CN110389508B - 充电构件、充电构件的制造方法、电子照相设备和处理盒 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及充电构件、充电构件的制造方法、电子照相设备和处理盒。公开了一种充电构件，其包括导电性支承体；和弹性层，弹性层为其表面层且由单层构成，弹性层包括区域和基体，充电构件的外表面由基体的表面和区域的表面构成，并且充电构件在外表面上具有凹部，在各凹部的底部存在区域，并且区域仅在各凹部的底部在充电构件的外表面露出，弹性层的体积电阻率为1×105Ωcm以上且1×108Ωcm以下，和A2为A1的20倍以上，其中A1和A2为通过指定方法得到的电流值。

Description

充电构件、充电构件的制造方法、电子照相设备和处理盒
技术领域
本发明涉及充电构件、充电构件的制造方法、电子照相设备和处理盒。
背景技术
作为接触充电用充电构件，日本专利申请特开No.2012-163954公开了一种充电构件，其包括包含离子导电性橡胶的基体(matrix)和由包含具有丁二烯骨架的橡胶和炭黑的电子导电性橡胶材料形成的区域(domain)，并且包括由导电性橡胶弹性体形成的弹性层，该导电性橡胶弹性体通过以特定原子基团改性具有丁二烯骨架的橡胶的末端而形成。
我们已经确认，根据日本专利申请特开No.2012-163954的充电构件对于进一步降低充电构件的电阻的电压依赖性或周围环境依赖性是有效的。
同时，近年来，已经提出一种电子照相图像形成方法，其试图通过独立地驱动充电构件和如配置为与充电构件接触的电子照相感光构件等被充电构件(member to becharged)以增大充电构件和被充电构件之间的圆周速度差，来进一步抑制在电子照相图像形成步骤中充电构件的污染(stain)。
然而，在被充电构件和充电构件之间的圆周速度差增大的情况下，被充电构件的表面电位可能不会集中于(converge to)某个值。
发明内容
本发明的一个方面旨在提供一种充电构件，其即使在被充电构件和充电构件之间的圆周速度差大的情况下也能够使被充电构件稳定地充电(charged)。
本发明的另一个方面旨在提供一种充电构件的制造方法，所述充电构件即使在被充电构件和充电构件之间的圆周速度差大的情况下也能够使被充电构件稳定地充电。
本发明的另一个方面旨在提供一种能够形成高品质电子照相图像的电子照相设备。
本发明的又一个方面旨在提供一种有助于形成高品质电子照相图像的处理盒。
根据本发明的一个方面，提供一种充电构件，其包括：导电性支承体；和弹性层，其中弹性层为充电构件的表面层且弹性层由单层构成，弹性层包括区域和基体，区域各自包含炭黑和橡胶，基体包含橡胶且具有比区域的电阻高的电阻，充电构件的外表面由基体的表面和区域的表面构成，并且充电构件在外表面上具有凹部，在各凹部的底部存在区域，并且区域仅在各凹部的底部在充电构件的外表面露出，弹性层具有1×105Ωcm以上且1×108Ωcm以下的体积电阻率；和当A1被定义为在导电性支承体和与构成充电构件的外表面的基体的表面接触的原子力显微镜(AFM)的悬臂之间施加80V的直流(DC)电压时的电流值，和A2被定义为在导电性支承体和与构成充电构件的外表面的各区域的表面接触的AFM的悬臂之间施加80V的DC电压时的电流值时，A2为A1的20倍以上。
根据本发明的另一个方面，提供一种电子照相设备，其包括：电子照相感光构件；和配置为能够使电子照相感光构件充电的充电构件，其中充电构件为如上所述的充电构件。
根据本发明的又一个方面，提供一种处理盒，其可安装至电子照相设备的主体并且可从电子照相设备的主体拆卸，所述处理盒包括：电子照相感光构件；和配置为能够使电子照相感光构件充电的充电构件，其中充电构件为如上所述的充电构件。
根据本发明的又一个方面，提供一种充电构件的制造方法，所述充电构件包括导电性支承体和弹性层，弹性层为充电构件的表面层、由单层构成、且包括区域和基体，区域各自包含炭黑和橡胶，基体包含橡胶且具有比区域的电阻高的电阻，充电构件的外表面由基体的表面和区域的表面构成且具有凹部，和在各凹部的底部存在区域，并且区域仅在各凹部的底部在充电构件的外表面露出，所述充电构件的制造方法包括：
(A)制备各自包含炭黑和橡胶的用于形成区域的碳母料(CMB)；
(B)捏合碳母料和变成基体的橡胶组合物，以制备具有区域-基体结构的橡胶组合物；和
(C)将具有区域-基体结构的橡胶组合物与芯轴一起从十字头挤出以用具有区域-基体结构的橡胶组合物覆盖芯轴的周围，其中
当DS(d)被定义为碳母料的模头膨胀值(die swell value)和DS(m)被定义为变成基体的橡胶组合物的模头膨胀值时，模头膨胀值之比DS(m)/DS(d)大于1.0。
参照附图，从以下示例性实施方式的描述本发明的进一步特征将变得显而易见。
附图说明
图1A、图1B和图1C是示出具有区域-基体结构的橡胶组合物的示意图。
图2是示出充电辊的构造的示意性截面图。
图3是示出十字头挤出设备的示意性构造的图。
图4是示出通过原子力显微镜(AFM)测量充电辊的电流的设备的示意性构造的图。
图5是示出测量表面电位的设备的示意性构造的图。
图6是示出通过AFM的凹部深度的测量结果的实例的图。
图7是示出电子照相设备的构造的图。
图8是示出处理盒的构造的图。
图9是示出具有区域-基体结构的橡胶组合物(包含球状树脂颗粒)的示意图。
具体实施方式
我们已经研究了当根据日本专利申请特开No.2012-163954的充电构件用于其中充电构件与被充电构件之间的圆周速度差大的电子照相图像形成过程时，被充电构件的表面电位不会集中于恒定值的原因。
结果，认为原因在于，在电子照相图像形成过程中，在充电构件和被充电构件之间的接触部产生从充电构件向被充电构件的电荷注入。即，认为原因在于，随着电荷注入，被充电构件的表面电位不会集中于恒定值，并且每当被充电构件旋转以摩擦充电构件时，被充电构件的表面电位增大，以致被充电构件的表面电位不稳定。
因此，我们已经研究了能够抑制其中由于充电构件的包含炭黑的区域与被充电构件之间的接触而将电荷注入到被充电构件中的现象的充电构件的构造。
结果，我们发现，具有其中导电性区域难以与被充电构件接触的构造的充电构件对于实现上述目的是有效的。
即，根据本发明的一个方面的充电构件包括导电性支承体和弹性层，其中弹性层为充电构件的表面层并且由单层构成，弹性层包括区域和基体，区域各自包含炭黑和橡胶，基体包含橡胶且具有比区域的电阻高的电阻。
充电构件的外表面由基体的表面和区域的表面构成，并且充电构件在外表面上具有凹部，在各凹部的底部存在区域，并且区域仅在各凹部的底部在充电构件的外表面露出。
弹性层的体积电阻率为1×105Ωcm以上且1×108Ωcm以下。
另外，当A1被定义为在导电性支承体和与构成充电构件的外表面的基体的表面接触的原子力显微镜的悬臂之间施加80V的直流(DC)电压时的电流值，并且A2被定义为在导电性支承体和与构成充电构件的外表面的各区域的表面接触的原子力显微镜的悬臂之间施加80V的DC电压时的电流值时，A2为A1的20倍以上。
在根据本方面的充电构件中，将区域的电阻和基体的电阻设定为在它们之间具有预定的比，并且将在表面上露出的区域设定在凹部上。结果，作为导电性颗粒的炭黑存在于区域的凹部中，因而可以防止在充电构件与被充电构件之间的接触部电荷从炭黑向被充电构件的移动。另外，在根据本方面的充电构件中，与其中区域被基体覆盖的表面相比，还保持了通过放电的充电均匀性。原因在于成为放电点的区域构成充电构件的外表面的一部分。
在下文，将描述本发明的优选实施方案。在下文，特别是，将描述具有辊形状的充电构件(在下文，也称为"充电辊")作为充电构件的实例，但是根据本发明的充电构件的形状不仅仅限于辊形状。
图2是使用根据本方面的导电性橡胶弹性体的作为一个实例的充电辊2的示意图。充电辊2包括芯轴21和设置在芯轴21的外周上的弹性层22。该弹性层22还作为与被充电构件接触的表面层。
如图1A所示，弹性层构造成区域-基体结构，所述区域-基体结构包括各自包含炭黑和橡胶的区域11、和电阻比区域11的电阻高并且包含橡胶的基体12。图1A是沿与充电构件的与被充电构件接触的面平行的方向获取的截面图。另一方面，图1B是沿与充电构件的与被充电构件接触的面垂直的方向获取的截面图。在图1B中，充电构件的与被充电构件接触的表面侧由附图标记13表示，存在于充电构件的外表面的各凹部的底部所存在的区域由附图标记14表示。图1C是充电构件的外表面附近的俯视图。如图1A至1C所示，根据本发明的充电构件的外表面由基体的表面和区域的表面构成，充电构件在外表面上具有凹部，且区域仅在各凹部的底部露出。
区域的电阻低于基体的电阻并且有助于弹性层内的导电性或向被充电构件放电，并且区域存在于凹部以致电荷向被充电构件的注入得到抑制。另外，由于基体的电阻高于区域的电阻，基体与被充电构件接触，而注入到被充电构件中的电荷量少。用于获得该效果的电特性由弹性层的体积电阻和通过原子力显微镜(AFM)测量的区域部和基体部的电流值之比来表示。
即，优选的是，当A1被定义为在导电性支承体和与构成充电构件的外表面的基体的表面接触的AFM的悬臂之间施加80V的DC电压时的电流值，并且A2被定义为在导电性支承体和与构成充电构件的外表面的区域的表面接触的AFM的悬臂之间施加80V的DC电压时的电流值时，A2是A1的20倍以上。
在假定充电构件具有适当的体积电阻的前提下，从弹性层表面上的区域部流出的电流值是从弹性层表面上的基体部流出的电流值的20倍以上，因此抑制了电荷从基体部向被充电构件的注入，并且通过从区域部充分放电而使被充电构件充电。
通过抑制电荷的注入而防止其中由于被充电构件的表面电位不会集中于恒定值使得电子照相图像的浓度在处理方向上改变的现象，或其中由于对应于充电构件的污染不均匀性的电荷注入差异的产生而产生如图像不均匀等图像缺陷的现象，因此可以改善充电构件的电位的稳定性。
优选的是，基于弹性层的体积，区域的体积分数为5体积％以上且25体积％以下。当区域的体积分数为5体积％以上时，可以在不增大基体的导电性的情况下获得充电构件所需的放电。同时，当区域的体积分数为25体积％以下时，可以抑制由于区域之间的连接和过度接近而引起的注入电位的提高。另外，可以抑制由于电阻降低而引起的过放电的发生。此外，更优选的是，区域的体积分数为10体积％以上且20体积％以下。
优选的是，弹性层中的区域的数量在一块10μm的立方体中优选为1个以上且500个以下。另外，在以上描述的区域的数量和体积分数中，各区域的直径为约0.5μm至5μm。区域的数量为500个以下，因而可以抑制由于区域之间的连接和过度接近而引起的注入电位的提高。另外，可以抑制由于电阻降低而引起的过放电的发生。同时，区域的数量为1个以上，使得由于区域的数量少而必须提高基体的导电性，并且可以防止注入电位提高。另外，可以抑制由于电阻增大而引起的不充分放电的发生。
优选的是，具有区域在其上露出的底部的凹部的深度为1.0μm以上且4.0μm以下。凹部的深度为1.0μm以上，使得在充电构件抵接被充电构件的状态下，区域与被充电构件之间的接触被抑制，这是优选的。同时，凹部的深度为4.0μm以下，使得即使在污物附着于凹部的情况下，也可以使污物静电返回到被充电构件。
(弹性层的材料)
区域由导电性橡胶材料形成。导电性橡胶材料包括，例如，通过将炭黑分散在本身不显示导电性的粘结剂聚合物中来调节电阻的橡胶材料。
作为粘结剂聚合物，适当地使用包含通常用于充电构件的导电性弹性层(例如用于电子照相设备的充电辊的导电性弹性层)的丁二烯橡胶、丁腈橡胶、异戊二烯橡胶、氯丁橡胶、丁苯橡胶、乙丙橡胶、聚降冰片烯橡胶和表氯醇橡胶的橡胶组合物。
配混在区域中的炭黑的类型没有特别地限制，只要它是可以赋予区域导电性的导电性炭黑即可。配混在区域中的炭黑的具体实例包括气炉黑、油料炉黑、热裂炭黑、灯黑、乙炔黑和科琴黑等。
此外，根据需要，通常用作橡胶的配合剂的填料、加工助剂、交联助剂、交联促进剂、交联促进助剂、交联阻滞剂(crosslinking retardant)、软化剂、分散剂和着色剂等可以添加至形成区域的橡胶组合物中。
基体不包含如炭黑等导电性颗粒，并且具有比区域的电阻高的电阻。作为基体中所包含的粘结剂聚合物，适当地使用含有通常用于充电构件的导电性弹性层(例如用于电子照相设备的充电辊的导电性弹性层)的丁二烯橡胶、异戊二烯橡胶、氯丁橡胶、丁苯橡胶、乙丙橡胶、聚降冰片烯橡胶和表氯醇橡胶的橡胶组合物。
为了将弹性层的电阻调节到适合于充电构件的中等电阻(例如，1.0×105Ω至1.0×108Ω)，可以将离子导电剂与构成上述基体的橡胶组合物配混，只要离子导电剂不渗出即可。然而，在离子导电剂配混在其中的基体中，电荷的注入倾向于增加，因此优选尽可能少地配混离子导电剂。
此类离子导电剂的实例可以包括如高氯酸锂、高氯酸钠和高氯酸钙等无机离子物质；如月桂基三甲基氯化铵、硬脂基三甲基氯化铵、十八烷基三甲基氯化铵、十二烷基三甲基氯化铵、十六烷基三甲基氯化铵、三辛基丙基溴化铵和改性脂肪族二甲基乙基铵乙基硫酸盐(dimethylethyl ammonium ethosulfate)等阳离子性表面活性剂；如月桂基甜菜碱、硬脂基甜菜碱和二甲基烷基月桂基甜菜碱等两性表面活性剂；如四乙基高氯酸铵、四丁基高氯酸铵和三甲基十八烷基高氯酸铵等季铵盐；和如三氟甲基磺酸锂等有机酸锂盐。
如上所述的离子导电剂的配混量例如相对于100质量份的橡胶组合物为0.5质量份以上且5.0质量份以下。
另外，例如，可以将粒径在1μm至90μm范围内的球状颗粒添加至形成基体的橡胶组合物中。这种球状颗粒的具体实例可以包括选自下述的至少一种球状颗粒：酚醛树脂颗粒、硅酮树脂颗粒、聚丙烯腈树脂颗粒、聚苯乙烯树脂颗粒、聚氨酯树脂颗粒、尼龙树脂颗粒、聚乙烯树脂颗粒、聚丙烯树脂颗粒、丙烯酸系树脂颗粒、二氧化硅颗粒和氧化铝颗粒。通过使用此类橡胶组合物，可以形成其中弹性层的外表面具有源自球状颗粒的凸部的充电构件。
图9是用于描述根据本发明的一个方面的充电构件的图，其中弹性层22包括球状颗粒15，且弹性层22的外表面具有源自球状颗粒15的凸部。具体地，图9是当在弹性层的厚度方向上切割形成源自弹性层22的球状颗粒15的凸部901的部分时的截面图和凸部901的外表面的局部放大图。如图9所示，源自球形颗粒15的凸部901的外表面具有凹部，并且区域11仅在各凹部的底部露出。为此，即使源自球形颗粒15的凸部901存在于外表面上，导电的区域也难以与被充电构件(未示出)直接接触。为此，显著抑制了从充电构件向被充电构件的电荷注入，结果，进一步稳定了被充电构件的充电电位(charged potential)。
通常，当不相容的聚合物共混物用作弹性层的材料时，其区域-基体结构取决于各聚合物的粘度或共混条件，但具有大的组成比的橡胶组合物和具有低粘度的橡胶组合物倾向于变成基体。因此，区域的体积分数必须为5体积％以上且25体积％以下。结果，可以形成稳定的区域，使得整个导电性橡胶组合物的区域-基体结构稳定。
此外，为了使得出现稳定的区域-基体结构，优选的是，使用门尼粘度计在100℃下的ML 1+4的值下，区域的粘度高于基体的粘度，并且区域和基体之间的粘度差为5点以上且60点以下。
(导电性支承体)
导电性支承体可以是具有导电性、具有能够支承表面层等且能够保持充电构件(典型地，充电辊)的强度的任何导电性支承体。
<充电构件的制造方法>
作为根据本发明的一个方面的充电构件的制造方法的实例，将描述在制造步骤简单方面有效的方法。制造方法包括下述步骤(A)至(D)：
(A)制备各自包含炭黑和橡胶的用于形成区域的碳母料(CMB)的步骤；
(B)制备变成基体的橡胶组合物的步骤；
(C)捏合碳母料和橡胶组合物以制备具有区域-基体结构的橡胶组合物的步骤；和
(D)将具有区域-基体结构的橡胶组合物与芯轴一起从十字头挤出以用具有区域-基体结构的橡胶组合物覆盖芯轴的周围的步骤。
图3是示出十字头挤出机3的示意性构造的图。十字头挤出机3是用于在芯轴31的全周上均匀覆盖未硫化橡胶组合物32以制造芯轴31位于中心的未硫化橡胶辊33的设备。
十字头挤出机3设置有芯轴31和未硫化橡胶组合物32供给至其中的十字头34、将芯轴31供给至十字头34中的输送辊35、和将未硫化橡胶组合物32供给至十字头34中的料筒36。
输送辊35将芯轴31沿轴方向连续供给至十字头34中。料筒36具有形成在其中的螺杆37，未硫化橡胶组合物32通过螺杆37的旋转被供给至十字头34中。
当将芯轴31供给至十字头34中时，芯轴的全周被从料筒36供给至十字头中的未硫化橡胶组合物32覆盖。然后，芯轴31作为表面覆盖有未硫化橡胶组合物32的未硫化橡胶辊33从十字头34的出口的模头38输送出。
在此，当DS(d)被定义为步骤(A)中制备的碳母料的模头膨胀值和DS(m)被定义为步骤(B)中制备的橡胶组合物的模头膨胀值时，DS(m)/DS(d)大于1.0。因此，可以形成根据本方面的充电构件。
将描述模头膨胀值。当使用模头的挤出机挤出橡胶时，在挤出机中，由于施加压力而压缩的橡胶从挤出口挤出，使得压力释放，因此使挤出的橡胶膨胀。因此，膨胀的橡胶的厚度大于模具挤出口的间隙的尺寸。模头膨胀值是表示橡胶从挤出口挤出时橡胶的膨胀程度的指标。
在根据本方面的充电构件的制造方法中，将满足关系DS(m)/DS(d)>1.0的用于形成区域的碳母料和用于形成基体的橡胶组合物彼此混合，以制备具有区域-基体结构的橡胶组合物。然后，将具有区域-基体结构的橡胶组合物在膨胀的同时从十字头的挤出口挤出。在这种情况下，由于基体的膨胀系数大于区域的膨胀系数，因此存在于挤出的橡胶层表面上的区域周围的基体膨胀。结果，形成未硫化橡胶组合物的层，该层具有形成在表面的凹部且具有存在于各凹部的底部的区域。为了更容易形成根据本方面的表面层的结构，优选的是，DS(m)/DS(d)为1.1以上。
用于形成区域的碳母料的模头膨胀值和用于形成基体的橡胶组合物的模头膨胀值可以通过例如添加的填料的类型和量来调节。具体地，模头膨胀值随着填料的添加量增加而减小。另外，与碳酸钙用作填料的情况相比，在如炭黑或二氧化硅等对橡胶具有高补强效果的填料、或者如膨润土或石墨等鳞状填料用作填料的情况下，模头膨胀值较小。
在步骤(C)中，捏合变成区域的CMB和变成基体的未硫化橡胶组合物以制备具有区域-基体结构的未硫化橡胶组合物的方法的实例可包括下述(i)和(ii)中描述的方法：
(i)使用如班伯里混合机机或加压捏合机等密闭型混合机混合变成区域的CMB和变成基体的未硫化橡胶组合物各自，然后使用如开炼辊等开放型混合机将变成区域的CMB、变成基体的未硫化橡胶组合物和如硫化剂或硫化促进剂等原料彼此捏合并且一体化的方法；和
(ii)使用如班伯里混合机或加压捏合机等密闭型混合机混合变成区域的CMB，在密闭型混合机中将变成区域的CMB和变成基体的未硫化橡胶组合物的原料彼此混合，然后使用如开炼辊等开放型混合机将CMB、未硫化橡胶组合物的原料和如硫化剂或硫化促进剂等原料彼此捏合并且一体化的方法。
然后，可以将步骤(D)中的具有形成在表面的凹部且具有存在于各个凹部的底部的区域的未硫化橡胶组合物的层进行作为步骤(E)的硫化步骤，以变成根据本方面的表面层。加热方法的具体实例可以包括通过齿轮烘箱的热风炉加热、使用远红外线的加热硫化和通过硫化罐的蒸汽加热等。其中，热风炉加热和远红外线加热是优选的，因为其适合于连续生产。
优选的是，在所获得的充电辊的表面上不进行抛光，以便更好地保持其中在通过上述方法形成的各凹部的底部存在区域的表面形状。因此，在根据本方面的充电辊的弹性层的外部形状为冠形状的情况下，优选通过控制从十字头芯轴的挤出速度和未硫化橡胶组合物的挤出速度，将未硫化橡胶层的外部形状成形为冠形状。应当注意，冠形状是指其中弹性层的芯轴的长度方向上的中央部的外径大于芯轴的端部的外径的形状。
具体地，改变通过输送辊35的芯轴31的供给速度和来自料筒36的未硫化橡胶组合物的供给速度之间的相对比。在这种情况下，未硫化橡胶组合物32从料筒36向十字头34的供给速度设定为恒定。未硫化橡胶组合物32的厚度由芯轴31的供给速度和未硫化橡胶组合物32的供给速度之比而确定。结果，可以在不进行抛光的情况下形成冠形状的弹性层。
在随后的分离步骤中除去硫化橡胶辊的两个端部的硫化橡胶组合物，从而完成硫化橡胶辊。因此，在完成的硫化橡胶辊中，芯轴的两个端部都露出。可以通过用紫外线或电子束照射表面层而对表面层进行表面处理。
(电子照相设备)
根据本发明的方面的充电构件可以用于如激光打印机等电子照相设备和可安装至电子照相设备并且可从电子照相设备拆卸的处理盒。
在图7中，示出了根据本发明的一个方面的电子照相设备的示意性截面图。作为被充电构件的电子照相感光构件(在下文，称为"感光构件")71包括导电性支承体71b和形成在导电性支承体71b上的感光层71a，并且具有圆筒形状。感光构件以预定的圆周速度沿图7中的顺时针方向围绕轴71c驱动。
充电辊72与感光构件71接触配置，以使感光构件71以预定电位充电。充电辊72包括芯轴72a和形成在芯轴72a上的弹性层72b。芯轴72a的两个端部通过按压单元(未示出)按压感光构件71，使得充电辊72随着感光构件71的旋转而从动旋转。通过滑动摩擦电极73a从电源73向芯轴72a施加预定的DC电压，使得感光构件71以预定电位充电。
然后，通过曝光单元74在带电的感光构件71的外周面上形成对应于目标图像信息的静电潜像。然后，通过显影构件75使静电潜像依次可视化为调色剂图像。将调色剂图像依次转印到转印材料77上。转印材料77在与感光构件71的旋转同步的适当时机从供纸单元(未示出)输送至感光构件71与转印单元76之间的转印部。转印单元76是转印辊，进行与来自转印材料77背面的调色剂的极性相反的极性的充电，使得感光构件71上的调色剂图像转印至转印材料77。将已经历了调色剂图像转印至其表面的转印材料77与感光构件71分离，输送至定影单元(未示出)，使调色剂定影至转印材料77，和调色剂定影至其上的转印材料77作为图像形成产品输出。在转印图像之后的感光构件71的外周面上，通过由弹性刮板表示的清洁构件78去除残留在感光构件71的表面上的调色剂等。感光构件71的清洁的外周面移动到下一循环的电子照相图像形成过程。
即使在被充电构件和充电构件之间的圆周速度差大的情况下，如由于充电辊的偏转随着直径的减小而增加，使得冠形状的中央部和端部之间的外径差增大的情况下，或充电辊和被充电构件被独立驱动以在充电辊和被充电构件之间设置圆周速度差且通过滑动摩擦防止充电辊的污染的情况下，也可以适当地使用根据本发明的方面的充电构件(充电辊)。
<处理盒>
根据本发明的一个方面的处理盒在图8中示出。处理盒可安装至电子照相设备并且可从电子照相设备拆卸。处理盒包括电子照相感光构件81、配置成能够使电子照相感光构件81充电的充电辊80、显影辊82和清洁构件83。根据本发明的方面的充电构件用作充电辊80。
根据本发明的一个方面，可以获得即使在被充电构件和充电构件之间的圆周速度差大的情况下也具有高的电位稳定性的充电构件。
另外，根据本发明的另一个方面，可以获得一种充电构件的制造方法，该充电构件即使在被充电构件和充电构件之间的圆周速度差大的情况下也具有高的电位稳定性。此外，根据本发明的又一个方面，可以获得能够形成高品质电子照相图像的电子照相设备。此外，根据本发明的又一个方面，可以获得有助于高品质电子照相图像形成的处理盒。
[实施例]
[实施例1]
<碳母料(CMB)1的制备>
通过以表1中所示的配混量混合表1中列出的碳母料(CMB)原料来制备CMB 1。作为混合机，使用6升加压捏合机(产品名：TD6-15MDX，由Tosin Co.制造)。作为混合条件，填充系数(packing factor)为70体积％，刮板的每分钟转数为30rpm，和混合时间为16分钟。
[表1]
表1
材料(商品名，制造商) 配混量(份)
SBR(Tufdene 2003，Asahi Chemical Industry Co.,Ltd.) 15
炭黑(Tokai Black#5500，Tokai Carbon Co.,Ltd.) 12
氧化锌 0.75
硬脂酸锌 0.15
<CMB的模头膨胀的计算>
通过下述方法计算如上所述制备的CMB 1的模头膨胀值(DS(d))。
即，使用毛细管流变仪(商品名：Capilograph 1D型，由Toyo Seiki Co.,Ltd.制造)，根据JISK 7199：1999进行模头膨胀的测量。
在10mm的毛细管长度、2mm的毛细管直径D、9.55mm的炉体直径、20kN的载荷传感器类型(load cell type)、80℃的测量温度下进行测量。对于模头膨胀，测量活塞速度为100mm/min(剪切速度：1.52×102)的挤出股线(extruded strand)的直径R[mm]，并且计算为模头膨胀DS＝R/D。
<A捏合的橡胶组合物形成用原料1的模头膨胀值的计算>
准备表2中列出的材料作为A捏合的橡胶组合物的原料。
将这些材料以表2列出的配混量彼此混合。作为混合机，使用6升加压捏合机(产品名：TD6-15MDX，由Tosin Co.制造)。作为混合条件，填充系数为70体积％，刮板的每分钟转数为30rpm，和混合时间为16分钟。以与CMB的模头膨胀的计算方法相同的方式计算得到的混合物的模头膨胀值(DS(m))。
[表2]
表2
材料(商品名，制造商) 配混量(份)
NBR(N230SL，JSR Co.,Ltd.) 85
氧化锌 4.25
硬脂酸锌 0.85
碳酸钙(Super#1700，Maruo Calcium Co.,Ltd.) 21.25
<未硫化橡胶组合物1的制备>
通过将表2所示的原料添加至上述CMB 1中并且捏合而得到A捏合的橡胶组合物。作为混合机，使用6升加压捏合机(产品名：TD6-15MDX，由Tosin Co.制造)。作为混合条件，填充系数为70体积％，刮板的每分钟转数为30rpm，和混合时间为16分钟。
通过将表3所示的原料添加至得到的A捏合的橡胶组合物中并且进一步捏合而得到作为B捏合的橡胶组合物的未硫化橡胶组合物1。作为混合机，使用辊直径为12英寸(0.30m)的开炼辊。在前辊的每分钟转数为10rpm、后辊的每分钟转数为8rpm、辊间隙为2mm的混合条件下，向左和向右重复进行辊压总共20次后，以0.5mm的辊间隙进行10次薄通(tight milling)。
[表3]
表3
Figure BDA0002030651250000161
(CMB 1的体积分数的计算)
根据下述计算式(1)，由CMB 1的比重和配混质量份以及未硫化橡胶组合物1的比重和配混质量份计算CMB 1的体积分数。
计算式(1)
CMB 1的体积分数(％)＝((CMB 1的配混质量份)/(CMB 1的比重))/((未硫化橡胶组合物1的质量份)/(未硫化橡胶组合物1的比重))×100
为了测量比重，使用电子比重计(商品名：EW-300SG；由Alpha Mirage Co.制造)。另外，为了测量比重，分别由CMB 1和未硫化橡胶组合物1制备三个测量用样品(长度为1cm，宽度为1cm，和厚度为2mm)，使用各测量样品测量比重，将得到的结果的平均值用作上述计算中的CMB 1和未硫化橡胶组合物1的比重。
(硫化橡胶层的成形)
首先，为了得到具有用于粘合硫化橡胶层的粘合层的芯轴，进行下述操作。即，将导电性硫化粘合剂(商品名：Metalloc U-20；由Toyo Chemical Institute制造)施加到直径为6mm且长度为252mm的圆柱形导电芯轴(由钢形成且具有镀镍的表面)的沿轴方向的中心部222mm，然后在80℃下干燥30分钟。
通过十字头挤出机将如上所述制备的未硫化橡胶组合物1涂覆在具有该粘合层的芯轴上，从而得到具有冠形状的未硫化橡胶辊。成形温度设定为100℃，螺杆的每分钟转数设定为10rpm，在改变芯轴的供给速度的同时进行成形。十字头挤出机的模头的内径为8.4mm，同时进行成形以使未硫化橡胶辊变厚，使得未硫化橡胶辊的沿轴方向的中央的外径为8.6mm且未硫化橡胶辊的沿轴方向的端部的外径为8.5mm。
然后，将未硫化橡胶辊在电炉中在160℃的温度下加热40分钟以使未硫化橡胶组合物1的层硫化，从而得到硫化橡胶层。切割硫化橡胶层的两个端部，以得到沿轴方向的长度为232mm的硫化橡胶辊。
(对挤出后的硫化橡胶层的电子束照射)
将电子束照射到所得到的硫化橡胶辊的表面上，以得到在弹性层(表面层)的表面上具有固化区域的充电辊1。最大加速电压为150kV且最大电子电流为40mA的电子束照射设备(由Iwasaki Electric Co.,Ltd.制造)用于电子束照射，并且在照射电子束时填充氮气。作为电子束的照射条件，加速电压为150kV，电子电流为35mA，剂量为1323kGy，处理速度为1m/min，和氧浓度为100ppm。
(区域是否存在的确认和区域数量的测量)
从充电辊切割厚度为1mm的弹性层的切片(section)。将该切片在5％的磷钨酸水溶液中浸渍15分钟，然后取出，用纯水洗涤，并且在室温(25℃)下进一步干燥。使用聚焦离子束扫描电子显微镜(FIB-SEM)观察以这种方式得到的染色切片的区域-基体结构。具体地，使用FIB-SEM(商品名：Dual Beam SEM Helios 600，由FEI Co.制造)。以下描述具体的测量方法。
切割机的刀片与充电辊的表面垂直配置，以在x轴方向(充电辊的长度方向)和y轴方向(与x轴正交的充电辊横截面中的圆形截面的切线方向)上切出1mm见方的切片。使用FIB-SEM装置，在10kV的加速电压和1000倍的放大倍数下，从z方向(与xy平面正交的充电辊表面的法线方向)观察切出的切片。然后，使用镓离子束，以20nA的离子束电流量在z方向上以100nm的间隔从表面直到10μm的深度捕获总共100个截面图像。从通过该截面图像进行三维重构得到的三维图像确认是否存在区域-基体结构并且计数区域的数量。在计数区域的数量时，排除其部分存在于图像的边界处的区域，并且计数对应于区域的体积的真球的直径为200μm以上的区域的数量。
(体积电阻率)
用剃刀切割充电辊的弹性层，以得到半圆筒状橡胶切片。通过4端子4探针法测量该橡胶的切割表面的体积电阻率。作为测量条件，使用电阻率测定仪(商品名：Loresta GP，由Mitsubishi Chemical Analytech Co.制造)，施加电压为90V，载荷为10N，引脚(pins)之间的距离为1.0mm，引脚尖端为0.04R，和弹簧压力为250g，在23℃/50％RH(相对湿度)的环境下。体积电阻率为4.7×105Ωcm。
(通过AFM的凹部的深度和电流值的测量)
使用原子力显微镜(AFM)(Easy Scan 2，Nanosurf Co.)确认充电构件的表面形状以及各凹部的底部是否存在区域，并且可以使用在使用AFM(Easy Scan 2，Nanosurf Co.)的扩散电阻模式下测量的测量值作为区域和基体的电流值。在图4中，示出导电性测量设备的构造图。将DC电源(PL-650-0.1，由Matsusada Precision Co.,Ltd.制造)44连接至充电辊41的导电性基体，以向充电辊41的导电性基体施加80V，并使悬臂42的自由端与充电辊的表面层接触，从而通过AFM主体43得到电流图像。作为测量条件，悬臂为ANSCM-PC，操作模式为扩散电阻模式，测量环境为大气压，设定点为20nN，P-增益为3000，I-增益为600，D-增益为0，尖端电压为3V，图像宽度为100μm，线数为256。
预先，在通过将通过扫描电子显微镜(SEM)(商品名：S-3700N，由Hitachi High-technologies Corporation制造)观察充电构件的外表面得到的区域-基体结构的组成图像和AFM测量的形状图像与电流图像彼此对准的同时，测量凹部的深度和区域与基体的电流值。通过SEM对组成图像的测量条件没有特别限制，只要它们可以被调节以得到清晰的图像即可，作为测量条件，真空度可以高，信号可以为BSE(COMPO)，加速电压可以为15kV，和WD可以为5mm。
在该AFM测量时，同时获取形状图像和电流图像。从AFM的形状图像中提取与通过SEM得到的组成图像的区域相对应的形状图像的部分。图6是AFM的形状图像的线轮廓，提取的区域部由附图标记61表示。将通过从除区域部以外的部分的平均值中减去区域部的在高度方向Z上的平均值而得到的值定义为凹部的深度。凹部的深度为2.0μm。
另外，将计算凹部的深度时提取的区域的电流值的平均值定义为A2。另一方面，将区域部以外的部分定义为基体，将基体的电流值的平均值定义为A1。其表明，A2/A1越大，与基体相比区域的电阻越低。A2/A1为97。
(电荷的注入性的评价)
将制造的充电辊抵接电子照相设备(商品名：LBP 7200C，由Canon Inc.制造，用于沿长度方向输出A4纸)的被充电构件(OPC鼓)，并且引入至能够独立地驱动充电辊和被充电构件的夹具(图5)中，并且评价电荷的注入性。在30℃/80％RH(相对湿度)的环境下对充电辊51施加-500V，并且通过表面静电计53(型号370，由Trek Japan Co.,Ltd.制造)，在被充电构件52的转速为180mm/秒和充电辊的转速为200mm/秒下测量电位。将被充电构件的第一周旋转的表面电位的平均值定义为通过施加电压注入电荷的电位。施加电压为-500V的原因是为了测量在几乎不通过放电产生充电的情况下由于电荷注入引起的电位变化。
[实施例2至13]
<CMB 2至CMB 13的制备>
除了以表4所示的配混量使用表4列出的材料以外，以与制备CMB 1的方式相同的方式制备CMB 2至CMB 13。另外，以与CMB 1相同的方式计算模头膨胀值。
[表4]
表4
Figure BDA0002030651250000201
配混量的单位：份
<A捏合的橡胶组合物形成用原料2至13的模头膨胀值的计算>
除了以表5所列出的配混量使用表5中列出的材料以外，以与实施例1相同的方式计算A捏合的橡胶组合物形成用原料的模头膨胀值。
[表5]
表5
Figure BDA0002030651250000202
配混量的单位：份
<未硫化橡胶组合物2至13的制造和充电辊2至13的制造>
除了使用CMB 2至CMB 13和A捏合的橡胶组合物形成用原料2至13以外，以与根据实施例1的未硫化橡胶组合物1的制备方式相同的方式制备未硫化橡胶组合物2至13。
除了使用未硫化橡胶组合物2至13以外，以与实施例1相同的方式制造充电辊2至13，然后评价。
[比较例1和2]
<A捏合的橡胶组合物形成用原料14至15的模头膨胀值的计算>
除了以表6所列出的配混量使用表6中列出的材料以外，以与实施例1相同的方式计算A捏合的橡胶组合物形成用原料14和15的模头膨胀值。
[表6]
表6
Figure BDA0002030651250000211
配混量的单位：份
<未硫化橡胶组合物14和15的制备和充电辊14和15的制造>
除了使用A捏合的橡胶组合物形成用原料14和15以外，以与根据实施例5的未硫化橡胶组合物5的制备方式相同的方式制备未硫化橡胶组合物14和15。除了使用未硫化橡胶组合物14和15以外，以与实施例1相同的方式制造充电辊14和15，然后评价。
[比较例3]
在实施例1的步骤中，通过切入式磨削抛光型抛光机对(硫化橡胶层成形)之后和(对挤出后的硫化橡胶层电子束照射)之前的硫化橡胶辊的硫化橡胶层的表面抛光，以使硫化橡胶层的形状为端部的直径为8.3mm且中央部的直径为8.5mm的冠形状。除了在抛光步骤之后进行实施例1中的(对挤出后的硫化橡胶层电子束照射)的步骤以外，以与实施例1相同的方式制造充电辊16，然后以与实施例1相同的方式评价。
[比较例4]
除了不是通过挤出而是通过模具使实施例1的步骤(硫化橡胶层的成形)中的硫化橡胶层成形以使硫化橡胶层的形状为端部的直径为8.5mm且中央部的直径为8.6mm的冠形状以外，以与实施例1相同的方式制造充电辊17，然后以与实施例1相同的方式评价。
作为成形的成形条件，使用组合模(split die)和压力机，压力为10MPa，温度为160℃，和时间为40分钟。
[比较例5]
除了在不进行实施例1的步骤中的(碳母料的制备)的情况下，在(未硫化橡胶组合物的制备)中同时捏合包含丁腈橡胶(NBR)、丁苯橡胶(SBR)和炭黑的A捏合的原料以外，以与实施例1相同的方式制造充电辊18，然后以与实施例1相同的方式评价。
实施例1至13和比较例1至5的评价结果在表7和8中示出。
[表7]
表7
Figure BDA0002030651250000231
[表8]
表8
Figure BDA0002030651250000232
[实施例14]
在实施例1的<未硫化橡胶组合物1的制备>中，以10质量份的配混量添加CMB 1、表2所示的原料和球状丙烯酸系树脂颗粒(商品名：TechpolymerMBX-20，粒径：20μm，由Sekisui Plastics Co.制造)。除了这些以外，以与实施例1相同的方式制造充电辊19，然后评价。
由于球状丙烯酸系树脂颗粒是交联的，因此球状丙烯酸系树脂颗粒与构成基体的NBR不相容。
由于球状丙烯酸系树脂颗粒具有电绝缘性，因而通过将球状丙烯酸系树脂颗粒处理为具有比包含橡胶的区域的电阻更高的电阻的基体的一部分来测量DS(m)/DS(d)、区域数量、和A2/A1，以计算区域的体积分数。
[实施例15]
在实施例1的<未硫化橡胶组合物1的制备>中，除了CMB 1和表2所示的原料以外，以10质量份的配混量添加球状聚氨酯树脂颗粒(商品名：Art Pearl C-400透明，粒径：20μm，由Negami Chemical Industry Co.制造)。除了这些以外，以与实施例1相同的方式制造充电辊20，然后评价。
由于球状聚氨酯树脂颗粒是交联的，因此球状聚氨酯树脂颗粒与构成基体的NBR不相容。
由于球状聚氨酯树脂颗粒具有电绝缘性，因而如同实施例14中，通过将球状聚氨酯树脂颗粒处理为具有比包含橡胶的区域的电阻更高的电阻的基体的一部分来测量DS(m)/DS(d)、区域数量、和A2/A1，以计算区域的体积分数。
[实施例16]
在实施例14中，以与实施例1相同的方式进行电子束照射。除了改变过程以在下述条件下照射紫外线而不是照射电子束以外，以与实施例14相同的方式制备充电辊21，然后评价。
使用低压汞灯(商品名：GLQ 500US/11，由Toshiba Lighting&Technology Co.制造)在充电辊旋转的同时均匀地照射紫外线。在灵敏度为254nm的传感器中，紫外线的量设定为8000mJ/cm2。
[实施例17]
在实施例15中，以与实施例1相同的方式进行电子束照射。除了改变过程以在下述条件下照射紫外线而不是照射电子束以外，以与实施例15相同的方式制备充电辊22，然后评价。
使用低压汞灯(商品名：GLQ 500US/11，由Toshiba Lighting&Technology Co.制造)在充电辊旋转的同时均匀地照射紫外线。在灵敏度为254nm的传感器中，紫外线的量设定为8000mJ/cm2。
[实施例18]
如下制备球状聚乙烯树脂颗粒母料PE-MB1。
准备表9中列出的材料作为原料。将这些材料以表9中列出的配混量彼此混合，从而得到球状聚乙烯树脂颗粒母料PE-MB1。
作为混合机，使用6升加压捏合机(商品名：TD6-15MDX，由Tosin Co.制造)。作为混合条件，填充系数为50体积％，刮板的每分钟转数为10rpm，和混合时间为5分钟。在将材料彼此混合时的最高可达到的温度为80℃，该温度足够低于聚乙烯的熔点，即足够低于120℃。
[表9]
表9
Figure BDA0002030651250000251
通过将以上制备的球状聚乙烯树脂颗粒母料PE-MB1以14.3质量份的配混量添加到实施例1中制备的未硫化橡胶组合物1中，并且通过开炼辊捏合混合物来制备未硫化橡胶组合物16。
开炼辊捏合时未硫化橡胶组合物16的最高可达到的温度为92℃。
由于球状聚乙烯树脂颗粒在熔融温度以下捏合，因而球状聚乙烯树脂颗粒与基体的NBR不相容。
由于球状聚乙烯树脂颗粒具有电绝缘性，因而通过将球状聚乙烯树脂颗粒处理为具有比包含橡胶的区域的电阻更高的电阻的基体的一部分来测量DS(m)/DS(d)、区域数量、和A2/A1，以计算区域的体积分数。
除了使用未硫化橡胶组合物16来代替未硫化橡胶组合物1以外，以与实施例1相同的方式制备充电辊23，然后评价。
实施例14至18的评价结果在表10中示出。
[表10]
表10
Figure BDA0002030651250000261
在实施例1至18中，在满足一定体积电阻率的充电构件中，随着A2/A1变大，区域数量变少，区域的体积分数变小，凹部变深，注入电位趋于变低。在实施例10中，使用离子导电性醇橡胶(ionic electro-conductive hydrin rubber)，使得与NBR相比，通过接触的电荷移动容易发生，因此注入电位为5V。在实施例11中，由于区域的体积分数小，因此基体的导电性需要高，使得通过接触的电荷移动容易发生，因此注入电位为9V。在实施例12中，由于区域的体积分数大，因此区域之间的距离变小，使得发生电场集中。因此，电荷移动容易发生，因此注入电位为6V。在实施例13中，由于区域的数量大，因此区域彼此连接，使得发生电场集中。因此，电荷移动容易发生，因此注入电位为7V。
在比较例1和2中，在满足恒定体积电阻率的充电构件中，A2/A1小，使得注入电位分别为22V和25V。另外，比较例3不具有其中由于通过抛光成形而仅在凹部上存在区域的表面形状，使得注入电位为27V。同样地，比较例4不具有其中由于通过模具成形而仅在凹部上存在区域的表面形状，使得注入电位为32V。比较例5不具有区域-基体结构，使得炭黑均匀地存在于弹性层中。为此，注入电位为38V。
虽然已参考示例性实施方式描述了本发明，但应理解本发明不限于公开的示例性实施方案。权利要求的范围应符合最宽泛的解释以涵盖全部此类变更及等同的结构和功能。

Claims (8)

1.一种充电构件，其特征在于，其包括：
导电性支承体；和
弹性层，
其中所述弹性层为所述充电构件的表面层，并且所述弹性层由单层构成，
所述弹性层包括区域和基体，所述区域各自包含炭黑和橡胶，所述基体包含橡胶且具有比所述区域的电阻高的电阻，
所述充电构件的外表面由所述基体的表面和所述区域的表面构成，且所述充电构件在所述外表面上具有凹部，
在各所述凹部的底部存在所述区域，并且所述区域仅在各所述凹部的底部在所述充电构件的外表面露出，
所述弹性层的体积电阻率为1×105Ωcm以上且1×108Ωcm以下，和
当A1被定义为在所述导电性支承体和与构成所述充电构件的外表面的所述基体的表面接触的原子力显微镜的悬臂之间施加80V的直流电压即DC电压时的电流值，并且A2被定义为在所述导电性支承体和与构成所述充电构件的外表面的各所述区域的表面接触的原子力显微镜的悬臂之间施加80V的DC电压时的电流值时，A2为A1的20倍以上。
2.根据权利要求1所述的充电构件，其中基于所述弹性层的体积，所述区域的体积分数为5体积％以上且25体积％以下。
3.根据权利要求1所述的充电构件，其中所述弹性层的一块10μm的立方体中存在的所述区域的数量为1个以上且500个以下。
4.一种电子照相设备，其特征在于，其包括：电子照相感光构件；和
配置为能够使所述电子照相感光构件充电的充电构件，
其中所述充电构件为根据权利要求1至3任一项所述的充电构件。
5.一种处理盒，其特征在于，其可安装至电子照相设备的主体并且可从所述电子照相设备的主体拆卸，所述处理盒包括：
电子照相感光构件；和
配置为能够使所述电子照相感光构件充电的充电构件，
其中所述充电构件为根据权利要求1至3任一项所述的充电构件。
6.一种充电构件的制造方法，其特征在于，所述充电构件包括导电性支承体和弹性层，所述弹性层为所述充电构件的表面层、由单层构成且包括区域和基体，所述区域各自包含炭黑和橡胶，所述基体包含橡胶且具有比所述区域的电阻高的电阻，所述充电构件的外表面由所述基体的表面和所述区域的表面构成且具有凹部，并且在各所述凹部的底部存在所述区域，并且所述区域仅在各所述凹部的底部在所述充电构件的外表面露出，所述充电构件的制造方法包括：
(A)制备各自包含炭黑和橡胶的用于形成所述区域的碳母料CMB；
(B)捏合所述碳母料和变成所述基体的橡胶组合物，以制备具有区域-基体结构的橡胶组合物；和
(C)将所述具有区域-基体结构的橡胶组合物与芯轴一起从十字头挤出，以用所述具有区域-基体结构的橡胶组合物覆盖所述芯轴的周围，
其中当DS(d)被定义为所述碳母料的模头膨胀值和DS(m)被定义为变成所述基体的橡胶组合物的模头膨胀值时，模头膨胀值之比DS(m)/DS(d)大于1.0。
7.根据权利要求6所述的充电构件的制造方法，其中DS(m)/DS(d)为1.1以上。
8.根据权利要求6或7所述的充电构件的制造方法，其中所述弹性层的体积电阻率为1×105Ωcm以上且1×108Ωcm以下，和
当A1被定义为在所述导电性支承体和与构成所述充电构件的外表面的所述基体的表面接触的原子力显微镜的悬臂之间施加80V的DC电压时的电流值，并且A2被定义为在所述导电性支承体和与构成所述充电构件的外表面的各所述区域的表面接触的原子力显微镜的悬臂之间施加80V的DC电压时的电流值时，A2为A1的20倍以上。
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