JP6506905B2 - 導電性熱可塑性エラストマ組成物とその製造方法、駆動ローラ、および画像形成装置 - Google Patents
導電性熱可塑性エラストマ組成物とその製造方法、駆動ローラ、および画像形成装置 Download PDFInfo
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Description
従来の駆動ローラは、架橋ゴムタイプのものとコーティングタイプのものに大別される。
また後者の、コーティングタイプの駆動ローラは、例えば金属製のローラの外周面に、ウレタン樹脂等の硬化性のバインダ樹脂を含むコーティング剤を塗布したのちバインダ樹脂を硬化させて、厚み0.3mm以下程度の薄いコーティング層を形成することで製造される。
また後者の、コーティングタイプの駆動ローラは、コーティング剤の品質管理や、あるいはローラの外周面にコーティング剤を均一に塗布するのが難しいため、やはり生産性が低く、製造コストが高くつくという問題がある。また薄いコーティング層が短期間で摩耗して失われやすいという問題もある。
かかる熱可塑性エラストマ組成物からなる紙送りローラ等は、例えば押出機を用いて、連続的に熱可塑性エラストマ組成物を調製でき、バッチ式のゴム練り工程が不要である上、押出成形後のバッチ式の架橋工程も不要となるため、生産性が向上し、コスト安価に製造することが可能となる。そのため駆動ローラを、紙送りローラ等と同様に、熱可塑性エラストマ組成物によって形成して、同様の効果を得ることが期待されている。
熱可塑性エラストマ組成物からなる駆動ローラに導電性を付与するためには、例えば当該熱可塑性エラストマ組成物に、他の導電性のローラの場合と同様に、
(A) 導電性ポリマ等のイオン導電性導電剤、または
(B) ケッチェンブラック等の導電性カーボンブラック
を配合することが考えられる。
一方、後者の導電性カーボンブラックは分散性が低いため、やはり所定の抵抗値の範囲まで駆動ローラを低抵抗化するのが難しいという問題がある。
また多量の導電性カーボンブラックを配合した上記の熱可塑性エラストマ組成物は、特にローラ状に押出成形する際の成形性(押出成形性)も低下する。
そのため所定の寸法のローラ状に安定して押出成形して、肌荒れ等の成形不良を生じないようにするためには、押出成形のラインスピードを低くしなければならず、駆動ローラの生産性が低下して、製造コストが高くつくという問題も生じる。
特許文献3では、イオン導電性導電剤を主とし、補助的に少量の導電性カーボンブラックを併用して、駆動ローラを低抵抗化することが検討されているが、その効果は限定的である。
そのため特許文献3の各実施例では、イオン導電性導電剤を併用しているにもかかわらず、駆動ローラを十分に低抵抗化できず、そのローラ抵抗値は106Ω台前後であるに過ぎない。
さらに、かかる特殊な熱可塑性エラストマは押出成形性が低いため、特に先に説明したように導電性カーボンブラックを、上記の範囲を超えて多量に配合した場合には、より一層、押出成形性が低下して、肌荒れ等の成形不良のないきれいなローラ状に押出成形することはできない。このことは、特許文献3の比較例3の結果からも明らかである。
本発明の目的は、よりシンプルな構成で、できるだけ生産性良く、コスト安価に製造できる上、押出成形性にも優れ、しかも駆動ローラに求められる低い抵抗値を実現できる新規な導電性熱可塑性エラストマ組成物と、その効率的な製造方法を提供することにある。また本発明の目的は、かかる導電性熱可塑性エラストマ組成物を用いて製造された駆動ローラ、ならびに当該駆動ローラを組み込んだ画像形成装置を提供することにある。
デュロメータ タイプA硬さが60°以上、80°以下であるエステル型ウレタン系熱可塑性エラストマ、
可塑剤、および
前記駆動ローラのローラ抵抗値が105Ω台以下となるように、前記エステル型ウレタン系熱可塑性エラストマと可塑剤の混合物中に均一に微分散された、前記エステル型ウレタン系熱可塑性エラストマと可塑剤の総量100質量部あたり5質量部以上、15質量部以下のケッチェンブラック
からなる導電性熱可塑性エラストマ組成物である。
また、本発明は、導電性熱可塑性エラストマ組成物からなる駆動ローラであって、
前記導電性熱可塑性エラストマ組成物は、実質的に、
デュロメータ タイプA硬さが60°以上、80°以下であるポリエステル系熱可塑性エラストマ、および
前記駆動ローラのローラ抵抗値が105Ω台以下となるように、前記ポリエステル系熱可塑性エラストマ中に均一に微分散された、前記ポリエステル系熱可塑性エラストマ100質量部あたり5質量部以上、15質量部以下のケッチェンブラック
からなり、デュロメータ タイプA硬さが60°以上、80°以下である駆動ローラである。
本発明の導電性熱可塑性エラストマ組成物によれば、導電性カーボンブラックのうち、特に導電性に優れたケッチェンブラックを選択して使用するとともに、当該ケッチェンブラックを、上記所定の量、ムラを生じないように均一に微分散させているため、駆動ローラに求められる低い抵抗値、具体的には10 5 Ω台以下のローラ抵抗値を実現できる。
しかも本発明の駆動ローラを形成する導電性熱可塑性エラストマ組成物は、上記のように実質的に3成分または2成分というシンプルな構成であるため、ゴム練りの工程や動的架橋の工程を経ることなしに、生産性良く、コスト安価に製造することもできる。
すなわち、配合量がこの範囲未満では、導電性に優れたケッチェンブラックを使用しているにもかかわらず、導電性熱可塑性エラストマ組成物に良好な導電性を付与して、駆動ローラを、当該駆動ローラとして適した範囲まで十分に低抵抗化することができない。
また本発明の駆動ローラの、日本工業規格JIS K6253−3:2012「加硫ゴム及び熱可塑性ゴム−硬さの求め方−第3部:デュロメータ硬さ」において規定されたデュロメータ タイプA硬さが60°以上、80°以下に限定されるのは、硬さがこの範囲未満では、駆動ローラの耐摩耗性が不十分になり、範囲を超える場合には、ベルトに対する摩擦力が低下して、スリップ等を生じやすくなるためである。
前記混練部に、前記メインフィーダを通してケッチェンブラック以外の成分を供給して混練する工程、
前記混練部に、前記サイドフィーダを通してケッチェンブラックを供給して、先に混練した成分とさらに混練して微分散させる工程、
を含んでいる。
硬さがこの範囲未満では、駆動ローラの耐摩耗性が不十分になり、範囲を超える場合には、ベルトに対する摩擦力が低下して、スリップ等を生じやすくなる。
この範囲よりエステル型ウレタン系熱可塑性エラストマEが少ない場合には、駆動ローラの耐摩耗性が不十分になるおそれがあり、可塑剤Pが少ない場合には、押出成形性が低下したり、ベルトに対する摩擦力が低下して、スリップ等を生じやすくなったりするおそれがある。
すなわち、硬さがこの範囲未満では、駆動ローラの耐摩耗性が不十分になり、範囲を超える場合には駆動ローラが硬くなりすぎて、ベルトに対する摩擦力が低下して、スリップ等を生じやすくなる。
本発明は、駆動ローラ形成用の導電性熱可塑性エラストマ組成物であって、実質的に、
デュロメータ タイプA硬さが60°以上、80°以下であるエステル型ウレタン系熱可塑性エラストマ、
可塑剤、および
前記駆動ローラのローラ抵抗値が105Ω台以下となるように、前記エステル型ウレタン系熱可塑性エラストマと可塑剤の混合物中に均一に微分散された、前記エステル型ウレタン系熱可塑性エラストマと可塑剤の総量100質量部あたり5質量部以上、15質量部以下のケッチェンブラック
からなる導電性熱可塑性エラストマ組成物である。
また本発明は、上記本発明の導電性熱可塑性エラストマ組成物からなり、デュロメータ タイプA硬さが60°以上、80°以下である駆動ローラである。
前記導電性熱可塑性エラストマ組成物は、実質的に、
デュロメータ タイプA硬さが60°以上、80°以下であるポリエステル系熱可塑性エラストマ、および
前記駆動ローラのローラ抵抗値が105Ω台以下となるように、前記ポリエステル系熱可塑性エラストマ中に均一に微分散された、前記ポリエステル系熱可塑性エラストマ100質量部あたり5質量部以上、15質量部以下のケッチェンブラック
からなり、デュロメータ タイプA硬さが60°以上、80°以下である駆動ローラである。
エステル型ウレタン系熱可塑性エラストマとしては、例えば分子内に、ポリウレタン構造を有するハードセグメントと、ポリエステル構造を有するソフトセグメントとを含み、射出成形等が可能な熱可塑性を有するとともに、駆動ローラとして機能しうる弾性を有する種々のエステル型ウレタン系熱可塑性エラストマが、いずれも使用可能である。
硬さがこの範囲未満では、駆動ローラの耐摩耗性が不十分になり、範囲を超える場合には、ベルトに対する摩擦力が低下して、スリップ等を生じやすくなる。
例示のエステル型ウレタン系熱可塑性エラストマのうち「可塑剤入り」と記載していないものは可塑剤を含まない状態で供給される。一方、「可塑剤入り」と記載したものは、すでにエステル型ウレタン系熱可塑性エラストマに可塑剤を配合した状態で供給されるが、可塑剤を含まないものと同様に、さらに後述する質量比で可塑剤を配合することで、押出成形性に優れた導電性熱可塑性エラストマ組成物が得られる。
可塑剤としては、例えば三洋化成工業(株)製のサンフレックス(登録商標)EB−200、EB−300、EB−400(いずれもポリエチレングリコールジベンゾエート類)や、イーストマンケミカル社製のベンゾフレックス(登録商標)9‐88〔ジプロピレングリコールジベンゾエート〕、あるいはフタル酸ビス(2−メトキシエチル)(DMEP)、トリブトキシエチルホスフェート(TBP)等の1種または2種以上が挙げられる。
エステル型ウレタン系熱可塑性エラストマEと可塑剤Pとの質量比E/Pは、E/P=55/45〜85/15であるのが好ましく、特にE/P=70/30〜85/15であるのが好ましい。
この範囲よりエステル型ウレタン系熱可塑性エラストマEが少ない場合には、駆動ローラの耐摩耗性が不十分になるおそれがあり、可塑剤Pが少ない場合には、押出成形性が低下したり、ベルトに対する摩擦力が低下して、スリップ等を生じやすくなったりするおそれがある。
ポリエステル系熱可塑性エラストマとしては、例えばハードセグメントとして高融点で高結晶性の芳香族ポリエステル(ポリブチレンテレフタレート等)、ソフトセグメントとしてガラス転移温度が−70℃以下程度の非晶性ポリエーテル(ポリテトラメチレンエーテルグリコール等)を含むマルチブロックポリマー等の、種々のポリエステル系熱可塑性エラストマの1種または2種以上が使用可能である。
硬さがこの範囲未満では、駆動ローラの耐摩耗性が不十分になり、範囲を超える場合には、ベルトに対する摩擦力が低下して、スリップ等を生じやすくなる。
ケッチェンブラックとしては、中空のシェル状粒子が存在し、高い導電性を有する種々のグレードのケッチェンブラックが使用可能である。
かかるケッチェンブラックの具体例としては、例えばライオン(株)製のケッチェンブラックEC300J〔顆粒状〕、ケッチェンブラックEC600JD〔顆粒状〕、カーボンECP〔ケッチェンブラックEC300Jの粉末品〕、カーボンECP600JD〔ケッチェンブラックEC600JDの粉末品〕等の1種または2種以上が挙げられる。
配合量がこの範囲未満では、導電性に優れたケッチェンブラックを使用しているにもかかわらず、導電性熱可塑性エラストマ組成物に良好な導電性を付与して、駆動ローラを、当該駆動ローラとして適した範囲まで十分に低抵抗化することができない。
なお、駆動ローラの摩擦力と抵抗値の兼ね合いを考慮すると、ケッチェンブラックの配合量は、上記の範囲でも12質量部以下であるのが好ましい。
〈その他の成分〉
先に説明したように、本発明の駆動ローラを形成する導電性熱可塑性エラストマ組成物は、当該駆動ローラを構成するベースポリマとしてのエステル型ウレタン系熱可塑性エラストマ、またはポリエステル系熱可塑性エラストマ、かかるベースポリマに導電性を付与するためのケッチェンブラック、およびエステル型ウレタン系熱可塑性エラストマの押出成形性を向上するための可塑剤のみによって構成するのが好ましい。
《導電性熱可塑性エラストマ組成物の製造方法》
本発明の製造方法においては、材料を混練しながら一方向に押し出す混練部、混練部に材料を供給するメインフィーダ、および混練部の、メインフィーダより材料の押出方向の前方側で混練部に材料を供給するサイドフィーダを備えた二軸混練押出機を用いる。
この二段階の工程を経ることにより、ケッチェンブラックのストラクチャを破壊することなしに、その凝集を防いで微分散させながら連続的に、効率よく、本発明の導電性熱可塑性エラストマ組成物を製造することができる。
《駆動ローラ》
図1は、本発明の駆動ローラの、実施の形態の一例の外観を示す斜視図である。
駆動ローラ1は発泡させてもよいが、耐久性等を向上することを考慮すると非発泡であるのが好ましい。
シャフト3は、例えば導電性を有する接着剤を介して駆動ローラ1と電気的に接合されるとともに機械的に固定されるか、あるいは通孔2の内径よりも外径の大きいものを通孔2に圧入することで、駆動ローラ1と電気的に接合されるとともに機械的に固定されて、一体に回転される。
シャフト3は、筒状体のカット後から研磨後までの任意の時点で、通孔2に挿通して固定できる。
シャフト3は、先に説明したように通孔2の内径よりも外径の大きいものを通孔2に圧入するか、あるいは導電性を有する接着剤を介して通孔2に挿通すればよい。
駆動ローラ1は、デュロメータ タイプA硬さが60°以上、80°以下に限定される。
硬さがこの範囲未満では、駆動ローラの耐摩耗性が不十分になり、範囲を超える場合には、ベルトに対する摩擦力が低下して、スリップ等を生じやすくなるためである。
図2は、駆動ローラ1のローラ抵抗値を測定する方法を説明する図である。
図1、図2を参照して、本発明では駆動ローラ1のローラ抵抗値を、下記の方法で測定した値でもって表すこととする。
すなわち一定の回転速度で回転させることができるアルミニウムドラム5を用意し、かかるアルミニウムドラム5の外周面6に、その上方から、ローラ抵抗値を測定する駆動ローラ1の外周面4を接触させる。
次いでシャフト3の両端部にそれぞれ450gf(=4.41N)の荷重fをかけて駆動ローラ1をアルミニウムドラム5に圧接させた状態で、当該アルミニウムドラム5を回転(回転数:40rpm)させながら、両者間に、直流電源7から直流50Vの印加電圧Eを印加した際に、抵抗8にかかる検出電圧Vを計測する。
R=r×E/V−r (1')
によって求められる。ただし式(1')中の−rの項は微小とみなすことができるため、本発明では式(1):
R=r×E/V (1)
によって求めた値でもって駆動ローラ1のローラ抵抗値とすることとする。
〈摩擦力の測定〉
図3は、駆動ローラの、ベルトに対する摩擦係数μを測定するために用いる装置の概略を説明する図である。
まず駆動ローラ1を、シャフト3の中心軸10を水平方向に向けた状態で、図中に二点鎖線の矢印で示す方向に回転可能に保持する。また駆動ローラ1の近傍には、当該駆動ローラ1の中心軸10との距離を一定に維持した状態で荷重計11を配設する。
そして駆動ローラ1を二点鎖線の矢印で示す方向に一定の速度で回転させた際に生じる荷重P(N)を荷重計11によって測定し、測定荷重P(N)、錘12の荷重W(N)、および中心角度θ(°)から、式(2):
μ=(1/θ)ln(P/W) (2)
によって摩擦係数μを求める。
F(N)=μ×P (3)
によって摩擦力F(N)を求める。
測定は、温度23±1℃、相対湿度55±1%の常温常湿環境下で実施することとする。
本発明の画像形成装置は、本発明の駆動ローラ1を、例えば紙送りベルト、転写ベルト、中間転写ベルト等に組み込んだことを特徴とするものである。
かかる本発明の画像形成装置としては、レーザープリンタや静電式複写機、普通紙ファクシミリ装置、あるいはこれらの複合機等の、電子写真法を利用した種々の画像形成装置が挙げられる。
(導電性熱可塑性エラストマ組成物の製造)
エステル型ウレタン系熱可塑性エラストマ〔デュロメータ タイプA硬さ:70°、BASFジャパン(株)製のエラストランC70A〕80質量部、および可塑剤としてのジプロピレングリコールジベンゾエート〔イーストマンケミカル社製のベンゾフレックス9‐88〕20質量部を、タンブラーを用いてドライブレンドした。
次いでこの混合物を、先に説明した、材料を混練しながら一方向に押し出す混練部、前記混練部に材料を供給するメインフィーダ、および前記混練部の、前記メインフィーダより材料の押出方向の前方側で前記混練部に材料を供給するサイドフィーダを備えた二軸混練押出機〔(株)アイベック製のHTM−38〕のメインフィーダを通して混練部に供給した。
ケッチェンブラックの配合量は、エステル型ウレタン系熱可塑性エラストマと可塑剤の総量100質量部あたり5質量部とした。
(駆動ローラ1の作製)
上記ペレットを、φ50短軸押出成形機〔(株)笠松化工研究所製〕に供給して、内径φ19、肉厚1.0mmの筒状に押出成形し、所定の長さにカットして、通孔2に、外径φ20mmのアルミニウム製のシャフト3を圧入したのち、外周面4を、肉厚が0.5mmになるまで研磨して、当該シャフト3が電気的に接合されるとともに機械的に固定された、図1の駆動ローラ1を製造した。
ケッチェンブラックの配合量を、エステル型ウレタン系熱可塑性エラストマと可塑剤の総量100質量部あたり3質量部(比較例1)、7質量部(実施例2)、15質量部(実施例3)、および20質量部(比較例2)としたこと以外は実施例1と同様にして導電性熱可塑性エラストマ組成物を製造し、同形状同寸法の駆動ローラ1を作製した。
〈比較例3〉
ケッチェンブラックを、サイドフィーダを使用せず、エステル型ウレタン系熱可塑性エラストマ、および可塑剤とともにタンブラーを用いて一段階でドライブレンドしたのち、メインフィーダを通して混練部に供給して混練したこと以外は実施例1と同様にして導電性熱可塑性エラストマ組成物を製造し、同形状同寸法の駆動ローラ1を作製した。
〈実施例4〉
エステル型ウレタン系熱可塑性エラストマと可塑剤に代えて、ポリエステル系熱可塑性エラストマ〔デュロメータ タイプA硬さ:77°、東レ・デュポン(株)製のハイトレル3046〕を用いたこと以外は実施例1と同様にして導電性熱可塑性エラストマ組成物を製造し、同形状同寸法の駆動ローラ1を作製した。
〈比較例4〉
エステル型ウレタン系熱可塑性エラストマと可塑剤に代えて、ポリエステル系熱可塑性エラストマ〔デュロメータ タイプA硬さ:88°、東レ・デュポン(株)製のハイトレル4047〕を用いたこと以外は実施例1と同様にして導電性熱可塑性エラストマ組成物を製造し、同形状同寸法の駆動ローラ1を作製した。
〈硬さ測定〉
実施例、比較例で作製した駆動ローラ1のデュロメータ タイプA硬さを、日本工業規格JIS K6253−3:2012「加硫ゴム及び熱可塑性ゴム−硬さの求め方−第3部:デュロメータ硬さ」所載の測定方法に則って測定した。測定は、温度23±1℃、相対湿度55±1%の常温常湿環境下で実施した。
〈押出成形性評価〉
実施例、比較例で製造した導電性熱可塑性エラストマ組成物のペレットを、先述の寸法の筒状に、連続的に安定して押出成形できる最大のラインスピードを求めて、押出成形性を評価した。
〈耐摩耗性評価〉
実施例、比較例で作製した駆動ローラ1を、カラーレーザー複合機〔キヤノン(株)製のSatera(登録商標)MF8280Cw〕の純正の、ポリイミド系の転写ベルトと組み合わせて、上記カラーレーザー複合機に組み込み、15万枚の連続通紙をした際に、駆動ローラ1の外径変化量が0.03mm以下であったものを良好(○)、0.03mmを超えたものを不良(×)と評価した。評価は、温度23±1℃、相対湿度55±1%の常温常湿環境下で実施した。
実施例、比較例で作製した駆動ローラ1の、ベルトに対する摩擦力Fを、温度23±1℃、相対湿度55±1%の常温常湿環境下、先に説明した測定方法によって測定した摩擦係数μから求めた。
なおベルトとしては、耐摩耗性評価で使用したのと同じ転写ベルトを使用した。
〈ローラ抵抗値測定〉
実施例、比較例で作製した駆動ローラ1のローラ抵抗値を、温度23±1℃、相対湿度55±1%の常温常湿環境下、先に説明した測定方法によって測定した。
〈分散状態評価〉
実施例、比較例で作製した駆動ローラ1について透過型電子顕微鏡(TEM)写真を撮影して、ケッチェンブラックの分散状態を評価した。
図4の実施例3の結果から、ケッチェンブラックを、サイドフィーダを介してあとから添加し、混練する工程を経ることにより、図5の比較例3に比べて、ケッチェンブラックを、凝集等を生じることなく均一に微分散できることが判った。
以上の結果を表1、表2に示す。
これに対し表1、表2の実施例1〜4の結果より、先に他の成分を混練し、あとからケッチェンブラックを追加して混練する二段階の工程を経ることで、ケッチェンブラックを良好に微分散させて、駆動ローラを十分に低抵抗化できることが判った。
2 通孔
3 シャフト
4 外周面
5 アルミニウムドラム
6 外周面
7 直流電源
8 抵抗
9 計測回路
f 荷重
V 検出電圧
10 中心軸
11 荷重計
12 錘
13 ベルト
P 荷重
W 荷重
θ 中心角度
Claims (6)
- 駆動ローラ形成用の導電性熱可塑性エラストマ組成物であって、実質的に、
デュロメータ タイプA硬さが60°以上、80°以下であるエステル型ウレタン系熱可塑性エラストマ、
可塑剤、および
前記駆動ローラのローラ抵抗値が105Ω台以下となるように、前記エステル型ウレタン系熱可塑性エラストマと可塑剤の混合物中に均一に微分散された、前記エステル型ウレタン系熱可塑性エラストマと可塑剤の総量100質量部あたり5質量部以上、15質量部以下のケッチェンブラック
からなる導電性熱可塑性エラストマ組成物。 - 前記エステル型ウレタン系熱可塑性エラストマEと可塑剤Pとの質量比E/Pは、E/P=55/45〜85/15である請求項1に記載の導電性熱可塑性エラストマ組成物。
- 材料を混練しながら一方向に押し出す混練部、前記混練部に材料を供給するメインフィーダ、および前記混練部の、前記メインフィーダより材料の押出方向の前方側で前記混練部に材料を供給するサイドフィーダを備えた二軸混練押出機を用いて、前記請求項1または2に記載の導電性熱可塑性エラストマ組成物を製造する製造方法であって、
前記混練部に、前記メインフィーダを通してケッチェンブラック以外の成分を供給して混練する工程、
前記混練部に、前記サイドフィーダを通してケッチェンブラックを供給して、先に混練した成分とさらに混練して微分散させる工程、
を含む導電性熱可塑性エラストマ組成物の製造方法。 - 前記請求項1または2に記載の導電性熱可塑性エラストマ組成物からなり、デュロメータ タイプA硬さが60°以上、80°以下である駆動ローラ。
- 導電性熱可塑性エラストマ組成物からなる駆動ローラであって、
前記導電性熱可塑性エラストマ組成物は、実質的に、
デュロメータ タイプA硬さが60°以上、80°以下であるポリエステル系熱可塑性エラストマ、および
前記駆動ローラのローラ抵抗値が105Ω台以下となるように、前記ポリエステル系熱可塑性エラストマ中に均一に微分散された、前記ポリエステル系熱可塑性エラストマ100質量部あたり5質量部以上、15質量部以下のケッチェンブラック
からなり、デュロメータ タイプA硬さが60°以上、80°以下である駆動ローラ。 - 前記請求項4または5に記載の駆動ローラを含む画像形成装置。
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