JP2019148726A - トナー用外添剤、トナーおよびトナー用コアシェル微粒子 - Google Patents
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Abstract
Description
さらに、電源を入れてすぐに印刷を開始できるようにするために、帯電立ち上がりの早いトナーや、多数枚印刷した時の画像安定性を達成するために、帯電量が上がり続ける現象(チャージアップ)が抑制されたトナーや、耐久性に優れたトナーが求められている。
これらの性能を達成するために数々の検討が行われてきた。
特許文献1には、樹脂帯電制御剤と疎水性酸化チタンを併用することで、帯電立ち上がりを改良したトナーが開示されている。
特許文献2には、無機粒子と中抵抗外添剤である結晶性樹脂を多量に外添することで、低温定着性や耐熱保存性を改良したトナーが開示されている。
しかし、本発明者らの検討によると、一部の条件でこれらの外添剤が定着性を低下させる場合があった。これは、疎水化処理された酸化チタン微粒子がトナー粒子表層に埋め込まれることで、トナー粒子の表面部分の溶融粘度がフィラー効果により上昇し、トナー界面の融合を阻害していることが要因と考えている。また、高湿環境下において帯電量が低下する場合があった。これは上記の酸化チタン微粒子の埋め込みに加え、樹脂帯電制御剤による吸湿性によるものと考えている。
特許文献2のトナーは無機粒子と結晶性樹脂微粒子を多量に外添することで、低温定着性と耐熱保存性を向上させている。
しかし、本発明者らの検討によると、一部の使用条件下において耐久性が十分でない場合があった。これは、過酷な運転条件においては、外添された無機粒子がトナー粒子から脱離して画像に影響を与えたり、結晶性樹脂微粒子に割れや欠け、つぶれが生じることでトナー性能が経時変化するためと考えている。
本発明は、これらに鑑みてなされたものであり、定着阻害がなく、帯電特性および耐久性に優れたトナー用外添剤、トナーおよびトナー用コアシェル微粒子を提供する。具体的には、定着阻害のない、帯電立ち上がり性、チャージアップの抑制、および、耐久性に優れたトナー用外添剤、トナーおよびトナー用コアシェル微粒子を提供するものである。
該トナー用外添剤の体積抵抗率が、1.0×108Ω・cm以上1.0×1014Ω・cm以下であることを特徴するトナー用外添剤に関する。
また、本発明は、トナー粒子、および、前記トナー粒子表面に上記構成のトナー用外添剤を有するトナーに関する。
さらに、本発明は、無機微粒子、該無機微粒子の表面を樹脂で被覆してなるトナー用コアシェル微粒子であって、該トナー用コアシェル微粒子の体積抵抗率が、1.0×108Ω・cm以上1.0×1014Ω・cm以下であることを特徴するトナー用コアシェル微粒子に関する。
本発明に用いられる無機微粒子は、トナー用外添剤として用いることのできる無機微粒子であればどのようなものでも構わない。具体例として、以下のものが挙げられる。
本発明に用いられる樹脂は、どのような樹脂を用いても構わないが、樹脂の体積抵抗率がコアシェル型のトナー用外添剤の体積抵抗率に主に寄与するため、体積抵抗率が1.0×108Ω・cm以上1.0×1014Ω・cm以下の範囲である樹脂を用いることが好ましい。樹脂の被覆状態(厚さや均一さ、化学結合(後述する)の有無)により、樹脂の体積抵抗率とコアシェル型のトナー用外添剤の体積抵抗率が一致しない場合があるが、前記範囲の体積抵抗率を有する樹脂により、本発明のコアシェル型のトナー用外添剤を得やすくなる。
本発明のコアシェル型のトナー用外添剤におけるシェル厚さは、前記無機微粒子の直径の10.0%以下であることが好ましい。このような構成とすることで、無機微粒子表面の強度の影響をシェルである樹脂により強く付与できるため、割れや欠け、つぶれの発生をより抑制した耐久性の高いトナー用外添剤を得ることができる。
前記無機微粒子に前記樹脂を被覆させてコアシェル型のトナー用外添剤の製造方法は、特に限定されることはなく、公知の被覆方法を用いることができる。
トナー粒子の製造方法は、特に限定されることはなく、公知の懸濁重合法、溶解懸濁法、乳化凝集法、及び粉砕法などを用いることができる。
以下に、トナー粒子の構成材料について説明する。
(1)流動性付与剤:シリカ、アルミナ、酸化チタン、カーボンブラック及びフッ化カーボン。
(2)研磨剤:金属酸化物(例えばチタン酸ストロンチウム、酸化セリウム、アルミナ、酸化マグネシウム、酸化クロム)、窒化物(例えば窒化ケイ素)、炭化物(例えば炭化ケイ素)、金属塩(例えば硫酸カルシウム、硫酸バリウム、炭酸カルシウム)。
(3)滑剤:フッ素系樹脂粉末(例えばフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン)、脂肪酸金属塩(例えばステアリン酸亜鉛、ステアリン酸カルシウム)。
(4)荷電制御性粒子:金属酸化物(例えば酸化錫、酸化チタン、酸化亜鉛、シリカ、アルミナ)、カーボンブラック。
本発明に使用する樹脂の分子量(Mn、Mw)は、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)により、以下のようにして測定する。
装置:HLC8120 GPC(検出器:RI)(東ソー社製)
カラム:Shodex KF−801、802、803、804、805、806、807の7連(昭和電工社製)
溶離液:テトラヒドロフラン(THF)
流速:1.0ml/min
オーブン温度:40.0℃
試料注入量:0.10ml
試料の分子量の算出にあたっては、標準ポリスチレン樹脂(例えば、商品名「TSKスタンダード ポリスチレン F−850、F−450、F−288、F−128、F−80、F−40、F−20、F−10、F−4、F−2、F−1、A−5000、A−2500、A−1000、A−500」、東ソ−社製)を用いて作成した分子量校正曲線を使用する。
本発明において、無機微粒子の個数平均粒径はゼータサイザーNano−ZS(MALVERN社製)を用いて測定する。まず、サンプルは測定対象の無機微粒子の有機溶媒分散液を固液比が0.10質量%(±0.02質量%)となるように希釈して調整し、石英セルに採取して測定部に入れる。測定条件として、無機微粒子の屈折率、分散溶媒の屈折率及び粘度を入力し、測定する。
本発明のコアシェル型のトナー用外添剤中の樹脂重量は、熱重量・示差熱分析装置(リガク社製、示差熱天秤TG−DTA、ThermoPlusTG8120)を用いて測定した。基準物質にアルミナを用いて、25℃から150℃まで10℃/minの速度で昇温を行い、サンプリングレート1secでTG曲線を得た。あらかじめコアである無機微粒子の重量減少を測定し、コアシェル型のトナー用外添剤の重量減少データから前記無機微粒子の重量減少データを差し引くことで、コアシェル型のトナー用外添剤に含まれる樹脂重量とした。
本発明のコアシェル型のトナー用外添剤におけるシェル厚さは、前記した無機微粒子の個数平均粒子径と、前記したコアシェル型のトナー用外添剤に含まれる樹脂重量、および無機微粒子と樹脂の比重を用いて算出した。
(Mj×Hj)/((1−Mj)×Hm)×4/3×(Rm/2)3×π=4/3×(r−Rm/2)3×π
本発明の体積抵抗率は、電荷減衰測定における半減時間から算出した。
トナー粒子の重量平均粒径(D4)、個数平均粒径(D1)は、以下のようにして算出する。
(1)Multisizer 3専用のガラス製250mL丸底ビーカーに前記電解水溶液200.0mLを入れ、サンプルスタンドにセットし、スターラーロッドの撹拌を反時計回りで24回転/秒にて行う。そして、専用ソフトの「アパーチャーのフラッシュ」機能により、アパーチャーチューブ内の汚れと気泡を除去しておく。
(2)ガラス製の100mL平底ビーカーに前記電解水溶液30.0mLを入れる。この中に分散剤として「コンタミノンN」(非イオン界面活性剤、陰イオン界面活性剤、有機ビルダーからなるpH7の精密測定器洗浄用中性洗剤の10%水溶液、和光純薬工業(株)製)をイオン交換水で3質量倍に希釈した希釈液を0.3mL加える。
(3)発振周波数50kHzの発振器2個を、位相を180度ずらした状態で内蔵し、電気的出力120Wの超音波分散器「Ultrasonic Dispersion System Tetra150」(日科機バイオス(株)製)を準備する。超音波分散器の水槽内に3.3Lのイオン交換水を入れ、この水槽中にコンタミノンNを2.0mL添加する。
(4)前記(2)のビーカーを前記超音波分散器のビーカー固定穴にセットし、超音波分散器を作動させる。そして、ビーカー内の電解水溶液の液面の共振状態が最大となるようにビーカーの高さ位置を調整する。
(5)前記(4)のビーカー内の電解水溶液に超音波を照射した状態で、トナー粒子10mgを少量ずつ前記電解水溶液に添加し、分散させる。そして、さらに60秒間超音波分散処理を継続する。なお、超音波分散にあたっては、水槽の水温が10℃以上40℃以下となる様に適宜調節する。
(6)サンプルスタンド内に設置した前記(1)の丸底ビーカーに、ピペットを用いてトナー粒子を分散した前記(5)の電解水溶液を滴下し、測定濃度が5%となるように調整する。そして、測定粒子数が50,000個になるまで測定を行う。
(7)測定データを装置付属の前記専用ソフトにて解析を行ない、重量平均粒径(D4)および個数平均粒径(D1)を算出する。なお、前記専用ソフトでグラフ/体積%と設定したときの、「分析/体積統計値(算術平均)」画面の「平均径」が重量平均粒径(D4)であり、前記専用ソフトでグラフ/個数%と設定したときの、「分析/個数統計値(算術平均)」画面の「平均径」が個数平均粒径(D1)である。
加熱乾燥した二口フラスコに、窒素を導入しながら以下の原料を仕込んだ。
・セバシン酸(SA) 130.0質量部
・1,6−ヘキサンジオール(HD) 80.0質量部
・酸化ジブチルスズ 0.1質量部
減圧操作により系内を窒素置換した後、180℃にて6時間撹拌を行った。その後、撹拌を続けながら減圧下にて230℃まで徐々に昇温し、更に2時間保持した。粘稠な状態となったところで空冷し、反応を停止させることで、樹脂1を合成した。樹脂1の物性を表1に示す。
樹脂1の合成において、使用する原料の仕込み量を表1のように変更する以外はすべて同様にして、樹脂2から5を合成した。樹脂2から5の物性を表1に示す。
加熱乾燥した二口フラスコに、窒素を導入しながら以下の原料を仕込んだ。
・ε−カプロラクトン 30.0質量部
・ステアリルアルコール 3.3質量部
・酸化ジブチルスズ 0.20質量部
減圧操作により系内を窒素置換した後、160℃にて2時間撹拌を行った。その後、撹拌を続けながら減圧下にて230℃まで徐々に昇温し、更に2時間保持した。粘稠な状態となったところで空冷し、反応を停止させることで、片末端にヒドロキシ基を有するポリエステルを合成し、これを樹脂6とした。樹脂6の分子量は、Mn4,080、Mw8,100であった。
加熱乾燥した二口フラスコに、窒素を導入しながら以下の原料を仕込んだ。
・セバシン酸 125.0質量部
・1,6−ヘキサンジオール 75.0質量部
・酸化ジブチルスズ 0.1質量部
減圧操作により系内を窒素置換した後、180℃にて6時間撹拌を行った。その後、撹拌を続けながら減圧下にて230℃まで徐々に昇温し、更に2時間保持した。粘稠な状態となったところで空冷し、反応を停止させることで、結晶性ポリエステルである樹脂7プレポリマーを合成した。樹脂7プレポリマーの分子量はMn6000、Mw13000、融点は69℃であった。
・キシリレンジイソシアネート(XDI) 55.5質量部
・シクロヘキサンジメタノール(CHDM) 34.5質量部
・テトラヒドロフラン(THF) 80.0質量部
これを、50℃まで加熱し、10時間かけてウレタン化反応を施した。その後、上記樹脂7プレポリマー210.0質量部をTHF220.0質量部に溶解させた溶液を徐々に添加し、更に50.0℃にて5時間撹拌を行った。その後、室温まで冷却し、溶媒であるTHFを留去することで、結晶性ポリエステル−ウレタンブロックポリマーを合成し、これを樹脂7とした。樹脂7の分子量は、Mn12,450、Mw29,980であった。
加熱乾燥した二口フラスコに、窒素を導入しながらベヘニルアクリレート50.0質量部とトルエン150.0質量部、およびN,N−ジメチルホルムアミド50.0質量部を混合し、単量体組成物を調製した。
加熱乾燥した二口フラスコに、窒素を導入しながら以下の原料を仕込んだ。
・ポリオキシプロピレン(2.2)−2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)プロパン
30.0質量部
・ポリオキシエチレン(2.2)−2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)プロパン
32.5質量部
・テレフタル酸 20.5質量部
・ドデセニルコハク酸 14.5質量部
・酸化ジブチルスズ 0.1質量部
減圧操作により系内を窒素置換した後、215℃にて5時間撹拌を行った。その後、撹拌を続けながら減圧下にて230℃まで徐々に昇温し、更に2時間保持した。粘稠な状態となったところで空冷し、反応を停止させることで、非晶性ポリエステルである樹脂9を合成した。樹脂9のMnは4,900、Mwが24,000であった。
撹拌機、コンデンサー、温度計、窒素導入管を付した反応容器にキシレン200.0量部を仕込み、窒素気流下で還流した。
・NKエステル M−230G(n=23:新中村化学工業社製) 15.0質量部
・スチレン 53.0質量部
・2−エチルヘキシルアクリレート 14.9質量部
・2,2’−アゾビス[2−メチル−N−(2−ヒドロキシエチル)プロピオンアミド]
0.6質量部
を混合し、前記反応容器に撹拌しながら滴下し90℃で10時間保持した。その後、蒸留を行って溶剤を留去し、減圧下40℃で乾燥して樹脂10を得た。樹脂10のMnは10,900、Mwが22,900であった。
加熱乾燥した二口フラスコに、窒素を導入しながらスチレン100.0質量部とトルエン150.0質量部、およびN,N−ジメチルホルムアミド50.0質量部を混合し、単量体組成物を調製した。
ダイセルポリマー社製 ノバロイE(E81)を樹脂12として用いた。
加熱乾燥した二口フラスコに、窒素を導入しながら以下の原料を仕込んだ。
・樹脂1 10.0質量部
・3−イソシアネートプロピルトリエトキシシラン 2.5質量部
・メチルエチルケトン 87.5質量部
これを常温で1時間撹拌することで、樹脂1に前記シランカップリング剤を付加させた。その後、メチルエチルケトンの5倍量のメタノールで再沈し、回収した沈殿物を乾燥することによりシェルプレポリマー1を得た。
・シェルプレポリマー1 10.0質量部
・メチルエチルケトン 87.5質量部
上記混合溶液に1モル/Lの塩酸を加え、pHを3.0に調整し常温で1時間撹拌した。加熱乾燥した二口フラスコに、窒素を導入しながら以下の原料を仕込んだ。
・シリカ微粒子分散液(MEK−ST−ZL、メチルエチルケトン分散液、固形分率33%、日産化学社製) 100.0質量部
上記シリカ微粒子分散液にテトラエチルアミンを加えてpHを9〜11.5に調整し、前記混合溶液を滴下、混合して一晩常温で撹拌した。その後、メチルエチルケトンの5倍量のテトラヒドロフランと混合し、遠心分離、乾燥工程を経て、コアシェル型のトナー用外添剤1を得た。コアシェル型のトナー用外添剤1の物性を表3に示す。
コアシェル型のトナー用外添剤1の合成において、使用する原料の種類を表3のように変更する以外はすべて同様にして、コアシェル型のトナー用外添剤2〜11、13を合成した。コアシェル型のトナー用外添剤2〜11、13の物性を表3に示す。
疎水化したチタン酸ストロンチウム10.0質量部をメチルエチルケトン90.0質量部に入れ、超音波ホモジナイザー(UH−300、エスエムティー社製)で5分間処理することでチタン酸ストロンチウム分散液を作製した。この分散液に樹脂1を0.6質量部混合し、完全に溶解させた後、メチルエチルケトンの10倍量のヘキサンを、前記分散液に撹拌しながら10ml/minの速度で全量滴下した。その後、遠心分離、乾燥工程を経て、コアシェル型のトナー用外添剤12を得た。コアシェル型のトナー用外添剤12の物性を表4に示す。
コアシェル型のトナー用外添剤12の製造例における樹脂1を樹脂12に、樹脂12の量を2.5質量部に変えて同様の操作を行い、コアシェル型のトナー用外添剤14を得た。コアシェル型のトナー用外添剤14の物性を表4に示す。
(水系媒体1の製造例)
反応容器に、イオン交換水390.0質量部、及びリン酸ナトリウム(12水和物)〔ラサ工業(株)製〕14.0質量部を投入し、窒素パージしながら65℃で1時間保温した。
スチレン 60.0質量部
着色剤(C.I.ピグメントブルー15:3) 6.5質量部
前記材料をアトライタ(日本コークス工業(株)製)に投入し、さらに直径1.7mmのジルコニア粒子を用いて、220rpmで5時間分散させて、着色剤が分散された分散液1を調製した。
スチレン 20.0質量部
n−ブチルアクリレート 20.0質量部
ポリエステル樹脂 5.0質量部
(ビスフェノールAプロピレンオキサイド2モル付加物/テレフタル酸/トリメリット酸の縮合物、ガラス転移温度:75℃)
フィッシャートロプシュワックス(融点:78℃) 7.0質量部
これを65℃に保温し、T.K.ホモミクサーを用いて、500rpmにて均一に溶解、分散し、重合性単量体組成物1を調製した。
水系媒体1の温度を70℃、撹拌装置の回転数を12,000rpmに保ちながら、水系媒体1中に重合性単量体組成物1を投入し、重合開始剤であるt−ブチルパーオキシピバレート9.0質量部を添加した。そのまま該撹拌装置にて12,000rpmを維持しつつ10分間造粒した。
高速撹拌装置からプロペラ撹拌羽根を備えた撹拌機に変更し、150rpmで撹拌しながら70℃を保持して5時間重合を行い、さらに85℃に昇温して2時間加熱することで重合反応を行い、トナー母粒子分散液1を得た。
表5に示すように、トナー用外添剤1をトナー用外添剤2〜14、およびTiO2、結晶性ポリエステル(CPES)微粒子に変更する以外は同様にしてトナー2〜16を製造した。
トナー1〜16を用いて、実施例1〜12、及び、比較例1〜4の評価を行った。
常温常湿環境下(25℃、50%RH)において、充填後のカートリッジを前記プリンターのシアンステーションに装着した。プロセススピ−ド300mm/secで、定着温度を5℃刻みで変更し、トナー載量が0.40mg/cm2の未定着トナー画像を受像紙にオイルレスで加熱加圧し、受像紙に定着画像を形成した。定着阻害性は、キムワイプ〔S−200(株式会社クレシア)〕用い、7.35kPa(75g/cm2)の荷重をかけて定着画像を10回こすり、こすり前後の濃度低下率が5%未満になる最低温度をトナーの定着温度とした。定着阻害性が大きい比較例1を定着温度の基準とし、比較例1に比べて定着温度がどの程度低下したかについて、以下の基準で定着阻害性の評価を行った。評価結果を表6に示す。
A:−10℃以上
B:−5℃以上10℃未満
C:−1℃以上5℃未満
D:0℃(基準)
低温低湿環境下(5℃、15%RH)において、以下の評価を行った。
摩擦帯電量(mC/kg)=(C×V)/(W1−W2)
A:帯電立ち上がり性が90%以上
B:帯電立ち上がり性が80%以上90%未満
C:帯電立ち上がり性が70%以上80%未満
D:帯電立ち上がり性が70%未満
低温低湿環境下(5℃、15%RH)、及び、高温高湿環境下(35℃、80%RH)において、以下の評価を行った。
A:帯電量安定性が60%以上
B:帯電量安定性が40%以上60%未満
C:帯電量安定性が20%以上40%未満
D:帯電量安定性が20%未満
低温低湿環境下(5℃、15%RH)において、充填後のカートリッジを前記プリンターのシアンステーションに装着した。A4普通紙 Office70(キヤノンマーケティングジャパン 70g/m2)を用い、トナーを補給しながら印字率30%チャートを5,000枚連続して印刷後、ハーフトーン画像を印刷した。
A:画像濃度にムラがなく均一である
B:画像濃度にごくわずかにムラがある
C:画像濃度にわずかにムラがある
D:画像濃度にムラがある
低温低湿環境下(5℃、15%RH)において、充填後のカートリッジを前記プリンターのシアンステーションに装着した。A4普通紙 Office70(キヤノンマーケティングジャパン 70g/m2)を用い、トナーを補給しながら印字率1%チャートを5,000枚連続して印刷後、ハーフトーン画像を印刷した。
A:0.1未満
B:0.1以上0.13未満
C:0.13以上0.16未満
D:0.16以上
Claims (8)
- 無機微粒子と、該無機微粒子の表面を被覆している樹脂と、を有するコアシェル型のトナー用外添剤であって、
該トナー用外添剤の体積抵抗率が、1.0×108Ω・cm以上1.0×1014Ω・cm以下であることを特徴するトナー用外添剤。 - 前記コアシェル型のトナー用外添剤におけるシェル厚さは、前記無機微粒子の直径の10.0%以下である請求項1に記載のトナー用外添剤。
- 前記樹脂が、結晶性樹脂である請求項1又は2に記載のトナー用外添剤。
- 前記結晶性樹脂が、結晶性ポリエステルである請求項1〜3のいずれか1項に記載のトナー用外添剤。
- 前記無機微粒子が、シリカ微粒子である請求項1〜4のいずれか1項に記載のトナー用外添剤。
- 前記樹脂と、前記無機微粒子の表面とが、化学的に結合してい請求項1〜5のいずれか1項に記載のトナー用外添剤。
- トナー粒子、および、前記トナー粒子表面に請求項1〜6のいずれか1項に記載のトナー用外添剤を有するトナー。
- 無機微粒子、該無機微粒子の表面を樹脂で被覆してなるトナー用コアシェル微粒子であって、該トナー用コアシェル微粒子の体積抵抗率が、1.0×108Ω・cm以上1.0×1014Ω・cm以下であることを特徴するトナー用コアシェル微粒子。
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