JP2007145904A - ポリウレタンフォームローラ - Google Patents

Abstract

【課題】ポリウレタンフォームからなる弾性層中に残存するシリコーン整泡剤の染み出しに起因する不具合を解消した、画像形成装置に好適なポリウレタンフォームローラ及びこのポリウレタンフォームローラを装着した画像形成装置を提供すること。
【解決手段】イソシアネート成分とポリオール成分とを主原料として含むポリウレタン形成材料を反応硬化させて得られるポリウレタンフォームからなる弾性層がシャフトの外周に形成されたローラであって、該ポリウレタン形成材料が分子構造中に水酸基を有するシリコーン整泡剤を含むものであることを特徴とするポリウレタンフォームローラ、及びこのポリウレタンフォームローラを装着してなる画像形成装置である。
【選択図】なし

Description

本発明は、電子写真装置や静電記録装置等の画像形成装置に使用する、トナー供給ローラ、帯電ローラ、現像ローラ、転写ローラ、クリーニングローラ、紙送りローラ等として好適なポリウレタンフォームローラに関するものである。

近年、電子写真技術の進歩に伴い、乾式電子写真装置等の画像形成装置には帯電用、現像用、転写用、トナー供給用などに供される部材として、高分子材料からなる部材が注目されており、帯電ローラ、現像ローラ、転写ローラ、トナー供給ローラなどの弾性を有するローラの形態で用いられている。これらのローラとして、シャフトの外周に上記の部材からなる弾性層を形成したものが広く用いられている。
これらの弾性層を形成する弾性部材としては、天然ゴム、ＥＰＤＭ（エチレンプロピレンジエンゴム）、シリコーンゴム等のゴム又はポリウレタン等の高分子エラストマーやフォームが用いられる。また、これらの弾性部材は、カーボンブラックのような導電性カーボン、金属や金属酸化物の粉末、過塩素酸ナトリウムのようなイオン導電性物質を混入することにより、導電性が付与された、導電性弾性部材とすることができる。
高分子材料の中でも、ポリウレタンフォームは、上記弾性部材に適した低硬度の部材となり得るため、多く使用されているが、ポリウレタンフォームを製造する方法としては、主原料であるポリオール、イソシアネートの他に、発泡剤、整泡剤、触媒等の各種添加剤、更に、必要に応じて導電性付与剤、反応開始剤等を配合した原料から、発泡成形する方法が一般的である。
このような方法において使用される整泡剤としては、オルガノポリシロキサン、変性シリコーンオイル等のシリコーン整泡剤が多く用いられ、特にメチルシロキサン構造を主鎖骨格とし、ポリオキシアルキレン構造を含む構造を側鎖に有するシリコーン整泡剤が、セル構造の安定性の点から、好んで用いられる（例えば、特許文献１参照）。

しかし、得られたポリウレタンフォーム中にこれらのシリコーン整泡剤の一部が不可避的に残存するため、このポリウレタンフォームを弾性層として使用したローラを画像形成装置に組み込んだ場合、整泡剤がローラの表面に染み出し、各種の不具合、例えばトナー供給ローラにおいては現像画像が乱れる（横スジ発生等）等の不具合が発生することがあり、特に高温、高湿の過酷な条件に置いた場合は、顕著であるので、大きな問題となっていた。

特開２００３−１０５０５０号公報

本発明は、このような状況下で、ポリウレタンフォームからなる弾性層中に残存するシリコーン整泡剤の染み出しに起因する不具合を解消した、画像形成装置に好適なポリウレタンフォームローラ及びこのポリウレタンフォームローラを装着した画像形成装置を提供することを目的とするものである。

本発明者らは、前記目的を達成するために鋭意研究を重ねた結果、整泡剤として、分子構造中に水酸基を有するシリコーン系整泡剤を使用して製造したポリウレタンフォームローラ及びこのポリウレタンフォームローラを装着した画像形成装置が、その目的を達成し得ることを見出した。本発明は、かかる知見に基づいて完成したものである。
すなわち、本発明の要旨は下記のとおりである。
（１）イソシアネート成分とポリオール成分とを主原料として含むポリウレタン形成材料を反応硬化させて得られるポリウレタンフォームからなる弾性層がシャフトの外周に形成されたローラであって、該ポリウレタン形成材料が分子構造中に水酸基を有するシリコーン整泡剤を含むものであることを特徴とするポリウレタンフォームローラ。
（２）前記シリコーン整泡剤が、メチルシロキサン構造を主鎖骨格とするものである上記（１）のポリウレタンフォームローラ。
（３）前記シリコーン整泡剤が、メチルシロキサン構造を主鎖骨格とし、ポリアルキレン構造を含む構造を側鎖とするものであって、且つ該側鎖中に水酸基を有するものである上記（１）又は（２）のポリウレタンフォームローラ。
（４）前記整泡剤の質量平均分子量が５００〜５０００である上記（１）〜（３）のいずれかのポリウレタンフォームローラ。
（５）前記ポリウレタン形成材料が、更に発泡剤及びウレタン反応触媒を含むものである上記（１）〜（４）のいずれかのポリウレタンフォームローラ。
（６）弾性層が連続気泡を有するトナー供給ローラである上記（１）〜（５）のいずれかのポリウレタンフォームローラ。
（７）上記（１）〜（６）のいずれかのポリウレタンフォームローラを装着してなる画像形成装置。

本発明によれば、ポリウレタンフォームからなる弾性層中に残存するシリコーン整泡剤の染み出しに起因する不具合、例えば、トナー供給ローラとした場合の横スジの発生等の現像不良を解消した、画像形成装置に好適なポリウレタンフォームローラ及び画像形成装置を得ることができる。

本発明のポリウレタンフォームローラは、イソシアネート成分とポリオール成分とを主原料として含み、且つ分子構造中に水酸基を有するシリコーン整泡剤を含むポリウレタン形成材料を反応硬化させて得られるポリウレタンフォームからなる弾性層がシャフトの外周に形成されたローラである。

本発明において、ポリウレタン形成材料に含まれるイソシアネート成分としては、トリレンジイソシアネート（ＴＤＩ），ジフェニルメタンジイソシアネート（ＭＤＩ），粗製ジフェニルメタンジイソシアネート（クルードＭＤＩ）などの芳香族ポリイソシアネート及びその誘導体、ヘキサメチレンジイソシアネートなどの脂肪族ポリイソシアネート及びその誘導体、イソホロンジイソシアネートなどの脂環式ポリイソシアネート及びその誘導体、水素添加ジフェニルメタンジイソシアネート，水素添加トリレンジイソシアネート，ヘキサメチレンジイソシアネートなどの不飽和結合を持たないポリイソシアネート及びその誘導体などが挙げられる。上記誘導体としては、例えばカルボジイミド変性物、グリコール変性物、イソシアヌレート変性物、ウレトンイミン変性物などを挙げることができる。これらのイソシアネート成分は一種用いてもよく、二種以上を組合わせて用いてもよい。

ポリウレタン形成材料に含まれるポリオール成分としては、ポリエーテルポリオール，ポリエステルポリオールなどが挙げられる。ポリエーテルポリオールとしては、グリセリン等にポリエチレンオキシドやプロピレンオキシドなどのアルキレンオキシドを付加重合して得られたポリエーテルポリオール，あるいはテトラヒドロフランなどを開環重合して得られたポリエーテルポリール，ポリテトラメチレングリコール，エチレングリコール，プロパンジオール，ブタンジオール等のポリエーテルポリオールなどが挙げられる。ポリエステル・ポリオールとしては、ジカルボン酸とジオールやトリオールなどとの縮合により得られる縮合系ポリエステルポリオール，ジオールやトリオールをベースとし、ラクトンの開環重合により得られるラクトン系ポリエステル・ポリオール，ポリエーテル・ポリオールの末端をラクトンでエステル変性したエステル変性ポリオールなどが挙げられる。これらのポリオール成分は一種用いてもよいし、二種以上を用いてもよい。

イソシアネート成分とポリオール成分との比率は、ローラの種類、用途によって適宜選択できるが、ＮＣＯ基／ＯＨ基モル比が、０．９〜１．５、好ましくは１．０〜１．２の範囲になるような割合で用いるのが有利である。

本発明において、ポリウレタン形成材料は、必須の成分として、分子構造中に水酸基を有するシリコーン整泡剤（以下、「本発明のシリコーン整泡剤」と記すことがある。）を含むものである。
本発明のシリコーン整泡剤としては、メチルシロキサン構造を主鎖骨格とするもの、特に、メチルシロキサン構造を主鎖骨格とし、ポリオキシメチレン、ポリオキシプロピレン等のポリアルキレン構造を含む構造を側鎖とするものであって、且つ該側鎖中に水酸基を有するものが好ましい。
本発明のシリコーン整泡剤の質量平均分子量は、ウレタン化反応の整泡作用及びシリコーン整泡剤自体のイソシアネート成分とのウレタン化反応性の点からは、５００〜５０００が好ましく、特に１０００〜１５００が特に好ましい。

上記のメチルシロキサン構造を主鎖骨格とし、ポリアルキレン構造を含む構造を側鎖とするものの具体的例としては、ポリジメチルシロキサン−ポリオキシアルキレン共重合体を挙げることができる。この共重合体は、ポリジメチルシロキサン部分とポリオキシアルキレン部分からなり、ポリオキシアルキレン部分の分子構造は、エチレンオキサイドの付加重合物やエチレンオキサイドとプロピレンオキサイドの共付加重合物が好ましく、またその末端がエチレンオキサイドであるものが好ましい。

本発明のシリコーン整泡剤の配合量は、従来のシリコーン整泡剤の場合と同様であり、ポリオール成分１００質量部に対して、０．１〜２０質量部が好ましく、特に１〜１０質量部が好ましい。

本発明におけるポリウレタン形成材料には、通常、ウレタン反応触媒を含有させる。
このウレタン反応触媒としては、トリエチルアミン，ジメチルシクロヘキシルアミン等のモノアミン類、テトラメチルエチレンジアミン，テトラメチルプロパンジアミン，テトラメチルヘキサンジアミン等のジアミン類、ペンタメチルジエチレントリアミン，ペンタメチルジプロピレントリアミン，テトラメチルグアニジン等のトリアミン類、トリエチレンジアミン，ジメチルピペラジン，メチルエチルピペラジン，メチルモルホリン，ジメチルアミノエチルモルホリン，ジメチルイミダゾール等の環状アミン類、ジメチルアミノエタノール，ジメチルアミノエトキシエタノール，トリメチルアミノエチルエタノールアミン，メチルヒドロキシエチルピペラジン，ヒドロキシエチルモルホリン等のアルコールアミン類、ビス（ジメチルアミノエチル）エーテル，エチレングリコールビス（ジメチル）アミノプロピルエーテル等のエーテルアミン類、スタナスオクトエート，ジブチル錫ジアセテート，ジブチル錫ジラウレート，ジブチル錫マーカプチド，ジブチル錫チオカルボキシレート，ジブチル錫ジマレエート，ジオクチル錫マーカプチド，ジオクチル錫チオカルボキシレート，フェニル水銀プロピオン酸塩，オクテン酸塩等の有機金属化合物等の公知の触媒を単独、または二種以上組み合わせて用いることができる。
ウレタン反応触媒の配合量は、ポリオール成分１００質量部に対して、０．１〜１０質量部が適当である。

気泡を形成してポリウレタンフォームとする方法としては、独立気泡を形成するメカニカルフロス法と連続気泡を形成する発泡剤による発泡法とがあり、後者による場合には、ポリウレタン形成材料中に発泡剤を含有させる。
発泡剤としては、水が好ましく用いられるが、水以外の発泡剤を併用することも可能である。水以外の発泡剤としては、例えばｎ−ペンタン、イソペンタン、シクロペンタン、メチレンクロリド等の有機化合物や、フロン１３４ａ（１，１，１，２−テトラフルオロエタン）、フロン２４５ｆａ（１，１，１，３，３−ペンタフルオロプロパン）、フロン３６５ｍｆｃ（１，１，１，３，３−ペンタフルオロブタン）、フロン３５６、フロン１４１ｂ（１，１−ジクロロ−１−フルオロエタン）、フロン１４２ｂ（１−クロロ−１，１−ジフルオロエタン）、フロン２２（クロロジフルオロメタン）等の代替フロンなどが挙げられる。

ポリウレタンフォームローラの目的、用途に関連して、電気抵抗値を調整する必要がある場合は、ポリウレタン形成材料中に導電性付与剤を目的に応じた量含有させる。
導電性付与剤としては、導電性カーボン又は導電性カーボンとイオン導電剤との組み合わせを使用することが好ましい。
導電性カーボンとしては、例えば電化ブラック，ケッチェンブラック，アセチレンブラックなどのガスブラック，インクブラックを含むオイルファーネスブラック，サーマルブラック，チャンネルブラック，ランプブラックなどが挙げられる。これらは、一種を用いてもよく、二種以上を組み合わせて用いてもよい。
イオン導電剤としては、例えばテトラエチルアンモニウム，テトラブチルアンモニウム，ラウリルトリメチルアンモニウムなどのドデシルトリメチルアンモニウム，ステアリルトリメチルアンモニウムなどのオクタデシルトリメチルアンモニウム，ヘキサデシルトリメチルアンモニウム，ベンジルトリメチルアンモニウム，変性脂肪族ジメチルエチルアンモニウムなどの過塩素酸塩，塩素酸塩，塩酸塩，臭素酸塩，ヨウ素酸塩，ホウフッ化水素酸塩，硫酸塩，アルキル硫酸塩，カルボン酸塩，スルホン酸塩などのアンモニウム塩；リチウム，ナトリウム，カルシウム，マグネシウムなどのアルカリ金属又はアルカリ土類金属の過塩素酸塩，塩素酸塩，塩酸塩，臭素酸塩，ヨウ素酸塩，ホウフッ化水素酸塩，トリフルオロメチル硫酸塩，スルホン酸塩などが挙げられる。これらは、一種を用いてもよく、二種以上を組み合わせて用いてもよい。

本発明におけるポリウレタン形成材料には、前記の各成分の他に、必要に応じて、ジエタノールアミン等の架橋剤、難燃剤、酸化防止剤、紫外線吸収剤、着色剤等の添加剤を含有させることができる。

次に、シャフトの外周にポリウレタンフォームからなる弾性層を形成してロールを製造する方法について説明する。
前記したように、気泡を形成する方法としては、独立気泡を形成するメカニカルフロス法と連続気泡を形成する発泡法とがあり、形成すべき弾性層の種類、即ちポリウレタンフォームロールの目的・用途に応じていずれかを適宜選択すればよい。
メカニカルフロス法には、（ｉ）上記イソシアネート成分とポリオール成分とでウレタンプレポリマー（ＮＣＯ基含有率は１〜１０ｍｏｌ％が好ましい。）を調製し、これに更にポリオール成分を加え、メカニカルフロス法により発泡させる方法と、（ii）上記イソシアネート成分とポリオール成分とを混合し、メカニカルフロス法により発泡させる方法、とがある。
メカニカルフロス法は、発泡硬化時に体積変化が少ない製造方法であるため、アスカーＣ硬度が２５〜６５度で密度が０．３〜０．８ｇ／ｃｍ³程度の中硬度高密度フォームを得るための好適な方法である。
メカルカルフロスにより弾性層を形成するには、予め金属製等のシャフトを配置し、予熱した内面が円筒状の金型に、機械的攪拌により発泡させたポリウレタン形成材料を注入し、反応硬化させるか、あるいは金型にポリウレタン形成材料を注入し、不活性ガスを混入しながらかつ機械的攪拌を加えながら反応硬化させればよい。
いずれの方法でも、必要に応じてシャフトとポリウレタンフォームの間に接着層を設けることができ、この接着層には、接着剤やホットメルトシート等の公知の材料を用いることができる。
また、上記不活性ガスはポリウレタン反応において不活性なガスであればよく、ヘリウム，アルゴン，キセノン，ラドン，クリプトン等の狭義の不活性ガスの他、窒素，二酸化炭素，乾燥空気等のポリイソシアネートと反応しない気体が挙げられる。

発泡剤による発泡法は、水、有機溶剤、各種代替フロン等の発泡剤を使用する方法である。
この発泡法は、アスカーＦ硬度が３０〜１００度で密度が０．０１〜０．３ｇ／ｃｍ³程度の低硬度低密度フォームを得るための好適な方法である。
この発泡法により弾性層を形成するには、予め金属製等のシャフトを配置した内面が円筒状の金型に、発泡剤を含有するポリウレタン形成材料を発泡硬化させてシャフトの外周にポリウレタンフォームからなる弾性層を形成させる方法などを用いることができる。

本発明のポリウレタンフォームローラは、トナー供給ローラ、帯電ローラ、現像ローラ、転写ローラ、クリーニングローラ、紙送りローラ等として、画像形成装置に好適に使用することができる。
そのような画像形成装置としては、図１に示す画像形成装置を例示することができる。
図１は、電子写真方式による画像形成装置の一例を示す概要図であって、トナー供給ローラ３と潜電潜像を保持した画像形成体（静電潜像担持体）１との間に現像ローラ２がその外周面を画像形成体１の表面に近接させた状態で配設され、かつ画像形成体１に紙などの記録媒体８を介して、転写ローラ５を当接させた構造を示している。トナー供給ローラ３，現像ローラ２及び画像形成体１を矢印方向に回転させることにより、トナーがトナー供給ローラ３により、現像ローラ２の表面に供給され、層規制ブレード４によって均一な薄層に整えられた後、画像形成体１上の潜像に付着し、該潜像が可視化される。そして画像形成体１と転写ローラ５との間に電界を発生させることにより、画像形成体１上のトナー画像を記録媒体８に転写させる。また、６はクリーニングローラであり、このクリーニングローラ６により、転写後に画像形成体１表面に残留するトナーが除去される。なお、７は帯電ローラである。

次に、本発明を実施例により更に詳細に説明するが、本発明はこれらの例によってなんら限定されるものではない。
実施例１
ポリエーテルポリオールとして、官能基数が３、重量平均分子量が約５，０００、エチレンオキサイドの割合が約１３質量％、かつ末端水酸基が１級水酸基である割合が約８０％である、プロピレンオキサイド・エチレンオキサイド付加重合ポリエーテルポリオール（ＦＡ７０３、三洋化成（株）製）１００質量部を用い、イソシアネートとして、トリレンジイソシアネート（ＴＤＩ−８０）８０質量部と粗製ジフェニルメタンジイソシアネート（粗ＭＤＩ）２０質量部を用いた。これらと、ポリジメチルシロキサン−ポリオキシアルキレン共重合体の側鎖に水酸基を有するシリコーン整泡剤（Ｌ−３６３０、ＧＥ東芝シリコーン（株）製）１．０質量部、ジエタノールアミン（架橋剤）２．０質量部、水（発泡剤）２．０質量部、３級アミン触媒（カオーライザーＮｏ．３１、花王（株）製）１．０質量部及び脂肪族３級アミン触媒（カオーライザーＮｏ．１、花王（株）製）０．５質量部を混合し、攪拌した。
この混合物を、直径５ｍｍ、長さ３００ｍｍの金属製シャフトを中心に配設した、内径１６．５ｍｍ、長さ３４０ｍｍの金型に注型し、テフロン（登録商標）製キャップで密閉し、１００℃で５時間キュアして、脱型し、上記シャフトの外周に、連通気泡を有するポリウレタンフォームからなる弾性層が形成されたトナー供給ローラを作製した。

上記トナー供給ローラの弾性層の一部を試料として切除し、下記の方法によりシリコーン整泡剤に由来するケイ素の抽出試験を行い、弾性層中のケイ素に対する抽出割合を算出した。結果を表１に示す。
（１）抽出条件
試料４ｇについて、ソックスレー抽出器を用い、クロロフォルムで８時間抽出操作を行った。
（２）前処理条件
前記条件での抽出物約５０ｍｇを精秤し、高純度硝酸（ＡＡ−１００、多摩化学（株）製）を２ｍＬ添加し、マイクロ波による分解を行った。分解液を超純水で５０ｇに希釈してＩＣＰ−ＡＥＳ測定用の試料溶液とした。
（３）ＩＣＰ−ＡＥＳ測定条件
装置：ＩＣＰＳ−７５００〔（株）島津製作所製〕
流量：クーラントガス１４ｍＬ／ｍｉｎ、プラズマガス１．２ｍＬ／ｍｉｎ、キャリア ガス０．７ｍＬ／ｍｉｎ、パージガス３．５ｍＬ／ｍｉｎ
トーチ観測高：高 高周波出力：１．２ｋＷ ネブライザーサイズ：０．７Ｌ
測定波長：Ｓｉ ２５１．６１２ｎｍ
検量線：原子吸光用１０００ｐｐｍ標準液から、０．１ｐｐｍ、０．５ｐｐｍ、１．０ ｐｐｍ、及び１０．０ｐｐｍの標準液を調製し、超純水（nanopure）も含めた５点か ら作成した。
（４）ＩＣＰ−ＡＥＳ測定の結果から（１）における抽出物中のケイ素の量を算出し、弾性層中のケイ素の量に対する割合を算出した。

次に、上記で得られたトナー供給ローラを図１に示す画像形成装置に組み込み、温度４０℃、相対湿度９５％の条件下に３０日間放置した後、印刷を行い、１０枚印字後の画像を目視で観察した。
結果を、表１に「画像評価」として示す。なお、○は、横スジ等の画像不良が無い場合を、×は横スジの発生が見られる場合を表す。

実施例２
シリコーン整泡剤（Ｌ−３６３０）の使用量を２．０質量部に変更した以外は、実施例１と全く同様にして、トナー供給ローラを作製し、ケイ素の抽出試験を行い、抽出割合を算出した。また、画像評価を行った。結果を表１に示す。

実施例３
シリコーン整泡剤（Ｌ−３６３０）の使用量を１０．０質量部に変更した以外は、実施例１と全く同様にして、トナー供給ローラを作製し、ケイ素の抽出試験を行い、抽出割合を算出した。また、画像評価を行った。結果を表１に示す。

比較例１
シリコーン整泡剤（Ｌ−３６３０）をポリジメチルシロキサン−ポリオキシアルキレン共重合体からなり、水酸基を有しないシリコーン整泡剤（Ｌ−３６２０、ＧＥ東芝シリコーン（株）製）に変更した以外は、実施例１と全く同様にして、トナー供給ローラを作製し、ケイ素の抽出試験を行い、抽出割合を算出した。また、画像評価を行った。結果を表１に示す。

表１に記載した結果からは、水酸基を有しないシリコーン整泡剤を使用した比較例１の場合は、弾性層に含まれている、整泡剤に由来するケイ素は全て抽出されるのに対し、水酸基を有するシリコーン整泡剤を使用した実施例１〜３の場合は、弾性層に含まれている、整泡剤に由来するケイ素の大部分は抽出されずに弾性層に残存しており、整泡剤が水酸基を有している故にウレタン化反応によりポリウレタンフォーム中に取り込まれていると推測される。

本発明のポリウレタンフォームローラを画像形成装置に装着して用いると、整泡剤の染み出しによる横スジの発生等の不具合がない、良質な画像を得ることができる。

電子写真方式による画像形成装置の一例を示す概要図である。

符号の説明

１：画像形成体
２：現像ローラ
３：トナー供給ローラ
４：層規制ブレード
５：転写ローラ
６：クリーニングローラ
７：帯電ローラ
８：記録媒体

Claims (7)

1. イソシアネート成分とポリオール成分とを主原料として含むポリウレタン形成材料を反応硬化させて得られるポリウレタンフォームからなる弾性層がシャフトの外周に形成されたローラであって、該ポリウレタン形成材料が分子構造中に水酸基を有するシリコーン整泡剤を含むものであることを特徴とするポリウレタンフォームローラ。
2. 前記シリコーン整泡剤が、メチルシロキサン構造を主鎖骨格とするものである請求項１に記載のポリウレタンフォームローラ。
3. 前記シリコーン整泡剤が、メチルシロキサン構造を主鎖骨格とし、ポリアルキレン構造を含む構造を側鎖とするものであって、且つ該側鎖中に水酸基を有するものである請求項１又は２に記載のポリウレタンフォームローラ。
4. 前記整泡剤の質量平均分子量が５００〜５０００である請求項１〜３のいずれかに記載のポリウレタンフォームローラ。
5. 前記ポリウレタン形成材料が、更に発泡剤及びウレタン反応触媒を含むものである請求項１〜４のいずれかに記載のポリウレタンフォームローラ。
6. 弾性層が連続気泡を有するトナー供給ローラである請求項１〜５のいずれかに記載のポリウレタンフォームローラ。
7. 請求項１〜６のいずれかに記載のポリウレタンフォームローラを装着してなる画像形成装置。

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