JP3924065B2 - 導電性ポリマーの調製方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的には導電性複合粒子及びその調製方法に関し、具体的には、好ましくはカーボンブラックである導電性成分、又は充填剤が複合物のポリマーマトリックス全体に均一に分布した導電性ポリマー複合粒子の調製方法に関するものである。実施形態における本発明の方法は、実質的にキャリヤーの粉末コーティング(皮膜)として用いられる前記粒子のポリマーマトリックス全体に分布した導電性充填剤を含有する導電性ポリマー粒子の調製方法及び、約0.05ミクロンないし約5ミクロン、好ましくは約1ないし約5ミクロンの体積平均粒径を有する導電性ポリマー複合粒子の調製方法を含むものである。尚、この粒径は、例えば、コールターカウンター(Couler Counter)によって測定することができる。生成したポリマー複合粒子の導電率は、有効成分量を示す導電性充填剤成分の重量百分率を、例えば、約1重量%ないし約50重量%の間で変化させたり、導電性充填剤成分の組成を変化させることによって変化させることができる。よって、本発明は、約10-10(ohm-cm)-1ないし約0.10(ohm-cm)-1の導電率を有する導電性サブミクロンポリマー複合粒子を調製することが可能である。実施形態における約0.05ないし約5ミクロンの平均粒径を有する粒子は、ポリマー、及び複合生成物のポリマーマトリックス全体に均一に分布した導電性充填剤を含む導電性複合粒子である。この生成物は、少なくとも1種のモノマーを、導電性充填剤、溶媒、1種以上の重合開始剤及び任意の連鎖移動成分と混合し、加熱によりモノマーの約80ないし約100重量%が重合するまで溶液重合を行い、水相中の共沸蒸留法を用いて前記溶媒を除去して回収し、次いで濾過によって水相を除去し、続いて得られたポリマー及び導電性充填剤ビーズ生成物を乾燥して粉砕し、上記の1種又は複数の導電性充填剤及びポリマーの混合物を、1種以上の重合開始剤、架橋剤及び任意の連鎖移動剤を含む少なくとも1種のモノマー中に分散し、得られた混合物を、ポリビニルアルコールなどの安定化成分を含有する水中に分散して約0.05ないし約5ミクロンの平均粒径を有する粒子を含んだ水の懸濁液を得て、その得られた懸濁液を加熱することによって重合し、そして生成物を洗浄して次に乾燥するという改良された重合方法によって得ることができる。この方法においては、共沸蒸留、粒子形成の前のヨウ化カリウムなどのアルカリヨウ化物の水相への添加、そして好ましくは連続インラインホモジナイザーが選択して用いられる。
【0002】
【発明が解決しようとする課題】
キャリヤーコアなどの金属は導電性又は半導性材料であり、金属の表面をコートするために用いられるポリマー材料は一般に絶縁体である。したがって、ポリマー又はポリマー混合物で完全にコーティングされたキャリヤー粒子は、導電性を失い絶縁体となる。このことはある状況においては望ましいが、導電性磁気ブラシ装置(CMB)で使用するキャリヤー粒子は本来導電性が必要とされる。キャリヤーをポリマーコーティングすると本来キャリヤーの摩擦を制御することができるので、所望の導電性及び摩擦帯電特性を有するキャリヤーを作製するために経済的な導電性キャリヤーのコーティング方法が必要とされている。導電性ポリマーもまた、高価であり、低コスト、例えばポンド当たり5ドル(1ポンド=約454グラム)未満で皮膜を調製するのに適しているとは考えられない。したがって、低コストのポリマー及び導電性カーボンブラックなどの低コストの導電性充填剤が用いられる導電性ポリマーの調製方法が必要とされている。
【0003】
本発明は、塊状重合段階で最適の転化率が得られない場合でも従来の米国特許第5,236,629号の方法と比較して遊離の充填剤粒子に関係した問題が少ない。本発明の重合方法は、また主として充填剤表面上にポリマーがグラフトされ又は吸着されるという理由により、最終粒子中の充填剤のより均一な分散が得られるという利点がある。充填剤とモノマーの表面相溶性に基づき、ある添加剤では種々のモノマー中に分散させるのが困難であるが、本発明の重合方法では、例えば溶液重合中の充填剤表面にポリマーを化学的にグラフトさせるか又は吸着させることによって、かかる困難を克服している。したがって、本発明の溶液重合は、充填剤をモノマーと相溶化させることよって上記‘629法のものよりも充填剤分散性を良くするものである。この結果として、充填剤を含まない最終粒子がより減少する。このことは、導電性粒子には特に重要なことである。なぜならば、ほんの少量の非導電性粒子、すなわち充填剤を含まない粒子が導電性粒子に混合するだけで、導電率が急激に減少するからである。
【0004】
本明細書中に記載した重合方法は、米国特許第5,236,629号及びその他の従来技術に開示された方法をより改善した異なる方法を提供するものである。これらの改善点には、(1)主として溶液重合段階においてポリマーが充填剤表面上へグラフト又は吸着することによる最終粒子中の導電性充填剤の優れた均一性、(2)分散性の改善による、導電性充填剤を含まない粒子の減少、(3)主として優れた充填剤の分散性による、導電性充填剤の同一重量百分率の配合での最終粒子のより高い導電率、(4)最終生成物を汚染(contaminating)し、例えば粒子がキャリヤーコア上にコートされた場合に現像装置(developer)のハウジング中を汚染する原因となる遊離の導電性充填剤粒子に関する潜在的問題の減少、(5)非常に強力なフリーラジカル重合の抑止剤である、高度に酸化されたカーボンブラックなどの充填剤の使用能力の向上、及び(6)有機相中のポリマー量の制御能力の向上、がある。走査型電子顕微鏡測定による体積平均粒径が約1ないし約5ミクロン未満の導電性サブミクロン又はミクロンサイズのポリマー粒子であって、それぞれの導電性充填剤がそのポリマー中に均一に分散したポリマー粒子を得る方法が本発明とともに提供されている。これらのポリマー粒子は、ポリマーマトリックス全体に均一に分布したカーボンブラックなどの導電性充填剤を約1ないし約50重量%含有するものである。この重合方法は、粉体塗装のキャリヤーとして用いることができる、低コストで、清潔で、乾燥したサブミクロンの導電性ポリマー粒子の調製を可能にするものである。
【0005】
本発明の他の目的は、TGA測定による約50ないし約99重量%のポリマーと、その中に分散又はポリマー及び導電性成分の複合体のポリマーマトリックス全体に分布した約1ないし約50重量%の導電性充填剤とを含む、実質的に純粋で、清潔でかつ乾燥した導電性を有する小さなポリマー複合粒子の経済的な調製方法であって、商業的規模の混合、分散装置を使用することができ、生成物の凝集が最小になるか又は全く生じない方法を提供することである。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ポリマー塗装キャリアの調製方法に関する。この方法は、少なくとも1種の、例えば1種ないし約5種の、好ましくは1種のモノマーを、少なくとも1種の開始剤、及び有機溶媒の存在下、で導電性カーボンブラックなどの導電性成分を溶液重合し、得られた導電性成分含有ポリマー溶液を加熱した水相と混合することによって有機溶媒を分離させ、好ましくは共沸蒸留によってその溶媒を分離し、ポリマー及び導電性成分混合物をビーズの状態で生成させ、その後この中間生成ビーズを約100ないし1,000ミクロンまで粉砕し、乾燥し、次いでモノマー、開始剤及び架橋成分を含んでなる有機相に溶解し、続いて前記有機相を、ポリビニルアルコールなどの安定剤、及びアルカリハロゲン化物、好ましくはヨウ化カリウムを含有する水相と混合し、その後、加熱重合し、冷却し、種々な有効成分量、例えば約1ないし約50重量%、好ましくは約15ないし約40重量%の導電性成分を有するポリメタクリル酸メチルなどのポリマーを含む生成物を分離し、乾燥することからなる調製方法である。
【0007】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態は、(1)約10ないし約30重量%のメタクリル酸メチルなどの少なくとも1種のモノマーを、約0.5ないし約3重量%の複数又は1種の重合開始剤の存在下、約10ないし約30重量%の導電性カーボンブラックなどの導電性成分の存在下、そして主としてポリマー分子量低減のために使用する連鎖移動剤などの約0ないし約2重量%の任意の添加剤の存在下、約50ないし約80重量%の有機溶媒の存在下で、摂氏約45度ないし120度で加熱して溶液重合を遂行する。尚、この溶媒は、後の蒸留2からのものを再利用する。例えば、モノマー及び生成したポリマー又はプレポリマーのための、トルエンを含む溶媒などの溶媒である。(2)共沸蒸留によって(1)のスラリーから溶媒を除去する。ここで、共沸蒸留は、例えば、次のように行われる。有機溶媒、ポリマー、導電性成分スラリーを摂氏約85度ないし約95度に加熱した水相中に計量して供給し、さらに具体的には、前記溶媒はその共沸点、摂氏約85度ないし約95度付近で蒸発するので、水相を機械的に約4ないし6時間攪拌して、ポリマー及び導電性成分粒子がビーズ粒子中に分散するのを可能にし、水相中に懸濁したポリマー及び導電性成分の固体複合粒子を生じさせ、そのとき、温度を摂氏約110度まで上昇させて蒸発によって過剰の溶媒を完全に除去する。この溶媒は回収されて(1)にもどして再利用される。(3)例えば、濾過によって水相からポリマー及び導電性成分複合粒子を単離し、その後、例えば約1ないし約10時間乾燥器中で乾燥し、次いで得られた粒子を粉砕する。(4)(3)のポリマー及び導電性成分の複合体を、少なくとも1種のモノマー、複数の開始剤又は1種の開始剤及び架橋剤からなる有機相中に溶解し混合する。例えば約1ないし約15重量%の複数又は1種の開始剤と約0.01ないし約5重量%の架橋剤を含有する約50ないし70重量%のメタクリル酸メチルなどを含むモノマーが選択され用いられる。そして、混合は、有効期間(effective period of time)、例えば好ましくは約4ないし約10時間行う。(5)前記有機相を水相と予備混合する。ここで有機相:水相の比は、例えば約10:90ないし約40:60とする。水相は、ポリビニルアルコールなどの安定剤を例えば約0.1ないし約5重量%、及びアルカリハロゲン化物、好ましくはヨウ化カリウムを例えば約0.5ないし約2重量%含んでいる。その後、この混合物を、インライン又は連続ホモジナイザー、例えばQuadro Z−1インラインホモジナイザーに通して好ましくは約10ないし約90分間循環させ所望の粒径とする。例えば、Coulter LS−230 レーザー回折装置による測定で約1ないし約5ミクロンの体積平均粒径(volume median)及び約0.1ないし約2ミクロンの数平均粒径(number median)になるようにする。(6)(5)の懸濁液を第2の反応容器又は反応器に移し、摂氏約45度ないし約120度で加熱して重合を遂行する。(7)冷却後、得られたスラリーを、例えば、水:アルコールの比が約10:90ないし約100:0である水とメタノールなどの脂肪族アルコールの混合物にて洗浄し、湿ケーキを分離するため、各洗浄段階においてデカンティング遠心分離器(decanting centrifuge)を用いる。この湿ケーキは、ポリマーおよび導電性充填剤生成物からなる50重量%以下の固体と例えば水とアルコール等の洗浄混合物からなる約50重量%の液体を含み、洗浄段階は約4ないし約6回が好ましい。(8)ポリマーとそれに分散された導電性成分の生成物を得るために得られた湿ケーキを乾燥することを含む、導電性ポリマーキャリヤー皮膜の調製方法である。
【0008】
この方法において、有機相と水相の混合は、約5ないし約20分間遂行され、その後、さらに約10ないし約90分間混合し、溶媒は有機溶媒トルエンを使用する。さらなる混合は、インラインホモジナイザー又は連続ホモジナイザーを用いて行い、加熱は摂氏約65度ないし約125度で行う。混合物は2ないし約20のモノマーを含む。溶液重合及び懸濁重合は加熱下で、それぞれ摂氏約30度ないし約200度、摂氏約45度ないし約120度で遂行される。溶液重合生成物の数平均分子量は約1,000ないし約50,000であり、重量平均分子量は約5,000ないし約100,000である。懸濁重合生成物の数平均分子量は約3,000ないし約500,000であり、重量平均分子量は約5,000ないし約2,000,000である。溶液重合前のモノマーと溶媒の混合物中への導電性充填剤又は成分の混合は、ミキサーを用いて行う。ここで、導電性充填剤ポリマーとモノマーの混合物の、安定化成分を含有する水への分散は、高剪断ミキサーを用いて行い、そして溶液重合による生成物は共沸蒸留によって有機溶媒から分離される。最終生成物中の架橋ポリマー/線状ポリマーの比は約0.001ないし約0.25である。最終導電性ポリマー生成物の導電率はその加圧ペレットの抵抗率を測定することによって決定した場合、約10-10ないし約0.10(ohm-cm)-1であり、このポリマー生成物の摩擦電荷は約+40ないし−40マイクロクーロン/グラムである。モノマーとしてメタクリル酸メチルを、ポリマーとしてポリメタクリル酸メチルを使用し、導電性成分としてカーボンブラックを使用した。架橋成分には、ジビニルベンゼンを約0.01ないし約5重量%の量で使用し、連鎖移動成分として、チオール類及びハロゲン化炭化水素類からなる群から、約0.1ないし約2重量%の量で選択して使用した。
【0009】
本発明の別の実施形態は、(1)複数の又は1種の開始剤、有機溶媒の存在下、導電性成分及び任意の添加剤の存在下で少なくとも1種のモノマーを溶液重合する。(2)共沸蒸留によって得られた(1)のスラリーから溶媒を除去する。ここで、有機溶媒、ポリマー、導電性成分スラリーは、加熱した水相に添加するか又は混合してそのポリマースラリーが水相に添加された時に液滴の状態で分散されるのを可能にし、そして溶媒を蒸発させてポリマー及び導電性成分の固体ビーズを生じさせる。(3)ポリマー及び導電性成分粒子を乾燥して粉砕する(4)(3)のポリマー及び導電性成分を、複数又は1種の開始剤及び架橋剤を含有する少なくとも1種のモノマーを含んでなる有機相に溶解して混合する(5)有機相を、ポリビニルアルコール及びヨウ化カリウムを含んでなる水相と予備混合する。ここで、ヨウ化カリウムは粒子形成前に添加する。その後その混合物をインライン又は連続ホモジナイザーを通して循環させる。(6)(5)の懸濁液を第2の反応容器又は反応器に移して、重合を遂行するために加熱する。(7)冷却後、得られたスラリーを水と脂肪族アルコールの混合物で洗浄する。そして(8)湿ケーキを乾燥して約1ないし約50重量%の導電性成分が分散されたポリマーの生成物を得ることを含む導電性ポリマーキャリヤー皮膜の調製方法である。
【0010】
また、さらに別の実施形態は(a)モノマーを、導電性成分、溶媒、重合開始剤及び任意の連鎖移動成分と混合する(b)加熱することによって溶液重合を行う。(c)水相中で共沸蒸留することによって溶媒を除去してポリマーと導電性成分の混合物を生じさせる(d)得られた混合物を乾燥して粉砕し、その後、得られた生成物をモノマー、開始剤及び架橋成分並びに任意の連鎖移動剤中に溶解して有機相を形成する(e)前記有機相を、水、安定剤及びアルカリハロゲン化物を含んでなる第2の水相と混合する。(f)得られた懸濁液を加熱することによって重合するそして(g)続いてポリマー及び導電性成分を含んでなるポリマー生成物を洗浄し、乾燥することを含む導電性ポリマーキャリヤー皮膜の調製方法である。この方法において、導電性成分であるカーボンブラックが分散されたポリメタクリル酸メチルポリマーを含んでなるポリマー生成物の洗浄及び乾燥が遂行され、そして、カーボンブラックは、1ないし約50重量%の量で存在し、ポリマー導電性成分の粒径は、体積平均粒径が約1ないし約5ミクロンである。
【0011】
実施形態における本発明に関し、ポリマー/導電性生成物の有機相からの単離には共沸蒸留が、粒子形成にはホモジナイザーを通す連続フローが用いられる。ここで、ビニルモノマーの溶液重合はカーボンブラックの存在下で遂行され、その後、得られたポリマー/カーボンブラック混合物を加熱した水相に供給し、それによって選択的に溶媒を蒸発させて水性のポリマー/カーボンブラック粒子懸濁液を生じさせる。それを液体ビニルモノマー/開始剤/架橋剤混合物中に再溶解させ、水性ポリビニルアルコール及びヨウ化カリウム溶液中に分散し、インライン又は連続ホモジナイザーを用いて混合して微小液滴を生じさせ、その後重合してカーボンブラックが分散されたポリメタクリル酸メチルなどのポリマー生成物を得る。ここで、メタクリル酸メチルなどのモノマー、カーボンブラック、トルエン及び開始剤の溶液重合はモノマーを重合するための反応容器、又はタンク中で攪拌しながら加熱することによって遂行され、得られた生成物である湿ったスラリーは保持タンク(holding tank)に送られる。流量を制御しながら、スラリーを保持タンクから別の温水の入った分離反応容器中に送り、ここでトルエンを蒸発させ、水及び溶液重合粒子を取り出し、その後水を濾過して、固体粒子を乾燥して粉砕する。次いで、固体粒子を別のタンク中の有機相に加える。この有機相は、メタクリル酸メチルのモノマー、ジビニルベンゼンなどの架橋剤及び開始剤を含有するものである。その後、水、ポリビニルアルコール及びヨウ化カリウムとともに高剪断混合し粒子を形成させる。ここで、混合は、Quadro Z−3インラインホモジナイザーを用いて行う。続いて、別の分離タンク中での簡単な混合及び重合のための加熱によって懸濁重合を遂行し、その後冷却し、ポリマー/カーボンブラックの複合生成物を分離し、洗浄して乾燥する。
【0012】
実施形態中において、有機相の粘度は粒子中の導電性充填剤の分散性を制御するための重要な要因となり得る。粘度は、例えば混合物中のポリマーの百分率によって調節することが可能である。スピンドル♯063を用いるBrookfield Model DVII+ 粘度計を用いて0.033回毎秒(2rpm)で測定した場合、一般的な粘度は約0.01バスカル秒(10センチポアズ)ないし約100パスカル秒(100,000センチポアズ)、約1パスカル秒(1,000センチポアズ)ないし約50パスカル秒(50,000センチポアズ)の範囲である。次いで、上記の混合物を、安定化成分を含有する水中に、例えば連続高剪断ミキサーを用いて分散させ、小さな、10ミクロン未満の、より具体的にはおおよそサブミクロンないし約5ミクロンの粒子を含有する懸濁液を形成させる。その後、得られた懸濁生成物を反応器に移し、続いてポリマー生成物に完全に転化するまで重合を行う。次に、このポリマー生成物を冷却し、洗浄し、乾燥することができる。
【0013】
本発明は、小さい導電性ポリマー粒子の調製法、すなわち、例えば体積平均粒径が、Coulter LS 230レーザー回折装置で測定した場合、約0.05ミクロンないし約5ミクロン、好ましくは約0.1ないし約3ミクロン又は1ないし約5ミクロンの範囲にある粒子の調製法に関するものである。この粒子は、前記粒子のポリマーマトリックス全体に分布したカーボンブラックなどの導電性充填剤を約1ないし約50重量%、好ましくは約10ないし約25重量%含有し、そしてこのポリマー粒子は、ゲル浸透クロマトグラフィー測定による数平均分子量及び重量平均分子量が、それぞれ約3,000ないし約500,000及び約5,000ないし約2,000,000である。さらに約10ないし約30重量%の導電性充填剤及び約70ないし約90重量%のポリマー材料又はポリマーを含有する、平均粒径が約0.05ミクロンないし約5ミクロンの導電性ポリマー粒子の調製法に関するものである。。このポリマーは、線状部分と架橋部分を含むことができ、線状部分の数平均分子量は約3,000ないし約500,000であり、重量平均分子量は約5,000ないし約2,000,000であり、架橋部分は0.1ないし約25重量%含まれ、このポリマー生成物はキャリヤー皮膜として有用である。
【0014】
より具体的には、本発明の方法は、本明細書中に示したように、ヨウ化カリウム溶液及び共沸蒸留を用いた、平均粒径が約0.1ないし約5ミクロンの導電性ポリマー粒子の調製法に関し、TEMで測定した場合、導電性充填剤がポリマーマトリックス粒子全体に均一に分布しており、このポリマーは、約3,000ないし約500,000の範囲にある数平均分子量及び約5,000ないし約2,000,000の範囲にある重量平均分子量を有する線状部分と、約0.1ないし約25重量%の架橋部分とを含んでいる。
【0015】
例えば1種ないし約5種の、好ましくは1種のモノマー又はコモノマーの説明に役立つ実例には、例えば約80ないし約99重量%、より好ましくは約80ないし約90重量%の量のビニルモノマーと、スチレン、α−メチルスチレン、p−クロロスチレンなどのスチレン及びその誘導体又は、アクリル酸、アクリル酸メチル、アクリル酸エチル、アクリル酸ブチル、アクリル酸ドデシル、アクリル酸オクチル、アクリル酸フェニル、メタクリル酸、メタクリル酸メチル、メタクリル酸エチル、メタクリル酸ブチル、メタクリル酸オクチル、アクリロニトリル及びアクリルアミドなどのモノカルボン酸及びそれらの誘導体又は、マレイン酸、マレイン酸モノブチル、マレイン酸ジブチルなどの二重結合を有するジカルボン酸及びそれらの誘導体又は、塩化ビニル、酢酸ビニル及び安息香酸ビニルなどのビニルエステル類又は、ビニルメチルケトン及びビニルエーテルケトンなどのビニルケトン類又は、ビニルエチルエーテル及びビニルイソブチルエーテル又は、ビニルナフタレン又は、イソブチレンなどの不飽和モノオレフィン類又は、塩化ビニリデンなどのハロゲン化ビニリデン又は、N−ビニルピロールなどのN−ビニル化合物並びにペンタフルオロスチレン、アリルペンタフルオロベンゼンなどのフッ化物モノマー、並びにそれらの混合物を含んでなるモノマーがある。
【0016】
例えばモノマーの約0.1ないし約20重量%、より好ましくは約1ないし約5重量%の量で存在する重合開始剤の説明に役立つ実例には、2,2’−アゾビス(2,4−ジメチルバレロニトリル)、2,2’−アゾビス(2−メチルブチロニトリル)、1,1’−アゾビス(シアノシクロヘキサン)などのアゾ化合物、並びに過酸化ベンゾイル、過酸化ラウリル、1−1−(t−ブチルペルオキシ)−3,3,5−トリメチルシクロヘキサン、n−ブチル−4,4−ジ−(t−ブチルペルオキシ)吉草酸、過酸化ジクミル(dicumyl)などの過酸化物が包含される。
【0017】
本発明の方法に対して選択される架橋剤は公知であり、2以上の重合可能な二重結合を有する化合物を含むことができる。そのような化合物の例としては、ジビニルベンゼン及びジビニルナフタレンなどの芳香族ジビニル化合物、エチレングリコールジアクリレート、エチレングリコールジメチルアクリレートなどの2つの二重結合を有するカルボン酸エステル類、並びにジビニルエーテル、亜硫酸ジビニル、ジビニルスルホン等のジビニル化合物が包含される。これらの中でも、ジビニルベンゼンが特に有用である。架橋化合物はモノマー又はコモノマー100重量部当たり約0.1ないし約5重量部、より好ましくは0.2ないし1重量部の量で存在することが好ましい。
【0018】
導電性充填剤の有効成分量は、例えば約1ないし約50重量%、好ましくは約10ないし約30重量%などであり、この量は、実施形態においては(1)導電率の最低限の効果を得るため(2)導電率プラトー(plateau)を達成するために必要な充填剤の量はどれくらいかに基づくものである。導電性充填剤の例には、Chevron Chemicalから入手可能なアセチレンブラック、AKZ0から入手可能なVULCAN BLACK(商標)、BLACK PERL L(登録商標)、KETJEN BLACK EC600JD(登録商標)、Columbian Chemicalから入手可能なCONDUCTEX SC ULTRA(商標)などの導電性カーボンブラック、酸化鉄、一酸化チタン(TiO)、二酸化スズ(SnO2 )などの金属酸化物、鉄粉などの金属粉末などが包含される。
【0019】
例えば、水の約0.1ないし約5重量%、より好ましくは1ないし4重量%の量で存在する安定剤は、メチルセルロース、エチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、BASFから入手可能なPLURONIC E87(商標)などのブロックコポリマー、カルボキシメチルセルロースのナトリウム塩、ポリアクリル酸類及びそれらの塩、ポリビニルアルコール、ゼラチン、デンプン、ガム(gums)、アルギン酸塩、ゼイン(zein)、カゼイン(casein)などの非イオン性及びイオン性両方の水溶性ポリマー安定剤、並びにリン酸三カルシウム、タルク(talc)、硫酸バリウムなどのバリヤー安定剤からなる群から選択される。約1,000ないし約10,000の重量平均分子量のポリビニルアルコールが特に有用である。
【0020】
連鎖成長反応を阻害することによってポリマー分子量を制御することが主な機能である連鎖移動成分には、1−ドデカンチオール(laurylmercaptan)、1−ブタンチオール(butylmercaptan)などのチオール類、又は四塩化炭素若しくは四臭化炭素などのハロゲン化炭素類が包含される。連鎖移動剤は、モノマー又はコモノマーの約0.01ないし約1重量%、が好ましく、0.1ないし0.5重量%の量がより好ましい。また、ポリマー粒子の表面に存在する安定剤は、例えばメタノールなどのアルコール又は水などを用いて洗浄することができる。溶液からの洗浄した粒子の分離は、濾過、遠心分離などの古典的な分離技術によって行うことができる。ポリマー粒子の乾燥には、減圧乾燥、凍結乾燥、噴霧乾燥、流動床乾燥などの古典的な乾燥技術を選択することができる。
【0021】
各水相成分の例には、約0.5ないし5重量%のポリビニルアルコール及び約0.5ないし2重量%のヨウ化カリウムが包含される。
【0022】
実施形態においては、約50ないし約99重量%、より好ましくは70ないし95重量%の量で、実施例では5ないし30重量%の量で存在するポリマー又はコポリマーは、例えば、線状部分と架橋分の両方を含有し、線状部分に対する架橋部分の比率が約0.001ないし約0.25であり、線状部分の数平均分子量及び重量平均分子量がそれぞれ約3,000ないし約500,000及び約5,000ないし約2,000,000である。具体的には、ポリスチレン及びそのコポリマー、ポリメタクリル酸メチル及びそのコポリマー、スチレン−ブタジエンコポリマーなどの不飽和ポリマー又はコポリマー、ポリペンタフルオロスチレン、ポリアリルペンタフルオロベンゼンなどのフッ化ポリマー又はコポリマーのビニルポリマーが包含されるのが好ましい。
【0023】
本明細書中で説明した方法を用いて得られた導電性充填剤又は導電性成分を有するポリマーは、粉体塗装キャリヤーとして用いることができる。このキャリヤーには、例えば、スチール、フェライトなどのコアが含まれ、そしてこのキャリヤーは、樹脂粒子、顔料粒子及び電荷制御成分などの任意の添加剤を含んでなるトナー組成物(米国特許第4,560,635号参照)と混合することができ、電子写真画像、印刷及びデジタル操作に有用な現像剤(developer)組成物の生成が可能になる。一般的に、キャリヤー100部に対してトナー約2ないし約5部が混合される。
【0024】
【実施例】
実施例1
246.025リットル(65ガロン)のタンク中で、Conductex SC Ultra(商標)カーボンブラック30.5キログラムを、メタクリル酸メチル20.25キログラム及び再利用トルエン95キログラムに添加した。このスラリーを、189.25リットル(50ガロン)の反応容器に移し、1,1’−アゾビス(シアノシクロヘキサン)1.45キログラム、Lucidol 75 0.44キログラム、及び過酸化ベンゾイル(過酸化ベンゾイル75%、水分25%)をトルエン8キログラムに溶かした溶液を添加した。得られた混合物をピッチ翼インペラーを用いて5回毎秒(300rpm)で機械的に攪拌し、摂氏95度で6時間加熱した。次いで摂氏0.143度/分の速度で摂氏110度まで昇温して、その後およそ室温、摂氏約25度まで冷却した。得られた溶液ポリマースラリーを反応容器から取り出して、189.25リットル(50ガロン)のタンクに仕込み、第2の空のタンク又は反応容器に水125キログラムを仕込んだ。この水は前記スラリーが分離タンクに移された後にその空の反応容器に入れられるか、又は導入された。共沸蒸留:水を摂氏90度まで加熱し、前記の溶液ポリマースラリー80キログラムを毎分0.5キログラム以下の速度で反応器に添加した。蒸発したトルエンは冷却器にて、再利用するために回収した。スラリーを完全に添加した後、温度を摂氏100度まで上昇させ、トルエンを完全に除去し、次いで室温まで冷却した。この時点で、水は、ポリマー及びカーボンブラックの複合体の1ミクロン以下のビーズサイズの粒子を含んでいた。過剰の水を除去するために、この混合物を濾過遠心分離機に移し、水を除去したビーズを減圧乾燥器中で約8時間乾燥し、次いで粒子をコミル(comill)の0.1143センチ(0.045インチ)スクリーンを通して粉砕して最終カーボンブラック充填ポリメタクリル酸メチルプレポリマーを得た。この操作を残りの80キログラム以下の溶液ポリマースラリーに対して繰り返した。カーボンブラック充填プレポリマーの組成は、TGA測定によるとポリメタクリル酸メチル40.7重量%、カーボンブラック57.9重量%、及び揮発性物質1.4重量%であった。
【0025】
カーボンブラック充填ポリメタクリル酸メチルポリマー16.6キログラムを、メタクリル酸メチル34.8キログラム及びジビニルベンゼン0.225キログラム中に、30ガロン(113.55リットル)の反応器中で7時間攪拌することによって分散させた。攪拌は夜間は停止し、翌日、約18時間後、再開した。1時間攪拌した後、2,2 −アゾビス(2,4−ジメチルバレロニトリル)3.0キログラム及び2,2 −アゾビス(2−メチルブチロニトリル)0.75キログラムを添加した。そして、攪拌を30分間続けた時点でLucidol75過酸化ベンゾイル0.98キログラムを添加した。室温、摂氏約25度で120分間攪拌した後、この混合物を、水167.4キログラムにポリビニルアルコール4.29キログラム及びヨウ化カリウム1.88キログラムを入れた水相に添加した。次いで、この混合物をQuadro Z−3インラインホモジナイザーを通して30分間循環させてミクロ懸濁液を作り出した。このスラリーを1.5回毎秒(90rpm)で攪拌する378.5リットル(100ガロン)の反応容器に移し、この時点で温度を1.5時間で摂氏60度まで上昇させ、また1.5時間で摂氏80度まで上昇させて次に冷却した。続いて、このミクロ懸濁液をメタノール/水(216キログラム/24キログラム)混合物で4回洗浄し、80キログラムの水で1回洗浄し、湿ケーキを得た。次いで、この湿ケーキを8時間以内で減圧乾燥し、続いて0.1143センチ(0.045インチ)スクリーンを通して共粉砕(Comilled)して最終生成物を得た。
【0026】
この最終生成物は、TGA測定により78.6重量%のポリメタクリル酸メチル、20.8重量%のカーボンブラック及び0.6重量%の揮発性物質を含んでいた。この生成物のガラス転移温度の中点値は、DSC測定によれば摂氏117.4度であった。Coulter LS 230回折装置測定による最終生成物の体積平均粒径は3.76ミクロンであり、数平均粒径は0.27ミクロンであった。最終粒子の11体積%は、体積粒径で10ないし30ミクロンであった。最終生成物1グラムを1.38パスカル(20,000p.s.i.)の圧力でペレット状に加圧した。そのペレットは直径約1.3センチメートル、厚さ約0.7センチメートルであった。ペレットの抵抗を電位計を用いて測定し、ペレットのサイズから体積抵抗率を計算により求めた。4又は5個のペレットを作製し、平均を取った。最終生成物のペレットの体積抵抗率は、55ohm-cmであった。
【0027】
カーボンブラックを含有する得られたポリメタクリル酸メチル最終生成物粒子0.7グラムを、90ミクロンの平均ビーズ径を有するHoeganoesスチールコアキャリヤー100グラムと、Munson型ミキサー中で室温にて混合した。次いで、カーボンブラックを含有するポリメタクリル酸メチル最終生成物粒子を、ロータリーキルン炉中で摂氏176.7度(350°F)にてキャリヤーの表面に融着させた。Xerox社5100二成分現像装置(development system)における得られたキャリヤーの機能的評価は、公知のファラデーケージ(Faraday Cage)法による測定で26マイクロクーロン/グラムの摩擦電荷(tribo)を示し、ガットマン(Gutman)セル中で測定した場合、10-8(ohm-cm)-1の導電率を示した。
【0028】
比較例I
4リットルのガラス反応器中で、Conductex SC Ultra(商標)カーボンブラック780グラムを、メタクリル酸メチル520グラム、トルエン2,750グラム及びドデカンチオール21.6グラムの混合物に添加した。この混合物に、2,2’−アゾビス(2,4−ジメチルバレロニトリル)21.6グラム及び過酸化ベンゾイル8.7グラムを添加した。反応器をウォーターバス中に入れ、5.83回毎秒(350rpm)で攪拌した。ウォーターバスを摂氏70度で3時間加熱し、次いで摂氏85度で2時間加熱した後、室温まで冷却した。スラリーを減圧オーブン中に置かれた箔皿に注いだ。トルエンを減圧乾燥によって蒸発させた。乾燥物は、手で割ることのできる硬いケーキであり、次いでコーヒー挽き中で粉砕した。得られたポリメタクリル酸メチルとカーボンブラックの複合ポリマーは、TGA測定によりポリメタクリル酸メチル41.0重量%、カーボンブラック58.2重量%及び揮発物0.8重量%からなるものであった。この操作を次の工程に十分なポリマーを調製するために繰り返し行った。
【0029】
10リットルのガラス容器中で、ポリメタクリル酸メチルとカーボンブラックのプレポリマー2,216グラムをメタクリル酸メチル4,644グラム及びジビニルベンゼン29.9グラム中に混合した。次いで、この混合物をピッチ翼インペラーを用いて、5.83回毎秒(350rpm)にて2日間攪拌した。2,2’−アゾビス(2,4−ジメチルバレロニトリル)400グラム及び過酸化ベンゾイル100グラムを攪拌後の混合物に添加して2時間攪拌した。この混合物を水21,120グラムにポリビニルアルコール880グラムを加えた混合物を含むKady Millホモジナイザー中に注いだ。Kady Millを始動させ、混合物を133.3回毎秒(8,000rpm)で5分間均質化(ホモジナイズ)した。ヨウ化カリウム250グラムをスラリーに入れて攪拌し、それを37.85リットル(10ガロン)のステンレススチール反応容器に移した。次に、反応器を摂氏60度で2時間加熱し、次いで摂氏85度で1時間加熱して、続いて室温まで冷却した。最終スラリーをメタノール113キログラムで1回、メタノール55キログラムと水55キログラムの混合物で1回、及びメタノール15キログラムと水90キログラムの混合物で1回洗浄した。最終湿ケーキを減圧オーブン中で乾燥し、次いで0.1143センチ(0.045インチ)スクリーンを用いたコミルで粉砕した。
【0030】
最終生成物は、TGA測定によりポリメタクリル酸メチル79.3重量%、カーボンブラック19.6重量%及び揮発物1.1重量%からなるものであった。DSC測定によるガラス転移温度摂氏107.1度であった。体積平均粒度は5.53ミクロンであり、数平均粒度は0.16ミクロンであった。粒子の38体積%は、10ミクロンを越え、これらは凝結体であった。これらは、ホモジナイズの前にヨウ化カリウムが添加されなかったため、生じたものである。実施例1においては、10ミクロンを越える粒子は、ほんの11体積%にすぎない。このペレットの抵抗率は、277ohm-cmであった。このペレットの抵抗率は実施例1に比べ、はっきりと高くなっている。
【0031】
比較例II
米国特許第5,236,629号に開示された方法を用いて比較例を行った。より具体的には、REGAL 330(登録商標)カーボンブラック82グラムを2,2 −アゾビス(2,4−ジメチルバレロニトリル)40グラム、過酸化ベンゾイル16.0グラム及びジビニルベンゼン架橋剤3.0グラムを含有するメタクリル酸メチルモノマー510グラム中に分散させた。この有機相を摂氏45度に加熱することによって、モノマーの12重量%がポリマーに転化されるまで部分的に塊状重合して、次に摂氏10度まで冷却した。次いで、得られた混合物を重量平均分子量Mw3,000のポリビニルアルコール4重量%を含有する水2.2リットル(2,200ミリリットル)と混合し、166.7回毎秒(10,000rpm)で5分間激しく攪拌した。懸濁重合温度は摂氏60度で2時間、次いで摂氏85度で1時間であった。ミクロ懸濁液生成物を実施例1と同様に洗浄し、乾燥した。乾燥生成物のSEM顕微鏡写真は、このポリマー生成物の平均粒径が0.9ミクロンであることを示した。実施例1の方法による加圧した粉末ペレットの電気抵抗測定で求めた乾燥生成物の体積抵抗率は、3,530ohm-cmであった。実施例1では55ohm-cmである。
【0032】
得られた粉末0.7グラムを、平均ビーズ径90ミクロンのHoeganoesスチールコアキャリヤー100グラムと、Munson型ミキサー中で室温にて混合した。次いで、この混合物を176.7度(350°F)のロータリーキルン炉中に入れて、カーボンブラックを含有するポリメタクリル酸メチル粒子をスチールキャリヤーに融着させた。Xerox社 5100 二成分現像装置における得られたキャリヤーの機能的評価は、28マイクロクーロン/グラム(μC/グラム)の摩擦電荷(tribo)(実施例1では26μクーロン/グラム)を示し、10-9(ohm-cm)-1の導電率(実施例1では10-8(ohm-cm)-1)を示した。TGA測定により、このカーボンブラックの含有率は12.6重量%であることが示された。本発明による改良された半懸濁重合法によって、‘629法よりも導電性の高いポリマー粒子と、導電性の高いキャリヤーが製造された(実施例1参照)。
【0033】
比較例III
モノマーとして、メタクリル酸メチルの代わりにスチレンモノマーを用いた以外は比較例IIの方法を繰り返した。得られた生成物は、0.7ミクロンの平均粒径と、10-3(ohm-cm)-1の導電率と、摂氏102度のガラス転移温度を有していた。比較例IIに記載したものと同じキャリヤーコーティングを用いて0.6重量%の粗画分(coarse fraction)を得た。コートされたキャリヤーは、15マイクロクーロン/グラムの摩擦電荷と、10-8(ohm-cm)-1の導電率を有していた。
【0034】
比較例IV
導電性充填剤として、CONDUCTEX 975(商標)カーボンブラック150グラムを用いた以外は比較例IIの方法を繰り返した。得られたポリマー生成物は0.7ミクロンの平均粒径と摂氏115度のガラス転移温度を有していた。比較例IIに記載されたのと同じキャリヤーコーティングを用いて0.5重量%の粗画分を得た。コートされたキャリヤーは、ファラデーケージ法測定により28マイクロクーロン/グラムの摩擦電荷と、10-6(ohm-cm)-1の導電率を有していた。
【0035】
比較例V
アセチレンブラック(Chevron Shawinigan 社)50グラムを用いた以外は比較例IIの方法を繰り返した。得られたポリマー粒子生成物は、0.6ミクロンの平均粒径と、摂氏111度のガラス転移温度を有していた。比較例IIに記載されたのと同じキャリヤーコーティングを用いて0.3重量%の粗画分を得た。コートされたキャリヤーは、31マイクロクーロン/グラムの摩擦電荷と、10-10(ohm-cm)-1の導電率を有していた。
【0036】
比較例VI
ペンタフルオロスチレンを用いた以外は比較例IIの方法を繰り返した。得られた生成物は、0.9ミクロンの平均粒径と、摂氏106度のガラス転移温度を有していた。比較例IIに記載されたのと同じキャリヤーコーティングを用いて0.2重量%の粗画分を得た。コートされたキャリヤーは、−25マイクロクーロン/グラムの摩擦電荷を有していた。
Claims (2)
- (a)少なくとも1種のモノマーを、少なくとも1種の導電性成分、溶媒、少なくとも1種の重合開始剤と混合するステップと、(b)加熱により溶液重合するステップと、(c)ポリマー及び導電性成分の混合物を生じさせるため、水相中で共沸蒸留することにより前記溶媒を除去するステップと、(d)前記混合物を乾燥し、粉砕した後、有機相を形成するため、得られた生成物を、少なくとも1種のモノマー、少なくとも1種の開始剤、及び少なくとも1種の架橋成分中に溶解するステップと、(e)前記有機相を、水、安定剤、及びアルカリハロゲン化物を含んでなる第2の水相と混合するステップと、(f)得られた懸濁液を加熱により重合するステップと、を含むことを特徴とする導電性ポリマーの調製方法。
- (a)モノマーを、導電性成分、溶媒、重合開始剤と混合するステップと、(b)加熱により溶液重合するステップと、(c)ポリマー及び導電性成分の混合物を生じさせるため、水相中で共沸蒸留することにより前記溶媒を除去するステップと、(d)前記混合物を乾燥し、粉砕した後、有機相を形成するため、得られた生成物を、モノマー、開始剤及び架橋成分中に溶解するステップと、(e)前記有機相を、水、安定剤及びアルカリハロゲン化物を含んでなる第2の水相と混合するステップと、(f)得られた懸濁液を加熱により重合するステップと、(g)続いて、ポリマー及び導電性成分を含んでなるポリマー生成物を洗浄して乾燥するステップと、を含むことを特徴とする導電性ポリマーの調製方法。
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