JP2007316230A - ポリウレタンフォームローラ及びトナー供給ローラ - Google Patents

Abstract

【課題】アミン系触媒を用いなくとも、反応性が良好で、電子写真用ポリウレタンフォームローラとして用いた場合に良好な画像が形成可能なポリウレタンフォームローラを提供する。
【解決手段】芯金上にポリウレタンフォームをローラ状に形成したポリウレタンフォームローラにおいて、該ポリウレタンフォームを形成する原料が、少なくともポリオール、ポリイソシアネート及び水酸基を有する水溶性塩基性化合物を含むことを特徴とするポリウレタンフォームローラ。
【選択図】なし

Description

本発明は、ポリウレタンフォームローラに関するもので、さらに複写装置、プリンター、ファクシミリ等の画像形成装置に搭載されるポリウレタンフォームローラ、特トナー供給ローラに関する。

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品の部材として、ポリウレタンフォーム製の部材が注目されている。上記部品は、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層を有するローラ等の形態で用いられることが知られている（特許文献１参照）。

例えば、弾性層がポリウレタンフォームであるローラ等は、通常、ポリオールおよびポリイソシアナートを、必要により各種添加剤、発泡助剤等と共に混合して発泡硬化することにより製造される。

ポリウレタンフォーム製造に際して使用される発泡剤は、従来、フッ素化炭化水素類が使用されていたが、近年はフッ素化炭化水素類を使用しないポリウレタンフォームの製造に移っている。

そのような製造方法として、ポリオール、ポリイソシアネートと共に水を使用することが提唱され、実際実用化されるに至っている。

このようなポリウレタンフォーム製造に際し使用する触媒としては、トリエチレンジアミン、ビス（ジメチルアミノエチル）エーテル、Ｎ，Ｎ，Ｎ’，Ｎ’−テトラメチルヘキサンジアミン等のアミン系触媒やオクチル酸錫、オレイン酸錫、ジブチル錫ジラウレート、ジブチル錫ジアセテート、テトラ−ｉ−プロポキシチタン、テトラ−Ｎ−ブトキシチタン、テトラキス（２−エチルヘキシルオキシ）チタン等が挙げられる。

これら触媒の中で、アミン系触媒は水との相性が良い、有機金属系触媒に比べてアミン系触媒はプレミックス時のライフタイムが長いといった長所を有している。その反面、反応性が悪いことから使用量が多くする必要があり、ウレタンフォーム中に残存するアミン系触媒が徐々に揮発し、電子写真用ポリウレタンフォームローラとして用いた場合、他部品やトナーなどを汚染し画像を悪化させる原因物質となる場合がある。

また、導電性のポリウレタン層が表面に形成された電子写真装置用導電性ローラにおいて、該ポリウレタン層に金属水酸化物を添加したものが知られている（特許文献２参照）。しかしながら、該金属水酸化物は難燃剤として用いられており、該金属水酸化物は水酸化マグネシウムまたは水酸化アルミニウムが好ましく、水酸化マグネシウムを使用するのが最も好ましいと述べられている。水酸化マグネシウム５ｐｈｒ乃至５０ｐｈｒ、特に１０ｐｈｒ乃至３０ｐｈｒの配合が物性、難燃性の点で好ましく、金属水酸化物の配合量が前記範囲よりも少ない場合は十分な難燃性が得られないことが述べられている。更に、難燃剤として用いられている金属水酸化物は、水を発泡剤とする化学発泡のポリウレタンフォームでの触媒としての効果は記載されておらず、不明である。また化学発泡において、金属水酸化物として水酸化ナトリウムや水酸化カリウムのような強塩基を用いた場合、発泡反応が急速に起こり５ｐｈｒ以上添加することは困難である。また、水酸化マグネシウムおよび水酸化アルミニウムは水に難溶であることが知られている（非特許文献１）。

更に、弾性層と、該弾性層の外側に形成された被覆層とを具備し、上記被覆層が、（Ａ）ウレタン樹脂と、（Ｂ）所定の金属の酸化物或いは水酸化物とを含有してなることを特徴とする中間転写部材が知られている（特許文献３参照）。金属としては、アルミニウム、亜鉛、マグネシウム、及びカルシウムが記載されている。そして、アルミニウム、亜鉛、マグネシウム、及びカルシウムから選ばれた金属の酸化物或いは水酸化物を含有させることによりオゾンや窒素酸化物に対する耐久性が効果的に向上すると述べられている。酸化アルミニウムは水に可溶だが、酸性および塩基性両方示す両性であり、その他の金属酸化物あるいは水酸化物は水に難溶である（非特許文献１）。更に、特許文献２同様、特許文献３に挙げられている金属水酸化物も、水を発泡剤とする化学発泡のポリウレタンフォームでの触媒としての効果は記載されておらず、不明である。

従って、金属水酸化物を添加することが特許文献２および３に記載されているが、その反応性を高められているとは言えない。
特開２００３−２０３１８号公報 特許３２９６９０１号公報 特開２０００−０１９８５５号公報 岩波理化学辞典 第４版 岩波書店

本発明は、アミン系触媒を用いなくとも、反応性が良好で、電子写真用ポリウレタンフォームローラとして用いた場合に良好な画像が形成可能なポリウレタンフォームローラを提供することを目的とする。例えば、トナー供給ローラを提供することを目的とするものである。

本発明者は、上記目的を達成するため鋭意検討し、水酸基を有する水溶性塩基性化合物を用いることにより、アミン系触媒を用いなくとも、反応性が良好で、良好な画像を形成可能なポリウレタンフォームローラが得られることを見出し、ついに本発明を完成した。

すなわち、芯金上にポリウレタンフォームをローラ状に形成したポリウレタンフォームローラにおいて、
該ポリウレタンフォームを形成する原料が、少なくともポリオール、ポリイソシアネート及び水酸基を有する水溶性塩基性化合物を含むことを特徴とするポリウレタンフォームローラである。

該水溶性塩基性化合物が、アルカリ金属化合物またはアルカリ土類金属化合物であることが好ましい。

該水溶性塩基性化合物が、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、水酸化リチウム及び水酸化バリウムのいずれかであることが好ましい。

該ポリオールが、末端に第１級水酸基を有するポリエーテルポリオールであることが好ましい。

該水溶性塩基性化合物が、該原料全質量の０．０１質量％以上０．４質量％以下であることが好ましい。

このポリウレタンフォームローラは、電子写真装置の現像ユニットで用いられるトナー供給ローラとして好適である。

本発明によれば、アミン系触媒を用いなくとも、反応性が良好で、電子写真用ポリウレタンフォームローラとして用いた場合に良好な画像が形成可能なポリウレタンフォームローラを提供できる。本発明のポリウレタンフォームローラは、画像形成装置用部材として用いても良く、例えば帯電用部材、現像用部材、転写用部材、トナー供給用部材及びクリーニング用部材などとして用いうる。中では、トナー供給用部材であるトナー供給ローラとして好適である。

本発明が対象とするポリウレタンフォームローラは、帯電用部材、現像用部材、転写用部材、トナー供給用部材及びクリーニング用部材などの画像形成装置用部材として用いうるものである。このポリウレタンフォームローラは、芯金上にポリウレタンフォームをローラ状に形成した構成を有している。さらに必要により、ポリウレタンフォーム上に各種機能を有する被覆層を設けてもよい。

このポリウレタンフォームを形成する原料としては、少なくともポリオール、ポリイソシアネート、及び水酸基を有する水溶性塩基性化合物を含み、必要に応じて水等の発泡剤および発泡セルを安定化させる整泡剤等を含む組成物を使用する。ただし、この組成物は、アミン系触媒を含まないようにすることが好ましい。アミン系触媒は、ポリウレタンフォームを形成する原料全質量の０．５％以下とすることが好ましい。そして、この組成物を混合・撹拌して作製したポリウレタンフォームを所望の形状で切出し、芯金を圧入して芯金の周りにポリウレタンフォーム層を形成することができる。または、予め芯金を配した円筒状成形型内に上記組成物を注入し、加熱発泡させて製造することができる。

本発明においては、アミン系触媒を用いることなく水酸基を有する水溶性塩基性化合物を触媒として用いてポリウレタンフォームローラを得ることができる。反応系を塩基性にすることによりイソシアネート基およびポリオールの水酸基の働きを活性にし、アミン系触媒を削減できるからである。

中でも、水酸基を有する水溶性強塩基性化合物は少量の使用で効果があることから、水酸基を有する水溶性強塩基性化合物である水酸基を有するアルカリ金属化合物またはアルカリ土類金属化合物が好ましい。水酸基を有する水溶性弱塩基性化合物でも添加部数を増やすことで同様の効果が得られるが、物性が悪化する場合がある。

水酸基を有する水溶性塩基性化合物は、ポリウレタン材料中に均一に分散できるよう予め水溶液として調製して用いることが好ましい。水酸基を有する水溶性塩基性化合物は、アルカリ金属化合物またはアルカリ土類金属化合物であることが好ましく、容易に水に溶ける水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、水酸化リチウム、水酸化バリウムがより好ましい。水酸基を有する水溶性塩基性化合物は単独で若しくは任意の２種を組み合わせて用いても良い。なお、本明細書において「水溶性」とは、水への溶解度が１ｇ／１００ｇ水（２５℃）であることを意味する。

水酸基を有する水溶性塩基性化合物は、ポリウレタンフォームを形成する原料全質量の０．０１質量％以上０．４質量％以下が好ましい。０．４質量％を超えて用いると圧縮残留歪率などの物性が悪化することがあり、０．０１質量％未満であると触媒としての十分な効果が得られにくくなる。更に好ましくは、０．０２質量％以上０．３質量％以下である。

本発明で使用するポリオールは、特に制限は無く、従来公知の各種ポリオールの中から、適宜選択して使用することができる。ポリオールの例としては、ポリエチレンアジペート、ポリブチレンアジペート、ポリヘキシレンアジペート、エチレンアジペートとブチレンアジペートとの共重合体、ダイマー酸系ポリオール、ヒマシ油系ポリオール、ポリカプロラクトンポリオール等のポリエステルポリオール；ポリオキシアルキレングリコール等のポリエーテルポリオール；ポリマーポリオール（商品名、三井武田ケミカル社製）等の変性ポリオールが挙げられる。ポリオールは、単独で若しくは２種以上を混合して用いることができる。この中でも、質量平均分子量が２０００〜１００００のものを単独で若しくは２種以上を混合して用いることが好ましい。質量平均分子量が２０００未満であると架橋密度が不十分となるため、得られるポリウレタンフォームの物性が低下する傾向がみられる。また、質量平均分子量が１００００を越えるとポリオールの粘度が高くなり、反応時の作業性が悪くなる傾向がみられる。なお、これらポリオールのうち、ポリエーテルポリオールが、耐湿熱耐久性に優れたポリウレタンフォームを得るのに好適である。末端に第１級水酸基を有するポリエーテルポリオールは、反応性に優れるので更に好ましい。また、予めポリイソシアネートと反応させたプレポリマーをポリオールとして用いても差し支えない。

なお、ポリマーポリオール（商品名）とは、ポリエーテルポリオール中でエチレン性不飽和単量体（アクリロニトリル、スチレン、メタクリル酸メチル、塩化ビニリデン等）を重合させて変性したものである。このポリマーポリオール（商品名）のような変性ポリオールをポリオールの全部又は一部として使用することによりポリウレタンフォームの湿熱耐久性を低下させることなく、通気性向上等を図ることができる。

本発明で使用するポリイソシアネートは、特に制限は無く、従来公知の各種ポリイソシアネートの中から、適宜選択して使用することができる。ポリイソシアネートの例としては、ポリメチレンポリフェニルポリイソシアネート（ポリメリックＭＤＩ）およびジフェニルメタンジイソシアネート（ＭＤＩ）、トルエンジイソシアネート（ＴＤＩ）などの芳香族ポリイソシアネート；ヘキサメチレンジイソシアネートなどの脂肪族ポリイソシアネート；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；及びその誘導体が挙げられる。ポリイソシアネートは、単独で用いることもでき、２種以上を併用することもできる。さらに予めポリオールとポリイソシアネートを反応させておいたプレポリマーをポリイソシアネートとして使用しても良い。

これらポリイソシアネートとポリオールの配合割合は、特に制限はないが、通常、ＮＣＯインデックスで６０〜１２０％になるようにすることが好ましく、７０〜１０５％になるようにすることがより好ましい。

本発明では、通常、水が発泡剤として使用される。水は、ポリイソシアネートと反応してポリウレアを形成すると共に炭酸ガスを発生し、この炭酸ガスが発泡剤となる。水の使用量は、全ポリオール１００質量部に対して０．１〜１０質量部が好ましく、さらに好ましくは０．１〜５質量部である。なお、水と共に、クロロフルオロカーボン類（ＨＦＣ−１３４Ａ等）、炭化水素（シクロペンタン等）、炭酸ガス、その他の発泡剤を使用しても構わない。

本発明では、ポリウレタンフォーム形成において、発泡セルを安定化させるために、整泡剤を使用しても構わない。整泡剤としては、ポリジメチルシロキサンとＥＯ／ＰＯ共重合物からの水溶性ポリエーテルシロキサン、スルホン化リシノール酸のナトリウム塩やこれらとポリシロキサン・ポリオキシアルキレンコポリマーとの混合物等が挙げられる。これらの中で、ポリジメチルシロキサンとＥＯ／ＰＯ共重合物からの水溶性ポリエーテルシロキサンが好適である。整泡剤の使用量は、全ポリオール１００質量部に対して０．０１〜５質量部が適当である。整泡剤の使用量が、全ポリオール１００質量部に対して０．０１質量部未満であると、発泡セルが不均一になりやすく外観不良が発生しやすくなり、又５質量部を超えると、染み出しなどの不具合が生じやすくなる。

その他助剤として、架橋剤、難燃剤、着色剤、紫外線吸収剤、老化防止剤、酸化防止剤、導電性付与剤等を必要により使用する。これらのその他助剤を添加しても何等本発明の主旨を損なうものではない。

本発明のポリウレタンフォームローラに使用するポリウレタンフォームの製造方法については、特に制限は無く常法によれば良い。その一例を示せば次の通りである。まず、前記のポリオール、ポリイソシアネート、触媒としての水酸基を有する水溶性塩基性化合物、及び所望により用いられる整泡剤、水、その他助剤などを均質に混合した組成物を調製する。その後、加熱して反応硬化させることにより、ポリウレタンフォームが得られる。各成分を混合する際の温度や時間については特に制限は無いが、混合温度は、通常１０〜９０℃、好ましくは２０〜６０℃の範囲であり、混合時間は、通常１秒〜１０分間、好ましくは３秒〜１分間程度である。また、加熱して反応硬化させる際、従来公知の方法により、発泡させることにより、ポリウレタンフォームからなる各種部材を作製することができる。反応硬化温度は、通常２０〜１００℃、好ましくは４０〜７５℃の範囲であり、反応硬化時間は、通常１〜６０分間、好ましくは２〜４０分間程度である。

本発明のポリウレタンフォームローラは、通常、鉄にメッキを施したものやステンレス鋼などからなる芯金を、前記のポリウレタンフォームで被覆することにより製造される。芯金の径は、例えば４〜１０ｍｍとすることができ、その外周に形成されたるポリウレタンフォームの厚さは、例えば２〜１０ｍｍとすることができる。用途によっては、導電性付与剤を添加してもよいし、導電性や半導電性、あるいは絶縁性の塗料により、その外側を塗装してもよい。本発明のポリウレタンフォームローラは、その用途については特に制限は無いが、例えば、帯電用部材、現像用部材、転写用部材、トナー供給用部材及びクリーニング用部材などの画像形成装置部品に使用可能なものである。

芯金とポリウレタンフォームの接合方法については、特に制限は無い。例えば、芯金を予めモールド（成形型）内部に配設しておきポリウレタンフォームを形成する原料を注型硬化する方法や、ポリウレタンフォームを所定の形状に成形した後、芯金に接着する方法などがある。どちらの方法でも、必要に応じて芯金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、この接着層としては、接着剤やホットメルトシートなどの公知の材料を用いることができる。ポリウレタンフォームを各種部材に使用可能なように形成する方法としては、特に制限は無く、公知の方法で行うことができる。例えば、所定の形状のモールドに注型する方法のほかに、予め製造したポリウレタンフォームのブロックから切削加工により、所定の寸法に切り出す方法、研磨処理により所定の寸法にする方法、あるいはこれらの方法を適宜組み合わせた方法などがある。

画像形成装置部品の種類としては特に制限は無いが、帯電ローラ、現像ローラ、トナー供給ローラ、転写ローラなどを挙げることができる。特にトナー供給ローラとして好適である。

図１は、本発明のポリウレタンフォームローラをトナー供給ローラとして組み込んでなる電子写真方式の画像形成装置の一例を示す図である。感光体１の表面は、感光体１に当接して配設されている帯電ローラ７により均一帯電され、その後露光により静電潜像が形成される。一方、現像ローラ２がその外周面を感光体１の表面に近接させた状態で配設され、トナー供給ローラ３が現像ローラ２に当接して配設されている。トナー供給ローラ３、現像ローラ２及び感光体１が矢印方向に回転することにより、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、規制ブレード４によって均一な薄層に整えられた後、感光体１上の潜像に付着して、その潜像が可視化される。また、感光体１には、紙などの記録媒体８を介して転写ローラ５が当接されており、感光体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、感光体１上のトナー画像を記録媒体８に転写させることができる。転写されずに感光体１表面に残留するトナーは、クリーニングブレード６により除去される。

以下、本発明を実施例によりさらに詳しく説明する。しかし、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。

以下の実施例、比較例で使用したポリウレタンフォーム原料を示す。
１）ポリオール
・アクトコールＥＰ−９５０（商品名）：三井武田ケミカル（株）製、末端ＥＯ、ＯＨ価３４
２）ポリイソシアネート
・コスモネートＴＭ５０（商品名）：三井武田ケミカル（株）製 ＮＣＯ＝３９．８％
３）整泡剤
・ＳＦ２９６２（商品名）：東レダウコーニング（株）製
４）アミン系触媒
・触媒１：ＴＯＹＯＣＡＴ−ＥＴ（商品名）：東ソー（株）製
・触媒２：ＴＥＤＡ（商品名）：東ソー（株）製
５）水酸基を有する水溶性塩基性化合物
・水酸化ナトリウム：キシダ化学（株）製
実施例１〜４、比較例１
径５ｍｍ、長さ２７．０８ｃｍのニッケル化学メッキをした鉄製芯金を配したＳＵＳ製円筒状金型内を用意し、５０℃に温度調節した。

一方、原料のポリオール成分として、ポリオール１００質量部に、表１に示す量の水酸基を有する水溶性塩基性化合物および水２．５質量部をそれぞれ計量し予め溶解させた水溶性塩基性化合物水溶液、及び整泡剤１．０質量部を混合・撹拌した混合物を用意した。このポリオール成分及びポリイソシアネート３０．４質量部のそれぞれを２５℃に温度調節し、それぞれを計量し、５秒間撹拌混合した後金型へ注入した。なお、ポリオール及びポリイソシアネートの配合比は、ＮＣＯインデックスで９５に相当する。そして、５０℃に温めた電気炉入れ、２０分間発泡硬化させて外径１６ｍｍのポリウレタンフォームローラを製造した。ポリウレタンフォーム層の長さは２２ｃｍで、ポリウレタンフォーム層の密度は０．１ｇ／ｃｍ³であった。なお、表１に示す水酸基を有する水溶性塩基性化合物の質量％とは、原料全質量の質量％を示す。

さらに、反応速度の目安であるクリームタイム及びライズタイムは、次のように測定した。室温２５±３℃の環境下、内容積５００ミリリットルのカップに５０ｇのポリオール、およびイソシアネートを除く触媒、整泡剤、発泡剤、架橋剤などの添加剤を量り採り混合した。その混合物に、ポリイソシアネートを当量加え、５秒間２０００〜３５００ｒｐｍで攪拌した後、クリームタイム及びライズタイムを測定した。なお、混合・撹拌開始から反応混合液がクリーム状に白濁して立ち上がた時間がクリームタイムで、発泡したフォームの最大高さまでの時間を測定した値がライズタイムである。

出来上がったポリウレタンローラのポリウレタンフォーム層の硬化状態は、次のように行った。脱型時のポリウレタンフォームの収縮状態の復元性を目視で確認し行なった。評価基準は以下の通りとした。
「○」：脱型時収縮した形状が復元した。
「△」：脱型時収縮した形状が若干復元しなかった。

また、出来上がったポリウレタンローラのトナー供給ローラとしての画像評価は、次のように行った。該トナー供給ローラをカートリッジ組込み後、該カートリッジを温度４０℃、湿度９５％環境下１０日間保管後、温度２５℃、湿度５５％環境下でヒューレット・パッカード社製ＨＰ Ｃｏｌｏｒ Ｌａｓｅｒ Ｊｅｔ ４６５０（商品名）で行った。出力画像は、ハーフトーン画像とし、評価基準は以下の通りとした。
「○」：筋は発生しなかった。
「×」：白い筋が発生した。

実施例２〜４では、水酸基を有する水溶性塩基性化合物が含まれていない比較例１と同様の良好な反応性を持ちつつ、良好な画像が形成できるポリウレタンフォームローラが得られた。また、実施例１では、硬化がやや不十分であったものの、良好な画像が形成できるポリウレタンフォームローラが得られた。

一方、比較例１では、画像に白い筋が発生した。

なお、水酸基を有する水溶性塩基性化合物は、水溶性であればよく、実施例では水酸化ナトリウムを用いたが、１例に過ぎないことは言うまでもない。

本発明に係るポリウレタンフォームローラを組み込んでなる電子写真方式の画像形成装置の一例を示す図である。

符号の説明

１ 感光体
２ 現像ローラ
３ トナー供給ローラ
４ 規制ブレード
５ 転写ローラ
６ クリーニングブレード
７ 帯電ローラ
８ 記録媒体

Claims (6)

1. 芯金上にポリウレタンフォームをローラ状に形成したポリウレタンフォームローラにおいて、
   該ポリウレタンフォームを形成する原料が、少なくともポリオール、ポリイソシアネート及び水酸基を有する水溶性塩基性化合物を含むことを特徴とするポリウレタンフォームローラ。
2. 該水溶性塩基性化合物が、アルカリ金属化合物またはアルカリ土類金属化合物であることを特徴とする請求項１記載のポリウレタンフォームローラ。
3. 該水溶性塩基性化合物が、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、水酸化リチウム及び水酸化バリウムのいずれかであることを特徴とする請求項２記載のポリウレタンフォームローラ。
4. 該ポリオールが、末端に第１級水酸基を有するポリエーテルポリオールであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のポリウレタンフォームローラ。
5. 該水溶性塩基性化合物が、該原料全質量の０．０１質量％以上０．４質量％以下であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のウレタンフォームローラ。
6. 電子写真装置の現像ユニットで用いられるトナー供給ローラにおいて、請求項１乃至５のいずれかに記載のポリウレタンフォームローラであることを特徴とするトナー供給ローラ。

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