JP3966578B2

JP3966578B2 - 半導電性ロールおよび現像装置

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Publication number: JP3966578B2
Application number: JP12831597A
Authority: JP
Inventors: 恒雄大木; 修司小口
Original assignee: Shin Etsu Polymer Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Polymer Co Ltd
Priority date: 1997-05-19
Filing date: 1997-05-19
Publication date: 2007-08-29
Anticipated expiration: 2017-05-19
Also published as: DE69802462D1; EP0880083B1; US5984849A; EP0880083A1; DE69802462T2; JPH10318249A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
電子写真記録等の現像装置において、現像ロールあるいはトナー搬送ロール等に用いられる半導電性ロールおよびこれを用いてなる現像装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
導電体を芯体としてその周囲に形成された弾性半導電体からなるトナー担持体の外周面上に、薄層状態で担持された摩擦帯電トナーによって、潜像担持体である感光ドラム上に形成された静電潜像を可視化する現像装置には、半導電性ロールが現像ロールとして用いられている。この半導電性ロールに対しては、導電性、耐環境性、低硬度、摩擦帯電性等が要求される。このため、ウレタンゴム、ＮＢＲ、シリコーンゴム等を素材とし、これに導電性付与剤として、イオン伝導性添加剤または電子伝導性充填材を添加して半導電性を付与したロールが公知である。
【０００３】
トナー担持体の帯電量を制御する方法としては、粉体の表面に吸着させる極性基の種類（−ＮＨ₂ 基、−ＯＨ基等）と量を適当に選択することにより接触帯電量を制御できることが、論文“アミノシラン処理シリカ粉の接触帯電”（色材、55〔９〕630-636、1982、小口寿彦、小石真純）に報告されている。
有機物の帯電性は、これを構成する分子の電子受容性、電子供与性によって決まり、電子受容性基（酸性基）として、ニトロ基、ハロゲン基、スルホン基が挙げられ、これを導入した有機化合物は負帯電性を示す。また、電子供与性基（塩基性基）としては、アミノ基、アンモニウム基が挙げられ、これを導入した有機化合物は正帯電性を示すことが、論文“表面及び界面を静電気でとらえる”（表面、Vol.33、No．3 (1995)、小口寿彦）に報告され、はからずも、これを応用した摩擦帯電ブレードが特開昭61-173270 号公報に提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の、例えばウレタンゴムあるいはＮＢＲを使用した半導電性ロールは、低硬度化のために種々のプロセスオイルや軟化剤等の液剤が添加されているため、ブリード防止層として、ウレタンコーティング、ナイロンコーティングを初めとする種々の樹脂による保護層が設けられているが、耐環境特性は必ずしも満足できるものではない。特に、高温・高湿の環境下に長時間放置されると、極端な場合には樹脂成分が加水分解して、感光ドラムに固着したり、温度・湿度の変動により、半導電性ロールの帯電特性が大きく変化するという不具合があった。さらに、従来の半導電性ロールは、トナーに対する帯電特性に環境依存性があり、帯電量分布がブロードで、帯電量不足による地汚れ（以後、カブリという）を引き起こすことがあった。
【０００５】
一方、素材にシリコーンゴムを使用した半導電性ロールは、負帯電トナーに対する耐環境性が非常に安定し、トナーの帯電量分布も非常にシャープであるが、正帯電トナーに対しては、電荷付与特性が不十分でカブリを引き起こしやすいという不具合があった。このような特性を改善するものとして、シリコーンゴムロールの表面に紫外線処理を施したものが考案されているが、高温・高湿の環境下で初期カブリを発生しやすいものであった。
【０００６】
本発明は、上記した従来の問題を解決するものであり、印字耐久性および耐環境性にすぐれ、トナーへの安定した電荷付与特性を有し、カブリが発生し難い現像ロールあるいはトナー搬送ロールとして用いられる半導電性ロールおよびこれを用いた現像装置を提供することを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、弾性半導電体層の表面にシランカップリング剤処理層を設けることにより、接触帯電量をコントロールすることができることを見出し、導電性軸体の周囲に耐環境性に優れたシリコーンゴムを基材とする弾性半導電体層を設けてロールを形成し、その表面にシランカップリング剤を塗布することにより、上記目的を達成するものである。
すなわち、本発明の半導電性ロールは、導電性軸体の周囲に、紫外線照射により表面にＯＨ基が生成されたシリコーンゴムからなる弾性半導電体層を設け、さらにこの表面にアミノ基を有する２官能型のシランカップリング剤処理層を設けてなり、紫外線照射によりゴムロールに生成されたＯＨ基と、シランカップリング剤中のメトキシ基あるいはエトキシ基との脱アルコール反応により、アミノ基がシリコーンゴム表面に突出してなることを特徴とする。
【０００９】
さらに、本発明の現像装置は、前記記載の半導電性ロールを用いることを特徴としている。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の半導電性ロールとこれを用いた現像装置について、図１〜図３をもとにさらに詳細に説明する。
図１は、本発明の半導電性ロールの断面図であり、導電性軸体１の周囲に半導電性シリコーンゴム層２を形成した後、紫外線を照射して表面硬化シリコーンゴム層３を設け、この表面にシランカップリング剤を塗布してシランカップリング剤処理層４を設けたものである。
図２は、他の態様を示す半導電性ロールの断面図であり、図１に示した半導電性シリコーンゴム層２に替えて、シリコーンゴムスポンジに紫外線を照射して表面硬化シリコーンゴムスポンジ層５を設けたものである。
【００１１】
図３は、現像装置の一例として、電子写真式プリンターの概略を示したものである。筐体11の内部には、潜像担持体である感光ドラム12が配設されている。帯電ロール13は感光ドラム12の表面を一様にマイナスに帯電した後、ＬＥＤアレイ14からＬＥＤ光を照射して感光ドラム12の表面に潜像を形成する。この潜像は、現像ロール15の表面に担持されたトナーによって可視像化され、転写ロール16によって記録紙17に転写される。現像ロール15は、摩擦帯電ブレード18によって一様に帯電され、トナー搬送ロール19の表面に担持されたトナーを受け取る。トナーはトナー供給機20から供給される。本発明の半導電性ロールは、現像ロール15および／またはトナー搬送ロール19に使用される。なお、符号21は、感光ドラム12に付着する残留トナーを除去するためのクリーニングロールである。
【００１２】
導電性軸体に使用する素材には、鉄、アルミ、ＳＵＳ、真鍮等の導電性金属、熱硬化性樹脂にカーボンブラック、金属粉末等を配合した導電性樹脂、あるいは熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂等の絶縁体表面に金属メッキを施して導電体化したもの等が挙げられ、加工性、経済性等を勘案して適宜選択すればよい。
【００１３】
弾性半導電体層としてのシリコーンゴム層には、ポリオルガノシロキサンにシリカ、導電性粉末等を配合し、加硫剤で架橋したものが用いられる。具体的には、ポリオルガノシロキサンとして、例えば、ジメチルシリコーン、メチルビニルシリコーン、メチルフェニルシリコーン等のいずれか１つ以上に、煙霧質シリカ、沈降性シリカ、導電性付与剤を配合し、パーオキサイド、白金触媒下のハイドロジェンシロキサン等の加硫剤とともに混練したものが用いられる。
導電性付与剤には、導電性カーボンブラック、ニッケル、アルミニウム、銅等の金属粉末、酸化亜鉛、酸化錫等の金属酸化物、あるいは硫酸バリウム、酸化チタン、チタン酸カリウム等の芯材に酸化錫をコーティングした導電性充填材等が挙げられる。
なお、シリコーンゴムの体積固有抵抗は１０¹ 〜１０⁹ Ω・ｃｍとする。体積固有抵抗がこの範囲外では、カブリの発生、転写効率の低下、印字濃度の不適合等の不具合が発生しやすい。
【００１４】
成形にあたっては、導電性軸体とシリコーンゴム組成物を、押出し機でクロスヘッドを用いて、一体化して分出しした後、ギヤーオーブンまたはＩＲ炉（赤外線加熱炉）で一次加硫する方法、あるいは導電性軸体を金型にセットした後、シリコーンゴム組成物を注入し、常温または加熱下で一次加硫する方法、あるいは導電性軸体とシリコーンゴム組成物を同時に金型内で加熱、圧縮成形する方法等が用いられる。その後、ギヤーオーブン等で一定時間二次加硫して物性を安定化するとよい。
【００１５】
成形されたロールは、このままでもよいが、必要により紫外線照射やシランカップリング剤処理等の表面処理を行う前に、円筒研削盤、ショットブラスター、サンドブラスター、ラッピング機、バフ機等にかけて所望の表面状態に加工することもできる。その後、印字耐久性を向上させるために、酸素の存在下で紫外線照射により表面を硬化させるとともにＯＨ基を生成させる。紫外線照射によって硬化したシリコーンゴムロールの表面は、耐摩耗性が向上し、印字耐久試験後も凹凸の変化が少なく、トナーの搬送力の低下も極めて少ない。
なお、紫外線照射により、シリコーンゴムロール表面にＯＨ基が生成されていることは、赤外分光分析およびＥＳＣＡ分析により確認した。
【００１６】
紫外線照射後、ロールの表面に、回転させながらシランカップリング剤を塗布してシランカップリング剤処理層を設ける。塗布の方法は、この方法に限らず、スプレー塗布、ディッピング、ロールコーティング等の塗工方法を任意に選択することができる。また、シランカップリング剤の乾燥を早めるために、適当な温度で加熱してもよい。
【００１７】
なお、使用するトナーが負帯電型である場合、弾性半導電体層の紫外線照射層の表面に、電子供与性の高いアミノ基、ヒドロキシル基、エーテル基等を有するシランカップリング剤を塗布すればよく、また、トナーが正帯電性である場合には、電子受容性の高いニトロソ基、カルボニル基、カルボキシル基等を有するシランカップリング剤を塗布することにより、ゴム表面のトナーに対する帯電特性を向上させ、より一層カブリを低減することができる。
【００１８】
カブリに対する効果は、特に、２官能型シランカップリング剤において顕著であり、高温・高湿の環境下で差異がより明確である。このようにシランカップリング剤の帯電特性をトナーの帯電特性に合わせて任意に制御することができる。すなわち、シランカップリング剤の帯電特性を制御して、トナーの帯電量分布がシャープで、かつ必要な電位まで帯電させることにより、印字濃度が安定し、カブリの無い高品位の印字画像を得ることができる。
【００１９】
カブリに対する効果は、紫外線照射によりシリコーンゴムロールの表面にＯＨ基が生成し、シランカップリング剤のメトキシ基あるいは、エトキシ基がこのＯＨ基と脱アルコール反応により縮合し、その結果、シランカップリング剤のアミノ基側が、シリコーンゴムロールの表面に突出することにより、トナーへの帯電特性（この場合、電子供与性）が大きくなっているものと考えられる。なお、カブリは、帯電量の絶対値が低い場合に発生すると考えられ、カブリの程度は、現像ロールへのトナー接触確率および現像ロールからの電荷の注入しやすさ等に依存すると考えられる。
【００２０】
導電性軸体は、その一端に接地またはバイアス電圧を印加することにより、静電潜像担持体の帯電、トナーへの電荷の注入、静電潜像担持体へのトナーの搬送による静電潜像の現像等の機能を果たすものであり、さらに、この外周に形成された弾性半導電体層の支持体でもある。
弾性半導電体層は、帯電工程、現像工程での電極として、さらにトナーへの接触帯電、電荷注入用の電極として機能するものであり、トナー搬送工程、現像工程では、その表面の凹凸およびファンデルワールス力、鏡像力、クーロン力等により半導電性ロールの表面でトナーを担持、搬送するものである。トナーへの帯電は、摩擦帯電ブレードやトナー搬送ロール、静電潜像担持体と半導電性ロールである現像ロールの表面との摩擦により行われる。
【００２１】
【実施例】
以下、実施例に基づき本発明をさらに具体的に説明するが、本発明は、これらの実施例によって限定されるものではない。
実施例１：
ＳＵＭ22に無電解ニッケルメッキした直径10ｍｍ、長さ 250ｍｍのシャフトの周面に、シリコーン系プライマー・プライマーNo.16 （信越化学社製、商品名）を塗布した後、ギヤーオーブン中で 150℃、10分間焼き付け処理を行って芯金（導電性軸体）を作製した。
次に、有機過酸化物反応型のシリコーン生ゴム・ＫＥ−78ＶＢＳ（信越化学社製、商品名）100 重量部に、カーボンブラック・アサヒサーマル（旭カーボン社製、商品名）10重量部、煙霧質シリカ系充填材・アエロジル200(日本アエロジル社製、商品名）25重量部を添加し、加圧ニーダーで混練して、導電性を有するシリコーンゴム組成物を調製した。
【００２２】
このシリコーンゴム組成物に、有機過酸化物系加硫剤・Ｃ−８（信越化学社製、商品名）2.0 重量部を添加した後、内径20ｍｍの円筒型キャビティーを有する圧縮成形金型のキャビティー内に導電性軸体とともにセット、充填し、175 ℃、10分間加硫接着成形した。
その後、ギヤーオーブン中で200 ℃、７時間の二次加硫を行い、表面を円筒研削盤で研磨して、直径18ｍｍ、ゴム部の長さ210 ｍｍ、表面粗さ8.5 μｍ（Rz）のロールとした。さらに、このロールの表面に、低圧水銀灯による紫外線照射を空気中で行い、印字耐久性を高めるとともに表面にＯＨ基を生成させた。
なお、ＯＨ基の生成は赤外分光分析により確認した。
【００２３】
さらに、塗工作業性を高めかつ帯電特性を制御するため、ロールを、この芯金を回転軸として回転させながら、２官能型シランカップリング剤であるγ−アミノプロピルメチルジエトキシシラン・ＫＢＥ−902(信越化学社製、商品名）10重量部をトルエン100 重量部で希釈し、パッドを用いてロール表面に塗布した。その後、ギヤーオーブンで150 ℃、１時間乾燥させ、現像ロールとして静電潜像を可視化する現像装置に装着した。
【００２４】
実施例２〜５：
実施例１と同様にしてロールを作製し、帯電特性を制御するため、トルエンによる希釈濃度の異なるシランカップリング剤を調製し、ロールに塗布して実施例２〜５のロールを作製した。
【００２５】
次に各ロールを、市販の負帯電トナーを用いる電子写真式プリンターに装着し、高温・高湿下、定温・定湿下および低温・低湿下の各環境下において印字試験を実施した。その結果は表１に示すとおりであり、実施例１〜５のロールはいずれも、各環境下で初期印字、6000枚印字後のいずれもカブリがなく、高品位の印字画像を得た。また、カブリに対して、シランカップリング剤ＫＢＥ−902 の塗布量に、最適値のあることが表１の実施例から読み取れる。同時に、現像ロール表面の顕微鏡観察を行ったが、トナーの固着、ロール材質の変質等の異常は認められなかった。
なお、表１中の初期カブリとは、耐久試験開始直後の５％デューティー画像における白地部のマクベス濃度を意味し、耐久後カブリとは、6000枚印字後の白地部のマクベス濃度を意味する。
【００２６】
【表１】

【００２７】
比較例１：
比較例として、シランカップリング剤の塗布を除き、芯金の作製から紫外線照射に至る間、実施例１と同様にしてロールを成形し、さらに、前記各環境下における印字試験を行った。
【００２８】
比較例２：
同じアミノシランカップリング剤の２官能型と３官能型との比較を行うため、実施例１と同様にしてロールを成形した後、３官能型シランカップリング剤であるＮ−β（アミノエチル）γ−アミノプロピルトリメトキシシラン・ＫＢＭ−603 （信越化学社製、商品名）10重量部をトルエン100 重量部で希釈し、パッドを用いてロール表面に塗布した。その後、ギヤーオーブンで150 ℃、１時間乾燥させて、静電潜像を可視化する現像装置の現像ロールとし、前記各環境下で印字試験を行った。
【００２９】
比較例３：
さらに、アミノ基の効果を確認するため、実施例１と同様にしてロールを成形した後、アミノ基を含まないシランカップリング剤であるオクチルトリエトキシシラン・ＬＳ−5580 (信越化学製、商品名）10重量部を、トルエン100 重量部で希釈したものを実施例１と同様の方法で塗布した。得られた現像ロールを、各環境下で印字試験を行った。
【００３０】
比較例１〜３で得た現像ロールの印字試験結果は、前記表１に示したとおりであり、いずれも実施例１〜５の現像ロールに比べて劣るものであった。
なお、表１中の各測定項目に対する測定方法は以下のとおりである。
・ロール抵抗：シランカップリング剤塗布前のロールを、このゴム部全長よりも５ｍｍ長い金メッキ電極上に載置し、ロールの両端にそれぞれ500 ｇの分銅を載せ、ロールのシャフト（芯金）とロール表面との間に10Ｖの電圧を印加し、このときの抵抗値を測定した。
・表面粗さ：万能粗さ試験機を用いて、ロールの周方向に十点測定し、この平均値で表示した。
・カブリ：ロールサンプルを、電子写真式プリンターに現像ロールとして組み込み、黒べた−網点−５％デューティー−白地印字等を繰り返し、５％デューティー画像の白地部のマクベス濃度を、マクベス濃度計を用いて測定した。
・印字濃度：初期印字濃度、耐久後印字濃度ともに、カブリと同様の方法で印字した黒べた印字部のマクベス濃度を、マクベス濃度計を用いて測定した。
【００３１】
〈合否判定〉
・カブリ：初期カブリ、耐久後カブリとも、白地部のマクベス濃度が０．０１５を超えるものについては、不合格（×記号で表示）とする。
・印字濃度：初期印字濃度、耐久後印字濃度ともに、黒べた印字部のマクベス濃度が１．３未満のものについては、不合格とする。
・トナー固着：耐久試験後のロール表面を顕微鏡観察し、トナーの固着が見られたものについては、不合格とする。
【００３２】
また、同様な手法を用いて、トナー搬送ロールを製作し、同様な試験を実施した結果、良好な印字画像が得られた。
【００３３】
【発明の効果】
本発明の半導電性ロールは、弾性半導電体層の表面にシランカップリング剤を塗布することにより、トナーの帯電量分布がシャープで、かつ必要な電位まで帯電させることにより、印字濃度が安定し、カブリの無い高品位の印字画像を得ることができる。さらに、本発明の半導電性ロールの帯電特性は、シランカップリング剤を適宜選択することによりトナーの帯電特性に合わせて任意に制御することができる。
また、弾性半導電体層を、シリコーンゴムを基材として形成したことにより、空気中の水分による加水分解がなく耐環境性に優れ、感光ドラムに固着せず、またトナーの固着もない。同時に、弾性半導電体層の表面は、紫外線照射により硬度が増しているために、耐摩耗性が向上しており、印字耐久試験後も凹凸の変化が少なく、トナーの搬送力の低下が極めて少ない。
このように本発明により、耐環境性にすぐれ、安定した印字耐久性をもつ、半導電性ロールが提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す断面図である。
【図２】他の実施例を示す断面図である。
【図３】現像装置のレイアウトを示す概略正面図である。
【符号の説明】
１．導電性軸体
２．半導電性シリコーンゴム層
３．表面硬化シリコーンゴム層
４．シランカップリング剤処理層
５．表面硬化シリコーンゴムスポンジ層
１１．筐体
１２．感光ドラム
１３．帯電ロール
１４．ＬＥＤアレイ
１５．現像ロール
１６．転写ロール
１７．記録紙
１８．摩擦帯電ブレード
１９．トナー搬送ロール
２０．トナー供給機
２１．クリーニングロール

Claims

導電性軸体の周囲に、紫外線照射により表面にＯＨ基が生成されたシリコーンゴムからなる弾性半導電体層を設け、さらにこの表面にアミノ基を有する２官能型のシランカップリング剤処理層を設けてなり、紫外線照射によりゴムロールに生成されたＯＨ基と、シランカップリング剤中のメトキシ基あるいはエトキシ基との脱アルコール反応により、アミノ基がシリコーンゴム表面に突出してなることを特徴とする半導電性ロール。
請求項１に記載の半導電性ロールを用いてなることを特徴とする現像装置。