JP4326002B2 - 粉体の付着力測定方法及び装置、及び粉体の摩擦力測定方法及び装置 - Google Patents
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Description
粉体を取り扱う分野の一つとして、複写機やプリンターの画像形成に用いられている電子写真プロセスがある。電子写真プロセスでは、画像を形成する帯電粉体であるトナーが、キャリアや感光体等の画像形成部材間で付着・分離及び摩擦が繰り返されており、トナーと画像形成部材間の付着力、摩擦力は重要な特性値である。
しかし、遠心力を作用させる方法では、粉体層からの分離粒子数が非常に多いため、粒子同士が接触、又は積層してしまい、各粒子の粒径を計測することができないため、付着力の分布を測定することができない。また、遠心力が大きくなると、粉体が基板からも分離するため、粉体間の付着力と粉体と基板間の付着力の両方を測定してしまう可能性がある。また、針先端に付着させた粉体粒子を引き剥がす際の力を測定する方法は、粉体間の付着力を正確に測定することができるが、粉体間付着力の平均値及び分布を得るには、多数の粉体粒子について測定を実施する必要があり、手間と時間がかかるという問題点がある。
しかし、この方法を用いて粉体間の摩擦力を測定する場合は、基板上に粉体を積層し、基板に水平な方向に遠心力を作用させる必要があるが、基板に付着した粉体も移動してしまうため、粉体間の摩擦力を測定することができないという問題点がある。
(1)試料基板上に粉体を接着させるための接着層を設け、粉体Aを該接着層に敷き詰めて接着させておき、粉体Bの粒子同士が接触しないように粉体A上に付着させ、該試料基板の粉体付着面と、該試料基板から分離した粉体を付着させる付着面を有する受け基板とが対面するようにスペーサを介して測定セルを構成し、次いで粉体付着面に対して垂直方向に遠心力が作用するように該測定セルを遠心分離装置に装着し、設定回転数ごとに遠心分離した後に、測定セルの受け基板を取り替え、設定回転数の低い方から高い方にかけて、複数の設定回転数について遠心分離をした後、前記各受け基板に付着した粉体Bの粒径dを計測し、計測した粉体B粒子について、(1)式により、回転数f(rpm)において粉体B粒子に作用した遠心力(Fc)を計算し、粉体Aと粉体Bとの間の付着力分布を求めることを特徴とする粉体付着力測定方法。
Fc=(π3/5400)×ρ×d3×r×f2 (1)
(但し、ρ:粉体Bの真比重(kg/m3)、d:粉体Bの粒径(m)、r:回転半径(m)を表す。)
(2)前記接着層に前記粉体Aを積層し、最上層の前記粉体Aの重心位置が前記接着層の外側にあるように、前記粉体Aを付着させることを特徴とする上記(1)の粉体付着力測定方法。
(3)前記遠心力の上限を、前記粉体Aが前記接着層から分離する遠心力よりも小さくすることを特徴とする上記(1)、(2)の粉体付着力測定方法。
(4)前記粉体Aの色を前記粉体Bの色とは異なる色にすることを特徴とする上記(1)〜(3)の粉体付着力測定方法。
(5)前記粉体A及び前記粉体Bとして電子写真用トナーを用いることを特徴とする上記(1)〜(4)の粉体付着力測定方法。
(6)上記(1)〜(5)の粉体付着力測定方法に用いる粉体付着力測定装置であって、粉体を表面に付着させるための接着層を有する試料基板と、該試料基板から遠心力により分離した粉体を付着させるための粉体付着面を有する受け基板とをスペーサを介して対面させてなる測定セルと、該測定セルを保持する保持部材であって、遠心分離装置に装着された時に粉体付着面に垂直な方向に遠心力が作用するように測定セルを保持する保持部材と、該保持部材が装着される遠心分離装置とを備えてなる粉体付着力測定装置。
(7)基板上に接着層を設け、粉体Aを該接着層に敷き詰めて付着させておき、粉体Bを該粉体A上に付着させ、該基板の粉体付着面に水平方向に遠心力を作用させ、粉体Bが移動する遠心力から粉体Aと粉体B間の摩擦力を求めることを特徴とする粉体摩擦力測定方法。
(8)前記粉体付着面の一部の領域について前記粉体Bの粒子数を計測し、次に前記粉体付着面に水平方向に遠心力が作用するように前記基板を遠心分離装置に装着し、回転数を低回転数から高回転数へ段階的に上げて基板を回転し、各設定回転後に前記粉体付着面の前記領域について前記粉体Bの粒子数を計測し、前記粉体Bの粒子数が遠心力を作用する前に計測した前記粉体Bの粒子数の半数になる回転数f(rpm)を求め、下記の(1)式より粉体Aと粉体B間の摩擦力F(N)を求めることを特徴とする上記(7)の粉体摩擦力測定方法。
F=(π3/5400)×ρ×d3×r×f2 ……(1)
但し、
ρ:粉体Bの真比重(kg/m3)
d:粉体Bの平均粒径(m)
r:回転中心軸と基板の中心間の距離(m)
(9)前記接着層に前記粉体Aを積層し、最上層の前記粉体Aの重心位置が前記接着層の外側にあるように、前記粉体Aを付着させることを特徴とする上記(7)、(8)の粉体摩擦力測定方法。
(10)前記粉体Aと前記粉体Bの色が異なることを特徴とする上記(7)〜(9)の粉体摩擦力測定方法。
(11)前記粉体A及び前記粉体Bとしてトナーを用いることを特徴とする上記(7)〜(10)の粉体摩擦力測定方法。
(12)上記(7)〜(11)の粉体摩擦力測定方法に用いる粉体摩擦力測定装置であって、粉体を表面に付着させるための接着層を有する基板と、該基板を保持する保持部材であって、遠心分離装置に装着された時に粉体付着面に水平な方向に遠心力が作用するように基板を保持する保持部材と、該保持部材が装着される遠心分離装置とを備えてなる粉体摩擦力測定装置。
上記(1)の発明によれば、接着層に付着した粉体Aは遠心力で分離せず、粉体A上に付着した粉体Bのみが分離し、粉体Bを隣接する粉体同士が接触しないように付着させるため、分離して受け基板に付着した各粒子の粒径計測ができ、粉体間の付着力分布の測定が可能となる。
上記(2)の発明によれば、最上層の粉体Aの重心位置が接着層の外側にあるため、粉体Bが接着層に接触せず、粉体Bと接着剤間の付着力が関与しないため、粉体間の付着力のみを正確に測定できる。
上記(3)の発明によれば、粉体Aが分離しないため、粉体と接着層の付着力が関与せず、粉体間の付着力のみを正確に測定できる。
上記(4)の発明によれば、粉体Aの一部が分離した場合でも、粉体の粒径測定をする際に、粉体Bのみを選択的に測定できるため、粉体と接着層の付着力の関与を排除することができ、粉体間の付着力のみを正確に測定できる。
上記(5)の発明によれば、トナー間の付着力分布を測定することができ、電子写真プロセスやトナーの開発に寄与することができる。
上記(6)の発明によれば、接着層に付着した粉体Aは遠心力で移動せず、粉体A上に付着した粉体Bのみが移動するため、粉体間の付着力の測定が可能な測定装置を提供することができる。
上記(7)、(8)の発明によれば、接着層に付着した粉体Aは遠心力で移動せず、粉体A上に付着した粉体Bのみが移動するため、粉体間の摩擦力の測定が可能となる。
上記(9)の発明によれば、最上層の粉体Aの重心位置が接着層の外側にあるため、粉体Bが接着層に接触せず、粉体間の摩擦力のみを正確に測定できる。
上記(10)の発明によれば、粉体付着面上の粉体Bの粒子数を計測する際に、粉体Bのみを選択的に計測できるため、粉体間の摩擦力を正確に測定できる。
上記(11)の発明によれば、トナー間の摩擦力を測定することができ、電子写真プロセスやトナーの開発に寄与することができる。
上記(12)の発明によれば、接着層に付着した粉体Aは遠心力で移動せず、粉体A上に付着した粉体Bのみが移動するため、粉体間の摩擦力の測定が可能な測定装置を提供することができる。
まず、本発明の粉体間の付着力を測定する方法について説明する。
図1、図2は、本発明に係る粉体付着力測定装置の測定セル、遠心分離装置の一例を示す図である。
まず、試料基板2上に接着層11を形成する。接着層11は、粉体Aを敷き詰めやすくするために、μmまたは10μmオーダーの均一な薄膜にする必要がある。薄膜の形成方法としては、試料基板2上に接着剤を付け、平板により接着剤を押し広げる等の方法があげられる。なお、接着層11の領域が大きすぎると、スペーサ4が接着されてしまうので、接着層11の領域は、スペーサ4の穴部の内側になるように設定する必要がある。
Fc=m×r×(2πf/60)2 (2)
粉体Bの重量mは、粉体Bの真比重ρ、円相当径dを用いて、式(3)より求められる。
m=(π/6)×ρ×d3 (3)
式(2)と式(3)より、粉体Bの受ける遠心力Fcは、式(1)から求められる。
Fc=(π3/5400)×ρ×d3×r×f2 (1)
図6は、本発明に係る一実施例の遠心分離装置の一部断面図を示す図である。
図6において、ロータ65は、図示しない遠心分離装置内で回転軸64のまわりに回転するが、試料設置部65aが回転軸64に対して傾斜しているアングルロータである。ロータ65の試料設置部65a内には、粉体が付着した基板62が保持された、保持部材66が設置される。保持部材66は、基板62の粉体付着面62aが鉛直上方を向くとともに、回転軸64に対して垂直となるように基板2を保持する。
まず、図3に示すように、基板2上に接着層11を形成する。接着層11は、粉体Aを敷き詰めやすくするために、μmまたは10μmオーダーの均一な薄膜にする必要がある。薄膜の形成方法としては、試料基板2上に接着剤を付け、平板により接着剤を押し広げる等の方法が挙げられる。
次に、粉体付着面2aに付着した粉体Bの粒子数N0を計測する。光学顕微鏡で付着面2a上の粉体を観察し、CCDカメラを通して付着面の画像を画像処理装置に入力し、画像処理装置を用いて粉体Bの粒子数計測を行うことができる。なお、付着面2a上の粉体Bの全粒子数を計測するのは、非常に時間と手間がかかるので、付着面2aの1ヶ所以上の領域について計測を実施する。
次に、遠心分離の回転数fiと粉体Bの粒子数Niの関係から、粉体Bの粒子数Nが遠心力を作用する前に計測した粒子数の半数(N0/2)になる回転数fを求める。
f=(fi+1−fi)×(N0/2−Ni)/(Ni+1−Ni)+fi …… (2)
F= m×r×(2πf/60)2 …… (3)
m=(π/6)×ρ×d3 …… (4)
(3)式と(4)式より、遠心力Fは以下の(1)式から求められる。
F=(π3/5400)×ρ×d3×r×f2 …… (1)
異なる色の粉体を用いる例としては、電子写真プロセスで用いるカラートナーが挙げられる。電子写真プロセスでは、カラー画像を形成する際に、転写ベルト上又は紙上に色の異なるトナーを積層するため、異なる色のトナー間付着力を定量化する必要がある。
2 試料基板
2a 試料面
3 受け基板
3a 付着面
4 スペーサ
5 遠心分離装置
6 ロータ
7 保持手段
7a 棒状部
7b セル保持部
7c 穴部
7d 設置固定部
8 試料設置部
9 回転中心軸
11 接着層
A 粉体A
B 粉体B
P 粉体Aの重心
62 基板
62a 粉体付着面
64 回転中心軸
65 ロータ
65a 試料設置部
66 保持部材
67 棒状部
67a 配置調節部
67b 配置固定部
68 基板保持部
69 ガイド
70 固定部材
Claims (12)
- 試料基板上に粉体を接着させるための接着層を設け、粉体Aを該接着層に敷き詰めて接着させておき、粉体Bを、粉体Bの粒子同士が接触しないように該粉体A上に付着させ、該試料基板の粉体付着面と、該試料基板から分離した粉体を付着させる付着面を有する受け基板とを、スペーサを介して対面させて測定セルを構成し、次いで粉体付着面に対して垂直方向に遠心力が作用するように該測定セルを遠心分離装置に装着し、設定回転数ごとに、遠心分離した後に測定セルの受け基板を取り替え、設定回転数の低い方から高い方にかけて、複数の設定回転数について遠心分離をした後、前記各受け基板に付着した粉体Bの粒径dを計測し、計測した粉体B粒子について、下記の(1)式により、回転数f(rpm)において粉体B粒子に作用した遠心力(Fc)を計算し、粉体Aと粉体Bとの間の付着力分布を求めることを特徴とする粉体付着力測定方法。
Fc=(π3/5400)×ρ×d3×r×f2 (1)
(但し、ρ:粉体Bの真比重(kg/m3)、d:粉体Bの粒径(m)、r:回転半径(m)を表す。) - 前記接着層に前記粉体Aを積層し、最上層の前記粉体Aの重心位置が前記接着層の外側にあるように、前記粉体Aを付着させることを特徴とする請求項1に記載の粉体付着力測定方法。
- 前記遠心力の上限を、前記粉体Aが前記接着層から分離する遠心力よりも小さくすることを特徴とする請求項1または2に記載の粉体付着力測定方法。
- 前記粉体Aの色を前記粉体Bの色とは異なる色にすることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の粉体付着力測定方法。
- 前記粉体A及び前記粉体Bとして電子写真用トナーを用いることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の粉体付着力測定方法。
- 請求項1〜5のいずれかに記載の粉体付着力測定方法に用いる粉体付着力測定装置であって、粉体を表面に付着させるための接着層を有する試料基板と、該試料基板から遠心力により分離した粉体を付着させるための粉体付着面を有する受け基板とをスペーサを介して対面させてなる測定セルと、該測定セルを保持する保持部材であって、遠心分離装置に装着された時に粉体付着面に垂直な方向に遠心力が作用するように測定セルを保持する保持部材と、該保持部材が装着される遠心分離装置とを備えてなる粉体付着力測定装置。
- 基板上に接着層を設け、粉体Aを該接着層に敷き詰めて付着させておき、粉体Bを該粉体A上に付着させ、該基板の粉体付着面に水平方向に遠心力を作用させ、粉体Bが移動する遠心力から粉体Aと粉体B間の摩擦力を求めることを特徴とする粉体摩擦力測定方法。
- 前記粉体付着面の一部の領域について前記粉体Bの粒子数を計測し、次に前記粉体付着面に水平方向に遠心力が作用するように前記基板を遠心分離装置に装着し、回転数を低回転数から高回転数へ段階的に上げて基板を回転し、各設定回転後に前記粉体付着面の前記領域について前記粉体Bの粒子数を計測し、前記粉体Bの粒子数が遠心力を作用する前に計測した前記粉体Bの粒子数の半数になる回転数f(rpm)を求め、下記の(1)式より粉体Aと粉体B間の摩擦力F(N)を求めることを特徴とする請求項7記載の粉体摩擦力測定方法。
F=(π3/5400)×ρ×d3×r×f2 ……(1)
但し、
ρ:粉体Bの真比重(kg/m3)
d:粉体Bの平均粒径(m)
r:回転中心軸と基板の中心間の距離(m) - 前記接着層に前記粉体Aを積層し、最上層の前記粉体Aの重心位置が前記接着層の外側にあるように、前記粉体Aを付着させることを特徴とする請求項7又は8記載の粉体摩擦力測定方法。
- 前記粉体Aと前記粉体Bの色が異なることを特徴とする請求項7〜9のいずれかに記載の粉体摩擦力測定方法。
- 前記粉体A及び前記粉体Bとしてトナーを用いることを特徴とする請求項7〜10のいずれかに記載の粉体摩擦力測定方法。
- 請求項7〜11のいずれかに記載の粉体摩擦力測定方法に用いる粉体摩擦力測定装置であって、粉体を表面に付着させるための接着層を有する基板と、該基板を保持する保持部材であって、遠心分離装置に装着された時に粉体付着面に水平な方向に遠心力が作用するように基板を保持する保持部材と、該保持部材が装着される遠心分離装置とを備えてなる粉体摩擦力測定装置。
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