CN102193361A

CN102193361A - 一种导电橡胶辊

Info

Publication number: CN102193361A
Application number: CN2010102096301A
Authority: CN
Inventors: 李静; 洪稚辉
Original assignee: SHENZHEN LEPUTAI OFFICE EQUIPMENT PARTS CO Ltd
Current assignee: SHENZHEN LEPUTAI TECHNOLOGY CO LTD
Priority date: 2010-06-25
Filing date: 2010-06-25
Publication date: 2011-09-21
Anticipated expiration: 2030-06-25
Also published as: CN102193361B

Abstract

本发明涉及一种导电橡胶辊，由一个金属轴芯和覆盖在金属轴芯表面的双层橡胶层组成。里层为在氯醚橡胶和天然橡胶混合胶料中添加发泡剂形成的发泡橡胶层，表层为以顺丁橡胶和丁腈橡胶的共混橡胶为主体的高交联度非发泡橡胶层。里层橡胶的硬度为邵氏C15度以上邵氏C70度以下，表层橡胶的硬度为邵氏A40度以上邵氏A90度以下，表层橡胶与里层橡胶的硬度比在1.5～2.1之间，硬度差值在10～40之间。

Description

一种导电橡胶辊

技术领域

本发明涉及一种用于成像装置例如电子照相复印机、激光打印机、传真机等静电记录装置的导电橡胶辊，更具体涉及上述电子成像装置的显影辊、充电辊和转印辊。

背景技术

激光打印机及各类电子成像装置的发展趋势是高速打印、高品质画像、彩色图像成像和成像装置小型化，这些技术进步都依赖于电子成像过程中各类导电性橡胶辊性能的改进和优化，各类导电性橡胶辊最需要突破的技术难点表现为实现橡胶辊的低硬度、导电性和非污染性。

低硬度是为保证导电橡胶辊与被接触体的均匀接触，并减少接触磨损。过硬的显影辊容易引起与感光辊的接触不均匀，导致感光鼓表面携带的显色剂密度不均匀，使打印图像缺损，同时，显影辊将显色剂传递到感光鼓的过程中，由于与感光鼓频繁接触而损伤感光鼓，使电子成像设备中图像形成装置使用寿命缩短。

导电性的要求有两点：一是保持低的体积电阻率，一般为10⁵Ω·cm～10⁸Ω·cm；二是体积电阻随环境温度、湿度变化波动小，且在使用过程中随电压变化，电阻率波动小。橡胶辊电阻率随环境和电压变化的不稳定，会引发感光鼓带电不均匀和感光鼓表面携带显色剂不均匀，进一步导致打印图像不清晰，有底灰等缺陷。

非污染性主要指导电橡胶辊在使用过程，不污染感光鼓，同时对感光鼓携带的墨粉无粘结、溶解和发生化学反应现象。如果发生这类现象，则不能保证感光鼓表面的清洁和重复使用，同时也会导致显色剂变质。

多年以来，各国技术人员都致力于上述问题的解决，但由于传统的解决措施在一定程度上相互排斥，表现为：降低硬度的过程中，采用添加邻苯二甲酸二辛酯(DOP)、邻苯二甲酸二丁酯(DBP)等油类增塑剂，会导致增塑剂迁移至表面，引发导电橡胶辊的污染性；降低电阻的过程中，添加碳黑等电子导电材料会增加橡胶辊的硬度；追求电阻环境稳定性过程中，添加离子导电剂会导致离子导电剂迁移至胶辊表面，引发橡胶辊的污染性。因此到目前为止，在各类导电橡胶辊的配方和结构设计中尚未彻底解决上述问题。

发明内容

本发明是鉴于上述问题作出的，提供一种导电橡胶辊，该导电橡胶辊具备低体积电阻、低硬度、电阻对环境和电压的依赖性小以及无污染的特点。

为解决上述问题，本发明提供一种导电性橡胶辊，其特征在于覆盖在金属轴芯表面的橡胶组合物为双层结构，且每层橡胶均主要有极性橡胶和非极性橡胶共混组成，每层橡胶组合物实现导电橡胶辊特定的性能要求，靠近轴芯的里层橡胶(2)主要解决降低硬度和电阻的问题，表层橡胶(3)解决电阻的均匀性、耐环境温度湿度稳定性和橡胶辊的耐污染性问题。

靠近轴芯的里层橡胶(2)为氯醚橡胶和天然橡胶混合胶料中添加发泡剂形成的发泡橡胶层，表层为以顺丁橡胶和丁腈橡胶的共混橡胶为主体的高交联度非发泡橡胶层。

氯醚橡胶具有高极性表现为离子导电性，在低温低湿和高温高湿环境条件下的电阻有很大差异，即对环境的依赖性高。采用氯醚橡胶和天然橡胶并用，可以适当减少氯醚橡胶的用量，有效改善橡胶导电辊对环境温度和湿度的依赖性。同时由于氯醚橡胶设计在里层，也可以有效减少其与大气环境的接触，从而进一步改善氯醚橡胶的环境温度湿度敏感性问题。天然橡胶具有良好的回弹性，可以实现导电胶辊的高回弹性、低压缩永久变形性。将天然橡胶设计在里层橡胶层，杜绝了与空气的大面积接触，解决了天然橡胶的热氧老化问题。另一方面，也可以通过加入热氧防老剂进一步解决天然橡胶耐热氧老化性较差的问题。

以100质量份橡胶组分为基准，氯醚橡胶(ECO)的添加比例应控制在1质量份以上，70质量份以下。当ECO的添加比例低于1质量份时，ECO对导电辊的导电性贡献很小，且使得里层橡胶的离子导电性能减弱，整个导电橡胶辊表现为电子导电性，导致导电橡胶辊明显的电压依赖性，即胶辊在使用过程中，当电压发生变化时，电阻发生很大波动，且电压与电阻之间的变化规律是非线性的，不遵循欧姆定律，其原因在于导电炭黑特殊的高结构能够在橡胶基体中更易于形成三维网路导电通道，在相同的聚合物基体中，仅需较小的炭黑填充率即可赋予负荷材料较高的导电性，当导电炭黑添加量达到其渗透阈值时，在胶体中形成了充分的导电网络，则电阻值会出现几个数量级的突变；当ECO添加比例大于70质量份时，胶辊电阻的耐环境温度湿度性能下降，由于氯醚橡胶价格昂贵，因此添加量过高，生产成本也会增加，同时由于天然橡胶的添加比例相对降低，因此橡胶组合物的压缩永久变形性增大。氯醚橡胶的添加量优选5至60质量份，更优选8至50质量份。发泡层的橡胶组合物中，天然橡胶的添加量设定在10至80质量份，当天然橡胶含量低于10质量份时，制得的胶辊压缩永久变形性大，当天然橡胶含量大于80质量份时，由于天然橡胶活性很大，容易引起发泡橡胶层的老化，从而影响整个导电橡胶辊的寿命，同时，氯醚橡胶的添加量相对减少，会导致离子导电特性的降低。

靠近轴芯的里层橡胶中添加的发泡剂，有机发泡剂可选4，4-氧代双苯磺酰肼(OBSH)、二亚硝基五次甲基四胺(DPT)、偶氮二甲酰胺(ADCA)等的一种或多种的组合物；无机发泡剂可选碳酸氢钠、碳酸氢钙、亚硝酸钠等的一种或多种的组合物。有机发泡剂与无机发泡剂的添加量比值(重量)在0.1以上5以下，对应于100质量份上述橡胶组合物，发泡剂的添加总量在1％以上10％以下。发泡助剂选用尿素。发泡孔径应控制在10μm～200μm，当发泡孔径低于10μm时，泡孔对降低硬度的贡献较小，当发泡孔径大于200μm时，发泡层表面易产生凹凸不平，影响制品外观，更重要的会导致发泡层电阻的不均匀，同时也会影响到表层非发泡层以及整个导电橡胶辊与感光鼓接触过程中的受力不均和接触不良，最终造成打印图像的缺陷。

在添加氯醚橡胶的同时还可以通过添加离子导电剂来增加里层橡胶的离子导电性，离子导电剂能有效的降低橡胶辊的电阻率和改善电阻的电压稳定性，离子导电剂可选季铵盐、含Li⁺或Na⁺的金属盐或含有氟基和磺酸基的含阴离子的盐中的一种或多种的组合物，优选季铵盐，按100质量份的橡胶组分为基准，其添加量为0.1～20质量份。

靠近轴芯的里层橡胶还加入了弱导电性炭黑和活性碳酸钙来降低橡胶辊的介电损耗因数，增加导电性。

里层橡胶还加入了液体橡胶或操作油做软化剂，进一步降低橡胶的硬度，其中液体橡胶种类包括液体乙丙橡胶、液体顺丁橡胶、液体丁腈橡胶和液体丁苯橡胶中的一种或几种的混合物，液体橡胶含量占里层橡胶层总含胶量的1％～50％。操作油可以使用矿物油如石蜡油、环烷基油、芳烃油和已知的由烃类低聚物组成的合成油。软化剂优选液体橡胶，软化剂的添加量应控制在1质量份以上，50质量份以下。

里层橡胶和表层橡胶均是经硫化处理成型而得，硫化剂优选硫磺，硫化剂的添加量为0.5质量份以上，5质量份以下，优选为1质量份以上，3质量份以下。

导电橡胶辊的表层橡胶以极性丁腈橡胶(NBR)和非极性顺丁橡胶(BR)的共混橡胶为主体，丁腈橡胶具有一定的导电性，有助于导电橡胶辊电阻的降低，但丁腈橡胶的耐臭氧性能比较差，影响胶辊的使用寿命。顺丁橡胶具有良好的耐磨性，生热低，回弹性高，压缩永久变形性低，玻璃化转变温度低，表面自由能较低等特点，用作表层橡胶，可以提高胶辊的耐磨性，改善墨粉在胶辊表面的粘附性。丁腈橡胶与顺丁橡胶的并用，可以改善单独使用丁腈橡胶所带来的耐臭氧性差的问题，且两种不相容的橡胶并用时，炭黑易在混合体系中分散相与连续相上富集，形成导电通道，使得添加相对较少的导电炭黑就可以达到较低电阻。炭黑添加量降低，也有利于降低硫化胶的硬度。极性橡胶和非极性橡胶的并用可以兼顾两种橡胶的优势性能。丁腈橡胶，可以任意使用目前所知牌号的不同丙烯腈含量的NBR，即包含的丙烯腈为不大于25％的低腈NBR、包含的丙烯腈为在25～31％范围内的中腈NBR、包含的丙烯腈为在31～36％范围内的中/高腈NBR、以及包含的丙烯腈为不小于36％的高腈NBR。本发明优选丙烯腈含量为在25～31％的中腈NBR。以100质量份橡胶组分为基准，丁腈橡胶的添加量为10～70份。

表层橡胶所含的电子导电性材料为中空结构导电炭黑，其比电阻不大于0.3Ω·cm。以100质量份橡胶组分为基准，中空结构导电炭黑的添加量应控制在1质量份以上，40质量份以下。按100质量份的橡胶组分为基准，当添加量小于1质量份时，表层橡胶的电阻过高，无法起到降低橡胶电阻的作用，当添加量大于40质量份时，导电辊的硬度过高，电阻率过低，使得在打印过程中容易磨损或击穿感光鼓，另外导电炭黑为高结构，分散不易，为实现低电阻，添加量过大，会使混炼过程炭黑的分散更加困难，操作过程中飞扬更严重，最终导致胶辊的电阻不均匀性。

表层橡胶也添加有离子导电剂，按100质量份的橡胶组分为基准，其添加量为0.05～5质量份，当添加量小于0.05时，对降低电阻率的降低贡献不高，当添加量大于5质量份时，容易析出胶辊表面而导致对感光鼓的污染；进一步优选为0.1～1质量份。

导电橡胶辊中里层橡胶的硬度为邵氏C15度以上邵氏C70度以下，表层橡胶的硬度为邵氏A40度以上邵氏A90度以下，表层橡胶与里层橡胶的硬度比在1.5～2.1之间，硬度差值在10～40之间。当硬度差小于10或硬度比小于1.5时，两层硬度变化不大，里层发泡橡胶层作为缓冲层的作用甚微，当硬度差大于40且硬度比大于2.1时，由于两层硬度相差过大，里层硬度微小的变化也容易造成总体硬度较大的变化，使得胶辊与感光鼓接触不均匀，造成打印时碳粉密度不均匀。

导电橡胶辊中表层橡胶的厚度在1mm以上8mm以下。当表层厚度小于1mm时，里层橡胶层中的软化剂容易析出到胶辊表面而污染感光鼓，当表层厚度大于8mm时，则无法体现出里层橡胶低硬度的缓冲作用，使得导电辊整体硬度偏高。优选2mm以上6mm以下。

附图说明

图1是本发明的导电性橡胶辊的结构示意图。

(1)轴芯(2)里层橡胶(3)表层橡胶(4)导电辊

图2是导电性橡胶辊电阻的测定方法示意图。

具体实施方式

实施例1～实施例3

(一)橡胶的混炼

里层发泡层用混炼胶的混炼工艺为：先将ECO与NR按一定比例在密炼机中在50℃左右进行充分混炼，然后先加入炭黑，待混炼5min后之后依次加入活性剂如硬脂酸、促进剂、硫化剂等各种橡胶配合剂，使之与胶料混合均匀，控制出料温度在105±5℃左右。外层非发泡橡胶层用混炼胶的混炼工艺与上述里层发泡层混炼胶的混炼工艺类似。

(二)挤出成型和硫化

将混炼好的内外层橡胶组合物加入双层螺杆挤出机中进行挤出成双层管状，同时将金属轴芯插入内层管状未硫化胶的中心，然后将半成品放置在蒸汽硫化罐中进行硫化(硫化温度为150℃，硫化时间为1小时)；之后再按照所要求尺寸进行打磨和切割，得到的导电橡胶辊。

以下，参照附图对本发明的实施例和比较例进行说明。

表1所示为里层发泡层橡胶层的实施例1～实施3与比较例1～比较例3，表2所示为表层非发泡橡胶层的实施例1～实施例3与比较例1～比较例3，表3所示为将表1和表2中实施例1～实施3与比较例1～比较例3分别对应组合得到的导电橡胶辊的实施例和比较例的各项性能对比。

表1、表2和表3中，实施例1～实施例3的橡胶组合物及胶辊的各组分配比均在本发明范围之内，比较例1～比较例3的橡胶组合物及胶辊的各组分配比均在本发明范围之外。制造工艺同实施例。表中各项性能的测试方法在表1、表2和表3之后进行了详细的介绍。

如表1、表2和表3所示，由表1中发泡橡胶层的实施例1、实施例2和实施例3，与表2中非发泡橡胶层的实施例1、实施例2和实施例3组合而得到的表3中的导电橡胶辊的实施例1、实施例2和实施3，具有合适的发泡橡胶层和非发泡橡胶层的硬度比值和硬度差值；胶辊硬度较低，不大于邵氏A45度；体积电阻率均在10⁶Ω·cm～10⁸Ω·cm范围内；经过综合性能测试，胶辊具有小的永久变形性、优异的耐环境温度湿度性、胶辊与墨粉不粘附、打印效果和图像耐久性评价结果均优异，同时胶辊在使用过程中表面无渗出物，对感光鼓不产生污染。

对比表1、表2和表3中的比较例1，表2比较例1中，表层非发泡橡胶层未添加BR，导致非发泡橡胶层的硬度升高，同时由于NBR的表面自由能过高以及耐臭氧性能差等原因，最终经过表3中胶辊各项性能的综合测试，发现除了与感光鼓的接触污染测试合格外，其他各项性能测试均存在一些问题，表现为：胶辊硬度偏高、压缩永久变形性大、体积电阻率偏低、墨粉在胶辊表面粘附严重、耐环境温度湿度性差、打印效果和图像耐久性差。

对比表1、表2和表3中的比较例2，表1比较例2中，里层发泡橡胶层液体橡胶的添加量增大到75份，当加入过量的液体橡胶，则如表3中胶辊测试结果显示，即使有表层非发泡橡胶层的阻碍，还是有部分液体橡胶迁移到了胶辊表面，最终导致胶辊对感光鼓的污染。

对比表1、表2和表3中的比较例3，表1比较例3中，里层发泡橡胶层未添加无机发泡剂NaHCO3，NaHCO3属于开孔发泡剂，不添加无机发泡剂，带来发泡层硬度的上升，从而导致胶辊硬度的增大，最终导致的结果如表3测试结果所示：硬度过高会产生对感光鼓的磨损和充电、显影过程与感光鼓的不均匀接触，进一步导致打印效果的下降和图像耐久性变差。

综合对比表1、表2和表3中的比较例1、比较例2和比较例3，可以发现，当发泡橡胶层和非发泡橡胶层的配比落在本发明范围之外时，发泡橡胶层和非发泡橡胶层的硬度差值和硬度比值不能全部同时满足权利要求7所述的要求。

表1.里层发泡橡胶层的实施例1～实施例3与比较例1～比较例3

	实施例1	实施例2	实施例3	比较例1	比较例2	比较例3
							ECO	60	40	50	40	40	40
NR	40	60	50	60	60	60
							弱导电炭黑	10	10	10	10	10	10
水滑石	3	3	3	3	3	3
							活性碳酸钙	50	50	50	50	50	50
液体丁苯橡胶	30	30	30	30	75	30
							离子导电剂	5	5	5	5	5	5
氧化锌	5	5	5	5	5	5
							硬脂酸	3	3	3	3	3	3
硫磺	2	2	2	2	2	2
							DM	1	1	1	1	1	1
TT	0.2	0.2	0.2	0.2	0.2	0.2
							OBSH	2	2	2	2	2	2
防老剂D	0.5	0.5	0.5	0.5	0.5	0.5

碳酸氢钠	1	1	1	1	1	0
							尿素	1	1	1	1	1	1
硬度°	36	35	37	35	32	58
							体积电阻log	5.3	5.9	5.6	5.4	6.0	5.8

表2表层非发泡橡胶层的实施例1～实施例3与比较例1～比较例3

	实施例1	实施例2	实施例3	比较例1	比较例2	比较例3
							BR	70	60	40	0	60	60
NBR	30	40	60	100	40	40
							中空结构炭黑	3	3	3	3	3	3
弱导电炭黑	9	9	9	9	9	9
							氧化锌	3	3	3	3	3	3
活性碳酸钙	10	10	10	10	10	10
							硬脂酸	0.8	0.8	0.8	0.8	0.8	0.8
硫磺	0.8	0.8	0.8	0.8	0.8	0.8
							DM	0.1	0.1	0.1	0.1	0.1	0.1
TT	1	1	1	1	1	1
							离子导电剂	0.2	0.2	0.2	0.2	0.2	0.2
橡胶分散剂	0.5	0.5	0.5	0.5	0.5	0.5
							硬度	68	70	72	76	72	71
表面电阻log	8.2	7.9	7.8	7.6	7.8	8.0

表3导电橡胶辊实施例与比较例的性能对比

	实施例1	实施例2	实施例3	比较例1	比较例2	比较例3
							非发泡层与发泡层硬度差值	32	35	35	41	40	13

非发泡层与发泡层硬度比值

1.9

2.0

1.9

2.2

2.3

1.2

胶辊硬度

38

41

43

48

46

65

压缩永久变形性

8

9

11

15

11

9

胶辊体积电阻log

6.3

6.4

6.0

5.8

6.2

6.3

耐温度湿度性测试

优

不良

优

胶辊与墨粉的粘附性测试

不粘附

粘附

不粘附

实施例1

实施例2

实施例3

比较例1

比较例2

比较例3

感光鼓污染测试

合格

污染

合格

打印效果评价

优

良

优

差

图像耐久性评价

合格

不合格

合格

不合格

性能测试方法：

各层橡胶组合物硬度测定：

在23℃、55％相对湿度的环境中，负载500g的重量，用邵氏C和邵氏A型硬度计分别测定发泡橡胶层和非发泡橡胶层的硬度。

导电橡胶辊硬度测定：

在23℃、55％相对湿度的环境中，负载500g的重量，用邵氏A型硬度计测定导电橡胶辊的硬度。

电阻率测定：

如图2所示，在23℃、55％相对湿度的环境中，将插入了轴1的导电辊4安装在30mm的铝鼓5上，使得表层橡胶层与铝鼓5相接触。将与电源E的正极相连的内阻为r(100Ω)的导体的一端与铝鼓5的一端表面相连。将与电源E的负极相连的一端导线与表层橡胶层3的另一侧的一端表面相连。在芯轴1上两端逐次加载500g的负荷，在使其在30rpm的速度转动的状态下，加载500V的电压，根据欧姆定律测定导电橡胶辊的电阻值，表中以logR所示。

耐环境温度、湿度性测试：

将实施例和对比例中的各个导电胶辊安装在激光打印机上，在常温常湿(23℃、55％相对湿度)低温低湿(10℃、10％相对湿度)和高温高湿(30℃、80％相对湿度)三种环境下进行打印测试。

设定在3种打印环境下打印的图像全部基本无变化的评定为优。

设定在3种打印环境下打印的图像存在问题的评定为不良。

胶辊与墨粉粘附性试验：

将导电橡胶辊安装到硒鼓中，经过100张打印纸试验后，将硒鼓取出，在30℃、80％相对湿度的环境中放置5天后取出，观察导电橡胶辊表面墨粉的粘附性情况，并将带墨粉的胶辊放置于特制的转动轴上、以0.5Hz(周期/秒)匀速旋转，若通过旋转，墨粉基本全部脱落，则评定为胶辊对墨粉不粘附，反之评定为粘附。

感光鼓的污染测试：

以500g负荷将导电胶辊与感光鼓压紧，在40℃和相对湿度90％的环境中，放置2周，目视确认感光鼓表面的污染情况，进行评估，感光鼓表面如有目视可见接触印痕或污染物，评定为污染，反之评定为合格。

打印效果的测试：

将导电胶辊作为安装到硒鼓中，分别进行墨粉浓度0％、15％、30％、50％、100％的打印测试，观察不同墨粉浓度下的打印效果。

设定在所用墨粉浓度下都没有出现打印质量问题的导电胶辊评定为优。

设定在1个墨粉打印浓度下出现轻微的打印问题的导电胶辊评定为良。

设定在2个墨粉打印浓度下出现打印问题的导电胶辊评定为差

图像耐久性的测试：

将实施例和对比例中各个导电胶辊安装在激光打印机上，在23℃、55％相对湿度的环境中，连续打印特定图像500页，通过打印出的图像质量对导电胶辊进行图像耐久性的评定。

设定500张纸上的图像均未有图像缺陷现象出现，评定为合格。

设定500张纸中，出现有图像缺陷和打印密度不均的现象，则评定为不合格。

Claims

1.一种导电橡胶辊，包括金属轴芯(1)靠近芯轴的里层橡胶层(2)和覆盖在里层橡胶层上的的表层橡胶层(3)，其特征在于导电橡胶辊的橡胶层为双层结构，橡胶组合物主要由极性橡胶和非极性橡胶共混组成，靠近轴芯的里层橡胶(2)含有发泡剂，表层橡胶(3)含有电子导电性材料。

2.如权利要求1所述的导电橡胶辊，其特征在于橡胶层中里层橡胶主要由氯醚橡胶(ECO)和天然橡胶(NR)组成，表层橡胶主要由丁腈橡胶(NBR)和顺丁橡胶(BR)组成。

3.如权利要求1所述的导电橡胶辊，其特征在于所述发泡剂由有机发泡剂和无机发泡剂混合而成，发泡层的孔径控制在10μm～200μm范围内。

4.如权利要求3所述的导电橡胶辊，所述有机发泡剂为4，4-氧代双苯磺酰肼，无机发泡剂为碳酸氢钠，有机发泡剂与无机发泡剂的添加量比值(重量)在0.1以上5以下，对应于100质量份上述橡胶组合物，发泡剂的添加总量在1质量份以上10质量份以下。

5.如权利要求1所述的导电橡胶辊，所述电子导电材料为中空结构炭黑，炭黑的比电阻不大于0.3Ω·cm。

6.如权利要求2所述的导电橡胶辊，所述表层橡胶含有液体橡胶，液体橡胶含量占表层橡胶层总含胶量的1％～50％。

7.如权利要求1所述的导电橡胶辊，所述里层橡胶的硬度为邵氏C15度以上邵氏C70度以下，表层橡胶的硬度为邵氏A40度以上邵氏A90度以下，表层橡胶与里层橡胶的硬度比在1.5～2.1之间，硬度差值在10～40之间。

8.如权利要求1所述的导电橡胶辊，表层橡胶的厚度在1mm以上8mm以下。