专利名称：磁辊及其制造方法
技术领域：
本发明涉及磁辊，更具体地，本发明涉及泡沫注模成型的，树脂粘结的磁辊。
背景技术：
在传统的电子照相记录设备中，用一种磁辊作为显影磁辊或者清除磁辊。典型的磁辊包括一个圆柱形永磁体，比如树脂粘结磁体，在其外表面上有大量的磁极，并有一个固定于该圆柱形永磁体的轴。
多极的磁辊一般由固定在凹槽轴上烧结的不连续磁体构成，或者由一种磁性粉末和树脂的化合混合物构成，因此叫作树脂粘结磁体。一般当要降低显影辊的重量或者希望用一种特别的形状时使用这种树脂粘结的磁体。当圆柱形永磁体是树脂粘结的磁体时，该磁辊一般这样制造(1)将一种铁磁粉末(通常是铁氧体粉末)和一种聚合物材料(通常是橡胶或者塑料)相混合而制备成一种混合物(2)将该混合物装入到一个注模成型模具中，并施加磁力，(3)在模具中冷却并固化该圆柱形的树脂粘结的磁体，(4)将由该圆柱形的树脂粘结的磁体和轴组成的完全磁化了的整个坯体取出，(5)将整个坯体按适当的各向异性的方向进行磁化，从而在圆柱形的树脂粘结的磁体上以形成磁极，由此得到最终的磁辊。
由于在铁氧体/聚合物混合物中高的铁含量以及在模制过程中使用的高的压力，在磁辊制造中一般会引起模具磨损。另外，磁辊要是可用的，就必须具有物理特性，形貌特性和磁性的正确结合。这些性能极大地受到磁辊平直度的影响，平直度直接因模制时在磁辊中产生的应力而降低。模制应力直接与较高的模制压力相关。
磁辊的成本通常是原料，加工和装运成本的函数。所以，使用较少的原料，缩短加工时间和/或降低装运成本可以潜在的降低每根磁辊的成本。另外，原料数量的减少可使磁辊冷却更快，并改善周期时间，使得从每个模具中能够制造出更多的磁辊。周期时间指在一台注模机上制造一个磁辊所用的时间量。
一般地，制造磁辊需要一个高的钳紧压力和一个高的模制压力。可以允许降低钳紧压力和/或模制压力的配方进一步可以允许在更小更廉价的压机上制造磁辊。另外， 目前传统的制造技术经常在清除了模具上的溢料后重新开始，因此产生高的碎屑率。溢料的产生是制造压力的函数，其中在制造磁辊过程中较低的压力一般会减少溢料，相应地增加了输出。另外，较低的模制压力可降低注模应力，结果得到的部件尺寸更精确。
因此，有必要改善磁辊和/或改善磁辊的制造方法。
泡沫注模是熟知的，而且已知能够得到前面提到的优点，特别是因为注模时形成的气体显著降低了模具中的内压力。
发明简述由此，本发明的一个优点就是提供这样的磁辊，其因模制而产生的缺陷少的多，这减少了模制的周期时间，在模具中引起的内部磨损小的多，与传统的磁辊相比，也包含了所用原料的减少，然而却具有与传统磁辊相似的机械和/或磁性能。更具体地，本发明的另一个优点是提供了显示出与非泡沫磁辊相同的或者更好的磁性和机械性能的泡沫磁辊。
依据本发明的磁辊及其制造方法提供了这些以及另外的目的和优点，本发明中的磁辊包含一种泡沫树脂磁性材料。
通常，这种磁辊包含一种泡沫树脂磁性材料。该泡沫树脂磁性材料包含磁性填料和树脂粘结剂。
本发明也涉及制造磁辊的方法。该方法包括步骤将磁性填料，一种树脂粘结剂和一种起泡剂装入到一个密闭模具中；在密闭模具中释放气体；然后将所形成的磁辊从模具中取出。磁性填料，树脂粘结剂和起泡剂在注模机的料筒中通过化学和热的方式充分混合。气体通过热解释放出来并/或于模具中在减小了的压力下膨胀，直到总体积(内部空隙中充满了气体的熔体)增加到足够将模具充满。
这些磁辊可以很方便的制造，并显示出所希望的磁性与机械性能的结合。参照下面的详细描述，这些以及其它的目的和优点将更加明显。
发明详述依据本发明的磁辊适于用在电子照相设备中。在本说明书中，术语“起泡”和“发泡”可以互换使用，都表示同样的意思。在本发明的一个实施方案中，将一种化学发泡或起泡剂以一种未活化的形式加入到磁性填料和树脂粘结剂的混合物中，在模制过程中，该起泡剂在树脂粘结剂中释放出气体。这种化学起泡剂可以用颗粒，粉末或者液体的状态加入。在一个举例方案中，该化学发泡剂包含颗粒，这样就可方便地与通常同样是颗粒状的的磁性填料和树脂结合剂相混合。典型的化学发泡剂包括但不限于Uniroyal Chemical的EXPANDEX5PT，DSM Engineering Plastics的FCN 1/8 50B和TRACEL PS 3200。
在一个举例方案中，当化学发泡或起泡剂在注模机的料筒中以及注射后的模具中被加热时，释放出比如氮气或者二氧化碳或者二者都有的气体。在模具中，气体释放时所处的压力比正常的要低。在模制过程中释放出的气体在模具中提供压力导致树脂粘结剂起泡。通常，在密闭模具中的内压力会将磁性填料和/或树脂粘结剂向模具的外边缘推，并在每个部件的中心留下小的空隙，但是，当所产生的气体的数量有限时，不会使这些小空隙向外部区域扩散。
在本发明的另一个实施方案中，将一种液态发泡剂，例如像由Trexel公司用“MuCell”工艺制成的液态发泡剂，注入到注模机的料筒中并加热。该液态发泡剂在树脂粘结剂的内部产生气窝(gaspockets)或气胞。MuCell微胞起泡技术用大气气体的超临界流体在树脂粘结剂中产生均匀分布的尺度一致的微胞。一般胞的直径从10微米到50微米。在一个举例方案中，这些胞的直径大约为20微米。典型的液态发泡剂包括大气气体(比如CO2和N2)的超临界流体(SCFs)。
本发明的磁辊包含一种泡沫树脂磁性材料。在一个实施方案中，该泡沫树脂磁性材料按重量比包含大约80-95％的磁性填料和大约5-20％的树脂粘结剂。
典型的磁性填料可以包括铁氧体填料，例如钡铁氧体和/或锶铁氧体。其它典型的磁性填料包括稀土钴合金，稀土铁硼合金或它们的混合物，或者这些合金中的一种或多种与一种或多种铁氧体填料的混合物。
在该磁辊中可以使用任意的合适的树脂粘结剂。在本发明的一个实施方案中，树脂粘结剂包括聚氯乙烯，聚丙稀或尼龙。尼龙的例子包括，但不限于，尼龙-6，尼龙-12，尼龙-6/6和尼龙6/12。
在本发明的一个举例方案中，该泡沫树脂磁性材料进一步包括玻璃纤维，碳纤维，或者它们的混合物。包含玻璃纤维可以提高泡沫磁性材料的强度。包含碳纤维可以得到导电制品。该磁辊进一步可以包括在本技术领域中常规使用的任何的添加剂，包括但不限于增塑剂，氧化剂，偶联剂以及其它相似的试剂。
尽管没有理论证据，本发明者认为磁辊的磁性容量以及这些性能的均匀性依赖于磁体表面上可用的一致的磁性填料。在一个举例方案中，内部的起泡剂满足了这种需要，其在加热下使熔体膨胀，此时，起泡剂从固态分解成气态，将磁性填料和树脂粘结剂压迫到模具的外边缘，结果在磁性填料和树脂粘结剂的混合物中形成气窝。当气体将磁性填料压迫到模具的外边缘时，磁辊表面的磁性填料的一致性提高了。
在一个实施方案中，所用起泡剂的量按相对于树脂粘结剂的重量比在大约0.1-1.5％。
在本发明的一个举例方案中，磁性填料，树脂粘结剂和起泡剂以颗粒的形式加入到一个辅助料斗(secondary hopper)中。磁辊可用任何的注模模具和注模机进行制造。
在另一个举例方案中，该磁辊与相同尺寸的由非泡沫磁性填料和树脂粘结剂制成的磁辊相比含有的磁性填料和树脂粘结剂的总量至少少了5％，然而却显示出与其基本相当的磁性能，例如相同尺寸下，在磁体的可用长度范围内为1000高斯。而且，在另一个实施方案中，本发明的磁辊与相同尺寸的由非泡沫磁性填料和树脂粘结剂制成的磁辊相比含有的磁性填料和树脂粘结剂的总量至少少了5％，然而却显示出与其基本相当的机械强度，例如，该泡沫磁体在仅从主轴的末端固定时，可以抵御15-22千克的作用到其中点的力。这一相当的机械强度意味着该磁体在装运给加工机构或者最终用户时不会被破坏。损坏的磁体会使打印盒无效。
本发明的一个优选配方按重量比为锶铁氧体(商业可获的)-88％尼龙6(或者前述尼龙6系列的任意种类)-11％FCN 1/850B发泡剂-0.05％增塑剂，粘结剂等(标准下文讨论)-1％优选的制品是这样的磁辊，其具有一个长的圆柱形的中部，该中部具有非常精密的圆度公差，并且该磁辊具有从两端扩展的中心轴，这两个轴都是作为磁辊的一个整体部分成型的。这些轴要比磁辊小而且可能具有平面以在给定的应用中与驱动组件相连。这些轴是作为辊颈的，并且在各种情况下考虑到绕轴的旋转，这些轴也要具有非常精密的公差。在Yamashita的US专利No.5583473中阐述了这种磁辊的一般原理，但其中不含有泡沫结构，也没有将两个轴一块儿整体成型(一个是压配上的)。US专利No.5583473中的图3(b)显示了两个轴一块儿整体成型的磁辊。
下面讨论的对注模成型得到的这种磁辊的截面检测表明，在中心附近有一些小气泡聚集成束，在外部附近则没有气泡。这些起泡存在的程度，造成磁辊重量的降低。通过减轻重量实现了材料成本和加工运输花费的降低。然而主要优点是，甚至当最终制品中气泡很少或者没有气泡时，由于模制利用了由发泡剂产生的内部压力，如上讨论的那样，碎屑率，周期时间和模具磨损都大大改善。
下面的实施例给出了依据本发明的磁辊的一个实施方案及其优点。在这一实施例以及本整个说明书中，除特别注明外，所用的都是重量分数和重量百分比。
实施例在本实施例中，制备了依据本发明的磁辊。磁辊配方在表1中列出，并用标准磁辊A作为不用起泡剂制造的对比磁辊。
表1
按如下所述制备磁辊。
使用泡沫的磁体加工方法这种方法使用一种标准注模机，该注模机具有一个可选的正截流喷嘴，以及可选地也可以包括一个数控加料斗。将化合后的磁体原料干燥大约4-6小时。这种化合原料包括磁性填料，树脂和少量的添加剂，比如增塑剂，粘结剂等，它们随所用的注模操作而变化(一般为所用的注模操作的一部分)。添加剂改善熔体流。一般包含大约材料重量的0.5-1％的添加剂。发泡剂(起泡剂)可以在干燥步骤之前或者之后加入，可选地，可用数控加料斗加入。依据发泡剂的量，将注模机的注料量调节到按重量大约减少4-20％。更具体地，在12％时得到了好的结果。
典型的工艺参数包括尽可能最快的注射速度(一般小于3秒钟)。一般的，当注射时的熔体总量尺寸略小于模具容积时使用螺杆旋压，但量要足够大以使气体的膨胀最终可填满模腔。(这一注射量由实验确定)。钳紧压力一般是通常情况下的50％。确定了一种反向的料筒温度分布，其比通常后温度区低的温度，这是将气体保持在料筒中的标准。所用注模机背压力为150-200psi，比通常的要高(正常背压力通常为60psi)。一般地，采用了尼龙6的正常熔体的温度大约为555-560°F。
对于所制得的每个磁辊，都进行了如下检测平直度测量，拉伸强度以及磁性变化。用电子测径仪，比测器和/或坐标测量仪测量平直度；用一个22kg的测力器测定拉伸强度，将磁辊通过末端轴固定，使其承受加在磁辊中间的15kg的载荷，检测脆性，从而得到拉伸强度；通过将本发明的磁辊磁场和传统的非泡沫磁辊的磁场相比较来检测磁性变化；磁性测量以相对于定位区(末端轴平面)的极角进行。
表2 中归纳了本实施例的结果。
表2“泡沫”对强度，平直度和/或磁性的影响
一般将尼龙原料与填料，比如玻璃，碳或者磁铁氧体材料，相混合。
1.跳动(平直度)测量与2X平直度测量等价，但跳动测量考虑了末端轴的变化。
2.磁辊通过末端支撑，作用力施加在中点。
3.磁性测量一般为1000高斯的2％，±20gauss。
4.磁辊E，F，I和J代表的是具有较多或较少泡沫含量的依据实验外推得到的数据。
从表2中可以看出，利用本发明可以使重量减少达到12％(实验样品L)，圆形平直度减少到0.2mm。然而，太高的泡沫水平会对内部结构和/或磁体的外表性能带来破坏性的影响。
将这种泡沫磁辊用50比1的立体显微镜进行观测来确定泡沫胞的结构和形貌。这些检测表明沿磁辊中枢轴向分布的空隙变化程度正比于泡沫的用量。
前面给出的各种本发明的实施方案的目的都是为了进行阐释和描述。并不意味着是详尽的或者将本发明局限在所公开的确定形式。对本领域技术人员来讲，显然可有许多的备选方案，完善以及更改。因此，本发明要包括在这里已讨论的所有的备选方案，完善和更改形式，以及其它的只要落在本发明权利要求的主旨和广阔范围内的形式。
权利要求
1.一种包含一种泡沫树脂磁性材料的磁辊。
2.权利要求1中的磁辊，其中的泡沫树脂磁性材料按重量比包括大约80-95％的磁性填料和大约5-20％的树脂粘结剂。
3.权利要求2中的磁辊，其中的磁性填料包含一种铁氧体填料。
4.权利要求2中的磁辊，其中的磁性填料包含钡铁氧体，锶铁氧体，稀土钴合金，稀土铁硼合金或者它们的混合物。
5.权利要求2中的磁辊，其中的树脂粘结剂包含尼龙。
6.权利要求2中的磁辊，其中的树脂粘结剂包含尼龙-6，尼龙-12，尼龙-6/6，尼龙-6/10，尼龙-6/12，聚氯乙稀或者聚丙烯。
7.权利要求4中的磁辊，其中的铁氧体填料包含锶铁氧体填料。
8.权利要求2中的磁辊，其中的泡沫树脂磁性材料进一步包含玻璃纤维，碳纤维或者它们的混和物。
9.权利要求2中的磁辊，其中该磁辊与相同尺寸的由非泡沫磁性填料和树脂粘结剂制成的磁辊相比含有的磁性填料和树脂粘结剂至少少了5重量％，并且显示出与相同尺寸磁辊基本相当的磁性能。
10.权利要求2中的磁辊，其中该磁辊与相同尺寸的由非泡沫磁性填料和树脂粘结剂制成的磁辊相比含有的磁性填料和树脂粘结剂至少少了5重量％，并且显示出与相同尺寸磁辊基本相当的机械强度。
11.一种制造磁辊的方法，包括步骤将磁性填料，一种树脂粘结剂和一种起泡剂装入到一个密闭模具中；在密闭模具中释放大气气体；然后将所得制成的磁辊从模具中取出。
12.权利要求12中的方法，其中起泡剂的用量基于树脂粘结剂的重量，按重量比在大约0.1-2.0％。
13.权利要求12中的方法，其中起泡剂包括一种可产生氮气，二氧化碳气或者它们的混和物的化学发泡剂。
14.权利要求12中的方法，其中起泡剂包括一种产生二氧化碳气的化学发泡剂。
15.权利要求12中的方法，其中起泡剂包括一种气体，这种气体被注射到模具中。
全文摘要
一种用于电子照相的包括一种泡沫树脂磁性材料的磁辊。一种制造这种磁辊的方法，包括步骤将磁性填料，一种树脂粘结剂和一种起泡剂装入到一个密闭模具中；在密闭模具中活化起泡剂，并将所得泡沫辊从模具中取出。
文档编号F16C13/00GK1552002SQ02817405
公开日2004年12月1日 申请日期2002年7月3日 优先权日2001年7月25日
发明者M·J·迪克森, R·E·哈克特, J·L·麦克圭勒, M J 迪克森, 哈克特, 麦克圭勒 申请人:莱克斯马克国际公司