JP2008107640A - ゴムローラの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ボイドの発生を抑え、表面形状に優れたゴムローラを得ることのできるゴムローラの製造方法を提供する。
【解決手段】芯金の周りに弾性層を有するゴムローラの製造方法において、ベント式押出し機を用いてソリッドゴムを押し出す押出し工程と、押出し工程で押し出されたソリッドゴムを架橋する架橋工程とを有し、押出し機のシリンダー半径をｒ（ｃｍ）と表したとき、押出し機のスクリュー回転数が２５ｒｐｍの時の押出し量が（ｒ²×１２５０）ｃｍ³／ｈ以下であり、且つシリンダーの長さをＬ、シリンダー内直径をＤとした時の比Ｌ／Ｄが２２以下であり、押出し工程において、ベント式押出し機中で、ソリッドゴムを、５０μｍ以上１５０μｍ以下に調整されたスクリューのダムとシリンダーとの間のクリアランスを通過させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、複写機やレーザービームプリンター等に組み込まれる帯電ローラ、現像ローラ、転写ローラ、給紙ローラ等のゴムローラの製造方法に関するものである。

帯電ローラ等のゴムローラについては、精密な画像を形成する上で、表面の粗さ等、均一な表面状態が要求されている。均一な表面状態でない場合、例えば局所的に微小な凹凸が存在するような場合には、帯電ローラなどでは、感光帯に均一に帯電できなくなり、凹凸部分が黒点等の画像不良となって現れてしまう。また、上記ゴムローラは、当接される相手部材との間に均一なニップを設ける為に、芯金上に弾性層を設けたものが一般的である。弾性層がない場合、均一なニップを設ける為に、非常に高い形状精度のゴムローラを製造しなければならず、製造安定上、好ましくない。また、形状精度の高いゴムローラを製造する場合は、ソリッドゴムが用いられる。スポンジゴムの場合は、発泡状態等に形状が左右される為、形状精度が得られ難い。

したがって、上記弾性層には均一な表面状態が望まれることになる。弾性層はゴムに充填材等の資材を分散させたものを架橋して使用するのが一般的であるが、弾性層の中で表面状態に影響する因子として、ボイドと配合物の分散不良がある。前者のボイドについては、ゴム中に含まれる揮発分が架橋の際に揮発して形成されると考えられる。発生したボイドがローラの最表面に存在すると、その部分が凹状態となり、不良ローラの原因となる。また、例え最表面に存在しないとしても、ボイドが表面付近に存在するだけで、ローラ表面は緩やかな凹状態となる場合があり、不良となってしまう場合もある。

帯電ローラや現像ローラ等のゴムローラの製造方法としては、チューブ状に押出したゴム材料を加硫して芯金に圧入する方法がある。また、クロスヘッド押出し機により芯金上にゴムを被覆した後加硫する方法や、円筒形もしくは２枚割の金型内でゴム材料を加硫する方法等もある。

この中で、クロスヘッド押出し機による方法が、ゴムローラを製造する方法として好ましく用いられる。この方法では、押出し後にゴム材料が芯金と一体化しているため、芯金を利用すると搬送等の取り回しが容易で、比較的工程を連続化しやすく、寸法精度も出しやすいためである。

上記クロスヘッド押出し機を用いた製法の場合、工程の連続化の為、熱風炉による連続加硫方式が一般的である。熱風炉加硫は通常１５０℃乃至１８０℃の常圧下で行われるが、押出されたゴムに揮発分が含まれていた場合、常圧下であることにより、加硫の熱により揮発分が発泡し易くなり、特にボイドが発生し易くなる。つまり、熱風炉加硫など、高温常圧下で行われる加硫は、ボイドの影響を受け易い。

ボイドの発生を抑制する為に、押出し工程にはベント式押出し機を用いるのが一般的である。ベント式押出し機は、シリンダーの途中にベントがあり、そのベントから真空ポンプにより内部を真空状態にすることによってゴム材料中揮発分を除去する押出し機である。

しかし、ベント式押出し機においても、ゴム材料によっては、揮発分を除去し難く、ボイドが発生する場合があった。そういった場合においては、押出し温度の設定を高くする事により、揮発分は除去し易くなる。しかし、１００℃を超える高温で押出してしまうと、押出しの途中で加硫が始まってしまう（以下スコーチと呼ぶ）危険性が高くなり、好ましくない。

スコーチが始まった場合、押出し物の肌荒れや、粘度上昇による押出し量の低下が起こり、製品が不良品となってしまうことがある。そのまま押出しを続けた場合でもスコーチが軽減されることは殆ど無く、次第に悪化する為、生産が出来なくなってしまうことがある。このような場合、スクリューを抜く等、大掛かりな押出し機の清掃が必要となり、装置の稼働率が低下してしまう。

ゴム中の揮発分は、前述のように押出し機中で除去する方法の他、押出し前のゴムを乾燥させるといったことでも除去することが可能である。しかし、ゴムを乾燥させる設備投資が必要となり、コストアップになる。さらに、効率よく乾燥させるためには、温度を上げる必要があり、スコーチの危険性がある。

また、ゴム材料として、ＢＥＴ式の比表面積で３ｍ²／ｇ〜１３ｍ²／ｇの炭酸カルシウムを配合することにより揮発分を取り易くする方法が提案されている（特許文献１）。しかし、特性上、炭酸カルシウムを配合できなかったり、配合量や比率が少なかったりしたゴム材料の場合等は、ボイドが発生する危険性がある。
特開２００４−０７８１２７号公報

本発明の目的は、ボイドの発生を抑え、表面形状に優れたゴムローラを得ることのできるゴムローラの製造方法を提供することである。

本発明者は、ベント式押出し機における、スクリュー及びシリンダーの温度等の押出し加工について鋭意研究した。その結果、十分なボイド除去を行いながら、低温で、長時間、連続的にスコーチすることなく押出し可能となる製造方法を見出した。本発明はこの知見に基づいてなされたものである。

本発明により、芯金の周りに弾性層を有するゴムローラの製造方法において、
ベント式押出し機を用いてソリッドゴムを押し出す押出し工程と、該押出し工程で押し出されたソリッドゴムを架橋する架橋工程とを有し、
該押出し機のシリンダー半径をｒ（ｃｍ）と表したとき、
該押出し機のスクリュー回転数が２５ｒｐｍの時の押出し量が（ｒ²×１２５０）ｃｍ³／ｈ以下であり、
且つ該シリンダーの長さをＬ、該シリンダー内直径をＤとした時の比Ｌ／Ｄが２２以下であり、
該押出し工程において、該ベント式押出し機中で、ソリッドゴムを、５０μｍ以上１５０μｍ以下に調整されたスクリューのダムとシリンダーとの間のクリアランスを通過させる
ことを特徴とするゴムローラの製造方法が提供される。

本発明により、ボイドの発生を抑え、表面形状に優れたゴムローラを得ることのできるゴムローラの製造方法が提供される。

以下、本発明の形態につき詳細に説明するが、本発明はこれによって限定されるものではない。

本発明のゴムローラの製造方法において、図１に示すようなベント式押出し機によりゴムを押出すことができる。図は押出し途中の押出し機を示す概念図で、黒く塗りつぶしてある部分はゴムが充満している部分である。

投入口２よりゴム材料が投入され、スクリュー３によって可塑化され、クロスヘッド５より押出される。クロスヘッド５は中空の中子５ａを備え、芯金６は中子を通りクロスヘッドへ供給され、ゴムが被覆される。シリンダー１の中間部にベント４が開いており、ここから真空ポンプ７によりシリンダー内部を真空状態にする。ベント付近は、スクリューの形状により、ゴムが充満しないように調整されている。スクリュー３のベント手前には溝の深さを極端に狭くしたダム部３ａがあり、真空状態のシリンダー内へフイルム状のゴムを送り込むことで、より水分の除去効果を高めている。

押出し機は温度調整の機能を備えるが、シリンダーについてはなるべく多くの個所の温度制御が出来ることが好ましい。例えば、投入口からベント付近までの部分（図の１ａおよび１ｂ）、ベント付近より下流、シリンダー先端までの部分（図の１ｃ）の２つの部分に分けて温度制御することができる。また、投入口からベントまでの部分（図の１ａ）、ベント付近の部分（図の１ｂ）、ベント付近からシリンダー先端までの部分（図の１ｃ）の３つの部分に分けて温度制御することがより好ましい。更に細かい制御が可能でも差支えない。

本発明で使用する押出し機に備わるスクリューは、スクリューのダム部とシリンダー内壁のクリアランスが５０μｍ以上１５０μｍ以下、好ましくは、７０μｍ以上１００μｍ以下となる様に設定される。揮発効果を高める為には、クリアランスはなるべく小さくすることが望ましい。クリアランスが１５０μｍより大きい場合、通過するゴムの厚さが大きくなってしまい、揮発効果が少なくなってしまう。また、５０μｍを下回る場合は、ボイドを除去する効果は高いが、ダムを通過できるゴム量が少なくなり、必要な押出し量が確保できない可能性がある。

また、本発明の押出し機においては、スクリューの回転数が２５ｒｐｍの際の押出し量が（ｒ²×１２５０）ｃｍ³／ｈ以下（ｒはシリンダー半径（ｃｍ））である。例えば、シリンダーの内直径が７ｃｍの押出し機の場合は、ｒ＝３．５ｃｍであり、１時間当り、３．５²×１２５０＝１５３１２．５ｃｍ³／ｈ以下の押出し量となる。一般的に、押出し量は一時間当りの質量で表記されるが、ゴムにより比重が異なる為、体積で表現することが好ましい。

スクリュー回転数２５ｒｐｍにおける押出し量が（ｒ²×１２５０）ｃｍ³／ｈを超える場合、ダムを通過するゴムの厚さが小さい場合においても、ボイドが発生する。押出し量が多い場合、投入から吐出までの時間が短く、ダムを通過したゴムの揮発分除去の時間が十分に取れないためと考えられる。

シリンダーの長さとシリンダー内直径の比（Ｌ／Ｄ）が大きい場合、つまり、シリンダー及びスクリュー長さが長い場合、ボイドは抑制し易くなるが、投入から吐出までの時間が長くなってしまい、シリンダー内で加硫が始まってしまうスコーチ現象が起こってしまう場合がある。また、押出し機自体が長く大きくなってしまう為、製造ラインでのスペースも不利になってしまう。このためＬ／Ｄを２２以下、好ましくは２０以下とする。

また、スクリュー回転数２５ｒｐｍにおける押出し量が（ｒ²×６００）ｃｍ³／ｈを下回らなければより好ましい。これによって、必要押出しゴム量が少量である場合に、スクリュー回転数が低くなってしまい制御し難くなることを優れて防止することができる。

本発明では、前述したダムとシリンダー内壁のクリアランスが５０μｍ以上１５０μｍ以下、スクリュー回転数２５ｒｐｍにおける押出し量が（ｒ²×１２５０）ｃｍ³／ｈ以下とする。スクリューの回転数を調整して、実際に必要とする押出し量を得ることができる。従って、製品毎にスクリューを作り直す必要が無い。

本発明においては、押出し機中のゴムの温度は高い程、揮発分を除去する効率は良くなる。この温度は押出し機のシリンダー及びスクリューの温調によって制御され、好ましくは、押出し機のシリンダー及びスクリューの温調は、５０℃以上１１０℃以下、より好ましくは、７０℃以上９０℃以下である。ゴムの可塑化を容易にして押出し圧力の上昇を抑え押出し量を安定させる観点から、５０℃以上が好ましい。また、ゴムのスコーチを抑え、押出し形状を安定させる観点から、１１０℃以下が好ましい。

本発明で使用する押出し機のサイズは、使用する目的に応じて選択が可能であるが、電子写真用ゴムローラの製造においては、シリンダー径（内直径）が５０ｍｍ以上７０ｍｍ以下のものが一般的である。また、押出し機の長さとシリンダー内直径の比（Ｌ／Ｄ）は前述のとおりであり、例えばＬ／Ｄとして１６や２０を採用することができる。

押出し後のゴムは、加熱下で架橋することができる。例えば１５０℃以上２２０℃以下で１０分以上６０分以下の間、架橋を行う。加熱方法としては、熱風、蒸気、マイクロ波、遠赤外線等、加硫のために用いられる公知の加熱方法から適宜選択可能である。本発明の製造方法では、ゴム中の揮発分が架橋中に発泡してボイドが発生する現象を、揮発分を除去することによって防ぐ。このため、ボイドの発生し易い常圧下で行う架橋、例えば熱風やマイクロ波架橋を架橋工程に採用する場合、本発明はより効果的である。

また、本発明において弾性層は、前述したクロスヘッドを用い、芯金にゴムを被覆した後、連続的に架橋する方法によって形成することが、省人化や装置コスト上好ましい。この方法においては、芯金にゴムを被覆した状態で、蒸気架橋等の加圧下の架橋を行うことが困難であり、熱風架橋等の常圧下での架橋を行うことが望ましい為、本発明において用いる押出し方法として、より好ましい。

架橋後のゴムローラは、架橋して得られた弾性層を研磨して弾性層の形状を整える方法が一般的であるが、押出すと同時に弾性層の形状を整えるものでも差支えない。ボイドが発生した場合、研摩することによって、ボイドが表面に露出してしまい、ボイドが凹みとなって表面性が悪くなってしまうことがある。本発明による製造方法はボイドが発生しないため、研摩工程を有する製造方法について特に有効である。

また、弾性層の形状を整えた後に、塗工や被覆等によって、１層もしくは複数層の表面層を設けても差支えない。特に、ディップ法やロールコート法等の塗工法によって、弾性体上に塗工膜を形成させる場合は、塗工膜が一般的に数十μｍ以下の薄い膜である為、弾性層表面の凹凸が塗工膜形成後の凹凸につながり易い。このため弾性層上に塗工法により表面層を形成してゴムローラを製造する場合、本発明の効果が顕著である。

弾性層を形成するために使用するゴムの種類は特に制限されるものではない。エチレンプロピレンゴム、スチレンブタジエンゴム、アクリロニトリルブタジエンゴム、エピクロルヒドリンゴム等、適宜のゴムが使用可能であり、目的に応じて選択できる。

弾性層には、炭酸カルシウム等の充填材、カーボンブラックやシリカ等の導電剤もしくは補強材、ステアリン酸やステアリン酸亜鉛といった加工助剤やオイル等の可塑剤等の資材が必要に応じて配合可能である。

また、架橋についても、硫黄や硫黄供与体等の架橋剤、架橋反応を促進させる架橋促進剤等は、目的に応じて選択可能である。

本発明によれば、外観の不良に結びつくようなボイドが無く、連続的に生産が可能なゴムローラの製造方法が提供可能となる。

以下、実施例に基づいて本発明ついて詳しく説明するが、本発明はこれによって限定されるものではない。

押出し機として、図１に示す構造を有し、シリンダー内直径が７０ｍｍ、Ｌ／Ｄが２０のベント式押出し機を用意した。この押出し機について（ｒ²×１２５０）を計算すると１５３１２．５ｃｍ³／ｈである。

また、表１に示すスクリュー（１）〜（６）の６種類のスクリューを用意した。すなわち、シリンダーとダムのクリアランス（以下クリアランス）別に約５０μｍ、１００μｍ、１５０μｍおよび２００μｍの４種類を用意した。さらにクリアランスが約１００μｍと１５０μｍのスクリューについては、それぞれ、押出し量が１５３１２．５ｃｍ³／ｈを超えないものと超えるものの２種類を用意した。

ゴム材料にはアクリロニトリルブタジエンゴムを使用した。表２に示す配合物（架橋剤および架橋促進剤を除く）を７リットルのニーダーで混練した。これに、表２に示す架橋剤および架橋促進剤を加え、１２インチオープンロールで混練り分散させ、押出し機に投入するゴム材料を調製した。

〔実施例１〕
スクリュー（１）を用い、押出し機のシリンダーとスクリューの温度は８０℃に調整した。スクリュー回転数は２５ｒｐｍとした。そして、クロスヘッド先端に設けた９．８ｍｍの口金から芯金（長さ２５０ｍｍ）とゴム材料を同時に押出し、ゴム材料で芯金を被覆した。

その後、芯金の周りを被覆するゴム材料を、常圧（０．１０ＭＰａ）下の熱風炉で１７０℃で３０分間架橋した。

その後、架橋されたゴムの端部各１０ｍｍを除去した後、ゴム部（弾性層）を直径８．５ｍｍまで研磨して弾性層の形状を整えゴムローラを作製した。

得られたゴムローラの表面粗さ（Ｒｚｊｉｓ：ＪＩＳ Ｂ０６０１に規定される十点平均粗さ）は４．０５μｍ、２００Ｖ印加時の電気抵抗は４×１０⁷Ωであった。

電気抵抗は、円柱状の金属ドラムに両端５００ｇ荷重で当接させ、金属ドラムを回転させた状態で、ゴムローラと金属ドラム間に２００Ｖの電圧を印加し、金属ドラムと直列に接続した抵抗体にかかる電圧を測定して、抵抗値を求めた。

＜評価＞
押出し機からゴムが出始めてから６０分後以降に得られたゴムローラ３３本について、表面積にして、０．２平方メートル分の拡大観察を行い、ボイドの数を確認した。

また、得られたゴムローラを帯電ローラとして、レーザープリンター（商品名：Ｃｏｌｏｒ ＬａｓｅｒＪｅｔ３７００。ヒューレットパッカード製）のカートリッジに組み込み、画像評価を行った。画像としてはハーフトーンを用い、ボイド起因の黒ポチ（黒点）のあるものを×、無いものを○とした。ボイド起因の黒ポチについては、画像上の黒ポチとゴムローラの表面状態を対比し、特定した。

〔実施例２〕
スクリュー（２）を使用した以外は実施例１と同様にゴムローラを作成し評価を行った。但し、押出し量を実施例1と合わせるため、スクリュー回転数は２３ｒｐｍへ変更した。以下、実施例３〜５においても、スクリュー回転数は、実施例１の押出し量に合わせ変更した。

〔実施例３〕
スクリュー（４）を使用した以外は実施例１と同様にゴムローラを作成し評価を行った。

〔実施例４〕
押出し温度（シリンダーとスクリューの温度）を５０℃に変更した以外は実施例３と同様にゴムローラを作成し評価を行った。

〔実施例５〕
押出し温度（シリンダーとスクリューの温度）を１１０℃に変更した以外は実施例３と同様にゴムローラを作成し評価を行った。

〔実施例６〕
スクリュー回転数を３５ｒｐｍとした以外は実施例２と同様にゴムローラを作成し評価を行った。

〔比較例１〕
スクリュー（３）を使用した以外は実施例１と同様にゴムローラを作成し評価を行った。但し、スクリュー回転数は、２５ｒｐｍ時の押出し量が増加しているため、２１ｒｐｍへ変更した。

〔比較例２〕
スクリュー（５）を使用した以外は実施例１と同様にゴムローラを作成し評価を行った。但し、スクリュー回転数は、２５ｒｐｍ時の押出し量が増加しているため、２１．５ｒｐｍへ変更した。

〔比較例３〕
スクリュー（６）を使用した以外は実施例１と同様にゴムローラを作成し評価を行った。但し、スクリュー回転数は、２５ｒｐｍ時の押出し量が減少しているため、２６．５ｒｐｍへ変更した。

〔比較例４〕
スクリュー（５）を使用した以外は実施例４と同様にゴムローラを作成し評価を行った。但し、スクリュー回転数は、２５ｒｐｍ時の押出し量が増加しているため、２１．５ｒｐｍへ変更した。

〔比較例５〕
スクリュー（５）を使用した以外は実施例５と同様にゴムローラを作成し評価を行った。但し、スクリュー回転数は、２５ｒｐｍ時の押出し量が増加しているため、２１．５ｒｐｍへ変更した。

以上の実施例および比較例におけるゴムローラの製造条件をそれぞれ表３および表４にまとめる。また、実施例および比較例における評価結果をそれぞれ表５および表６にまとめる。

実施例１から実施例３及び比較例３より、シリンダーとダムのクリアランスは５０μｍから１５０μｍが好ましいことがわかる。２００μｍを超える比較例３はボイドが発生する。また、比較例１〜３からは、ボイドの発生はシリンダーとダムのクリアランスが大きいほど悪くなる傾向が見てとれる。

実施例２及び比較例１、実施例３及び比較例２は、シリンダーとダムのクリアランスが同じで押出し量を調整した比較であるが、押出し量が１５３１２．５ｃｍ³／ｈを超えたものは、ボイドが発生する。

実施例４及び比較例４、実施例５及び比較例５は、押出し量の違うスクリューを用い、押出し温度をそれぞれ５０℃、１１０℃に変更したものである。押出し量が１５３１２．５ｃｍ³／ｈ以下のスクリューでは、５０℃で押出しを行ってもボイドが発見できない。これに対して、押出し量が１５３１２．５ｃｍ³／ｈを超えているものを使用した場合、１１０℃で押出した場合は同じスクリューを用いた比較例２に比べて数が少なくなっているものの、ボイドか確認されることがわかる。また、５０℃で押出した比較例４は、ボイドが増えていることがわかる。

実施例６は、シリンダーとダムのクリアランスが１００μｍのスクリューを用い、スクリュー回転数を上げて押出し量を増したものであるが、ボイドが無く、好ましい押し出しとなっていることがわかる。

画像評価についても、ボイド発生が認められるものは、黒ポチ画像が発生している。

本発明によって得られるゴムローラは、例えば、複写機やレーザービームプリンター等の電子写真方式の画像形成装置において帯電ローラ、現像ローラ、転写ローラ、給紙ローラ等のゴムローラとして好適に用いられる。

本発明で用いることのできるベント式押出し機の例を示す模式的断面図である。

符号の説明

１ シリンダー
１ａ 投入口からダム部付近より上流までの部分（シリンダー温調部分）
１ｂ ダム部付近の部分（シリンダー温調部分）
１ｃ ダム部付近より下流、シリンダー先端部までの部分（シリンダー温調部分）
２ 投入口
３ スクリュー
３ａ ダム部
４ ベント
５ ヘッド
５ａ 中子
６ 芯金
７ 真空ポンプ

Claims (6)

1. 芯金の周りに弾性層を有するゴムローラの製造方法において、
   ベント式押出し機を用いてソリッドゴムを押し出す押出し工程と、該押出し工程で押し出されたソリッドゴムを架橋する架橋工程とを有し、
   該押出し機のシリンダー半径をｒ（ｃｍ）と表したとき、
   該押出し機のスクリュー回転数が２５ｒｐｍの時の押出し量が（ｒ²×１２５０）ｃｍ³／ｈ以下であり、
   且つ該シリンダーの長さをＬ、該シリンダー内直径をＤとした時の比Ｌ／Ｄが２２以下であり、
   該押出し工程において、該ベント式押出し機中で、ソリッドゴムを、５０μｍ以上１５０μｍ以下に調整されたスクリューのダムとシリンダーとの間のクリアランスを通過させる
   ことを特徴とするゴムローラの製造方法。
2. 前記架橋工程を常圧下で行う請求項１記載のゴムローラの製造方法。
3. 前記押出し工程において、前記押出し機のスクリュー及びシリンダー部の温度を５０℃以上１１０℃以下にする請求項１または２に記載のゴムローラの製造方法。
4. 前記架橋工程において架橋されたソリッドゴムを研磨する研磨工程をさらに有する請求項１から３の何れか一項記載のゴムローラの製造方法。
5. 前記押出し工程において、クロスヘッドを備えるベント式押出し機を用い、
   該クロスヘッド内で、ソリッドゴムを芯金に被覆しながら押出す請求項１から４の何れか一項記載のゴムローラの製造方法。
6. 前記弾性層上に、塗工法により１層以上の表面層を形成する請求項１から５の何れか一項記載のゴムローラの製造方法。

Images