專利名稱：電子照相設備的碳盒用的密封墊的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種在復印機，打印機，傳真機等中所用的電子照相設備的碳盒用的密封墊。
這種碳盒用于貯備稱為調色劑的熱熔碳粉，并且通過它的壁伸延支撐著一個旋轉軸，以及具有幾個用于攪拌調色劑的葉片或一個用于將碳粉供給至光敏鼓的一個磁輥。
旋轉軸通常通過幾個軸承被安裝在碳盒上。環形的密封裝置，通常被稱為“密封墊”，被放置在旋轉軸和軸承之間以防止碳粉進入軸承中。
傳統的用于碳盒的密封墊通常是由二烯或尿烷橡膠制造的，例如，腈橡膠(NBR)，苯乙烯—聚丁橡膠(SBR)，以及氯丁二烯橡膠(CR)。雖然這些密封墊表現出良好的密封特性，但是由于在密封墊和軸間的摩擦阻力太高以致于需要使用潤滑劑，例如，軸和密封墊間的滑動接觸面上放上潤滑劑。
傳統的墊圈有幾個問題，這就是所加的潤滑劑往往會污染碳粉，以及潤滑劑會隨著時間的推移而減少，直至在軸和墊圈之間出現粘附滑移從而將增加摩擦阻力，在最壞的情況下，其能夠破壞密封墊。
為改善橡膠密封墊現已作出各種努力來降低摩擦，并提高耐磨性。但是沒有獲得令人滿意的結果。
其中一個解決方案是把四氟乙烯樹脂薄層壓制在橡膠墊圈上(見已審查過的日本專利公開46-23681)，這種薄層會剝離開橡膠密封墊，因為碳盒密封墊是裝在旋轉軸上的，尺寸要相對小一些。因此耐久性很低。另外，疊壓在密封墊上的薄層需要復雜的制造工藝，因此會花費高的制造費用。
油浸透橡膠制成的密封墊，即用潤滑油浸透的二烯橡膠在機械強度方面極低。另外，它的滑動特性不穩定，因為它們會隨時間推移而損壞。
含有橡膠基底和四氟乙烯樹脂涂層的密封墊存在一個問題，這就是當四氟乙烯涂層薄膜用烘烤的方法形成時，橡膠基底會變質。這樣所形成的密封墊耐磨性很低。此外，當橡膠變形時涂層薄膜不能恰好沿著橡膠輪廓變形，這就使得涂層薄膜會因安裝密封墊時密封墊伸長而剝落下來。
利用氯溶液進行處理或是利用等離子處理的密封墊使其具有的橡膠表面變平，這種密封墊在滑動特性方面很差。
由一種包括二烯橡膠，硅橡膠或氟橡膠為主要成分，以及一種固態潤滑劑，比如，四氟乙烯樹脂(特氟隆)或是硅潤滑劑的合成物制成的密封墊有較低的摩擦系數。但是這種密封墊太硬，以致于它的密封能力很差。另外，就橡膠的主要成分來說，由于固體潤滑劑的濕潤度低，密封墊的扯裂強度極低，并且它的耐摩性也很差。
在用于獲得清晰圖象的電子照相技術中，用于減少碳粉顆粒尺寸以及產生彩電圖象的工藝技術正在迅猛發展。這樣，現在用于電子照相設備中的密封墊就需要有更精確更可靠的密封性能。另外，隨著現代電子照相設備操作速度的提高，對于密封墊的低摩擦和抗磨力的要求也不斷增加。
本發明的目的是提供一種用于電子照相設備中的碳粉盒的墊圈，其由彈性橡膠制成。并具有高的密封性能，它能持久地和穩定地表示出低的摩擦性能和高的抗磨性能。
根據本發明，提供了電子照相設備中用于碳粉盒的一種密封墊，這種墊圍繞通過碳粉盒延伸的旋轉軸安裝著，以密封住碳粉盒中的碳粉，這種密封墊是由包括按丙烯腈—丁二烯橡膠的重量計100份，四氟乙烯樹脂的重量計10-100份，球形石墨粉的重量計5-80份的潤滑橡膠合成物制成的。
按照權利要求1所限制的墊圈，其中由共沉積乳劑—聚合的四氟乙烯樹脂粉末和碳材料形成了四氟乙烯樹脂粉末，以使碳材料從粉末顆粒的表面突出來。
本發明的其他特征和任務將從下面的說明中并結合各個附圖的描述變得更加明顯，其中
圖1是在橡膠基底中的四氟乙烯樹脂粉末的示意圖；圖2是一個實施例的密封墊的剖視圖；圖3是一個帶有該實施例的密封墊的碳粉盒的剖視圖；以及圖4是另一個實施例的剖視圖。
本發明所用的丙烯腈—丁二烯橡膠(簡稱為NBR)可用任何已知的方式合成，就目前情況來看，它在溫室條件下具有橡膠的足夠的回彈力。
這樣，它能夠借助于在15-50％范圍內調整阿克列綸腈的含量來改變NBR(其是丁二烯和丙烯腈的共聚物)的物理特性。例如，腈的含量可調至低范圍，即低于24％，中范圍，即24-30％，中高范圍，即30-36％，高范圍，即36-42％，或極高范圍，即、超過42％。為了獲得較高的抗磨性，抗老化，以及扯裂強度，腈含量應該盡可能地高。但是為了增加這些特性而又不削弱橡膠的回彈力，抗冷以及低溫特性，腈的含量不應低于約24％，并且不高于約42％。
作為NBR，它希望用具有5萬或更高的分子量的。分子量越大，結果越好。因此，可取地是NBR具有7萬或更高的分子量，更可取的是具有10萬至50萬的分子量。商業上可買到的滿足這些條件的NBR包括由日本人造橡膠有限公司制造的JSR-N。
由日本ZEON制造的NIPOL。
由Goodyear制造的CHEMIGUM。
在本發明中所用的四氟乙烯樹脂(PTFE)粉末可用懸浮聚合法形成壓型粉末或用乳膠聚合法形成一種細粉末。另外，它可以通過加壓工藝，加熱工藝，以及研磨工藝，進一進對因此而成粉末狀的樹脂經過γ射線或電子束照射或是通過聚合工藝并對聚合了的樹脂進行γ射線或電子束照射而形成。所得到的樹脂的顆粒直徑應為20μm或更小。商業上可買到的這些樹脂包括由DAIKIN制造的LUBLON L10由Asahi Glass制造的FLUON G163，CD1，FLUON，Lubricants L169，L182J由Mitsui Dupont Fluorochemical制造的Teflon 7J圖1給出了PTFE粉末較好形成的放大示意圖。這種粉末帶有碳材料12，例如，從在PTFE粉末顆粒11的表面上突起或伸出的鱗狀石墨粉。
可用共沉淀的乳膠聚合物細粉末和碳材料一起制成這種PTFE粉末，接著使它們凝固，然后進行清洗和干燥。另外，可用于混合將PTFE粉末與碳材料一起來制造，以使這種碳材粉伸出粉末顆粒的表面。
本發明所用的碳材料可以是一般的碳粉末，石墨粉或是任何其他的晶狀粉末。而石墨粉晶狀結構由于石墨化處理改善了其潤滑性能是最為令人滿意的。另外，這種碳原料可以是HAF，SAF，FEF，或MT，是通常用作橡膠材料的大結構的碳塊。
如圖1所示，碳原料12從PTFE粉末11顆粒的所有方向上向外伸出(徑向)，以使粉末11在橡膠結構中由于借助碳材料的物理堆積效應而保持穩定。另外，由于橡膠基底11與碳材料12的高親合力，這種包括橡膠基底13和PTFE粉末11組成的成分揉成一體的強度比包括PTFE粉末而不含碳材料的橡膠組合物強度更高。
本發明所用的球形石墨粉可以是人造纖維紡紗獲得的一種副產品，或是可以在結晶的情況下苯酚樹脂與仲甲醛起化學反應，使其聚合后變成球形材料而產生出來。這種聚合后的材料還可進行烘干并且使其變成粉末狀。商業上可以使用的球形石墨粉包括由大阪氣體化學制造的MESO，CARBON，MICRO，BEAS由Kanebo制造的BELL PEARL由日本碳制造的MICRO CARBON BEAS最好按比率以重量計，相對于NBR 100份來計算，應加入10-100份的PTFE粉末。如果這個比率少于按重量計的10份，NBR的摩擦特性將不會得到充分改善。如果比率高于按重量計的100份，橡膠硬度將太高，以致于不能保持足夠的回彈力。此外，機械強度將明顯下降，這種組合物在實際上很少制造使用。
按比率以重量計NBR的100份，應加入5-80份的球形石墨粉。若少于占重量計的5份則NBR的抗磨性將不會充分改善。若大于按重量計的80份，橡膠硬度將會太高，以致于不能保持足夠的回彈力。此外，機械強度將明顯下降，實際上很少制造使用這種組合物。
根據本發明，按照這種比率添加的這些添加劑將不會損害本發明的目的，例如下面給出的各種已知添加劑可以加進橡膠組合物中。(1)增強劑碳塊，硅石，粘土，碳化鈣，氫氧化鎂，氫氧化鋁，氧化鋁，滑石粉，云母，陶土，膨潤土，殼粉，硅灰石，碳化硅，玻璃粉末，碳粉末，硼纖維，叔胺纖維，等等。(2)硫化助劑氧化鋅，脂肪酸，等等。(3)硫化催化劑胍，硫，醛—胺，鋅，等等。(4)增塑劑二甲基酞酸鹽，二辛基酞酸鹽，等等。(5)抗氧化劑各種胺，各種酚，等等。(6)其他各種抗氧化劑，各種紫外線吸收劑，各種防燃劑，各種染色劑，等等。
為了在形成期間改善釋放性能，可以增加非粘性表面，油蠟或潤滑劑。但是所增加的比率不能影響橡膠產品的機械強度，即、相對于按NBR重量為100份來計、按重量的2-20份，更可取的為按重量的5-10份。
作為固體潤滑劑，除了PTFE，還可以加入熔化的氟樹脂，例如四氟乙烯—乙烯共聚物(ETFE)，四氟乙烯—過氟烷基乙烯基乙醚共聚物(PFA)，四氟乙烯—六氟丙烯共聚物(FEP)。
這些材料可以用已知的任何方法混合在一起。例如，NBR作為主要成分而其他輔助劑一個接一個地或是同時倒入滾筒混合器，螺旋漿式混合器，攪拌機或任何其他類型的混合機把它們混合在一起。更好地情況下帶有一個溫度控制器，以抑制由于摩擦產生的熱現象。如果使用滾筒混合器，更可取的是在各滾筒間進行混合后再在滾筒距離為3mm或更小的窄距離處進行混合的最終步驟。
按照本發明來制造密封墊的方法不限定任何具體的型式。例如，利用通常的模壓方法(例如，在50-150kgf/cm2壓力下，在170℃時，保持10-30分鐘)，對原材料進行硫化處理而形成這種墊，然后，使材料經受二次硫化處理(例如，在沒有加壓的情況下，在150-180℃時，保持2-20小時)。
按照本發明所述的密封墊可以由潤滑橡膠組合物形成一個整體而構成。而由比橡膠組合物更硬的材料形成了不用于滑動接觸的墊的那部分解決了設計上所需要的多種樣式，這樣將是最令人希望的。
圖2給出這種類型的密封墊。墊圈3包括了由潤滑橡膠制成的并沿著它的內邊密封緣形成V型環1，以及固定在環1上的環形金屬框2。
為了將如圖2所示的密封墊3安裝到如圖3中所示的碳粉盒上，軸承6被通過托架5固定到碳粉盒4的相對的兩壁上，然后把密封墊3固定到托架5圍繞軸孔形成的凹槽中。在圖3中，數字7代表著攜帶滾筒的軸。碳粉盒里裝滿了碳粉8。
如圖4所示，為了減少零件數目，每個密封墊3可以固定在由滑動軸承9中形成的凹槽里面，滑動軸承9是由環繞著其軸孔的潤滑樹脂組合物制成的。
根據本發明的密封墊可以具有除附圖所示的其他形狀。例如，它可以是O型環，V形環，D型環，X型環或是方型環的形狀。對于較高的密封能力來說，它應是X型環或是V型環，其具有一個適合和嚙合軸的外周邊緣滑動接觸的邊緣。如果本發明的密封墊用作磁輥的軸承密封墊圈之用，那么它可以是半圓的或是1/3圓環形的。為改善密封能力，即、完全防止調色劑的泄漏，墊圈可以帶有相互平行排列的多個凸緣。
用于各個例子和比較例子中的原材料在下面將予以說明。它們的含量相對于按NBR重量計100份的占重量的不同份額，NBR是主要成分。
(NBR基本組分A)(高腈含量型，腈含量為36-42％)由日本人造橡膠有限公司制造的JSR220S按重量計100份硬脂酸鈉普通工業材料按重量計1份碳塊FEF 按重量計30份硫化催化劑1TT(Ohuchi Sinko Kagaku Kogyo產品)按重量計2份硫化催化劑2M(Ohuchi Shinko Kagaku Kogyo產品)按重量計2份硫化輔助劑氧化鋅(活化鋅白)按重量計10份硫化劑硫 按重量計1.0份(NBR基本組分B)(中腈含量型，腈含量占36-42％)由日本人造橡膠有限公司制造的JSR240S
按重量計100份硬脂酸鈉普通工業材料按重量計1份碳塊FEF 按重量計30份硫化催化劑1TT(Ohuchi Sinko Kagaku Kogyo產品)按重量計2份硫化催化劑2M(Ohuchi Shinko Kagaku Kogyo產品)按重量計2份硫化輔助劑氧化鋅(活化鋅白)按重量計10份硫化劑硫 按重量計1.0份(潤滑劑)(1)PTFE與石墨粉共沉淀(PTFE-1)借助于乳膠—聚合物PTFE和按重量比7∶3的平均顆粒直徑為6μm的石墨粉共沉淀來獲得它，接著將它們凝固成一體，并且加以清洗。(2)PTFE與石墨粉干混合(PTFE-2)用Asahi Glass(潤滑劑L182J)制造的干混合PTFE與占重量比為7∶3的平均顆粒直徑為6μm的石墨粉在Henschel混合器里進行混合后得到它。(3)PTFE(PTFE-3)由Asahi Glass制造的PTFE潤滑劑L182J(4)ETFE(AFLON COP Z8820，Asahi Glass產品)(5)球形石墨粉(BELL PEARL C2000 Kanebo產品)(6)硅油(KF96-300，Shinetsu Silicone產品)(例子1-9，比較例1-5)NBR(220S或240S)圍繞著一個滾筒混合器，該滾筒混合器的滾筒距離調至5-10mm。以基本組分A或B所說明的比率將無機填充劑，抗氧化劑，碳，硫以及硫化催化劑一個接一個地加入。最后，PTFE的和其化的填充劑按表1和表2所述的比率加進去，并且攪拌在一起。
將兩個滾筒間距離調窄至1mm后在其間經過10次就獲得了混合物。這段時間里，將冷卻水不斷地加入通過兩個滾筒以抑止摩擦熱，即、保持滾筒溫度低于600℃。在冷卻水的供給停止后，所發生的水蒸汽通過滾筒可使橡膠的溫度增加70-90℃。然后混合的材料在兩個滾筒間距離調窄至1mm后反復經過10次。這樣就得到10kg的混合物將所得到的混合物，放在300mm×300mm，1mm厚的壓模中，首先在120kgf/cm2壓力下。在160℃溫度中10分鐘，然后，在沒有壓力的情況下，在150℃溫度下4小時以進行硫化處理。所獲得的成薄片形狀的試驗塊要進行動態摩擦系數，磨損系數以及機械性能(表面硬度，應力強度以及拉伸度)的測試。
另外，具有如圖2所示形狀的密封墊測試塊當它們裝在實際設備中時接受到耐用性的測試。這些測試以下述的方式進行。
(a)磨損/磨擦測試將內徑為17mm，外徑為21mm的環型測試塊粘接上一個17×21×100厚度(mm)的鋁合金環作為磨損測試塊，作為一個底墊元件，使用了拋光后的軸承鋼(SUJ2)。在圓周速度為1.0m/min，表面壓力為3.0kgf/cm2測試時間為100小時的條件下，使用一臺軸向磨損測試相對試樣進行測試。在測試開始時(在表中用“int”表示)和50小時后及100小時測得動態摩擦系數以及磨損系數(×10-10cm3/kgf·m)在表3和4中列出。
(b)機械性能關于硬度(JIS-A)，應力強度(kgf/cm2)以及拉伸度(％)要在JIS-K6301上對類似于薄片的測試塊進行測試。其結果在表3和表4中給出。
(c)裝在實際設備中的耐用性(摩擦和泄漏測試)將如圖2所示部分由金屬制成的密封墊(內徑為7.5mm)固定在圖3所示的碳粉盒中。碳粉盒的滾筒運載軸7(直徑為8.0mm)以轉速為500rpm轉動。對軸旋轉1小時，500小時，以及1000小時時測量其扭矩。同時，用肉眼檢查碳粉8(調色劑)有沒有泄漏現象。在1000小時那點，還要檢查每個密封墊的邊緣有沒有損壞。在表中分別用標志X和0來代表邊緣有嚴重損壞和沒有損壞。在這個測試中，耐用性是在干燥條件下估算出來的，即沒有加入潤滑油或任何其他的潤滑劑。其結果在表3和表4中給出。
(比較例6)包含NBR基本組分B的一種混合物是用以比較例1相同的方法制備出來的。這樣所獲得的混合物形成了和比較例1相同方式的測試塊。用噴射涂料在每個測試塊上形成大約15m厚度的涂層，所用于測試塊的為商業上可買到的涂層材料(Emralon 345 JAPAN ACHESON產品)。這種帶涂層的測試塊在80℃溫度下在電子爐里烘烤1小時而被烘干。
所獲得的這個測試塊經歷了與實例相同的試驗。試驗結果在表4中給出。
從表3和4可以看出，比較例1，其僅含有普通的NBR成份，所以其摩擦系數以及磨耗大。比較例2和3包含著NBR和PTFE，在摩擦系數方面比橡膠基底稍微低些。但磨損系數沒有改善。比較例4包含了球形石墨粉，摩擦系數高，致使當在實際設備中進行測試時摩擦扭矩極高，雖然抗磨性稍微得到改善。比較例5包含了硅油，它在機械強度(應力強度)方面極低，而磨損性方面極壞。在任何比較例中，磨耗都是這么大，以致于當在實際設備上測試它們時，都可以看到調色劑泄漏現象。
相反，在實例1-9中，其所包含的粉末PTFE具有從粉末顆粒表面伸出來的碳材料，以及包含了球形石墨粉，這些例子在機械強度方面很高，摩擦系數很低，并且抗磨性很高。當在一臺實際設備上測試它們時，它們用穩定的方式呈現出低摩擦和高抗磨性能。它們的密封性能還杰出地表現在沒有調色劑的泄漏。
按照本發明，用于電子照相設備的碳粉盒的密封墊由潤滑性的橡膠組合物構成，其成分包括丙烯腈—丁二烯橡膠，具有從粉末顆粒表面伸出碳材料的四氟乙烯樹脂粉末，以及按預定比率的球形石墨粉。它所表現出的優秀的密封性能得益于它的橡膠組分的回彈力。此外，它的摩擦低，抗磨性和耐用性高。表1
表2
表3
*×10-10cm3/(kgf·m)表4
*×10-10cm3/(kgf·m)NG嚴重磨損以致不可能繼續試驗。
權利要求
1.一種用于電子照相設備中碳粉盒的密封墊，所說的墊圈環繞著安裝在通過所說碳粉盒伸出的一個旋轉軸上，用以密封所說碳粉盒中的碳粉，所說的墊圈由潤滑橡膠的組合物形成，其包含按丙烯腈-丁二烯橡膠重量計為100份，四乙烯樹脂粉末重量計10-100份，以及球形石墨粉重量計5-80份。
2.按權利要求1所述的密封墊，其中所說的四氟乙烯樹脂粉末由乳膠—聚合四氟乙烯樹脂粉末和碳材料共沉淀而形成，以使碳材料從粉末顆粒的表面伸出來。
3.按權利要求1所述的密封墊，其中所說的四氟乙烯樹脂粉末由與碳材料干混合的四氟乙烯樹脂粉末形成，以使碳材料從粉末顆粒的表面伸出來。
4.一種用于電子照相設備中碳粉盒的密封墊，所說的墊圈環繞著安裝在通過所說的碳粉盒伸出的一個旋轉軸上，用于密封所說碳粉盒中的碳粉，所說的墊圈包括一個與所說的旋轉軸滑動接觸的第一部分，以及一個與所說的旋轉軸不滑動接觸的第二部分，所說的第一部分由潤滑橡膠組合物構成，其包含按丙烯腈—丁二烯橡膠重量計為100份，四氟乙烯樹脂粉末重量計10-100份，以及球形石墨粉重量計5-80份，所說的第二部分由比所說的橡膠組合物更硬的材料構成。
全文摘要
一種用于電子照相設備的碳粉盒的密封墊，其由彈性橡膠制成，并且在密封性能方面很高，其在耐用性和穩定性方面顯示出低的摩擦性能，以及高的抗磨性。該墊圈與延伸通過電子照相裝置的碳粉盒的一個旋轉軸滑動接觸。該墊圈由潤滑橡膠組合物形成，組合物包含按丙烯腈-丁二烯橡膠重量計為100份，四氟乙烯樹脂粉末重量計10-100分，四氟乙烯樹脂粉末具有從粉末顆粒表面向外伸出的碳材料，以及球形石墨粉重量計5-80份。
文檔編號G03G15/08GK1157428SQ9611440
公開日1997年8月20日 申請日期1996年9月26日 優先權日1995年9月27日
發明者梅本升, 沖芳郎 申請人:Ntn株式會社