專利名稱：磁輥及其制造方法
技術領域：
本發明涉及磁輥，更具體地，本發明涉及泡沫注模成型的，樹脂粘結的磁輥。
背景技術：
在傳統的電子照相記錄設備中，用一種磁輥作為顯影磁輥或者清除磁輥。典型的磁輥包括一個圓柱形永磁體，比如樹脂粘結磁體，在其外表面上有大量的磁極，并有一個固定于該圓柱形永磁體的軸。
多極的磁輥一般由固定在凹槽軸上燒結的不連續磁體構成，或者由一種磁性粉末和樹脂的化合混合物構成，因此叫作樹脂粘結磁體。一般當要降低顯影輥的重量或者希望用一種特別的形狀時使用這種樹脂粘結的磁體。當圓柱形永磁體是樹脂粘結的磁體時，該磁輥一般這樣制造(1)將一種鐵磁粉末(通常是鐵氧體粉末)和一種聚合物材料(通常是橡膠或者塑料)相混合而制備成一種混合物(2)將該混合物裝入到一個注模成型模具中，并施加磁力，(3)在模具中冷卻并固化該圓柱形的樹脂粘結的磁體，(4)將由該圓柱形的樹脂粘結的磁體和軸組成的完全磁化了的整個坯體取出，(5)將整個坯體按適當的各向異性的方向進行磁化，從而在圓柱形的樹脂粘結的磁體上以形成磁極，由此得到最終的磁輥。
由于在鐵氧體/聚合物混合物中高的鐵含量以及在模制過程中使用的高的壓力，在磁輥制造中一般會引起模具磨損。另外，磁輥要是可用的，就必須具有物理特性，形貌特性和磁性的正確結合。這些性能極大地受到磁輥平直度的影響，平直度直接因模制時在磁輥中產生的應力而降低。模制應力直接與較高的模制壓力相關。
磁輥的成本通常是原料，加工和裝運成本的函數。所以，使用較少的原料，縮短加工時間和/或降低裝運成本可以潛在的降低每根磁輥的成本。另外，原料數量的減少可使磁輥冷卻更快，并改善周期時間，使得從每個模具中能夠制造出更多的磁輥。周期時間指在一臺注模機上制造一個磁輥所用的時間量。
一般地，制造磁輥需要一個高的鉗緊壓力和一個高的模制壓力。可以允許降低鉗緊壓力和/或模制壓力的配方進一步可以允許在更小更廉價的壓機上制造磁輥。另外， 目前傳統的制造技術經常在清除了模具上的溢料后重新開始，因此產生高的碎屑率。溢料的產生是制造壓力的函數，其中在制造磁輥過程中較低的壓力一般會減少溢料，相應地增加了輸出。另外，較低的模制壓力可降低注模應力，結果得到的部件尺寸更精確。
因此，有必要改善磁輥和/或改善磁輥的制造方法。
泡沫注模是熟知的，而且已知能夠得到前面提到的優點，特別是因為注模時形成的氣體顯著降低了模具中的內壓力。
發明簡述由此，本發明的一個優點就是提供這樣的磁輥，其因模制而產生的缺陷少的多，這減少了模制的周期時間，在模具中引起的內部磨損小的多，與傳統的磁輥相比，也包含了所用原料的減少，然而卻具有與傳統磁輥相似的機械和/或磁性能。更具體地，本發明的另一個優點是提供了顯示出與非泡沫磁輥相同的或者更好的磁性和機械性能的泡沫磁輥。
依據本發明的磁輥及其制造方法提供了這些以及另外的目的和優點，本發明中的磁輥包含一種泡沫樹脂磁性材料。
通常，這種磁輥包含一種泡沫樹脂磁性材料。該泡沫樹脂磁性材料包含磁性填料和樹脂粘結劑。
本發明也涉及制造磁輥的方法。該方法包括步驟將磁性填料，一種樹脂粘結劑和一種起泡劑裝入到一個密閉模具中；在密閉模具中釋放氣體；然后將所形成的磁輥從模具中取出。磁性填料，樹脂粘結劑和起泡劑在注模機的料筒中通過化學和熱的方式充分混合。氣體通過熱解釋放出來并/或于模具中在減小了的壓力下膨脹，直到總體積(內部空隙中充滿了氣體的熔體)增加到足夠將模具充滿。
這些磁輥可以很方便的制造，并顯示出所希望的磁性與機械性能的結合。參照下面的詳細描述，這些以及其它的目的和優點將更加明顯。
發明詳述依據本發明的磁輥適于用在電子照相設備中。在本說明書中，術語“起泡”和“發泡”可以互換使用，都表示同樣的意思。在本發明的一個實施方案中，將一種化學發泡或起泡劑以一種未活化的形式加入到磁性填料和樹脂粘結劑的混合物中，在模制過程中，該起泡劑在樹脂粘結劑中釋放出氣體。這種化學起泡劑可以用顆粒，粉末或者液體的狀態加入。在一個舉例方案中，該化學發泡劑包含顆粒，這樣就可方便地與通常同樣是顆粒狀的的磁性填料和樹脂結合劑相混合。典型的化學發泡劑包括但不限于Uniroyal Chemical的EXPANDEX5PT，DSM Engineering Plastics的FCN 1/8 50B和TRACEL PS 3200。
在一個舉例方案中，當化學發泡或起泡劑在注模機的料筒中以及注射后的模具中被加熱時，釋放出比如氮氣或者二氧化碳或者二者都有的氣體。在模具中，氣體釋放時所處的壓力比正常的要低。在模制過程中釋放出的氣體在模具中提供壓力導致樹脂粘結劑起泡。通常，在密閉模具中的內壓力會將磁性填料和/或樹脂粘結劑向模具的外邊緣推，并在每個部件的中心留下小的空隙，但是，當所產生的氣體的數量有限時，不會使這些小空隙向外部區域擴散。
在本發明的另一個實施方案中，將一種液態發泡劑，例如像由Trexel公司用“MuCell”工藝制成的液態發泡劑，注入到注模機的料筒中并加熱。該液態發泡劑在樹脂粘結劑的內部產生氣窩(gaspockets)或氣胞。MuCell微胞起泡技術用大氣氣體的超臨界流體在樹脂粘結劑中產生均勻分布的尺度一致的微胞。一般胞的直徑從10微米到50微米。在一個舉例方案中，這些胞的直徑大約為20微米。典型的液態發泡劑包括大氣氣體(比如CO2和N2)的超臨界流體(SCFs)。
本發明的磁輥包含一種泡沫樹脂磁性材料。在一個實施方案中，該泡沫樹脂磁性材料按重量比包含大約80-95％的磁性填料和大約5-20％的樹脂粘結劑。
典型的磁性填料可以包括鐵氧體填料，例如鋇鐵氧體和/或鍶鐵氧體。其它典型的磁性填料包括稀土鈷合金，稀土鐵硼合金或它們的混合物，或者這些合金中的一種或多種與一種或多種鐵氧體填料的混合物。
在該磁輥中可以使用任意的合適的樹脂粘結劑。在本發明的一個實施方案中，樹脂粘結劑包括聚氯乙烯，聚丙稀或尼龍。尼龍的例子包括，但不限于，尼龍-6，尼龍-12，尼龍-6/6和尼龍6/12。
在本發明的一個舉例方案中，該泡沫樹脂磁性材料進一步包括玻璃纖維，碳纖維，或者它們的混合物。包含玻璃纖維可以提高泡沫磁性材料的強度。包含碳纖維可以得到導電制品。該磁輥進一步可以包括在本技術領域中常規使用的任何的添加劑，包括但不限于增塑劑，氧化劑，偶聯劑以及其它相似的試劑。
盡管沒有理論證據，本發明者認為磁輥的磁性容量以及這些性能的均勻性依賴于磁體表面上可用的一致的磁性填料。在一個舉例方案中，內部的起泡劑滿足了這種需要，其在加熱下使熔體膨脹，此時，起泡劑從固態分解成氣態，將磁性填料和樹脂粘結劑壓迫到模具的外邊緣，結果在磁性填料和樹脂粘結劑的混合物中形成氣窩。當氣體將磁性填料壓迫到模具的外邊緣時，磁輥表面的磁性填料的一致性提高了。
在一個實施方案中，所用起泡劑的量按相對于樹脂粘結劑的重量比在大約0.1-1.5％。
在本發明的一個舉例方案中，磁性填料，樹脂粘結劑和起泡劑以顆粒的形式加入到一個輔助料斗(secondary hopper)中。磁輥可用任何的注模模具和注模機進行制造。
在另一個舉例方案中，該磁輥與相同尺寸的由非泡沫磁性填料和樹脂粘結劑制成的磁輥相比含有的磁性填料和樹脂粘結劑的總量至少少了5％，然而卻顯示出與其基本相當的磁性能，例如相同尺寸下，在磁體的可用長度范圍內為1000高斯。而且，在另一個實施方案中，本發明的磁輥與相同尺寸的由非泡沫磁性填料和樹脂粘結劑制成的磁輥相比含有的磁性填料和樹脂粘結劑的總量至少少了5％，然而卻顯示出與其基本相當的機械強度，例如，該泡沫磁體在僅從主軸的末端固定時，可以抵御15-22千克的作用到其中點的力。這一相當的機械強度意味著該磁體在裝運給加工機構或者最終用戶時不會被破壞。損壞的磁體會使打印盒無效。
本發明的一個優選配方按重量比為鍶鐵氧體(商業可獲的)-88％尼龍6(或者前述尼龍6系列的任意種類)-11％FCN 1/850B發泡劑-0.05％增塑劑，粘結劑等(標準下文討論)-1％優選的制品是這樣的磁輥，其具有一個長的圓柱形的中部，該中部具有非常精密的圓度公差，并且該磁輥具有從兩端擴展的中心軸，這兩個軸都是作為磁輥的一個整體部分成型的。這些軸要比磁輥小而且可能具有平面以在給定的應用中與驅動組件相連。這些軸是作為輥頸的，并且在各種情況下考慮到繞軸的旋轉，這些軸也要具有非常精密的公差。在Yamashita的US專利No.5583473中闡述了這種磁輥的一般原理，但其中不含有泡沫結構，也沒有將兩個軸一塊兒整體成型(一個是壓配上的)。US專利No.5583473中的圖3(b)顯示了兩個軸一塊兒整體成型的磁輥。
下面討論的對注模成型得到的這種磁輥的截面檢測表明，在中心附近有一些小氣泡聚集成束，在外部附近則沒有氣泡。這些起泡存在的程度，造成磁輥重量的降低。通過減輕重量實現了材料成本和加工運輸花費的降低。然而主要優點是，甚至當最終制品中氣泡很少或者沒有氣泡時，由于模制利用了由發泡劑產生的內部壓力，如上討論的那樣，碎屑率，周期時間和模具磨損都大大改善。
下面的實施例給出了依據本發明的磁輥的一個實施方案及其優點。在這一實施例以及本整個說明書中，除特別注明外，所用的都是重量分數和重量百分比。
實施例在本實施例中，制備了依據本發明的磁輥。磁輥配方在表1中列出，并用標準磁輥A作為不用起泡劑制造的對比磁輥。
表1
按如下所述制備磁輥。
使用泡沫的磁體加工方法這種方法使用一種標準注模機，該注模機具有一個可選的正截流噴嘴，以及可選地也可以包括一個數控加料斗。將化合后的磁體原料干燥大約4-6小時。這種化合原料包括磁性填料，樹脂和少量的添加劑，比如增塑劑，粘結劑等，它們隨所用的注模操作而變化(一般為所用的注模操作的一部分)。添加劑改善熔體流。一般包含大約材料重量的0.5-1％的添加劑。發泡劑(起泡劑)可以在干燥步驟之前或者之后加入，可選地，可用數控加料斗加入。依據發泡劑的量，將注模機的注料量調節到按重量大約減少4-20％。更具體地，在12％時得到了好的結果。
典型的工藝參數包括盡可能最快的注射速度(一般小于3秒鐘)。一般的，當注射時的熔體總量尺寸略小于模具容積時使用螺桿旋壓，但量要足夠大以使氣體的膨脹最終可填滿模腔。(這一注射量由實驗確定)。鉗緊壓力一般是通常情況下的50％。確定了一種反向的料筒溫度分布，其比通常后溫度區低的溫度，這是將氣體保持在料筒中的標準。所用注模機背壓力為150-200psi，比通常的要高(正常背壓力通常為60psi)。一般地，采用了尼龍6的正常熔體的溫度大約為555-560°F。
對于所制得的每個磁輥，都進行了如下檢測平直度測量，拉伸強度以及磁性變化。用電子測徑儀，比測器和/或坐標測量儀測量平直度；用一個22kg的測力器測定拉伸強度，將磁輥通過末端軸固定，使其承受加在磁輥中間的15kg的載荷，檢測脆性，從而得到拉伸強度；通過將本發明的磁輥磁場和傳統的非泡沫磁輥的磁場相比較來檢測磁性變化；磁性測量以相對于定位區(末端軸平面)的極角進行。
表2 中歸納了本實施例的結果。
表2“泡沫”對強度，平直度和/或磁性的影響
一般將尼龍原料與填料，比如玻璃，碳或者磁鐵氧體材料，相混合。
1.跳動(平直度)測量與2X平直度測量等價，但跳動測量考慮了末端軸的變化。
2.磁輥通過末端支撐，作用力施加在中點。
3.磁性測量一般為1000高斯的2％，±20gauss。
4.磁輥E，F，I和J代表的是具有較多或較少泡沫含量的依據實驗外推得到的數據。
從表2中可以看出，利用本發明可以使重量減少達到12％(實驗樣品L)，圓形平直度減少到0.2mm。然而，太高的泡沫水平會對內部結構和/或磁體的外表性能帶來破壞性的影響。
將這種泡沫磁輥用50比1的立體顯微鏡進行觀測來確定泡沫胞的結構和形貌。這些檢測表明沿磁輥中樞軸向分布的空隙變化程度正比于泡沫的用量。
前面給出的各種本發明的實施方案的目的都是為了進行闡釋和描述。并不意味著是詳盡的或者將本發明局限在所公開的確定形式。對本領域技術人員來講，顯然可有許多的備選方案，完善以及更改。因此，本發明要包括在這里已討論的所有的備選方案，完善和更改形式，以及其它的只要落在本發明權利要求的主旨和廣闊范圍內的形式。
權利要求
1.一種包含一種泡沫樹脂磁性材料的磁輥。
2.權利要求1中的磁輥，其中的泡沫樹脂磁性材料按重量比包括大約80-95％的磁性填料和大約5-20％的樹脂粘結劑。
3.權利要求2中的磁輥，其中的磁性填料包含一種鐵氧體填料。
4.權利要求2中的磁輥，其中的磁性填料包含鋇鐵氧體，鍶鐵氧體，稀土鈷合金，稀土鐵硼合金或者它們的混合物。
5.權利要求2中的磁輥，其中的樹脂粘結劑包含尼龍。
6.權利要求2中的磁輥，其中的樹脂粘結劑包含尼龍-6，尼龍-12，尼龍-6/6，尼龍-6/10，尼龍-6/12，聚氯乙稀或者聚丙烯。
7.權利要求4中的磁輥，其中的鐵氧體填料包含鍶鐵氧體填料。
8.權利要求2中的磁輥，其中的泡沫樹脂磁性材料進一步包含玻璃纖維，碳纖維或者它們的混和物。
9.權利要求2中的磁輥，其中該磁輥與相同尺寸的由非泡沫磁性填料和樹脂粘結劑制成的磁輥相比含有的磁性填料和樹脂粘結劑至少少了5重量％，并且顯示出與相同尺寸磁輥基本相當的磁性能。
10.權利要求2中的磁輥，其中該磁輥與相同尺寸的由非泡沫磁性填料和樹脂粘結劑制成的磁輥相比含有的磁性填料和樹脂粘結劑至少少了5重量％，并且顯示出與相同尺寸磁輥基本相當的機械強度。
11.一種制造磁輥的方法，包括步驟將磁性填料，一種樹脂粘結劑和一種起泡劑裝入到一個密閉模具中；在密閉模具中釋放大氣氣體；然后將所得制成的磁輥從模具中取出。
12.權利要求12中的方法，其中起泡劑的用量基于樹脂粘結劑的重量，按重量比在大約0.1-2.0％。
13.權利要求12中的方法，其中起泡劑包括一種可產生氮氣，二氧化碳氣或者它們的混和物的化學發泡劑。
14.權利要求12中的方法，其中起泡劑包括一種產生二氧化碳氣的化學發泡劑。
15.權利要求12中的方法，其中起泡劑包括一種氣體，這種氣體被注射到模具中。
全文摘要
一種用于電子照相的包括一種泡沫樹脂磁性材料的磁輥。一種制造這種磁輥的方法，包括步驟將磁性填料，一種樹脂粘結劑和一種起泡劑裝入到一個密閉模具中；在密閉模具中活化起泡劑，并將所得泡沫輥從模具中取出。
文檔編號F16C13/00GK1552002SQ02817405
公開日2004年12月1日 申請日期2002年7月3日 優先權日2001年7月25日
發明者M·J·迪克森, R·E·哈克特, J·L·麥克圭勒, M J 迪克森, 哈克特, 麥克圭勒 申請人:萊克斯馬克國際公司