专利名称：具有氟聚合物涂层的弹性体滚筒和结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及采用弹性体结构的各种应用如静电干印复制技术中使用的弹性滚筒(例如，复印机、传真机、激光打印机和其它印刷设备)和其它纸处理应用中使用的防粘涂层。
背景技术：
弹性滚筒目前被用于各种目的。静电印刷机和胶印印刷机领域，这类滚筒对这些设备的正常运转起着必不可少的作用。一般而言，人们希望滚筒具有多种性能，包括良好的适型性(即，能牢固地夹紧三维物体，如一张纸)、良好的耐化学性、良好的耐久性(即，抗磨损)和良好的耐热性。人们曾试图平衡这些性能，但未完全成功。影响人们对这些性能进行有效组合的因素还在于许多印刷和纸处理工业对成本非常敏感。
传统的滚筒一般包含厚厚地涂布在实芯如金属上的类似橡胶的材料，如硅氧烷。对绝大多数应用而言，这种结构至少在开始时工作良好，但随着时间的推移，容易产生各种问题。首先，硅氧烷材料一般具有有限的耐磨性，结果会导致磨损和表面不平。第二，硅氧烷仅有有限的防粘性能，从而会导致可严重影响成象质量的污垢和污染问题。硅氧烷材料的磨损往往反而使该材料的防粘性能变得更差。第三，由于剪切应力，硅氧烷材料常常会在表面变形，导致弹性表面的起皱、扭变或开裂以及产生缺陷，这些会严重影响打印机的运转。最后，硅氧烷材料会随着时间的推移而溶胀和降解，尤其是当它暴露于某些溶剂、油和蒸气中时。
人们已提出了若干方案，试图改善上述问题。例如，Meltz在美国专利No.3,345,942中使用氟聚合物粒子以填充橡胶滚筒涂层。这种方法被认为对改善防粘性具有一定效果，但由于橡胶暴露在外面，对改善滚筒的耐化学性的效果仍是有限的。而且，有效表面能在橡胶和氟聚合物之间分配，这样，与单独使用氟聚合物相比，会降低防粘性。
Kon等在美国专利No.4,789,565中以及铃木等在日本专利公开说明书92年第361026号中公开了他们的另一种方法，即，在氟聚合物颗粒的保护膜上涂层。在这些方案中，通过在滚筒上叠合许多薄的氟聚合物层来防止涂层开裂，虽然这种方法可提供一种具有更佳的防粘涂层的表面，但它易变得非常复杂，需要极大的努力以防止橡胶中间层由于加热工序而受到损坏(加热工序是为了固化或烧结PTFE粒子以形成连续的PTFE层)。而且，还会产生许多其它工艺上的问题，包括易产生与污染有关的缺陷和在操作过程中出现针孔的明显风险。
又一种方法是在滚筒表面上使用一个氟聚合物材料的套筒。这种方法的例子描述在美国专利No.5,180,899(属于Inasaki)、4,219,327(属于Idstein)和3,912,901(属于Strella等)中。这种方法可保护中间的弹性层免受化学侵蚀和热分解，但它会显著降低滚筒的适型性。由于与橡胶相比，氟聚合物较硬，当以这种方式涂布时，这类材料的最终有效硬度计读数将会明显增大。这会产生与被加工的产品的适型性问题，如与在熔融辊和带套筒的压辊之间通过的纸张的适型性问题。这种适型性不足会导致墨粉的熔融不充分以及印色的耐久性不良。此外，向这种结构的滚筒输送防粘剂可能在纸边缘上不均匀，导致均匀性不良和波浪皱。氟聚合物套筒的另一个问题是由于由氟聚合物膜与橡胶的接触面的压缩和扩展产生的剪切应力，套筒接合失效的可能性很大。氟聚合物管的其它不足是它们缺乏可靠的同心度和不能稳定地使壁厚制成小于0.002吋。
接合失效问题的一个较好例子描述在Inasaki的美国专利No.5,180,899中。该专利公开了一种具有海绵层的多层滚筒结构，其中的海绵层被硅橡胶层包覆，其外面再被“特氟隆”管层包覆。这些不同层的性能的组合据说仅是为了改善硅氧烷材料上面的适型性。据报道，特氟隆(即高密度聚四氟乙烯(PTFE))管层有助于老化特性的改善和使其表面不易吸附污垢或变形。尽管有这些改善，该结构在许多方面仍被认为是有缺点的。例如，PTFE管与底材的粘合会是困难的。不经过浸蚀或类似处理，高密度PTFE材料一般不易粘附到其它材料上去。即使经过这些处理，PTFE与其它材料的粘合往往多少有些脆弱。这会导致管层的移动、起皱或其它问题。而且，高密度PTFE一般抗拉强度和蠕变特性较差，这又会导致其移动和由此产生的表面扭变问题。最后，需要许多层材料的结构，尤其是那些使用一个或多个管状材料的结构，一般难以装配并且在使用过程中更易脱离或变形。据说使用另一个位于中间的海绵层是为了减少使用过程中层与层之间的应力。但遗憾的是，这种方法被认为决不是完全令人满意的解决方案，其适型性仍是有限的，并且加工难度显著增大。
氟聚合物弹性体橡胶层是另一种试图解决上述问题而采用的技术方法。这些方法的例子公开在美国专利No.5,061,965(Ferguson等)和No.4,430,406(Newkirk等)中。仍然是加工难度和侵蚀性化学品的消除不良问题使该技术无法满足印刷机生产厂家的所有需要。美国专利No.5,061,965试图通过在氟弹性体上敷设又一附加的硅氧烷保持膜以防止污染的形成来解决这些问题中的某一些。而这又增加了该设备的复杂性并被认为进一步影响了适型性。
还有一种方法是采用膨胀型聚四氟乙烯(ePTFE)增强硅氧烷材料。这些方法的例子公开在美国专利No.5,123,151(Uehara等))、4,887,340(Kato等)以及3,345,942和日本公开说明书93年第134574号(受让者住友电工株式会社)中。所有这些参考文献给出了如下启示ePTFE膜有助于提高橡胶层的耐久性。但他们均存在如下不足他们试图通过包埋ePTFE材料、仅在滚筒表面留下暴露在外的硅氧烷层来解决硅氧烷材料的问题。例如，住友公司的日本专利公开说明书93年第134574号公开了一种用于印刷机的固定辊，该固定辊系由用氟树脂材料(例如，四氟乙烯树脂)的衬底增强了的、暴露在外的弹性层构成。氟材料具有经粗糙化处理的表面，以改善弹性层与下面的增强材料层的粘合。该专利申请报道，该结构可防止弹性层移动和减少开裂的风险或类似问题。作为结果，该专利声称其产品的寿命更长，耐久性更好。
尽管该方法具有上述改进之处，但增强硅氧烷作为滚筒表面被认为不完全令人满意的。由于硅氧烷聚合物仍作为防粘面，该结构仍存在与惯用硅氧烷材料相同的磨耗和防粘缺陷中的某些问题。这些问题包括墨粉聚集、纸脱模性差、易被脱模杆拨爪等损伤以及成象问题。而且，暴露在外的硅氧烷材料易产生溶胀和在与各种污染物的接触中受到损害。
如Ayano等的日本专利公开说明书93年第147163号所述，提出的另一种方案是PTFE的等离子/单体处理。该方法试图解决固体氟聚合物与橡胶的粘性合差的问题。遗憾的是，这种方法非常复杂，并需要使用单体、要求真空的反应器以及使聚合发生的特定等离子。虽然粘合性问题得到明显改善，但复杂性大大地增加了。而且，适型性的基本问题在这里并未解决，这在印刷或其它应用中仍是一个问题。
本发明的意图在于解决上述所有问题，即，赋予弹性滚筒良好的适型性、优异的耐热性、优异的耐久性、优异的耐化学性、优异的抗污染聚集能力以及优异的制造简易性和成本效率。
因此，本发明的第一个目的是提供一种具有良好的防粘性和耐磨性两者的改进的弹性表面。
本发明的另一个目的是提供一种可免受污染和降解的改进的防粘面，以保证长期弹性。
本发明的又一个目的是提供一种牢固地连接在衬底材料上，脱离或面变形的风险极大地减小了的改进的PTFE防粘面。
本发明的这些和其它目的将会在下述说明中得到解释。
发明的概述本发明是一种改进的防粘涂层，可用于各种接触面，尤其适用于滚筒和皮带表面，例如在各种印刷机技术中使用的滚筒和皮带表面等。本发明的防粘涂层包含覆盖在底层上的，例如硅氧烷弹性体层上的膨胀型聚四氟乙烯(ePTFE)表皮，为与底层产生良好的机械性结合，表皮具有粘合剂浸渗于孔内的多孔粘附面。这样产生的粘合，避免了先前的涂层滚筒曾遇到过的脱层、起皱和变形等许多老问题。然而，为使底层免受化学侵蚀，表皮包含一制成无孔的、暴露在外的反面。因此，本发明的防粘层具有很好的耐磨性和耐侵蚀性。
较好的是，本发明通过下述二种方法中的一种在防粘层上产生一无孔的暴露面。第一种方法是，将暴露面与底层贴合后，将暴露面升温并加压，使膨胀型PTFE致密化成一连续的、不能渗透的表面。另一种是可用氟聚合物溶液涂布暴露面，彻底填补孔隙并使暴露面变得不可渗透。
与以前的绝大多数氟聚合物涂层相比，本发明的防粘层更具有柔顺性和弹性。还有，由于粘附面的多孔性质，不需要浸蚀或其它表面处理，膨胀型PTFE即可形成非常可靠的粘合而不易脱层或变形。最后，由于暴露面上仅存在氟聚合物材料，本发明材料具有很好的耐久性和耐磨性以及耐侵蚀性。
本发明的运用将随着结合附图的下述说明而变得清晰，其中图1是具有本发明防粘层的压辊的一实施例的剖视图；图2是具有本发明另一实施例的防粘层的压辊未经致密化处理时的展平段的剖视图；图3是图2所示的压辊的展平段的剖视图，图中显示的防粘层经致密化处理已变成无孔的；图4是具有对压辊的暴露面进行最后处理前的、本发明另一实施例的防粘层的压辊的展平段的剖视图；图5是图4所示压辊的展平段的剖视图，图中所示防粘层已变成无孔的；图6是具有致密化处理前的本发明又一实施例的防粘层的压辊的展平段的剖视图；图7是图6所示压辊的展平段的剖视图，图中所示防粘层经致密化处理已变成无孔的；图8是具有本发明又一实施例的防粘层的压辊的展平段的剖视图；图9是用于生产本发明防粘层的装置的一实施例的示意图；图10是用于生产本发明防粘层的装置的又一实施例的示意图；图11是用于许多静电印刷机中的一熔融辊和压辊构造的示意图，这是具有本发明防粘层的压辊的一应用例。
本发明的详细描述本发明是一种氟聚合物包覆的弹性体材料，它可根据不同目的制成许多不同的几何形状，例如皮带、滚筒、板材等。虽然并不限于这类应用，但本发明的复合材料尤其适用于采用弹性滚筒、皮带等的各种印刷机技术。与惯用技术相比，本发明材料具有明显改进的性能，包括强度、耐久性、层与层之间的粘合性、防粘性、化学稳定性和制造性能。
在本发明材料的整个开发过程中，开发出了几种不同的生产氟聚合物包覆的弹性体的方法，所有这些方法提供了本发明所强调的性能。本发明的氟聚合物包覆的弹性体的一般制造包括在一个“粘附”面上用粘合剂将至少一层多孔的膨胀型聚四氟乙烯(PTFE)材料粘合到底层(例如弹性体层)上去，然后使第二个“暴露”面变成无孔的。可用氟聚合物溶液彻底填补材料的暴露在外的孔隙或加热和加压使暴露的微孔氟聚合物层一起熔融并由此消除微孔结构而使暴露面变成无孔的。而且，对一些应用而言，可能有必要同时进行致密化和溶液处理以使暴露面变成无孔。
该步骤的效果是双重的。首先，通过提供一种多孔材料的粘附面，可在膨胀型PTFE材料和底层之间形成非常牢固的机械结合。该结合被认为远优于先前的将PTFE化学结合到其它材料上去或化学浸蚀PTFE材料以改善化学结合的尝试。虽然机械结合一般远强于化学结合，但表面机械粗加工毕竟是额外的处理步骤，而且，这对于改善粘附性可能并非总是成功的。在本发明中，处理被简化了，因为已无需浸蚀或其它改变平面或使平面粗糙化的尝试。
第二，无孔的PTFE材料的暴露面提供了一种可用于各种应用的优异的防粘面。膨胀型PTFE材料具有很高的强度和优异的耐磨性以及耐化学性。由于在操作过程中PTFE是唯一的暴露的表面，它可有效地掩蔽下面的各个层，使它们免受化学浸蚀和磨损。还有，本发明的性质可使其成为一非常薄的材料层(例如在0.002-0.004英吋以下的数量级)，从而使其具有很大的柔顺性。用这种方式，防粘层不会显著减小下面的底层材料的弹性和柔顺性。
本发明的复合防粘层可按下述方式制造。本发明的膨胀型PTFE微孔膜可通过许多方法生产，包括按本文引为参考的Gore的美国专利No.3,953,566中的教导，形成聚合结点和纤丝的膨胀网。该材料可以各种形式由马里兰州的W.L.Gore & Associate，Inc购得，商品名是GORE—TEX。膨胀型PTFE膜可制成范围在0.00025英吋至0.125英吋间的各种厚度，对本发明而言，较佳的厚度范围在0.00025～0.003英吋(6～75微米)间。膨胀型PTFE膜可制成范围在20～98％的孔隙率，对本发明而言，较佳的孔隙率是50～95％。
膨胀型PTFE材料宜按下述方法制造。可由PTFE树脂(具有约95％或更大的结晶度)和液体润滑剂(例如萘的溶剂、轻油、矿物油精)。将混合物充分掺混，然后干燥，造粒。用柱塞式挤出机将粒片压成片材。接着，可在烘箱中蒸发，除去润滑剂。再将所得管材料在一般低于327℃的温度进行单轴或双轴拉伸，以赋予片材所需量的孔隙率和其它性能。拉伸可通过一道或多道工序进行，拉伸比例可为1∶1至45∶1以下。然后可将所得片材置于345℃以上的烧结温度(即PTFE的熔点)，以使片材在膨胀取向上无定形地锁闭。一旦被扩展或无定形锁闭，即可将该片材切割成任何所需形状，例如适合于环绕滚筒的螺旋包装纸或烟卷包装纸的狭带。
所得的多孔膨胀结构包含与纤丝相互连接的聚合物结点。这类结构的典型性能包括20～98％(优选50～95％)的空隙率。通过下述说明应该明白，本发明使用的膨胀型PTFE结构的确切特性和尺寸因具体应用而异。
一旦得到膨胀型PTFE膜，即可用许多不同的粘合剂将其粘合到底层材料上。粘合剂的选择取决于具体的应用。对在印刷机压辊中常见的一类的硅氧烷型弹性体层上粘附而言，合适的粘合剂包括，但并不限于环氧树脂胶、氰酸酯类粘合剂、有机粘合剂、热塑性或热固性粘合剂、聚烯烃粘合剂和硅酮胶。对在硅橡胶弹性体上粘附而言，较佳的粘合剂是硅酮胶，最佳的粘合剂是加成固化的硅酮胶。粘合剂一般呈可流动的流体，但也可以是片状或粉状形式。可通过许多方法将粘合剂涂布到弹性体上，这些方法包括，但不限于辊涂布、喷涂、浸渍涂布、照相凹版式涂布、薄膜涂层等。本发明的硅酮胶的较佳粘度取决于所需复合物的类型，但较佳范围在40～4000K厘斯之间。
对本发明在大多数印刷机滚筒中的应用而言，较佳的硅酮胶是加入了用于提高热稳定性的填料以及粘合促进剂的加成固化的硅酮胶。这类材料的一个例子是纽约州General Electric Silicones公司生产的SLA 7401硅酮胶。这类硅酮胶在固化时可作最大限度的调控。对本发明而言，重要的是，在制造本发明的复合物时，可在特定时间固化硅酮胶。
本发明的暴露面上的膨胀型PTFE的空隙可通过至少二种不同的方法即填充法或熔融法来加以消除。在上述两种情况中，其目的是在复合物的表面形成氟聚合物的连续面。
宜将膨胀型PTFE材料的暴露面上的疏松孔隙致密处理成无孔表面。更具体地说，将膨胀型PTFE的空孔加热和加压，使膨胀型PTFE的PTFE熔融并消除空隙。PTFE将在320～550℃的温度间，较好地在350～450℃的温度间，最好地在约400℃熔融流动。可用许多方法加热，这些方法包括，但不限于将滚筒压在加热的卷筒上、使片材通过加热的夹辊、热气流，等等。
压力的大小视具体应用及所需性能而异。对大多数应用而言，在加热面上施加约5～500磅/平方英吋(34～3450千帕)的压力5～600秒将产生所需的致密化程度。
如在下面将更详细地说明的，对在滚筒中的应用而言，熔融防粘层的暴露面的较好方法是将涂布了本发明的防粘层的滚筒压在加热的金属滚筒上。对生产片材而言，可使片材通过加热的夹辊。在上述两种情况中，PTFE将在35～13800千帕(5～2000磅/平方英吋)或更大的压力下，较好地在207～3445千帕(30～500磅/平方英吋)的压力下压缩和流动。复合物通过辊隙的速度或滚筒紧靠加热辊转动的速度约为30.5～127厘米/分(1～50英尺/分)，优选5.0～50.8厘米/分(2～20英尺/分)。
或者，可使用分散液或溶液进行填补来消除膨胀型PTFE材料的暴露面中的空隙。有许多不同的聚合物溶液可填补膨胀型PTFE的表面中的空隙和产生连续的无孔表面。这些材料包括PTFE、氟化乙丙烯(FEP)、全氟烷氧基聚合物(PFA)、乙烯/四氟乙烯(ETFE)、无定形氟聚合物和其它可从许多来源如特拉华州E.I.duPont de Nemours and Company购得的氟聚合物分散液和溶液。
适用于使用本发明防粘层的暴露面的较佳溶液是本文引为参考的E.I.duPont de Nemours and Company的PCT申请WO9505100中公开的那些溶液。这种材料包含含全氟乙丙烯共聚物的全氟全氢菲。其有益的特性包括它是氟聚合物的真溶液，并浸润和渗入ePTFE膜的空隙。
可用任何合适的方法进行使用上述溶液的涂布，这些方法包括，但不限于浸渍、涂布、辊涂、喷涂，等等。一旦上述溶液或分散液被施用，可通过许多方法进行干燥或固化，这些方法包括，但不限于在烘箱中焙烤、使热气流通过材料表面、使材料通过加热的夹辊，等等。
如前面已指出的，对某些具体应用而言，可能有必要既进行溶液处理，又进行致密化处理，以使ePTFE表皮的暴露面变成无孔。
结合附图，可能会更好地理解本发明的结构。图1是适用于静电印刷机(例如复印机、激光打印机、传真机等等)的压辊10的剖视图。在本例中，压辊10包括中心轴12(一般为金属)、实芯14(同样地，一般为金属)和环绕实芯14的弹性体层16。选择合适的材料制成适当厚度的弹性层16，以赋予辊子所需的柔顺程度。例如，在用于激光打印机的外径约为2.54厘米的辊子上制成硅橡胶弹性层16，硅氧烷弹性体层16的厚度一般约为0.05～0.63厘米。根据具体应用的要求，任何合适的下层的材料，包括弹性体层16或者芯子14，可用作本发明防粘涂层的底层。
本发明的防粘层包括盖覆在底层上的膨胀型PTFE膜表皮18。对本发明的大多数应用而言，该膜18的厚度一般约为0.0127～0.250毫米。在描述的实施例中，膨胀型PTFE膜18包括粘附面20和暴露面22，通过粘合剂层24被固定在弹性体层16底层上。粘合材料粘附在弹性体层16上并通过其粘附面20部分地渗入多孔的膨胀型PTFE表皮18。暴露面22已按先前的描述被处理成无孔以形成连续的屏蔽以保护底层免受磨损或浸蚀。
图2和图3更清楚地显示了本发明防粘层的一种结构。图2描述了被处理成无孔前的防粘层26。防粘层包括在其暴露面22上的纯的多孔膨胀型PTFE18和在其粘附面20上的渗透了粘合剂的多孔PTFE28。图3显示暴露面22经过致密化处理变成无孔了的同一结构。致密层22的厚度一般为0.006～0.0508毫米。如可观察到的那样，暴露面在厚度上被紧密化了，并失去了其多孔结构。相反，粘附面20仍具有粘合剂渗入其空隙的结构。如此，本发明的防粘层提供一种与弹性体层16或其它底层的优异的机械结合，同时在其暴露面22上产生一无法渗透的保护层。
本发明的另一实施例显示在图4和图5上。图4包括一通过粘合剂层34连接在底层32上的多孔氟聚合物表皮30，较佳的是膨胀型PTFE。通过添加氟聚合物分散液或溶液的一种或多种涂层，使多孔表皮30变成无孔，如上所述，氟聚合物分散液或溶液可填补表皮30内的空隙并将表皮固化或干燥成非渗透性层。
氟聚合物层的涂敷宜通过在溶液中浸涂滚筒，然后将其在150℃的烘箱中放置30分钟来进行。取出滚筒，反复地浸涂、干燥(宜进行约2～15次)直至空隙被完全填补。空隙被完全填补后，将辊子在200℃的烘箱中放置15分钟。
一旦按该方式涂敷，如图5所示，表皮30在其暴露面36上产生一连续的无法渗透的屏蔽。与上述实施例相同，本实施例的粘附面38中渗入了粘合剂以形成与底层32的有力的机械结合。
图6和图7显示本发明的又一防粘层。图6显示具有粘附面42和暴露面44的膨胀型PTFE表皮材料40。粘附面42通过粘合剂层48与底层46粘合。同样地，粘合剂层48渗入膨胀型PTFE表皮40一侧的空隙中。图7显示其暴露面被处理成无孔的该结构。在本例中，氟聚合物层50被涂敷在暴露面上，并部分地渗入膨胀型PTFE表皮40的多孔结构。该结构系通过将滚筒在溶液中浸除，然后在150℃的烘箱中放置30分钟而得以形成。取出滚筒，浸涂、干燥至空隙被彻底填补(约2～15次)。彻底填补空隙后，将滚筒在200℃烘箱中放置15分钟。当按这种方式形成时，表皮40能有效地阻止化学渗透，同时，在表皮内部形成一纯的多孔PTFE材料层52。
图8显示本发明防粘层的又一实施例。在该例中，材料包括通过粘合剂层48粘附在底层56上的多孔氟聚合物表皮60。多孔表皮60被粘合剂层48中的粘合剂彻底渗透。因此，材料的表面包括氟聚合物表皮60中的氟聚合物62和渗入其中的粘合剂64。在底层56上涂敷粘合剂层。然后在粘合剂层48上形成多孔氟聚合物层60。粘合剂层48渗入多孔氟聚合物层60的表面但不会完全盖覆该表面。然后固化粘合剂，在粘合剂64和氟聚合物62上均形成一表面。
本发明的较佳致密化方法包括使用一可被驱向一待加工处理的辊子的加热辊，两个辊子互相紧靠着地移动，将本发明的防粘面加热并使其致密化。图9显示了这类装置66的一个例子。加热辊68安装在与本发明的滚筒70接触的位置。滚筒70安装在旋转轴72上或以另一种非变形方式固定在与加热辊68稳定接触的位置上。在250～550℃间的温度运转加热辊68并施加35～13,800千帕的压力，使滚筒68、70互相紧靠着地滚动直至在滚筒70的暴露面上形成一均匀的致密的防粘层。
图10显示使本发明防粘层致密化的装置74的另一实施例。在该例中，使用两个滚筒，即加热辊72和从动辊76。具有本发明防粘层的滚筒78被置于两个滚筒72、76之间。将两个滚筒72、76驱向对方，可使滚筒78按本发明致密化。
图11显示本发明加压辊80的一个具体应用。在惯用的静电印刷机/复印机应用中，上面涂敷了墨粉84的一张纸82被驱动通过熔融辊86以使图像粘附在纸82上。为保持熔融辊86与纸张82紧密的接触，加压辊80安装在与熔融辊86接触的位置上。加压辊80必须足够地适型以使纸张能通过两个滚筒80、86，并同时保持纸张与熔融辊86紧密地接触。本发明的滚筒具有本应用所需的适型性并可避免先前加压辊存在的缺陷。
应该认识到，除了在静电印刷机中的使用以外，本发明的防粘层具有广泛的应用。其中包括作为传送带涂层，如在各种工业领域中使用的输纸带；印刷工业、纺织工业、电子工业、对污染敏感的滚筒法应用，包括药品和食品；以及包括使用或输送粘合剂、胶料和包括，但不限于涂料、粘胶剂等的其它粘性物质的应用。
下述实施例将说明可如何实施和应用本发明，但这些实施例并不限定本发明的范围。
实施例1用氟聚合物覆盖直径为2吋的被弹性体覆盖的金属滚筒。金属滚筒上的弹性体是填入了氧化铁的硅橡胶，其肖氏A级压痕硬度约为45，厚度约为0.125英吋(6mm)。滚筒是用纽约州通用电气公司生产的SLA 7401硅酮胶转移涂布了的滚筒。硅酮胶的厚度约为12.7微米。
将膨胀型PTFE绕着滚筒包裹约5次，形成“卷烟”型，并使其具有微量的反张力以防起皱。使用的膨胀型PTFE的厚度约为18微米，孔隙度约为80％，用ASTM Standard D882测得其基体张力约为14,000磅/平方英吋(96,500千帕)。然后将包裹过的滚筒在约180℃的烘箱中放置1小时以使硅酮胶固化。硅酮胶渗入膨胀型PTFE的底层中的至少一层。
从烘箱中取出滚筒后，将滚筒置入杠杆臂装置中，并将其压靠在温度约为420℃的加热金属辊(直径约为2英尺(61厘米))上，使其以约15英寸/分(5米/分)的速度旋转。用约500磅的压力(每一端250磅)将覆盖了氟聚合物的弹性体滚筒压靠在加热辊上，并当滚筒紧靠着加热辊旋转时，膨胀型PTFE同时熔融以形成无空隙的氟聚合物覆盖的弹性体滚筒。滚筒压靠在加热辊上的时间约为1分钟。最终的滚筒具有半透明的、光亮的表面。这表明该表面是无空隙的氟聚合物材料。氟聚合物层看上去非常均匀，最后一层包裹层熔入下面的膨胀型PTFE层中，使不均匀的暴露边缘消除并产生直径非常一致的滚筒。
为衡量耐溶剂渗透性，测量接触角。接触角是确定和比较材料的表面能的一种方法。接触角越大，表面能越小。PTFE的表面能一般约为18达因/厘米，远小于硅橡胶的通常值25达因/厘米。材料的表面能越小，材料的“防粘性”越好，或者说，表面将更“非粘性”。
测得水在本实施例滚筒上的接触角约为115度。这远大于水在硅橡胶上的接触角(约为60-75度)。因此，可以期望本发明的氟聚合物滚筒会产生远优于硅橡胶滚筒的防粘性。
将滚筒紧靠着加热辊放置并在负载上使其旋转300小时，测定其耐久性。加热辊保持在约350°F(176℃)，负载保持在每一端约100磅(45公斤)。转动300小时后，取下滚筒进行检验。氟聚合物覆盖的滚筒未显示任何被磨损的迹象，并丝毫未见氟聚合物层中有分层或开裂、撕裂现象。
实施例2用氟聚合物覆盖直径为1英吋(25.4毫米)的被弹性体覆盖的金属滚筒。滚筒上的弹性体是填入了氧化铁的硅橡胶，其肖氏A级压痕硬度约为70。弹性体层厚度约为0.125英吋(4毫米)。通过辊转移涂布将纽约州通用电气公司生产的SLA 7401硅酮胶涂布在滚筒上。硅酮胶在滚筒上的厚度约为0.0005吋(12.7微米)。然后用膨胀型PTFE包裹滚筒，其厚度约为0.0002吋，孔隙度约为70％。用膜包裹滚筒，保持足够的反张力以保证不会起皱。硅酮胶部分地填入膨胀型PTFE的空隙。用膜“卷烟”状地在滚筒周围包裹一次，然后将滚筒在约180℃的烘箱中放置1小时。从烘箱中取出滚筒，并使其冷却至室温。
然后将滚筒在含1重量％的四氟乙烯/六氟丙烯共聚物的全氟全氢菲氟聚合物溶液中浸涂。溶液将膨胀型PTFE的残存空隙彻底填补。然后将滚筒在约150℃的烘箱中放置约30分钟以除去溶剂并使来自溶液中的氟聚合物留在膨胀型PTFE的空隙中。从烘箱中取出滚筒，并将其在氟聚合物溶液中再次浸涂，然后放回烘箱中，反复进行7次。随着每次浸涂和干燥，膜中的空隙越来越被来自溶液的氟聚合物填补。浸涂工序完毕后，膜中的空隙被来自溶液的氟聚合物彻底填补，包裹滚筒的膨胀型PTFE层呈半透明。将滚筒在约220℃的烘箱中放置1小时以使来自溶液的氟聚合物熔融流动。
用同一方式覆盖一片平展的硅酮胶，并用扫描电子显微镜以高至5000倍的放大率进行检验。显微检验结果，未发现膨胀型PTFE层中有任何空隙或“针眼”。因此，材料的表面被认为是“无空隙”的氟聚合物层。
用长操作台面式耐久性试验机测试滚筒。进行测试是为了确定氟聚合物滚筒能否在复印机的熔融区段良好地工作。将滚筒紧靠金属滚筒放置在一凹部中，金属滚筒内有机械加工过的、隆起0.25毫米(0.01吋)的“台阶”。金属滚筒的直径约为3.81厘米，金属滚筒并具有被加工成环绕滚筒120度、离滚筒的各边缘约1.5吋(3.81厘米)的台阶。形成该机械加工成的凹陷的区段以模拟在复印机熔融区段中可能出现的部分应力。以每一端约100磅(45公斤)的力量将氟聚合物覆盖的弹性体滚筒压靠在金属滚筒上。用机内石英加热器加热金属滚筒，将金属滚筒的表面温度保持在约220℃。使金属滚筒相对于氟聚合物覆盖的弹性体滚筒以40米/分(120英呎/分)的速度旋转。用这种方式测试氟聚合物覆盖的弹性体滚筒25小时。定时地检验滚筒，在试验的结尾，从凹部中取出滚筒并进行检查。对滚筒检查的结果，未见氟聚合物从硅橡胶上脱层，滚筒几乎没有磨损的迹象。接着，在同一条件下，对与本发明试样相同大小的惯用的硅橡胶滚筒进行了试验和检查。该滚筒的硅橡胶上出现了严重的裂缝，由上述0.01吋(0.25毫米)台阶区段的边缘在该硅橡胶上磨损出一个槽纹。
实施例3用氟聚合物覆盖直径为1英吋的被硅氧烷覆盖的金属滚筒。滚筒上的硅氧烷是填入了氧化铁的材料，厚约6.3毫米(0.25吋)，肖氏A级压痕硬度约为25。通过辊转移涂布将纽约州通用电气公司生产的SLA 7401硅酮胶涂布在滚筒上。硅氧烷上的硅酮胶层的厚度约为0.0005英吋(13微米)。然后用约3层的膨胀型PTFE膜包裹滚筒。膜的厚度约为0.0005英吋(12微米)，孔隙度约为80％，基体张力约为20,000磅/平方英吋(138,000千帕)。在包裹过程中，用少许拉力拉住膜，以保证不会起皱。然后将滚筒静置约120分钟直至硅酮胶渗过3层膜。由膨胀型PTFE的孔产生的毛细管力将硅酮胶拉入膨胀型PTFE的空隙中。硅酮胶渗过膨胀型PTFE，填补空隙，但并不完全覆盖PTFE的表面。硅酮胶填补了膨胀型PTFE的空隙后的滚筒表面的基质由粘胶剂和PTFE两者组成。
扫描式电子显微镜照片证实，滚筒的表面是PTFE和硅酮胶两者。而且，加州Charles Evans & Associates公司对材料的表面进行了XPS/ESCA试验，确认滚筒的百分比是15％硅、45％碳和21％氟(余量为其它成分)。等硅酮渗入膨胀型PTFE的空隙后，将滚筒置入约180℃的烘箱中约1小时。然后从烘箱中取出滚筒，以约10英尺/分(3米/分)的速率使滚筒紧靠约380℃的加热金属辊旋转约1分钟。
然后将该滚筒在Lemark激光打印机(43916L型)上试验，复印约10,000份。取下滚筒进行检查。未观察到磨损、裂缝或脱层。
实施例4用氟聚合物覆盖直径为1英吋的被硅氧烷覆盖的金属滚筒。滚筒上的硅氧烷约0.125吋厚，填入了氧化铁的硅氧烷的肖氏A级压痕硬度约为25。将通用电气公司生产的SLA 7401硅酮胶辊转移涂布在滚筒上。硅氧烷上的硅酮胶层的厚度约为0.0005吋(13微米)。然后用一层膨胀型PTFE膜卷烟状地包裹滚筒。膜约0.0005吋(13微米)厚，其孔隙度约为80％，基体张力约为20,000磅/平方英吋(138,000千帕)。在包裹过程中，用少许拉力拉住膜以保证不会起皱。
然后将滚筒静置至硅酮胶渗过膜。由膨胀型PTFE的孔产生的毛细管力将硅酮胶拉入膨胀型PTFE的空隙中。硅酮胶填补了膨胀型PTFE的空隙后的滚筒表面的基质由硅氧烷和PTFE两者组成。然后将滚筒置入约180℃的烘箱中约30分钟。接着，从烘箱中取出滚筒，用前述四氟乙烯/六氟丙烯共聚物的2％(重量)溶液即氟聚合物溶液进行涂布。上述溶液涂布层约0.001吋(13微米)厚。然后用一层膨胀型PTFE膜包裹滚筒。膜约0.001吋(13微米)厚，其孔隙度约为80％，基体张力约为20,000磅/平方英吋(138,000千帕)。在包裹过程中，用少许拉力拉住膜以保证不会起皱。然后将滚筒置入约160℃的烘箱中约30分钟以除去来自溶液的溶剂。接着，从烘箱中取出滚筒，以约4英尺/分(1.3米/分)的速度使滚筒紧靠着加热至约380℃的金属滚筒旋转约10分钟。然后在激光打印机上试验滚筒。观察到与实施例3中报道的相似的结果。
实施例5对与本发明相关的材料的基体张力值(这是抗拉强度的一个衡量值)进行测试。沿滚筒的轴线切割实施例1的氟聚合物覆膜，将覆膜剥去。得到原始型的挤出PFA套管，并按标准方法进行检测。将各试样材料切割成1×5(吋)的条料。在管子的轴和周二个方向上切割试样。滚筒的轴向表示条料的5吋尺寸是沿着管子的长度方向，与滚筒的轴线平行。周向与轴线方向垂直，衡量套管周向上的抗拉强度。
将按实施例1制成的套管剥离滚筒，并与两个PFA挤出套管相比较，测试其抗拉强度。上述PFA套管中的一个购自新泽西州Furon Bunnell Plastics Division公司。购自Furon的套管是标称0.002吋(50微米)厚、内径2.0吋(5.0厘米)的PFA套管。另一种套管购自日本的Gunze公司，为NSE型，外径为48.1毫米，长为390毫米。
将所有材料在上述方向上进行切割，称重并测量其厚度。用马里兰州Instron Incorporated Boston公司生产的Instron 1122型抗拉强度试验机测量基体张力。其数值如下所示。
致密化的ePTFE层具有远大于挤出PFA套管材料的抗拉强度。此外，结果显示，致密化的ePTFE的基体张力值在周向上远大于在轴向上。周向上的强度最重要，因为滚筒应用中的绝大多数应力施加在周向上。还有，在周向上，致密化的ePTFE膜层的模量是挤出PFA套管材料的模量的4倍以上。然而，值得注意的是，运用致密化ePTFE技术，膨胀型PTFE的强度可改变至产生在各包裹方向上的特定的强度性质。
切割按实施例1制成的致密化的ePTFE的试样，并将其剥离弹性体滚筒，然后与购自Furon Bunnell Plastics Division公司的挤出PFA套管作比较，测试其耐磨性。受试的挤出PFA套管是标称0.002吋(50微米)厚、内径约2吋(5厘米)的管子。在CS 22c-732型Universal磨损试验机上，按Universal试验ASTM StandardD3886-92对材料进行测试。切割材料，并将其固定在试验机上，然后用振荡式金属转鼓进行摩擦。磨料为型芯钢筛，鼓膜气压定为3磅/平方英寸。在其头部添加8磅的重量。在试验开始前和取下试样后，分别测定材料的厚度。记录下如下磨损速率数据。
测量各种不同材料的水接触角，这些材料包括从实施例1和3的弹性体芯上切割并剥离下来的致密化的膨胀型ePTFE、上述购自Furon的PFA套管和标准的填入了氧化铁的硅橡胶。用新泽西州Rame-Hart公司生产的A100NRL型接触角测量仪测定接触角。接触角与材料的表面能有关。接触角越大，表面能越小，从而，材料的防粘性越佳。例如，PTFE膜的表面能一般约为18达因/厘米，该值很小，从而使PTFE膜具有非粘特性。测量结果如下
上述结果清楚地表明，致密化的ePTFE具有远优于普通硅橡胶和PFA套管的防粘性。
本文说明和描述了本发明的最佳实施例，但本发明并不受这些说明和描述的限制。显而易见，在下述权利要求书的范围内对本发明的部分内容进行变更和修改是可能的。
权利要求
1.一种复合防粘层，包括具有无孔的暴露面和多孔的粘附面的膨胀型聚四氟乙烯表皮；渗入上述膨胀型聚四氟乙烯表皮粘附面中的粘合剂层；通过粘合剂层与膨胀型聚四氟乙烯表皮粘合的底层。
2.如权利要求1所述的复合层，其特征在于，表皮的暴露面被渗入其中的氟聚合物变成无孔的。
3.如权利要求1所述的复合层，其特征在于，表皮的暴露面通过对暴露面的致密化被变成无孔的。
4.如权利要求1所述的复合层，其特征在于，底层包含弹性材料。
5.如权利要求1所述的复合层，其特征在于，底层包含非弹性材料。
6.如权利要求1所述的复合层，其特征在于，底层包含柔性材料。
7.如权利要求1所述的复合层，其特征在于，粘合剂层包含弹性体材料。
8.如权利要求1所述的复合层，其特征在于，粘合剂层渗过表皮以使表皮变成无孔的。
9.一种制造防粘层的方法，包括提供一种多孔的膨胀型聚四氟乙烯材料的表皮，所述表皮具有第一侧面和第二侧面；用粘合剂涂布表皮的第一侧面，所述粘合剂渗入膨胀型聚四氟乙烯材料的孔中；将表皮的第一侧面与底层连结，上述粘合剂在表皮与底层之间形成结合并使表皮的第二侧面暴露在外；处理表皮的第二侧面，使其变成无孔，以形成光滑的防粘面。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括通过用溶解的氟聚合物材料涂布表皮的第二侧面而对其进行处理，溶解的氟聚合物材料渗入其孔中并使第二侧面变成无孔。
11.如权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括处理表皮的第二侧面，以使膨胀型聚四氟乙烯材料致密化并使第二侧面变成无孔。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，还包括通过加热和加压，使表皮的第二侧面致密化。
13.如权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括使粘合剂层渗入并填补表皮的暴露面中的空隙，使表皮的第二侧面变成无孔。
14.如权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括通过使第二侧面致密化并用氟聚合物材料涂布来对表皮进行处理，以使其变成无孔。
全文摘要
本发明是一种改进的防粘涂层，可用于各种弹性体结构，如印刷机滚筒和皮带等。本发明的涂层是一种薄的膨胀型聚四氟乙烯表皮，具有连接在底层上的多孔表面和作为接触面而暴露在外的无法渗透的表面。双表面方法在薄的单一涂层上的这种运用，既可提供与底层材料如硅氧烷弹性体层的优异的结合，还可提供很好的耐磨性和耐化学侵蚀性。
文档编号G03G15/20GK1137319SQ94194377
公开日1996年12月4日 申请日期1994年12月2日 优先权日1994年10月4日
发明者亚历克斯·雷·霍布森, 罗伯特·L·萨萨, 斯蒂芬·H·斯佩克, T·K·劳 申请人:W·L·戈尔及同仁股份有限公司