JP5232494B2 - シリカ粒子、およびその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、トナーの外添材として使用可能であり、疎水性に優れるシリカ粒子、およびその製法に関するものである。
シリカ粒子は、半導体封止樹脂用の充填剤や、コピー機、プリンター等の機器用トナーの外添材などとして使用されている。例えば、シリカ粒子をトナー用外添材として使用する場合、シリカ粒子が吸湿するとトナーの帯電量が変化するため、疎水性が高いシリカ粒子が求められる。
特許文献1には、次の通り、表面修飾された疎水性シリカ粒子が開示されている。そのシリカ粒子は、2種類以上の4官能性シラン化合物から得られるSiO2単位からなる親水性球状シリカ粒子の表面にRaSiO3/2単位(Raは置換または非置換の炭素原子数1〜20の1価炭化水素基を表す。)を導入し、疎水性球状シリカ粒子を得る工程Aと、得られた疎水性球状シリカ粒子の表面にRb 3SiO1/2単位(Rbは、同一または異なり、置換または非置換の炭素原子数1〜6の1価炭化水素基を表す。)を導入する工程Bと、を経て製造されるものである。
上記工程Aで用いられるシリカ粒子には、一般式Si(ORc)4で表される4官能性シラン化合物および/またはその部分加水分解縮合生成物(Rcは、同一または異なり、炭素原子数1〜6の1価炭化水素基である。)と、一般式Si(ORd)4で表される4官能性シラン化合物および/またはその部分加水分解縮合生成物(Rdは、同一または異なり、炭素原子数2〜20の1価炭化水素基であり、Rdの炭素原子数は前記のRcの炭素原子数より多い。)との所定比量を、塩基性物質を含む親水性有機溶媒と水との混合液中で加水分解、縮合して得られるものを使用できるとされている。また、工程Aでは、上記親水性球状シリカ粒子を含む水性分散液または水−親水性有機溶媒の混合溶媒分散液に、一般式RaSi(ORe)3で表される3官能性シラン化合物もしくはその部分加水分解縮合生成物またはこれらの混合物(Raは上記と同じであり、Reは、同一または異なり、炭素原子数1〜6の1価炭化水素基である。)を添加して、親水性球状シリカ粒子表面を処理し、疎水性球状シリカ粒子水性分散液を調製するとされている。他方、工程Bでは、工程Aで調製した水性分散液の分散媒をケトン系溶媒に変換後、一般式Rb 3SiNHSiRb 3で表されるシラザン化合物(Rbは、同一または異なり、上記と同じである。)、一般式Rb 3SiXで表される1官能性シラン化合物(Rbは上記と同じであり、XはOH基または加水分解性基である。)、又はそれらシラザン化合物と1官能シラン化合物との混合物を添加し、前記疎水性球状シリカ粒子表面に残存する反応性基をトリオルガノシリル化するとされている。
特許文献2にも表面修飾されたシリカ粒子が開示されている。その粒子の具体例として、特許文献2の実施例1には、アンモニア、水、エタノール含有液中にテトラメトキシシラン含有エタノールを滴下して調製したシリカ分散ゾルに、ヘキサメチルジシラザンを添加する工程を経てシリカ粒子を製造したことが開示されている。
上記各特許文献に開示されているように、シリカ粒子の表面修飾を行う技術提案がなされており、その改良技術の提供が望まれる。
ところで、例えばシリカ粒子をトナー用外添材に使用してトナーの流動性、定着性、クリーニング性等の特性を向上させる場合、トナーの品質安定化のためには、シリカ粒子の一次粒子径における変動係数が小さいことが求められる。特許文献1に開示されているような一般式Si(ORc)4で表される4官能性シラン化合物および/またはその部分加水分解縮合生成物と一般式Si(ORd)4で表される4官能性シラン化合物および/またはその部分加水分解縮合生成物とを、塩基性物質を含む親水性有機溶媒と水との混合液中で加水分解、縮合する工程を有する方法で製造されたシリカ粒子には、トナーの品質安定化のために、その一次粒子径の変動係数を小さくする余地があった。
特開2005−15251号公報 特開平2−160613号公報
本発明は、上記事情に鑑み、疎水性に優れると共に一次粒子径の変動係数が小さいシリカ粒子、およびその製造方法の提供を目的とする。
本発明者は、シリカ粒子の疎水性向上を図るべく、アルコキシ基とオルガノシロキシ基でシリカ粒子表面を修飾する検討を重ねた結果、メトキシ基および/またはエトキシ基と所定のアルコキシ基と、所定のオルガノシロキシ基とで表面修飾されたシリカ粒子は、その疎水性が優れるものとなる知見を得た。また、メトキシ基および/またはエトキシ基が表面に結合しているシリカ粒子(本発明に係る粒子の前駆体粒子)を調製した後に、その表面結合基を所定のアルコキシ基に置換可能な後記本発明に係る方法によれば、一次粒子径の変動係数が小さなシリカ粒子が得られる知見を得た。これらの知見より本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明に係る粒子は、メトキシ基および/またはエトキシ基と、下記一般式(1)で表されるアルコキシ基と、下記一般式(2)で表されるオルガノシロキシ基とが表面に結合し、一次粒子径の変動係数が10.0%以下であることを特徴とする。
−OR1 (1)
(一般式(1)において、R1は炭素数4〜18の鎖状アルキル基、環状アルキル基、またはアラルキル基を表す。)
−OSiR2 3 (2)
(一般式(2)において、R2はアルキル基、アリール基、およびアルケニル基から選択された一種または二種以上の基を表す。)
上記「一次粒子径の変動係数」は、走査型電子顕微鏡(SEM)を使用して約1万倍率でシリカ粒子を観察し、シリカ粒子の一次粒子における直径を無作為に測定して個数を基準にした平均値(平均粒子径)を求め、この平均粒子径とシリカ粒子の一次粒子径の標準偏差とを次式に当てはめて求められる値である。
一次粒子径の変動係数(%)=一次粒子径の標準偏差/平均粒子径×100
本発明に係るシリカ粒子において、前記メトキシ基およびエトキシ基の量に対する前記一般式(1)で表されるアルコキシ基の量のモル比が、0.05以上、2.00以下であると良い。
好適な本発明に係るシリカ粒子は、置換基を有していても良いアルキル基、アリール基、および置換基を有していても良いアルケニル基から選択された一種または二種以上の基を表面に有し、当該選択された一種または二種以上の基が、2原子または3原子の酸素原子と単結合しているSi原子に結合しているものである。このような置換基を有していても良いアルキル基等を有するシリカ粒子は、疎水性に特に優れる。
本発明に係るシリカ粒子の平均粒子径は、0.01μm以上、2.00μm以下であると良い。ここで、「シリカ粒子の平均粒子径」は、走査型電子顕微鏡(SEM)を使用して約1万倍率でシリカ粒子を観察し、その一次粒子の直径を無作為に測定したときの個数基準の平均値である。
好適な本発明に係るシリカ粒子は、その高分散粒子径の変動係数が20.0%以下のものである。ここで、「高分散粒子径の変動係数」とは、シリカ粒子2質量部とメタノール100質量部の混合液を20分間攪拌し、超音波分散機で10分間以上処理して得られた分散液を試料液として使用し、レーザー回折/散乱式粒度分布測定装置を用いて得られた体積基準粒度分布の算術平均値を高分散粒子径平均値とし、この高分散粒子径平均値と、高分散粒子径の標準偏差とを次式に当てはめて求められる値である。
高分散粒子径の変動係数(%)=高分散粒子径の標準偏差/高分散粒子径平均値×100
本発明に係るシリカ粒子の製造方法は、下記一般式(A)で表されるケイ素化合物(A)を含み、かつ、該ケイ素化合物(A)に属する下記一般式(A1)で表されるケイ素化合物(A1)を少なくとも含む溶媒中で前記ケイ素化合物(A)を加水分解縮合させることにより、メトキシ基および/またはエトキシ基が表面に結合している前駆体粒子(I)を調製し、前駆体粒子(I)と下記一般式(B)で表されるアルコールとを接触させて、前駆体粒子(I)の表面に下記一般式(1)で表わされるアルコキシ基を結合させることにより前駆体粒子(II)を調製し、前駆体粒子(II)の表面に下記一般式(2)で表されるオルガノシロキシ基を結合させる本発明に係るシリカ粒子の製造方法である。
3 LSiR4 (4-L) (A)
(一般式(A)において、R3は置換基を有していても良いアルキル基、アリール基、および置換基を有していても良いアルケニル基から選択された一種または二種以上の基を表し、R4は水酸基、メトキシ基、エトキシ基、およびアシロキシ基から選択された一種または二種以上の基を表し、Lは0〜3の整数を表す。)
5 mSiR6 (4-m) (A1)
(一般式(A1)において、R5は置換基を有していても良いアルキル基、アリール基、および置換基を有していても良いアルケニル基から選択された一種または二種の基を表し、R6はメトキシ基、およびエトキシ基から選択された一種または二種以上の基を表し、mは0〜2の整数を表す。)
H−OR1 (B)
(一般式(B)において、−OR1は炭素数が4〜18の鎖状アルキル基、環状アルキル基、またはアラルキル基を表す。)
−OR1 (1)
(一般式(1)において、R1は炭素数が4〜18の鎖状アルキル基、環状アルキル基、またはアラルキル基を表す。)
−OSiR2 3 (2)
(一般式(2)において、R2はアルキル基、アリール基、およびアルケニル基から選択された一種または二種以上の基を表す。)
好適な本発明に係るシリカ粒子の製造方法は、上記一般式(A)で表されるケイ素化合物(A)を含み、かつ、該ケイ素化合物(A)に属する上記一般式(A1)で表されるケイ素化合物(A1)を少なくとも含む溶媒中で前記ケイ素化合物(A)を加水分解縮合させる縮合工程と、前記縮合により得られたメトキシ基および/またはエトキシ基が表面に結合している前駆体粒子(I)の分散液を濃縮する濃縮工程と、濃縮した前記分散液を乾燥する乾燥工程と、前記乾燥後に得られた前駆体粒子(II)の表面をシリル化剤で処理して、前駆体粒子(II)の表面に上記一般式(2)で表されるオルガノシロキシ基を結合させる表面処理工程とを有し、前記縮合工程後から乾燥工程終了までに前記前駆体粒子(I)と上記一般式(B)で表されるアルコールとを混合し、前駆体粒子(I)の表面に上記一般式(1)で表されるアルコキシ基を結合させることにより前記前駆体粒子(II)を調製することを特徴とする。
上記本発明に係るシリカ粒子の製造方法における「前駆体粒子(I)」とは、メトキシ基および/またはエトキシ基が表面に結合し、上記一般式(1)で表される炭素数4〜18のアルコキシ基が表面に結合せず、かつ、上記一般式(2)で表されるオルガノシロキシ基が表面に結合していても良いシリカ粒子である。また、「前駆体粒子(II)」とは、メトキシ基および/またはエトキシ基と上記一般式(1)で表される炭素数4〜18のアルコキシ基とが表面に結合し、上記一般式(2)で表されるオルガノシロキシ基が表面に結合していても良いシリカ粒子である。
前記縮合工程において、塩基性触媒が溶媒中に含まれ、(塩基性触媒)/(ケイ素化合物(A))で算出されるモル比が0.5以上であれば、一次粒子径の変動係数がより小さなシリカ粒子を製造できる。
また、前記縮合工程において、前記ケイ素化合物(A)に属する下記一般式(A2)で表されるケイ素化合物(A2)の一種または二種以上が溶媒に含まれていれば、疎水性に一層優れたシリカ粒子を製造できる。
7 nSiR8 (4-n) (A2)
(一般式(A2)において、R7は置換基を有していても良いアルキル基、アリール基、および置換基を有していても良いアルケニル基から選択された一種または二種以上の基を表し、R8は水酸基、メトキシ基、エトキシ基、およびアシロキシ基から選択された一種または二種以上の基を表し、nは1〜3の整数を表す(好ましくは1又は2、より好ましくは1である。)。)
本発明に係るシリカ粒子は、メトキシ基および/またはエトキシ基と、オルガノシロキシ基とだけではなく、メトキシ基およびエトキシ基以外の所定のアルコキシ基も表面に結合しているので、その所定のアルコキシ基を欠くシリカ粒子よりも疎水性に優れるものとなるから、例えば、有機樹脂や有機溶媒等中での分散性や帯電特性に優れる。また、本発明に係るシリカ粒子は、一次粒子径の変動係数が小さい。
また、本発明に係るシリカ粒子の製造方法によれば、オルガノシロキシ基と、メトキシ基およびエトキシ基以外の所定のアルコキシ基とだけでなく、メトキシ基および/またはエトキシ基も表面に結合し、かつ、一次粒子径の変動係数が小さなシリカ粒子を製造できる。
(シリカ粒子)
本発明に係る粒子は、シロキサン結合の三次元ネットワーク体であるシリカを主要構成とし、当該粒子の表面には、複数種のアルコキシ基と、一種または二種以上のオルガノシロキシ基とが表面に結合している。また、本発明に係るシリカ粒子表面は、置換基を有していても良いアルキル基、アリール基、および置換基を有していても良いアルケニル基から選択された一種または二種以上の基を表面に有し、当該選択された一種または二種以上の基が、2原子または3原子の酸素原子と単結合しているSi原子に結合しているものが好適である。
アルコキシ基:
上記アルコキシ基は、下記一般式(1)で表される一種または二種以上のアルコキシ基と、メトキシ基および/またはエトキシ基とである。表面に結合するアルコキシ基がメトキシ基および/またはエトキシ基だけのシリカ粒子は、その表面にオルガノシロキシ基が結合していても疎水性が不十分であり、オルガノシロキシ基と一般式(1)で表されるアルコキシ基だけが表面に結合しているシリカ粒子も同様である。本発明に係るシリカ粒子は、メトキシ基および/またはエトキシ基と一般式(1)で表されるアルコキシとの相乗効果により、優れた疎水性を発揮する。
−OR1 (1)
一般式(1)において、R1は鎖状アルキル基、環状アルキル基、またはアラルキル基を表す。この一般式(1)で表されるアルコキシ基は、炭素数が4〜18であり、6〜16であると好ましく、8〜14であると更に好ましい。アルコキシ基の炭素数が3以下であると、乾燥後のシリカ粒子の凝集力が強くなって、高分散粒子径平均値が大きくなる傾向がある。一方、アルコキシ基の炭素数が19以上であると、そのアルコキシ基を有するアルコールがシリカ粒子表面に残留することがあり、また、当該アルコールの沸点が比較的高いために乾燥除去し難い。
上記一般式(1)で表されるアルコキシ基におけるR1が鎖状アルキル基である場合、この鎖状アルキル基は、直鎖状および分岐状のいずれであっても良く、例えば、n−ブチル基、イソブチル基、ペンチル基、2−エチルヘキシル基、オクチル基、ラウリル基、ステアリル基が挙げられる。R1が環状アルキル基である場合の当該基としては、シクロヘキシル基等である。また、R1がアラルキル基である場合の当該基としては、ベンジル基、フェネチル基、α−メチルフェネチル基、ジフェニルメチル基、トリフェニルメチル基等である。以上に例示したR1の内、ブチル基、オクチル基、ベンジル基が好ましい。
本発明に係るシリカ粒子における一般式(1)で表されるアルコキシ基の量は、特に限定されないが、0.05mmol/g以上、1.00mmol/g以下であると良く、0.10mmol/g以上、0.70mmol/g以下であると好ましく、0.20mmol/g以上、0.60mmol/g以下であるとより好ましい。
一方、本発明に係るシリカ粒子におけるメトキシ基およびエトキシ基の量も、特に限定されないが、1.00mmol/g以上、3.00mmol/g以下であると良く、1.20mmol/g以上、2.00mmol/g以下であると好ましい。
シリカ粒子におけるメトキシ基、エトキシ基、一般式(1)で表されるアルコキシ基の総量は、1.10mmol/g以上、4.00mmol/g以下であると良く、1.30mmol/g以上、2.70mmol/g以下であると好ましく、1.40mmol/g以上、2.60mmol/g以下であるとより好ましい。
本発明に係るシリカ粒子において、メトキシ基およびエトキシ基の量に対する一般式(1)で表されるアルコキシ基の量の比(モル比)が、0.05以上、2.00以下であると良く、0.10以上、1.00以下であると好ましく、0.15以上、0.70以下であるとより好ましく、0.15以上、0.60以下であると更に好ましい。
メトキシ基、エトキシ基、一般式(1)で表されるアルコキシ基の存在は、炭素・水素・窒素同時定量装置CHNコーダーおよび赤外分光分析装置により確認することができる。炭素・水素・窒素同時定量装置CHNコーダーにより、メトキシ基、エトキシ基、および一般式(1)で表されるアルコキシ基の炭素量を定量することができ、赤外分光分析装置により、メトキシ基、エトキシ基、および一般式(1)で表されるアルコキシ基の種類を同定することができる。
また、シリカ粒子表面に結合するメトキシ基、エトキシ基、および一般式(1)で表されるアルコキシ基の各量は、次の方法により定量される。先ず、シリカ粒子1gと0.05N−NaOH水溶液50mlとを混合後、常温で10時間攪拌して懸濁液を調製し、この懸濁液を遠心分離して、当該液の上澄み液を分取する。次に、上澄み液をJIS K 0114に従ったガスクロマトグラフにより分析し、アルコール量をメトキシ基等の量として求めることができる。
オルガノシロキシ基:
本発明に係るシリカ粒子の表面に結合しているオルガノシロキシ基は、下記一般式(2)で表されるオルガノシロキシ基である。
−OSiR2 3 (2)
一般式(2)において、R2はアルキル基、アリール基、およびアルケニル基から選択された一種または二種以上の基を表す。
上記一般式(2)で表されるオルガノシロキシ基としては、例えば、トリメチルシロキシ基、ジメチルフェニルシロキシ基、メチルジフェニルシロキシ基、トリエチルシロキシ基、トリプロピルシロキシ基、トリブチルシロキシ基、トリペンチルシロキシ基、トリヘキシルシロキシ基、トリシクロヘキシルシロキシ基、およびトリフェニルシロキシ基が挙げられる。
本発明に係るシリカ粒子における一般式(2)で表されるオルガノシロキシ基の量は、特に限定されないが、多いほど好ましい。
上記メトキシ基等と同様に、炭素・水素・窒素同時定量装置CHNコーダーによりオルガノシロキシ基の炭素量を定量でき、赤外分光分析装置によりオルガノシロキシ基の種類を同定することができる。
アルキル基等:
上記の通り、本発明に係る粒子は、置換基を有していても良いアルキル基、アリール基、および置換基を有していても良いアルケニル基から選択された一種または二種以上の基を表面に有し、当該選択された一種または二種以上の基が、2原子または3原子の酸素原子(好適には、3原子)と単結合しているSi原子に結合しているものが好ましい。その選択された基は、メチル基および/またはエチル基が好適である。また、シリカ粒子における当該基の量は、特に限定されないが、多いほど好ましい。
炭素・水素・窒素同時定量装置CHNコーダーにより、上記2原子または3原子の酸素原子と単結合しているSi原子に結合する一種または二種以上の置換基を有していても良いアルキル基等の炭素量を定量でき、その種類の同定は赤外分光分析装置による分析で可能である。
シリカ粒子の特性:
シリカ粒子の形状は、特に限定されないが、通常、真球形ないし略球形である。この粒子の最長直径に対する最短直径の比は、0.90以上が良く、0.92以上が好ましく、0.95以上がより好ましく、0.98以上が更に好ましい。
シリカ粒子の平均粒子径は、特に限定されないが、その下限が0.01μmであると良く、0.02μmであると好ましく、その上限が5μmであると良く、2μmであると好ましい。この平均粒子径は、上記の通り、SEMで観察したシリカ粒子の一次粒子径の直径を無作為に測定した値の個数基準の平均値である。
シリカ粒子がトナー用外添材とされる場合、その一次粒子径の変動係数が大きいと摩擦帯電力が不安定となって画像性能に悪影響を及ぼす可能性が生じるので、小さな変動係数が望まれる。そのため、シリカ粒子の一次粒子径における変動係数は、10.0%以下であり、好ましくは8.0%以下、より好ましくは6.0%以下である。当該変動係数は、上記の通り、一次粒子の平均粒子径に対するシリカ粒子径の標準偏差の100分率である。
「高分散粒子径平均値」は、シリカ粒子2質量部とメタノール100質量部の混合液を20分間攪拌し、超音波分散機で10分間以上処理して得られた分散液を試料液として使用し、レーザー回折/散乱式粒度分布測定装置を用いて得られた体積基準粒度分布の算術平均値である。本発明に係るシリカ粒子の高分散粒子径平均値は、その下限が0.01μmであると良く、0.03μmであっても良い。一方上限は、余りに大きな粒子径であることは多くのシリカ粒子が凝集していることを意味するので、10μmであると良く、4μmであることが好ましく、2μmであると更に好ましい。
上記高分散粒子径の変動係数は、小さな変動係数であることが望まれる場合がある。この変動係数は、20.0%以下であると好ましい。この高分散粒子径の変動係数は、上記高分散粒子径平均値と、高分散粒子径の標準偏差とを次式に当てはめて求められる値である。
高分散粒子径の変動係数(%)=高分散粒子径の標準偏差/高分散粒子径平均値×100
シリカ粒子の平均粒子径に対する上記高分散粒子径平均値の比は、5.0以下であると良く、1.5以下であると好ましい。一方、当該比の下限値は、0.8であると好ましく、1.0でも良い。
「低分散粒子径平均値」は、攪拌処理したシリカ粒子とメタノールとの混合液について、レーザー回折/散乱式粒度分布測定装置を用いて得られた体積基準粒度分布の算術平均値である。つまり、低分散粒子径平均値の求め方は、シリカ粒子とメタノールとの混合液を超音波処理しない点においてのみ高分散粒子径平均値の求め方と異なる。低分散粒子径平均値は、その下限が0.01μmであると良く、上限が10μmであると良い。
シリカ粒子の平均粒子径に対する上記低分散粒子径平均値の比は、15.0以下であると良い。
シリカ粒子の「疎水化度」とは、粒子の疎水性の尺度となる値であり、50ccの水の表面にシリカ粒子を浮かせた後、この粒子が沈むまで水中にメタノールを徐々に導入することで求められる。すなわち、水の容量とメタノールの導入容量の総量中におけるメタノール導入量の百分率が、疎水化度である。本発明に係るシリカ粒子は高い疎水化度であり、この疎水化度は特に限定されない。
シリカ粒子の帯電量は、その絶対値の下限として、10μC/gであると良い。つまり、正帯電の場合の帯電量の下限は、+10μC/gであると良く、負帯電の場合の帯電量の上限は、−10μC/gであると良い。帯電量は、ブローオフ帯電量測定装置によりシリカ粒子とキャリア粒子の混合物を測定して求めた値を採用する。
シリカ粒子においては、ナトリウム、カリウム、リチウム、カルシウム、マグネシウム、アルミニウム、鉄、クロム等の金属元素;および、塩素、フッ素等のハロゲン元素;が不純物となる。この不純物は、トナーの外添材としてシリカ粒子を使用した場合、トナーの帯電量を不安定にさせる原因になるものである。そのため、上記各元素の含有量は、5ppm以下であることが好ましい。JISに規定されている方法により、前記元素の含有量が求められる。例えば、ナトリウム、カリウム、リチウムの含有量については、JIS K 0121に従った原子吸光分析により求められ、カルシウム、マグネシウム、アルミニウム、鉄、クロムの含有量については、JIS K 0116に従ったICP発光分光分析により求められ、塩素、フッ素については、JIS K 0127に従ったイオンクロマトグラフによる分析で求められる。
(シリカ粒子の製造方法)
本発明に係るシリカ粒子は、所定のケイ素化合物を加水分解縮合させ、この加水分解縮合で得られた前駆体粒子と所定のアルコールとを接触させて、当該前駆体粒子の表面に所定のアルコキシ基を結合させ、更に、その粒子表面に所定のオルガノシロキシ基を結合させる方法により得られる。
好適な本発明に係るシリカ粒子の製造方法は、溶媒中で所定のケイ素化合物を加水分解縮合させる縮合工程と、その加水分解縮合で得られた分散液を濃縮する濃縮工程と、その濃縮した分散液を乾燥する乾燥工程と、その乾燥後に行われるシリル化剤による表面処理工程を有し、縮合工程後から乾燥工程終了までに上記一般式(1)で表されるアルコキシ基のシリカ粒子への結合を行わせるものである。
第一および第二実施形態に係るシリカ粒子の製造方法に基づき、本発明に係るシリカ粒子の製造方法を説明する。両実施形態に係るシリカ粒子の製造方法は、縮合工程でメトキシ基および/またはエトキシ基が結合しているシリカ粒子を製造し、かつ、表面処理工程において上記一般式(2)で表されるオルガノシロキシ基をシリカ粒子表面に結合させるものであるが、上記一般式(1)で表されるアルコキシ基のシリカ粒子表面への結合については、第一実施形態では濃縮工程で実現され、第二実施形態では乾燥工程で実現される。
先ず、第一実施形態に係るシリカ粒子の製造方法について説明する。
縮合工程では、所定のケイ素化合物を加水分解縮合させることにより、メトキシ基および/またはエトキシ基が表面に結合している本発明に係るシリカ粒子の前駆体粒子(以下、当該前駆体粒子を「前駆体粒子(I)」と称することがある。)を調製する。なお、本縮合工程で得られる前駆体粒子(I)は、本発明に係るシリカ粒子とは異なり、上記一般式(1)で表される炭素数4〜18のアルコキシ基が表面に結合しているものではない。
入手容易かつ安価である観点から、下記一般式(A)で表されるケイ素化合物(A)を、縮合工程で使用する。
3 LSiR4 (4-L) (A)
一般式(A)において、R3は、置換基を有していても良いアルキル基(例えば、アルキル基、ヒドロキシアルキル基、アラルキル基)、アリール基、および置換基を有していても良いアルケニル基から選択された一種または二種以上の基を表し、炭素数が1〜10のアルキル基が選択されていることが好ましく、メチル基が特に好ましい。R4は、水酸基、メトキシ基、エトキシ基、およびアシロキシ基から選択された一種または二種以上の基を表す。Lは、0〜3の整数を表す。
シリカ粒子の粒子径の制御を容易に行なうためには、L数が0及び/又は1であるケイ素化合物(A)を使用すると良い。このとき、他のケイ素化合物(A)を併用しても良いが、全ケイ素化合物(A)中におけるL数が0のケイ素化合物(A)とL数が1のケイ素化合物(A)の量が80質量%以上であることが好適である。また、L数が0のケイ素化合物(A)とL数が1のケイ素化合物(A)とを併用する場合、L数が0のケイ素化合物(A)が、L数が1のケイ素化合物(A)よりも量が多いことが好適である。
溶媒に含ませるケイ素化合物(A)の濃度は、0.05mol/L以上が好ましく、2.0mol/L以下が好ましい。
前記ケイ素化合物(A)としては、例えば、テトラメトキシシラン、テトラエトキシシラン、テトライソプロポキシシラン、テトラブトキシシラン、ジメトキシジエトキシシラン等の四官能性ケイ素化合物(上記一般式(A)のLが0である化合物);メチルトリメトキシシラン、メチルトリエトキシシラン、エチルトリメトキシシラン、エチルトリエトキシシラン、ヘキシルトリメトキシシラン、デシルトリメトキシシラン、フェニルトリメトキシシラン、フェニルトリエトキシシラン、ベンジルトリメトキシシラン、ナフチルトリメトキシシラン、メチルトリアセトキシシラン、(3,4−エポキシシクロヘキシル)エチルトリメトキシシラン、3−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、ビニルトリメトキシシラン、3−(メタ)アクリロキシプロピルトリメトキシシラン、3,3,3−トリフルオロプロピルトリメトキシシラン等の三官能性ケイ素化合物(上記一般式(A)のLが1である化合物);ジメチルジメトキシシラン、ジメチルジエトキシシラン、ジフェニルジメトキシシラン、ジフェニルジエトキシシラン、3−グリシドキシプロピルメチルジメトキシシラン、3−グリシドキシプロピルメチルジエトキシシラン、ジアセトキシジメチルシラン、ジフェニルシランジオール等の二官能性ケイ素化合物(上記一般式(A)のLが2である化合物);トリメチルメトキシシラン、トリメチルエトキシシラン、トリメチルシラノール等の一官能性ケイ素化合物(上記一般式(A)のLが3である化合物);が挙げられる。
縮合工程では、一般式(A)で表されるケイ素化合物(A)の一種または二種以上を加水分解縮合させることになるが、この場合、メトキシ基および/またはエトキシ基が表面に結合している本発明に係るシリカ粒子を製造するために、一般式(A)で表されるケイ素化合物(A)に属する下記一般式(A1)で表されるケイ素化合物(A1)の一種または二種以上を必ず選択し、溶媒に含ませる。
5 mSiR6 (4-m) (A1)
一般式(A1)において、R5は、置換基を有していても良いアルキル基(例えば、アルキル基、ヒドロキシアルキル基、アラルキル基)、アリール基、および置換基を有していても良いアルケニル基から選択された一種または二種の基を表し、炭素数が1〜10のアルキル基が選択されていることが好ましく、メチル基が特に好ましい。R6は、メトキシ基、およびエトキシ基から選択された一種または二種以上の基を表す。mは、0〜2の整数であり、0または1が好ましく、0がより好ましい。
ケイ素化合物(A)の全量におけるケイ素化合物(A1)の量は、特に限定されないが、95質量%以上であると良く、100質量%であっても良い。
前記ケイ素化合物(A1)としては、例えば、テトラメトキシシラン、テトラエトキシシラン、ジメトキシジエトキシシラン等の四官能性ケイ素化合物(上記一般式(A1)のmが0である化合物);メチルトリメトキシシラン、メチルトリエトキシシラン、エチルトリメトキシシラン、エチルトリエトキシシラン、ヘキシルトリメトキシシラン、デシルトリメトキシシラン、フェニルトリメトキシシラン、フェニルトリエトキシシラン、ベンジルトリメトキシシラン、ナフチルトリメトキシシラン、 (3,4−エポキシシクロヘキシル)エチルトリメトキシシラン、3−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、ビニルトリメトキシシラン、3−(メタ)アクリロキシプロピルトリメトキシシラン、3,3,3−トリフルオロプロピルトリメトキシシラン等の三官能性ケイ素化合物(上記一般式(A1)のmが1である化合物);ジメチルジメトキシシラン、ジメチルジエトキシシラン、ジフェニルジメトキシシラン、ジフェニルジエトキシシラン、3−グリシドキシプロピルメチルジメトキシシラン、3−グリシドキシプロピルメチルジエトキシシラン等の二官能性ケイ素化合物(上記一般式(A1)のmが2である化合物);が挙げられる。テトラメトキシシランおよび/またはテトラエトキシシランを選択することが好適である。
本発明に係るシリカ粒子表面に、置換基を有していても良いアルキル基、アリール基、および置換基を有していても良いアルケニル基から選択された一種または二種以上の基であって、当該選択された一種または二種以上の基が、2原子または3原子の酸素原子と単結合しているSi原子に結合しているものを存在させるためには、一般式(A)で表されるケイ素化合物(A)に属する下記一般式(A2)で表されるケイ素化合物(A2)の一種または二種以上を選択し、加水分解縮合させると良い。
7 nSiR8 (4-n) (A2)
一般式(A2)において、R7は、置換基を有していても良いアルキル基(例えば、アルキル基、ヒドロキシアルキル基、アラルキル基)、アリール基、および置換基を有していても良いアルケニル基から選択された一種または二種以上の基を表し、炭素数が1〜10のアルキル基が選択されていることが好ましく、メチル基が特に好ましい。R8は、水酸基、メトキシ基、エトキシ基、およびアシロキシ基から選択された一種または二種以上の基を表す。nは、1〜3の整数を表し、1または2が好ましく、1がより好ましい。
ケイ素化合物(A)の全量におけるケイ素化合物(A2)の量は、10.0%以下であると良く、7.5%以下であると好ましく、5.0%以下であるとより好ましい。
前記ケイ素化合物(A2)としては、例えば、メチルトリメトキシシラン、メチルトリエトキシシラン、エチルトリメトキシシラン、エチルトリエトキシシラン、ヘキシルトリメトキシシラン、デシルトリメトキシシラン、フェニルトリメトキシシラン、フェニルトリエトキシシラン、ベンジルトリメトキシシラン、ナフチルトリメトキシシラン、メチルトリアセトキシシラン、(3,4−エポキシシクロヘキシル)エチルトリメトキシシラン、3−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、ビニルトリメトキシシラン、3−(メタ)アクリロキシプロピルトリメトキシシラン、3,3,3−トリフルオロプロピルトリメトキシシラン等の三官能性ケイ素化合物(上記一般式(A2)のnが1である化合物);ジメチルジメトキシシラン、ジメチルジエトキシシラン、ジフェニルジメトキシシラン、ジフェニルジエトキシシラン、3−グリシドキシプロピルメチルジメトキシシラン、3−グリシドキシプロピルメチルジエトキシシラン、ジアセトキシジメチルシラン、ジフェニルシランジオール等の二官能性ケイ素化合物(上記一般式(A2)のnが2である化合物);トリメチルメトキシシラン、トリメチルエトキシシラン、トリメチルシラノール等の一官能性ケイ素化合物(上記一般式(A2)のnが3である化合物);が挙げられ、三官能ケイ素化合物がケイ素化合物(A2)として好ましく、メチルトリメトキシシランがより好ましい。
上記加水分解縮合のために使用する溶媒には、水と一種または二種以上の有機溶媒との混合溶媒を使用する。ここでは、ケイ素化合物(A)および水を溶解し、必要に応じて後記触媒を溶解する有機溶媒;または、水と触媒とのミセルを均一に分散させることができる有機溶媒;を使用すると良い。そのような有機溶媒としては、例えば、メタノール、エチルアルコール、イソプロピルアルコール、n−ブチルアルコール、t−ブチルアルコール、ペンチルアルコール、エチレングリコール、プロピレングリコール、1,4−ブタンジオール等のアルコール;アセトン、メチルエチルケトン等のケトン;酢酸エチル等のエステル;イソオクタン、シクロヘキサン等のパラフィン;ジオキサン、ジエチルエーテル等のエーテル;ベンゼン、トルエン等の芳香族炭化水素;が挙げられる。例を挙げた有機溶媒の中では、アルコールを選択することが好ましく、メタノールおよび/またはエタノール、を選択することがより好ましい。なお、水や触媒と相溶しない有機溶媒を用いることもできるが、この場合には、水および触媒を均一に分散させるために界面活性剤を溶媒に添加すると良い。
溶媒中の水濃度を調整すると、調製される前駆体粒子(I)の形状や粒子径、溶媒中におけるケイ素化合物(A)の溶解状態に影響を及ぼすことがある。溶媒における水の濃度は、通常、0.1mol/L以上、50mol/L以下であると良く、2mol/L以上、25mol/L以下であると好ましい。
必要に応じて、ケイ素化合物(A)の加水分解のための触媒を使用する。このとき使用する触媒には、アンモニア;加熱によりアンモニアを発生し得る尿素等のアンモニア発生剤;メチルアミン、エチルアミン、プロピルアミン、n−ブチルアミン、ジメチルアミン、ジブチルアミン、トリメチルアミン、トリブチルアミン等の脂肪族アミン;シクロヘキシルアミン等の脂環式アミン;ベンジルアミン等の芳香族アミン;テトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド等の4級アンモニウムハイドロオキサイド;モノエタノールアミン、ジエタノールアミン、トリエタノールアミン等のアルカノールアミン;等の塩基性触媒を使用すると良く、これらの中でも、シリカの粒子径制御が容易なアンモニア、脂肪族アミン、芳香族アミン、アルカノールアミンが好ましい。また、得られるシリカにおける触媒残存量を少なくし易い観点からは、沸点が低いアンモニア、炭素数1〜4の脂肪族アミンが好ましく、加水分解縮合の促進に優れたアンモニアが特に好ましい。
溶媒中の水濃度と同様、触媒濃度を調整すると、調製されるシリカの形状や粒子径、溶媒中におけるケイ素化合物(A)の溶解状態に影響を及ぼすことがある。溶媒における触媒濃度は、通常、0mol/Lを超え、10mol/L以下であると良く、0.8mol/L以上、9.4mol/L以下であると好ましい。また、ケイ素化合物(A)の加水分解縮合を進行させて乾燥時のシリカ粒子同士の融着凝集を抑えると共に、一次粒子径の変動係数がより小さなシリカ粒子を製造するには、塩基性触媒を使用し、かつ、(塩基性触媒)/(ケイ素化合物(A))で算出されるモル比を0.5以上にすると良い。
上記ケイ素化合物(A)の縮合を行なう場合、溶媒にケイ素化合物(A)を添加する。このときの添加態様は、特に限定されず、様々な方法を採用できる。例えば、(1)溶媒にケイ素化合物(A)を一括して添加し、攪拌する方法、(2)溶媒を攪拌しながら、ケイ素化合物(A)を数回に分けてその溶媒に添加する方法、(3)溶媒を攪拌しながら、ケイ素化合物(A)を連続的に添加する方法、(4)ケイ素化合物(A)を含有する有機溶媒を予め調製し、この有機溶媒を前記(1)〜(3)のいずれかの方法で添加する方法、である。
また、使用する水および触媒も有機溶媒または溶媒(水と有機溶媒とからなるもの)に添加する。このときの添加態様も、特に限定されず、様々な方法を採用できる。例えば、初めに一括して添加する方法、数回に分けて添加する方法、連続的に添加する方法である。
ケイ素化合物(A)の加水分解縮合を生じさせる際の温度は、0℃以上であると良く、10℃以上であると好ましく、20℃以上であるとより好ましい。また、この温度は、100℃以下であると良く、70℃以下であると好ましく、50℃以下であるとより好ましい。温度が0℃以上であれば、ケイ素化合物(A)の加水分解縮合が速やかに進行し、100℃以下であれば、その縮合の制御が容易になる。
また、上記加水分解縮合の反応時間は、30分以上が良く、1時間以上が好ましく、2時間以上がより好ましい。また、この時間は、100時間以下が良く、20時間以下が好ましく、10時間以下がより好ましい。反応時間が30分以上であれば、ケイ素化合物(A)の加水分解縮合が十分進行し、100時間以下であれば、加熱処理に要するエネルギーを低く抑えることができる。
縮合工程におけるケイ素化合物(A)の加水分解縮合を生じさせるには、上述の濃度、反応温度、反応時間であると良い。ケイ素化合物(A)の濃度が0.05mol/L以上、2.0mol/L以下、水の濃度が2mol/L以上、25mol/L以下、触媒の濃度が0.8mol/L以上、9.4mol/L以下、(塩基性触媒)/(ケイ素化合物(A))で算出されるモル比が0.5以上、10.0以下、反応温度が20℃以上、50℃以下、かつ、反応時間が2時間以上、10時間以下であれば、粒子径が揃っている前駆体粒子(I)が溶媒に分散した分散液を調製できる。
なお、得られた分散液中の粗大な前駆体粒子(I)や当該前駆体粒子(I)の凝集物を除去する必要があれば、フィルターでその除去が可能である。前駆体粒子(I)の平均粒子径よりも1μm以上大きな目開きのフィルターを使用すれば、粗大な前駆体粒子(I)等を除去できる。上記フィルターは、空隙を持つメッシュであってもよい。
濃縮工程では、縮合工程で得られた前駆体粒子(I)が分散する分散液の溶媒を蒸発させて、分散液を濃縮する。本実施形態に係る濃縮工程では、下記一般式(B)で表されるアルコールを分散液と共に蒸発器に仕込み、仕込まれたアルコールと分散液の溶媒とを蒸発させて、分散液の濃縮を行なう。
H−OR1 (B)
一般式(B)において、R1は、上記一般式(1)と同じく、鎖状アルキル基、環状アルキル基、またはアラルキル基を表し、この一般式(B)におけるR1は、炭素数が4〜18である。
本実施形態の濃縮工程では、仕込まれたアルコールが前駆体粒子(I)表面の水酸基および/または−OR1基とのエステル交換反応に関与する。つまり、(1)アルコールのR1基と、前駆体粒子(I)表面の水酸基における水素原子および/または同表面の−OR4基のR4基(R4は上記と同じ)におけるSi原子と単結合している酸素原子に結合している基の一部とが置換されるか、(2)アルコールの−OR1基と、前駆体粒子(I)表面の水酸基および/または同表面の−OR4基の一部とが置換される。従って、本第一実施形態による一つの技術的特徴は、メトキシ基および/またはエトキシ基が結合している前駆体粒子(I)表面に−OR1基をも結合させることにある(以下、この前駆体粒子(I)の表面に−OR1基を結合させたものを、「前駆体粒子(II)」と称することがある。)。
1価の脂肪族アルコール、1価の飽和脂環式アルコール、アラルキルアルコール等から選択された一種または二種以上のアルコールを、特に限定することなく、本濃縮工程でのアルコールとして使用できる。例えば、1価の脂肪族アルコールとしては、2−メチル−1−プロピルアルコール、2−メチル−2−プロピルアルコール、1−ブチルアルコール、2−ブチルアルコール、ペンチルアルコール、2−エチルヘキシルアルコール、1−オクチルアルコール、ラウリルアルコール、ステアリルアルコール;1価の飽和脂環式アルコールとしては、シクロヘキサノール;アラルキルアルコールとしては、ベンジルアルコール、フェネチルアルコール、1−フェニル−2−プロパノール、ジフェニルメタノール;である。
蒸発器へ分散液およびアルコールを仕込む方法は特に限定されず、任意の方法で分散液を仕込むと良い。例えば、(1)アルコールと分散液の混合液の全てを蒸発器に仕込む方法、(2)アルコールを予め蒸発器に仕込んだ後、分散液を徐々に蒸発器に導入してアルコールと混合する方法、(3)分散液を予め蒸発器に仕込んだ後、アルコールを徐々に蒸発器に導入して混合する方法、が挙げられる。
温度および時間は、エステル交換率およびアルコール蒸発の程度に応じて適宜に設定される。一般的な傾向としては、温度が高い程、エステル交換反応が進行する。また、時間が長い程、エステル交換反応が進行する。加熱により温度が調整され、この温度は、概ね50℃以上、250℃以下が良く、70℃以上、230℃以下が好ましく、100℃以上、200℃以下がより好ましい。他方、時間は、概ね1時間以上、10時間以下が良く、2時間以上、8時間以下が好ましく、3時間以上、6時間以下がより好ましい。
乾燥工程では、濃縮工程で完全に蒸発させることができなかった溶媒を蒸発させて、分散液を乾燥させる。
溶媒を蒸発させるための乾燥方式には、前駆体粒子(II)同士の凝集、融着、または固着を抑制できる方式を選択することが好ましい。この凝集等を抑制できる方式としては、例えば、気流乾燥方式、噴霧乾燥方式が挙げられる。
乾燥方式として気流乾燥方式を採用した場合、気流および/または乾燥装置の内壁との衝突により、前駆体粒子(II)の凝集体の解砕が促進される。そのため、乾燥された前駆体粒子(II)の凝集体量を低減することができる。この気流乾燥方式で分散液を加熱する方式には、直接加熱方式および間接加熱方式の何れを選択しても構わない。直接加熱方式であれば、熱風発生炉等により発生させた熱風を濃縮された分散液と接触させることにより、分散液の溶媒を蒸発させることができ、かつ、熱風の気流により、前駆体粒子(II)の凝集体の解砕を促進させることができる。間接加熱方式であれば、熱伝導材料を介して濃縮された分散液を加熱することにより、分散液の溶媒を蒸発させることができ、かつ、外部から導入された気流または内部で循環している気流により、分散液の分散および前駆体粒子(II)の凝集体の解砕を促進させることができる。
乾燥方式として、噴霧乾燥方式を採用した場合、濃縮された分散液が噴霧されることで、分散液の分散および前駆体粒子(II)の凝集体の解砕を促進させることができる。分散液の溶媒の蒸発に伴う前駆体粒子(II)の凝集を抑制するためには、噴霧乾燥方式が、分散液の溶媒を瞬時に高温に加熱し、且つ、乾燥系内の圧力を低圧に維持するための真空排気を行って溶媒を蒸発させる真空瞬間乾燥法であると好適である。更に、前駆体粒子(II)凝集体の十分な解砕を行うためには、溶媒の蒸発が行われる直線部と屈曲部とで構成された管を備え、管の出口側(屈曲部側)から真空排気しつつ、管の入口側(直線部側)から分散液を供給できる装置を使用する。このような装置を使用すれば、溶媒蒸発に伴う前駆体粒子(II)の凝集が生じても、屈曲部の壁にその凝集体が衝突することで、凝集体が解砕される。
なお、選択した上記乾燥方式によっては、溶媒を蒸発させた後に得られた前駆体粒子(II)同士が、凝集している場合がある。この場合、当該凝集体の解砕処理を別途行っても良い。
表面処理工程では、前駆体粒子(II)の表面をシリル化剤で処理して、この表面に上記一般式(2)で表されるオルガノシロキシ基を結合させる。
前駆体粒子(II)の水酸基における水素を上記オルガノシロキシ基に変換することができる公知のシリル化剤から一種または二種以上選択し、これを本工程におけるシリル化剤として使用できる。例えば、下記一般式(C)で表されるシリル化剤を使用すると良い。また、シラザン化合物も本発明におけるシリル化剤として好ましい。
2 3SiR9 (C)
上記一般式(C)において、R2は、上記一般式(2)におけるR2と同じであり、アルキル基、アリール基、およびアルケニル基から選択された一種または二種以上の基を表し、アルキル基が好ましく、メチル基が特に好ましい。R9は、アルコキシ基、水酸基、アシロキシ基、ハロゲン原子、または水素原子を表す。
一般式(C)で表されるシリル化剤の具体例としては、トリメチルメトキシシラン、トリメチルエトキシシラン、トリメチルシラノール、トリメチルクロロシラン、トリエチルクロロシラン、メチルジフェニルクロロシラン;等が挙げられる。上記シラザン化合物としては、例えば、ヘキサメチルジシラザン、ヘキサエチルジシラザン、へキサプロピルジシラザン、ヘキサブチルジシラザン、ヘキサペンチルジシラザン、ヘキサヘキシルジシラザン、ヘキサシクロヘキシルジシラザン、ヘキサフェニルジシラザン、ジビニルテトラメチルジシラザン、ジメチルテトラビニルジシラザンが挙げられる。
シリル化剤の使用量は、前駆体粒子(II)とシリル化剤の総量を100質量%としたときに、通常1〜30質量%であると良く、5〜25質量%であると好ましく、7〜22質量%であると更に好ましい。
シリル化剤による表面処理を行うには、ヘンシェルミキサー等の公知の混合機内で前駆体粒子(II)を攪拌しつつ、この前駆体粒子(II)にシリル化剤を噴霧すると良い。この噴霧の際には、前駆体粒子(II)を窒素等の雰囲気中に置き、シリル化剤の噴霧の後に前駆体粒子(II)を加熱する。加熱温度は、100℃以上、250℃以下が良く、120℃以上、230℃以下が好ましく、150℃以上、200℃以下がより好ましい。また、加熱時間は、1時間以上、10時間以下が良く、2時間以上、8時間以下が好ましく、3時間以上、6時間以下がより好ましい。
次に、第二実施形態に係るシリカ粒子の製造方法について説明する。
本実施形態は、濃縮工程ではなく、濃縮工程と乾燥工程の間の濃縮された分散液にアルコールを混合することにおいてのみ第一実施形態の製造方法と異なる。つまり、第一実施形態では濃縮工程で実行される前駆体粒子(I)への−OR1基結合が、第二実施形態では乾燥工程において行われる。
第二実施形態では、濃縮工程後から乾燥工程までの間に濃縮された分散液に混合するアルコールとして1価の脂肪族アルコール、1価の飽和脂環式アルコール、アラルキルアルコール等から選択された一種または二種以上のアルコールを特に限定することなく使用できる。例えば、1価の脂肪族アルコールとしては、2−メチル−1−プロピルアルコール、2−メチル−2−プロピルアルコール、1−ブチルアルコール、2−ブチルアルコール、ペンチルアルコール、2−エチルヘキシルアルコール、1−オクチルアルコール、ラウリルアルコール、ステアリルアルコール;1価の飽和脂環式アルコールとしては、シクロヘキサノール;アラルキルアルコールとしては、ベンジルアルコール、フェネチルアルコール、1−フェニル−2−プロパノール、ジフェニルメタノール、トリフェニルメタノール;である。
(粒子の用途)
シリカ粒子を必要とする広範な用途に本発明に係るシリカ粒子を適用できる。トナーの流動性を高める外添材として使用した場合、トナーの帯電量変化を抑えることができる。
本発明に係るシリカ粒子をトナーの外添材として使用するとき、このトナーは、着色剤と結着樹脂とを有することが通常である。この着色剤には、カーボンブラック、シアンカラー、マゼンタカラー、イエローカラー、体質顔料等の染料及び顔料を使用できる。また、結着樹脂には、スチレン、クロルスチレン、ビニルスチレン等のスチレン類;エチレン、プロピレン、ブチレン、イソブチレン等のモノオレフィン;酢酸ビニル、プロピオン酸ビニル、安息香酸ビニル、酪酸ビニル等のビニルエステル;アクリル酸メチル、アクリル酸エチル、アクリル酸ブチル、アクリル酸ドデシル、アクリル酸オクチル、アクリル酸フェニル、メタクリル酸メチル、メタクリル酸エチル、メタクリル酸ブチル、メタクリル酸ドデシル等のα−メチレン脂肪族モノカルボン酸のエステル;ビニルメチルエーテル、ビニルエチルエーテル、ビニルブチルエーテル等のビニルエーテル;ビニルメチルケトン、ビニルヘキシルケトン、ビニルイソプロピルケトン等のビニルケトン等の単独重合体あるいは共重合体;等を使用できる。
また、トナーには添加剤として、フェライト等の磁性体、電化制御剤、導電性調節剤、繊維状物質等の補強充填剤、酸化防止剤、離型剤などを含有させても良い。
トナーの外添材としてシリカ粒子を使用する場合、この粒子の使用量は、トナーの種類により適宜設定される。トナーが非磁性であるとき、シリカ粒子の使用量は、トナー100質量部に対して0.1質量部未満であるとトナーの帯電性を制御できない場合があるので、0.1質量部以上であると良く、0.1〜10質量部であると好ましく、0.5〜5質量部であると更に好ましい。また、トナーが磁性体を含む磁性トナーであるとき、磁性体を除いたトナー100質量部に対して、シリカ粒子の使用量を設定すると良い。
トナーとシリカ粒子を混合するには、公知の混合手段を適用できる。その手段に使用する装置としては、例えば、ヘンシェルミキサー、ナウターミキサー、ボールミル、V型混合機、ターブラミキサー、ペイントシェイカーが挙げられる。
以下に実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明は、下記実施例によって限定されるものではなく、前・後記の趣旨に適合しうる範囲で適宜変更して実施することも可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。
各実施例および比較例におけるアルコキシ基量、平均粒子径、一次粒子径の変動係数、疎水化度、帯電量、低分散粒子径平均値、高分散粒子径平均値、高分散粒子径の変動係数、不純物元素の含有量は、次の通りにして算出した。
(アルコキシ基量)
シリカ粒子1gと、0.05N−NaOH水溶液50mlとを混合後、室温で10時間攪拌し、懸濁液を得た。この懸濁液を、1×105G以上、60分間の条件で遠心分離し、上澄み液を分取した。この上澄み液中のアルコキシ基を、水素炎イオン化検出器を備えるガスクロマトグラフを使用して定量分析し、その結果からシリカ粒子1gの表面に存在するアルコキシ基量を算出した。
(一次粒子の平均粒子径、変動係数)
SEM(日立製作所社製走査型電子顕微鏡「S−3500N」)を使用し、50〜100個程度のシリカ粒子を確認できる1万倍率程度でこの試料観察像を無作為に5枚撮影し、全撮影像から確認できる一次粒子の直径を無作為に測定した。この測定値から、個数を基準にした平均粒子径を算出した。また、平均粒子径と、一次粒子径の標準偏差とを次式に当てはめ、一次粒子径の変動係数を求めた。
一次粒子径の変動係数(%)=シリカ粒子の一次粒子径の標準偏差/平均粒子径×100
(疎水化度)
底部に攪拌子を置いた200ccのガラスビーカーに水50ccを投入し、その水面にシリカ粒子0.2gを置いた後、攪拌子を緩やかに回転させた。その後、ビーカー内の水中にビュレットの先端部を挿入し、このビュレットから水中にメタノールを徐々に導入した。この導入を、水面のシリカ粒子が完全に沈んだことを目視確認できるまで行なった。そして、疎水化度を次式に基づき求めた。
(帯電量)
シリカ粒子1質量部と、キャリア粒子である平均粒子径100μmの鉄粉100質量部の混合物を、メノウ鉢内で5分間分散させた。この粉砕物2mgのブローオフ帯電量を、帯電量測定装置(京セラケミカル社製「TB200」)を使用して測定した。ここでの測定条件は、金網の目数を500メッシュ、ブロー圧を0.06kg、ブロー時間を30秒、とした。
(低分散粒子径平均値)
シリカ粒子2質量部とメタノール100質量部の混合液を20分間攪拌した。この攪拌により得られた分散液について、レーザー回折/散乱式粒度分布測定装置(株式会社堀場製作所製LA−920)を用いて計測した。得られた体積基準の粒度分布(単分散モード)の算術平均値をもって低分散粒子径平均値とした。
(高分散粒子径平均値、高分散粒子径の変動係数)
低分散粒子径平均値の算出と同様にして調製した分散液を超音波分散機で10分間以上処理することにより、分散液におけるシリカ粒子を高分散させた。その後、レーザー回折/散乱式粒度分布測定装置(株式会社堀場製作所製LA−920)を用いて得られた体積基準の粒度分布(単分散モード)の算術平均値をもって高分散粒子径平均値とした。また、高分散粒子径平均値と、高分散粒子径の標準偏差とを次式に当てはめて、高分散粒子径の変動係数を求めた。
高分散粒子径の変動係数(%)=高分散粒子径の標準偏差/高分散粒子径平均値×100
(不純物の含有量)
シリカ粒子におけるNa、K、Li、F、Clの各含有量を測定した。Na、K、Liの各元素の含有量は、JIS K 0121の原子吸光分析により分析を行った。F、Clの各元素の含有量は、JIS K 0127のイオンクロマトグラフにより分析を行った。
(実施例1)
以下の縮合工程、濃縮工程、乾燥工程、表面処理工程、解砕・分級工程に従って、実施例1の粒子を調製した。
縮合工程:
攪拌機、滴下装置および温度計を備えた容量50Lの反応器に、メタノール17.6kgと25質量%アンモニア水(塩基性触媒の水溶液)3.55kgとを仕込み、反応器内の液温を40±0.5℃に調整しながら1時間攪拌した。このとき、テトラメトキシシラン11.2kgおよび水2.65kgの夫々を、攪拌開始から4時間掛けて反応器内に滴下した。以上の操作により、テトラメトキシシランの加水分解縮合で粒子状シリカ(前駆体粒子(I))が生じ、メタノールに前駆体粒子(I)が分散する液を調製した。この分散液から少量のシリカを採取し、これを乾燥後、SEM観察に基づき、前駆体粒子(I)の平均粒子径およびこの一次粒子径の変動係数を算出した(算出値は、後記表1参照)。なお、前駆体粒子(I)の平均粒子径、一次粒子径の変動係数は、後記表面処理工程を経て得られたシリカ粒子の平均粒子径、一次粒子径の変動係数と見て差し支えない。
濃縮工程:
攪拌機、滴下口、温度計、および熱媒加熱機能を備えた容量30Lの蒸発釜と、この蒸発釜からの蒸気を凝縮する凝縮器とを有する蒸発装置を使用し、次の手順で、上記縮合工程で得られた分散液の濃縮を行なうことにより、前駆体粒子(II)の分散液を得た。先ず、内部圧が常圧の蒸発釜にn−ブタノール18kgを仕込み、このブタノールを攪拌しながら熱媒温度を120℃に保持させつつ、蒸発釜の滴下口から上記分散液の全量を4時間掛けて蒸発釜内に送り込んだ。次に、蒸発釜内のメタノールと水とアンモニアを留出させた後、熱媒温度を160℃に設定し、蒸発釜からの全留出量が35.3kg、分散液中の固形分濃度が25質量%となった時点で、熱媒の冷却を開始した。
乾燥工程:
上記濃縮した分散液を、噴霧乾燥装置(ホソカワミクロン社製「CRUXシステム8B型」)を使用して気流乾燥させることにより、乾燥した前駆体粒子(II)を得た。使用した乾燥装置は、加熱水蒸気が供給されるジャケットで覆われた内径8mm,長さ8mのステンレス鋼管と、当該鋼管の一端部に濃縮された前駆体粒子(II)の分散液を供給する供給ポンプと、鋼管の他端部に接続され、かつ、前駆体粒子(II)および分散液の分散媒蒸気を分離するバグフィルタが設けられた内部減圧化可能な粉体捕集室と、を備えている。この乾燥装置の鋼管内では分散液が間接的に加熱されて分散媒が蒸発するとともに、その鋼管内の粉体捕集室側が減圧化して生じる気流により、鋼管内における分散液の拡散と凝縮した前駆体粒子(II)の解砕が促進される。鋼管を通過した前駆体粒子(II)は、バグフィルタにより捕集され、他方の分散媒蒸気は、バグフィルタ通過後凝縮され、そして乾燥装置外に排出される。この乾燥装置を使用した本実施例では、分散液の乾燥条件を、操作圧50torr、加熱管ジャケット温度170℃、粉体捕集室内温度150℃として、上記濃縮した分散液の全量17.7kgを乾燥した。得られた前駆体粒子(II)については、その表面の−OR基を定量した(当該定量値は、後記表1参照)。
表面処理工程:
加熱ジャケットを備えた容量20Lのヘンシェルミキサー(三井鉱山株式会社製FM20J型)内で、乾燥した前駆体粒子(II)の表面をシリル化剤である信越シリコーン社製ヘキサメチルジシラザン(以下、「HMDS」と称することがある)で処理した。ここで使用したヘンシェルミキサーは、前駆体粒子(II)等が仕込まれる容器と、当該容器内を攪拌するための回転攪拌羽と、前記容器内壁に沿って周回して該内壁の付着物を掻き落とすための付着物除去板と、を備える装置である。HMDSによる前駆体粒子(II)の表面処理は、次の手順で行なった。先ず、前駆体粒子(II)4kgをヘンシェルミキサーの常温の容器内に投入し、窒素ガスを1L/minで連続して吹き込みつつ、HMDS0.8kgを30分掛けて前駆体粒子(II)に向けて噴霧した。なお、ヘンシェルミキサーの回転攪拌羽の回転方向と、付着物除去板の周回方向とは逆方向とした。次に、1時間後に150℃になるように温度を徐々に昇温させた後、当該温度を3時間保持した。その後、HMDSで表面処理された前駆体粒子(II)(本実施例のシリカ粒子)を40℃にまで自然冷却させた後、このシリカ粒子をヘンシェルミキサーから取り出した。
解砕・分級工程:
HMDSで表面処理された上記シリカ粒子を、カウンタージェット粉砕分級機(ホソカワミクロン社製「Type:100型」、解砕圧:6g/cm)を使用して解砕・分級した。
(実施例2)
反応器に、メタノール11.75kgと28質量%アンモニア水3.40kgとを仕込み、反応器内の液温を25±0.5℃に調整すると共に攪拌を行ないながら、テトラメトキシシラン2.7kgを60分掛けて滴下した。次に、攪拌を1時間継続した後、反応器内に28質量%アンモニア水1.25kgを一括して添加し、更に1時間攪拌した。その後、テトラメトキシシラン11.4kgとメチルトリメトキシシラン(以下、「MTMS」と称することがある)0.6kgとの混合液を240分掛けて反応器内に滴下した。なお、MTMSには、信越シリコーン社製「KBM−13」を使用した。前記テトラメトキシシラン等の混合液の滴下と同時に、28質量%アンモニア水溶液1.1kgと水0.5kgとの混合液の滴下も行なった。これら滴下後、攪拌を2時間行うことで、前駆体粒子(I)の分散液を得た。その後、濃縮工程においてn−ブタノールを1−オクタノールに変更した以外は、実施例1と同様にして本実施例の粒子を得た。
(実施例3)
濃縮工程を以下の通り行い、当該濃縮工程後の分散液に後記の通りアルコールを添加・攪拌したものを乾燥工程における処理対象とした以外は、実施例1と同様にして、本実施例の粒子を得た。
本実施例における濃縮工程では、先ず、蒸発釜に分散液の一部(20kg)を仕込み、この分散液を攪拌しながら熱媒温度を120℃に設定し、メタノールと水とアンモニアを蒸発させた。次に、3時間掛けて分散液の残りを蒸発釜内に送り込んだ後、蒸発釜からの全留出量が17.3kg、分散液中の固形分濃度が25質量%となった時点で、熱媒の冷却を開始した。
濃縮工程と乾燥工程との間のアルコールの添加では、ベンジルアルコール3.5kgを添加し攪拌した。
(実施例4)
縮合工程を次の通り行った以外は、実施例1と同様にして本実施例の粒子を得た。攪拌機、滴下装置および温度計を備えた容量150Lの反応器に、エタノール73.84kg、25質量%アンモニア水28.75kg、および水2.5kgを仕込み、反応器内の液温を30±0.5℃に調整しながら1時間攪拌した。このとき、テトラエトキシシラン14kgを、攪拌開始から4時間掛けて反応器内に滴下した。
(実施例5)
濃縮工程においてブタノールに替えて1−オクタノールを使用した以外は、実施例1と同様にして本実施例の粒子を得た。
(比較例1)
表面処理工程を省き、かつ、濃縮工程を以下の通りとした以外は、実施例1と同様にして本比較例の粒子を得た。本比較例の濃縮工程では、先ず、蒸発釜に分散液の一部(20kg)を仕込み、この分散液を攪拌しながら熱媒温度を120℃に設定し、メタノールと水とアンモニアを蒸発させた。次に、3時間掛けて分散液の残りを蒸発釜内に送り込んだ後、蒸発釜からの全留出量が17.3kg、分散液中の固形分濃度が25質量%となった時点で、熱媒の冷却を開始した。
(比較例2)
濃縮工程を以下の通りとした以外は、実施例1と同様にして本比較例の粒子を得た。本比較例における濃縮工程では、先ず、蒸発釜に分散液の一部(20kg)を仕込み、この分散液を攪拌しながら熱媒温度を120℃に設定し、メタノールと水とアンモニアを蒸発させた。次に、3時間掛けて分散液の残りを蒸発釜内に送り込んだ後、蒸発釜からの全留出量が17.3kg、分散液中の固形分濃度が25質量%となった時点で、熱媒の冷却を開始した。
(比較例3)
縮合工程を次の通り行った以外は、実施例1と同様にして本比較例の粒子を得た。攪拌機、滴下装置および温度計を備えた容量50Lの反応器に、n−ブタノール17.2kg、25質量%アンモニア水11.0kg、および水1.0kgを仕込み、反応器内の液温を40±0.5℃に調整しながら5時間攪拌した。このとき、テトラブトキシシラン10.8kgを、攪拌開始から3時間掛けて反応器内に滴下した。
(比較例4)
攪拌機、滴下装置および温度計を備えた容量2Lの反応器に、メタノール395.5g、水23.7gおよび25質量%アンモニア水35.2gを仕込み、反応器内の液温を35±0.5℃に調整しながら8時間攪拌した。このとき、テトラメトキシシラン700.7gおよびテトラブトキシシラン77.1gからなる混合液と、5.4質量%アンモニア水265.1gとを攪拌開始から6時間掛けて反応器内に滴下した。以上の操作により、粒子状シリカが分散する液を調製した。この分散液を濃縮、乾燥して本比較例の粒子を得た。
次表1に、実施例および比較例の粒子のアルコキシ基量等を示す。
表1において次のことを確認することができる。
(1)例えば、比較例2よりもアルコキシ基の全量が少ない実施例3、4の疎水化度が、比較例2の疎水化度よりも高いことから分かるように、本発明に係るシリカ粒子(実施例1〜4の粒子)は、疎水性に優れることを確認することができる。
(2)メチル基(置換基を有していても良いアルキル基、アリール基、および置換基を有していても良いアルケニル基から選択された基であって、当該選択された一種または二種以上の基が、2原子または3原子の酸素原子と単結合しているSi原子に結合しているもの)が表面に結合しているシリカ粒子は、特に疎水化度が高いことを確認することができる(実施例2と、実施例1、3および4との対比)。
(3)テトラメトキシシランとテトラブトキシシランを同時に加水分解縮合させて得られたメトキシ基とブトキシ基とが表面に結合した比較例4の粒子では、その一次粒子径の変動係数が10.0%を超えていた。その一方で、上記ケイ素化合物(A1)を使用して前駆体粒子(I)を調製した後に上記一般式(B)で表されるアルコールを使用して前駆体粒子(II)を調製する工程を経ることにより得られた実施例のシリカ粒子は、一次粒子径の変動係数が10.0%以下であった。

Claims (9)

  1. メトキシ基および/またはエトキシ基と、下記一般式(1)で表されるアルコキシ基と、下記一般式(2)で表されるオルガノシロキシ基とが表面に結合し、一次粒子径の変動係数が10.0%以下であるシリカ粒子。
    −OR1 (1)
    (一般式(1)において、R1は炭素数4〜18の鎖状アルキル基、環状アルキル基、またはアラルキル基を表す。)
    −OSiR2 3 (2)
    (一般式(2)において、R2はアルキル基、アリール基、およびアルケニル基から選択された一種または二種以上の基を表す。)
  2. 前記メトキシ基およびエトキシ基の量に対する前記一般式(1)で表されるアルコキシ基の量のモル比が、0.05以上、2.00以下である請求項1に記載のシリカ粒子。
  3. 置換基を有していても良いアルキル基、アリール基、および置換基を有していても良いアルケニル基から選択された一種または二種以上の基を表面に有し、当該選択された一種または二種以上の基が、2原子または3原子の酸素原子と単結合しているSi原子に結合している請求項1または2に記載のシリカ粒子。
  4. 平均粒子径が、0.01μm以上、2.00μm以下である請求項1〜3のいずれか1項に記載のシリカ粒子。
  5. 高分散粒子径の変動係数が、20.0%以下である請求項1〜4のいずれか1項に記載のシリカ粒子。
  6. 下記一般式(A)で表されるケイ素化合物(A)を含み、かつ、該ケイ素化合物(A)に属する下記一般式(A1)で表されるケイ素化合物(A1)を少なくとも含む溶媒中で前記ケイ素化合物(A)を加水分解縮合させることにより、メトキシ基および/またはエトキシ基が表面に結合している前駆体粒子(I)を調製し、
    前駆体粒子(I)と下記一般式(B)で表されるアルコールとを接触させて、前駆体粒子(I)の表面に下記一般式(1)で表わされるアルコキシ基を結合させることにより前駆体粒子(II)を調製し、
    前駆体粒子(II)の表面に下記一般式(2)で表されるオルガノシロキシ基を結合させる請求項1〜5のいずれか1項に記載のシリカ粒子の製造方法。
    3 LSiR4 (4-L) (A)
    (一般式(A)において、R3は置換基を有していても良いアルキル基、アリール基、および置換基を有していても良いアルケニル基から選択された一種または二種以上の基を表し、R4は水酸基、メトキシ基、エトキシ基、およびアシロキシ基から選択された一種または二種以上の基を表し、Lは0〜3の整数を表す。)
    5 mSiR6 (4-m) (A1)
    (一般式(A1)において、R5は置換基を有していても良いアルキル基、アリール基、および置換基を有していても良いアルケニル基から選択された一種または二種の基を表し、R6はメトキシ基、およびエトキシ基から選択された一種または二種以上の基を表し、mは0〜2の整数を表す。)
    H−OR1 (B)
    (一般式(B)において、−OR1は炭素数が4〜18の鎖状アルキル基、環状アルキル基、またはアラルキル基を表す。)
    −OR1 (1)
    (一般式(1)において、R1は炭素数が4〜18の鎖状アルキル基、環状アルキル基、またはアラルキル基を表す。)
    −OSiR2 3 (2)
    (一般式(2)において、R2はアルキル基、アリール基、およびアルケニル基から選択された一種または二種以上の基を表す。)
  7. 下記一般式(A)で表されるケイ素化合物(A)を含み、かつ、該ケイ素化合物(A)に属する下記一般式(A1)で表されるケイ素化合物(A1)を少なくとも含む溶媒中で前記ケイ素化合物(A)を加水分解縮合させる縮合工程と、
    前記縮合により得られたメトキシ基および/またはエトキシ基が表面に結合している前駆体粒子(I)の分散液を濃縮する濃縮工程と、
    濃縮した前記分散液を乾燥する乾燥工程と、
    前記乾燥後に得られた前駆体粒子(II)の表面をシリル化剤で処理して、前駆体粒子(II)の表面に下記一般式(2)で表されるオルガノシロキシ基を結合させる表面処理工程とを有し、
    前記縮合工程後から乾燥工程終了までに前記前駆体粒子(I)と下記一般式(B)で表されるアルコールとを混合し、前駆体粒子(I)の表面に下記一般式(1)で表されるアルコキシ基を結合させることにより前記前駆体粒子(II)を調製することを特徴とするシリカ粒子の製造方法。
    3 LSiR4 (4-L) (A)
    (一般式(A)において、R3は置換基を有していても良いアルキル基、アリール基、および置換基を有していても良いアルケニル基から選択された一種または二種以上の基を表し、R4は水酸基、メトキシ基、エトキシ基、およびアシロキシ基から選択された一種または二種以上の基を表し、Lは0〜3の整数を表す。)
    5 mSiR6 (4-m) (A1)
    (一般式(A1)において、R5は置換基を有していても良いアルキル基、アリール基、および置換基を有していても良いアルケニル基から選択された一種または二種の基を表し、R6はメトキシ基、およびエトキシ基から選択された一種または二種以上の基を表し、mは0〜2の整数を表す。)
    H−OR1 (B)
    (一般式(B)において、−OR1は炭素数が4〜18の鎖状アルキル基、環状アルキル基、またはアラルキル基を表す。)
    −OR1 (1)
    (一般式(1)において、R1は炭素数が4〜18の鎖状アルキル基、環状アルキル基、またはアラルキル基を表す。)
    −OSiR2 3 (2)
    (一般式(2)において、R2はアルキル基、アリール基、およびアルケニル基から選択された一種または二種以上の基を表す。)
  8. 前記縮合工程における溶媒中に塩基性触媒が含まれ、(塩基性触媒)/(ケイ素化合物(A))で算出されるモル比が0.5以上である請求項7に記載のシリカ粒子の製造方法。
  9. 前記縮合工程において、前記ケイ素化合物(A)に属する下記一般式(A2)で表されるケイ素化合物(A2)の一種または二種以上が溶媒に含まれている請求項7または8に記載のシリカ粒子の製造方法。
    7 nSiR8 (4-n) (A2)
    (一般式(A2)において、R7は置換基を有していても良いアルキル基、アリール基、および置換基を有していても良いアルケニル基から選択された一種または二種以上の基を表し、R8は水酸基、メトキシ基、エトキシ基、およびアシロキシ基から選択された一種または二種以上の基を表し、nは1〜3の整数を表す。)
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