JP2023020082A - キャリア芯材 - Google Patents

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Abstract

【課題】現像メモリが抑制でき画像の濃度ムラも抑制できるキャリア芯材を提供する。【解決手段】キャリア芯材は、組成式(MnO)x(MgO)y(Fe2O3)z(但し、x:30mol%以上55mol%以下,y:20mol%以下,z:40mol%以上60mol%以下,x+y+z=100mol%)で表されるフェライト粒子から構成されるキャリア芯材であって、Caが0.1mol%以上1.5mol%以下の範囲、Nbが0.1mol%以上1.5mol%以下の範囲含有されている。【選択図】図1

Description

本発明は、キャリア芯材並びにこれを用いた電子写真現像用キャリア及び電子写真用現像剤に関するものである。
例えば、電子写真方式を用いたファクシミリやプリンター、複写機などの画像形成装置では、感光体の表面に形成された静電潜像にトナーを付着させて可視像化し、この可視像を用紙等に転写した後、加熱・加圧して定着させている。高画質化やカラー化の観点から、現像剤としては、キャリアとトナーとを含むいわゆる二成分現像剤が広く使用されている。
二成分現像剤を用いた現像方式では、キャリアとトナーとを現像装置内で撹拌混合し、摩擦によってトナーを所定量まで帯電させる。そして、回転する現像ローラに現像剤を供給し、現像ローラ上で磁気ブラシを形成させて、磁気ブラシを介して感光体へトナーを電気的に移動させて感光体上の静電潜像を可視像化する。トナー移動後のキャリアは現像ローラ上から剥離されて現像装置内で再びトナーと混合される。このため、キャリアの特性として、磁気ブラシを形成する磁気特性と、所望の電荷をトナーに付与する帯電特性および繰り返し使用における耐久性が要求される。
このようなキャリアとして、マグネタイトや各種フェライト等の磁性粒子(キャリア芯材)の表面を樹脂で被覆したものが一般に用いられている。ところが、キャリア芯材の表面を樹脂で被覆した樹脂被覆キャリアをトナーと混合して二成分現像剤とした場合、現像ローラの1周前の画像の影響を受けて画像濃度が低下する「現像メモリ」と呼ばれる不具合が生じることがあった。
この現像メモリは樹脂被覆キャリアの電気抵抗が高いことに起因するものと推測され、その対策の一つとして、例えば、特許文献1では、キャリア芯材の形状を特定形状として、樹脂被覆したキャリアの表面からキャリア芯材を所定割合で露出させて現像メモリを抑制する技術が提案されている。また特許文献2には、Sr(ストロンチウム)を含有させて、キャリア芯材の粒子の表面に微小な凹凸を形成する技術が提案されている。
特開2010-256759号公報 特開2012-159642号公報
しかしながら、キャリア芯材にSrに添加すると、組成SrFe1219の酸化物が析出する。当該酸化物は高い残留磁化と高い保磁力を有するため、キャリアの流動性が低下し、また現像ローラからのキャリアの離脱不良が発生することがある。そして、このようなキャリアの流動性の低下や現像ローラからの離脱不良に起因して画像に濃度ムラが表れることがあった。
そこで、本発明の目的は現像メモリが抑制でき、しかも画像の濃度ムラも抑制できるキャリア芯材を提供することにある。
また本発明の他の目的は、長期間の使用においても安定して良好な画質画像を形成することができる電子写真現像用キャリア及び電子写真用現像剤を提供することにある。
前記目的を達成する本発明に係るキャリア芯材は、組成式(MnO)(MgO)(Fe(但し、x:30mol%以上55mol%以下,y:20mol%以下,z:40mol%以上60mol%以下,x+y+z=100mol%)で表されるフェライト粒子から構成されるキャリア芯材であって、Caが0.1mol%以上1.5mol%以下の範囲、Nbが0.1mol%以上1.5mol%以下の範囲含有されていることを特徴とする。
なお、本明細書においてCa及びNbの含有量は後述する実施例に記載の方法で測定した値である。また、本明細書において「フェライト粒子」、「キャリア芯材」、「電子写真現像用キャリア」、「電子写真用現像剤」は、それぞれ個々の粒子の集合体(粉体)を意味するものである。
前記構成のキャリア芯材において、CaとNbのmol%での含有比Ca/Nbが1.0以上であるのが好ましい。
前記構成のキャリア芯材において、前記フェライト粒子の表面の最大山谷深さRzは1.7μm以上2.5μm以下であるのが好ましい。
また前記構成のキャリア芯材において、前記フェライト粒子の残留磁化σは1.0(A・m/kg)以下であるのが好ましい。
また前記構成のキャリア芯材において、前記フェライト粒子の保磁力Hは10(A/m×10/(4π))以下であるのが好ましい。
また前記構成のキャリア芯材において、水銀圧入法で測定される前記フェライト粒子の細孔容積が0.003cm/g以上0.02cm/g以下であるのが好ましい。
また前記構成のキャリア芯材において、磁場79.58×10A/m(1000エルステッド)を印加した際の前記フェライト粒子の磁化σ1kが45Am/kg以上75Am/kg以下であるのが好ましい。
また前記構成のキャリア芯材において、前記フェライト粒子の体積平均粒子径(以下、「平均粒子径」と記すことがある。)D50が20μm以上75μm以下であるのが好ましい。
また本発明によれば、前記のいずれかに記載のキャリア芯材の表面が樹脂で被覆されていることを特徴とする電子写真現像用キャリアが提供される。
そしてまた本発明によれば、前記記載の電子写真現像用キャリアとトナーとを含むことを特徴とする電子写真用現像剤が提供される。
なお、「最大山谷深さRz」、「残留磁化σ」、「保磁力H「細孔容積」、「磁化σ1k」、「体積平均粒子径D50」は後述する実施例に記載の方法で測定した値である。
本発明に係るキャリア芯材によれば現像メモリが抑制できると共に画像の濃度ムラも抑制できる。
また本発明に係るキャリア芯材を含む現像剤を用いれば、長期間の使用においても安定して良好な画質画像を形成することができる。
本発明のキャリア芯材のSEM-EDS写真(Ca元素とNb元素)である。 実施例8のキャリア芯材のSEM写真(倍率1000倍)である。 比較例3のキャリア芯材のSEM写真(倍率1000倍)である。 本発明に係る電子写真用現像剤を用いた現像装置の一例を示す概説図である。
本発明者は現像メモリと濃度ムラの抑制が可能なキャリア芯材を得るため鋭意検討を重ねた結果、所定組成のフェライト粒子から構成されるキャリア芯材において、所定量のCa(カルシウム)とNb(ニオブ)とを含有させることによって、キャリアの流動性の低下や現像ローラからの離脱不良を招くことなく、キャリア芯材の表面を凹凸化させて現像メモリを抑制できることを見出し本発明をなすに至った。
すなわち本発明に係るキャリア芯材の大きな特徴の一つは、Caが0.1mol%以上1.5mol%以下の範囲、Nbが0.1mol%以上1.5mol%以下の範囲含有されていることである。
キャリア芯材にCaを単独で含有させるとCa-Fe-O化合物の結晶相が生成しキャリア芯材の表面凹凸化はある程度は図れるものの現像メモリの十分な発生抑制には至らない。一方、キャリア芯材にCaと共にNbを含有させると、焼成時にCa-Nb-O化合物の結晶相が優先的に生成されてフェライト粒子の結晶粒界に留まってフェライト粒子の結晶の面内方向の成長が抑制されてフェライト粒子の表面凹凸化が促進される。加えて、Ca-Nb-O化合物は、従来使用されていたSrとFeの酸化物に比べてキャリア芯材の残留磁化及び保磁力の上昇は招きにくい。
なお、キャリア芯材の原料成分としてCaとNbとを配合すると焼成時にCa-Nb-O化合物の結晶相が生成されることは、作製したキャリア芯材の走査型電子顕微鏡(SEM:Scanning Electron Microscope)によるエネルギー分散型X線分析(EDS:Energy dispersive X-ray spectroscopy)からも確認されている。図1にキャリア芯材のSEM-EDS写真の一例を示す。同図(a)はキャリア芯材のSEM写真、同図(b)は同図(a)の部分拡大写真、同図(c)は同図(b)の視野におけるCa元素の存在領域を示す写真、同図(d)は同図(b)の視野におけるNb元素の存在領域を示す写真である。図1(c)と図1(d)を見比べれば明らかなように、Ca元素とNb元素とはほぼ同じ領域に存在しており、キャリア芯材中にCa-Nb-O化合物の結晶相が生成されていることがわかる。
Ca及びNbの各々の含有割合はいずれも0.1mol%以上1.5mol%以下の範囲である。Ca及びNbの含有割合が0.1mol%未満であると本発明の所期の効果が得られない。一方、Ca及びNbの含有割合が1.5mol%を超えるとキャリア芯材の保磁力Hの上昇を招き濃度ムラが発生するおそれがある。
またCaとNbのmol%での含有比Ca/Nbは1.0以上であるのが好ましい。含有比Ca/Nbが1.0未満であると、すなわちNbの含有量がCaの含有量よりも多いとCa-Nb-O化合物の生成に寄与しないNbが存在することとなり、理由は未だ明確には成っていないが、フェライト相の一部が分解してヘマタイト相が形成され現像メモリが発生するするおそれがある。含有比Ca/Nbの好ましい上限値は10.0であり、より好ましい上限値は5.0である。
本発明のキャリア芯材を構成するフェライト粒子は、組成式(MnO)(MgO)(Fe(但し、x:30mol%以上55mol%以下,y:20mol%以下,z:40mol%以上60mol%以下,x+y+z=100mol%)の組成を有する。上記xが55mol%超及び上記yが20mol%超では、キャリア芯材の磁化が低すぎて実使用においてはキャリア付着などの不具合が発生するおそれがある。またxが30mol%未満では、キャリア芯材の磁化が高くなるため画像ムラが発生するおそれがある。
本発明のキャリア芯材を構成するフェライト粒子の表面の最大山谷深さRzは1.7μm以上2.5μm以下の範囲が好ましい。フェライト粒子の表面の最大山谷深さRzが1.7μm未満であると、キャリア芯材表面が樹脂被覆されて樹脂被覆キャリアとされた際に樹脂被覆キャリアの表面にキャリア芯材が十分に露出することができず、樹脂被覆キャリアに溜まったカウンタチャージが円滑に外部に放出されずに現像メモリが発生するおそれがある。一方、フェライト粒子の表面の最大山谷深さRzが2.5μmを超えると、樹脂被覆キャリアの流動性が低下し濃度ムラが発生するおそれがある。最大山谷深さRzのより好ましい範囲は1.7μm以上2.2μm以下の範囲である。フェライト粒子の表面の最大山谷深さRzの制御は、原料におけるCa及びNbの添加量及び製造工程における焼成条件などによって行うことができる。
本発明のキャリア芯材を構成するフェライト粒子の残留磁化σは1.0(A・m/kg)以下であるのが好ましい。フェライト粒子の残留磁化σが1.0(A・m/kg)を超えると、現像ローラからのキャリアの離脱不良が発生し画像に濃度ムラが表れるおそれがある。フェライト粒子の残留磁化σのより好ましい上限値は0.8(A・m/kg)である。また残留磁化σの好ましい下限値は0.5(A・m/kg)である。
本発明のキャリア芯材を構成するフェライト粒子の保磁力Hは10(A/m×10/(4π))以下であるのが好ましい。フェライト粒子の保磁力Hが10(A/m×10/(4π))を超えると、現像ローラからのキャリアの離脱不良が発生し画像に濃度ムラが表れるおそれがある。フェライト粒子の保磁力Hのより好ましい上限値は9.5(A/m×10/(4π))である。また保磁力Hの好ましい下限値は5.0(A/m×10/(4π))である。
本発明のキャリア芯材を構成するフェライト粒子の細孔容積は0.003cm/g以上0.02cm/g以下の範囲が好ましい。フェライト粒子の細孔容積が0.003cm/g未満であると、キャリア芯材一粒子あたりの磁化が大きくなり過ぎて現像ローラからのキャリアの離脱不良が発生し画像に濃度ムラが表れるおそれがある。一方、フェライト粒子の細孔容積が0.02cm/gを超えると内部空隙が大きくなり過ぎてキャリア芯材一粒子あたりの磁化が小さくなり過ぎキャリア飛散が生じやすくなる。フェライト粒子の細孔容積のより好ましい範囲は0.004cm/g以上0.015cm/g以下の範囲である。
本発明のキャリア芯材を構成するフェライト粒子の磁化σ1kは45Am/kg以上75Am/kg以下であるのが好ましい。フェライト粒子の磁化σ1kが45Am/kg未満であると磁力が小さくなりすぎてキャリア飛散が発生するおそれがある。一方、フェライト粒子の磁化σ1kが75Am/kgを超えると磁力が大きくなりすぎて現像ローラからのキャリアの離脱不良が発生し画像に濃度ムラが表れるおそれがある。
本発明のキャリア芯材を構成するフェライト粒子の平均粒子径D50は20μm以上75μm以下の範囲が好ましく、より好ましくは30μm以上40μm以下の範囲である。またフェライト粒子の粒度分布はシャープであるのが好ましい。
本発明のキャリア芯材を構成するフェライト粒子の製造方法に特に限定はないが、以下に説明する製造方法が好適である。
まず、Fe成分原料、Mn成分原料、Mg成分原料、Ca成分原料、Nb成分原料、そして必要により添加剤を秤量する。Fe成分原料としては、Fe等が好適に使用される。Mn成分原料としてはMnCO、Mn等が使用でき、Mg成分原料であればMgO、Mg(OH)、MgCO、MgFeが使用でき、Ca成分原料としては、CaO、Ca(OH)、CaCO等が使用でき、Nb成分原料としては、Nb、NbO、Nb等が使用できる。
次いで、原料を狙いとするキャリア芯材組成と同じ質量比で分散媒中に投入しスラリーを作製する。本発明で使用する分散媒としては水が好適である。分散媒には、前記仮焼成原料の他、必要によりバインダー、分散剤等を配合してもよい。バインダーとしては、例えば、ポリビニルアルコールが好適に使用できる。バインダーの配合量としてはスラリー中の濃度が0.1質量%~2質量%程度とするのが好ましい。また、分散剤としては、例えば、ポリカルボン酸アンモニウム等が好適に使用できる。分散剤の配合量としてはスラリー中の濃度が0.1質量%~2質量%程度とするのが好ましい。その他、カーボンブラックなどの還元剤、アンモニアなどのpH調整剤、潤滑剤、焼結促進剤等を配合してもよい。スラリーの固形分濃度は50質量%~90質量%の範囲が望ましい。より好ましくは60質量%~80質量%である。60質量%以上であれば、造粒物中に粒子内細孔が少なく、焼成時の焼結不足を防ぐことができる。
なお、秤量した原料を混合し仮焼成し解粒した後、分散媒に投入しスラリーを作製してもよい。仮焼成の温度としては750℃~1000℃の範囲が好ましい。750℃以上であれば、仮焼による一部フェライト化が進み、焼成時のガス発生量が少なく、固体間反応が十分に進むため、好ましい。一方、1000℃以下であれば、仮焼による焼結が弱く、後のスラリー粉砕工程で原料を十分に粉砕できるので好ましい。また、仮焼成時の雰囲気としては大気雰囲気が好ましい。
次に、以上のようにして作製されたスラリーを湿式粉砕する。例えば、ボールミルや振動ミルを用いて所定時間湿式粉砕する。粉砕後の原材料の平均粒子径は5μm以下が好ましく、より好ましくは1μm以下である。振動ミルやボールミルには、所定粒径のメディアを内在させるのがよい。メディアの材質としては、鉄系のクロム鋼や酸化物系のジルコニア、チタニア、アルミナなどが挙げられる。粉砕工程の形態としては連続式及び回分式のいずれであってもよい。粉砕物の粒径は、粉砕時間や回転速度、使用するメディアの材質・粒径などによって調整される。
そして、粉砕されたスラリーを噴霧乾燥させて造粒する。具体的には、スプレードライヤーなどの噴霧乾燥機にスラリーを導入し、雰囲気中へ噴霧することによって球形に造粒する。噴霧乾燥時の雰囲気温度は100℃~300℃の範囲が好ましい。これにより、粒径10μm~200μmの球形の造粒物が得られる。次いで、必要により、得られた造粒物を振動篩を用いて分級し所定の粒径範囲の造粒物を作製する。
次に、前記の造粒物を所定温度に加熱した炉に投入して、フェライト粒子を合成するための一般的な手法で焼成することにより、フェライト粒子を生成させる。焼成温度としては1100℃~1350℃の範囲が好ましい。焼成温度が1100℃以下であると、相変態が起こりにくくなるとともに焼結も進みにくくなる。また、焼成温度が1350℃を超えると、過剰焼結による過大グレインの発生がするおそれがある。前記焼成温度に至るまでの昇温速度としては250℃/h~500℃/hの範囲が好ましい。焼成温度での保持時間は2時間以上が好ましい。フェライト粒子の表面の凹凸は焼成工程における酸素濃度によっても調整可能である。具体的には酸素濃度を500ppm~100000ppmとする。また、冷却時の酸素濃度を焼成時の酸素濃度よりも低くすることによって、フェライト相の酸化状態の調整を図ってもよい。具体的には酸素濃度を500ppm~30000ppmの範囲とする。昇温・焼結・冷却における酸素濃度は500ppm~100000ppmの範囲に制御するのが好ましい。
このようにして得られた焼成物を必要により解粒する。具体的には、例えば、ハンマーミル等によって焼成物を解粒する。解粒工程の形態としては連続式及び回分式のいずれであってもよい。また解粒処理後、必要により、粒径を所定範囲に揃えるため分級を行ってもよい。分級方法としては、風力分級や篩分級など従来公知の方法を用いることができる。また、風力分級機で1次分級した後、振動篩や超音波篩で粒径を所定範囲に揃えるようにしてもよい。さらに、分級工程後に、磁場選鉱機によって非磁性粒子を除去するようにしてもよい。フェライト粒子の平均粒子径としては20μm以上75μm以下の範囲が好ましい。
その後、必要に応じて、分級後のフェライト粒子を酸化性雰囲気中で加熱して、粒子表面に酸化被膜を形成してフェライト粒子の高抵抗化を図ってもよい(高抵抗化処理)。酸化性雰囲気としては大気雰囲気又は酸素と窒素の混合雰囲気のいずれでもよい。また、加熱温度は200℃以上800℃以下の範囲が好ましく、360℃以上550℃以下の範囲がさらに好ましい。加熱時間は0.5時間以上5時間以下の範囲が好ましい。なお、フェライト粒子の表面と内部とを均質化する観点からは加熱温度は低温であるのが望ましい。
以上のようにして作製したフェライト粒子を本発明のキャリア芯材として用いる。そして、所望の帯電性等を得るために、キャリア芯材の外周を樹脂で被覆して電子写真現像用キャリアとする。
キャリア芯材の表面を被覆する樹脂としては、従来公知のものが使用でき、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ポリ-4-メチルペンテン-1、ポリ塩化ビニリデン、ABS(アクリロニトリル-ブタジエン-スチレン)樹脂、ポリスチレン、(メタ)アクリル系樹脂、ポリビニルアルコール系樹脂、並びにポリ塩化ビニル系やポリウレタン系、ポリエステル系、ポリアミド系、ポリブタジエン系等の熱可塑性エストラマー、フッ素シリコーン系樹脂などが挙げられる。
キャリア芯材の表面を樹脂で被覆するには、樹脂の溶液又は分散液をキャリア芯材に施せばよい。塗布溶液用の溶媒としては、トルエン、キシレン等の芳香族炭化水素系溶媒;アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、シクロヘキサノン等のケトン系溶媒;テトラヒドロフラン、ジオキサン等の環状エーテル類溶媒;エタノール、プロパノール、ブタノール等のアルコール系溶媒;エチルセロソルブ、ブチルセロソルブ等のセロソルブ系溶媒;酢酸エチル、酢酸ブチル等のエステル系溶媒;ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド等のアミド系溶媒などの1種又は2種以上を用いることができる。塗布溶液中の樹脂成分濃度は、一般に0.001質量%以上30質量%以下、特に0.001質量%以上2質量%以下の範囲内にあるのがよい。
キャリア芯材への樹脂の被覆方法としては、例えばスプレードライ法や流動床法あるいは流動床を用いたスプレードライ法、浸漬法等を用いることができる。これらの中でも、少ない樹脂量で効率的に塗布できる点で流動床法が特に好ましい。樹脂被覆量は、例えば流動床法の場合には吹き付ける樹脂溶液量や吹き付け時間によって調整することができる。
キャリアの粒子径は、一般に、体積平均粒子径で20μm以上75μm以下の範囲、特に30μm以上40μm以下の範囲が好ましい。
本発明に係る電子写真用現像剤は、以上のようにして作製したキャリアとトナーとを混合してなる。キャリアとトナーとの混合比に特に限定はなく、使用する現像装置の現像条件などから適宜決定すればよい。一般に現像剤中のトナー濃度は1質量%以上15質量%以下の範囲が好ましい。トナー濃度が1質量%未満の場合、画像濃度が薄くなりすぎ、他方トナー濃度が15質量%を超える場合、現像装置内でトナー飛散が発生し機内汚れや転写紙などの背景部分にトナーが付着する不具合が生じるおそれがあるからである。より好ましいトナー濃度は3質量%以上10質量%以下の範囲である。
トナーとしては、重合法、粉砕分級法、溶融造粒法、スプレー造粒法など従来公知の方法で製造したものが使用できる。具体的には、熱可塑性樹脂を主成分とする結着樹脂中に、着色剤、離型剤、帯電制御剤等を含有させたものが好適に使用できる。
トナーの粒子径は、一般に、コールターカウンターによる体積平均粒子径で5μm以上15μm以下の範囲が好ましく、7μm以上12μm以下の範囲がより好ましい。
トナー表面には、必要により、改質剤を添加してもよい。改質剤としては、例えば、シリカ、アルミナ、酸化亜鉛、酸化チタン、酸化マグネシウム、ポリメチルメタクリレート等が挙げられる。これらの1種又は2種以上を組み合わせて使用できる。
キャリアとトナーとの混合は、従来公知の混合装置を用いることができる。例えばヘンシェルミキサー、V型混合機、タンブラーミキサー、ハイブリタイザー等を用いることができる。
本発明の現像剤を用いた現像方法に特に限定はないが、磁気ブラシ現像法が好適である。図4に、磁気ブラシ現像を行う現像装置の一例を示す概説図を示す。図4に示す現像装置は、複数の磁極を内蔵した回転自在の現像ローラ3と、現像部へ搬送される現像ローラ3上の現像剤量を規制する規制ブレード6と、水平方向に平行に配置され、互いに逆向きに現像剤を撹拌搬送する2本のスクリュー1,2と、2本のスクリュー1,2の間に形成され、両スクリューの両端部において、一方のスクリューから他方のスクリューに現像剤の移動を可能とし、両端部以外での現像剤の移動を防ぐ仕切板4とを備える。
2本のスクリュー1,2は、螺旋状の羽根13,23が同じ傾斜角で軸部11,21に形成されたものであって、不図示の駆動機構によって同方向に回転し、現像剤を互いに逆方向に搬送する。そして、スクリュー1,2の両端部において一方のスクリューから他方のスクリューに現像剤が移動する。これによりトナーとキャリアからなる現像剤は装置内を常に循環し撹拌されることになる。
一方、現像ローラ3は、表面に数μmの凹凸を付けた金属製の筒状体の内部に、磁極発生手段として、現像磁極N、搬送磁極S、剥離磁極N、汲み上げ磁極N、ブレード磁極Sの5つの磁極を順に配置した固定磁石を有してなる。現像ローラ3の筒状体が矢印方向に回転すると、汲み上げ磁極Nの磁力によって、スクリュー1から現像ローラ3へ現像剤が汲み上げられる。現像ローラ3の表面に担持された現像剤は、規制ブレード6により層規制された後、現像領域へ搬送される。
現像領域では、直流電圧に交流電圧を重畳したバイアス電圧が転写電圧電源8から現像ローラ3に印加される。バイアス電圧の直流電圧成分は、感光体ドラム5表面の背景部電位と画像部電位との間の電位とされる。また、背景部電位と画像部電位とは、バイアス電圧の最大値と最小値との間の電位とされる。バイアス電圧のピーク間電圧は0.5kV~5kVの範囲が好ましく、周波数は1kHz~10kHzの範囲が好ましい。またバイアス電圧の波形は矩形波、サイン波、三角波などいずれであってもよい。これによって、現像領域においてトナー及びキャリアが振動し、トナーが感光体ドラム5上の静電潜像に付着して現像がなされる。
その後現像ローラ3上の現像剤は、搬送磁極Sによって装置内部に搬送され、剥離電極Nによって現像ローラ3から剥離して、スクリュー1,2によって装置内を再び循環搬送され、現像に供していない現像剤と混合撹拌される。そして汲み上げ極Nによって、新たに現像剤がスクリュー1から現像ローラ3へ供給される。
なお、図4に示した実施形態では現像ローラ3に内蔵された磁極は5つであったが、現像剤の現像領域での移動量を一層大きくしたり、汲み上げ性等を一層向上させるために、磁極を8極や10極、12極と増やしてももちろん構わない。
(実施例1)
原料として、Fe(平均粒径:0.6μm)10.0kg、Mn(平均粒径:3.4μm)3.8kg、MgFe(平均粒径:3.2μm)2.6kg、CaCO(平均粒径:0.6μm)0.081kg、Nb(平均粒径:3.5μm)0.095kgを純水5.4kg中に分散し、還元剤としてカーボンブラックを30g、分散剤としてポリカルボン酸アンモニウム系分散剤を139g、アンモニア水(25wt%水溶液)を5g添加して混合物とした。この混合物を湿式ボールミル(メディア径2mm)により粉砕処理し、混合スラリーを得た。
この混合スラリーをスプレードライヤーにて約140℃の熱風中に噴霧し、粒径10μm~75μmの乾燥造粒物を得た。この造粒物から粒径25μm以下の微小な粒子は篩を用いて除去した。
この造粒物を、電気炉に投入し1200℃まで4.5時間かけて昇温した。その後1200℃で3時間保持することにより焼成を行った。電気炉内の酸素濃度は昇温の段階では100000ppm、冷却の段階では15000ppmとなるよう、炉内の酸素濃度を調整した。
得られた焼成物をハンマーミルで解粒した後に振動篩を用いて分級し、平均粒子径35.7μmのキャリア芯材を得た。
得られたキャリア芯材の組成、粉体特性、形状特性、磁気特性などを後述の方法で測定した。測定結果を表1に示す。
次に、このようにして得られたキャリア芯材の表面を樹脂で被覆してキャリアを作製した。具体的には、シリコーン樹脂450質量部と、(2-アミノエチル)アミノプロピルトリメトキシシラン9質量部とを、溶媒としてのトルエン450質量部に溶解してコート溶液を作製した。このコート溶液を、流動床型コーティング装置を用いてキャリア芯材50000質量部に塗布し、温度300℃の電気炉で加熱してキャリアを得た。以下の実施例及び比較例についても同様にしてキャリアを得た。
得られたキャリアと平均粒子径5.0μm程度のトナーとを、ポットミルを用いて所定時間混合し、二成分系の電子写真現像剤を得た。この場合、キャリアとトナーとをトナーの質量/(トナーおよびキャリアの質量)=5/100となるように調整した。以下、全ての実施例、比較例についても同様にして現像剤を得た。得られた現像剤について後述の実機評価を行った。評価結果を表1に合わせて示す。
(実施例2)
焼成工程における電気炉温度を1240℃に変更した以外は実施例1と同様にして平均粒子径36.2μmのキャリア芯材を得た。
得られたキャリア芯材の組成、粉体特性、形状特性、磁気特性などを後述の方法で測定した。測定結果を表1に示す。
(実施例3)
焼成工程における電気炉温度を1210℃に変更し、電気炉内の酸素濃度は昇温の段階では100000ppm、冷却の段階では25000ppmとなるよう、炉内の酸素濃度を調整した以外は実施例1と同様にして平均粒子径36.1μmのキャリア芯材を得た。
得られたキャリア芯材の組成、粉体特性、形状特性、磁気特性などを後述の方法で測定した。測定結果を表1に示す。
(実施例4)
原料として、Fe(平均粒径:0.6μm)10.0kg、Mn(平均粒径:3.4μm)3.8kg、MgFe(平均粒径:3.2μm)2.6kg、CaCO(平均粒径:0.6μm)0.122kg、Nb(平均粒径:3.5μm)0.143kgを使用した以外は実施例3と同様にして平均粒子径35.6μmのキャリア芯材を得た。
得られたキャリア芯材の組成、粉体特性、形状特性、磁気特性などを後述の方法で測定した。測定結果を表1に示す。
(実施例5)
原料として、Fe(平均粒径:0.6μm)10.0kg、Mn(平均粒径:3.4μm)3.8kg、MgFe(平均粒径:3.2μm)2.6kg、CaCO(平均粒径:0.6μm)0.163kg、Nb(平均粒径:3.5μm)0.190kgを使用した以外は実施例3と同様にして平均粒子径35.1μmのキャリア芯材を得た。
得られたキャリア芯材の組成、粉体特性、形状特性、磁気特性などを後述の方法で測定した。測定結果を表1に示す。
(実施例6)
原料として、Fe(平均粒径:0.6μm)10.0kg、Mn(平均粒径:3.4μm)3.8kg、MgFe(平均粒径:3.2μm)2.6kg、CaCO(平均粒径:0.6μm)0.061kg、Nb(平均粒径:3.5μm)0.071kgを使用した以外は実施例3と同様にして平均粒子径35.2μmのキャリア芯材を得た。
得られたキャリア芯材の組成、粉体特性、形状特性、磁気特性などを後述の方法で測定した。測定結果を表1に示す。
(実施例7)
原料として、Fe(平均粒径:0.6μm)10.0kg、Mn(平均粒径:3.4μm)3.8kg、MgFe(平均粒径:3.2μm)2.6kg、CaCO(平均粒径:0.6μm)0.041kg、Nb(平均粒径:3.5μm)0.048kgを使用した以外は実施例3と同様にして平均粒子径36.1μmのキャリア芯材を得た。
得られたキャリア芯材の組成、粉体特性、形状特性、磁気特性などを後述の方法で測定した。測定結果を表1に示す。
(実施例8)
原料として、Fe(平均粒径:0.6μm)10.0kg、Mn(平均粒径:3.4μm)3.8kg、MgFe(平均粒径:3.2μm)2.6kg、CaCO(平均粒径:0.6μm)0.081kg、Nb(平均粒径:3.5μm)0.071kgを使用した以外は実施例3と同様にして平均粒子径35.7μmのキャリア芯材を得た。
得られたキャリア芯材の組成、粉体特性、形状特性、磁気特性などを後述の方法で測定した。測定結果を表1に示す。また図2にキャリア芯材のSEM写真を示す。
(実施例9)
原料として、Fe(平均粒径:0.6μm)10.0kg、Mn(平均粒径:3.4μm)3.8kg、MgFe(平均粒径:3.2μm)2.6kg、CaCO(平均粒径:0.6μm)0.081kg、Nb(平均粒径:3.5μm)0.047kgを使用した以外は実施例3と同様にして平均粒子径35.5μmのキャリア芯材を得た。
得られたキャリア芯材の組成、粉体特性、形状特性、磁気特性などを後述の方法で測定した。測定結果を表1に示す。
(実施例10)
原料として、Fe(平均粒径:0.6μm)10.0kg、Mn(平均粒径:3.4μm)3.8kg、MgFe(平均粒径:3.2μm)2.6kg、CaCO(平均粒径:0.6μm)0.081kg、Nb(平均粒径:3.5μm)0.024kgを使用した以外は実施例3と同様にして平均粒子径35.3μmのキャリア芯材を得た。
得られたキャリア芯材の組成、粉体特性、形状特性、磁気特性などを後述の方法で測定した。測定結果を表1に示す。
(比較例1)
原料として、Fe(平均粒径:0.6μm)9.5kg、Mn(平均粒径:2.0μm)4.2kg、MgFe(平均粒径:3.2μm)2.7kg、SrCO(平均粒径:0.6μm)0.181kgを純水5.4kg中に分散し、還元剤としてカーボンブラックを57g、分散剤としてポリカルボン酸アンモニウム系分散剤を82g、塩酸(35wt%水溶液)を32g添加して混合物とした。この混合物を湿式ボールミル(メディア径2mm)により粉砕処理し、混合スラリーを得た。
この混合スラリーをスプレードライヤーにて約140℃の熱風中に噴霧し、粒径10μm~75μmの乾燥造粒物を得た。この造粒物から粒径25μm以下の微小な粒子は篩を用いて除去した。
この造粒物を、電気炉に投入し1200℃まで4.5時間かけて昇温した。その後1200℃で3時間保持することにより焼成を行った。電気炉内の酸素濃度は昇温の段階では10000ppm、冷却の段階では15000ppmとなるよう、炉内の酸素濃度を調整した。
得られた焼成物をハンマーミルで解粒した後に振動篩を用いて分級し、平均粒子径34.9μmのキャリア芯材を得た。
得られたキャリア芯材の組成、粉体特性、形状特性、磁気特性などを後述の方法で測定した。測定結果を表1に示す。
(比較例2)
Fe(平均粒径:0.8μm)を50.0mol、Mn(平均粒径:2.0μm)をMnO換算で50.0molとなるように秤量し、ローラーコンパクターでペレット化した。得られたペレットを大気雰囲気の条件下、850℃にてロータリー式の焼成炉で仮焼成をおこなった。乾式ビーズミルで6時間粉砕し、仮焼原料(平均粒径:2.2μm)を得た。この仮焼原料16.4kgとSrCO(平均粒径:0.6μm)0.197kgを純水5.5kg中に分散し、還元剤としてカーボンブラックを49g、分散剤としてポリカルボン酸アンモニウム系分散剤を98g添加して混合物とした。この混合物を湿式ボールミル(メディア径2mm)により粉砕処理し、混合スラリーを得た。
この混合スラリーをスプレードライヤーにて約140℃の熱風中に噴霧し、粒径10μm~75μmの乾燥造粒物を得た。この造粒物から粒径30μm以下の微小な粒子は篩を用いて除去した。
この造粒物を、電気炉に投入し1200℃まで4.5時間かけて昇温した。その後1200℃で3時間保持することにより焼成を行った。電気炉内の酸素濃度は15000ppmとなるよう、炉内の酸素濃度を調整した。
得られた焼成物をハンマーミルで解粒した後に振動篩を用いて分級し、平均粒子径34.8μmの焼成物を得た。
次いで、得られた焼成物を大気雰囲気下380℃で1時間保持することにより酸化処理(高抵抗化処理)を行い、キャリア芯材を得た。
得られたキャリア芯材の組成、粉体特性、形状特性、磁気特性などを後述の方法で測定した。測定結果を表1に示す。
(比較例3)
原料として、Nbを添加しなかったこと以外は実施例3と同様にして平均粒子径34.3μmのキャリア芯材を得た。
得られたキャリア芯材の組成、粉体特性、形状特性、磁気特性などを後述の方法で測定した。測定結果を表1に示す。また図3にキャリア芯材のSEM写真を示す。
(比較例4)
原料として、CaCOを添加しなかったこと以外は実施例3と同様にして平均粒子径35.9μmのキャリア芯材を得た。
得られたキャリア芯材の組成、粉体特性、形状特性、磁気特性などを後述の方法で測定した。測定結果を表1に示す。
(比較例5)
原料として、Fe(平均粒径:0.6μm)10.0kg、Mn(平均粒径:3.4μm)3.8kg、MgFe(平均粒径:3.2μm)2.6kg、SrCO(平均粒径:0.6μm)0.119kg、Nb(平均粒径:3.5μm)0.095kgを純水5.4kg中に分散し、還元剤としてカーボンブラックを30g、分散剤としてポリカルボン酸アンモニウム系分散剤を139g、アンモニア水(25wt%水溶液)を5g添加して混合物とした。この混合物を湿式ボールミル(メディア径2mm)により粉砕処理し、混合スラリーを得た以外は実施例3と同様にして平均粒子径34.5μmのキャリア芯材を得た。
得られたキャリア芯材の組成、粉体特性、形状特性、磁気特性などを後述の方法で測定した。測定結果を表1に示す。
(組成分析)
(Feの分析)
鉄元素を含むキャリア芯材を秤量し、塩酸と硝酸の混酸水に溶解させた。この溶液を蒸発乾固させた後、硫酸水を添加して再溶解し過剰な塩酸と硝酸とを揮発させる。この溶液に固体Alを添加して液中のFe3+を全てFe2+に還元する。続いて、この溶液中のFe2+イオンの量を過マンガン酸カリウム溶液で電位差滴定することにより定量分析し、Fe(Fe2+)の滴定量を求めた。
(Mnの分析)
キャリア芯材のMn含有量は、JIS G1311-1987記載のフェロマンガン分析方法(電位差滴定法)に準拠して定量分析を行った。本明細書に記載したキャリア芯材のMn含有量は、このフェロマンガン分析方法(電位差滴定法)で定量分析し得られたMn量である。
(Mgの分析)
キャリア芯材のMg含有量は、以下の方法で分析を行った。キャリア芯材を酸溶液中で溶解し、ICPにて定量分析を行った。本明細書に記載したキャリア芯材のMg含有量は、このICPによる定量分析で得られたMg量である。
(Caの分析)
キャリア芯材のCa含有量は、Mgの分析同様にICPによる定量分析で行った。
(Nbの分析)
キャリア芯材のNb含有量は、Mgの分析同様にICPによる定量分析で行った。
(Srの分析)
キャリア芯材のSr含有量は、Mgの分析同様にICPによる定量分析で行った。
後述する表1における組成値(mol%)は以下の手順で算出した。
Fe、MnおよびMgの分析値から、Fe、MnOおよびMgOのそれぞれのモル量を計算し、Fe、MnOおよびMgOの合計が100mol%となるようにFe、MnOおよびMgOのそれぞれのモル比(mol%)を算出した。次に、Fe、MnOおよびMgOの合計量(100mol%)に対するCa、NbおよびSrのそれぞれのモル比(mol%)を算出した。
(見掛け密度AD)
キャリア芯材の見掛け密度はJIS Z 2504に準拠して測定した。
(流動度FR)
キャリア芯材の流動度はJIS Z 2502に準拠して測定した。
(体積平均粒子径D50
キャリア芯材の体積平均粒子径D50は、レーザー回折式粒度分布測定装置(日機装社製「マイクロトラックModel9320-X100」)を用いて体積基準の累積50%粒子径として測定した。
(細孔容積)
細孔容積の測定については、以下の通り行った。評価装置は、Quantachrome社製のPOREMASTER-60GTを使用した。具体的には、測定条件としては、Cell Stem Volume:0.5cm、Headpressure:20PSIA、水銀の表面張力:485.00erg/cm、水銀の接触角:130.00degrees、高圧測定モード:Fixed Rate、Moter Speed:1、高圧測定レンジ:20.00~10000.00PSIとし、サンプル1.200gを秤量して0.5cmのセルに充填して測定を行った。また、10000.00PSI時の容積B(cm/g)から100PSI時の容積A(cm/g)を差し引いた値を、細孔容積とした。
(最大山谷深さRz、平均長さRSm)
超深度カラー3D形状測定顕微鏡(「VK-X100」株式会社キーエンス製)を用い、100倍対物レンズで表面を観察して求めた。具体的には、まず、表面の平坦な粘着テープにフェライト粒子を固定し、100倍対物レンズで測定視野を決定した後、オートフォーカス機能を用いて焦点を粘着テープ面に調整した。フェライト粒子を固定した平坦な粘着テープ面に対し、垂直方向(Z方向)からレーザー光線を照射し、面のX方向Y方向に走査した。また、表面からの反射光の強度が最大となった時のレンズの高さ位置をつなぎ合わせることでZ方向のデータを取得した。これらX、YおよびZ方向の位置データをつなぎ合わせフェライト粒子表面の3次元形状を得た。なお、フェライト粒子表面の3次元形状の取り込みにはオート撮影機能を用いた。
各パラメータの測定には、粒子粗さ検査ソフトウェア(三谷商事製)を用いて行った。まず、前処理として、得られたフェライト粒子表面の3次元形状の粒子認識と形状選別を行った。粒子認識は以下の方法で行った。
撮影によって得られた3次元形状のうち、Z方向の最大値を100%、最小値を0%として最大値から最小値までの間を100等分する。この100~35%にあたる領域を抽出し、独立した領域の輪郭を粒子輪郭として認識した。次に形状選別で粗大、微小、会合などの粒子を除外した。この形状選別を行うことで以降に行う極率補正時の誤差を小さくすることができる。具体的には面積相当径28μm以下、38μm以上、針状比1.15以上に該当する粒子を除外した。ここで針状比とは粒子の最大長/対角幅の比から算出したパラメータであり、対角幅とは最大長に平行な2本の直線で粒子を挟んだときの2直線の最短距離を表す。
つぎに表面の3次元形状から解析に用いる部分の取り出しを行った。まず上記の方法で認識した粒子輪郭から求められる重心を中心として15.0μmの正方形を描く。描いた正方形の中に21本の平行線を引き、その線分上にあたる粗さ曲線を21本分取り出した。
フェライト粒子は略球形状であるため、取り出した粗さ曲線は、バックグラウンドとして一定の曲率を持っている。このため、バックグラウンドの補正として、最適な二次曲線をフィッティングし、粗さ曲線から差し引く補正を行った。この場合、ローパスフィルタを1.5μmの強度で適用し、カットオフ値λを80μmとした。
また、解析に用いるキャリア芯材の平均粒子径については32μm~34μmに限定した。このように測定対象となるキャリア芯材の平均粒子径を狭い範囲に限定することで、曲率補正の際に生じる残渣による誤差を小さくすることができる。
最大山谷深さRzは、粗さ曲線の中で最も高い山の高さと最も深い谷の深さの和として求めた。最大高さRzの算出には、各パラメータの平均値として、30粒子の平均値を用いることとした。
平均長さRSmは、粗さ曲線のうち、谷と山の組み合わせを一つの要素と規定し、それぞれの要素の長さを平均したものである。平均長さRSmの算出には、各パラメータの平均値として、30粒子の平均値を用いることとした。
以上説明した最大高さRz、平均長さRSmの測定は、JIS B0601(2001年度版)に準拠して行われるものである。
(磁気特性)
室温専用振動試料型磁力計(VSM)(東英工業社製「VSM-P7」)を用いて、外部磁場を0~79.58×10A/m(10000エルステッド)の範囲で1サイクル連続的に印加して、磁場79.58×10A/m(1,000エルステッド)を印加した際の磁化σ1k、飽和磁化σ、残留磁化σ、保磁力Hを測定した。
(ブリッジ式抵抗)
電極として表面を電解研磨した板厚2mmの真鍮板2枚を電極間距離が2mmとなるように配置し、2枚の電極板の間の空隙にキャリア芯材200mgを装入した後、それぞれの電極板の背後に断面積240mmの磁石を配置して電極間に被測定粉体のブリッジを形成させた状態で電極間に1000V直流電圧を印加し、キャリア芯材を流れる電流値を4端子法により測定した。その電流値と、電極間距離2mmおよび断面積240mmからキャリア芯材の電気抵抗を算出した。
(実機評価)
(現像メモリ)
得られた現像剤を、図4に示す構造の現像装置(現像ローラの周速度Vs:406mm/sec,感光体ドラムの周速度Vp:205mm/sec,感光体ドラム-現像ローラ間距離:0.3mm)に投入し、感光体ドラムの周方向にベタ画像部と非画像部とが隣り合い、その後は広い面積の中間調が続く初期画像を取得し、現像ローラ2周目の現像ローラ1周目のベタ画像が現像された領域とそうでない領域との画像濃度を反射濃度計(東京電色社製の型番TC-6D)を用いて測定し、その差を求め下記基準で評価した。結果を表2に示す。
「◎」:0.003未満
「○」:0.003以上0.006未満
「△」:0.006以上0.020未満
「×」:0.020以上
(濃度ムラ)
前記評価機による評価用画像3枚について1枚当たり5カ所の濃度を反射濃度計(東京電色社製の型番TC-6D)を用いて測定し下記基準で評価した。
「◎」:濃度の濃淡差の最大が0.1未満であり、濃度ムラが視認できない。
「○」:濃度の濃淡差の最大が0.1以上0.2未満あり、濃度ムラが視認できない。
「△」:濃度の濃淡差の最大が0.2以上0.3未満あり、濃度ムラが視認できる。
「×」:濃度の濃淡差の最大が0.3以上であり、濃度ムラが視認でき使用できない。
Figure 2023020082000002
表1から明らかなように、CaとNbとを含むMnMgフェライトから構成される実施例1~10のキャリア芯材では現像メモリ及び濃度ムラは実使用上問題のないレベルに抑えられていた。
これに対して、Srを含むMnMgフェライトから構成される比較例1のキャリア芯材では現像メモリは問題のないレベルに抑えられていたものの濃度ムラは視認でき実使用上問題のあるレベルであった。また、Srを含むMnフェライトから構成される比較例2のキャリア芯材でも現像メモリは実使用上問題のないレベルに抑えられていたものの濃度ムラは視認でき実使用上問題のあるレベルであった。
またCaを含みNbを含まないMnMgフェライトから構成される比較例3のキャリア芯材では濃度ムラは実使用上問題のないレベルに抑えられていたものの現像メモリは実使用上問題のあるレベルであった。また、Nbを含みCaを含まないMnMgフェライトから構成される比較例4のキャリア芯材でも濃度ムラは実使用上問題のないレベルに抑えられていたものの現像メモリは実使用上問題のあるレベルであった。
NbとSrとが含有されたMnMgフェライトから構成される比較例5のキャリア芯材では現像メモリは問題のないレベルに抑えられていたが濃度ムラは実使用上問題のあるレベルであった。
本発明に係るキャリア芯材によれば現像メモリが抑制できると共に、画像の濃度ムラも抑制でき有用である。
3 現像ローラ
5 感光体ドラム

Claims (10)

  1. 組成式(MnO)(MgO)(Fe(但し、x:30mol%以上55mol%以下,y:20mol%以下,z:40mol%以上60mol%以下,x+y+z=100mol%)で表されるフェライト粒子から構成されるキャリア芯材であって、
    Caが0.1mol%以上1.5mol%以下の範囲、
    Nbが0.1mol%以上1.5mol%以下の範囲、
    含有されていることを特徴とするキャリア芯材。
  2. CaとNbのmol%での含有比Ca/Nbが1.0以上である請求項1記載のキャリア芯材。
  3. 前記フェライト粒子の表面の最大山谷深さRzが1.7μm以上2.5μm以下である請求項1又は2に記載のキャリア芯材。
  4. 前記フェライト粒子の残留磁化σが1.0(A・m/kg)以下である請求項1~3のいずれかに記載のキャリア芯材。
  5. 前記フェライト粒子の保磁力Hが10(A/m×10/(4π))以下である請求項1~4のいずれかに記載のキャリア芯材。
  6. 水銀圧入法で測定される前記フェライト粒子の細孔容積が0.003cm/g以上0.02cm/g以下である請求項1~5のいずれかに記載のキャリア芯材。
  7. 磁場79.58×10A/m(1000エルステッド)を印加した際の前記フェライト粒子の磁化σ1kが45Am/kg以上75Am/kg以下である請求項1~6のいずれかに記載のキャリア芯材。
  8. 前記フェライト粒子の体積平均粒子径D50が20μm以上75μm以下である請求項1~7のいずれかに記載のキャリア芯材。
  9. 請求項1~8のいずれかに記載のキャリア芯材の表面が樹脂で被覆されていることを特徴とする電子写真現像用キャリア。
  10. 請求項9記載の電子写真現像用キャリアとトナーとを含むことを特徴とする電子写真用現像剤。
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