JP4472146B2

JP4472146B2 - 導電性ローラ

Info

Publication number: JP4472146B2
Application number: JP2000302505A
Authority: JP
Inventors: 祐一湧川; 康浩迫; 央泉
Original assignee: Bando Chemical Industries Ltd
Current assignee: Bando Chemical Industries Ltd
Priority date: 2000-10-02
Filing date: 2000-10-02
Publication date: 2010-06-02
Anticipated expiration: 2020-10-02
Also published as: JP2002108092A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子写真装置に用いる導電性ローラに関し、特に現像ローラ、帯電ローラおよび転写ローラなどに好適に用いられる導電性ローラに関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子写真装置に用いられる導電性ローラは、半導電性領域で容易に抵抗の制御ができ、かつ耐電圧性が優れていることが要求される。ここで導電性ローラにおける導電性とは、１０³〜１０¹⁰Ω・ｃｍ程度の半導電性領域を意味する。ローラへの導電性付与および抵抗制御は、ローラの導電弾性層を構成するゴム材中に、カーボンブラックや、アルミニウムならびにステンレス鋼などの金属および酸化錫ならびに酸化チタンなどの金属酸化物などの微粉末を分散させることによって行われている。なかでもカーボンブラックが多く用いられている。
【０００３】
導電性の付与に用いるカーボンブラックとしては、ケッチェンブラックや塗料用カーボンブラックが公知である。ケッチェンブラックを用いた場合は、少量の添加でもローラに導電性を付与することができるが、半導電性領域での要求される抵抗範囲が小さいので、ローラの抵抗をその範囲に制御するのが困難である。また導電弾性層中の導電パスが少ないので、電荷のリークが発生しやすい、すなわち耐電圧性が悪いという欠点がある。塗料用カーボンブラックの場合は、添加量をコントローラすることによって、半導電性領域での抵抗を比較的容易に制御することができるが、カーボンブラックのストラクチャー、すなわちカーボンブラック粒子の凝集体の径が均一でないので、導電パスの偏りが生じて、電荷のリークが発生しやすいという欠点がある。
【０００４】
また導電性ローラ表面を均一に帯電することができるようにするためには、導電性カーボンブラックを導電弾性層中に、均一に分散させる必要がある。ポリウレタンを導電弾性層とする導電性ローラの場合は、カーボンブラックを均一に分散させるために、ポリウレタンの原料であるポリオール中に、３本ロールによる混練によって分散させるという方法が従来からとられている。しかしポリオール中へのカーボンの分散度合いと得られるローラの電気特性の関係まで検討した先行技術は存在しない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、導電性ローラ作製時に、１０³〜１０¹⁰Ωの領域において、導電性ローラの用途に応じて要求される２〜３桁範囲内に電気抵抗を制御することが容易にでき、しかも耐電圧性に優れた電子写真装置用の導電性ローラ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、導電性を有する軸体と、該軸体の外周面上に同心に積層された導電弾性層および表面層からなる導電性ローラであって、導電弾性層が、表面官能基の総量が０．５ｍｍｏｌ／ｇ以下であるカーボンブラックを、ＪＩＳＫ５４００−１９９０の粒ゲージによる分散度評価で粒子径が５〜５０μｍとなるように分散させたポリオールと、ポリイソシアネートとの反応硬化物から成ることを特徴とする導電性ローラである。
【０００７】
また本発明は、カーボン分散ポリオールにおける前記カーボンブラックの含有量が、１〜５ｗｔ％であることを特徴とする。
【０００８】
本発明に従えば、表面官能基の少ないカーボンブラックをポリオール中に、ＪＩＳＫ５４００−１９９０で分散度を評価した場合のカーボンブラックの粒子径が５〜５０μｍとなるように分散させたポリオールを用いて、ポリイソシアネートと反応させてポリウレタンを形成することによって、導電弾性層の電気抵抗を容易に制御し、かつ耐電圧性に優れた導電性ローラを提供することができる。
【０００９】
また本発明は、前記カーボンブラックのＤＢＰ吸油量が、１５０〜１９０ｍｌ／１００ｇであり、かつＢＥＴ比表面積が４０〜７０ｍ²／ｇであることを特徴とする。
【００１０】
本発明に従えば、比表面積が小さく、かつＤＢＰ（ｎ−ジブチルフタレート）吸油量の値の大きいカーボンブラックを用いると、抵抗の制御がしやすく、かつ耐電圧性に優れた導電弾性層を有する導電性ローラを提供することができる。
【００１１】
また本発明は、前記ポリオールが、常温において液体であるポリオレフィン系ポリオールであることを特徴とする。
【００１２】
本発明に従えば、常温において液体であるポリオールを使用すると、カーボンブラックを３本ロールなどでポリオール中に分散する際の分散性の制御が容易となる。またポリオレフィン系ポリオールは、疎水性の性質を有しているので、ポリイソシアネートと反応させて得られるポリウレタンは、疎水性の性質を有することになる。すなわちポリウレタンは疎水性であるので、温湿度の影響を受け難く、これを基材とすることによって環境安定性に優れた導電性ローラを提供することができる。
【００１３】
また本発明は、直径３０ｍｍφの金属製ローラを０．４８ｒｐｍで回転させつつ、軸体の両端に各々５００ｇの荷重をかけて圧接し、−４００Ｖの電圧を印加したときの抵抗値が、１０⁶〜１０⁸Ωで、かつ−１．５ｋＶまで電荷のリークが発生しないことを特徴とする。
【００１４】
本発明に従えば、前記表面官能基が少なく、ストラクチャーの発達したカーボンブラックを、３本ロールを用いて、ＪＩＳＫ５４００−１９９０による分散度評価で粒子径が５〜５０μｍとなるようにストラクチャー粒径を平均化させて導電弾性層中に分散させたポリオールを用いることによって、電気抵抗が１０⁶〜１０⁸Ωに制御でき、しかも導電パスが多い、耐電圧性に優れた導電性ローラを提供することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の電子写真装置用の導電性ローラについて図面に基づいて説明する。図１は、本発明の実施の一形態による電子写真装置用の導電性ローラ１の斜視図であり、図２は、図１の導電性ローラ１の軸線に直角な断面図である。導電性ローラ１は、導電性の軸体２と、軸体２の外周面上に形成される導電弾性層３と、導電弾性層３の外周面上に積層される表面層４とを含む多層構造を有する。軸体２は、両端を軸支したり、駆動部品を嵌合するため両端部を精密加工をした細長い直円柱状であり、金属、たとえば鉄、アルミニウム合金、ステンレス鋼などが好適に用いられる。
【００１６】
導電性ローラ１の導電弾性層３は、導電性を付与するためのカーボンブラックを分散させたポリウレタンから構成されている。前記カーボンブラックは、表面官能基の総量が０〜０．５ｍｍｏｌ／ｇであることを特徴とする。表面官能基の少ない、いわゆるグラファイトライクのカーボンブラックを用いると、ポリオール中にカーボンブラックを分散させる際に、カーボンブラックが凝集し難くなり、均一に分散させることができる。前記カーボンブラックが均一に分散したポリオールを、ポリイソシアネートと反応硬化させてポリウレタンを形成すると、カーボンブラックがポリウレタン中に均一に分散するので、導電弾性層３の電気抵抗を２〜３桁の範囲に制御できる。
【００１７】
また前記表面官能基が少なく、ストラクチャーの発達したカーボンブラックを、ＪＩＳＫ５４００−１９９０の粒ゲージによる分散度評価で粒子径が５〜５０μｍとなるまで３本ロールなどで混練し、ポリオール中に分散させると、カーボンブラックが適度に結合した凝集体すなわちストラクチャーを有するとともに、粒径が平均化されて均一に分散したものになり、このポリオールを用いて形成した導電弾性層３中では、トンネル効果などによる電子導電機構を形成しやすくなり、導電パスが多くなる。結果として電気抵抗が狭い範囲に制御しやすく、しかも電荷のリークが発生しない、耐電圧性に優れた導電性ローラ１を提供することができる。
【００１８】
表面官能基が少なく、かつ高ストラクチャーのカーボンブラックとしては、比表面積が小さく、ＤＢＰ（ｎ−ジブチルフタレート）吸油量が大きいカーボンブラックが該当する。一般に、ＤＢＰ吸油量が１１８ｍｌ／１００ｇ以上のカーボンブラックは高ストラクチャー、９０ｍｌ／１００ｇ以下のカーボンブラックは低ストラクチャーと呼ばれている。
【００１９】
本発明で使用するカーボンブラックは、ＢＥＴ比表面積が４０〜７０ｍ²／ｇであり、かつＤＢＰ吸油量が、１５０〜１９０ｍｌ／１００ｇであることが好ましい。
【００２０】
本発明の実施の一形態である前記導電弾性層３の形成に当たっては、まず、ポリオール中に３本ロールを用いてカーボンブラックを混練り分散させた後、ポリイソシアネートと反応させてポリウレタンを生成させる。
【００２１】
この場合、前記カーボンブラックは、ＪＩＳＫ５４００−１９９０の粒ゲージによる分散度評価で粒子径が５〜５０μｍの範囲となるように、ポリオール中に分散させることが必要である。
【００２２】
分散したカーボンブラックの分散度が粒子径で５μｍ以下になると、分散性は良好であるが、ポリオールの粘度が著しく高くなるとともに、カーボンブラックの表面がポリオールで覆われるため、導電パスが形成されにくく、通電性が低下する。またカーボンブラックの分散度が、粒子径で５０μｍを超えると、カーボンブラックの凝集が大きくなり、導電パスに偏りが生じるため、通電性は良くなるが高電圧を印加した場合、電荷のリークが発生する。
【００２３】
前記カーボンブラックとしては、具体的にはエンサコ２５０（Ｍ.Ｍ.Ｍ社製）およびＣＦ９（三菱化学社製）などを挙げることができる。
【００２４】
前記カーボンブラックの含量としては、前記ポリオールに対して、重量比で１〜５％使用するのが好ましい。１％未満では、適度の導電性が得られず、また５％を超えると耐電圧性が低下する。
【００２５】
前記ポリオールとしては、従来公知のポリオールはいずれも使用することができるが、常温で液状であり、かつ、ポリオレフィン系のものが好ましい。常温で液状であるポリオールは、カーボンブラックを３本ロールやビーズミルなどで分散させる場合、分散性を制御するのが容易である。ポリオールが常温で固体である場合は、ポリオールを加温して溶解し、かつ分散器も加温して温度を制御する必要があるので、製造工程が複雑になり、原価も高くなる。
【００２６】
また、疎水性の構造を有するポリオレフィン系ポリオールは、ポリイソシアネートと反応させてポリウレタンを形成しても、疎水性が保持されるため、温湿度の影響を受けにくく、環境安定性に優れた導電性ローラを提供することができるのでより好ましい。
【００２７】
常温で液状のポリオールとしては、たとえばポリエーテルポリオール、変性ポリエステルポリオールおよび変性ポリカーボネートポリオールなどを挙げることができる。
【００２８】
またポリオレフィン系ポリオールとしては、たとえば、ポリＩＰ、ポリＢＤ１５ＨＴおよびポリＢＤ４５ＨＴ（以上、出光石油化学社製）などを挙げることができる。これらの化合物は、１種単独でまたは２種以上組み合わせて用いてもよい。
【００２９】
前記ポリイソシアネートとしては、従来公知の２，４‐トリレンジイソシアネート、２，６‐トリレンジイソシアネート、１，３‐キシリレンジイソシアネート、１，４‐キシリレンジイソシアネート、１，５‐ナフタレンジイソシアネート、ｍ−フェニレンジイソシアネート、ｐ−フェニレンジイソシアネート、３，３‐ジメチル‐４，４’‐ジフェニルメタンジイソシアネート、４，４’‐ジフェニルメタンジイソシアネート、３，３−ジメチルフェニレンジイソシアネート、４，４‐ビフェニレンジイソシアネート、１，６‐ヘキサンジイソシアネート、イソホロンジイソシアネートなどのジイソシアネートやトリフェニルメタントリイソシアネートなどのトリイソシアネートを挙げることができる。
【００３０】
具体的には、コロネートＴ８０、Ｔ１００およびミリオネートＭＴＬ（以上、日本ポリウレタン工業製）などを挙げることができる。これらのイソシアネートは、１種単独でまたは２種以上組み合わせて用いてもよい。
【００３１】
前記導電弾性層３は、前述のようにして３本ロールを用いて、前記カーボンブラックを分散させたポリオールと、ポリイソシアネートとからなる反応液を円筒金型に流し込み、従来公知の方法によって架橋硬化させ、ポリウレタンとすることによって形成する。
【００３２】
前記導電弾性層のポリウレタンを構成する各成分の配合比率としては、重量比でポリオール１００部に対して、カーボンブラック１~５部、ポリイソシアネート５〜２５部および硬化剤０〜１．０部の範囲が好ましい。
【００３３】
また導電弾性層の層厚としては、導電性ローラの使用目的により異なるが、１〜１５ｍｍ程度が好ましく、２〜１０ｍｍ程度がより好ましい。
【００３４】
本発明の一実施形態による導電性ローラ１は、ローラ表面の保護、汚染防止、抵抗調整などを目的として、導電弾性層３の外周面上に表面層４が設けられている。表面層４を構成するベースポリマーとしては、従来公知の熱可塑性樹脂や熱硬化性樹脂を使用することができる。また表面層４には、酸化防止剤、レベリング剤などの添加剤を添加してもよい。表面層４の層厚としては、２０〜１００μｍ程度が好ましい。
【００３５】
前記導電性ローラ１は、後述の図３の帯電ローラ１、現像ローラ２６、および転写ローラなどとして好適に使用することができる。
【００３６】
図３は、図１の導電性ローラ１を帯電ローラ１として備える電子写真装置の構成を示す側面図である。直円柱状の感光体１１は、本発明の帯電ローラ１によって、たとえば負の電荷がその表面に均一に付与される。電荷が付与された感光体１１は、矢符１６の方向に回転駆動されて、露光領域１２に至り、露光手段２２からのレーザー光によって画像が露光され、露光部分の電荷が中和されて静電潜像が形成される。
【００３７】
感光体１１は、さらに回転駆動されて、現像領域１３に至り、前記静電潜像がトナーによって現像される。このトナーは、現像装置２３において攪拌手段２４によって相互に摩擦接触して負に帯電している。帯電トナーは、供給ローラ２５を介して現像ローラ２６に供給され、余分のトナーは規制ブレード２７によって規制され、最適量のトナーが現像ローラ２６から感光体１１の電荷が中和された静電潜像の部分に供給され、トナー像として現像される。
【００３８】
感光体１１は、さらに回転駆動されて転写領域１４に至り、前記トナー像が感光体１１と転写搬送ベルト１７との間に供給される紙２８などの記録媒体に転写される。転写搬送ベルト１７は、２つのローラ４１，４２に張架され、矢符４０方向に駆動される。
【００３９】
感光体１１に近い従動ローラ４１は、その軸４３に高圧電源装置４５の正極が接続され、軸４３周囲の導電弾性層４４を介して転写搬送ベルト１７の正の電荷が与えられ、転写搬送ベルト１７の正の電荷によって負に帯電した感光体１１上のトナーが吸引され、感光体１１と転写搬送ベルト１７との間に搬送された紙２８に感光体１１上のトナー像が転写される。他の駆動ローラ４２は、図示しないモータなどの駆動源が接続される。感光体１１は、さらに回転駆動され、クリーニング領域１５に至り、クリーニングブレード２９で感光体１１上の残留トナーがクリーニングされ、残留する電荷が除電手段３０で除かれる。
【００４０】
紙２８は、２個の紙送りローラ４６によって、感光体１１と転写搬送ベルト１７との間に供給され、トナー像が転写された後、定着装置４７に搬送され、トナー像が定着される。
【００４１】
以下、本発明の電子写真装置用の導電性ローラを、実施例により具体的に説明する。なお、以下において、各成分を示す部は全て重量部を表す。
【００４２】
（実施例１）
常温で液状のポリオレフィン系ポリオールとしてポリＩＰ（水酸基含有量０．８８ｍｏｌ／ｋｇ、出光石油化学社製）１００部に、導電性付与カーボンブラックとしてエンサコ２５０（ＤＢＰ吸油量１９０ｍｌ／１００ｇ、比表面積６５ｍ²／ｇ、Ｍ．Ｍ．Ｍ社製）２．５部を加え、３本ロールで混練して分散させ、ＪＩＳＫ５４００−１９９０による分散度評価で粒子径が５〜１０μｍになるまで分散を行った。得られたカーボンブラック分散ポリオール液は、８０℃で２４時間減圧脱泡を行った。次いで、カーボンブラック分散ポリオール液１００部に対し、ＮＣＯ基／ＯＨ基の比が１．０５となるように、２，４−トリレンジイソシアネートと２，６−トリレンジイソシアネートの８０／２０の混合物である、コロネートＴ８０（日本ポリウレタン社製）を７．８４部および触媒としてＴＯＹＯＣＡＴ−ＮＰ（東ソー社製）０．２１３ｇを添加して、３分間気泡を造らないように混合し、導電弾性層用原液３４を調製した。
【００４３】
次で、図４（１）に示すように下金型３６に直円筒状中金型３７を組込んで、１３０℃に加熱した金型内に、上金型３８を取り除いた状態で、導電弾性層用原液３４を注入した。中金型３７の内径は約８ｍｍφとなるように研削され、長さは約２５０ｍｍである。次に図４（２）のように軸体２の一方端を上から挿入し、原液中を通して下金型３６の中心に設けた凹所３９に挿入した。軸体２の他方端は、図４（３）に示されるように、上金型３８の中心に設けた凹所３３に入るように組立てた。軸体２は、外径５ｍｍφ、長さ２５０ｍｍの鋼棒（材質は快削鋼：ＳＵＭ２２Ｂ）に約１０μｍの厚さで無電解ニッケルめっきしたものを使用した。
【００４４】
組立てた金型３５は、１００℃で１時間加熱し、原液３４を架橋硬化させ、脱型し、研削盤で外周面を外径７ｍｍφに研削して軸体２に厚さ１．０ｍｍの導電弾性層を有する、図４（４）に示す導電性ローラを得た。
【００４５】
（実施例２）
ポリオール中のカーボンブラックの分散度を粒子径で２０〜３０μｍのレベルまで混練分散させた以外は、実施例１と同様にして導電性ローラを得た。
【００４６】
（実施例３）
ポリオール中のカーボンブラックの分散度を粒子径で４０〜５０μｍのレベルまで混練分散させた以外は、実施例１と同様にして導電性ローラを得た。
【００４７】
（比較例１）
ポリオール中のカーボンブラックの分散度を、粒子径で５μｍより小さいレベルに混練分散させた以外は、実施例１と同様にして導電性ローラを得た。
【００４８】
（比較例２）
ポリオール中のカーボンブラックの分散度を、粒子径で５０μｍより大きいレベルに混練分散させた以外は、実施例１と同様にして導電性ローラを得た。
【００４９】
（比較例３）
導電性付与カーボンブラックとしてケッチェンブラック（ＤＢＰ吸油量３６０ｍｌ／１００ｇ、比表面積８００ｍ²／ｇ）を、ポリオール１００部に対し０．１部添加した以外は、実施例１と同様にして導電性ローラを得た。
【００５０】
（評価）
各実施例および比較例で得られた導電性ローラを用いて、ローラの電気抵抗および耐電圧性の評価を行った。評価は、図５に示す装置を用いて行った。電気抵抗の測定は、回転する直径３０ｍｍφ、長さ約３００ｍｍの金属ローラ５０を、両端にそれぞれＦ₁、Ｆ₂＝５００ｇの荷重をかけて導電性ローラに押圧し、導電性ローラ１の表面全体を均一に帯電できるようにして、−４００Ｖの電圧を印加して行った。
【００５１】
また耐電圧性は、同じ装置を用いて、−１．５ｋＶまで電圧を印加した場合に、電荷のリークが発生するか否かで評価を行った。
評価の結果を表１に示す。
【００５２】
【表１】

【００５３】
表１より、実施例１〜３で得られた導電性ローラは、いずれも１０⁶〜１０⁸の電気抵抗を有し、また耐電圧性も良好であることが判った。これに対し、粒ゲージによるカーボンブラックの分散度（粒子径）が、５μｍ未満のポリオールを用いた比較例１においては、耐電圧性は良好であるが、電気抵抗が１０¹⁰以上と大きくなった。また粒ゲージによるカーボンブラックの分散度（粒子径）が、５０μｍより大の比較例２およびケッチェンブラックを用いた比較例３においては、導電性ローラの電気抵抗は良好であるが、いずれも耐電圧性が悪いことが判った。
【００５４】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、導電性ローラの導電弾性層中に、表面官能基の少ないカーボンブラックを、ＪＩＳＫ５４００−１９９０による分散度評価でカーボンブラックの粒子径が５〜５０μｍとなるように均一に分散させることによって、１０³〜１０¹⁰Ωの領域で、２〜３桁の範囲内に電気抵抗を制御でき、耐電圧性にも優れた電子写真用の導電性ローラを提供することができる。さらに導電弾性層を構成するポリウレタンの成分として、ポリオレフィンポリオールを使用することによって、温湿度の影響を受けにくい、環境安定性に優れた導電性ローラを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態による導電性ローラ１の斜視図である。
【図２】図１の導電性ローラ１の断面図である。
【図３】図１の導電性ローラ１を帯電ローラ１として備える電子写真装置の構成を示す側面図である。
【図４】導電性ローラ１の導電弾性層３を形成する工程を説明するための断面図である。
【図５】導電性ローラ１の電気抵抗および耐電圧性を測定するための装置の概念図である。
【符号の説明】
１導電性ローラ（帯電ローラ）
２軸体
３導電弾性層
４表面層
１１感光体
２３現像装置
２６現像ローラ
２８紙（記録媒体）
４７定着装置
５０金属ローラ

Claims

導電性を有する軸体と、
該軸体の外周面上に同心に積層された導電弾性層および表面層からなる導電性ローラであって、
導電弾性層が、表面官能基の総量が０．５ｍｍｏｌ／ｇ以下であるカーボンブラックを、ＪＩＳＫ５４００−１９９０の粒ゲージによる分散度評価で粒子径が５〜５０μｍとなるように分散させたポリオールと、ポリイソシアネートとの反応硬化物から成ることを特徴とする導電性ローラ。
カーボン分散ポリオールにおける前記カーボンブラックの含有量が、１〜５ｗｔ％であることを特徴とする請求項１記載の導電性ローラ。
前記カーボンブラックのＤＢＰ吸油量が、１５０〜１９０ｍｌ／１００ｇであり、かつＢＥＴ比表面積が４０〜７０ｍ^２／ｇであることを特徴とする請求項１または２記載の導電性ローラ。
前記ポリオールが、常温において液体であるポリオレフィン系ポリオールであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の導電性ローラ。
直径３０ｍｍφの金属製ローラを０．４８ｒｐｍで回転させつつ、軸体の両端に各々５００ｇの荷重をかけて圧接し、−４００Ｖの電圧を印加したときの抵抗値が、１０⁶〜１０⁸Ωで、かつ−１．５ｋＶまで電荷のリークが発生しないことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の導電性ローラ。