JP4758754B2 - 離型剤含有トナー製造用混練機 - Google Patents

Description

本発明は、電子写真法、静電記録法、静電印刷法等において形成される潜像の現像に用いられる離型剤含有トナー製造用混練機、該混練機を用いた離型剤含有トナーの製造方法及び該混練機を用いて製造される離型剤含有トナーに関する。

オープンロール型混練機は、加熱ロールと冷却ロールを備えていることから、また、溶融混練する部分がオープン型であることから、従来用いられている二軸押出機とは異なり、溶融混練の際に発生する混練熱を容易に放熱することができる。このため、強い混練力をかけることができるオープンロール型混練機は、離型剤の分散性に優れたトナーを製造することができる点で優れているものの、混練物がロールから剥がれ落ちやすいという欠点を有する。

そこで、ロールへの付着力の小さい状態でも混練物が付着しやすく連続混練が可能な混練機として、表面にらせん状の溝を有するロールと表面が平滑なロールを備えた2本ロール型の混練装置（特許文献１参照）、一方のロールがらせん状の深溝を有し、もう一方のロールが浅溝を有する2本ロールの混練装置（特許文献２参照）、両ロール表面にらせん状の溝を有し、一方のロールが深溝、もう一方のロールが浅溝を有する2本ロール型の混練装置（特許文献３参照）が提案されている。しかしながら、離型剤を含有するトナーを製造する場合は、特に混練物が剥がれ落ちやすく、より一層の改善が求められる。
特開２００３−２９４５８号公報 特開２００３−２９４５７号公報 特開２００３−２９４５６号公報

本発明の課題は、混練物がロールから剥がれ落ちにくく、効率よく連続混練を行うことができる離型剤含有トナー製造用混練機、該混練機を用いた離型剤含有トナーの製造方法及び該混練機を用いて製造される離型剤含有トナーを提供することにある。

本発明は、
（１） 温度調節機能を有する、外径が各々200〜500ｍｍのフロントロール及びバックロールを備えたオープンロール型混練機であって、前記フロントロールの表面に線状の溝を有し、該線状の溝の全長Ｐ(ｍ)と前記フロントロールの混練有効表面積Ａ(ｍ²)の比〔Ｐ/Ａ(1/ｍ)〕が70＜Ｐ/Ａ＜110である離型剤含有トナー製造用混練機、
（２） 結着樹脂、着色剤及び離型剤を含有してなる原料を、前記（１）記載の混練機により溶融混練する工程を有する離型剤含有トナーの製造方法、並びに
（３） 前記（１）記載の混練機を用いて製造される離型剤含有トナー
に関する。

本発明の混練機を用いることにより、離型剤含有トナーの製造においても、混練物がロールから剥がれ落ちることなく、効率よく連続混練を行うことができる。

本発明のオープンロール型連続式混練機は、外径が各々200〜500ｍｍ、好ましくは200〜350ｍｍ、さらに好ましくは210〜340ｍｍのフロントロールとバックロールとを有するものであり、これら２本のロールの回転により、溶融混練に供する原料混合物の溶融混練を行うものである。本発明において、フロントロールとは、混練物を巻きつかせるロールであり、バックロールとは混練物を巻きつかせないロールである。混練物は、高温側のロールに巻きつくため、フロントロールは高温側のロールであり、バックロールは低温側のロールである。

本発明の混練装置は、フロントロールの表面に線状の溝を有し、かかる線状の溝の全長とフロントロールの混練有効表面積の比が特定の関係を満足している点に１つの特徴を有する。

オープンロール型混練機では、フロントロールの溝により、混練物がロール間隙に喰い込まれ易くなり、混合度合い及び混練作用が向上するとともに、混練物が一方向に移送される作用を受けるため、連続運転を行うことができる。オープンロール型混練機に供給された原料混合物は、フロントロールの溝の効果により圧縮・剪断作用を受けながらフロントロールとバックロールの間隙に喰い込まれる。さらに、ロール間隙での圧縮・剪断を受けることによる発熱とフロントロールからの伝熱とにより溶融した混合物は、フロントロールに巻きつき、混練物排出側に移送されながら混練作用を受ける。

一方、混練作用を効果的に発揮し、高い収率で混練操作を行うには、混練物がフロントロールに安定に巻きついていることが前提である。フロントロールの溝を少なくすると、フロントロールへの混練物の付着力が小さくなり、特に離型効果を発現する添加剤、すなわち離型剤を含有する混練物においては、付着力低下によるフロントロールからの混練物の剥離・脱落が生じやすく、収率が低下する。さらに言えば、フロントロールの溝を少なくすることにより見掛けの混練作用は大きくなるが、ロール間隙への混練物の喰い込み及び混合度合いは小さくなり混練作用を高める実質的な効果は得られ難い。逆に、フロントロールの溝を多くするほど混練物はフロントロールに安定に巻きつかせることができるが、混練作用が低下してしまう傾向にある。しかしながら、本発明では、フロントロールの溝の全長とフロントロールの混練有効表面積の比が特定の関係を満足した混練機を使用することにより、混練の安定性と効率的な混練作用の両立を達成することができる。

上記観点より、フロントロールが有する線状の溝の全長Ｐ(ｍ)とフロントロールの混練有効表面積Ａ(ｍ²)の比〔Ｐ/Ａ(1/ｍ)〕は、70＜Ｐ/Ａ＜110であり、好ましくは70＜Ｐ/Ａ＜100、より好ましくは70＜Ｐ/Ａ＜90であり、さらに好ましくは70＜Ｐ/Ａ＜80である。ここで、溝の全長Ｐ(ｍ)とは、全ての溝の長さの総計を意味する。従って、複数本の溝を有する場合には、それらの溝の全ての長さの総計を意味する。また、ロールの混練有効表面積Ａとは、ロール上溝を有する領域の軸方向長さとロールの外周長さとの積で表される面積である。

フロントロールにおける線状の溝は、ロール軸線に対して20〜60°、好ましくは30〜50°の勾配を有する溝(以下、スパイラル溝という)とロール軸線に対して0〜10°、好ましくは0〜5°の勾配を有する溝(以下、アキシャル溝という)が交差して配置された溝であることが望ましい。スパイラル溝の勾配は段階的に変えてもよい。アキシャル溝はロール軸線と平行、すなわち、ロール軸線に対する勾配が0°であるのが最も好ましい。

スパイラル溝及びアキシャル溝の幅は、1〜15ｍｍが好ましく、2〜10ｍｍがより好ましく、3〜8ｍｍがさらに好ましい。

スパイラル溝及びアキシャル溝の深さは、0.2〜2ｍｍが好ましく、0.4〜1.7ｍｍがより好ましく、0.5〜1.5ｍｍがさらに好ましい。

溝の形状は特に限定されないが、洗浄が容易である観点から、略矩形又はハーフパイプ状が好ましい。

バックロールの表面は、平滑、波型、凸凹型等のいずれであってもよいが、混練物の混合能力及び混練物に作用する剪断力の観点から、フロントロールと同様のスパイラル溝及び／又はアキシャル溝を有していることが好ましい。

混練物はフロントロールに巻きついて運転され、バックロールには混練物が巻きついていないので、混練の安定性に対するバックロールの溝の有無による影響はほとんどない。バックロールは溝を有していなくても溝を有していてもどちらでも構わない。

フロントロール及びバックロールは、いずれも温度調節機能を有する。フロントロールには加熱機能を、バックロールには冷却機能を、それぞれ付与し、混練に供する原料混合物をフロントロールに巻きつかせることが好ましい。ロールの温度調節は、例えば、ロール内部に通す熱媒体の温度により調整することができ、各ロールには、ロール内部を２以上に分割して温度の異なる熱媒体を通じてもよい。ロール加工の簡便さから、ロール内部は原料供給側と混練物排出側に2分割され、それぞれが独立して、異なる温度の熱媒体により温度調節されていることが好ましい。

混練物に作用する剪断応力を高くするとともに、混練物がフロントロールに張りつきやすくするために、結着樹脂の軟化点をTmとすると、フロントロールの原料供給部の混練物の温度は、(Tm−30)〜(Tm＋30)℃が好ましく、(Tm＋20)〜(Tm＋20)℃がより好ましい。前記混練物の温度とするためには、フロントロールの原料供給部のロール温度はTm〜(Tm＋50)℃が好ましく、(Tm＋20)〜(Tm＋30)℃がより好ましい。また、フロントロールの混練物排出部の温度は、混練物に作用する剪断応力を高くするために、(Tm−30)〜(Tm＋30)℃が好ましく、(Tm−20)〜(Tm＋20)℃がより好ましい。

一方、バックロールの温度は結着樹脂の軟化点よりも低く調整されていることが好ましい。

フロントロールとバックロールの回転数、即ち周速度は、2〜100m/minであることが好ましい。混練物に付与される剪断回数を増加することができ、ワックス等の内添剤の分散性が高まる観点から、バックロールよりもフロントロールの方を高速回転にすることが好ましい。２本のロールの周速度の比（バックロール／フロントロール）は、1/10〜9/10が好ましく、3/10〜8/10がより好ましい。具体的に、２本のロールの周速度差は、6〜60m/minが好ましく、12〜54m/minがより好ましく、18〜36m/minがさらに好ましい。

フロントロールとバックロールは、並行に近接して配設されていることが好ましく、ロールの間隙は、0.01〜5ｍｍが好ましく、0.05〜2ｍｍがより好ましく、さらに好ましくは0.1〜0.6ｍｍである。

本発明のオープンロール型混練機は、離型剤を含有するトナーの製造に用いられる。

溶融混練に供されるトナーの原料としては、少なくとも、結着樹脂、着色剤及び離型剤が用いられる。

結着樹脂としては、ポリエステル、スチレン−アクリル樹脂等のビニル系樹脂、エポキシ樹脂、ポリカーボネート、ポリウレタン、２種以上の樹脂成分を有するハイブリッド樹脂等が挙げられ、特に限定されないが、これらの中では、低温定着性の観点から、ポリエステルが好ましい。ポリエステルの含有量は、結着樹脂中、50〜100重量％が好ましく、70〜100重量％がより好ましく、90〜100重量％がさらに好ましい。

着色剤としては、トナー用着色剤として用いられている染料、顔料等を使用することができ、カーボンブラック、フタロシアニンブルー、パーマネントブラウンＦＧ、ブリリアントファーストスカーレット、ピグメントグリーンＢ、ローダミン−Ｂベース、ソルベントレッド49、ソルベントレッド146、ソルベントブルー35、キナクリドン、カーミン６Ｂ、ジスアゾエロー等が挙げられ、これらは単独で又は２種以上を混合して用いることができる。着色剤の配合量は、結着樹脂100重量部に対して、1〜40重量部が好ましく、3〜10重量部がより好ましい。

離型剤としては、定着でトナーの離型性能を発現しオフセットを抑止する効果を有する材料であればよく、例えば、ポリプロピレンワックス、ポリエチレンワックス、フィッシャートロプッシュ等の合成ワックス、モンタンワックス等の石炭系ワックス、パラフィンワックス等の石油ワックス、アルコール系ワックス等のワックス、カルナバワックス、ライスワックスなどの天然エステル系ワックス等のワックスが挙げられ、これらのなかでは、定着でのオフセット抑止及び連続印刷における感光体汚れ防止の観点から、カルナバワックスが好ましい。これらのワックスは単独で又は２種以上を混合して用いてもよい。ワックスの配合量は、結着樹脂100重量部に対して、1〜20重量部が好ましく、3〜7重量部がより好ましい。

離型剤の融点は、低温定着性の観点から、90℃以下が好ましく、70〜85℃がより好ましい。

上記原料は、ヘンシェルミキサー等の公知の混合機により予め混合されて溶融混練に供されることが好ましい。

溶融混練に供した原料を、本発明の混練機を用いて溶融混練することにより、離型剤を含有しているにもかかわらず、混練物がロールから剥がれ落ちにくく、効率よく連続混練を行うことができる。

本発明の混練機を用いて溶融混練する工程の後、混練物を、粉砕が可能な程度まで冷却した後、公知の粉砕工程及び分級工程を経て、本発明の離型剤含有トナーを得ることができる。

〔軟化点〕
フローテスター（島津製作所、CFT-500D）を用い、1gの試料を昇温速度6℃/分で加熱しながら、プランジャーにより1.96MPaの荷重を与え、直径1mm、長さ1mmのノズルから押出した。温度に対し、フローテスターのプランジャー降下量をプロットし、試料の半量が流出した温度を軟化点とする。

〔融点〕
示差走査熱量計（セイコー電子工業社製、DSC210）を用いて200℃まで昇温し、その温度から降温速度10℃／分で0℃まで冷却したサンプルを昇温速度10℃／分で測定し、融解熱の最大ピーク温度を融点とする。

実施例１
ポリエステル(軟化点：115℃)100重量部、銅フタロシアニン顔料3重量部、荷電制御剤（サリチル酸クロム錯体）1重量部及びカルナバワックス（融点：83℃）6重量部を混合して得られた原料混合物を、温度調節機能を有するフロントロール及びバックロールを備えたオープンロール型連続式混練機に供給した。使用したオープンロール型連続式混練機の詳細を以下に示す。

(1) オープンロール型連続式混練機のフロントロール及びバックロールの外径は320ｍｍ、ロールの全長は1800ｍｍである。

〔フロントロール〕
スパイラル溝の幅：8ｍｍ
スパイラル溝の深さは1.5ｍｍ
アキシャル溝の幅：3ｍｍ
アキシャル溝の深さ：0.5ｍｍ
アキシャル溝及びスパイラル溝の形状：略矩形
スパイラル溝（46ｍ）及びアキシャル溝（69ｍ）の全長Ｐ：115ｍ
スパイラル溝及びアキシャル溝を有するロールの軸方向長さ：1500ｍｍ
混練有効表面積Ａ：0.32×3.14×1.5＝1.51ｍ²
Ｐ(ｍ)／Ａ(ｍ²)：76(1/ｍ)

(2) フロントロールは加熱機能を、バックロールは冷却機能を有しており、いずれもロールも中心で原料供給側と混練物排出側とに分割されている。

フロントロールの原料供給側の温度：145℃
フロントロールの混練物排出側の温度：100℃
バックロールの原料供給側の温度：75℃
バックロールの混練物排出側の温度：35℃

(3) その他
フロントロールの回転周速：73.2m/min
バックロールの回転周速：49.2m/min
フロントロールとバックロールの間隙：0.2ｍｍ

定量供給機を介し、1分間あたり1.7kgの割合（フィード(Feed)量＝102kg/h）でオープンロール型混練機に供給した原料混合物は、溶融し、フロントロールに巻き付いた状態で剪断作用及び混合作用を繰り返し付与され、溶融混練されながら混練物排出側へと移行し、混練物排出部にてカッターで切り出され排出された。このとき、300kgの混練物を得るのに3時間の連続運転を行ったが、ロールから混練物が剥離することなく安定して溶融混練を行うことができた。オープンロール型混練機に供した原料混合物に対する混練物の収率は98重量％であった。なお、収率の低下は混練物の装置への付着、装置からの剥離等によるロスである。

比較例１
オープンロール型混練機においてフロントロールの構成が以下の点で異なる以外は、実施例１と同様にして、原料混合物をオープンロール型混練機に供給して溶融混練した。

〔変更箇所〕
スパイラル溝（25ｍ）及びアキシャル溝（69ｍ）の全長Ｐ：94ｍ
Ｐ(ｍ)／Ａ(ｍ²)：62(1/m)

定量供給機を介し、1分間あたり1.7kgの割合（フィード量＝102kg/h）でオープンロール型混練機に供給した原料混合物は、フロントロールの中間付近で部分的に剥離し時々脱落を繰り返しながら混練物排出側へと移行した。1時間の連続運転で得られた混練物は70kgであり、収率は69重量％であった。

比較例２
供給量を変更し、1分間あたり1.0kgの割合（フィード量＝60kg/h）でオープンロール型混練機に供給した以外は比較例１と同様にした。

原料混合物は、フロントロールの中間付近で部分的に剥離し時々脱落を繰り返しながら混練物排出側へと移行した。1時間の連続運転で得られた混練物は50kgであり、収率は85重量％であった。比較例１と対比してフィード量を低下させたため、収率は比較例１に比べてやや向上したものの、実施例１には及ばない。

比較例３
オープンロール型混練機の構成が以下の点で異なる以外は、実施例１と同様にして、原料混合物をオープンロール型混練機に供給して溶融混練した。

〔変更箇所〕
オープンロール型連続式混練機のフロントロール及びバックロールの外径は210ｍｍ、ロールの全長は1500ｍｍであり、フロントロールはスパイラル溝を有しており、アキシャル溝を有していない。
スパイラル溝の幅：7ｍｍ
スパイラル溝の深さ：1ｍｍ
スパイラル溝の全長Ｐ：33ｍ
スパイラル溝を有するロールの軸方向長さ：1276ｍｍ
混練有効表面積Ａ：0.21×3.14×1.276＝0.84m²
Ｐ(ｍ)／Ａ(ｍ²)：39(1/m)

定量供給機を介し、1分間あたり0.50kgの割合（フィード量＝30kg/h）でオープンロール型混練機に供給した原料混合物は、フロントロールの中間付近で部分的に剥離し時々脱落を繰り返しながら混練物排出側へと移行した。30分間の連続運転で得られた混練物は12kgであり、収率は80重量％であった。

以上の結果より、実施例の方法により、離型剤を含む原料混合物を効率よく溶融混練することができることが明らかである。

本発明の離型剤含有トナー製造用混練機は、電子写真法、静電記録法、静電印刷法等において形成される潜像の現像等に用いられるトナーの製造に好適に用いられるものである。

Claims (4)

1. 結着樹脂、着色剤及び離型剤を含有してなる原料を、混練機により溶融混練する工程を有する離型剤含有トナーの製造方法であって、前記混練機が、温度調節機能を有する、外径が各々200〜500ｍｍのフロントロール及びバックロールを備えたオープンロール型混練機であり、前記フロントロールの表面に線状の溝を有し、該線状の溝の全長Ｐ(ｍ)と前記フロントロールの混練有効表面積Ａ(ｍ²)の比〔Ｐ/Ａ(1/ｍ)〕が70＜Ｐ/Ａ＜110であり、フロントロールの原料供給部の混練物温度が(結着樹脂の軟化点(Tm)−30)〜(Tm＋30)℃であり、フロントロールにおける線状の溝が、ロール軸線に対して20〜60°の勾配を有するスパイラル溝とロール軸線に対して0〜10°の勾配を有するアキシャル溝が交差して配置された溝であり、スパイラル溝及びアキシャル溝の幅が1〜15ｍｍであり、スパイラル溝及びアキシャル溝の深さが0.2〜2ｍｍであり、フロントロールの原料供給部のロール温度がTm〜(Tm＋50)℃であり、バックロールの温度が結着樹脂の軟化点よりも低く、フロントロールとバックロールの周速度が2〜100m/minであり、２本のロールの周速度の比（バックロール／フロントロール）が1/10〜9/10であり、フロントロールに混練物を巻きつかせる離型剤含有トナーの製造方法。
2. 離型剤の配合量が結着樹脂100重量部に対して1〜20重量部である請求項１記載の製造方法。
3. 離型剤がカルナバワックスを含有してなる請求項１又は２記載の製造方法。
4. 結着樹脂がポリエステルを含有してなる請求項１〜３いずれか記載の製造方法。