CN101852998A - 含改进的材料组合物的电子照相元件及其制造方法 - Google Patents

含改进的材料组合物的电子照相元件及其制造方法 Download PDF

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Abstract

示例性实施方案提供了可用于电子照相设备和方法的材料组合物。所述材料组合物可包括分散或分布于聚合物基体中的多个含石墨烯颗粒。这种材料组合物可用于电子照相元件和设备，包括但不局限于，定影器元件、固定元件、压力辊和/或剥离供体元件。在一个实施方案中，一种材料组合物分散体可被施用于电子照相术中的基材上，来形成一个功能元件层以控制——例如改善——热、机械和/或电性能中的至少一种。

Description

含改进的材料组合物的电子照相元件及其制造方法
技术领域
本发明总体上涉及材料组合物，更具体地，涉及用于电子照相设备和方法的含石墨烯的材料组合物。
背景技术
很多聚合物本身是不导热的(即Viton GF)，但具有通过向聚合物基体中加入填充剂提高其导热性的潜力。过去，填充剂材料，包括铜颗粒(或片状物或针状物)、氧化铝、纳米氧化铝、氧化钛、银片、氮化铝、镍颗粒、碳化硅和氮化硅在内，已被加入聚合物基体以提高其导热性。
尽管这些导热聚合物基体已被用于电子照相术，例如用于定影操作，但人们对寻找可显著改善聚合物基体性质的其他填充剂材料仍有极大兴趣。例如，具有显著提高的导热性的复合材料可降低操作温度，并可增加定影器组件寿命。另外，也期望提供可降低定影器元件纸边磨损的聚合物基体，因为纸边磨损降低定影器寿命并导致高成本。因此，需要克服现有技术中的这些和其他问题，并提供用于电子照相印刷设备和方法的元件的具有改善的热、机械和/或电性能的材料组合物。
发明内容
根据多个实施方案，本发明包括一种包含基材和位于所述基材上的至少一个元件层的电子照相元件。所述至少一个元件层还可以包括以至少控制电子照相元件的热导率的量分散于聚合物基体中的多个含石墨烯颗粒。
根据多个实施方案，本发明还包括一种制备电子照相元件的方法。在该方法中，可首先制备包含多个含石墨烯颗粒和一种聚合物的组合物分散体。所述多个含石墨烯颗粒可以以至少控制电子照相元件的热导率的量存在。然后可将制备的组合物分散体施用于基材上，并可凝固在基材上。
根据多个实施方案，本发明还包括一种制备电子照相元件的方法。在该方法中，组合物分散体可通过首先将一种聚合物，如含氟聚合物，溶解于一种溶剂中，然后与多个含石墨烯颗粒混合制备。制备的组合物分散体可被施用于基材上，然后凝固以在基材上形成一种聚合物基体。在所述聚合物基体中，所述多个含石墨烯颗粒以聚合物基体的约1重量％至约60重量％的量存在。
本发明的其他目标和优势部分将在下面的描述中给出，部分在下面的描述中显而易见，或可通过实施本发明而得知。本发明的目标和优势可通过随附的权利要求中具体指出的要素或组合实现和获得。
应理解无论是前面的概述还是后面的详细说明都仅如宣称的那样，是示例性的和解释性的，并不限制本发明。
附图说明
附图，其包含在本说明书内并构成其一部分，用于示例说明本发明的几个实施方案，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
图1A是显示本发明的一种示例性材料组合物的示意图。
图1B是显示本发明的另一种示例性材料组合物的示意图。
图2A描述了具有三维原子晶体结构的石墨的示意图。
图2B描述了具有二维原子晶体结构的石墨烯的示意图。
图3描述了一种使用本发明的图1A-1B的材料组合物的示例性电子照相元件。
图4描述了一种使用本发明的图1A-1B的材料组合物形成一种示例性定影器元件的方法。
具体实施方式
现将对本发明的实施方案(示例性实施方案)做详细介绍，其实例在附图中说明。只要可能，在附图中将使用相同的附图标记指代相同或类似的部分。在下面的说明书中，参照构成其一部分的附图，且其中以示例说明的方式示出了其中可实施本发明的具体示例性实施方案。足够详细地描述这些实施方案以使本领域的技术人员可以实施本发明，且应理解在不背离本发明范围的情况下可使用其他实施方案和做出变化。因此，下面的描述仅是示例性的。
尽管对本发明的说明是针对一个或多个实施方案，但可在不背离随附的权利要求的实质和范围的情况下对所示实施例做变型和/或修正。另外，尽管本发明的一个具体特征可能仅在几个实施方案中的一个中公开，但对于任意给定的或特殊的功能，如果需要和有利，该特征可与其他实施方案的一个或多个其他特征结合。此外，只要在说明书和权利要求中使用术语“包括”、“包含”、“具有”、“含有”、“带有”、或其变型，这些术语意欲与术语“包括”类似，为开放性的。列举项目例如A和B时，文中使用的术语“......中的一种或多种”，是指单独的A、单独的B、或A和B。术语“至少一种”是指可选择一个或多个列出的项目。
尽管给出本发明宽泛范围的数值范围和参数是近似值，但尽可能准确地报导在具体实施例中给出的数值。然而，任何数值本身包含由其各自测量中的标准偏差必然引起的某些误差。此外，本发明公开的所有范围应被理解为包含任意和所有其中的子范围。例如，“小于10”的范围可包括介于(并包括)最小值0和最大值10之间的任意和所有子范围，即，具有等于或大于0的最小值和等于或小于10的最大值的任意和所有子范围，例如，1至5。在某些情况下，参数的所述数值可为负值。在此情况下，“小于10”的范围的示例值可为前面定义的数值以及负值，例如，-1、-1.2、-1.89、-2、-2.5、-3、-10、-20、-30等。
示例性实施方案提供了可用于电子照相设备和方法的材料组合物。所述材料组合物可包括分散或分布于聚合物基体中的多个含石墨烯颗粒。这种材料组合物可用于电子照相元件和设备，包括但不局限于，定影器元件、固定元件、压力辊和/或剥离供体(release donor)元件。在一个实施方案中，材料组合物分散体可被施用于电子照相术的基材上来形成一个功能元件层以控制或提高热、机械和/或电性能中的至少一种。
图1A是显示本发明的一种示例性材料组合物100A的示意图。如图所示，材料组合物100A可包括分散或分布于聚合物基体110内的多个含石墨烯颗粒120。尽管所述多个含石墨烯颗粒120在图1A被中描述为具有均一尺寸和形状，但本领域的普通技术人员将理解，所述多个含石墨烯颗粒120可具有不同尺寸和/或形状。另外，对本领域的普通技术人员明显的是，图1A中描述的材料组合物表示一般示意说明，可以加入其它颗粒/填充剂/聚合物，或可以除去或改变已有的颗粒/填充剂/聚合物。
如本文中使用的，术语“石墨烯”是指排列成如下石墨结构的单层碳，其中碳以六边形排列，形成一种平面稠环体系。石墨层的堆叠可以是例如六边形的或菱形的。在一些情况下，石墨烯的主要石墨结构可具有六边形堆叠。这种石墨结构中的碳原子通常被认为是用sp2杂化共价键合的。尽管术语“石墨”通常是指碳原子平面层，其中每个原子与三个相邻原子以一种三维规则有序的蜂窝状结构键合，但由于缺少碳的三维键合，术语“石墨”通常不包括单层的键合碳。
因此，如本文中使用的术语“石墨烯”可包括，例如，具有一种或多种石墨结构的单层的元素键合碳(包括杂质)，以及其中碳以三维键合的多层的石墨。术语“石墨烯”还可包括富勒烯(fullerene)结构，其通常被认为是包括偶数个碳原子，且所述碳原子形成具有五元和六元环的笼状稠环多环体系的化合物，包括示例性的C60、C70和C80富勒烯或其他具有三配位碳原子的闭合笼状结构。
为更好地理解术语“石墨”和“石墨烯”，图2A显示了具有碳210a的三维原子晶体结构200A的“石墨”的示例性示意图，而图2B显示了本发明的具有碳210b的二维原子晶体结构200B的“石墨烯”的示例性示意图。本发明的不同实施方案的石墨和石墨烯的原子晶体结构也可在期刊MaterialsToday，第10卷，2007，题目为“Graphene-Carbon in TwoDimensions”中找到。
在多个实施方案中，含石墨烯颗粒120可为多种形式。例如，含石墨烯颗粒120可为具有至少一个约100纳米或更小的较小尺寸-例如宽度或直径-的纳米粒子结构，并可以为以下形式，例如，纳米管、纳米纤维、纳米杆、纳米柱、纳米线、纳米棒和纳米针，以及它们的各种功能化和衍生的原纤维形式，其包括具有线、纱线、纤维等示例性形式的纳米纤维。在多个其他的实施方案中，含石墨烯颗粒120可具有微米级的尺寸，并可为以下形式，例如，晶须、棒、细丝、笼状结构、巴克球(buckyball)(如巴克明斯特富勒烯(buckminsterfullerene))，以及它们的混合物。
在多个实施方案中，含石墨烯颗粒120可以是石墨烯的可溶性片段，例如为片或纳米管，取决于对石墨结构进行的化学改性。另外的实施方案包括，但不局限于，可使用电弧放电、激光烧蚀、高压一氧化碳(HiPCO)和化学气相淀积(CVD)的合成方法。
在一个示例性实施方案中，含石墨烯颗粒120可以是具有由一个或多个石墨烯层(例如平层)形成的管或圆柱的碳纳米管形式，其不同于现有技术中已知的一维不含石墨烯纳米管。例如，含石墨烯的碳纳米管可包括包含一层石墨烯片的单壁碳纳米管类(SWNT)；或可包括包含同心排列或彼此重叠的多层石墨烯片的多壁碳纳米管(MWNT)。在多个实施方案中，单壁纳米管(SWNT)类似于卷成无缝圆柱的平片，而多壁纳米管(MWNT)类似于卷成无缝圆柱的重叠片。
在另一个示例性实施方案中，含石墨烯颗粒120可以是具有其中石墨烯层以卷状方式排列而没有三维层叠顺序的圆柱细丝的碳晶须形式。
所述多个含石墨烯颗粒120可为含石墨烯的材料组合物100提供多种优势。例如，由于石墨烯结构的平面形状和可用于硅技术的能力，所述含石墨烯材料可有助于从电子设备中去除热量。另外，与其他材料相比，石墨烯的原子振动可通过其平面结构容易地移动，这为石墨烯提供了例如高热导率。石墨烯还可用作电荷载体(例如，用于电子和/或用于空穴)以有效地以零质量和匀速移动通过固体，像光子一样。此外，石墨烯可以具有固有的较低的源于缺陷的散射率，这意味着电子设备基于波而非粒子形式操控电子。
例如，单一形式的石墨烯可提供约4×103Wm-1K-1或更高的热导率，如约4×103Wm-1K-1至约6×103Wm-1K-1。与那些不含石墨烯的材料-包括不含石墨烯的碳纳米管、不含石墨烯的石墨和/或金属如铜和铝-相比，该热导率高得多。另外，石墨烯可提供机械坚固性(例如，高强度和刚性)。例如，石墨烯可提供大约1N/m或更高的弹簧常数，如约1至5N/m，并可提供约0.5TPa的示例性杨氏模量，这不同于大块石墨。
再参见图1，含石墨烯颗粒120可用作分布于聚合物基体110内的填充剂材料以大幅控制-例如增强-生成的聚合物基体的物理性质，例如热导率，或机械坚固性。生成的材料可用作，例如，多种定影子***和实施方案中的定影材料。
多种聚合物可用于聚合物基体110以提供具体应用需要的性质。用于聚合物基体110的聚合物可包括，但不局限于，硅橡胶、氟橡胶、氟塑料、热塑性橡胶、氟树脂和/或树脂。例如，聚合物基体110可包括氟橡胶，其例如具有选自以下的单体重复单元：四氟乙烯(TFE)、全氟(甲基乙烯基醚)、全氟(丙基乙烯基醚)、全氟(乙基乙烯基醚)、1，1-二氟乙烯(VDF或VF2)、六氟丙烯(HFP)，以及它们的混合物。
市售的氟橡胶可包括，例如，Viton A
Figure GSA00000009116400061
(六氟丙烯(HFP)和1，1-二氟乙烯(VDF或VF2)共聚物)、Viton-B(四氟乙烯(TFE)、1，1-二氟乙烯(VDF)和六氟丙烯(HFP)三聚物；和Viton
Figure GSA00000009116400063
-GF(包括TFE、VF2、HFP的四聚物))、以及Viton E
Figure GSA00000009116400064
Viton E 60C
Figure GSA00000009116400065
Viton E430
Figure GSA00000009116400066
Viton 910
Figure GSA00000009116400067
Viton GH
Figure GSA00000009116400068
和Viton GF
Figure GSA00000009116400069
所述Viton
Figure GSA000000091164000610
名称是E.I.DuPontde Nemours，Inc.的商标。其他市售的氟橡胶可包括，例如3M公司的DyneonTM氟橡胶。
其他市售含氟聚合物可包括，例如，Fluorel 2170
Figure GSA000000091164000611
Fluorel 2174
Figure GSA000000091164000612
Fluorel 2176
Figure GSA000000091164000613
Fluorel 2177
Figure GSA000000091164000614
和Fluorel LVS 76
Figure GSA000000091164000615
Fluorel
Figure GSA000000091164000616
是3M公司的商标。另外的市售材料可包括也可从3M公司获得的一种聚(丙烯-四氟乙烯)Aflas
Figure GSA000000091164000617
和一种聚(丙烯-四氟乙烯1，1-二氟乙烯)Fluorel II(LII900)，以及可从Solvay Solexis获得的名为For-60KIRFor-LHFNM
Figure GSA000000091164000621
For-THFFor-TFS
Figure GSA000000091164000623
TH
Figure GSA000000091164000624
和TN505
Figure GSA000000091164000625
的Tecnoflon。
在多个实施方案中，聚合物基体120可包括选自聚四氟乙烯、四氟乙烯和六氟丙烯共聚物、四氟乙烯和全氟(丙基乙烯基醚)共聚物、四氟乙烯和全氟(乙基乙烯基醚)共聚物，以及四氟乙烯和全氟(甲基乙烯基醚)共聚物的氟树脂。
在多个实施方案中，聚合物基体110可包括氟塑料，所述氟塑料包括但不局限于，PFA(聚氟烷氧基聚四氟乙烯)、PTFE(聚四氟乙烯)、或FEP(氟化乙烯丙烯共聚物)。这些含氟聚合物可以以多种名称购得，如TeflonPFA、Teflon
Figure GSA000000091164000627
PTFE、TeflonFEP。
在多个实施方案中，聚合物基体120可包括用有效的交联试剂(本文也称作交联剂或固化剂)交联的聚合物。例如，当聚合物基体包括一种含1，1-二氟乙烯的氟橡胶时，固化剂可包括双酚化合物、双氨基化合物、氨基酚化合物、氨基硅氧烷化合物、氨基硅烷化合物或酚硅烷化合物。一种示例性双酚交联剂可以是从E.I.du Pont de Nemours，Inc.获得的Viton
Figure GSA000000091164000629
Curative No.50(VC-50)。VC-50可溶于溶剂悬浮液，并且可容易地在活性位点与例如Viton-GF
Figure GSA000000091164000630
(E.I.du Pont de Nemours，Inc.)——包括四氟乙烯(TFE)、六氟丙烯(HFP)和1，1-二氟乙烯(VF2)——交联。
多种其他填充剂，如常规填充剂材料，也可用于本发明公开的材料组合物，如图1B所示。在图1B中，多种非石墨烯填充剂130可与类似图1A中描述的公开的含石墨烯颗粒120一起被分散/分布于聚合物基体110中。
在多个实施方案中，非石墨烯填充剂130可以有微米或纳米级的尺寸。非石墨烯填充剂130可以是有机的、无机的或金属的。在多个实施方案中，非石墨烯填充剂130可包括用于复合材料的常规填充剂，例如，铜颗粒、铜片、铜针、氧化铝、纳米氧化铝、氧化钛、银片、氮化铝、镍颗粒、碳化硅、氮化硅等。在多个实施方案中，含石墨烯颗粒120和非石墨烯填充剂130的任意个组合可考虑用于本发明，只要其中至少一个包括含石墨烯颗粒。
在多个实施方案中，公开的材料组合物100可用于任意合适的电子照相元件和设备。例如，图3描述了本发明的一种示例性电子照相元件300。对本领域的普通技术人员来说显而易见的是，图3中描述的元件300表示一般示意说明，可以加入其它颗粒/层/基材，或可以除去或改变已有的颗粒/层/基材。
在多个实施方案中，元件300可以是，例如，可用于电子照相设备的定影元件、固定元件、压力元件、供体元件。元件300可以为例如卷、带、板或片的形式。如图3所示，元件300可包含基材305和至少一个在基材305上形成的元件层315。
在多个实施方案中，元件300可以是包含至少一个在示例性核心基材305上形成的元件层315的定影辊。在多个实施方案中，所述核心基材可以是圆柱形管或实心圆柱形杆的形式。本领域的普通技术人员应理解，其他基材形式例如带型基材也可用以保持元件300的刚性、结构的整体性。
元件层315可包括例如如图1A-1B所示的材料组合物100。因此元件层315可包含分散于如本文公开的聚合物基体中的多个含石墨烯颗粒和任选的非石墨烯填充剂如金属或金属氧化物。如图所示，元件层315可直接形成在基材305上。在多个实施方案中，根据元件用途，一个或多个另外的功能层可形成在元件层125上和/或元件层315和基材305之间。
在一个示例性实施方案中，元件300可具有2层构造，该构造含有位于元件层315和核心基材305(如相关技术中使用的金属)之间的缓冲/弹力层，如硅橡胶层。在另一个示例性实施方案中，元件300可包括形成于元件层315上的表面层，例如包括含氟聚合物，所述元件层315在弹力层或基材305上形成。
多个实施方案也可包括形成所公开的材料组合物(见图1A-1B)和形成电子照相元件(见图3)的方法。图4描述了一种形成本发明的示例性定影器元件的方法。注意尽管下文将图4的方法300说明和描述为一系列操作和事件，但应认识到本发明不局限于这种操作或事件的所述顺序。例如，除了那些本文说明和/或描述的，一些操作可以以不同顺序和/或与其他操作或事件同时进行。同样，实施本发明的一个或多个方面或实施方案的方法可以并不需要所有所述步骤。本文描述的一个或多个操作还可以以一个或多个独立操作和/或状态进行。
在图4中的410中，可制备组合物分散体以包括，例如，一种本文公开的感兴趣的聚合物(例如Viton GF)和合适的溶剂中的含石墨烯颗粒，所述溶剂取决于使用的聚合物。包括但不局限于水、甲基乙基酮(MEK)、甲基异丁基酮(MIBK)、甲基叔丁基醚(MTBB)、甲基正戊基酮(MAK)、四氢呋喃(THF)、碱、甲醇、乙醇、丙酮、乙酸乙酯、乙酸丁酯，或任意其他低分子量羰基化合物、极性溶剂、防火水力液体，以及维帝希(Wittig)反应溶剂如二甲基甲酰胺(DMF)、二甲亚砜(DMSO)和N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)的多种溶剂可用于制备所述组合物分散体。
例如，所述组合物分散体可通过以下方式形成，首先将聚合物溶于合适的溶剂，接着以提供需要的性质——如需要的导热性或机械强度——的量向溶剂中加入多个含石墨烯颗粒。在一个示例性实施方案中，为得到增强的导热性，所述组合物分散体可包括聚合物基体的约1重量％至约60重量％的石墨烯。
在多个实施方案中，制备所述组合物分散体时，可使用机械方法，如搅拌、超声处理或球磨机碾碎/研磨，以促进分散体混合。例如，装有搅拌棒和聚四氟乙烯桨的搅拌装置可用来充分混合溶剂中的含石墨烯颗粒和聚合物，之后可向混合的分散体中加入另外的化学固化剂如固化剂，和任选的其他非石墨烯填充剂如金属氧化物。
在420中，一个电子照相元件，如定影器元件，可通过向基材、例如如图3中的基材305上施用一定量的组合物分散体(例如，其包括在溶剂中的需要的聚合物及其固化剂，多个含石墨烯颗粒和任选的无机填充剂)形成。在基材上施用所述组合物分散体可以是，例如，沉积、涂覆、模塑或挤出。在一个示例性实施方案中，可将所述组合物分散体即反应混合物喷涂、流涂、注射塑模至基材上。
在430中，施用的组合物分散体然后可凝固(例如固化)，以在基材(例如图3的基材305)上形成元件层(例如层315)。固化方法可包括，例如，干燥方法和/或包括温度坡度的逐步方法。根据所述组合物分散体，可使用多种固化程序。在多个实施方案中，固化过程之后，固化的元件可在例如水浴和/或室温下冷却。
在多个实施方案中，形成的定影器元件可具有需要的性质，包括导热性、机械强度，以及其他物理性质如磨损性能或剥离性能。在多个实施方案中，根据电子照相设备和方法，可在基材上形成元件层之前或之后形成其他功能层。
考虑本文公开的说明书和本发明的实施，本发明的其他实施方案对本领域的技术人员是显而易见的。说明书和实施例意欲被考虑为仅是示例性的，本发明的范围和实质由以下权利要求指出。

Claims (10)

1.一种电子照相元件，包含：
一种基材；和
至少一个位于所述基材上的元件层；其中所述至少一个元件层以至少控制电子照相元件的导热性的量包含分散于聚合物基体中的多个含石墨烯颗粒。
2.权利要求1的元件，其中所述多个含石墨烯颗粒以聚合物基体的约1重量％至约60重量％的量存在于聚合物基体中，并且其中所述多个含石墨烯颗粒中的每个颗粒包括纳米管、纳米纤维、纳米杆、纳米柱、纳米线、纳米棒、纳米针及其混合物。
3.权利要求1的元件，其中所述聚合物基体包括一种或多种选自硅橡胶、氟橡胶、热塑性橡胶、树脂、氟树脂和氟塑料的聚合物。
4.权利要求1的元件，其中所述聚合物基体包括一种用固化剂交联的含1，1-二氟乙烯的氟橡胶，所述固化剂选自双酚化合物、双氨基化合物、氨基酚化合物、氨基硅氧烷化合物、氨基硅烷化合物和酚硅烷化合物。
5.权利要求1的元件，还包含一种或多种分散于聚合物基体中的非石墨烯填充剂颗粒，其中所述一种或多种非石墨烯填充剂颗粒包括金属或金属氧化物。
6.一种制造电子照相元件的方法，包含：
形成包含多个含石墨烯颗粒和一种聚合物的组合物分散体，其中以至少控制电子照相元件的导热性的量提供所述多个含石墨烯颗粒；
将形成的组合物分散体施用于基材上；并
使施用的组合物分散体凝固在基材上。
7.权利要求6的方法，其中所述组合物分散体还包含用于交联所述聚合物的交联剂，以及任选的分散于溶剂中的多个非石墨烯填充剂颗粒。
8.权利要求6的方法，其中所述多个含石墨烯颗粒以所述聚合物的约1重量％至约60重量％的量存在。
9.权利要求6的方法，其中所述聚合物选自硅橡胶、氟橡胶、热塑性橡胶、树脂、氟树脂和氟塑料。
10.一种制备电子照相元件的方法，包含：
将一种聚合物溶于溶剂中，其中所述聚合物包括一种含氟聚合物；
通过混合多个含石墨烯颗粒与所述含聚合物的溶剂而形成一种组合物分散体；
将形成的组合物分散体施用于基材上；并
使施用的组合物分散体凝固以在基材上形成一种聚合物基体，其中所述多个含石墨烯颗粒以所述聚合物的约1重量％至约60重量％的量存在于聚合物基体中。
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