CN105017749B - 一种高分子复合材料充电辊及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高分子复合材料充电辊及其制备方法，其中的高分子复合材料充电辊，采用ECO高分子复合材料制成，该ECO高分子复合材料由以下组分按重量百分比混合加工而成：氯醚70‑90%，活性剂5‑10%，补强剂4‑20%、锂盐0.5‑3%，硫化剂0.5‑3%；所述活性剂为氧化锌、硬脂酸、硬脂酸锌以及陶瓷材料中的一种或两种以上的混合物。本发明采用上述方案，所制备的充电辊电阻低，产品电阻均匀、稳定，打印质量非常好，与光导鼓接触不会污染光导鼓，使用寿命长。

Description

一种高分子复合材料充电辊及其制备方法

技术领域

本发明涉及充电辊的制作领域，具体是一种采用高分子复合材料制成的充电辊。

背景技术

现代办公设备都具有电摄影成像装置，如激光打印机、数码复印机、普通纸传真机及激光多功能一体机等。这种成像装置对于不同机型其结构不尽相同，但工作原理基本相同，一般都是要经过充电、曝光、显影、转印、定影、清洁等六个过程。工作时，光导鼓的表面被充上均匀电荷，获得一定表面电位，然后根据图文影像信息进行曝光，形成“静电潜像”，经过显影器显影，潜像即转变成可见的色粉像，再经过转印装置，墨粉便转印到打印纸或其它介质上，最后经过定影装置加温、加压热熔，墨粉熔化后即在纸上熔凝出文字及图像。其中，充电质量的好坏直接影响印品质量。充电装置通常有两种形式:一种是电晕充电方式，一种是使用充电辊的充电方式。电晕充电方式由于充电电压高及高压对空气的电离，会产生臭氧(O₃)，对人体和环境有一定的影响，而且加速充电元件以及光敏元件的损耗等原因逐渐被淘汰，目前大多数办公设备所用的充电装置是充电辊。

充电辊一般是由金属芯和金属芯外包覆的弹性体构成，其具体结构大致有以下几种：

1、金属芯外层包覆一层低硬度的导电弹性体，外层涂敷一层电阻较高的涂层，厚度在几到几十微米；

2、金属芯外层包覆一层低硬度的导电弹性体，外层是一层电阻较高的橡胶或塑料管，厚度在几十微米到1毫米；

3、金属芯外只有低硬度导电弹性体层，但外表面经过特殊处理。

充电辊要求表面均匀，手感滑爽，不易粘碳粉，与光导鼓接触不会污染光导鼓。涂层一般是特氟龙，但特氟龙一是固化温度较高，弹性体易加速老化，影响产品寿命，二是特氟龙与弹性体的粘接不好，易脱落。橡胶或塑料管的膜厚（或壁厚）很难控制，会造成充电辊表面电阻不均，打印效果较差。只有低硬度导电弹性体层的充电辊表面处理一般是UV处理，即将充电辊经过紫外光灯照射一遍使表面形成固化层。缺点是固化层很薄，而且本身也是弹性体，时间长了后也会污染光导鼓。

低硬度导电弹性体的材质一般有橡胶、硅胶、聚氨酯三种。硅胶强度较低，使用寿命较低。聚氨酯生产工艺复杂，且生产时工艺较难控制，产品质量波动较大。橡胶按胶种分也分丁腈橡胶（NBR）、三元乙丙橡胶（EPDM）、氯醚橡胶（ECO），其中NBR、EPDM因为本身橡胶的电阻较高，满足不了充电辊的要求，必须加导电材料降低电阻。从加工工艺和产品性能上考虑，橡胶行业一般都是用的导电炭黑。ECO虽然电阻较NBR、EPDM较低，但也只能满足小部分机型的要求，大部分还是需要加入导电炭黑降低电阻。但导电炭黑一是具有分散困难的特性，使得充电辊表面电阻不一致，打印效果不好；二是加工过程中电阻波动很大，产品不良率高。

为此，一篇申请号为201310112765.X的发明专利，公开了一种环保型氯醚橡胶胶料，该橡胶胶料由下列组分按质量份数混合、加工而成，其中氯醚橡胶用量100份；吸酸剂1-5份；硬脂酸0.5-3份；黑液木质素/粘土复合填料30-70份；石蜡0.5-4份；硫化剂1-2.5份，黑液木质素/粘土复合填料成分为造纸黑液木质素30wt％、硅酸盐类粘土30％、水40wt％。其避免使用炭黑，而采用含硅酸盐类粘土的黑液木质素/粘土复合填料。但是其采用上述方案实现的氯醚橡胶，其化学稳定性不够高，进而使得基于该氯醚橡胶制成的充电辊的电阻以及其他特性也不够稳定。

发明内容

因此，针对上述的问题，本发明提出一种ECO（epichlorohydrin，氯醚）高分子复合材料用以制作充电辊，对现有的ECO橡胶的组分进行改进，使其电阻低，以满足客户的要求，且其电阻均匀、稳定，以使使用该ECO高分子复合材料制成的充电辊也具有稳定的特性。同时，在制备充电辊时，在其表面涂上一层特制的涂层，使充电辊表面满足要求，固化温度低，与ECO高分子复合材料粘接牢固。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的思路是，制作充电辊时，不再采用常用的采用的导电炭黑，而采用的导电材料为锂盐，该导电材料连同其他常规的材料：活性剂、补强填充剂、硫化剂混炼均匀停放一段时间，然后投入挤出机和芯棒一起挤出，放入硫化罐硫化，然后研磨至所需尺寸得到充电辊半成品。

具体的，本发明的技术方案是，一种高分子复合材料充电辊，采用ECO高分子复合材料制成，该ECO高分子复合材料由以下组分按重量百分比混合加工而成：氯醚橡胶70-90%，活性剂5-10%，补强填充剂4-20%、锂盐0.5-3%，硫化剂0.5-3%。其中，所述氯醚橡胶为环氧氯丙烷- 环氧乙烷二元共聚物(ECO)、环氧氯丙烷- 烯丙基缩水甘油醚二元共聚物(GCO)和环氧氯丙烷- 环氧乙烷- 烯丙基缩水甘油醚三元共聚物(GECO) 中的一种或二种以上的混合物。所述补强填充剂为中粒子热裂炭黑MT。所述硫化剂是2-硫醇基咪唑啉、氧化镁中的一种或两种以上的混合物。

作为一个可行的方案，所述活性剂为氧化锌、硬脂酸、硬脂酸锌以及陶瓷材料中的一种或两种以上的混合物。优选的，其中的陶瓷材料为高导热系数的陶瓷材料，该陶瓷材料一般是微粒、纤维、晶须或块片状的形态，其中高导热系数的陶瓷材料是指导热系数>30W/mK的陶瓷材料。陶瓷材料有多种，例如碳化硅、氮化硼、氮化铝、氧化铍、碳化硼等等，实验中，陶瓷材料为碳化硅时效果最佳。

为了加强效果，该高分子复合材料充电辊外表面设有涂层，该涂层是由将一定比例的PU（聚氨酯）涂料、醋酸乙酯混合制成。优选的，所述涂层由以下组分按重量百分比混合制成：PU涂料15-40%，醋酸乙酯60-90%。

根据上述的高分子复合材料充电辊，本发明还提供了制备工艺，一种高分子复合材料充电辊的制备方法，包括如下步骤：

首先在密炼机中加入氯醚橡胶，密炼3分钟。密炼时间过短，氯醚橡胶未能充分软化，影响炼胶效果；密炼时间过长，氯醚橡胶分子链破坏过多，影响复合材料物理性能；

同时，将活性剂、补强填充剂、锂盐在搅拌机中混合均匀，分3次投入密炼机，一次投料或分2次投料活性剂、补强填充剂、锂盐在氯醚橡胶中分散不均，3次即可达到理想分散效果，4次以上影响炼胶工作效率。每次密炼4-5分钟，最后升温至135-140℃排料，温度过低，活性剂、补强填充剂、锂盐在氯醚橡胶中的分散不好，温度过高，会破坏氯醚橡胶分子结构，影响复合材料物理性能。在开炼机上出片停放8-24小时后在开炼机上加入硫化剂，混炼均匀后出片停放4-24小时后，进行硫化；其中各组分按如下重量百分比配置：氯醚70-90%，活性剂5-10%，补强填充剂4-20%、锂盐0.5-3%，硫化剂0.5-3%；

最后研磨至所需尺寸得到充电辊。

其中的硫化是在硫化罐中进行硫化，其优选的硫化条件是150℃*40分钟。

作为一个较佳的方案，上述制备方法还包括如下步骤：将得到的充电辊外涂上一层涂层，该涂层是由将一定比例的PU（聚氨酯）涂料、醋酸乙酯混合制成。优选的，所述涂层由以下组分按重量百分比混合制成：PU涂料15-40%，醋酸乙酯60-90%。

另外，为加强效果，本发明的充电辊在涂层之前还做了表面处理。具体的，将根据上述比例配置的PU涂料、醋酸乙酯混合均匀形成混合溶液；将研磨好的充电辊进行UV处理，然后浸入混合溶液一定时间，然后取出，烘烤，即得最后的充电辊成品。

本发明采用上述方案，所制备的充电辊电阻低，产品电阻均匀、稳定，打印质量非常好，与光导鼓接触不会污染光导鼓，使用寿命长。因为锂盐可以降低ECO高分子复合材料的电阻，且在ECO高分子复合材料中分散良好，而且锂盐可以和ECO高分子复合材料中的氧元素反应形成化学交联，结合牢固。涂层中的特殊PU涂料覆盖在充电辊表面，可以赋予充电辊表面非常滑爽的手感，涂层既可防止ECO高分子复合材料污染光导鼓，又可防止碳粉粘在充电辊表面，影响打印；且涂层与ECO高分子复合材料结合牢固，耐磨性好，使用寿命长。另外，在活性剂中增设微粒、纤维、晶须或块片状形态下的陶瓷微粒，在实际实验中，增加了上述陶瓷微粒后的ECO高分子复合材料具有很好的化学稳定性。

附图说明

图1为充电辊的结构示意图。

具体实施方式

现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

现有技术中，导电炭黑一是具有分散困难的特性，使得充电辊表面电阻不一致，打印效果不好；二是加工过程中电阻波动很大，产品不良率高。本发明采用锂盐代替导电碳黑，以解决上述问题。

参见图1，本发明的充电辊包括金属芯1，金属芯1外包覆由ECO高分子复合材料制成的弹性体2，弹性体2外还涂覆有涂层3。具体的，本发明的方案是一种高分子复合材料充电辊，采用ECO高分子复合材料制成，该ECO高分子复合材料由以下组分按重量百分比混合加工而成：氯醚70-90%，活性剂5-10%，补强填充剂4-20%、锂盐0.5-3%，硫化剂0.5-3%。另外，高分子复合材料充电辊外表面设有涂层，该涂层是由将一定比例的PU（聚氨酯）涂料、醋酸乙酯混合制成。其中，PU（聚氨酯）涂料是目前较常见的一类涂料，可以分为双组分聚氨酯涂料和单组分聚氨酯涂料。双组分聚氨酯涂料一般是由异氰酸酯预聚物（也叫低分子氨基甲酸酯聚合物）和含羟基树脂两部分组成，通常称为固化剂组分和主剂组分。这一类涂料的品种很多，应用范围也很广，根据含羟基组分的不同可分为丙烯酸聚氨酯、醇酸聚氨酯、聚酯聚氨酯、聚醚聚氨酯、环氧聚氨酯等品种。

其中，本发明的活性剂为氧化锌、硬脂酸、硬脂酸锌以及陶瓷材料中的一种或两种以上的混合物。优选的，其中的陶瓷材料为高导热系数的陶瓷材料，该陶瓷材料一般是微粒、纤维、晶须或块片状的形态，其中高导热系数的陶瓷材料是指导热系数>30W/mK的陶瓷材料。陶瓷材料有多种，例如碳化硅、氮化硼、氮化铝、氧化铍、碳化硼等等，实验中，陶瓷材料为碳化硅时效果最佳。本发明在活性剂中增加了业内从未考虑过的陶瓷材料，研发出具有高化学稳定性的ECO高分子复合材料，采用该ECO高分子复合材料实现的充电辊的化学稳定性也特别号，从而解决现有技术之不足。

根据上述的高分子复合材料充电辊，本发明还提供了制备工艺，一种高分子复合材料充电辊的制备方法，包括如下步骤：首先在密炼机中加入氯醚，密炼3分钟；同时，将活性剂、补强填充剂、锂盐在搅拌机中混合均匀，分3次投入密炼机，每次密炼4-5分钟，最后升温至135-140℃排料，在开炼机上出片停放8-24小时后在开炼机上加入硫化剂，混炼均匀后出片停放4-24小时后，进行硫化；其中各组分按如下重量百分比配置：氯醚70-90%，活性剂5-10%，补强填充剂4-20%、锂盐0.5-3%，硫化剂0.5-3%；最后研磨至所需尺寸得到充电辊。

下面结合具体的实施例来叙述本发明。

实施例1

按重量百分比将ECO（氯醚）81.4%投入密炼机，密炼3分钟，将活性剂9%、补强填充剂7.3%、锂盐1.2%在搅拌机中混合均匀，分三次投入密炼机，每次密炼4-5分钟，最后升温至135℃排料，在开炼机上出片停放8-24小时后在开炼机上加入硫化剂1.1%，混炼均匀后出片停放4-24小时后可用于硫化。

本实施例中，氯醚橡胶为环氧氯丙烷- 环氧乙烷二元共聚物(ECO)、环氧氯丙烷-烯丙基缩水甘油醚二元共聚物(GCO) 和环氧氯丙烷- 环氧乙烷- 烯丙基缩水甘油醚三元共聚物(GECO) 中的一种或二种以上的混合物。补强填充剂为中粒子热裂炭黑MT。硫化剂是2-硫醇基咪唑啉、氧化镁中的一种或两种以上的混合物。活性剂为氧化锌和陶瓷材料的混合物，其中的陶瓷材料是微粒、纤维、晶须或块片状的形态的氮化铝。

将ECO高分子复合材料与芯棒一起挤出，放入硫化罐硫化150℃*40分钟，然后在烘箱内150℃*3小时烘烤，粗磨，再120℃*12小时烘烤，精磨至所需尺寸得到充电辊半成品。

按重量百分比20%的PU涂料和80%的醋酸乙酯混合均匀得到涂层，将精磨好的充电辊半成品UV处理后浸入涂层，从浸入到取出整个过程40-60秒，然后120℃*1小时烘烤即得充电辊成品。

所制得的充电辊体积电阻5.5~6LOGΩ，硬度54~56SHA。

实施例2

按重量百分比将ECO（氯醚）79.2%投入密炼机，密炼3分钟，将活性剂8.7%、补强填充剂10.3%、锂盐0.8%在搅拌机中混合均匀，分三次投入密炼机，每次密炼4-5分钟，最后升温至135℃排料，在开炼机上出片停放8-24小时后在开炼机上加入硫化剂1%，混炼均匀后出片停放4-24小时后可用于硫化。

本实施例中，活性剂为硬脂酸和陶瓷材料的混合物，其中的陶瓷材料是微粒、纤维、晶须或块片状的形态的碳化硅。

将ECO高分子复合材料与芯棒一起挤出，放入硫化罐硫化150℃*40分钟，然后在烘箱内150℃*3小时烘烤，粗磨，再120℃*12小时烘烤，精磨至所需尺寸得到充电辊半成品。

按重量百分比25%的PU涂料和75%的醋酸乙酯混合均匀得到涂层溶液，将精磨好的充电辊半成品UV处理后浸入涂层溶液，从浸入到取出整个过程40-60秒，然后120℃*1小时烘烤即得充电辊成品。

所制得的充电辊体积电阻6~6.5LOGΩ，硬度56~58SHA。

实施例3

按重量百分比将ECO（氯醚）79.8%投入密炼机，密炼3分钟，将活性剂8.5%、补强填充剂8.8%、锂盐1.8%在搅拌机中混合均匀，分三次投入密炼机，每次密炼4-5分钟，最后升温至135℃排料，在开炼机上出片停放8-24小时后在开炼机上加入硫化剂1%，混炼均匀后出片停放4-24小时后可用于硫化。本实施例中，活性剂是微粒、纤维、晶须或块片状的形态的碳化硅。

将ECO高分子复合材料与芯棒一起挤出，放入硫化罐硫化150℃*40分钟，然后在烘箱内150℃*3小时烘烤，粗磨，再120℃*12小时烘烤，精磨至所需尺寸得到充电辊半成品。按重量百分比25%的PU涂料和75%的醋酸乙酯混合均匀得到涂层溶液，将精磨好的充电辊半成品UV处理后浸入涂层溶液，从浸入到取出整个过程40-60秒，然后120℃*1小时烘烤即得充电辊成品。

所制得的充电辊体积电阻5.5~6.3LOGΩ，硬度55~57SHA。

上述实例中，所制得的充电辊体积电阻5.5~6.5LOGΩ，硬度54~58SHA。由此可见，本发明采用锂盐代替的方法所制备的充电辊电阻低，产品电阻均匀、稳定。

尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种高分子复合材料充电辊，采用ECO高分子复合材料制成，其特征在于：该ECO高分子复合材料由以下组分按重量百分比混合加工而成：氯醚70-90％，活性剂5-10％，补强填充剂4-20％、锂盐0.5-3％，硫化剂0.5-3％；所述活性剂为陶瓷材料或者陶瓷材料与氧化锌、硬脂酸、硬脂酸锌中的一种或两种以上的混合物，所述陶瓷材料是导热系数>30W/mK的微粒、纤维、晶须或块片状的形态的陶瓷材料。

2.根据权利要求1所述的高分子复合材料充电辊，其特征在于：该高分子复合材料充电辊外表面设有涂层，该涂层是由将一定比例的PU涂料、醋酸乙酯混合制成。

3.根据权利要求2所述的高分子复合材料充电辊，其特征在于：所述涂层由以下组分按重量百分比混合制成：PU涂料15-40％，醋酸乙酯60-90％。

4.根据权利要求1所述的高分子复合材料充电辊，其特征在于：所述陶瓷材料为碳化硅。

5.根据权利要求1所述的高分子复合材料充电辊，其特征在于：所述氯醚橡胶为环氧氯丙烷-环氧乙烷二元共聚物、环氧氯丙烷-烯丙基缩水甘油醚二元共聚物和环氧氯丙烷-环氧乙烷-烯丙基缩水甘油醚三元共聚物中的一种或二种以上的混合物。

6.根据权利要求1所述的高分子复合材料充电辊，其特征在于：所述补强填充剂为中粒子热裂炭黑MT；所述硫化剂是2-硫醇基咪唑啉、氧化镁中的一种或两种以上的混合物。

7.一种高分子复合材料充电辊的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

首先在密炼机中加入氯醚，密炼3分钟；

同时，将活性剂、补强填充剂、锂盐在搅拌机中混合均匀，分3次投入密炼机，每次密炼4-5分钟，最后升温至135-140℃排料，在开炼机上出片停放8-24小时后在开炼机上加入硫化剂，混炼均匀后出片停放4-24小时后，进行硫化；其中各组分按如下重量百分比配置：氯醚70-90％，活性剂5-10％，补强填充剂4-20％、锂盐0.5-3％，硫化剂0.5-3％；所述活性剂为氧化锌、硬脂酸、硬脂酸锌以及陶瓷材料中的一种或两种以上的混合物；

最后研磨至所需尺寸得到充电辊。

8.根据权利要求4所述的高分子复合材料充电辊的制备方法，其特征在于：该制备方法还包括如下步骤：将得到的充电辊外涂上一层涂层，该涂层是由将一定比例的PU涂料、醋酸乙酯混合制成。

9.根据权利要求5所述的高分子复合材料充电辊的制备方法，其特征在于：所述涂层由以下组分按重量百分比混合制成：PU涂料15-40％，醋酸乙酯60-90％。

10.根据权利要求4所述的高分子复合材料充电辊的制备方法，其特征在于：其中的硫化是在硫化罐中进行硫化，其硫化条件是150℃*40分钟。