: 2004-10-28
Anticipated expiration: 2017-03-15
Also published as: JPH09250539A; MY113645A; DE69728924D1; US5827160A; EP0797127A2; EP0797127B1; EP0797127A3

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine neue semi-leitende Silikongummiwalze bzw. -rolle und ein Verfahren zu deren Herstellung. Die Erfindung betrifft insbesondere eine Gummiwalze, die aus einem elektrisch leitenden Kerndorn und einer Schicht aus einem Silikongummi auf und um den Kerndorn herum besteht, wobei der Silikongummi über einen elektrischen Volumenwiderstand im Halbleiterbereich verfügt und wobei die Rolle bzw. Walze in Fotokopiervorrichtungen, Laserstrahldruckern, in Computern und Facsimile-Maschinen und dergleichen eingesetzt werden kann und über eine ausgezeichnete Dauerhaftigkeit der Druckcharakteristika verfügt. Die Erfindung betrifft ferner ein einzigartiges Verfahren zur Herstellung einer derartigen Silikongummiwalze.
Eine Gummiwalze bzw. -rolle bestehend aus einem elektrisch leitenden oder metallischen Kerndorn und einer halbleitenden Gummischicht auf und um den Kerndorn herum wird als Entwicklerwalze bei verschiedenen Arten von elektrofotographischen Druckern häufig eingesetzt. In der 2 der begleitenden Zeichnungen ist ein Beispiel für ein derartiges elektrofotographisches Druckersystem schematisch gezeigt, bei dem durch Reibung elektrisierte Tonerpartikel auf der Oberfläche der Gummiwalze in einer sehr dünnen Schicht gehalten werden, um das latente Abbild zu visualisieren, das auf einem das latente Abbild aufweisenden Körper ausgebildet ist.
Das in der 2 schematisch gezeigte Entwicklungssystem eines elektrofotographischen Druckers besteht aus einer lichtempfindlichen Trommel 10, einer Elektrifizierungswalze 11, einer Entwicklungswalze 12, einer den Toner tragenden Walze 13, einer Transferwalze 14, einer Reinigungswalze 15, einem Rührer 16, einer elektrisierenden Reibwalze 17, einem LED array 18 und einem Gehäuse 19. Ein Blatt aus einem Aufzeichnungspapier 20 wird zwischen der lichtempfindlichen Walze 10 und der Transferwalze 14 hindurchgeführt.
Bei dem oben erläuterten Entwicklungssystem wird eine Gummiwalze zur Anwendung gebracht, bei der die Gummischicht halbleitend ist. Ein derartiges halbleitendes Gummimaterial wird beispielsweise hergestellt, indem ein Basisgummi, beispielsweise Urethangummis, NBRs, Silikongummis und dergleichen, mit einem ionisch elektrisch leitenden Mittel oder einem elektrisch leitenden Füllstoff, das bzw. der dem Basisgummi eine elektrische Leitfähigkeit verleiht, vermischt wird.
Bei der durch Vermischen hergestellten Formulierung für das oben erwähnte semileitende gummiartige Material für die halbleitende Gummiwalze auf Basis eines Urethangummis NBR und dergleichen wird die Gummizusammensetzung üblicherweise mit flüssigen Additiven vermischt, beispielsweise Weichmacherölen, weichmachenden Mitteln und dergleichen, um eine in adäquater Weise reduzierte Härte des Gummis herbeizuführen. Ein derartiges flüssiges Additiv neigt jedoch zum Ausbluten auf der Oberfläche der Gummiwalze und verursacht dadurch schwerwiegende Probleme. Die Gummiwalze wird daher üblicherweise auf der Oberfläche mit einer ein Ausbluten verhindernde Schutzschicht aus einem Harz, beispielsweise Urethanharz, Nylon und dergleichen, ausgestattet. Die harzartige Schutzschicht auf der Gummioberfläche führt jedoch zu einem weiteren Problem, da die Verwitterungsbeständigkeit des harzartigen Materials nicht sehr ausgeprägt ist und das Harz hydrolisieren kann, wenn es längere Zeit einer schädlichen Umgebung aus einer hohen Temperatur und einer hohen Feuchtigkeit ausgesetzt wird. Dies führt dazu, dass denaturierte Harzpartikel an der Oberfläche des Trägers des latenten Bildes haften bleiben. Wird eine derartige oberflächengeschützte Gummiwalze als Entwicklerwalze bei bestimmten Arten von elektrofotographischen Druckern zur Anwendung gebracht, dann ist die Reinigungswirkung hinsichtlich der Tonerpartikel nicht immer gut genug. Dies beruht wahrscheinlich auf der unzureichenden Adhäsion der Tonerpartikel an der geschützten Walzenoberfläche.
Als Gegenmaßnahme für die oben erläuterten Probleme ist vorgeschlagen worden, ein Silikongummi als gummiartiges Material bei halbleitenden Gummiwalzen für Drucker einzusetzen, um die ausgezeichnete Verwitterungsstabilität auszunutzen, so dass hinsichtlich der Tonerpartikel eine starke Reinigungswirkung erzielt wird. Allerdings weisen halbleitende Entwicklerwalzen aus einem Silikongummi einen anderen Nachteil auf, indem die Druckcharakteristika der Gummiwalze nachlassen, wenn die Walze über einen langen Zeitraum eingesetzt wird. Dies beruht auf der verhältnismäßig niedrigen Verschleißfestigkeit der Silikongummi im allgemeinen, was zu einem abrasiven Abnutzen der Gummioberfläche führt.
In der Patentanmeldung GB 2 010 444 ist eine Fixier-Heißwalze für einen Xerographie-Kopierer beschrieben, die hergestellt wird, indem eine dünne Schicht aus einem Silikongummi auf eine hitzeleitende zylindrische Basis ausgebildet und die Schicht vernetzt wird. Danach wird die Schicht einer Bestrahlung mit ultraviolettem Licht ausgesetzt. Die Intensität und der Zeitraum der Bestrahlung werden derart gewählt, dass die Freiheit der Walze auf Null reduziert wird.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine halbleitende Gummiwalze für elektrofotographische Drucker, die über eine fanganhaltende Stabilität der Druckcharakteristika verfügt und ein Verfahren zu deren Herstellung bereitzustellen.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Gummiwalze bzw. -rolle aus einem Kerndorn aus einem steifen elektrisch leitenden Material, beispielsweise Metalle, und einer röhrchenförmigen Schicht aus einem vernetzten Silikongummi auf und um den Kerndorn herum, wobei das Silikongummi einen Volumen-Widerstand von 1 × 10⁴ bis 1 × 10⁹ ohm·cm besitzt, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Außenoberfläche der vernetzten Silikongummischicht einer Bestrahlung mit ultraviolettem Licht mit Hauptwellenlängen von 253,7 nm und 184,9 nm mit einer Ultraviolett-Bestrahlungsdosis von 1,2 bis 76 J/cm² bezüglich der Energie des ultravioletten Lichts mit einer Wellenlänge von 253,7 ausgesetzt wird, um eine ultraviolett-gehärtete Oberflächenschicht mit einer solchen Rauheit zu erzeugen, dass die Unregelmäßigkeitsamplitude Rz mindestens 8 μm und die durchschnittliche Unregelmäßigkeitsdistanz Sm nicht mehr als 50 μm betragen, gemäß den Definitionen im japanischen Industriestandard B 0601-1994.
Das Verfahren zur Herstellung der oben beschriebenen verbesserten Silikongummiwalze umfasst die Stufe der Ausbildung einer röhrchenförmigen Schicht aus einem vernetzten Silikongummi auf und um den Kerndorn aus einem steifen elektrisch leitenden Material herum, wobei der Silikongummi einen Volumenwiderstand von 1 × 10⁴ bis 1 × 10⁹ ohm·cm besitzt, und umfasst weiterhin die Stufe der Bestrahlung der Außenoberfläche der Silikongummischicht mit ultraviolettem Licht, wobei dieses Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass die Bestrahlung in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre und mit einer Niederdruckquecksilberlampe als Lichtquelle mit Hauptwellenlängen von 253,7 nm und 184,9 nm mit einer Ultraviolett-Bestrahlungsdosis von 1,2 bis 76 J/cm² bezüglich der Energie des ultravioletten Lichts mit einer Wellenlänge von 253,7 nm durchgeführt wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
Die 1A und 1B zeigen jeweils eine schematische radiale Querschnittsansicht der erfindungsgemäßen Silikongummiwalze mit bzw. ohne eine Unterschicht aus einem schwammartigen Silikongummi.
2 zeigt schematisch ein elektrofotographische Drucksystem, das für die Tests in den Beispielen und Vergleichsbeispielen eingesetzt wurde.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Wie aus der oben beschriebenen Zusammenfassung hervorgeht, besteht das charakteristischste Merkmal der vorliegenden Erfindung in der Bestrahlungsbehandlung der Außenoberfläche der Silikongummischicht einer Silikongummiwalze mit ultraviolettem Licht der spezifizierten Hauptwellenlängen einer solchen Energiedosis, dass die durch ultraviolettes Licht vernetzte bzw. gehärtete Oberflächenschicht die spezifizierte Oberflächenrauhigkeit besitzt.
Nachstehend wird die erfindungsgemäß verbesserte halbleitende Silikongummiwalze ausführlicher unter Bezug auf die 1A und 1B der begleitenden Zeichnungen beschrieben.
1A zeigt eine schematische radiale Querschnittsansicht der erfindungsgemäßen Silikongummiwalze nach einer ersten Ausführungsform, die aus einem elektrisch leitenden Kerndorn 1 aus üblicherweise einem Metall und einer röhrchenförmigen Silikongummischicht 2A auf und um den Kerndorn 1 herum besteht. Das Silikongummi, das die Schicht 2A bildet, ist fest und somit nicht schwammartig. Die Außenoberfläche der Silikongummischicht wird durch Bestrahlung durch ultraviolettes Licht gehärtet, um eine ultraviolettgehärtete Oberflächenschicht 3 zu ergeben.
1B zeigt eine radiale Querschnittsansicht der erfindungsgemäßen Silikongummiwalze nach einer zweiten Ausführungsform, bei der die feste oder nicht schwammartige Silikongummischicht 2A auf und um eine Unterschicht 2B herum aus einem schwammartigen Silikongummi ausgebildet ist.
Die erfindungsgemäße halbleitende Silikongummiwalze kann in dem in der 2 gezeigten Drucksystem eingesetzt werden, indem der elektrisch leitende Kerndorn 1 geerdet wird oder indem eine Vorspannung daran angelegt wird, um Ladungen auf die Tonerpartikel zu übertragen, und indem die elektrostatischen latenten Abbildungen durch den Transfer der Tonerpartikel entwickelt werden.
Bezüglich des Materials des elektrisch leitenden Kerndorns 1 bestehen keine besonderen Beschränkungen. Es können Metalle, Harze und Keramiken eingesetzt werden, mit der Maßgabe, dass mindestens die Oberflächenschicht davon über eine elektrische Leitfähigkeit im Bereich der metallischen Leitfähigkeit verfügt. Demzufolge ist das Material des Kerndorns 1 nicht auf Metalle wie Aluminium, rostfreiem Stahl, Messing und dergleichen beschränkt. Das Material kann ein thermoplastisches oder thermohärtendes Harz sein, sofern die Oberfläche des Harzdorns elektrisch leitend ausgebildet ist, indem eine metallische Platierungsschicht ausgebildet wird. Es kann sich auch um eine elektrisch leitende harzartige Zusammensetzung handeln, die aus einem Harz und einer ausreichenden Menge eines elektrisch leitenden Füllstoffes, beispielsweise Ruß- und Metallpulver, besteht.
Bei dem halbleitenden Silikongummi, das die halbleitende Gummischicht 2A bildet, handelt es sich um einen vernetzten bzw. gehärteten Körper aus einer Silikongummimischung. Diese Mischung enthält als gleichförmige Mischung ein Organopolysiloxangummi, beispielsweise Dimethylpolysiloxane, Methylvinylpolysiloxane, Methylphenylpolysiloxane und dergleichen mit einer gummiartigen Konsistenz entweder alleine oder in einer Kombination. Ferner ist ein verstärkender Füllstoff vorhanden, beispielsweise gerauchte Silika- und präzipitierte Silika-Füllstoffe. Damit vermischt ist weiterhin eine geeignete Menge eines eine elektrische Leitfähigkeit verleihenden Mittels, bei dem es sich beispielsweise um elektrisch leitendes Ruß, ein Pulver aus einem Metall, wie Nickelaluminium, Kupfer und dergleichen, ein Pulver aus einem Metalloxid mit einer elektrischen Leitfähigkeit, beispielsweise Zinkoxid, Zinnoxid und dergleichen, oder ein Pulver aus einem isolierenden anorganischen Material, wie Bariumsulfat, Titandioxid, Kaliumtitanat und dergleichen handelt, wobei die Partikel daraus mit einer leitenden Überzugsschicht aus beispielsweise Zinnoxid, sowie einem Vernetzungsmittel, bei dem es sich um ein organisches Peroxid oder, falls das Organopolysiloxangummi über Vinylgruppen verfügt, eine Kombination aus einem Organowasserstoffpolysiloxan und einer katalytischen Platinmischung handelt.
Die so erhaltene Silikongummimischung wird auf und um den Kerndorn 1 herum geformt und gehärtet, wobei eine röhrchenförmige halbleitende nicht-schwammartige Silikongummischicht 2A mit Hilfe des Pressformens, des Extrusionsformens, des Spritzformens und dergleichen bei geeigneten Bedingungen für die Härtung ausgebildet wird.
In der 1B ist eine zweite Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Danach kann die oben beschriebene nicht-schwammartige halbleitende Silikongummischicht 2A auf einer Unterschicht 2B aus einem schwammartigen Silikongummi hergestellt werden, welches auf und um den Kerndorn 1 herum ausgebildet ist. Dazu wird die Silikongummimischung weiterhin mit einer geeigneten Menge eines Blähmittels, beispielsweise Azobisisobutyronitril, Azodicarbonamid und dergleichen versehen, um das Aufschäumen des Silikongummis gleichzeitig mit der Vernetzung beim Erhitzen zu bewirken.
Die halbleitende Silikongummischicht 2A auf und um den Kerndorn 1 herum sollte in Abhängigkeit von der gewünschten Anwendung der Gummiwalze einen Volumenwiderstand von 1 × 10⁷ bis 1 × 10⁹ ohm·cm und vorzugsweise von 1 × 10⁴ bis 1 × 10⁹ ohm·cm besitzen. Ist der Volumenwiderstand der halbleitenden Silikongummischicht 2A zu niedrig oder zu hoch, dann können manchmal Probleme bei dem Drucken auftreten. Dazu zählt eine Zersträubung der Tonerpartikel hinter die abbildenden Bereiche, das Auftreten des sogenannten Foggings, eine ungleichmäßige Druckdichte usw.
Die halbleitende Silikongummischicht 2A dient in dem Druckverfahren als eine Elektrode für die Entwicklung, eine durch Kontakt elektrisierende Elektrode für Tonerpartikel und als eine Elektrode für die Ladungsinjektion und dient ferner dazu, die Tonerpartikel auf die Oberfläche der Walze zu tragen und zu transferieren mittels der Oberflächenungleichmäßigkeiten und einer Anziehungskraft, wie beispielsweise der van der Waals'schen Kraft, der Bildkraft, der Coulomb'schen Kraft und dergleichen. Da es sich bei dem gummiartigen Material um ein Silikongummi handelt, verfügt die halbleitende Gummischicht 2A über eine ausgezeichnete Witterungsbeständigkeit bei nachteiligen Bedingungen, wie einer hohen Temperatur und einer hohen Feuchtigkeit. Wenn zudem ein die elektronische Leitfähigkeit verleihendes Mittel eingesetzt wird, hängt die elektrische Leitfähigkeit der Gummischicht 2A von den Umgebungsbedingungen nur wenig ab.
Auftragungsverfahren zur Ausbildung der halbleitenden Silikongummischicht 2A auf und um den Kerndorn 1 herum, sind beispielsweise das Extrusionsformverfahren, bei dem eine Silikongummimischung integral in Blattform mit dem Kerndorn ausgebildet wird, wobei eine Extrusionsvorrichtung eingesetzt wird, die mit einem Querkopf ausgestattet ist. Anschließend erfolgt eine erste Härtung der Silikongummischicht in einem Geer-Ofen oder einem Infrarotofen. Ferner kann das Spritzformverfahren eingesetzt werden, bei dem die Silikongummimischung in den Hohlraum einer Metallform, welche den Kerndorn darin hält, injiziert wird, um ein erstes Härten der Silikongummimischung bei Raumtemperatur oder bei einer erhöhten Temperatur zu bewirken. Ferner kann das Formpressverfahren Anwendung finden, bei dem die Silikongummimischung unter Erhitzen in einer Metallform, welche den Kerndorn hält, druckgeformt wird. Diesbezüglich bestehen keine besonderen Einschränkungen. Die Silikongummischicht nach dem ersten Härten bzw. Vernetzen auf die oben beschriebene Art und Weise wird dann einer zweiten Vernetzungsbehandlung für eine festgelegte Zeitspanne in einem Geer-Ofen und dergleichen unterworfen, um der Schicht stabile physikalische Eigenschaften zu verleihen.
Der wie oben erhaltene integrale Körper, der aus dem Kerndorn und der darauf aufgebrachten Silikongummischicht besteht, stellt einen Precursor der erfindungsgemäßen halbleitenden Silikongummiwalze dar. Dazu wird der Precursor-Körper mit ultraviolettem Licht bestrahlt. Dies geschieht gewöhnlich nach der Fertigstellung des Außenumfanges, beispielsweise auf einer zylindrischen Schleifmaschine zur Herstellung eines spezifizierten gleichmäßigen Außendurchmessers. Gewünschtenfalls kann die Bestrahlung mit ultraviolettem Licht nach einer Modifizierung der Oberflächenbedingung der Silikongummischicht durch Abstrahlen, Sandstrahlen, Läppen, Schwabbeln und dergleichen durchgeführt werden.
Die Silikongummiwalze wird nach der oben beschriebenen mechanischen Fertigstellung mit ultraviolettem Licht mit Hauptwellenlängen von 253,7 nm und 184,9 nm in einer integralen Dosis von 1,2 bis 76 J/cm², vorzugsweise in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre bestrahlt, um eine ultraviolett-gehärtete Schicht 3 als Oberflächenschicht der halbleitenden Silikongummischicht 2A auszubilden.
Bei dem hier zur Anwendung gebrachten ultraviolettem Licht handelt es sich um ein Licht mit einer Wellenlänge von 100–380 nm mit einer breiteren Definition oder von 200–280 nm mit einer engeren Definition. Es ist gut bekannt, dass eine Reinigungswirkung mit Hilfe einer Ultraviolettbestrahlung auf einem Substratkörper aus Glas, Metall, Keramik und dergleichen, der eine fettartige oder ölige Verschmutzung aufweist, erzielt werden kann. Es wurde nun erfindungsgemäß und sehr überraschend gefunden, dass eine ultraviolett-gehärtete Oberflächenschicht 3 auf der halbleitenden Silikongummischicht 2A, ohne dass diese stark abgebaut wird, erhalten werden kann, wenn die Bestrahlung mit ultraviolettem Licht bei den zuvor genannten Bedingungen und vorzugsweise in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre, beispielsweise Luft, die gewünschtenfalls bezüglich des Sauerstoffgehaltes angereichert oder angereichert sein kann, durchgeführt wird.
Obwohl die Ultraviolettbestrahlung gewünschtenfalls je nach Erfordernis stufenweise zuerst mit Licht mit einer Wellenlänge von 184,9 nm und dann mit Licht mit einer Wellenlänge von 253,7 nm oder vice versa durchgeführt werden kann, besteht ein sehr zufriedenstellender und bevorzugter Weg darin, die Ultraviolettbestrahlung mit Hilfe einer Lichtquelle durchzuführen, welche ultraviolettes Licht mit diesen beiden Wellenlängen imitiert. Auf diese Weise wird eine hohe Produktivität erzielt und werden mögliche Probleme bezüglich der Arbeitsumgebung vermieden. Der Grund für diese Bevorzugung liegt im folgenden.
Wird die Ultraviolettbestrahlung in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre, beispielsweise Sauerstoff, Luft oder mit Sauerstoff angereicherter oder mit Sauerstoff abgereicherter Luft mit einer Lichtquelle für ultraviolettes Licht, welche eine Wellenfänge von 184,9 nm imitiert, durchgeführt, dann wird das Licht dieser Wellenlänge durch den Sauerstoff in der Atmosphäre absorbiert, wobei Ozon O₃ gemäß den folgenden Gleichungen: O₂ → O + O und O + O₂ → O₃ erzeugt wird. Im Gegensatz dazu bewirkt ultraviolettes Licht mit einer Wellenlänge von 253,7 nm eine Zersetzung von Ozon O₃, wenn es dadurch absorbiert wird. Es ist allgemein bekannt, dass Ozon ein sehr starkes Oxidationsmittel darstellt, so dass eine große Menge an Ozon, sofern es von dem menschlichen Körper aufgenommen wird, die Gesundheit des Menschen schwer schädigen kann. Wird die Ultraviolettbestrahlung mit ultraviolettem Licht, das beide oben aufgeführte Wellenlängen besitzt, entweder simultan oder nacheinander durchgeführt, wobei die Bestrahlung mit dem Licht mit einer Wellenlänge von 184,9 nm unmittelbar von der Bestrahlung mit dem Licht mit einer Wellenlänge von 253,7 nm gefolgt wird, dann wird das durch das erstere Licht erzeugte Ozon durch das letztere Licht zersetzt, so dass die Ozonkonzentration in der Atmosphäre der Arbeitsumgebung unterhalb einer tolerierbaren oberen Grenze abgesenkt wird, wodurch die Gesundheit der Arbeiter sichergestellt wird.
Obwohl das oben beschriebene Sicherheitsproblem besteht, stellt das durch Ultraviolettbestrahlung erzeugte Ozon eine sehr starkes Oxidationsmittel dar, das wahrscheinlich hinsichtlich der Modifizierung der Oberflächeneigenschaften der halbleitenden Silikongummischicht 2A sehr wirksam ist. So handelt es sich bei dem dadurch erzeugten chemischen Effekt um eine Abnahme des Kohlenstoffgehalts und einer Zunahme des Sauerstoffgehaltes in der Oberflächenschicht 3. Als physikalischer Effekt ist dabei die Bildung von sehr feien Unregelmäßigkeiten oder einer Oberflächenrobustheit zu verzeichnen, wobei der statische Reibungskoeffizient abnimmt. Es ist ferner wahrscheinlich, dass die dreidimensionalen Vernetzungen, die zwischen den Organopolysiloxanmolekülen ausgebildet werden, zu einer Verbesserung der Abriebfestigkeit der Gummioberfläche infolge eines synergistischen Effektes mit der Abnahme des Reibungskoeffizienten führt.
Bezüglich der Lichtquelle für die Ultraviolettbestrahlung bestehen keine besonderen Beschränkungen. Niederdruckquecksilberlampen, die im Handel erhältlich sind, können in zufriedenstellender Weise eingesetzt werden, da die Energieverteilung des davon imitierten ultravioletten Lichts derart ist, dass das Licht mit einer Wellenlänge von 253,7 nm etwa 90% der ultravioletten Energie ausmacht, während das Licht mit einer Wellenlänge von 184,9 nm nur einige wenige Prozente der Energieverteilung ausmacht.
Die Ultraviolettbestrahlung der halbleitenden Silikongummioberfläche mit dem ultravioletten Licht, das die beiden Hauptwellenlängen aufweist, wird vorzugsweise mit einer integralen Bestrahlungsdosis von 1,2 bis 76 J/cm² durchgeführt. Ist die Bestrahlungsdosis zu gering, dann können die vorteilhaften und erwünschten Oberflächeneigenschaften der Silikongummischicht nicht erreicht werden. Ist die Dosis der Ultraviolettbestrahlung hingegen zu groß, dann werden die Eigenschaften der halbleitenden Silikongummischicht reduziert, so dass die Gummiwalze nicht über einen längerfristigen Zeitraum eingesetzt werden kann, was zu einer Zerstörung der Druckcharakteristika führt.
Die Bestrahlungsbehandlung mit ultraviolettem Licht kann entweder in Form eines Batch-Verfahrens oder in Form eines kontinuierlichen Verfahrens durchgeführt werden. Dabei wird ein Transportsystem oder ein System eingesetzt, das eine Gleichmäßigkeit der Bestrahlungsdosis bezüglich der Gesamtheit der Oberfläche der Silikongummischicht sicherstellt. Daher besitzt die Vorrichtung zur Bestrahlung mit ultraviolettem Licht vorzugsweise einen Mechanismus zum axialen Drehen der Gummiwalze bei der Behandlung oder zum Verschieben der Ultraviolettlampen mit einer konstanten Geschwindigkeit entlang der Oberfläche der Gummiwalze, um eine lokale oder ungleichmäßige Bestrahlung zu vermeiden.
Wie bereits oben dargelegt wurde, beruht die Verbesserung der Abriebbeständigkeit der Silikongummioberfläche auf der Behandlung mit ultraviolettem Licht teilweise auf dem Auftreten von feinen und hochdichten Oberflächenungleichmäßigkeiten, die unter Verwendung einer Vorrichtung zum Testen der Oberflächenrauhigkeit gemessen werden können. So wurde beispielsweise die 10 Punkt-Durchschnittsrauhigkeit um 1,04 auf das 2,02-fache durch die Bestrahlung mit ultraviolettem Licht erhöht. Zudem wurde die durchschnittliche Ortsfrequenz als Maß der der Dichte der Ungleichmäßigkeit von 12,5 mm^–1 vor der Ultraviolettbestrahlung auf 20 bis 55 mm^–1 nach der Bestrahlung erhöht.
Die oben erwähnten Parameter, welche die Oberflächenrauhigkeit repräsentieren, wurden erhalten, indem eine Kombination aus einer Testvorrichtung für die Oberflächenrauhigkeit (Model Surfcom 554A, hergestellt durch Tokyo Seimitsu Co.) und einer Antriebseinheit für die Umfangsrauhigkeit (Model E-RM-S07A, hergestellt von der gleichen oben erwähnten Firma), die mit einer Aufnahmevorrichtung für eine Probe mit einem Durchmesser von 10 μm und einer Probenbelastung von 0,07 mN ausgestattet war, eingesetzt wurde. Die Testvorrichtung zur Untersuchung der Oberflächenrauhigkeit wurde bei folgenden Bedingungen betrieben: 0,32 mm Cutoff, 0,3 mm/sec Verschiebegeschwindigkeit und 0,50 mm Verschiebebreite bei einer Temperatur von 20°C. Die Aufzeichnung der Kurve wurde mit 2000-facher Vergrößerung bzw. mit 50-facher Vergrößerung in Richtung der Tiefe bzw. in Umfangsrichtung der Walze durchgeführt. Die 10 Punkt-Durchschnittsrauhigkeit wurde durch die in die Vorrichtung eingebaute Computereinheit berechnet und die durchschnittliche Ortsfrequenz wurde berechnet, indem die Wellenungleichmäßigkeiten auf der Aufzeichnungskurve gezählt wurden. Gemäß der Lehre in dem Japanischen Patent Kokai 6-41437 besitzen die Oberflächenungleichmäßigkeiten mit Vorsprüngen und Hohlräumen einen stabilisierenden Effekt bezüglich der Druckcharakteristika der Silikongummiwalze als Entwicklerwalze in elektrofotographischen Druckern, da die Tonerpartikel auf der Walzenoberfläche zurückgehalten werden, indem sie an den Unregelmäßigkeiten haften, so dass sich die getragene Menge an den Tonerpartikeln selbst nach einer langen Laufzeit der Druckwalze nur wenig ändert.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Beispielen und Vergleichsbeispielen näher erläutert, ohne dadurch den Umfang der Erfindung in irgendeiner Weise zu begrenzen.
Beispiel 1
Ein Stab aus Automatenstahl der Klasse SUM 22 mit einem Durchmesser von 10 mm und einer Länge von 250 mm wurde mit einem Silikonprimer (Primer No. 16, ein Produkt von Shin-Etsu Chemical Co.) beschichtet und in einem Geer-Ofen bei 150°C während einer Zeitspanne von 10 min einer Trocknungsbehandlung unterworfen.
Getrennt davon wurde eine halbleitende Silikongummimischung hergestellt, indem 100 Gewichtsteile eines Silikongummis, härtbar mit einem organischen Peroxid (KE 78 VES, ein Produkt von Shin-Etsu Chemical Co.) mit 10 Gewichtsteilen Ruß (thermischer Ruß, Asahithermal, ein Produkt von Asahi Carbon Co.) und 25 Gewichtsteile eines gerauchten Silicafüllstoffes (Aerosil 200, ein Produkt von Nippon Aerosil Co.) in einem unter Druck setzbaren Kneter gleichmäßig vermischt wurden. Danach wurden 2,0 Gewichtsteile eines Vernetzungsmittels auf Basis eines organischen Peroxids (C-8, ein Produkt von Shin-Etsu Chemical Co.) hinzugemischt.
Die so hergestellte Silikongummimischung wurde zusammen mit dem Primer-behandelten Stahlstab als Kerndorn in den zylindrischen Hohlraum mit einem Durchmesser von 20 mm in einer Metallform zum Formpressen gegeben und darauf gehärtet sowie damit durch Erhitzen während eines Zeitraumes von 10 min auf 175°C unter Druck gebunden. Anschließend erfolgte ein zweites Härten in einem Geer-Ofen während einer Zeitspanne von 7 h bei 200°C, um eine vernetzte rohrförmige feste Silikongummischicht auf und um dem Kerndorn herum auszubilden. Die Außenoberfläche der Silikongummischicht wurde auf einer zylindrischen Schleifvorrichtung geschliffen, um die Silikongummiwalze fertig zu stellen, bei der die Silikongummischicht einen Außendurchmesser von 18 mm und eine Länge von 210 mm besaß. Die Silikongummischicht besaß eine Oberflächenrauhigkeit Rz von 8,5 μm.
Danach wurde die Oberfläche der Silikongummischicht mit ultraviolettem Licht bestrahlt, das von einer 80 Watt-Niederdruckquecksilberlampe mit einer linearen Outputdichte von 1 Watt/cm in einem Abstand von 20 mm emittiert wurde, während die Silikongummiwalze um den Kerndorn als Achse während einer Zeitspanne von 1 min. rotiert wurde, um eine Ultraviolett-Bestrahlungsdosis von 1,3 J/cm² zu erhalten. Die so erhaltene Silikongummiwalze wurde dann Bewertungstests für die Oberflächenrauhigkeit, dem Walzenwiderstand und der durchschnittlichen Ortsfrequenz der Oberflächenungleichmäßigkeiten gemäß den unten beschriebenen Testverfahren unterworfen, wobei die in der Tabelle 1 gezeigten und unter den Überschriften SR, RR und ASF aufgeführten Ergebnisse erhalten wurden.
Oberflächenrauhigkeit (Surface roughness; SR)
Die Bestimmung der Oberflächenrauhigkeit oder der Ungleichmäßigkeitamplitude Rz wurde mit Hilfe einer Testvorrichtung für die universale Oberflächenrauhigkeit für die 10 Punkt-Durchschnittsrauhigkeit in μm in der Umfangsrichtung der Walze durchgeführt.
Walzenwiderstand (Roller resistance; RR)
Nach der Bestrahlungsbehandlung mit ultraviolettem Licht wurde die Silikongummiwalze horizontal auf eine längliche goldplatierte Elektrode mit einer Länge von 205 mm gefegt. Die Silikongummischicht wurde gegen die Elektrode gedrückt, indem ein Gewicht von 500 g an jedes der Enden des Kerndorns gehängt wurde. Es wurde der elektrische Widerstand in kohm zwischen dem Kerndorn und der Elektrode bei Anlegen einer Gleichspannung von 10 Volt gemessen.
Durchschnittliche Ortsfrequenz der Oberflächenungleichmäßigkeiten (Average spatial freguency of surface irregularities; ASF)
Die Zahl der Peak-Scheitelwerte und der lokalen Peak-Scheitelwerte auf dem Aufzeichnungsblatt für die Bestimmung der Oberflächenrauhigkeit in der Umfangsrichtung der Gummiwalze wurde gezählt. Es wurde die durchschnittliche Zahl davon pro mm ermittelt, bei dem es sich um den Reciprokwert für die durchschnittliche Ungleichmäßigkeits-Sm handelt.
Außerdem wurde die Silikongummiwalze einem Haltbarkeitstest bei kontinuierlichem Betrieb als Entwicklerwalze in einem elektrofotographischen Drucker unterworfen. Dabei wurden die Druckvorgänge des Schwarzdruckens (Solid black printing) des Raster-Punkt-Druckens, des Druckens mit 5% Belastung (5%-duty printing) und des Druckens mit weißem Hintergrund 5000 mal wiederholt. Die Messungen wurden vor und nach dem Betriebstest für die folgenden Werte durchgeführt, wozu die Gewichtsabnahme der Gummiwalze, das Fogging und die Druckdichte bei den dort beschriebenen, entsprechenden Verfahren zählen. Es wurden dabei die in der Tabelle 1 unter den Überschriften WD, FG und PD aufgeführten Ergebnisse erhalten. Bei diesem Betriebstest wurde keine Adhäsion der Tonerpartikel auf der Walzenoberfläche festgestellt. Ein Verlaufen des gedruckten Abbildes wurde selbst nach dem Betriebstest nicht festgestellt. Die allgemeine Bewertung der Silikongummiwalze wurde als akzeptabel bewertet.
Gewichtsabnahme der Gummiwalze (Weight decrease of rubber Toller; WD)
Das Gewicht der Gummiwalze wurde mit Hilfe einer Präzisionswaage exakt festgestellt. Der Gewichtsunterschied in mg vor und nach dem Betriebstest wurde als Maß für die Abriebbeständigkeit ermittelt.
Nebligwerden (Fogging; FG)
Die Bestimmungen wurden für die Macbeth-Dichte auf dem weißen Hintergrund bei dem oben erwähnten Drucken mit 5%-Belastung (5%-duty printing) mit Hilfe eines Macbeth-Densitometers durchgeführt. Ein Wert für das Fogging bzw. für das Nebligwerden von nicht mehr als 0,015 ist für eine akzeptierbare Gummiwalze sowohl vor als auch nach dem Betriebstest erforderlich.
Druckdichte (Printing density; PD)
Die Bestimmungen der Macbeth-Dichte wurden für die Dichte beim solid black-printing unter Verwendung eines Macbeth-Densitometers bestimmt. Ein Wert für die Druckdichte von mindestens 1,3 ist für eine akzeptable Gummiwalze sowohl vor als auch nach dem Betriebstest erforderlich.
Beispiele 2–4
Die Verfahren zur Herstellung der Silikongummiwalze und die Bewertungstests waren im wesentlichen die gleichen wie beim oben aufgeführten Beispiel 1. Allerdings wurde die Zeitspanne für die Bestrahlung mit ultraviolettem Licht von 1 min im Beispiel 1 auf 10 min, 30 min und 60 min erhöht, um eine Dosis für die Ultraviolettbestrahlung von 12,6 J/cm², 37,8 J/cm² und 75,6 J/cm² zu erhalten. Die Ergebnisse der Bewertungstests sind in der Tabelle 1 aufgeführt. Bei keinem dieser Beispiele konnte eine Adhäsion der Tonerpartikel an der Walzenoberfläche festgestellt werden. Selbst nach dem Betriebstest wurde bei keinem dieser Beispiele ein Verwischen festgestellt. Jede der in diesen Beispielen eingesetzte Silikongummiwalzen wurde als akzeptierbar bewertet.
Vergleichsbeispiele 1–3
Die Verfahren zur Herstellung der Silikongummiwalzen und die Bewertungstests dafür waren im wesentlichen die gleichen wie beim oben beschriebenen Beispiel 1. Allerdings wurde die Bestrahlungsbehandlung mit ultraviolettem Licht beim Vergleichsbeispiel 1 weggelassen. Bei den Vergleichsbeispielen 2 bzw. 3 wurde die Zeitspanne der Bestrahlungsbehandlung mit ultraviolettem Licht von 1 min im Beispiel 1 auf 0,5 min reduziert bzw. auf 70 min erhöht, um Ultraviolettbestrahlungsdosen von 0,6 J/cm² und 88,2 J/cm² zu erhalten. Die Ergebnisse der Bewertungstests sind in der Tabelle 1 aufgeführt. Beim Vergleichsbeispiel wurde nach dem Betriebstest ein Verwischen der gedruckten Abbilder festgestellt. Dies konnte jedoch bei den Vergleichsbeispielen 2 und 3 nicht festgestellt werden. Obwohl die Adhäsion der Tonerpartikel auf der Walzenoberfläche bei jedem dieser Vergleichsbeispiele nicht festgestellt werden konnte, wurden die Silikongummiwalzen bei diesen Vergleichsbeispielen als nicht akzeptabel bewertet.
Tabelle 1
Vergleichsbeispiele 4–8
Die Verfahren zur Herstellung der Silikongummiwalzen und die Bewertungstests waren im wesentlichen die gleichen wie beim oben beschriebenen Beispiel 1. Allerdings wurde die Bestrahlungsbehandlung mit ultraviolettem Licht der Silikongummioberfläche anstelle der Niederdruckquecksilberlampe mit einer Hochdruckquecksilberlampe durchgeführt, die ultraviolettes Licht mit Wellenlängen 365 nm, 546,1 nm, 577 nm und 435,8 nm limitierte, wobei Ultraviolettbestrahlungsdosen von 0,5 J/cm², 1,3 J/cm², 30,3 J/cm², 75,2 J/cm² und 90,4 J/cm² bei den Vergleichsbeispielen 4, 5, 6, 7 und 8 erhalten wurden. Die Ergebnisse dieser Bewertungstests sind in der Tabelle 2 aufgeführt. Ein Verwischen der gedruckten Abbilder wurde bei jedem dieser Vergleichsbeispiele nach dem Betriebstest festgestellt. Obwohl bei keinem dieser Vergleichsbeispiele eine Adhäsion der Tonerpartikel an der Walzenoberfläche festgestellt werden konnte, wurden die Silikongummiwalzen bei diesen Vergleichsbeispielen jeweils als nicht akzeptierbar bewertet.
Tabelle 2

Claims

Gummiwalze bzw. -rolle aus einem Kerndorn aus einem steifen elektrisch leitenden Material (1) und einer röhrchenförmigen Schicht (21) aus einem vernetzten Silikongummi auf und um den Kerndorn (1) herum, wobei das Silikongummi (2A) einen Volumen-Widerstand von 1 × 10⁴ bis 1 × 10⁹ ohm cm besitzt, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenoberfläche (2) der vernetzten Silikongummischicht einer Bestrahlung mit ultraviolettem Licht mit Hauptwellenlängen von 253,7 nm und 184,9 nm mit einer Ultraviolett-Bestrahlungsdosis von 1,2 bis 76 J/cm² bezüglich der Energie des ultravioletten Lichts mit einer Wellenlänge von 253,7 ausgesetzt wird, um eine ultraviolettgehärtete Oberflächenschicht mit einer solchen Rauheit zu erzeugen, dass die Unregelmäßigkeitsamplitude Rz mindestens 8 μm und die durchschnittliche Unregelmäßigkeitsdistanz Sm nicht mehr als 50 μm betragen.
Verfahren zur Herstellung einer Gummiwalze bzw. -rolle bestehend aus einem Kerndorn (1) aus einem steifen elektrisch leitenden Material und einer röhrchenförmigen Schicht (2a) aus einem vernetzten Silikongummi auf und um den Kerndorn (1) herum, wobei das Silikongummi einen Volumen-Widerstand von 1 × 10⁴ bis 1 × 10⁹ ohm cm besitzt, umfassend die Stufe a) bei der auf und um den Kerndorn (1) herum ein steifes elektrisch leitendes Material und eine rohrförmige Schicht (2A) aus einem vernetzten Silikongummi hergestellt wird, und die Stufe b), bei der die Außenoberfläche (2) der Silikongummischicht mit ultraviolettem Licht bestrahlt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestrahlung in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre und mit einer Niederdruckquecksilberlampe als Lichtquelle mit Hauptwellenlängen von 253,7 nm und 184,9 nm mittels einer Ultraviolett-Bestrahlungsdosis von 1,2 bis 76 J/cm² bezüglich der Energie des ultravioletten Lichtes mit einer Wellenlänge von 253,7 nm durchgeführt wird.
Verfahren zur Herstellung einer Gummiwalze nach Anspruch 2, bei dem die Dosismenge der Ultraviolettbestrahlung mindestens 10 mW/cm² beträgt.
Verfahren zur Herstellung eines Gummis nach Anspruch 2, bei dem die Ultraviolettbestrahlung der Außenschicht der Silikongummischicht in Stufe b) in zwei Stufen durchgeführt wird, und zwar in einer ersten Stufe mit ultraviolettem Licht mit einer Wellenlänge von 184,9 nm und dann mit ultraviolettem Licht mit einer Wellenlänge von 253,7 nm.