JP4847683B2 - 導電性発泡ローラの製造方法及びそれを用いた画像形成装置 - Google Patents
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Description
しかし、前記方法で低硬度化すると、軟化剤がブリードや移行汚染を引き起こすことにより、感光体等の別の部材を変質させるなど画像不良の原因になる。
この問題を解決するために、導電性発泡体を用いることにより低硬度化を図ることも行われている。アゾジカルボンアミド(ADCA)や4,4’−オキシビス(ベンゼンスルホニルヒドラジド)(OBSH)等の化学発泡剤をゴム組成物に混入した後に、加硫時の熱により前記化学発泡剤から分解ガスを発生させ、発泡化させる手法が一般的であり、発泡剤や発泡助剤の種類、加硫条件や加硫剤・加硫促進剤の検討など種々の改良がこれまでになされてきている。
例えば、本出願人は、特開2003−105119号公報(特許文献1)で、エピクロルヒドリンゴムとOBSH系の発泡剤を用いることにより、最小セル径が10μm以上で最大セル径が100μm以下とかなり均一なセル径分布を持つ導電性発泡ゴムローラを提供している。
ポリウレタン組成物の発泡に関しては後記の非特許文献1に示すようにいくつかの方法がある。具体的には、例えば、特許第2577884号公報(特許文献2)には、発泡剤としてフロン系溶剤を用い、ポリイソシアネートとポリオールの反応によりポリウレタンが生成する際の反応熱によって発泡剤を気化させて発泡体を得る方法(物理発泡剤による方法)が開示されている。しかし、この方法ではモールド内各部でのポリウレタン生成反応の進み方が完全に均一とはならず、発泡状態のばらつきが生じる問題がある。
更に、特許第3278316号公報(特許文献4)ではプレポリマー化したポリオールをメカニカルフロス法(機械的攪拌により気泡を混入する方法)によって発泡させたポリウレタンフォームが提案されている。この特許文献4の方法では、実際はミキサーで混合しながら空気を混入して気泡を生じさせ発泡体を得ている。しかし、この方法ではポリウレタン組成物中に均一に気泡を混入することが困難なため、前記2つの方法と同様に発泡状態やセル径に大きなばらつきを生じてしまい、実用に耐えることのできる製品が得られないのが現状である。
発泡層に導電性を付与するために、金属酸化物の粉末やカーボンブラック等の導電性充填剤を配合して電子導電性とする場合、イオン導電性ゴム/エラストマーあるいはイオン導電剤を配合してイオン導電性とする場合、両者を併用する場合がある。
前記電子導電性とする場合、特に要求される半導電の領域では導電性充填剤の添加量のわずかな変化により電気抵抗値が急激に変化するため、その制御が困難になる場合がある。さらに、組成物中で導電性充填剤が均一に分散し難いことからローラの周方向や長手方向で抵抗値にばらつきが生じやすいうえに、製品間の電気抵抗値のばらつきも大きくなるという問題がある。特に、導電性ローラの大きさに近い小さな金型中でローラを成型する場合、導電性充填剤の分布に偏りが生じやすい。更には、得られる導電性ローラの電気抵抗値が印加電圧に大きく依存し、一定の抵抗値を示さないという問題もある。特に、導電性充填剤としてカーボンブラックを使用した場合、この傾向が顕著に現れる。かかる現象は、帯電・現像・転写・定着といった画像形成過程において機械的な制御を難しくし、コストアップにつながる。また、カーボンブラックを用いた場合、黒く着色され自由に着色できず、トナー等の汚れを視認し難いことが問題となる場合もある。
前記方法で製造された導電性発泡ローラは、セル径の平均値が100μm以下20μm以上で、かつ最大セル径と最小セル径との差ΔDが50μm以下である導電性発泡層を有し、ローラ硬度の最大値と最小値の差ΔHsが8以下で、ローラの周方向の電気抵抗値の最小値(Rmin)に対する周方向の電気抵抗値の最大値(Rmax)の比Rmax/Rminが1.3以下である導電性発泡層を最外層或いは表面被覆層のすぐ内側に有する導電性発泡ローラとなる。
セル径の平均値は約80μm以下であることがより好ましく、約60μm以下であることがさらに好ましい。セル径の平均値は小さいほど好ましいが、製造上の観点から一般的には、約20μm以上となる。
前記手法により、本発明では、この様に、従来の技術では全く得ることの出来なかった均一かつ微細で良好なセル状態と、均一な性能とを有する導電性ローラを提供している。
導電性ローラの電気抵抗値の周むらは、一般に、周方向の電気抵抗値の最小値(Rmin)に対する、周方向の電気抵抗値の最大値(Rmax)の比 Rmax/Rminにより示される。ここでいう周方向の電気抵抗値の最大値及び最小値は後述する実施例に記載の方法により測定している。
前記電気抵抗値の周むらの指標値は約1.2以下がより好ましく、約1.15以下が更に好ましく、約1.1以下が最も好ましい。電気抵抗値の周むらは1未満となることはないため、1以上となる。本発明では、特には、熱硬化性一液型ポリウレタン組成物にガスを低圧で機械的に混合して、金型に充填注入し、熱硬化臨海温度以上に加熱して即硬化させることにより、均一、均質な発泡体を得ており、それによって形成される導電性発泡層は、ポリウレタンプレポリマーにおいて配合するポリエーテルポリオール等によって得られるイオン導電性によりある程度の導電性を得、また必要に応じて、前記化学式1〜化学式3に記載の陰イオンを備えた塩からなるイオン導電剤およびまたは3級アミンの強酸塩触媒を配合することにより、導電性発泡ローラに必要な均一で104Ω〜1012Ω程度の半導電性を得ることが出来る。このため周むらが小さく、電気抵抗値のばらつきがほとんどない均一な導電性ローラを提供することが出来る。
例えば前記理由により、低温低湿環境(10℃、相対湿度15%)におけるローラの電気抵抗値RLL[Ω]と高温高湿環境(32.5℃、相対湿度90%)におけるローラの電気抵抗値RHH[Ω]がlog10RLL−log10RHH≦1.4の関係を満たす様にすることが可能となる。
前記する式を満たす様な電気抵抗値をローラが有することにより、例えば導電性ローラを画像形成装置の転写ローラとした場合に、転写電圧のコントロールがしやすく、画像形成装置の機構を簡素化できる様な利点がある。さらには、この様に、電気抵抗値の環境依存性(温湿度依存性)を小さくすることにより、電源容量を小型化することが出来たりする可能性があり、それによって画像形成装置の小型化や省エネルギー化を図ることができる。前記log10RLL−log10RHHの値は約1.3以下であるとより好ましく、約1.2以下がさらに好ましく、小さければ小さい程良い。尚、現在の技術水準では、電子導電性の充填剤等を使用せずにイオン導電のみにより導電化した場合は、この値は、約0.5程度以上となる。
トナー散りとは、導電性弾性層の配合材料中の電荷の媒体(カーボンブラック等の導電性充填剤、誘電体、極性分子)の分極スピードが異なるために起こる現象である。この分極が遅いと、プロセス中での電界の変化に、ローラ表面の電荷の変化が追従できず、例えばこの様な導電層をもつ転写ローラを使用すると、このトナー散りが発生しやすくなる。
本発明者等は、かかるトナー散りの現象は分極スピードを示す指標である静電容量が小さい方が起こりにくいと考え、鋭意研究した結果、静電容量を小さくし、その周波数依存性も小さくすることにより、トナー散りを抑制出来ることを見出し、更に、数値検討を行った結果、印加電圧1000Vでの電気抵抗値[Ω]が1012Ω以下であり、また、100Hzでの静電容量を50pF以下にすると良いことを見出した。100Hzでの静電容量が50pFよりも大きい場合には、分極が遅くなりトナー散りを抑制する効果が生じにくい。静電容量は約40pF以下がより好ましく、約35pF以下がさらに好ましく、約30pF以下が最も好ましい。静電容量は限りなく0に近い値とすると非常に良いが、実際上は10pF以上程度となる。100Hzという周波数は、前記する様に、材料の持つ静電容量の周波数特性が現れやすい周波数であるとともに、高周波の領域に比べて静電容量が大きくなりやすい周波数である。特に、静電容量の周波数依存性が大きい材料は、この100Hz程度のやや低周波数の領域でも、静電容量が大きくなる傾向にあるため、トナー散りとの相関がわかりやすい。
尚、印加電圧1000Vでの電気抵抗値[Ω]を1012Ω以下と規定したのは、一般に抵抗値が高いと前記100Hzでの静電容量を小さくすることが容易となるが、電気抵抗値が前記以上の場合は、かなり高い電圧をかけても十分な電流値を得ることが難しく、転写や現像、トナー供給、帯電等のローラとして用いた場合にプロセス効率が低下し、実用に適しにくくなることによる。この様な理由により、前記本発明の導電性発泡ローラは印加電圧1000Vでの電気抵抗値[Ω]が1012Ω以下であることが好ましく、約109.0Ω以下であることがより好ましく、約108.5Ω以下あることが更に好ましい。これによって、良好なプロセス効率を得ることが可能となる。一方、電気抵抗値が小さすぎると電流が流れすぎ、リーク等により画像不良が発生しやすくなる場合がある。かかる理由により、前記電気抵抗値は、約104.0Ω以上、より好ましくは、約105.0Ω以上であることが好ましい。
触媒としては、有機酸金属塩を用いても良いが、1,8−ジアゾビシクロ(5,4,0)ウンデセン−7(略称:DBU)と各種の酸との塩、蟻酸、酢酸、オクチル酸、マレイン酸、フェノール、パラトルエンスルホン酸など3級アミン化合物の強酸塩を用いても良い。後者の群は、低温での活性と高温での活性の差が大きく、前記するように、ポリウレタンプレポリマーと、固形ポリアミンを不活性化した潜在性硬化剤とを含有している熱硬化性一液型ポリウレタン組成物とガスとを含む発泡性熱硬化性一液型ポリウレタン組成物を発泡させ、発泡状態のまま熱硬化臨界温度未満の温度条件下で成形し、ついで、前記熱硬化性一液型ポリウレタン組成物の熱硬化臨界温度以上に加熱することで硬化させることにより、導電性発泡層を形成させて導電性発泡ローラを製造する様な場合には、特に好ましい。添加量はプレポリマー100重量部に対して0.001から1重量部がよい。
前記ポリウレタンプレポリマーはポリオール成分とポリイソシアネート化合物との重付加反応により生成される。
他方、シリコン系変性ポリオールまたはブタジエン系のポリオールは温度湿度依存性を小さくでき、界面張力を低下させるので、整泡剤としても使用できる。
シリコン変性ポリオールの配合量としては、全ポリオール100重量部に対して約0.1〜20重量部が好ましい。これは0.1重量部未満であると本発明の導電性発泡ローラの発泡セルが微細で均質になる効果が得られず、整泡剤としての機能が低下する。20重量部を越えると、必要な導電性が得られなくなると共にシリコン成分が感光体汚染を引き起こす原因となることによる。
この他、ポリエステルポリオールも、前記化学式1〜化学式3に記載の陰イオンを備えた塩を溶解させ、それによって生じるイオンを安定化させる効果が高く、電気抵抗値も適度に低減出来るので、上述したポリオールと同様に用いることが出来る。
さらに整泡剤には前記のシリコン変性ポリオールの他に、エチレンオキサイド、プロピレンオキサイドなどを含有するポリエーテル変性シリコーンオリゴマーなどのシリコン系界面活性剤、パーフルオロアルキルスルホン酸塩、パーフルオロオクタン酸アンモニウム塩、パーフルオロアルキル−N−エチルスルホニルグリシンカリウム塩などのフッ素系界面活性剤の他、ポリオキシエチレンアルキルエーテル等の炭化水素系界面活性剤等々を用いることも出来る。
また、整泡剤としては前記の単独化合物のみに限定されるものではなく、疎水性のポリオルガノシロキサン基、パーフルオロアルキル基もしくは長鎖アルキル基を含有し、かつイソシアネート基と反応しうる官能基、例えば、アルコール性水酸基、一級もしくは二級アミノ基、メルカプト基を併せ持つ化合物を反応性整泡剤として用いることもできる。反応性整泡剤としては、フッ素変性ポリエーテルポリオール、アルコール末端シリコーンオリゴマー、アミン末端シリコーンオリゴマーなどがあげられる。これらは組成物に配合する前にポリイソシアネート化合物とあらかじめ反応させるか、ウレタンプレポリマーを合成する際に同時に反応させることが、最終配合物の安定性の点から考えると望ましい。
整泡剤は、前記の非反応性化合物および後記の反応性化合物をそれぞれ単独もしくは混合して2種以上用いても良い。
この有機ポリマー粒子の充填剤は、微粉末の粒子状のものを熱硬化性一液型ポリウレタン組成物に配合しても良いし、ウレタンプレポリマーを合成する前にあらかじめ原料ポリオール中でモノマーを重合して分散体としたもの(ポリマーポリオール)を用いても良い。
本発明では、均一かつ微細で良好なセル状態と均一な性能とを有する導電性ローラを提供したいという観点と、非塩素の材料からなる導電性ローラを提供したいという観点とから、特に、ポリウレタン組成物からなることとし、必要に応じて、以下に詳述する添加塩等のイオン導電剤を用いて導電性を制御している。
前記化学式1〜化学式3に記載の陰イオンを有する塩は、化学式1〜化学式3中のX1、X2、X3の官能基中にあるフッ素原子およびスルホニル基の電子吸引性により陰イオンとして大きく安定化され、イオンがより高い解離度を示す。これにより少量の添加で導電性を付与することができる。その結果、塩の添加による物性の悪化、ブルーム、移行汚染等も最小限に抑えることができる。また、前記塩は上述したポリオール成分等との相容性が高い点からも好ましい。更に、これらの塩は系を可塑化する効果もある上、低温低湿度でも解離してかなりの導電性を付与しうることから電気抵抗値の環境依存性を小さくすることができる。また、この塩は化学的・電気化学的安定性が高く安全性も高いうえ、使用可能温度領域が広い上に電気抵抗の調整が容易である。さらに工業的に入手しやすいものがかなりあり、常温で粉体のものが多くてその様なものは混練しやすい。その上、前記塩は塩素・臭素を含有しないため、他の配合物についても非塩素・非臭素とすることにより系全体として非塩素・非臭素とすることができる。よって、塩化物イオンまたは過塩素酸イオンを有する塩(例えば、過塩素酸の第4級アンモニウム塩)等を用いた場合に懸念されていた導電性ローラの芯金等の金属表面における腐食、発錆あるいは汚染といった現象が生じる可能性や、廃棄(特には焼却)時におけるダイオキシンの発生の可能性を消し去ることができる。
前記化学式1〜化学式3に記載の陰イオンとしては安定性、または取り扱い性の点から化学式1〜化学式3中のX1−がCn1Hm1F(2n1-m1+1)−SO2−であり、X2−がCn2Hm2F(2n2-m2+1)−SO2−であり、X3−がCn3Hm3F(2n3-m3+1)−SO2−(n1、n2、及びn3は同一または異なってよい1以上の整数を表し、m1、m2、及びm3は同一または異なってよい0以上の整数を表す。)である陰イオンがより好ましい。更には、コスト等も考慮すると、化学式1中のX1−がCn1Hm1F(2n1-m1+1)−SO2−であり、X2−がCn2Hm2F(2n2-m2+1)−SO2−であるタイプの陰イオン、若しくは、化学式2中のX1−がCn1Hm1F(2n1-m1+1)−SO2−であるタイプの陰イオンが更に好ましい。(n1、n2、m1、m2の内容に関しては前記と同様。)
また、ポリオール成分等との相容性が非常に良好な点や電気抵抗値の環境依存性を小さくすることができる能力が高い点から考えると、中でも、前記化学式1中のX1−がCn1Hm1F(2n1-m1+1)−SO2−であり、X2−がCn2Hm2F(2n2-m2+1)−SO2−であるタイプの陰イオンが最も好ましい。
この他、金属の陽イオン以外にも、下記の化学式4、化学式5、化学式6で示される様な陽イオンを用いることも出来る。
R1〜R4、R5〜R6、R7〜R10で表される「置換基を有していてもよい炭素数1〜20のアルキル基」における炭素数1〜20のアルキル基としては、例えば、メチル基、エチル基、n−プロピル基、イソプロピル基、n−ブチル基、イソブチル基、tert−ブチル基、n−ペンチル基、イソペンチル基、tert−ペンチル基、n−ヘキシル基、n−デシル基等が挙げられる。置換基としては、例えば、アルキレンオキシド基、オキソ基、アルカノイル基(好ましくはC2〜8)、カルボキシル基、アルコキシカルボニル基(好ましくはC2〜8)、アミノ基、アルキルアミノ基(好ましくはC2〜8)、ジアルキルアミノ基(好ましくはC2〜16)、環状アミノ基、アルキルアミノカルボニル基(好ましくはC2〜8)、水酸基、ニトロ基、シアノ基、メルカプト基、アルキルチオ基、フェニル基等が挙げられる。その他、場合によっては、ハロゲン(好ましくは、フッ素、塩素、臭素)等で置換されていてもよい。
ポリオール成分の一部とイソシアネート成分の全部を予め反応させて得られたセミプレポリマーを第1成分とし、残りの原料の混合物を第2成分とした2成分系の発泡方法であるセミプレポリマー法、
ポリオール成分とイソシアネート成分を予め反応させてプレポリマーとしておき、他の材料と混合発泡する完全プレポリマー法がある。
本発明では特に完全プレポリマー法を採用している。これは、プレポリマー化された一液タイプとする方が、ポリウレタン生成反応が均一かつ定量的に進行し、その結果、発泡状態のばらつきを抑えられる上、ポリイソシアネート又はポリオールが過剰となって過剰分が感光体を汚染するという可能性を生じにくいからである。
更に、ワンショット法およびセミプレポリマー法のような2液タイプにおいては硬化反応が進行してしまうため、前述したように機械発泡によることは事実上困難となる。よって、発泡剤を使わざるを得ず、そのばらつきにより均一性に問題が出やすい。
以上より、本発明においては導電性発泡層を形成する際の発泡方法として、熱硬化性一液型ポリウレタン組成物の機械発泡法を採用する。特に、下記に詳述するような0.1〜10kgf/cm2程度の範囲内の低圧ガスを用いて発泡させることがより好ましい。
従来のメカニカルフロス法(機械的攪拌により気泡を混入する方法)においては、ガスを圧縮して液体原料内に吹き込むことが行われている。この方法では、混入するガスの圧力が高い場合には流量制御が困難であるとともに、高圧時における流量の僅かな誤差が大気圧時においては大きな誤差となって現れる。例えば、50kgf/cm2 時における流量の誤差は大気圧時には50倍になる。そのため、熱硬化性一液型ポリウレタン組成物とガスの混合比率に大きなばらつきが生じ、発泡状態が不安定となって均一な発泡を得るのが困難となる。
しかし、前記した本発明の機械発泡方法によれば、ガスを大気圧程度の低い圧力で熱硬化性一液型ポリウレタン組成物と混合することができ、ガスの流量制御を容易にして混合比率のばらつきを少なくし、発泡状態を安定させて均一な発泡を得ることができる。
第2の工程では第1の工程から送出されるこの混合状物をポンプによって加圧する。このときの送出圧力は約150kgf/cm2 以上、好ましくは約200〜250kgf/cm2としている。これら第1の工程および第2の工程はピストンがシリンダー内を往復移動して吸入工程と吐出工程を行うピストンポンプを用いて行うことが好ましい。より好ましくは、ピストンがシリンダー内を往復移動して吸入工程と吐出工程を行うピストンポンプを用い、前記ピストンポンプの吸入工程において前記シリンダー内に約0.1〜10kgf/cm2 程度の範囲内、好ましくは約0.1〜5kgf/cm2 程度の範囲内に調整された低圧力のガスを供給し、吸入工程の後でシリンダー内に熱硬化性一液型ポリウレタン組成物を50〜300kgf/cm2 程度の範囲内、好ましくは100〜250kgf/cm2程度の圧力で供給することにより、熱硬化性一液型ポリウレタン組成物とガスを混合(第1の工程)する。熱硬化性一液型ポリウレタン組成物の供給の終了後にピストンポンプの吐出工程を行い、吐出工程においてガスおよび熱硬化性一液型ポリウレタン組成物の混合状物を加圧する(第2の工程)。
分散用管路としては、例えば、数メートル乃至十数メートル程度の長いパイプが用いられる。該パイプは、例えば直線状、円弧状または螺旋状に巻かれ、それを支持するためのフレームに装着された分散用管路ユニットとして用いられる。
熱硬化性一液型ポリウレタン組成物とガスとの混合状物は、加圧状態で分散用管路内を通過することにより、ガスが剪断力により微細化され、微細化されたガスが熱硬化性一液型ポリウレタン組成物内に分散する。
前記第1の工程と第2の工程において、第1の工程から送出される熱硬化性一液型ポリウレタン組成物とガスの前記混合状物をパワーミキサーとか、スタチックミキサーを介在させて熱硬化性一液型ポリウレタン組成物にガスを微細に、均質に分散することができる。
なお、本発明のガスとしては一般に空気を用いるが、 炭酸ガス、窒素ガスなどを用いてもよい。
このように発泡した熱硬化性一液型ポリウレタン組成物の硬化に際して硬化臨界温度に対してクリティカルな硬化メカニズムを示す熱硬化性一液型ポリウレタン組成物を使用することで加熱硬化手段の温度の変動幅を小さくし、成形時の発泡硬化に要する時間を短縮して生産性を上昇させることができる。また、非常に均一に混合され、既に極めて均一に発泡化された材料を金型に注入して成形しているため、導電性発泡ローラの大きさに近い小さな金型中で成形しても硬度や発泡状態が均一な導電性発泡ローラが得られ、かつ材料ロスも少ない。さらに、発泡セルの保持能力が高く、注入後も破泡し難いため、下記の様に割り型タイプの金型でも成形できる。しかも、発泡させるための設備は簡便でメンテナンス性に優れている。
前記固形ポリアミンとしては、融点50℃以上の芳香族または脂肪族に属する任意のものが使用されてよく、たとえば4,4’−ジアミノジフェニルメタン、2,4’−ジアミノジフェニルメタン、3,3’−ジアミノジフェニルメタン、3,4’−ジアミノジフェニルメタン、2,2’−ジアミノビフェニル、2,4’−ジアミノビフェニル、3,3’−ジアミノビフェニル、2,4−ジアミノフェノール、2,5−ジアミノフェノール、o−フェニレンジアミン、m−フェニレンジアミン、2,3−トリレンジアミン、2,4−トリレンジアミン、2,5−トリレンジアミン、2,6−トリレンジアミン、3,4−トリレンジアミン等の芳香族ポリアミン;1,12−ドデカンジアミン、1,10−デカンジアミン、1,8−オクタンジアミン、1,14−テトラデカンジアミン、1,16−ヘキサデカンジアミン等の脂肪族ポリアミンが挙げられ、これらの1種または2種以上の混合物を使用に供してよい。かかる固形ポリアミンは、中心粒径20μm以下、好ましくは約3〜15μmに調整する。20μmを越える中心粒径では、加熱硬化したポリウレタン組成物が不完全反応硬化となり、所望の物性が得られない傾向が見られるからである。
また、金型の厚みは約0.5mm以上、5mm以下、好ましくは約1mm以上、3mm以下である。約5mmより厚いと熱伝導率が悪くなってしまう上に金型が必要以上に重くなる。一方、約0.5mmより薄いと金型の機械的強度が保てずに金型が変形する可能性がある。
芯金は発泡性熱硬化性一液型ポリウレタン組成物を注入する前に金型内にセットしておいても良いし、導電性発泡層を形成させた後に挿入しても良い。
この方法はチューブを外層として利用する場合や研磨を施すことなく導電性発泡ローラを製造したい場合に適している。
金型から離型可能なチューブは導電性発泡ロールの外層として利用する場合を除き、外部から力を加えることにより変形が可能な程度の柔軟性を有する材料からなることが好ましく、かかる材料としては4フッ化エチレンなどの樹脂やフッ素ゴム、シリコンゴムなどのゴム材料が挙げられる。前記チューブの厚さは導電性発泡層から容易に剥離できるように約10〜100μm程度であることが好ましい。
金型内部の発泡性熱硬化性一液型ポリウレタン組成物を注入するための空間を予め加圧しておく際の圧力は、発泡性熱硬化性一液型ポリウレタン組成物の粘度に応じてセルが破泡しないように適宜選択することができるが、約0.3atm以上約2atm以下が好ましい。
本発明の導電性発泡ローラは芯金の外周面上に導電性発泡層を1層のみ設けても良いし、導電性発泡層以外にローラの電気抵抗調整等のために2層もしくは3層等の複層構造を有していても良く、要求性能に応じて各層の配合、最外層以外の積層順序、積層厚み等を適宜設定することができる。ただし、芯金の外周面上に導電性発泡層1層のみが設けられている構造が、ばらつきが少なく安価に製造できるため好ましい。
まず、ポリオール成分に過剰量のポリイソシアネート化合物を反応させてイソシアネート基を含有するウレタンプレポリマーを得る。ポリオール成分としては3官能のPPG系ポリエーテルポリオールまたは前記ポリオールとシリコン変性ポリオールを組み合わせて用いる。
ポリイソシアネート化合物としては、イソホロンジイソシアネート化合物を用いている。
ウレタンプレポリマーには、イオン導電剤としてリチウムービス(トリフルオロメタンスルホニル)イミドに代表される化学式1〜3で示される陰イオンを有する塩を配合している。その含有量は、発泡体組成物中の最終濃度が約0.001重量部以上約10重量部以下としている。
さらに触媒として1,8−ジアゾビシクロ(5,4,0)ウンデセン−7(略称:DBU)のオクチル酸塩などの硬化触媒を配合する。
充填材としては、メチルメタクリレート、スチレン、アクリロニトリル、その他ビニル性二重結合基を有するモノマーの単独重合体もしくは共重合体よりなる中心粒径0.1μm〜50μmの微粒子を配合する。
整泡剤を配合する。整泡剤としては、ポリウレタンプレポリマーの原料であるポリオールとして分子構造に導入するか、エチレンオキサイド、プロピレンオキサイドなどを含有するポリエーテル変性シリコーンオリゴマーなどのシリコン系界面活性剤、パーフルオロアルキルスルホン酸塩、パーフルオロオクタン酸アンモニウム塩、パーフルオロアルキル−N−エチルスルホニルグリシンカリウム塩などのフッ素系界面活性剤の他、ポリオキシエチレンアルキルエーテル等の炭化水素系界面活性剤等々を配合する。
潜在性硬化剤としては、融点50℃以上で中心粒径20μm程度の固形ポリアミン粉末の表面に中心粒径2μmの微粉体を固着させて活性アミノ基を被覆した微粉体コーティングポリアミンを用いている。
供給装置20には熱硬化性一液型ポリウレタン組成物供給源21とガス供給源22が備えられている。ピストンポンプ31はシリンダー32とピストン33からなり、ピストンがシリンダー内を往復移動して吸入工程と吐出工程を行う。
まず、ピストンポンプ31の吸入工程においてシリンダー32内にガス供給源22からガス11を供給する。ついで、シリンダー32内に上述の熱硬化性一液型ポリウレタン組成物10を供給する。ついで、ピストンポンプ31の吐出工程を行い、ガス11及び熱硬化性一液型ポリウレタン組成物10の混合状物が原材料吐出装置40で加圧圧送される。ついで、原材料吐出装置40のピストンポンプ41によってノズル42から発泡性熱硬化性一液型ポリウレタン組成物12が吐出される。
最後に表面を必要寸法まで研磨することにより導電性発泡ローラを製造している。
水分を排除した反応容器中で表の配合のプレポリマーを合成した。反応時間は80℃で3時間行なった。
「調整例」(潜在性硬化剤)
中心粒径0.3μmの二酸化チタン粉体30重量部と中心粒径20μmの1,12ドデカンジアミン(融点71℃)100重量部を混合し、ジェットミルにて粉砕することにより、中心粒径約10μmの微粉体コーティングポリアミン130重量部を得た。
「製造例1〜4」
合成例1〜3のウレタンプレポリマーと調整例1の硬化剤を用いて表の配合で一液硬化性ウレタン組成物を得た。
具体的には、乾燥空気11をガス供給源22から混合装置30中のピストンポンプの吸入工程後にピストン33によって低圧化されたピストンポンプのシリンダ32中に導入し、
次いで前記シリンダー中に乾燥空気ガス11を導入後、
熱硬化性一液型ポリウレタン組成物10を
熱硬化性一液型ポリウレタン組成物供給源21から乾燥空気ガス11を収容したシリンダー内に導入した後、
ピストンポンプの吐出工程により
乾燥空気ガス11と熱硬化性一液型ポリウレタン組成物10が混和した発泡性熱硬化性一液型ポリウレタン組成物12を得る。
最後に、表面を必要寸法まで研磨することにより導電性発泡ローラを作成した。
実施例1とは金型を変えて導電性発泡ローラを作成した。
ブラザー工業株式会社製18ppmプロフェッショナルレーザープリンタHL−1850に搭載されている転写ローラである。具体的には、内径6mm、外径15mm、幅231mmの導電性発泡層と、その中心に金属製シャフトを備えたローラであった。前記導電性発泡層は、PPG系ポリオールとPTMG系ポリオールをブレンドして得られるポリオール成分とイソシアネートから形成された通常のポリウレタンであった。
下記の工程で作製されたエピクロルヒドリン−エチレンオキサイド−アリルグリシジルエーテル共重合体ゴム(GECO)からなるゴムローラを用いた。
導電性ローラ用ゴム組成物は、密閉式混練機あるいはオープンロールにより下記表1に示す配合量で混練した。混練機からリボン取りしたゴム組成物をφ60のゴム用押し出し機に投入し中空チューブ状に押し出した。この生ゴムチューブを適切な長さにカットした後、160℃の温度下で30分間加硫することにより発泡した加硫ゴムチューブが得られた。加硫手段としては加圧水蒸気式缶加硫を用いた。比較例1の転写ローラのものと同一形状の金属製シャフトを用意し、それにホットメルト接着剤を塗布した後、先に得られた発泡した加硫ゴムチューブに挿入し加熱し接着した後、ゴム部の両端を必要寸法にカットしたあと表面を研磨して前記比較例1のローラと同寸法に仕上げた。
前記実施例に比べると非常に多い量を研磨した。具体的には実施例1の約8倍に及ぶ体積の研磨粉が生じた。更に、かかる研磨粉は塩素を含んでいるために単純に焼却処理出来ず、処理に要するコストが余分にかかった。
温度23℃、相対湿度55%の雰囲気下で、図3に示すように芯金52を通した導電発泡層51を外径30mmのアルミドラム53上に当接搭載し、電源54の+側に接続した内部抵抗r(100Ω〜10kΩ)の導線の先端をアルミドラム53の一端面に接続すると共に電源54の−側に接続した導線の先端を芯金52の1端に接続して通電を行った。芯金52の両端に500gずつの荷重Fをかけ、芯金52とアルミドラム53の間に1000Vの電圧をかけながらアルミドラム53を回転させることで間接的に導電性発泡ローラ50を回転させた。このとき周方向に36回抵抗測定を行い、その平均値を求めた。内部抵抗の値は、ローラの抵抗値のレベルに合わせて測定値の有効数字が極力大きくなるように調整した。この装置において印加電圧をEとするとローラ抵抗RはR=r×E/(V−r)となるが、今回−rの項は微少とみなし、R=r×E/Vとし、内部抵抗rにかかる検出電圧Vよりローラの電気抵抗値Rを算出した。
低温低湿環境(10℃、相対湿度15%)および高温高湿環境(32.5℃、相対湿度90%)において前記測定方法でローラの電気抵抗値を測定し、低温低湿環境におけるローラ電気抵抗値RLLと高温高湿環境におけるローラ電気抵抗値RHHの常用対数値の差log10RLL−log10RHHを算出してローラ電気抵抗値の環境依存性の指標とした。
図3に示す装置を用い、温度23℃および相対湿度55%の雰囲気下で、芯金52の両端に500gずつの荷重Fをかけ、アルミドラム53を30rpmで回転させることで導電性発泡ローラ50を回転させた状態で1000Vの印加電圧をかけながら、ローラ電気抵抗値の1周内の周むらの指標値(周方向の電気抵抗の最大値/周方向の電気抵抗の最小値)を求めた。
前記で得られた導電性発泡ローラを10mm幅で端面に平行にカットした試験片を用いて、JIS K 6262に記載の加硫ゴム及び熱可塑性ゴムの永久ひずみ試験方法に従い、測定温度70℃、測定時間22〜24時間、圧縮率25%で圧縮永久ひずみを測定した。この圧縮永久ひずみの値が30%を越える場合は、ローラとして用いたときの寸法変化が大きくなりすぎて、例えば転写ローラとして用いた場合には刷り出した画像にひずみが発生する等し実用に適さなくなる可能性が高い。かかる圧縮永久ひずみの値は25%以下であることがより好ましく、15%以下であるとさらに好ましい。10%以下であると最も好ましい。
ヒューレットパッカード社製のLaser Jet4050型レーザービームプリンタのカートリッジ(カートリッジタイプ C4127X)にセットされている感光体に、実施例・比較例の導電性発泡ローラを押しつけた状態で、32.5℃,相対湿度90%の条件下で2週間保管する。その後、感光体から導電性発泡ローラを除去し、当該感光体を用いて前記プリンターにてハーフトーンの印刷を行い、印刷物に汚れが出るかどうかを次の基準で調査した。
○:印刷物を目で見る限り汚染なし
△:軽度の汚染(5枚以内の刷り込みにより、目で見て判らない程度にまでとれる使用上問題ない汚染)
×:重度の汚染(5枚以上刷り込んでも印刷物を目で見て異常が判る汚染)
実施例・比較例の導電性発泡層を切り取って2mm角以下に裁断したものを、アセトンを溶剤としてソックスレー抽出器を用いて6時間抽出した。この場合に抽出される成分の抽出前の樹脂重量に対する重量比率(重量%)を測定して求めた。
実施例・比較例の導電性発泡ローラの両端から15mmの部分各2点と長手方向での中心部の計3点において、導電性ローラの表面、そこから半径方向に切断した面の表面から5mm内側に入った点および10mm内側に入った点の合計3×3=9点について、倍率100倍で縦1.5mm横1mmの範囲が写った発泡セルのSEM写真をとりそれを拡大して焼いた写真をつくった。これらの焼いた写真をスキャナーで読み込んで画像処理ソフトで2値化する等してセルの部分を判別させた後に計算処理して、すべての写真中での平均粒径(μm)と最大セル径、最小セル径を解析して求め、ΔD(μm)=最大セル径−最小セル径を計算した。
ローラの両端(端から15mm内側の位置)及び長手方向での中心部で各々周方向に90゜ずつ回転させた合計3×4=12点で硬度を測定しその平均値を求めるとともに、そのばらつきΔHs=前記12点内の最大値−前記12点内の最小値を算出した。なお、硬度は23℃相対湿度55%の環境中でローラの左右の軸部に500gfの荷重をかけ、JIS K 6253記載のタイプEデュロメーターで測定した。
東陽テクニカ製LCRメータにて測定を行った。具体的には、23℃相対湿度55%の条件下で図4に示すように導電性ローラ61を載置しているアルミニウム板Pとシャフト62との間に電圧をかけ、LCRメータにてR(抵抗)成分とC(コンデンサー)成分の並列回路で測定した。導電性ローラはシャフト62の両端に500gfの荷重をかけて固定した。測定に際しては、振幅が±3Vの正弦波形の交流電圧を印加して測定した。
ブラザー工業株式会社製18ppmプロフェッショナルレーザープリンタ HL−1850を用いて、トナー散り評価を行った。詳細には、100μm幅の白黒ラインを画出しし、評価した。
11 ガス
12 発泡性熱硬化性一液型ポリウレタン組成物
20 供給装置
21 熱硬化性一液型ポリウレタン組成物の供給源
22 ガスの供給源
30 混合装置
31 混合装置のピストンポンプ
32 ピストンポンプのシリンダー
33 ピストンポンプのピストン
40 原材料吐出装置
41 吐出装置のピストンポンプ
42 ノズル
Claims (18)
- ポリウレタンプレポリマーと、固形ポリアミンを不活性化した潜在性硬化剤とを合計して50重量%以上の割合で含有している熱硬化性一液型ポリウレタン組成物とガスとを含む発泡性熱硬化性一液型ポリウレタン組成物を発泡させ、発泡状態のまま熱硬化臨界温度未満の温度条件下で成形し、ついで、前記発泡性熱硬化性一液型ポリウレタン組成物の熱硬化臨界温度以上に加熱することで硬化させる導電性発泡層を最外層或いは表面被覆層のすぐ内側に備えた導電性発泡ローラの製造方法。
- 上記発泡性熱硬化性一液型ポリウレタン組成物を、導電性発泡層の外周面と接する面が2以上に分割された割り金型、あるいは導電性発泡層の外周面と接する面では分割されない円筒金型に充填して、上記熱硬化臨界温度未満の温度条件下で成形した後、発泡性熱硬化性一液型ポリウレタン組成物の熱硬化臨界温度以上に加熱して硬化させている請求項1に記載の導電性発泡ローラの製造方法。
- 上記金型には予め芯金をセットし、上記発泡性熱硬化性一液型ポリウレタン組成物を金型に注入し、熱硬化臨界温度以上に加熱して硬化させている請求項2に記載の導電性発泡ローラの製造方法。
- 上記金型内部の発泡性熱硬化性一液型ポリウレタン組成物を注入するための空間を予め加圧しておき、前記空間の圧力を減じていきながら発泡性熱硬化性一液型ポリウレタン組成物を注入する請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の導電性発泡ローラの製造方法。
- 上記発泡性熱硬化性一液型ポリウレタン組成物を発泡させる方法が、ポリウレタンプレポリマーと潜在性硬化剤とを少なくとも含有する熱硬化性一液型ポリウレタン組成物にガスを混合する第1の工程と、前記第1の工程から送出される混合状物をポンプによって加圧する第2の工程と、前記加圧状態の前記混合状物を管路を通して吐出させることによって発泡させる第3の工程とを有する方法である請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記載の導電性発泡ローラの製造方法。
- 発泡倍率を100%以上400%以下としている請求項1乃至請求項5のいずれか1項に記載の導電性発泡ローラの製造方法。
- 上記ガスが、二酸化炭素ガス、空気又は窒素ガスである請求項1乃至請求項6のいずれか1項に記載の導電性発泡ローラの製造方法。
- 請求項1乃至請求項7のいずれか1項に記載の製造方法で製造され、
セル径の平均値が100μm以下20μm以上で、かつ最大セル径と最小セル径との差ΔDが50μm以下である導電性発泡層を有し、ローラ硬度の最大値と最小値の差ΔHsが8以下で、ローラの周方向の電気抵抗値の最小値(Rmin)に対する周方向の電気抵抗値の最大値(Rmax)の比Rmax/Rminが1.3以下である導電性発泡層を最外層或いは表面被覆層のすぐ内側に有する導電性発泡ローラを備えた画像形成装置。 - 低温低湿環境(10℃、相対湿度15%)におけるローラの電気抵抗値R LL [Ω]と高温高湿環境(32.5℃、相対湿度90%)におけるローラの電気抵抗値R HH [Ω]がlog 10 R LL −log 10 R HH ≦1.4の関係を満たしている請求項8に記載の導電性発泡ローラを備えた画像形成装置。
- 100Hzで測定したときの静電容量が50pF以下であり、印加電圧1000Vでの電気抵抗値[Ω]が10 12 Ω以下である請求項8または請求項9に記載の導電性発泡ローラを備えた画像形成装置。
- アセトンを溶剤としてソックスレー抽出器を用いて6時間抽出した場合に抽出される成分の割合が樹脂重量比で20%以下である請求項8乃至請求項10のいずれか1項に記載の導電性発泡ローラを備えた画像形成装置。
- アセトンを溶剤としてソックスレー抽出器を用いて6時間抽出した場合に抽出される成分の割合が樹脂重量比で5%以上である請求項8乃至請求項10のいずれか1項に記載の導電性発泡ローラを備えた画像形成装置。
- 上記熱硬化性一液型ポリウレタン組成物には、整泡剤が配合されている請求項8乃至請求項12のいずれか1項に記載の導電性発泡ローラを備えた画像形成装置。
- 上記ポリウレタンプレポリマーが、過剰量の脂肪族ポリイソシアネート化合物と3官能のポリエーテルポリオールの反応生成物である請求項8乃至請求項13のいずれか1項に記載の導電性発泡ローラを備えた画像形成装置。
- 上記熱硬化性一液型ポリウレタン組成物には、有機ポリマー粒子の充填剤が配合されている請求項8乃至請求項15のいずれか1項に記載の導電性発泡ローラを備えた画像形成装置。
- 上記熱硬化性一液型ポリウレタン組成物には、充填剤として有機ポリマー粒子がメチルメタクリレート、スチレン、アクリロニトリル、その他ビニル性二重結合基を有するモノマーの単独重合体もしくは共重合体よりなる中心粒径0.1μm〜50μmの微粒子であり、0.5〜30重量%が配合されている請求項8乃至請求項16のいずれか1項に記載の導電性発泡ローラを備えた画像形成装置。
- 上記熱硬化性一液型ポリウレタン組成物には、3級アミンの強酸塩化合物を触媒として配合している請求項8乃至請求項17のいずれか1項に記載の導電性発泡ローラを備えた画像形成装置。
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