JP2022191162A - Belt for electrophotography, image forming apparatus for electrophotography, method for manufacturing belt for electrophotography, and varnish - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は、電子写真用ベルト、電子写真用画像形成装置、電子写真用ベルトの製造方法、及びワニスに関する。 The present disclosure relates to an electrophotographic belt, an electrophotographic image forming apparatus, a method for manufacturing an electrophotographic belt, and a varnish.
電子写真用ベルトは、電子写真用画像形成装置における使用において、加熱や加圧、屈曲等の負荷を受ける。
例えば、定着ベルトとしての電子写真用ベルトは、例えば、ベルト(フィルム)加熱方式の定着装置においては、該定着ベルトに対向配置された加圧部材と共に定着ニップ部を形成する。そして、定着ニップ部において、定着ベルトは、当該定着ベルトに蓄えられた熱を被記録材上のトナーに伝える。加熱されたトナーは溶融し、被記録材に定着される。すなわち、定着ベルトは未定着トナーを被記録材に定着させる役割を担っている。
Electrophotographic belts are subjected to loads such as heating, pressure, and bending during use in electrophotographic image forming apparatuses.
For example, in a belt (film) heating type fixing device, an electrophotographic belt as a fixing belt forms a fixing nip portion together with a pressing member arranged opposite to the fixing belt. At the fixing nip portion, the fixing belt transfers the heat accumulated in the fixing belt to the toner on the recording material. The heated toner is melted and fixed on the recording material. That is, the fixing belt plays a role of fixing the unfixed toner onto the recording material.
より具体的な構成例を挙げる。エンドレス形状の定着ベルトは、その内側に発熱体としてのセラミックヒータあるいは圧接部材としての加圧パッドが設けられている。当該定着ベルトに対向する位置には、回転可能な加圧ローラや回転可能な加圧ベルトが配置される。当該定着ベルトは、その内部のセラミックヒータ又は加圧パッドによって、加圧ローラや加圧ベルトに付勢され、定着ニップ部が形成される。当該定着ニップ部には、未定着トナー画像を担持させた被記録材が導入され、定着ベルトの回転と共に搬送される。その過程で、定着ベルトからの熱が未定着トナーや被記録材に与えられると共に、定着ニップ部で未定着トナーに加わる圧力によって溶融したトナーが被記録材上に圧着されて、定着トナー画像が形成される。このように定着ベルトには、定着ニップ部において、繰り返し、高い圧力と高温とが加えられることとなる。 A more specific configuration example will be given. The endless fixing belt is internally provided with a ceramic heater as a heating element or a pressure pad as a pressing member. A rotatable pressure roller and a rotatable pressure belt are arranged at a position facing the fixing belt. The fixing belt is urged against the pressure roller and the pressure belt by an internal ceramic heater or pressure pad to form a fixing nip portion. A recording material bearing an unfixed toner image is introduced into the fixing nip portion and conveyed as the fixing belt rotates. During this process, heat from the fixing belt is applied to the unfixed toner and the recording material, and the unfixed toner is pressed against the recording material by the pressure applied to the unfixed toner at the fixing nip, causing the melted toner to adhere onto the recording material, forming a fixed toner image. It is formed. Thus, the fixing belt is repeatedly subjected to high pressure and high temperature at the fixing nip portion.
従って、定着ベルトとして使用される電子写真用ベルトの基層には十分な耐熱性と高い機械的強度が要求される。高い機械的強度の例としては、例えば、繰り返しの屈曲によってもクラックが発生しないような強度を含む。そこで、電子写真用ベルトの基層には、優れた機械的強度を有する樹脂としてポリイミドが好ましく用いられる。 Therefore, the base layer of the electrophotographic belt used as the fixing belt is required to have sufficient heat resistance and high mechanical strength. Examples of high mechanical strength include strength such that cracks do not occur even with repeated bending. Therefore, polyimide is preferably used as a resin having excellent mechanical strength for the base layer of the electrophotographic belt.
一方で、ポリイミドは、金属やセラミックスに比べて熱伝導率が数桁低い。そのため、プリント速度の高速化やヒータへの熱供給に要する消費電力の低減(省エネ化)、定着装置の小型化といった要求を満たすために、定着ベルトの基層に対して熱伝導性の向上が求められている。 On the other hand, polyimide has several orders of magnitude lower thermal conductivity than metals and ceramics. Therefore, in order to meet the demands for higher printing speed, lower power consumption required for supplying heat to the heater (energy saving), and smaller size of the fixing device, it is required to improve the thermal conductivity of the base layer of the fixing belt. It is
最近では、導電性や熱伝導性等の新たな機能を付与したポリイミドからなる膜が着目されている。
特許文献1には、ポリイミド膜を基層とする定着ベルトの熱伝導性を高めることにより、消費電力の低減、定着速度の高速化、定着温度の低温化等を達成させるために、熱伝導性に優れた無機フィラーを含有させる方法が開示されている。
高熱伝導性粒子(フィラー)をポリイミド中に充填させることで高熱伝導化を図る場合、フィラーを単純に均一分散させるだけではその高い熱伝導率を反映した高熱伝導化は難しい。またフィラーの高充填化は、ポリイミドが本来有する優れた機械的強度の顕著な低下を招く。従って、少ないフィラー添加量で高い熱伝導性を付与することが求められる。
ポリイミド膜に新たな機能を付与するためのフィラーとして、電気的又は熱的特性が特に優れているカーボンナノチューブ(以下、CNTともいう)を用いることが検討されており、該CNTを配合したポリイミド膜の開発が盛んに行われている。
Recently, attention has been focused on films made of polyimide to which new functions such as electrical conductivity and thermal conductivity have been imparted.
In
When high thermal conductivity is achieved by filling polyimide with highly thermally conductive particles (fillers), it is difficult to achieve high thermal conductivity by simply uniformly dispersing the fillers. In addition, the high filling of the filler causes a significant decrease in the excellent mechanical strength inherent in polyimide. Therefore, it is required to impart high thermal conductivity with a small amount of filler added.
Carbon nanotubes (hereinafter also referred to as CNTs), which have particularly excellent electrical or thermal properties, have been studied as fillers for imparting new functions to polyimide films. is being actively developed.
特許文献2には、定着ベルト用に好適な、高い熱伝導率を有するCNT含有ポリイミド膜が開示されている。
しかしながら、CNTは繊維状のカーボンであり、ファンデルワールス力によって凝集しやすく、ポリイミド膜中で凝集塊となって局在化する傾向がある。そのため、凝集塊となったCNTを含包するポリイミド膜においては、ポリイミドが本来有する高い機械的強度が著しく損なわれる場合がある。例えば、特許文献3の各実施例に示されているように、熱伝導率を高くするためにCNTの配合割合を高くすると、ポリイミド膜の機械的強度が著しく低下する。
However, CNTs are fibrous carbon and tend to agglomerate due to van der Waals forces and tend to localize as agglomerates in the polyimide film. Therefore, in a polyimide film containing agglomerated CNTs, the inherently high mechanical strength of polyimide may be significantly impaired. For example, as shown in Examples of
そこで、ポリイミド膜におけるCNTによる凝集塊の生成を抑制するために、CNTを界面活性剤や特定のポリマーと混合して分散させた溶液を調製する方法が検討されている。
特許文献3には、非イオン性界面活性剤及び/又はポリビニルピロリドン(PVP)を含有するアミド系極性有機溶媒に、CNTを分散させることが開示されている。これにより得られた分散液と、ポリイミド前駆体とを混合し、温度350℃で60分間硬化して脱水イミド化反応を行うことで、CNTが均一に分散されたポリイミド膜が得られたことが記載されている。
Therefore, in order to suppress the formation of agglomerates of CNTs in a polyimide film, a method of preparing a solution in which CNTs are dispersed by mixing them with a surfactant or a specific polymer has been investigated.
本発明者らの検討によれば、特許文献3に記載のポリイミド膜は、電子写真用ベルトの基層として用いる上では、機械強度と、厚み方向の熱伝導性との双方において未だ改善の余地があった。
According to studies by the present inventors, the polyimide film described in
本開示の少なくとも一つの態様は、厚さ方向に所定の熱伝導性を有し、かつ、高い機械強度を有する電子写真用ベルトの提供に向けたものである。
また、本開示の少なくとも一つの態様は、厚さ方向に所定の熱伝導性を有し、かつ、高い機械強度を有する電子写真用ベルトの製造方法の提供に向けたものである。
また、本開示の少なくとも一つの態様は、厚さ方向に所定の熱伝導性を有すると共に、機械的強度に優れるポリイミド膜を与え得るワニスの提供に向けたものである。
At least one aspect of the present disclosure is directed to providing an electrophotographic belt having a predetermined thermal conductivity in the thickness direction and high mechanical strength.
Also, at least one aspect of the present disclosure is directed to providing a method for manufacturing an electrophotographic belt having a predetermined thermal conductivity in the thickness direction and high mechanical strength.
Moreover, at least one aspect of the present disclosure is directed to providing a varnish capable of providing a polyimide film having a predetermined thermal conductivity in the thickness direction and excellent mechanical strength.
本開示の一態様によれば、エンドレス形状の電子写真用ベルトであって、基層を有し、該基層は、結着樹脂としてのポリイミドと、カーボンナノチューブと、を含むポリイミド膜を含み、該ポリイミドのイミド化率が80%以上であり、該カーボンナノチューブは、その表面の少なくとも一部にポリフェニルスルホン、ポリスルホン、及びポリエーテルスルホンからなる群から選択される少なくとも1つの樹脂が存在しており、
該基層の周方向及び周方向に直交する方向の引張強度がそれぞれ200MPa以上である、電子写真用ベルトが提供される。
本開示の他の態様によれば、上記の電子写真用ベルトの製造方法であって、(i)ポリフェニルスルホン、ポリスルホン、及びポリエーテルスルホンからなる群から選択される少なくとも1つの前記樹脂を、前記カーボンナノチューブの表面の少なくとも一部に付着させる工程と、
(ii)前記工程(i)で得た、表面の少なくとも一部に前記樹脂を付着させた前記カーボンナノチューブを、ポリイミド前駆体を含む溶液に分散させて分散液を得る工程と、
(iii)該分散液の塗膜を形成する工程と、
(iv)該塗膜を加熱して、該ポリイミド前駆体をイミド化させて、該基層を形成する工程と、を有する電子写真用ベルトの製造方法が提供される。
本開示のさらに他の態様によれば、ポリイミド前駆体と、カーボンナノチューブと、溶媒と、を含有するワニスであって、該カーボンナノチューブは、その表面の少なくとも一部にポリフェニルスルホン、ポリスルホン、及びポリエーテルスルホンからなる群から選択される少なくとも1つの樹脂が存在している、ワニスが提供される。
According to one aspect of the present disclosure, an endless electrophotographic belt has a base layer, the base layer includes a polyimide film containing polyimide as a binder resin and carbon nanotubes, and the polyimide The imidization rate of the carbon nanotube is 80% or more, and the carbon nanotube has at least one resin selected from the group consisting of polyphenylsulfone, polysulfone, and polyethersulfone on at least part of its surface,
An electrophotographic belt is provided in which the tensile strength of the base layer in the circumferential direction and in the direction orthogonal to the circumferential direction is 200 MPa or more.
According to another aspect of the present disclosure, the above-described electrophotographic belt manufacturing method comprises: (i) at least one resin selected from the group consisting of polyphenylsulfone, polysulfone, and polyethersulfone attaching to at least a portion of the surface of the carbon nanotube;
(ii) a step of dispersing the carbon nanotubes having the resin attached to at least a portion of the surface obtained in step (i) in a solution containing a polyimide precursor to obtain a dispersion;
(iii) forming a coating of the dispersion;
(iv) heating the coating film to imidize the polyimide precursor to form the base layer.
According to yet another aspect of the present disclosure, a varnish containing a polyimide precursor, carbon nanotubes, and a solvent, the carbon nanotubes having, on at least a portion of their surface, polyphenylsulfone, polysulfone, and polyphenylsulfone, polysulfone, and A varnish is provided in which at least one resin selected from the group consisting of polyethersulfones is present.
本開示の少なくとも一つの態様によれば、厚さ方向に所定の熱伝導性を有し、かつ、高い機械強度を有する電子写真用ベルトを得ることができる。また、本開示の少なくとも一つの態様によれば、厚さ方向に所定の熱伝導性を有し、かつ、高い機械強度を有する電子写真用ベルトの製造方法を得ることができる。また、本開示の少なくとも一つの態様によれば、厚さ方向に所定の熱伝導性を有し、かつ、機械強度に優れたポリイミド膜を与え得るワニスを得ることができる。 According to at least one aspect of the present disclosure, it is possible to obtain an electrophotographic belt having a predetermined thermal conductivity in the thickness direction and high mechanical strength. Further, according to at least one aspect of the present disclosure, it is possible to obtain a method for manufacturing an electrophotographic belt having a predetermined thermal conductivity in the thickness direction and high mechanical strength. Moreover, according to at least one aspect of the present disclosure, it is possible to obtain a varnish that has a predetermined thermal conductivity in the thickness direction and can provide a polyimide film having excellent mechanical strength.
本開示において、数値範囲を表す「XX以上YY以下」や「XX~YY」の記載は、特に断りのない限り、端点である下限及び上限を含む数値範囲を意味する。数値範囲が段階的に記載されている場合、各数値範囲の上限及び下限は任意に組み合わせることができる。
本開示を実施するための具体的な形態を以下に示す。
本開示の一態様に係る電子写真用ベルトは、基層を具備しているエンドレス形状の電子写真用ベルトである。該基層は、結着樹脂としてのポリイミドと、カーボンナノチューブと、を含むポリイミド膜からなる。該ポリイミドのイミド化率は80%以上であり、該カーボンナノチューブは、その表面の少なくとも一部にポリフェニルスルホン、ポリスルホン、及びポリエーテルスルホンからなる群から選択される少なくとも1つの樹脂が存在している。また、該基層の周方向及び周方向に直交する方向の引張強度がそれぞれ200MPa以上である。また、該基層の厚さ方向の熱伝導率は、好ましくは、0.4W/m・K以上、より好ましくは、0.7W/m・K以上である。
In the present disclosure, the descriptions of “XX or more and YY or less” or “XX to YY” representing numerical ranges mean numerical ranges including the lower and upper limits, which are endpoints, unless otherwise specified. When numerical ranges are stated stepwise, the upper and lower limits of each numerical range can be combined arbitrarily.
A specific form for carrying out the present disclosure is shown below.
An electrophotographic belt according to one aspect of the present disclosure is an endless electrophotographic belt having a base layer. The base layer is composed of a polyimide film containing polyimide as a binder resin and carbon nanotubes. The imidization rate of the polyimide is 80% or more, and the carbon nanotube has at least one resin selected from the group consisting of polyphenylsulfone, polysulfone, and polyethersulfone on at least part of its surface. there is Further, the tensile strength of the base layer in the circumferential direction and in the direction orthogonal to the circumferential direction is 200 MPa or more. Also, the thermal conductivity in the thickness direction of the base layer is preferably 0.4 W/m·K or more, more preferably 0.7 W/m·K or more.
以下、ポリフェニルスルホン、ポリスルホン、及びポリエーテルスルホンからなる群から選択される少なくとも1つの樹脂を被覆用樹脂ともいう。また、表面の少なくとも一部に被覆用樹脂が存在しているカーボンナノチューブを表面被覆CNTともいう。 Hereinafter, at least one resin selected from the group consisting of polyphenylsulfone, polysulfone, and polyethersulfone is also referred to as coating resin. A carbon nanotube having a coating resin on at least a part of its surface is also referred to as a surface-coated CNT.
検討に依れば、特許文献3の開示に従ってポリイミド膜を製造したところ、当該ポリイミド膜の機械的強度が著しく低くなる場合があった。そこで、さらに検討を重ねた結果、脱水イミド化反応を行うための焼成温度を350℃以上としたとき、得られる基層の機械的強度が低くなる場合があることがわかった。
According to studies, when a polyimide film was produced according to the disclosure of
ポリイミド膜の製造において、ポリイミド膜に含まれるポリイミドのイミド化率と、ポリイミド膜の機械的強度とは相関性があり、ポリイミド膜に含まれるポリイミドのイミド化率が高いほど、高い機械的強度を有するポリイミド膜となる。そして、一般にポリイミド膜を製造する際の焼成温度は300℃以上であるが、高いイミド化率、特に、80%以上のイミド化率を有するポリイミド膜を製造するためには、さらに高い焼成温度、即ち350℃以上が必要となる。 In the production of polyimide film, there is a correlation between the imidization ratio of polyimide contained in the polyimide film and the mechanical strength of the polyimide film, and the higher the imidization ratio of the polyimide contained in the polyimide film, the higher the mechanical strength. It becomes a polyimide film having Generally, the baking temperature for producing a polyimide film is 300° C. or higher. That is, 350° C. or higher is required.
つまり、脱水イミド化反応を行うための焼成温度を350℃もしくはそれ以上とすることで、ポリイミド膜に含まれるポリイミドのイミド化率を80%以上に高めることができる。本来であれば、このことにより高い機械的強度を有するポリイミド膜が得られる筈である。しかしながら、特許文献3に記載の技術を用い、焼成温度を350℃以上としたときには、得られる基層の機械的強度が低くなる場合があった。この理由は、次のように考えられる。
That is, by setting the baking temperature for the dehydration imidization reaction to 350° C. or higher, the imidization rate of the polyimide contained in the polyimide film can be increased to 80% or more. Originally, this should result in a polyimide film having high mechanical strength. However, when the technique described in
特許文献3に記載の方法では、CNTをポリイミド膜中に均一に分散させるために、ポリイミド前駆体と混合する前に、CNTを非イオン性界面活性剤及び/又はPVPを含有するアミド系極性有機溶媒に分散させる。これによりCNTの表面の少なくとも一部に、非イオン性界面活性剤及び/又はPVPが存在することとなる。これにより、その後、ポリイミド前駆体と混合し、脱水イミド化反応する過程においても、CNTが凝集することを抑制でき、CNTが均一に分散したポリイミド膜を得ることができる。
In the method described in
しかしながら、イミド化率を高めるために焼成温度を350℃以上とした場合、CNTの表面に存在する非イオン性界面活性剤及び/又はPVPの少なくとも一部が、高熱により分解し、消失すると考えられる。そのため、CNTを分散させる効果が得られず、脱水イミド化反応の過程でCNTの凝集が生じ、その結果得られたポリイミド膜の機械的強度が低下したと考えられる。 However, when the firing temperature is set to 350° C. or higher in order to increase the imidization rate, at least part of the nonionic surfactant and/or PVP present on the surface of the CNTs is considered to decompose and disappear due to high heat. . Therefore, it is considered that the effect of dispersing the CNTs was not obtained, the CNTs aggregated during the dehydration imidization reaction, and as a result the mechanical strength of the obtained polyimide film decreased.
CNTをポリイミド膜中で均一に分散させるために従来用いられてきた低分子の有機化合物(界面活性剤等)又は樹脂についても上記と同様の現象が生じると考えられる。つまり、例えば、ヤシ油、パーム油、直鎖アルキルベンゼンスルホン酸塩、α-スルホ脂肪酸メチルエステル塩、α-オレフィンスルホン酸塩、ナフタレンスルホン酸塩のホルムアルデヒド縮合物、ポリオキシエチレンアルキル硫酸エステル塩、アシル-N-メチルタウリン塩、グリセリン脂肪酸エステル、ソルビタン脂肪酸エステル、しょ糖脂肪酸エステル、ポリオキシエチレンアルキルエーテル、ポリオキシエチレンアルキルフェニルエーテル、ポリオキシエチレンポリオキシプロピレングリコール等の低分子の化合物、また、ポリエステル系、ポリアクリル系又はポリエーテル系の樹脂、PVP又はPVA等のビニル系の樹脂は、いずれも高い焼成温度を経ることで分解、消失すると考えられる。 It is considered that the same phenomenon as described above occurs in low-molecular-weight organic compounds (surfactants, etc.) or resins conventionally used to uniformly disperse CNTs in polyimide films. That is, for example, coconut oil, palm oil, linear alkylbenzene sulfonates, α-sulfo fatty acid methyl ester salts, α-olefin sulfonates, formaldehyde condensates of naphthalene sulfonates, polyoxyethylene alkyl sulfates, acyl - Low-molecular-weight compounds such as N-methyltaurate, glycerin fatty acid ester, sorbitan fatty acid ester, sucrose fatty acid ester, polyoxyethylene alkyl ether, polyoxyethylene alkylphenyl ether, polyoxyethylene polyoxypropylene glycol, and polyester , polyacrylic- or polyether-based resins, and vinyl-based resins such as PVP and PVA are all considered to decompose and disappear when subjected to high baking temperatures.
本開示においては、CNTをポリイミド膜中で均一に分散させるためのCNTの表面処理用の樹脂(以降、「被覆用樹脂」ともいう)としては、例えば、下記一般式(I)で示されるフェニルスルホニル構造を含む樹脂が挙げられる。
具体的には、例えば、ポリフェニルスルホン(以下、PPSU)、ポリスルホン(以下、PSU)、及びポリエーテルスルホン(以下、PESU)からなる群から選択される少なくとも1つの樹脂が挙げられる。PPSU、PSU、及びPESUは、一般的にそれぞれ下記一般式(II)(PPSU)、下記一般式(III)(PSU)、及び下記一般式(IV)(PESU)で表される。なお、各々の式中のnは1以上の整数を示す。
上記被覆用樹脂は、CNTへの吸着力に優れる。即ち、CNTの表面の少なくとも一部に上記被覆用樹脂を付着させて表面被覆CNTを得た後、表面被覆CNTとポリイミド前駆体とを混合したとき、上記被覆用樹脂はCNTの表面から離脱しにくい。これによりポリイミド前駆体と混合した後も、表面被覆CNTの分散性を維持することができる。 The coating resin has excellent adsorption power to CNTs. That is, after the surface-coated CNTs are obtained by attaching the coating resin to at least a part of the surface of the CNTs, the coating resin is separated from the surface of the CNTs when the surface-coated CNTs and the polyimide precursor are mixed. Hateful. As a result, the dispersibility of the surface-coated CNTs can be maintained even after mixing with the polyimide precursor.
また、一般式(I)で示されるフェニルスルホニル構造を含む樹脂は、スーパーエンジニアリングプラスチックスに属する。スーパーエンジニアリングプラスチックスは、耐熱性が高いとされているポリアセタール(POM)又はポリカーボネート(PC)等のエンジニアリングプラスチックスよりもさらに高い耐熱性を有する。
具体的には、本開示において用いられる被覆用樹脂は、熱重量測定(TG)における1%質量減少時温度が350℃以上500℃以下であることが好ましい。
Moreover, resins containing a phenylsulfonyl structure represented by general formula (I) belong to super engineering plastics. Super engineering plastics have higher heat resistance than engineering plastics such as polyacetal (POM) or polycarbonate (PC), which are said to have high heat resistance.
Specifically, the coating resin used in the present disclosure preferably has a temperature of 350° C. or more and 500° C. or less at 1% mass reduction in thermogravimetry (TG).
本開示においては、上記被覆用樹脂と、CNTとを混合してCNTの表面の少なくとも一部に被覆用樹脂を付着させる。そして、これにより得られた表面被覆CNTを、ポリイミド前駆体を含む溶液に分散させた後、イミド化を行う。 In the present disclosure, the coating resin and CNTs are mixed to adhere the coating resin to at least part of the surface of the CNTs. Then, the surface-coated CNTs thus obtained are dispersed in a solution containing a polyimide precursor, and then imidized.
ここで、ポリイミド膜のイミド化率を高めるために、例えば350℃以上の高い焼成温度でイミド化を行った場合においても、被覆用樹脂は高い耐熱性を有することから分解しない。そのため、CNTは高い分散状態を維持することができる。即ち、CNTの凝集と、それによるポリイミド膜の機械的強度の低下とを抑制しつつ、イミド化率を高くすることができ、ポリイミド膜が本来有する機械的強度を効果的に引き出すことができる。これにより、本開示では高機械強度と高熱伝導性とを兼備した電子写真用ベルトを得ることが可能となる。 Here, even when imidization is performed at a high baking temperature of, for example, 350° C. or higher in order to increase the imidization rate of the polyimide film, the coating resin does not decompose because it has high heat resistance. Therefore, CNTs can maintain a highly dispersed state. That is, it is possible to increase the imidization rate while suppressing CNT agglomeration and the resulting reduction in mechanical strength of the polyimide film, thereby effectively drawing out the inherent mechanical strength of the polyimide film. As a result, the present disclosure makes it possible to obtain an electrophotographic belt having both high mechanical strength and high thermal conductivity.
具体的には、本開示の一態様に係る電子写真用ベルトは、基層の周方向及び周方向に直交する方向の引張強度がそれぞれ200MPa以上である。また、基層の厚さ方向の熱伝導率は、好ましくは0.4W/m・K以上、より好ましくは0.7W/m・K以上である。 Specifically, in the electrophotographic belt according to one aspect of the present disclosure, the tensile strength of the base layer in the circumferential direction and in the direction orthogonal to the circumferential direction is 200 MPa or more. Also, the thermal conductivity in the thickness direction of the base layer is preferably 0.4 W/m·K or more, more preferably 0.7 W/m·K or more.
本開示の一態様に係る電子写真用ベルトが有する基層は、カーボンナノチューブの質量に対して、カーボンナノチューブの表面に存在する上記被覆用樹脂を5~20質量%含有していることが好ましい。 The base layer of the electrophotographic belt according to an aspect of the present disclosure preferably contains 5 to 20% by mass of the coating resin present on the surface of the carbon nanotubes with respect to the mass of the carbon nanotubes.
上記被覆用樹脂としては、市販品を使用することが可能であり、PPSUとしては、「ウルトラゾーンP」(商品名;BASF社)、「レーデルPPSU」(商品名:Solvay社)等が挙げられる。また、PSUとしては、「ウルトラゾーンS」(商品名;BASF社)、「ユーデルPSU」(商品名;Solvay社)等が挙げられる。また、PESUとしては、「ウルトラゾーンE」(商品名;BASF社)、「ベラデルPESU」(商品名;Solvay社)、「スミカエクセルPES」(商品名;住友化学社)、「三井PES」(商品名;三井化学ファイン社)等が挙げられる。 Commercially available products can be used as the coating resin, and examples of PPSU include "Ultrason P" (trade name; BASF) and "Raedel PPSU" (trade name: Solvay). . Examples of PSU include "Ultrason S" (trade name; BASF Corporation), "Udel PSU" (trade name; Solvay Corporation), and the like. PESU includes "Ultrazone E" (trade name; BASF), "Veradel PESU" (trade name; Solvay), "Sumika Excel PES" (trade name; Sumitomo Chemical Co.), "Mitsui PES" ( trade name; Mitsui Chemicals Fine Co., Ltd.) and the like.
(CNT)
CNTとしては、ポリイミド膜が本来有する機械強度を維持させる(機械強度の低下を防ぐ)観点から、応力分散の効果が期待できる繊維径の小さいCNTが好ましい。また、電子写真用ベルトの基層の熱伝導性を向上させる観点から、熱伝導率が高いCNTが好ましい。
かかるCNTの例としては、シングルウォールカーボンナノチューブ(SWCNT)(1枚)、ダブルウォールカーボンナノチューブ(DWCNT)(2枚)、又はマルチウォールカーボンナノチューブ(MWCNT)(3枚以上)が挙げられる。
MWCNTのウォール数は、所望のウォールで製造できない伝統的なマルチウォールカーボンナノチューブでは10枚以上(未確認)とされている。本開示においては、MWCNTのウォール数に関して特に限定はない。
(CNT)
From the viewpoint of maintaining the original mechanical strength of the polyimide film (preventing a decrease in mechanical strength), CNTs having a small fiber diameter, which can be expected to disperse stress, are preferable as the CNT. Further, from the viewpoint of improving the thermal conductivity of the base layer of the electrophotographic belt, CNTs having high thermal conductivity are preferred.
Examples of such CNTs include single-wall carbon nanotubes (SWCNT) (1 sheet), double-wall carbon nanotubes (DWCNT) (2 sheets), or multi-wall carbon nanotubes (MWCNT) (3 sheets or more).
The number of walls of MWCNT is said to be 10 or more (unconfirmed) in conventional multi-wall carbon nanotubes, which cannot be manufactured with desired walls. There is no particular limitation regarding the wall number of MWCNTs in this disclosure.
さらに、CNTは、本開示の目的を阻害しない範囲において、炭素以外の元素、該元素は限定されるものではないが、例えば窒素、ホウ素、酸素、硫黄等を含んでいても良い。
CNTは、原子間結合の幾何学的特徴に応じて、アームチェアー(armchair)型、ジグザグ(zigzag)型、カイラル(chiral)型等の構造を取り得るが、本開示においては、いずれの構造を有するCNTでも用いることができる。
Furthermore, CNTs may contain elements other than carbon, such as nitrogen, boron, oxygen, and sulfur, although the elements are not limited, as long as they do not interfere with the object of the present disclosure.
CNTs can have a structure such as an armchair type, a zigzag type, a chiral type, etc., depending on the geometrical characteristics of the interatomic bonds. It can also be used with CNTs having
CNTの製造方法は特に限定されないが、以下の製造法によって製造されたCNTを使用して構わない。 The method for producing CNTs is not particularly limited, but CNTs produced by the following production method may be used.
(1)アーク放電法
大気圧よりやや低い圧力のアルゴンや水素雰囲気下、炭素棒の間に20V,50A程度のアーク放電を行うと、陰極堆積物の中にMWCNTが得られる。また炭素棒中にニッケル/コバルト等の触媒を混ぜてアーク放電を行うと、容器の内側に、すすとして付着する物質の中にSWCNTが生成される。アーク放電法では欠陥が少なく品質の良いCNTが得られるとされている。
(1) Arc Discharge Method When arc discharge of about 20 V, 50 A is performed between carbon rods in an argon or hydrogen atmosphere at a pressure slightly lower than atmospheric pressure, MWCNTs are obtained in the cathode deposit. Also, when a carbon rod is mixed with a catalyst such as nickel/cobalt and arc discharge is performed, SWCNTs are generated in the substance adhering as soot to the inside of the container. The arc discharge method is said to produce CNTs of good quality with few defects.
(2)レーザ蒸発法
ニッケル/コバルト等の触媒を混ぜた炭素にYAGレーザの強いパルス光を照射するとSWCNTが得られる。比較的高い純度のSWCNTを得る事ができ、また条件変更によりチューブ径の制御が可能である。
(2) Laser evaporation method SWCNTs can be obtained by irradiating carbon mixed with a catalyst such as nickel/cobalt with strong pulsed light from a YAG laser. SWCNTs of relatively high purity can be obtained, and the tube diameter can be controlled by changing the conditions.
(3)気相成長法(Chemical Vapor Deposition:CVD法)
炭素源となる炭素化合物を500~1000℃で触媒金属微粒子と接触させることによりCNTが得られる。触媒金属の種類及びその配置の仕方、炭素化合物の種類等に種々のバリエーションがあり、条件の変更によりMWCNTとSWCNTとのいずれも合成することができる。
また、触媒を基板上に配置することにより基板面に垂直に配向したCNTを得ることが可能である。この方法は、原料をガスとして供給できるために大量合成に最も向いている製造法とされている。
(3) Chemical Vapor Deposition (CVD method)
CNTs are obtained by contacting a carbon compound as a carbon source with catalyst metal fine particles at 500 to 1000°C. There are various variations in the type and arrangement of the catalyst metal, the type of carbon compound, etc., and both MWCNT and SWCNT can be synthesized by changing the conditions.
In addition, it is possible to obtain CNTs oriented perpendicular to the substrate surface by arranging the catalyst on the substrate. This method is considered to be the most suitable manufacturing method for large-scale synthesis because the raw materials can be supplied as gas.
CVD法には、以下の流動触媒法及びゼオライトに担持した触媒を用いる方法等がある。
流動触媒法は、上記気相成長法を、発展させた方法である。流動触媒法は、触媒微粒子をあらかじめ基板上に置く方法ではない。流動触媒法では、原料炭化水素(ベンゼンやトルエン等)に、触媒微粒子あるいはCVD条件下で触媒微粒子に転化する触媒前駆体を分散させる。そして、触媒微粒子又は触媒前駆体が分散した原料炭化水素を、水素と共に約1000℃に加熱した反応器に送って反応させ、MWCNTを得る。
流動触媒法に用いられる触媒としては、鉄、コバルト、ニッケル等が挙げられる。
後処理として、1200℃に加熱してCNTに付着しているタール分を飛ばし、さらにグラファイト化が不十分な部分を2000℃の高温で処理してグラファイト化する。
CVD methods include the following fluidized catalyst method and a method using a catalyst supported on zeolite.
The fluidized catalyst method is a method developed from the vapor deposition method. The fluidized catalyst method is not a method in which fine catalyst particles are placed on a substrate in advance. In the fluidized catalyst method, fine catalyst particles or catalyst precursors that are converted to fine catalyst particles under CVD conditions are dispersed in raw material hydrocarbons (benzene, toluene, etc.). Then, the raw material hydrocarbon in which the catalyst fine particles or the catalyst precursor are dispersed is fed together with hydrogen to a reactor heated to about 1000° C. and reacted to obtain MWCNT.
Catalysts used in the fluidized catalyst method include iron, cobalt, nickel and the like.
As a post-treatment, the CNTs are heated to 1200° C. to remove the tar adhering to them, and the insufficiently graphitized portions are treated at a high temperature of 2000° C. to graphitize them.
また、ゼオライトに担持した触媒を用いる方法では、触媒粉末を、鉄/コバルトを多孔性珪酸塩の一種であるY型ゼオライト上に配置する。そして、この触媒粉末にアセチレンとアルゴンの混合ガスを600~900℃で接触させる。これにより不純物の少ないCNTが得られる。
触媒粉末への混合ガスの接触条件を変えることにより、SWCNTとMWCNTを作り分けることが可能である。また、ゼオライトの種類を変えることにより、生成するCNTの形状が変化する。
In the method using a catalyst supported on zeolite, catalyst powder is placed on Y-type zeolite, which is a type of porous silicate containing iron/cobalt. Then, this catalyst powder is brought into contact with a mixed gas of acetylene and argon at 600 to 900.degree. As a result, CNT with less impurities can be obtained.
SWCNTs and MWCNTs can be produced separately by changing the contact conditions of the mixed gas with the catalyst powder. Also, by changing the type of zeolite, the shape of the produced CNTs changes.
上記の他に、炭素源としてカルビン類を用いる製造法、又は炭素前駆体ポリマーチューブを炭素化する製造法がある。
炭素源としてカルビン類を用いる製造法は、ポリ四フッ化エチレンをマグネシウムで還元してカルビン類を生成し、電子線等を照射してカルビン類からCNTを合成する製造法である。
In addition to the above, there is a manufacturing method using carbynes as a carbon source or a manufacturing method in which a carbon precursor polymer tube is carbonized.
The production method using carbynes as a carbon source is a production method in which polytetrafluoroethylene is reduced with magnesium to produce carbynes, which are then irradiated with electron beams or the like to synthesize CNTs from the carbynes.
炭素前駆体ポリマーチューブを炭素化する製造法では、炭素前駆体ポリマー(ポリアクリロニトリル等)からなるシェルと、熱分解消失性ポリマー(ポリエチレン)からなるコアと、からなるコア/シェル粒子を、熱分解消失性ポリマーに分散させる。そして、これを溶融紡糸してコア/シェル粒子を棒状に引き伸ばした後、不融化/炭素化工程を経てCNTを得る。このように、炭素前駆体ポリマーチューブを炭素化する製造法は、ユニークな製造法である。 In the production method of carbonizing a carbon precursor polymer tube, core/shell particles composed of a shell made of a carbon precursor polymer (polyacrylonitrile, etc.) and a core made of a thermally degradable polymer (polyethylene) are pyrolyzed. Disperse in an evanescent polymer. Then, the core/shell particles are melt-spun and stretched into a rod shape, followed by infusibilization/carbonization to obtain CNTs. Thus, the manufacturing method of carbonizing the carbon precursor polymer tube is a unique manufacturing method.
CNTは、熱伝導性に優れる点から、気相成長法(CVD法)によって製造されたマルチウォールカーボンナノチューブであることが好ましい。CVD法によって製造されたマルチウォールカーボンナノチューブが熱伝導性に優れる理由としては、CNTの表面の欠陥が少ないことが挙げられる。 CNTs are preferably multi-walled carbon nanotubes produced by a vapor deposition method (CVD method) because of their excellent thermal conductivity. One of the reasons why the multi-walled carbon nanotubes produced by the CVD method have excellent thermal conductivity is that the surface of the CNTs has few defects.
CNTの表面は、ベンゼン環がすべて隣り合うように結合したシート構造(グラフェン構造)を有し、理論的はSP2炭素から構成される。しかし、製造法によってSP2炭素だけでなく、一部分にSP3炭素を有する場合がある。SP3炭素には水素、酸素、窒素等の原子が結合している。このようなSP3炭素を有する部分が欠陥と呼ばれている。
熱はCNT上では前記グラフェン構造を伝導するため、欠陥が多いCNTは、伝熱性に劣る。
The surface of CNT has a sheet structure (graphene structure) in which all benzene rings are bonded so as to be adjacent to each other, and is theoretically composed of SP2 carbons. However, depending on the manufacturing method, it may have not only SP2 carbon but also SP3 carbon in part. Atoms such as hydrogen, oxygen, and nitrogen are bound to the SP3 carbon. A portion having such SP3 carbon is called a defect.
Since heat is conducted through the graphene structure on CNTs, CNTs with many defects have poor heat conductivity.
CNTにおける欠陥の多少を評価する方法としては、ラマン分光スペクトルにおけるG/D比を測定する方法が挙げられる。
G/D比のGは、ラマン分光スペクトルの1590cm-1付近のピーク強度であり、グラフェン構造(SP2炭素で構成されるシート構造)に由来のピーク強度である。また、G/D比のDは、1350cm-1付近のピーク強度であり、欠陥由来のピーク強度である。G/D比が大きい(Dの強度に対するGの強度が大きい)ほど、CNTにおける欠陥が少ないことを意味する。
CNTのラマン分光スペクトルのG/D比は、10以上であることが好ましく、15以上であることがさらに好ましい。上記G/D比が10以上のCNTの使用は、本開示に係るポリイミド膜の厚さ方向の熱伝導率をより高く、具体的には例えば、0.7W/m・K以上とするうえで特に有効である。
Methods for evaluating the number of defects in CNT include a method for measuring the G/D ratio in Raman spectroscopy.
G in the G/D ratio is the peak intensity near 1590 cm −1 in the Raman spectroscopy spectrum, and is the peak intensity derived from the graphene structure (sheet structure composed of SP2 carbon). Also, D in the G/D ratio is the peak intensity near 1350 cm −1 , which is the peak intensity derived from defects. A higher G/D ratio (higher G intensity relative to D intensity) means fewer defects in the CNT.
The G/D ratio of the Raman spectrum of CNT is preferably 10 or more, more preferably 15 or more. The use of CNTs with a G/D ratio of 10 or more increases the thermal conductivity in the thickness direction of the polyimide film according to the present disclosure, specifically, for example, 0.7 W / m K or more. Especially effective.
(表面被覆CNT)
表面被覆CNTを製造する方法としては特に限定されないが、予め被覆用樹脂を溶媒に溶解させ、そこにCNTを投入しても構わない。また、溶媒にCNTを投入攪拌し、そこに被覆用樹脂を加えても構わない。いずれにしても、被覆用樹脂が溶解する溶媒を用意する必要がある。
前記溶媒としては、被覆用樹脂が溶解する溶媒であれば特に限定はないが、被覆用樹脂を容易に溶解することからアミド系溶媒が好適に使用できる。アミド系溶媒としてはN-メチル-2-ピロリドン(NMP)、N,N-ジメチルアセトアミド(DMAC)、ジメチルホルムアミド(DMF)、ジエチルホルムアミド(DEF)、N-メチルピロリドン(MPD)、テトラメチルウレア(TMU)又はヘキサメチルホスホリックアミド(HMPA)等が挙げられる。
(Surface-coated CNT)
The method for producing the surface-coated CNTs is not particularly limited, but a coating resin may be dissolved in a solvent in advance, and the CNTs may be added thereto. Alternatively, the CNTs may be put into the solvent and stirred, and then the coating resin may be added. In any case, it is necessary to prepare a solvent that dissolves the coating resin.
The solvent is not particularly limited as long as it dissolves the coating resin, but an amide solvent can be preferably used because it easily dissolves the coating resin. Amide solvents include N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), N,N-dimethylacetamide (DMAC), dimethylformamide (DMF), diethylformamide (DEF), N-methylpyrrolidone (MPD), tetramethylurea ( TMU) or hexamethylphosphoric amide (HMPA).
表面被覆CNTは、耐熱性が非常に高い。具体的には、表面被覆CNTの熱重量測定(TG)における1%質量減少時温度は350℃以上であることが好ましい。
また、表面被覆CNTの熱重量測定(TG)における1%質量減少時温度は、400℃以上であることがより好ましく、500℃以上であることがさらに好ましい。
表面被覆CNTが、上述したような高い耐熱性を有することで、高イミド化率のポリイミド膜を製造するために、焼成温度を例えば350℃以上とした場合においても、分解やガス化が生じない。
Surface-coated CNTs have very high heat resistance. Specifically, the temperature at 1% mass reduction in thermogravimetry (TG) of surface-coated CNTs is preferably 350° C. or higher.
The temperature at 1% mass reduction in thermogravimetry (TG) of the surface-coated CNTs is more preferably 400° C. or higher, more preferably 500° C. or higher.
Since the surface-coated CNTs have high heat resistance as described above, decomposition and gasification do not occur even when the firing temperature is set to, for example, 350 ° C. or higher in order to produce a polyimide film with a high imidization rate. .
(ワニス)
次に、本開示の一態様に係るワニスについて説明する。本開示に係るワニスは、本開示の一態様に係る、厚さ方向に所定の熱伝導性を有し、かつ、高い機械的強度を有するポリイミド膜を形成することができるものである。当該ワニスは、ポリイミド前駆体と、前記の表面被覆CNTと、溶媒とを含有する。
(varnish)
Next, a varnish according to one aspect of the present disclosure will be described. The varnish according to the present disclosure can form a polyimide film having predetermined thermal conductivity in the thickness direction and high mechanical strength according to one aspect of the present disclosure. The varnish contains a polyimide precursor, the surface-coated CNTs, and a solvent.
(ポリイミド前駆体)
ポリイミド前駆体としては、以下のような一般的な製造法で得られるポリアミック酸又はポリアミック酸溶液を用いることができる。
まず、テトラカルボン酸二無水物とジアミンとを、溶媒中で不活性ガス雰囲気下、常温常圧で反応させる製造法が挙げられる。
例えば、ピロメリット酸二無水物と4,4’-ジアミノジフェニルエーテルを溶媒中で攪拌することにより、直ちにポリアミック酸を得ることができる。
ジアミンの種類等に応じて、反応溶媒として、上述したようなアミド系溶媒、又は、THF(テトラヒドロフラン)、ジグリム(ジエチレングリコールジメチルエーテル)のような溶媒を使用でき、ポリアミック酸溶液として得てもよい。
(polyimide precursor)
As the polyimide precursor, polyamic acid or polyamic acid solution obtained by the following general production method can be used.
First, there is a production method in which a tetracarboxylic dianhydride and a diamine are reacted in a solvent at normal temperature and normal pressure under an inert gas atmosphere.
For example, by stirring pyromellitic dianhydride and 4,4'-diaminodiphenyl ether in a solvent, polyamic acid can be obtained immediately.
Depending on the type of diamine, an amide solvent such as those described above, or a solvent such as THF (tetrahydrofuran) or diglyme (diethylene glycol dimethyl ether) can be used as a reaction solvent, and a polyamic acid solution may be obtained.
テトラカルボン酸二無水物とジアミンについて以下に述べる。
テトラカルボン酸二無水物としては、例えば、環式テトラカルボン酸二無水物として、1,2,3,4-シクロブタンテトラカルボン酸二無水物、1,2,4,5-シクロヘキサンテトラカルボン酸二無水物、ジシクロヘキシル-3,3’,4,4’-テトラカルボン酸二無水物、1,2,4,5-シクロヘキサンテトラカルボン酸二無水物、1,2,3,4-シクロブタンテトラカルボン酸二無水物、ビシクロ[2.2.2]オクト-7-エン-2,3,5,6-テトラカルボン酸二無水物、ヘキサヒドロ-4,8-エタノ-1H,3H-ベンゾ[1,2-c:4,5-c’]ジフラン1,3,5,7-テトロン等が挙げられる。
また、芳香族テトラカルボン酸二無水物として、ピロメリット酸二無水物、3,3’,4,4’-ビフェニルテトラカルボン酸二無水物、2,3,3’,4’-ビフェニルテトラカルボン酸二無水物、2,2’,3,3’-ビフェニルテトラカルボン酸二無水物、3,3’,4,4’-ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物、4,4’-オキシジフタル酸二無水物、3,4’-オキシジフタル酸二無水物、ビス(3,4-ジカルボキシフェニル)メタン二無水物、2,2-ビス(3,4-ジカルボキシフェニル)プロパン二無水物、2,2-ビス(3,4-ジカルボキシフェニル)-1,1,1,3,3,3-ヘキサフルオロプロパン二無水物、3,3’,4,4’-ジフェニルスルホンテトラカルボン酸二無水物、4,4-(p-フェニレンジオキシ)ジフタル酸二無水物、4,4-(m-フェニレンジオキシ)ジフタル酸二無水物、1,4,5,8-ナフタレンテトラカルボン酸二無水物、3,4,9,10-ペリレンテトラカルボン酸二無水物、9,9-ビス(3,4-ジカルボキシフェニル)フルオレン二無水物等が挙げられる。
特に限定するものではないが、得られるポリイミドの特性からテトラカルボン酸二無水物としては、芳香族テトラカルボン酸二無水物が好ましい。
テトラカルボン酸二無水物は一種である必要はなく、複数種の混合物であっても構わない。
Tetracarboxylic dianhydrides and diamines are described below.
Examples of tetracarboxylic dianhydrides include, for example, cyclic tetracarboxylic dianhydrides such as 1,2,3,4-cyclobutanetetracarboxylic dianhydride, 1,2,4,5-cyclohexanetetracarboxylic dianhydride, anhydride, dicyclohexyl-3,3',4,4'-tetracarboxylic dianhydride, 1,2,4,5-cyclohexanetetracarboxylic dianhydride, 1,2,3,4-cyclobutanetetracarboxylic acid dianhydride, bicyclo[2.2.2]oct-7-ene-2,3,5,6-tetracarboxylic dianhydride, hexahydro-4,8-ethano-1H,3H-benzo[1,2 -c:4,5-c']difuran 1,3,5,7-tetrone and the like.
Further, as the aromatic tetracarboxylic dianhydride, pyromellitic dianhydride, 3,3',4,4'-biphenyltetracarboxylic dianhydride, 2,3,3',4'-biphenyltetracarboxylic Acid dianhydride, 2,2',3,3'-biphenyltetracarboxylic dianhydride, 3,3',4,4'-benzophenonetetracarboxylic dianhydride, 4,4'-
Although not particularly limited, the tetracarboxylic dianhydride is preferably an aromatic tetracarboxylic dianhydride in view of the properties of the resulting polyimide.
The tetracarboxylic dianhydride does not have to be one kind, and may be a mixture of two or more kinds.
また、ジアミンとしては、例えば、p-フェニレンジアミン、m-フェニレンジアミン、2,4-ジアミノトルエン、2,6-ジアミノトルエン、p-キシリレンジアミン、m-キシリレンジアミン、4,4’-ジアミノジフェニルエーテル、3,4’-ジアミノジフェニルエーテル、4,4’-ジアミノジフェニルメタン、1,4-ビス(4-アミノフェノキシ)ベンゼン、1,3-ビス(4-アミノフェノキシ)ベンゼン、1,3-ビス(3-アミノフェノキシ)ベンゼン、3,3’-ジメチルベンジジン、3,3’-ジメトキシベンジジン、3,3’-ジヒドロキシベンジジン、2,2’-ビス(トリフルオロメチル)ベンジジン、3,3’-ビス(トリフルオロメチル)ベンジジン、2,2-ビス[4-(4-アミノフェノキシ)フェニル]プロパン、2,2-ビス(4-アミノフェニル)ヘキサフルオロプロパン、2,2-ビス(3-ヒドロキシ-4-アミノフェニル)ヘキサフルオロプロパン、4,4’-ジアミノジフェニルスルフィド、4,4’-ジアミノジフェニルスルホン、3,3’-ジアミノジフェニルスルホン、ビス[4-(4-アミノフェノキシ)フェニル]スルホン、ビス[4-(3-アミノフェノキシ)フェニル]スルホン、ビス(3-アミノ-4-ヒドロキシフェニル)スルホン等の芳香族ジアミン、ジ(p-アミノシクロヘキシル)メタン、1,4-ジアミノシクロヘキサン等の脂環式構造を含むジアミン、へキサメチレンジアミン、へプタメチレンジアミン、オクタメチレンジアミン、ノナメチレンジアミン、デカメチレンジアミン、ジアミノプロピルテトラメチレン、3-メチルヘプタメチレンジアミン、4,4-ジメチルヘプタメチレンジアミン、2,11-ジアミノドデカン、1,2-ビス-3-アミノプロポキシエタン、2,2-ジメチルプロピレンジアミン、3-メトキシヘキサメチレンジアミン、2,5-ジメチルヘキサメチレンジアミン、2,5-ジメチルヘプタメチレンジアミン、3-メチルへプタメチレンジアミン、5-メチルノナメチレンジアミン、2,17-ジアミノエイコサデカン、1,10-ジアミノ-1,10-ジメチルデカン、1,12-ジアミノオクタデカン等の脂肪族ジアミン等を挙げることができる。
特に限定するものではないが、得られるポリイミドの特性から、ジアミンとしては芳香族ジアミンが好ましい。
ジアミンは一種である必要はなく、複数種の混合物であっても構わない。
Examples of diamines include p-phenylenediamine, m-phenylenediamine, 2,4-diaminotoluene, 2,6-diaminotoluene, p-xylylenediamine, m-xylylenediamine, 4,4'-diamino Diphenyl ether, 3,4'-diaminodiphenyl ether, 4,4'-diaminodiphenylmethane, 1,4-bis(4-aminophenoxy)benzene, 1,3-bis(4-aminophenoxy)benzene, 1,3-bis( 3-aminophenoxy)benzene, 3,3'-dimethylbenzidine, 3,3'-dimethoxybenzidine, 3,3'-dihydroxybenzidine, 2,2'-bis(trifluoromethyl)benzidine, 3,3'-bis (trifluoromethyl)benzidine, 2,2-bis[4-(4-aminophenoxy)phenyl]propane, 2,2-bis(4-aminophenyl)hexafluoropropane, 2,2-bis(3-hydroxy- 4-aminophenyl)hexafluoropropane, 4,4′-diaminodiphenyl sulfide, 4,4′-diaminodiphenyl sulfone, 3,3′-diaminodiphenyl sulfone, bis[4-(4-aminophenoxy)phenyl] sulfone, aromatic diamines such as bis[4-(3-aminophenoxy)phenyl]sulfone and bis(3-amino-4-hydroxyphenyl)sulfone; diamines containing cyclic structures, hexamethylenediamine, heptamethylenediamine, octamethylenediamine, nonamethylenediamine, decamethylenediamine, diaminopropyltetramethylene, 3-methylheptamethylenediamine, 4,4-dimethylheptamethylenediamine, 2,11-diaminododecane, 1,2-bis-3-aminopropoxyethane, 2,2-dimethylpropylenediamine, 3-methoxyhexamethylenediamine, 2,5-dimethylhexamethylenediamine, 2,5-dimethylheptamethylene Aliphatic diamines such as diamine, 3-methylheptamethylenediamine, 5-methylnonamethylenediamine, 2,17-diaminoeicosadecane, 1,10-diamino-1,10-dimethyldecane, 1,12-diaminooctadecane etc. can be mentioned.
Although not particularly limited, the diamine is preferably an aromatic diamine in view of the properties of the resulting polyimide.
The diamine does not have to be of one type, and may be a mixture of multiple types.
ポリアミック酸又はポリアミック酸溶液は市販品を購入して使用することもできる。
具体的には、「Uイミド」シリーズ(商品名;ユニチカ社)、「ユピア」シリーズ及び「U-ワニス」シリーズ(いずれも商品名;宇部興産社)、「HCI」シリーズ(商品名;日立化成社)、「エクリオス」シリーズ(商品名;三井化学社製)及び「Pyre-M.L」シリーズ(商品名;I.S.T社)等が使用できる。
Polyamic acid or polyamic acid solution can also be used by purchasing a commercially available product.
Specifically, the "U-Imido" series (product name; Unitika), the "Upia" series and the "U-Varnish" series (both product names; Ube Industries, Ltd.), the "HCI" series (product name; Hitachi Chemical Co., Ltd.) company), “Equrios” series (trade name; manufactured by Mitsui Chemicals, Inc.) and “Pyre-ML” series (trade name; I.S.T company), etc. can be used.
本開示に係るワニスの製造法は特に限定がなく、例えば、予め表面被覆CNT又は表面被覆CNTの分散液を製造した後に、ポリイミド前駆体を含む溶媒中に投入し、攪拌装置で混合することによって、ワニスを得ることができる。
ワニス中の表面被覆CNTの配合量に特に限定はないが、ポリアミック酸の量に対して、表面被覆CNTの配合量が1体積%以上50体積%以下であることが好ましい。さらに好ましい配合量は10体積%以上30体積%以下である。ワニス中のポリアミック酸の量に対する表面被覆CNTの配合量が10体積%以上であれば、基層の熱伝導性を高くすることができ、30体積%以下であれば、基層の機械的強度を高くすることができる。
The method for producing the varnish according to the present disclosure is not particularly limited. For example, after producing surface-coated CNTs or a dispersion of surface-coated CNTs in advance, it is put into a solvent containing a polyimide precursor and mixed with a stirring device. , can get varnish.
The amount of surface-coated CNTs in the varnish is not particularly limited, but the amount of surface-coated CNTs is preferably 1% by volume or more and 50% by volume or less with respect to the amount of polyamic acid. A more preferable blending amount is 10% by volume or more and 30% by volume or less. If the amount of surface-coated CNTs to the amount of polyamic acid in the varnish is 10% by volume or more, the thermal conductivity of the base layer can be increased, and if it is 30% by volume or less, the mechanical strength of the base layer can be increased. can do.
(ポリイミド膜)
本開示に係るワニスを用いて、本開示に係る電子写真用ベルトの基層として用いるポリイミド膜が製造できる。製造法は限定しないが、ワニスが適度な粘度となるように、溶媒の沸点以下の温度で加熱保持し、一部蒸発させる工程と、イミド化反応を起こすために300℃以上に加熱して保持する工程とを含む製造法が好ましい。例えば、芯体上に高さ0.5mm程度の土手を金属板で作り、ワニスを流し込む。ワニスをバーコーターで塗工し、ホットプレート上に乗せ、200℃で1時間保持して溶媒を蒸発させる。次いでマッフル炉中で、350℃で1時間保持することによってポリイミド膜が得られる。
(polyimide film)
The varnishes of the present disclosure can be used to prepare polyimide films for use as base layers of electrophotographic belts of the present disclosure. Although the manufacturing method is not limited, the varnish is heated and held at a temperature below the boiling point of the solvent to partially evaporate so that the varnish has an appropriate viscosity, and in order to cause an imidization reaction, it is heated and held at 300 ° C. or higher. A manufacturing method comprising the steps of: For example, a bank with a height of about 0.5 mm is made on the core using a metal plate, and varnish is poured into the bank. A varnish is applied using a bar coater, placed on a hot plate, and held at 200° C. for 1 hour to evaporate the solvent. Then, a polyimide film is obtained by holding at 350° C. for 1 hour in a muffle furnace.
(ポリイミド)
本開示に係る電子写真用ベルトの基層として製造されたポリイミド膜が含有するポリイミドは、イミド化率が80%以上である。
ポリイミドは、例えば、上述したポリアミック酸と溶媒とを含む前駆体溶液を加熱により脱水環化(イミド化)することによって得ることができる。
(polyimide)
The polyimide contained in the polyimide film produced as the base layer of the electrophotographic belt according to the present disclosure has an imidization rate of 80% or more.
Polyimide can be obtained, for example, by dehydrating and cyclizing (imidizing) a precursor solution containing the above polyamic acid and solvent by heating.
本開示では、ポリイミドにCNTを配合するため、高い引張強度と靭性をもつポリイミドが好ましい。ポリイミド自身の強度が十分でないと、CNTの配合により必然的に靭性が低下して引張強度(破断応力)も低下するため、実用に供することができなくなる恐れがある。また、定着ベルトの基層として用いる場合においては、ヒータから与えられる熱による変形を防ぐためにより高い耐熱性(ガラス転移温度)を有することが必要とされる。
以上のことから最も好ましいのは、3,3’,4,4’-ビフェニルテトラカルボン酸二無水物とp-フェニレンジアミンとを反応させて得られるポリアミック酸を用いて成形加工されるポリイミドである。
In the present disclosure, polyimides with high tensile strength and toughness are preferred for blending CNTs with polyimides. If the strength of the polyimide itself is not sufficient, the addition of CNTs inevitably lowers the toughness and the tensile strength (breaking stress), so there is a possibility that the polyimide cannot be put to practical use. Further, when used as a base layer of a fixing belt, it is required to have higher heat resistance (glass transition temperature) in order to prevent deformation due to heat applied from a heater.
From the above, the most preferable polyimide is a polyamic acid obtained by reacting 3,3',4,4'-biphenyltetracarboxylic dianhydride with p-phenylenediamine. .
(電子写真用ベルト)
図1は、本開示に係る電子写真用ベルトの一例を示す概略断面図である。電子写真用ベルト1は、上記で説明したポリイミド膜からなる基層1aと、基層1aの外周面上に、少なくともフッ素樹脂を含む離型層としての表面層1cとを有している。
基層1aの厚さは40~150μmであることが好ましい。
(electrophotographic belt)
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of an electrophotographic belt according to the present disclosure. The
The thickness of the
表面層1cはフッ素樹脂を含み、フッ素樹脂が有する低い表面エネルギーによってトナーの付着を防止する役割を果たす。フッ素樹脂を含む表面層1cとしては、フッ素樹脂をチューブ状に成形したものが用いられる。また、フッ素樹脂としては、例えば、テトラフルオロエチレン-パーフルオロ(アルキルビニルエーテル)共重合体(PFA)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、テトラフルオロエチレン-ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)等が用いられる。フッ素樹脂としては、上記例示列挙した材料中、成形性やトナー離型性の観点からPFAが好ましい。
The
表面層1cの厚さは、50μm以下が好ましい。表面層1cの下層に弾性層1bを有する場合、弾性層1bの弾性を維持し、電子写真用ベルト1としての表面硬度が高くなりすぎることを抑制できるからである。
The thickness of the
フッ素樹脂チューブの内面は、予め、ナトリウム処理やエキシマレーザ処理、アンモニア処理等を施すことで、接着性を向上させることができる。 Adhesiveness can be improved by subjecting the inner surface of the fluororesin tube to sodium treatment, excimer laser treatment, ammonia treatment, or the like in advance.
さらに、基層1aと表面層1cとの中間層としてシリコーンゴムからなる弾性層1bを付加的に設けてもよい。弾性層1bは、例えば、トナー定着時にトナー画像と記録材の凹凸に対して均一な圧力を与えるために定着部材に担持させる弾性層として機能する。かかる機能を発現させる上で、弾性層1bの材料としては、加工が容易である、高い寸法精度で加工できる、加熱硬化時に反応副生成物が発生しない等の理由から、付加反応架橋型の液状シリコーンゴムを用いるのが好ましい。また、後述するフィラーの種類や添加量に応じて、その架橋度を調整することで、弾性を調整することができる。
Furthermore, an
一般に、付加反応架橋型の液状シリコーンゴムには、不飽和脂肪族基を有するオルガノポリシロキサンと、ケイ素に結合した活性水素を有するオルガノポリシロキサンと、架橋触媒として白金化合物とが含まれている。ケイ素に結合した活性水素を有するオルガノポリシロキサンは、白金化合物の触媒作用により、不飽和脂肪族基を有するオルガノポリシロキサン成分のアルケニル基との反応によって架橋構造を形成する。 In general, an addition reaction cross-linking liquid silicone rubber contains an unsaturated aliphatic group-containing organopolysiloxane, a silicon-bonded active hydrogen-containing organopolysiloxane, and a platinum compound as a cross-linking catalyst. The organopolysiloxane having silicon-bonded active hydrogen reacts with the alkenyl group of the organopolysiloxane component having an unsaturated aliphatic group to form a crosslinked structure by the catalytic action of the platinum compound.
弾性層1bは、電子写真用ベルト1の熱伝導性の向上、補強、耐熱性の向上等のためにフィラーを含んでいてもよい。
特に、電子写真用ベルトの熱伝導性を向上させることを目的として、フィラーは高熱伝導性であることが好ましい。具体的には、高熱伝導性フィラーの材料としては、無機物、特に金属、金属化合物等を挙げることができる。
The
In particular, the filler preferably has high thermal conductivity for the purpose of improving the thermal conductivity of the electrophotographic belt. Specifically, inorganic substances, especially metals, metal compounds, etc. can be mentioned as the material of the high thermal conductive filler.
高熱伝導性フィラーの材料の具体例としては、炭化ケイ素(SiC)、窒化ケイ素(Si3N4)、窒化ホウ素(BN)、窒化アルミニウム(AlN)、アルミナ(Al2O3)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化マグネシウム(MgO)、シリカ(SiO2)、銅(Cu)、アルミニウム(Al)、銀(Ag)、鉄(Fe)、ニッケル(Ni)等が挙げられる。これらは単独であるいは2種以上を混合して用いることができる。
高熱伝導性フィラーの平均粒径は、取り扱い及び分散性の観点から1μm以上50μm以下が好ましい。また、高熱伝導性フィラーの形状としては、球状、粉砕状、板状、ウィスカ状等が挙げられるが、分散性の観点から球状であることが好ましい。
Specific examples of high thermal conductivity filler materials include silicon carbide (SiC), silicon nitride ( Si3N4 ), boron nitride (BN), aluminum nitride (AlN), alumina ( Al2O3 ) , zinc oxide ( ZnO), magnesium oxide (MgO), silica (SiO 2 ), copper (Cu), aluminum (Al), silver (Ag), iron (Fe), nickel (Ni), and the like. These can be used alone or in combination of two or more.
The average particle size of the highly thermally conductive filler is preferably 1 μm or more and 50 μm or less from the viewpoint of handling and dispersibility. The shape of the high thermal conductivity filler may be spherical, pulverized, plate-like, whisker-like, etc. From the viewpoint of dispersibility, the spherical shape is preferred.
電子写真用ベルトの表面硬度への寄与、及び定着ベルトとして用いたときの定着時の未定着トナーへの熱伝導の効率から、弾性層1bの厚さは100μm以上500μm以下が好ましく、200μm以上400μm以下がより好ましい。
The thickness of the
本開示に係る電子写真用ベルトを製造する方法としては、以下の(i)~(iv)の工程を有する電子写真用ベルトの製造方法が挙げられる。
(i)ポリフェニルスルホン、ポリスルホン、及びポリエーテルスルホンからなる群から選択される少なくとも1つの樹脂を、カーボンナノチューブの表面の少なくとも一部に付着させる工程。
(ii)上記工程(i)で得た、表面の少なくとも一部に樹脂を付着させたカーボンナノチューブを、ポリイミド前駆体を含む溶液に分散させて分散液を得る工程。
(iii)該分散液の塗膜を形成する工程。
(iv)該塗膜を加熱して、該ポリイミド前駆体をイミド化させて、前記基層を形成する工程。
A method for manufacturing an electrophotographic belt according to the present disclosure includes a method for manufacturing an electrophotographic belt having the following steps (i) to (iv).
(i) attaching at least one resin selected from the group consisting of polyphenylsulfone, polysulfone, and polyethersulfone to at least a portion of the surface of the carbon nanotube;
(ii) A step of dispersing the carbon nanotubes having a resin attached to at least a part of the surface obtained in the above step (i) in a solution containing a polyimide precursor to obtain a dispersion.
(iii) forming a coating film of the dispersion;
(iv) heating the coating film to imidize the polyimide precursor to form the base layer;
上記の工程(iv)におけるイミド化のための焼成温度は、少なくとも250℃以上400℃以下であり、好ましくは300℃以上400℃以下、さらに好ましくは350℃以上400℃以下である。 The baking temperature for imidization in the step (iv) is at least 250° C. or higher and 400° C. or lower, preferably 300° C. or higher and 400° C. or lower, more preferably 350° C. or higher and 400° C. or lower.
なお、電子写真用ベルトの製造方法は、上記工程(iii)の後、上記工程(iv)の前に、塗膜を例えば50~250℃に加熱して溶媒を除去し、塗膜を硬化させる工程をさらに有していてもよい。 In the electrophotographic belt manufacturing method, after the step (iii) and before the step (iv), the coating film is heated to, for example, 50 to 250° C. to remove the solvent and cure the coating film. It may further have a step.
(定着装置)
本開示の一態様に係る電子写真用ベルトを定着ベルトとして用いた定着装置の例を以下に説明する。
図2は、本開示に係る電子写真用ベルトを定着ベルトとして用いた定着装置100の一例を示す概略断面図である。
定着装置100は、弾性層を備えた円筒状の定着ベルト(エンドレスベルト)としての電子写真用ベルト1、及び定着ベルトとの間で定着ニップ部14を形成する加圧部材としての加圧ローラ6を備えている。また、定着装置100は、加熱体としての定着ヒータ2、及び耐熱性を有するフィルムガイド兼ヒータホルダ4を備えている。
(fixing device)
An example of a fixing device using an electrophotographic belt according to one aspect of the present disclosure as a fixing belt will be described below.
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing an example of a
The fixing
定着ヒータ2は、フィルムガイド兼ヒータホルダ4の下面に該フィルムガイド兼ヒータホルダ4の長手に沿って固定されており、電子写真用ベルト1とその加熱面が摺動可能な構成とされている。そして、電子写真用ベルト1はこのフィルムガイド兼ヒータホルダ4に若干の自由度を持って外嵌されている。フィルムガイド兼ヒータホルダ4は、耐熱性の高い液晶ポリマー樹脂で形成されており、定着ヒータ2を保持すると共に電子写真用ベルト1を記録材Pと分離させるための形状にする役割を果たしている。
The fixing
加圧ローラ6は、例えば、ステンレス製の芯金上に、厚さ約3mmのシリコーンゴム層、さらに厚さ約40μmのPFA樹脂チューブが順に積層された多層構造とされている。
この加圧ローラ6の芯金の両端部が装置フレーム13の不図示の奥側と手前側の側板間に回転可能に軸受保持されている。
The
Both ends of the metal core of the
この加圧ローラ6の図2における上側に、定着ヒータ2、フィルムガイド兼ヒータホルダ4、定着ベルトステイ5、電子写真用ベルト1を備えた定着ユニットが設置される。この定着ユニットは、定着ヒータ2側を下向きにして加圧ローラ6に平行に設置されている。
A fixing unit including a fixing
定着ベルトステイ5の両端部は不図示の加圧機構によりその一端側が例えば156.8N(16kgf)、総圧313.6N(32kgf)の力で加圧ローラ6に付勢されている。その結果、定着ヒータ2の下面(加熱面)を、電子写真用ベルト1を介して加圧ローラ6の弾性層に抗して所定の押圧力をもって圧接させ、記録材P上のトナーtの定着に必要な所定幅の定着ニップ部14が形成されている。
Both ends of the fixing
温度検知手段としてのサーミスタ3(ヒータ温度センサ)は、熱源である定着ヒータ2の裏面(加熱面とは反対側の面)に設置され、定着ヒータ2の温度を検知する機能を担っている。
A thermistor 3 (heater temperature sensor) as a temperature detection means is installed on the back surface (surface opposite to the heating surface) of the fixing
加圧ローラ6は矢印の方向に所定の周速度で回転駆動される。これと圧接された関係にある電子写真用ベルト1は加圧ローラ6によって従動し所定の速度で回転する。このとき、電子写真用ベルト1の内面が定着ヒータ2の下面に密着して摺動しながらフィルムガイド兼ヒータホルダ4の外回りを矢印の方向に従動回転する状態になる。
The
電子写真用ベルト1の内面には半固形状潤滑剤が塗布され、フィルムガイド兼ヒータホルダ4と電子写真用ベルト1の内面との摺動性を確保している。
A semi-solid lubricant is applied to the inner surface of the
サーミスタ3は、定着ヒータ2の裏面に接触するよう配置され、A/Dコンバータ9を介して制御手段としての制御回路部(CPU)10に接続されている。この制御回路部(CPU)10はそれぞれのサーミスタ3からの出力を所定の周期でサンプリングしており、このように得られた温度情報を温度制御に反映させる構成となっている。つまり、制御回路部(CPU)10は、サーミスタ3の出力をもとに、定着ヒータ2の温調制御内容を決定する。これにより、制御回路部(CPU)10は、電力供給部であるヒータ駆動回路部11による、定着ヒータ2の温度が目標温度(設定温度)となるための定着ヒータ2への通電を制御する役割を果たしている。また、制御回路部(CPU)10は、定着ベルト寿命見積もりシーケンスの制御をする役割も果たしており、加圧ローラ6の駆動モータとA/Dコンバータ9を介して接続されている。
The
定着ヒータ2は、アルミナの基板と、この上に、銀・パラジウム合金を含んだ導電ペーストをスクリーン印刷法によって均一な10μm程度の厚さの膜状に塗布された抵抗発熱体を有している。さらに、この上に、耐圧ガラスによるガラスコートが施された、セラミックヒータとされている。
The fixing
(電子写真用画像形成装置)
本開示に係る電子写真用ベルトを有する上記定着装置を備える電子写真用画像形成装置の例を以下に説明する。
図3は、本開示に係る電子写真用画像形成装置の一例を示す概略断面図である。
(Electrophotographic image forming apparatus)
An example of an electrophotographic image forming apparatus including the fixing device having the electrophotographic belt according to the present disclosure will be described below.
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing an example of an electrophotographic image forming apparatus according to the present disclosure.
像担持体としての感光ドラム101は、矢印の反時計方向に所定のプロセス速度(周速度)で回転駆動される。感光ドラム101はその回転過程で帯電ローラ等の帯電装置102により所定極性に帯電処理される。
A
次いで、その帯電処理面にレーザ光学系110から出力されるレーザ光103により、入力された画像情報に基づき露光処理される。レーザ光学系110は不図示の画像読み取り装置等の画像信号発生装置からの目的画像情報の時系列電気デジタル画素信号に対応して変調(オン/オフ)したレーザ光103を出力して感光ドラム101面を走査露光するものである。その結果、この走査露光により感光ドラム101面には画像情報に対応した静電潜像が形成される。ミラー109はレーザ光学系110から出力されたレーザ光103を感光ドラム101の露光位置に偏向させる。
Then, the charged surface is exposed to
そして、感光ドラム101上に形成された静電潜像は、現像装置104のうちのイエロー現像器104Yによりイエロートナーにて可視像化される。このイエロートナー像は感光ドラム101と中間転写ドラム105との接触部である1次転写部T1において中間転写ドラム105面に転写される。なお、感光ドラム101面上に残留するトナーはクリーナ107によりクリーニングされる。
Then, the electrostatic latent image formed on the
上記のような帯電・露光・現像・一次転写・清掃のプロセスサイクルが、マゼンタトナー像(現像器104Mが作動)、シアントナー像(現像器104Cが作動)、ブラックトナー像(現像器104Kが作動)を形成すべく、同様に繰り返される。このようにして中間転写ドラム105上に順次重ねて形成された各色のトナー像は、転写ローラ106との接触部である二次転写部T2において、記録材P上に一括して二次転写される。中間転写ドラム105上に残留するトナーはトナークリーナ108によりクリーニングされる。
The process cycle of charging, exposure, development, primary transfer, and cleaning as described above produces a magenta toner image (
なお、このトナークリーナ108は、中間転写ドラム105に対し接離可能とされており、中間転写ドラム105をクリーニングする時に限り中間転写ドラム105に接触した状態となるように構成されている。また、転写ローラ106も、中間転写ドラム105に対し接離可能とされており、二次転写時に限り中間転写ドラム105に接触した状態となるように構成されている。
The
二次転写部T2を通過した記録材は、画像加熱装置としての定着装置100に導入され、その上に担持した未定着トナー像の定着処理(画像加熱処理)を受ける。そして、定着処理を受けた記録材は、機外に排出されて、一連の画像形成動作が終了する。
The recording material that has passed through the secondary transfer portion T2 is introduced into a
以下に本開示に係る実施例を説明するが、本開示は以下の実施例に係る記載に限定されるものではない。
以下の実施例に示されるように、予め表面被覆CNTを製造し、その後にポリイミド前駆体と混合してワニスを調製した。
Examples according to the present disclosure will be described below, but the present disclosure is not limited to the description of the following examples.
As shown in the examples below, surface-coated CNTs were prepared in advance and then mixed with a polyimide precursor to prepare a varnish.
[被覆用樹脂]
被覆用樹脂としては、以下に記載した市販品を使用した。また、比較例においてCNTの表面に付着させるために使用した樹脂(以下、比較樹脂)としては、以下の市販品を使用した。
・被覆用樹脂1(PPSU):ウルトラゾーンP3010(商品名、BASF社製)
・被覆用樹脂2(PSU):ウルトラゾーンS3010(商品名、BASF社製)
・被覆用樹脂3(PESU):ウルトラゾーンE1010(商品名、BASF社製)
・比較樹脂1(PVP):ルビスコールK30(商品名、BASF社製)
・比較樹脂2(モノラウリン酸ポリオキシエチレンソルビタン):Tween20(商品名、東京化成社製)
[Coating resin]
As the coating resin, the following commercially available products were used. In addition, as the resin used for adhering to the surface of the CNT in the comparative example (hereinafter referred to as comparative resin), the following commercially available products were used.
- Coating resin 1 (PPSU): Ultrason P3010 (trade name, manufactured by BASF)
- Coating resin 2 (PSU): Ultrason S3010 (trade name, manufactured by BASF)
- Coating resin 3 (PESU): Ultrason E1010 (trade name, manufactured by BASF)
・Comparison resin 1 (PVP): Rubiscol K30 (trade name, manufactured by BASF)
・ Comparative resin 2 (polyoxyethylene sorbitan monolaurate): Tween 20 (trade name, manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.)
[CNT]
実施例及び比較例で使用したCNTを以下に示す。
・CNT1:VGCF-H(商品名、昭和電工社製)
・CNT2:VGCF(商品名、昭和電工社製)
・CNT3:L-60100(商品名、NTP社製)
・CNT4:L-1020(商品名、NTP社製)
[CNT]
CNTs used in Examples and Comparative Examples are shown below.
・ CNT1: VGCF-H (trade name, manufactured by Showa Denko)
・ CNT2: VGCF (trade name, manufactured by Showa Denko)
・ CNT3: L-60100 (trade name, manufactured by NTP)
・ CNT4: L-1020 (trade name, manufactured by NTP)
[ポリアミック酸]
実施例及び比較例で使用したポリアミック酸(以下、PAAともいう)溶液を以下に示す。
・PAA1:U-ワニスS301
(商品名、宇部興産社製、ポリアミック酸含有量:18質量%)
・PAA2:UイミドAH
(商品名、ユニチカ社製、ポリアミック酸含有量:18質量%)
・PAA3:JIV-1002
(商品名、JFEケミカル社製、ポリアミック酸含有量:18質量%)
[Polyamic acid]
Polyamic acid (hereinafter also referred to as PAA) solutions used in Examples and Comparative Examples are shown below.
・PAA1: U-Varnish S301
(Product name, manufactured by Ube Industries, polyamic acid content: 18% by mass)
・ PAA2: U imide AH
(Product name, manufactured by Unitika Ltd., polyamic acid content: 18% by mass)
・PAA3: JIV-1002
(Product name, JFE Chemical Co., Ltd., polyamic acid content: 18% by mass)
以下、上記の各材料についての各物性の評価について説明する。
(被覆用樹脂及び比較樹脂の耐熱性)
被覆用樹脂1~被覆用樹脂3の耐熱性と、比較樹脂1又は比較樹脂2の耐熱性とを比較するために、熱重量測定(TG)における1%質量減少時温度を表1に示す。
Evaluation of each physical property of each of the above materials will be described below.
(Heat resistance of coating resin and comparative resin)
In order to compare the heat resistance of
(被覆用樹脂及び比較樹脂のCNTへの吸着力)
被覆用樹脂又は比較樹脂のCNTへの吸着力と、ポリアミック酸(以下、PAA)のCNTへの吸着力とを以下の2つの手法により比較した。
1)ハンセン溶解度パラメーターを用いた手法
2)パルスNMRを用いた手法
(Adsorption force of coating resin and comparison resin to CNT)
The adsorptive power of the coating resin or the comparative resin to CNTs and the adsorptive power of polyamic acid (hereinafter referred to as PAA) to CNTs were compared by the following two methods.
1) Method using Hansen solubility parameter 2) Method using pulsed NMR
1)ハンセン溶解度パラメーターを用いた手法
ハンセン溶解度パラメーター(以下、HSPと称す)は、物質同士の相互作用の予測に用いられる値で、分散体を扱う分野では既知の指標である。HSPの理論については、例えば「石炭科学会議発表論文集,55,P86~P89(2018)」に記載されている。
HSPは以下の3つのパラメーター(単位:MPa0.5)で構成されている。
・δd:分子間の分散力によるエネルギー
・δp:分子間の双極子相互作用によるエネルギー
・δh:分子間の水素結合によるエネルギー
これら3つのパラメーターは3次元空間(ハンセン空間)における座標とみなすことができる。そして2つの物質のHSPをハンセン空間内に置いたとき、2点間の距離(以下、Raと称す)が近ければ近いほど互いに相互作用しやすいことを示している。
即ち、CNT及び被覆用樹脂のHSPをそれぞれハンセン空間内に置いた時の2点間の距離をRa(CNT-被覆用樹脂)、CNT及びPAAのHSPをそれぞれハンセン空間内に置いた時の2点間の距離をRa(CNT-PAA)とする。このとき、Ra(CNT-被覆用樹脂)がRa(CNT-PAA)よりも小さい場合に、被覆用樹脂の方がPAAと比べてCNTと強い相互作用を有することとなる。従って、表面被覆CNTとPAAとを混合したときに、CNTの表面に存在する被覆用樹脂がPAAと置き換わってCNTの表面から被覆用樹脂が離脱することを抑制することができる。
1) Method Using Hansen Solubility Parameter The Hansen solubility parameter (hereinafter referred to as HSP) is a value used to predict interactions between substances, and is a known index in the field of dispersions. The theory of HSP is described, for example, in “Coal Science Conference Proceedings, 55, P86-P89 (2018)”.
HSP consists of the following three parameters (unit: MPa0.5).
・δd: energy due to intermolecular dispersion force ・δp: energy due to intermolecular dipole interaction ・δh: energy due to intermolecular hydrogen bonding These three parameters can be regarded as coordinates in a three-dimensional space (Hansen space). can. When the HSPs of two substances are placed in the Hansen space, the closer the distance between the two points (hereinafter referred to as Ra), the easier it is for them to interact with each other.
That is, the distance between two points when the CNT and the HSP of the coating resin are placed in the Hansen space is Ra (CNT-coating resin) , and the distance between the two points when the HSP of the CNT and the PAA are placed in the Hansen space is 2 Let Ra (CNT-PAA) be the distance between the points. At this time, when Ra (CNT-coating resin) is smaller than Ra (CNT-PAA) , the coating resin has a stronger interaction with CNTs than PAA. Therefore, when the surface-coated CNT and PAA are mixed, it is possible to suppress the separation of the coating resin from the surface of the CNT by replacing the coating resin existing on the surface of the CNT with the PAA.
表1にCNT1に対する被覆用樹脂1~被覆用樹脂3、比較樹脂1又は比較樹脂2のRa(CNT-被覆用樹脂)を示す。なお、CNT1に対するPAA1のRa(CNT-PAA)は16.1である。
Table 1 shows Ra (CNT-coating resin) of
表1によれば、被覆用樹脂1~被覆用樹脂3は、Ra(CNT-被覆用樹脂)がRa(CNT-PAA)(16.1)よりも小さい。そのため、被覆用樹脂1~被覆用樹脂3を用いて得た表面被覆CNTと、PAA1とを混合したときでも、CNT1の表面における被覆用樹脂1~被覆用樹脂3の吸着が保持されると考えられる。また、比較樹脂1は耐熱性が低いが、比較樹脂1のRa(CNT-被覆用樹脂)は、Ra(CNT-PAA)(16.1)よりも小さい。そのため、比較樹脂1を表面に吸着させたCNT1と、PAA1とを混合したときでも、CNT1の表面における比較樹脂1の吸着が保持されると考えられる。一方、比較樹脂2は耐熱性が高いが、比較樹脂2のRa(CNT-被覆用樹脂)は、Ra(CNT-PAA)(16.1)より大きい。そのため、比較樹脂2を表面に吸着させたCNT1と、PAA1とを混合したときに、CNT1の表面から比較樹脂2が脱離する可能性が高いと考えられる。
According to Table 1, in
2)パルスNMRを用いた手法
溶液中の吸着力を比較する手法として、パルスNMRを用いた手法があり、溶媒運動(観測原子核は1H)の緩和情報を得ることができる。手法の概要又は操作法は「日本画像学会誌、55(2)、P160~P165(2016)」に記載の方法を参照することができる。
2) Technique using pulse NMR As a technique for comparing the adsorption force in a solution, there is a technique using pulse NMR, which can obtain relaxation information of solvent motion (observed atomic nucleus is 1H). For an outline of the technique or an operation method, the method described in "Journal of Imaging Society of Japan, 55(2), P160-P165 (2016)" can be referred to.
緩和とは一旦吸収されたエネルギーが減衰していく過程のことを指す。例えば、溶媒としてN-メチル-2-ピロリドン(以下、NMP)を用いた場合を考える。このとき、CNT表面と接触していない自由な状態のNMPがCNT表面に接触したときに、NMPの励起した核スピンはCNTの核スピンとのエネルギー交換により緩和する。CNTの表面に被覆用樹脂が存在しないとき、溶媒であるNMP分子は、高頻度でCNT表面に接触するため、NMPの緩和時間が著しく短い。一方、同じ条件で測定したとき、CNTの表面に被覆用樹脂が存在している場合は、CNTの表面の被覆用樹脂が多いほど、溶媒であるNMPがCNTの表面と接触する頻度が小さくなり、NMPの緩和時間が長くなる。
CNT1/被覆用樹脂1/溶媒:NMPの混合液の場合と、CNT1/PAA1/溶媒:NMPの混合液の場合のパルスNMRにおけるNMPのエネルギー減衰曲線を図4に示す。曲線の勾配が急なほど、即ち、時間経過でパルス信号強度が大きく減少する程、吸着していなことを示す。
Relaxation refers to the process by which energy once absorbed is attenuated. For example, consider the case of using N-methyl-2-pyrrolidone (hereinafter referred to as NMP) as a solvent. At this time, when NMP in a free state not in contact with the CNT surface contacts the CNT surface, the excited nuclear spin of NMP relaxes due to energy exchange with the nuclear spin of CNT. When the coating resin does not exist on the surface of the CNT, NMP molecules, which are the solvent, frequently come into contact with the surface of the CNT, so that the relaxation time of NMP is remarkably short. On the other hand, when the measurement is performed under the same conditions, when the coating resin is present on the surface of the CNT, the more the coating resin on the surface of the CNT, the less frequently the solvent NMP comes into contact with the surface of the CNT. , the relaxation time of NMP increases.
FIG. 4 shows energy decay curves of NMP in pulse NMR for a mixture of CNT1/
図4より、CNT1の表面でPAA1は安定に吸着しておらず、CNT1の表面がむき出し状態になるためにNMPの減衰時間が短いと考えられる。一方、被覆用樹脂1はCNT1の表面に強く吸着し、CNT1の表面を覆っていることからNMPの減衰時間が長いと考えられる。
From FIG. 4, it is considered that PAA1 is not stably adsorbed on the surface of CNT1 and the decay time of NMP is short because the surface of CNT1 is exposed. On the other hand, the
(CNTの熱伝導性)
CNTの熱伝導性を評価するために、ラマン分光スペクトルのG/D比を求めた。既に述べたように、G/D比の値が大きいほど欠陥が少なく、熱伝導率が高いCNTである。
G/D比は、ラマン分光スペクトルにおいて、グラフェン構造に起因する1590cm-1のバンド(Gバンド)のピーク高さと、グラフェン構造の欠陥に起因する1350cm-1のバンド(Dバンド)のピーク高さの比として算出した。ラマン分光測定には、3D顕微レーザーラマン分光装置(商品名:Nanofinder30;東京インスツルメンツ社製)を用いた。測定条件は、励起レーザ光源532nm、波数範囲900~2000、回折格子1200/mm、露光時間30sとした。
(Thermal conductivity of CNT)
In order to evaluate the thermal conductivity of CNTs, the G/D ratio of Raman spectra was obtained. As already mentioned, the larger the G/D ratio, the smaller the number of defects and the higher the thermal conductivity of the CNT.
The G / D ratio is the peak height of the 1590 cm -1 band (G band) due to the graphene structure and the peak height of the 1350 cm -1 band (D band) due to defects in the graphene structure in the Raman spectroscopy spectrum. calculated as the ratio of A 3D microscopic laser Raman spectrometer (trade name: Nanofinder 30; manufactured by Tokyo Instruments Co., Ltd.) was used for the Raman spectroscopic measurement. The measurement conditions were an excitation laser light source of 532 nm, a wave number range of 900 to 2000, a diffraction grating of 1200/mm, and an exposure time of 30 s.
一例として、CNT1とCNT4のラマンスペクトラムを図5に示す。また、CNT1~CNT4の繊維径、繊維長及びG/D比を表2に示す。 As an example, Raman spectra of CNT1 and CNT4 are shown in FIG. Table 2 shows the fiber diameters, fiber lengths and G/D ratios of CNT1 to CNT4.
図5及び表2に示す通り、CNT1又はCNT2はG/D比が大きく、特にCNT1はG/D比が15以上であり、欠陥が非常に少ないCNTであることから、熱伝導性向上の観点で好適である。 As shown in FIG. 5 and Table 2, CNT1 or CNT2 has a large G/D ratio, and CNT1 in particular has a G/D ratio of 15 or more and is a CNT with very few defects. is suitable.
[ポリアミック酸の焼成温度に対するイミド化率]
イミド化率は、フーリエ変換赤外分光光度計Spectrum3 FT-IR(パーキンエルマー製)を用いて、試料の赤外線吸収スペクトルを測定することによって算出した。測定は、ゲルマニウムクリスタルでの1回反射ATR法にて行った。
具体的には、1515cm-1付近のベンゼン環吸収帯に由来する吸光度「B」を基準としたときの、1710cm-1のイミド基に由来するC=O伸縮振動の吸光度「A」との比「A/B」を測定した。完全にイミド化されたときの吸光度比「A/B」が1.7であるとして、「イミド化率=(A/B)×100/1.7」により算出した。
[Imidation rate for baking temperature of polyamic acid]
The imidization rate was calculated by measuring the infrared absorption spectrum of the sample using a Fourier transform
Specifically, when the absorbance "B" derived from the benzene ring absorption band near 1515 cm -1 is used as a reference, the ratio of the absorbance "A" of the C=O stretching vibration derived from the imide group at 1710 cm -1 "A/B" was measured. Assuming that the absorbance ratio "A/B" when completely imidized is 1.7, it was calculated by "imidization ratio = (A/B) x 100/1.7".
PAA1~3の焼成温度に対するイミド化率を図7に示す。
図7に示すように焼成温度が200℃~300℃付近でイミド化が急速に進み、350℃付近でイミド化率が飽和し始めてイミド化率が80%以上となり、400℃付近で飽和するものと推測される。
FIG. 7 shows the imidization ratios of
As shown in FIG. 7, imidization progresses rapidly when the firing temperature is around 200°C to 300°C, and the imidization rate begins to saturate around 350°C, reaching 80% or more, and saturating around 400°C. It is speculated that
(CNTの表面への被覆用樹脂の吸着評価)
被覆用樹脂がCNTの表面に吸着したことを確認するために、一例として、CNT1と被覆用樹脂1との組合せにおける吸着等温線を作成した。吸着等温線がラングミュア吸着等温式に準じた曲線であれば、1層目の被覆用樹脂の吸着(単分子吸着)が起こっている根拠となる。また、吸着等温線がラングミュア吸着等温式から多分子吸着等温式に変わる点を同定することにより、CNTの表面が被覆用樹脂によって覆われて吸着が完了した状態(吸着飽和)を確認にすることができる。
(Adsorption evaluation of coating resin on CNT surface)
In order to confirm that the coating resin was adsorbed on the surface of the CNTs, an adsorption isotherm was prepared for a combination of CNT1 and
まず、容器にCNT1を1g、被覆用樹脂1の5質量%NMP溶液を任意量投入し、追加の溶媒(NMP/メチルアルコール=3/1.2)を加えて全体量を66.66gの混合溶液にした。該混合溶液にガラスビーズ(φ1mm)を30g投入し、ペイントシェーカー(東洋精機製作所社)で2時間振とうした後、ガラスビーズを除き、分散液を得た。
該分散液を遠心分離(12000回転、2.5時間)で固液分離し、上澄み液を分取した。該上澄み液中の被覆用樹脂1の量をHPLC分析から算出すると共に、固体側の被覆用樹脂1の量を算出し、CNT1の単位重量(1g)当たりの被覆用樹脂1の量を求めて、CNT1と被覆用樹脂1における吸着等温線を作成した(図6参照)。
First, 1 g of
The dispersion was subjected to solid-liquid separation by centrifugation (12,000 rpm, 2.5 hours), and the supernatant was collected. The amount of
作成した吸着等温線は屈曲した曲線であり、例えば、「農業土木学会誌第68巻第4号、P351~P361」に記載されているラングミュアの吸着等温式と多分子吸着等温式の2つの式でフィッティングできた。 The created adsorption isotherm is a curved curve. For example, two equations, Langmuir's adsorption isotherm and polymolecular adsorption isotherm, are described in "Journal of Agricultural Engineering Society, Vol. 68, No. 4, P351-P361". I was able to get a fitting.
上記吸着等温線により、CNT1に対して被覆用樹脂1が、NMP/メチルアルコール混合溶媒中で強く吸着することが確認できた。さらに、CNT1が被覆用樹脂1で1層覆われて、吸着が概ね完了した点が確認できた。吸着が概ね完了した時点におけるCNT1の単位重量(1g)に対する被覆用樹脂1の量を見積もった結果、0.082g/g-CNTであった。
From the above adsorption isotherm, it was confirmed that the
[実施例1]
(表面被覆CNT1の製造)
容器にCNT1を1g、被覆用樹脂1の5質量%NMP溶液を1.8g投入し、追加の溶媒(NMP/メチルアルコール=3/1.2)を加えて全体量を66.66gの混合溶液とした。該混合溶液にガラスビーズ(φ1mm)を30g投入し、ペイントシェーカー(東洋精機製作所社)で2時間振とうした後、ガラスビーズを除き、分散液を得た。該分散液を遠心分離(12000回転、2.5時間)で固液分離し、上澄み液を除去して、表面被覆CNT1を含む沈降物を得た。
次いで、上澄み液の高速液体クロマトグラフィー分析(以下、HPLC分析と称す)で上澄み液中の被覆用樹脂1の量を算出した。始めに投入した被覆用樹脂1の量から差し引いた値を用いて表面被覆CNT1の被覆量(CNTの単位重量(1g)当たりの被覆用樹脂1の量(g))を求めたところ、0.082g/g-CNTであった。
次いで、該沈降物を200℃のホットプレート上で1時間加熱し、NMPを完全に除去して表面被覆CNT1を得た。表面被覆CNT1の熱重量測定(TG)を行い、質量減少曲線を得た(図8参照)。図8から1%質量減少時温度を求めたところ542℃であった(表3参照)。
[Example 1]
(Production of surface-coated CNT1)
1 g of
Then, the amount of
The sediment was then heated on a hot plate at 200° C. for 1 hour to completely remove NMP to obtain surface-coated CNT1. Thermogravimetry (TG) of the surface-coated CNT1 was performed to obtain a mass loss curve (see FIG. 8). The temperature at 1% mass reduction was obtained from FIG. 8 and found to be 542° C. (see Table 3).
[実施例2~実施例8]
実施例1に記載の方法に準拠して、表3に記載したCNTと被覆用樹脂の組合せで表面被覆CNT2~表面被覆CNT8を製造した。また、実施例1の記載の方法に準拠して、CNTの単位質量(1g)当たりの被覆用樹脂の量、及び1%質量減少時温度を求めた。得られた結果を表3に示す。
[Examples 2 to 8]
According to the method described in Example 1, surface-coated CNT2 to surface-coated CNT8 were produced using combinations of CNTs and coating resins shown in Table 3. Also, according to the method described in Example 1, the amount of coating resin per unit mass (1 g) of CNT and the temperature at 1% mass reduction were determined. Table 3 shows the results obtained.
[比較例1~2]
実施例1に記載の方法に準拠して、表3に記載したCNTと比較樹脂1又は比較樹脂2の組合せで、比較表面被覆CNT1及び比較表面被覆CNT2を製造した。
また、実施例1の記載の方法に準拠して比較表面被覆CNT1及び比較表面被覆CNT2について、CNTの単位質量(1g)当たりの被覆用樹脂の量を求めた。さらに、比較表面被覆CNT1及び比較表面被覆CNT2について熱重量測定(TG)を行い、質量減少曲線を得た(図8参照)。図8から1%質量減少時温度を求めた。得られた結果を表3に示す。
[Comparative Examples 1 and 2]
According to the method described in Example 1, a combination of the CNTs described in Table 3 and the
Further, according to the method described in Example 1, the amount of the coating resin per unit mass (1 g) of the CNTs was determined for the comparative surface-coated CNT1 and the comparative surface-coated CNT2. Further, thermogravimetry (TG) was performed on the comparative surface-coated CNT1 and the comparative surface-coated CNT2 to obtain mass loss curves (see FIG. 8). The temperature at 1% mass reduction was obtained from FIG. Table 3 shows the results obtained.
表3の表面被覆CNT1における被覆量0.082g/g-CNTは、概ね一層目の吸着が完了した時点における被覆用樹脂1の量である。また、表面被覆CNT1と比べて、CNTの表面に吸着している被覆用樹脂1の量が少ない場合が表面被覆CNT2であり、多い場合(多層吸着の場合)が表面被覆CNT3である。いずれの場合においても、1%質量減少時温度は350℃より高い温度であった。一方、比較表面被覆CNT1及び比較表面被覆CNT2では、1%質量減少時温度は350℃を下回っていた。
上記実施例及び比較例で得られた、表面に樹脂を付着させたCNTを使用して、表4に記載した組合せでワニスを調製した。以下に調製方法を示す。
The coating amount of 0.082 g/g-CNT in surface-coated
Varnishes were prepared in the combinations shown in Table 4 using the CNTs having resin attached to their surfaces obtained in the above Examples and Comparative Examples. The preparation method is shown below.
[実施例9]
(ワニス1の製造)
実施例1で得た表面被覆CNT1を含む沈降物を使用して、ワニス1を得る方法を下記に示す。
PAA1(固形分濃度:18質量%)7.5gと、表面被覆CNT1を含む沈降物(固形分濃度:25%)1.24gを容器に投入した。次に、容器を自転公転混錬機(製品名:練太郎、シンキー社製)で15分混錬し、15分脱気してワニス1を得た。
[Example 9]
(Manufacture of varnish 1)
A method for obtaining
7.5 g of PAA1 (solid content concentration: 18% by mass) and 1.24 g of sediment containing surface-coated CNT1 (solid content concentration: 25%) were put into a container. Next, the container was kneaded for 15 minutes with a rotation-revolution kneader (product name: Rentaro, manufactured by Thinky Corporation) and degassed for 15 minutes to obtain
[実施例10~実施例17]
PAAと表面被覆CNTとの組合せを、表4に記載した通りとした以外は、実施例9に記載の方法と同様にしてワニス2~9を調製した。
[Examples 10 to 17]
Varnishes 2-9 were prepared in the same manner as described in Example 9, except that the combinations of PAA and surface-coated CNTs were as described in Table 4.
[比較例3及び比較例4]
PAAと比較表面被覆CNTとの組合せを表4に記載の通りとした以外は実施例9に記載の方法と同様にして比較ワニス1及び比較ワニス2を調製した。
[Comparative Example 3 and Comparative Example 4]
[比較例5]
樹脂で被覆していないCNT1を用いた以外は実施例9と同様にして比較ワニス3を調製した。
[Comparative Example 5]
上記実施例で得られたワニスを使用して、下記に記載の方法でポリイミド膜を作製した。
[実施例18]
実施例1で得られた表面被覆CNT配合ワニス1を使用して、ポリイミド膜1を得る方法を下記に示す。なお、ワニス1の量を増やす場合には、バッチ数を増やすか、又は処方変更無しにスケールアップした。
PAA1(U-ワニスS301、固形分濃度18質量%)1kgと、ワニス1(固形分濃度25質量%)180gとを攪拌容器に投入し、プラネタリーミキサーにて60分間分散させて膜形成用ワニス1を得た。この配合比率は、PAA1の固形分、即ちポリアミック酸に対して、表面被覆CNTの配合量が13.2体積%となるように算出したものである。
得られた膜形成用ワニス1を、外径30mm、長さ500mmの円筒状アルミニウム製芯体の表面にリングコート法を用いて塗布した。この円筒状芯体には、表面に予めセラミックスコーティングを施すことで、ベルト成形後の脱型がしやすいようにした。
乾燥工程として、芯体を60rpmで回転させながら表面を近赤外線ヒータにて120℃になるように保ちながら30分間加熱した。さらに、150℃で20分間、200℃で30分間加熱することでNMPをほぼ完全に揮発させて、塗布膜を固化させた。
続いて、イミド化工程として、熱風循環炉内に静置して250℃で30分間、及び350℃で30分間加熱することでイミド化を進行させ、ポリイミド被膜を形成させた。室温程度まで冷却させた後、芯体から被膜を脱型し、85μmの厚さを有するエンドレス形状のポリイミド膜1を得た。
Using the varnish obtained in the above example, a polyimide film was produced by the method described below.
[Example 18]
A method for obtaining a
1 kg of PAA1 (U-varnish S301, solid content concentration 18% by mass) and 180 g of varnish 1 (solid content concentration 25% by mass) were put into a stirring vessel and dispersed for 60 minutes with a planetary mixer to obtain a film-forming varnish. got 1. This blending ratio was calculated so that the blending amount of the surface-coated CNTs was 13.2% by volume with respect to the solid content of PAA1, that is, the polyamic acid.
The resulting film-forming
As a drying process, the core was rotated at 60 rpm, and the surface was heated with a near-infrared heater for 30 minutes while maintaining the temperature at 120°C. Furthermore, by heating at 150° C. for 20 minutes and at 200° C. for 30 minutes, NMP was almost completely volatilized and the coating film was solidified.
Subsequently, as an imidization step, the film was allowed to stand still in a hot air circulating furnace and heated at 250° C. for 30 minutes and 350° C. for 30 minutes to promote imidization and form a polyimide film. After cooling to about room temperature, the film was removed from the core to obtain an
[実施例19~実施例27、比較例6~比較例10]
焼成条件及び用いるワニスの種類を表5に記載の通りに変更した以外は、実施例18に記載の方法に準拠してポリイミド膜2~ポリイミド膜10及び比較ポリイミド膜1~比較ポリイミド膜5を得た。得られたポリイミド膜2~ポリイミド膜10及び比較ポリイミド膜1~比較ポリイミド膜5の膜厚を表5に示す。
[Examples 19 to 27, Comparative Examples 6 to 10]
<ポリイミド膜の評価>
(イミド化及び被覆用樹脂の存在の確認)
上記で作製した各ポリイミド膜から切り取ったサンプル片について、赤外線吸収スペクトルの測定を行った。
その結果、いずれのポリイミド膜においても、イミド化反応により生成される吸収が1715cm-1付近に現れ、ポリアミック酸がポリイミドに変換していることが確認された。
また、ポリイミド膜1~8、比較ポリイミド膜5及び6では、S-C結合に起因する吸収が1480cm-1付近に現れ、被覆用樹脂が含まれていることが確認された。一方、比較ポリイミド膜1~4、及び7では、S-C結合に起因する吸収が1480cm-1付近に現れなかった。
<Evaluation of polyimide film>
(Confirmation of presence of imidization and coating resin)
Infrared absorption spectra were measured for sample pieces cut from each of the polyimide films produced above.
As a result, in any polyimide film, the absorption generated by the imidization reaction appeared near 1715 cm −1 , confirming that polyamic acid was converted to polyimide.
Moreover, in the
(イミド化率)
上記で作製した各ポリイミド膜におけるイミド化率を、先に記載の方法により求めた。
得られた結果を表6に示す。
(Imidation rate)
The imidization rate of each polyimide film prepared above was determined by the method described above.
Table 6 shows the results obtained.
(引張強度)
上記で作製した各ポリイミド膜の周方向及び周方向に直交する方向の引張強度を測定した。
引張強度は、日本産業規格(JIS)K 7161:2014に基づき、精密万能試験機(商品名:オートグラフAG-X、島津製作所社製)を用いて、引張速度5mm/min、つかみ具間距離40mm、23℃にて測定した。得られた結果を表6に示す。
なお、いずれのポリイミド膜においても、周方向の引張強度と、周方向に直交する方向の引張強度とで同じ値が得られたため、表6には合わせて「引張強度」として1つの項目で示す。
(tensile strength)
The tensile strength in the circumferential direction and the direction orthogonal to the circumferential direction of each polyimide film produced above was measured.
Tensile strength was measured based on Japanese Industrial Standards (JIS) K 7161:2014 using a precision universal testing machine (trade name: Autograph AG-X, manufactured by Shimadzu Corporation) at a tensile speed of 5 mm/min and a distance between grips. Measured at 40 mm and 23°C. Table 6 shows the results obtained.
In any polyimide film, the same value was obtained for the tensile strength in the circumferential direction and the tensile strength in the direction perpendicular to the circumferential direction. .
(熱伝導率)
上記で作製した各ポリイミド膜について、周期加熱法(温度波熱分析法)熱拡散率測定装置(商品名:FTC-1、アドバンス理工社製)を用い、25℃における熱拡散率を測定した。得られた熱拡散率と、別途測定した密度と比熱とを乗算することによって熱伝導率(厚み方向)を算出した。
得られた結果を表6に示す。
(Thermal conductivity)
For each of the polyimide films prepared above, the thermal diffusivity at 25° C. was measured using a periodic heating method (temperature wave thermal analysis method) thermal diffusivity measuring device (trade name: FTC-1, manufactured by Advance Riko Co., Ltd.). The thermal conductivity (thickness direction) was calculated by multiplying the obtained thermal diffusivity by the separately measured density and specific heat.
Table 6 shows the results obtained.
(総合評価)
上記で作製した各ポリイミド膜について、イミド化率、引張強度、及び熱伝導率の評価結果を基に、以下の基準により総合評価を行った。
具体的には、熱伝導率が0.4W/m・K以上の高い熱伝導率を有し、かつ、周方向及び周方向に直交する方向の引張強度がいずれも200MPa以上であるポリイミド膜をランク「A」とした。なかでも、熱伝導率が、0.7W/m・K以上のポリイミド膜についてはランク「A+」とした。
一方、熱伝導率が0.4W/m・K以上であるものの、周方向及び周方向に直交する方向の引張強度がいずれも200MPa未満であるポリイミド膜をランク「B」とした。
結果を表6に示す。
(Comprehensive evaluation)
Based on the evaluation results of imidization rate, tensile strength, and thermal conductivity, each polyimide film prepared above was comprehensively evaluated according to the following criteria.
Specifically, a polyimide film having a high thermal conductivity of 0.4 W/m·K or more and a tensile strength of 200 MPa or more in both the circumferential direction and the direction perpendicular to the circumferential direction. It was set as rank "A". Among them, polyimide films having a thermal conductivity of 0.7 W/m·K or more were ranked as “A+”.
On the other hand, a polyimide film having a thermal conductivity of 0.4 W/m·K or more but having a tensile strength of less than 200 MPa both in the circumferential direction and in a direction orthogonal to the circumferential direction was ranked "B".
Table 6 shows the results.
表5及び6に示すように、焼成温度を350℃以上として作製したポリイミド膜のイミド化率は全て80%を超えた。
しかしながら、表面に樹脂を付着させていないCNT1を含有する比較ポリイミド膜5の引張強度は198MPa、熱伝導率は0.69W/m・Kであった。比較ポリイミド膜5中のポリイミドのイミド化率は80%と高いにも関わらず、引張強度が低い理由は、ポリイミド膜中においてCNTが凝集塊を形成したためであると考えられる。
一方、表面被覆CNTを含有するポリイミド膜1~10は、比較ポリイミド膜5よりも引張強度が向上し、表面被覆の効果が認められた。すなわち、ポリイミド膜1~10においては、膜中のCNTの表面が樹脂で被覆されていることによりCNT間の斥力が生まれ、凝集の抑制効果が発揮されたと考えられる。つまり、被覆用樹脂のCNT表面吸着が、ワニス中や焼成中でも維持されるほど強いことが実証されたと考えられる。
As shown in Tables 5 and 6, the imidization ratios of the polyimide films produced at a baking temperature of 350° C. or higher all exceeded 80%.
However, the
On the other hand, the
一方、PVPやモノラウリン酸ポリオキシエチレンソルビタンで表面を処理したCNTを含むワニスを用い、焼成温度350℃以上として作製した比較ポリイミド膜1~3では、引張強度及び熱伝導率のいずれも、比較ポリイミド膜5より劣っていた。これは、以下の2つの理由の何れかにより、ポリイミド膜作製の過程で、CNTの表面被覆状態が維持されなくなり、CNTが凝集したことによるものと考えられる。
理由1:樹脂あるいは界面活性剤が、ワニス中でポリアミック酸と置き換わってCNT表面から脱着した。
理由2:樹脂あるいは界面活性剤が、高い焼成温度により、分解又はガス化して脱着した。
On the other hand, in the
Reason 1: The resin or surfactant replaced the polyamic acid in the varnish and desorbed from the CNT surface.
Reason 2: The resin or surfactant was decomposed or gasified and desorbed due to the high baking temperature.
実施例18~27に係るポリイミド膜の外周面上にシリコーンゴムからなる弾性層と、さらにその外周面上にフッ素樹脂からなる表面層を形成することで定着ベルトを作製した。この定着ベルトを、図2に示す構成を有する定着装置に用いて試験を行ったところ、良好な省エネ性と定着画像が得られ、60万枚通紙後も問題なく機能した。
一方、比較例6~10に係るポリイミド膜を使用して同様に作製した定着ベルトを用いた場合では、通紙枚数が60万枚にいたる前に、屈曲疲労によりポリイミド膜に亀裂が生じた。
A fixing belt was produced by forming an elastic layer made of silicone rubber on the outer peripheral surface of the polyimide film according to Examples 18 to 27, and further forming a surface layer made of fluororesin on the outer peripheral surface. When this fixing belt was used in a fixing device having the configuration shown in FIG. 2 and tested, good energy-saving properties and fixed images were obtained, and it functioned without any problems even after 600,000 sheets were fed.
On the other hand, in the case of using fixing belts similarly manufactured using the polyimide films according to Comparative Examples 6 to 10, the polyimide film cracked due to bending fatigue before the number of sheets passed reached 600,000.
本発明の実施形態に係る開示は、以下の構成および方法を含む。
(構成1)
エンドレス形状の電子写真用ベルトであって、
基層を有し、
該基層は、結着樹脂としてのポリイミドと、カーボンナノチューブと、を含むポリイミド膜を含み、
該ポリイミドのイミド化率が80%以上であり、
該カーボンナノチューブは、その表面の少なくとも一部にポリフェニルスルホン、ポリスルホン、及びポリエーテルスルホンからなる群から選択される少なくとも1つの樹脂が存在しており、
該基層の周方向及び周方向に直交する方向の引張強度がそれぞれ200MPa以上である、電子写真用ベルト。
(構成2)
前記基層の厚さ方向の熱伝導率が0.7W/m・K以上である、構成1に記載の電子写真用ベルト。
(構成3)
前記カーボンナノチューブのラマン分光スペクトルのG/D比が10以上である、構成1又は2に記載の電子写真用ベルト。
(構成4)
該基層が、前記カーボンナノチューブの質量に対して、前記カーボンナノチューブの表面に存在する前記樹脂を5~20質量%含有している、構成1~3のいずれかに記載の電子写真用ベルト。
(構成5)
前記基層の厚さが40~150μmである、構成1~4のいずれかに記載の電子写真用ベルト。
(構成6)
前記基層の外周面上に、フッ素樹脂を含む表面層をさらに有する、構成1~5のいずれかに記載の電子写真用ベルト。
(構成7)
前記基層と前記表面層との間に、弾性層をさらに有する、構成6に記載の電子写真用ベルト。
(構成8)
前記電子写真用ベルトが、定着ベルトである、構成1~7のいずれかに記載の電子写真用ベルト。
(方法1)
構成1~8のいずれかに記載の電子写真用ベルトを製造する方法であって、
(i)ポリフェニルスルホン、ポリスルホン、及びポリエーテルスルホンからなる群から選択される少なくとも1つの前記樹脂を、前記カーボンナノチューブの表面の少なくとも一部に付着させる工程と、
(ii)前記工程(i)で得た、表面の少なくとも一部に前記樹脂を付着させた前記カーボンナノチューブを、ポリイミド前駆体を含む溶液に分散させて分散液を得る工程と、
(iii)該分散液の塗膜を形成する工程と、
(iv)該塗膜を加熱して、該ポリイミド前駆体をイミド化させて、前記基層を形成する工程と、
を有することを特徴とする電子写真用ベルトの製造方法。
(構成9)
構成1~8のいずれかに記載の電子写真用ベルトを有する電子写真用画像形成装置。
(構成10)
ポリイミド前駆体と、カーボンナノチューブと、溶媒と、を含有するワニスであって、
該カーボンナノチューブは、その表面の少なくとも一部にポリフェニルスルホン、ポリスルホン、及びポリエーテルスルホンからなる群から選択される少なくとも1つの樹脂が存在している、ことを特徴とするワニス。
(構成11)
前記カーボンナノチューブのラマン分光スペクトルのG/D比が10以上である、構成10に記載のワニス。
Disclosure according to embodiments of the present invention includes the following configurations and methods.
(Configuration 1)
An endless electrophotographic belt,
having a base layer,
The base layer comprises a polyimide film containing polyimide as a binding resin and carbon nanotubes,
The imidization rate of the polyimide is 80% or more,
The carbon nanotube has at least one resin selected from the group consisting of polyphenylsulfone, polysulfone, and polyethersulfone on at least part of its surface,
An electrophotographic belt, wherein the base layer has a tensile strength of 200 MPa or more in the circumferential direction and in a direction orthogonal to the circumferential direction.
(Configuration 2)
The electrophotographic belt according to
(Composition 3)
3. The electrophotographic belt according to
(Composition 4)
The electrophotographic belt according to any one of
(Composition 5)
5. The electrophotographic belt according to any one of
(Composition 6)
The electrophotographic belt according to any one of
(Composition 7)
7. The electrophotographic belt of
(Composition 8)
The electrophotographic belt according to any one of
(Method 1)
A method for manufacturing an electrophotographic belt according to any one of
(i) attaching at least one resin selected from the group consisting of polyphenylsulfone, polysulfone, and polyethersulfone to at least a portion of the surface of the carbon nanotube;
(ii) a step of dispersing the carbon nanotubes having the resin attached to at least a portion of the surface obtained in step (i) in a solution containing a polyimide precursor to obtain a dispersion;
(iii) forming a coating of the dispersion;
(iv) heating the coating to imidize the polyimide precursor to form the base layer;
A method for manufacturing an electrophotographic belt, comprising:
(Composition 9)
An electrophotographic image forming apparatus comprising the electrophotographic belt according to any one of
(Configuration 10)
A varnish containing a polyimide precursor, carbon nanotubes, and a solvent,
A varnish characterized in that the carbon nanotube has at least one resin selected from the group consisting of polyphenylsulfone, polysulfone and polyethersulfone present on at least part of its surface.
(Composition 11)
11. The varnish according to
1 電子写真用ベルト
1a 基層
1b 弾性層
1c 表面層
100 定着装置
101 感光ドラム
102 帯電装置
104 現像装置
105 中間転写ドラム
106 転写ローラ
107 クリーナ
108 トナークリーナ
1
Claims (12)
基層を有し、
該基層は、結着樹脂としてのポリイミドと、カーボンナノチューブと、を含むポリイミド膜を含み、
該ポリイミドのイミド化率が80%以上であり、
該カーボンナノチューブは、その表面の少なくとも一部にポリフェニルスルホン、ポリスルホン、及びポリエーテルスルホンからなる群から選択される少なくとも1つの樹脂が存在しており、
該基層の周方向及び周方向に直交する方向の引張強度がそれぞれ200MPa以上である、ことを特徴とする電子写真用ベルト。 An endless electrophotographic belt,
having a base layer,
The base layer comprises a polyimide film containing polyimide as a binding resin and carbon nanotubes,
The imidization rate of the polyimide is 80% or more,
The carbon nanotube has at least one resin selected from the group consisting of polyphenylsulfone, polysulfone, and polyethersulfone on at least part of its surface,
An electrophotographic belt, wherein the tensile strength of the base layer in the circumferential direction and in the direction orthogonal to the circumferential direction is 200 MPa or more.
(i)ポリフェニルスルホン、ポリスルホン、及びポリエーテルスルホンからなる群から選択される少なくとも1つの前記樹脂を、前記カーボンナノチューブの表面の少なくとも一部に付着させる工程と、
(ii)前記工程(i)で得た、表面の少なくとも一部に前記樹脂を付着させた前記カーボンナノチューブを、ポリイミド前駆体を含む溶液に分散させて分散液を得る工程と、
(iii)該分散液の塗膜を形成する工程と、
(iv)該塗膜を加熱して、該ポリイミド前駆体をイミド化させて、前記基層を形成する工程と、
を有することを特徴とする電子写真用ベルトの製造方法。 A method for producing the electrophotographic belt according to any one of claims 1 to 8,
(i) attaching at least one resin selected from the group consisting of polyphenylsulfone, polysulfone, and polyethersulfone to at least a portion of the surface of the carbon nanotube;
(ii) a step of dispersing the carbon nanotubes having the resin attached to at least a portion of the surface obtained in step (i) in a solution containing a polyimide precursor to obtain a dispersion;
(iii) forming a coating of the dispersion;
(iv) heating the coating to imidize the polyimide precursor to form the base layer;
A method for manufacturing an electrophotographic belt, comprising:
該カーボンナノチューブは、その表面の少なくとも一部にポリフェニルスルホン、ポリスルホン、及びポリエーテルスルホンからなる群から選択される少なくとも1つの樹脂が存在している、ことを特徴とするワニス。 A varnish containing a polyimide precursor, carbon nanotubes, and a solvent,
A varnish characterized in that the carbon nanotube has at least one resin selected from the group consisting of polyphenylsulfone, polysulfone and polyethersulfone present on at least part of its surface.
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