JP5246098B2 - 電子写真式画像形成装置の二成分現像剤 - Google Patents

Description

本発明は、電子写真式画像形成装置の二成分現像剤に係わり、更に詳しくはポリ乳酸樹脂をメイン樹脂とするトナーとポリ乳酸を分散させたコート材により表面コートされたキャリアから成る二成分現像剤に関する。

従来、電子写真方式の画像形成装置には、一成分現像剤（トナー）を用いる方式のものと、二成分現像剤を用いる方式のものとがある。一成分現像剤を用いる方式は、取り扱いと制御が比較的容易であるため、現像剤としては一成分トナーが主流を占めていた。

ところが近年のように、印刷（以下、印字ともいう）処理の高速化に対する要望が強まってくると、印刷処理の高速化には二成分現像剤を用いる方式の方がよく対応できるため、更なる改良を加えた二成分現像剤が種々提案されるようになった。

上記の二成分系現像剤はトナーとキャリアで構成される。キャリアは現像器内でトナーと混合撹拌されてトナーに所定の電荷を与える。電荷を与えられたトナーはキャリアの表面に一時的に付着してキャリアの表面を被覆する。

キャリアは電荷を帯びたトナーを感光体上に運び、感光体上の静電潜像にトナーを転移させて、静電潜像上にトナー像を現像させる。表面のトナーを放出したキャリアは現像ローラ上に残り、再び現像器内に戻って新たなトナーと再び混合撹拌され、トナーに電荷を与え、そのトナーを感光体上に運ぶ、というように繰り返し使用される。

上記のようなキャリアとトナーとの関係では、摩擦熱によってキャリア表面にトナーが融着するスペント化の問題がある。また、現像器内における攪拌によって、キャリア表面の樹脂被覆層の剥離や脱落が生じ、これによるキャリア抵抗変化が起こり、初期段階の画像に比べて経時的には画像濃度不足や画像のカブリ等の画像の劣化を招くという問題も生じている。

これに対して近年、キャリアに関して現像装置の長寿命化が要求されている。このような要望に応えて上記のような問題を解決するために、通常、キャリアには、磁性コアの表面に、シリコン系樹脂、アクリル系樹脂、又はフッ素系樹脂等をコート材とした表面コート加工が施されることが多くなっている。

例えば、コート層の磨耗が極めて少なく、高寿命であり、長期にわたって特性が保持された高耐久性のキャリア粒子を形成するために、有機成分及び無機成分からなる複合材料を主成分とする電子写真キャリア用コート剤を作成し、このコート剤により処理されたキャリア粒子、その製造方法、及びそのキャリア粒子を用いた電子写真用現像剤が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

このように、キャリアに対する表面コートにより、帯電量や抵抗の安定化や、キャリア表面にトナーやトナー材料の一部が付着して起こるスペント現象などの耐汚染性による改良がされている。

ところで、従来、結着樹脂にはスチレン・アクリル樹脂や、ポリエステル樹脂などの石油由来の樹脂が使用されているが、近年、環境への配慮から、廃棄時に環境への負荷の少ない生分解性樹脂、さらには、再生可能資源からつくられるバイオマス由来の樹脂を、トナー用樹脂として用いる方法が提案されている。

これらの生分解性樹脂やバイオマス由来のプラスチックは、バイオプラスチックと呼ばれ、化石資源の消費を削減し、地球温暖化の元凶といわれる大気中の二酸化炭素濃度の上昇を抑制するものと期待されている。

地球温暖化を可及的に抑止するために地球環境汚染を予防する方策的概念としてカーボンニュートラル(Carbon Neutral) という環境化学の用語がある。カーボンニュートラルは直訳すれば「環境中の炭素循環量に対して中立」と意味になる。これは何かを生産したり一連の人為的活動を行った際に排出される二酸化炭素と吸収される二酸化炭素が同じ量であるという概念である。

このカーボンニュートラルの見地から地球環境汚染の防止に有益であるとして、植物由来の原料から合成されるバイオプラスチックを素材とするトナー材が考えられている。バイオプラスチックのうち、現在最も有望な樹脂のひとつがポリ乳酸であり、例えば、ポリ乳酸を構成単位とする樹脂を用いて、定着性及び保存性を両立させることができるというトナーが提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００８−２８６８１５号公報 特開２００８−２６２１７９号公報

しかしながら、ポリ乳酸樹脂のトナーを、二成分現像剤のトナーとして使用してみると種々の問題があることが判明する。第１には、キャリアに対する被覆率が低いという問題がある。

一般的に２成分現像剤のキャリアに対するトナーの被覆率としては６０％〜９０％が最適だとされている。上記のポリ乳酸トナーの場合も、計算上（トナーとキャリアを真球体とみなし表面積に対する質量比換算による被覆率）では問題ないと考えられた。

しかし、実際にＳＥＭ（Scanning Electron Microscope：走査型電子顕微鏡）により観察してみると、ポリ乳酸トナーによる被覆率は５０％以下であり、これはキャリアにほとんど付着していないといえる状態である。

なお、被覆率の数値的な確認方法としては、ＳＥＭ観察で得られた画像をソフトウエアで処理して、キャリア表面が見えている面積と付着しているトナー面積比で確認することができる。

ところで上述したように、従来、二成分現像剤の性能改善のため、キャリアの表面コート加工には、コート素材としてシリコン系樹脂、アクリル系樹脂、又はフッ素系樹脂等の樹脂が用いられている。

ところが、ポリ乳酸樹脂をメイン樹脂としたトナーを使用した場合は、上記いずれの表面コート加工をしたキャリアを用いても、計算上の被覆率は満足しても、ＳＥＭによる観察上では被覆率が低かった。

このように、二成分現像剤のトナーとしてポリ乳酸樹脂含有のトナーを用いた場合、従来の樹脂コート材を用いて表面コート加工されたキャリアでは、トナーの被覆率が十分に確保できず安定した帯電性が得られないため、画像濃度のバラツキや用紙かぶりが出たり、階調などの現像特性に悪影響が発現するため、現実には、二成分現像剤のトナーとしてポリ乳酸樹脂を利用したものは未だ実用にいたっていないという課題があった。

上記の課題を解決するために、本発明の電子写真式画像形成装置の二成分現像剤は、電子写真式画像形成装置の二成分現像剤において、ポリ乳酸を主原料とするトナーと、ポリ乳酸を分散した表面コート材により表面コートされたキャリアと、を混合して成り、上記表面コート材は、コート母材樹脂の１００質量％に対して、ポリ乳酸樹脂を４質量％以上３０質量％未満の割合で分散させて構成される。

上記キャリアの芯材は、例えば、フェライト系のＣｕ−Ｚｎ系、Ｍｎ−Ｍｇ−Ｓｒ系、Ｍｎ系、Ｌｉ−Ｍｇ−Ｃａ系、又は鉄粉系で構成され、また、表面コート無しの粒径は３５μｍ、飽和磁化は６５ｅｍｕ／ｇであるように構成される。

上記コート母材樹脂は、例えば、フッ素系樹脂、シリコン系樹脂、アクリル−スチレン系樹脂、アルキド樹脂、ポリオレフィン樹脂、ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂、又はこれらの樹脂のブレンド系であり、上記キャリアの表面コート樹脂の総量は、キャリアのコアを１００質量％としたとき０．０５〜１０．０質量％である。

本発明は、二成分現像剤におけるキャリアの表面コート材を、母材樹脂にポリ乳酸を分散させて構成するので、ポリ乳酸を主原料とするトナーのキャリアに対する被覆率が向上しトナーの安定した帯電性を得ることができ、これにより、ポリ乳酸を主原料とするトナーによる高画質の画像を形成できるという効果を奏する。

本発明の実施例１に係る二成分現像剤を得るために試作した８種類の二成分現像剤におけるキャリアに対するトナー被覆率とトナー帯電量とその評価を示す図表である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。

先ず、発明者は、二成分現像剤のトナーとしてポリ乳酸を母材料樹脂とするトナーを作成した。使用するポリ乳酸樹脂としては、高温高湿条件下でも凝集しない耐熱性を向上させたポリ乳酸を使用するのが好ましい。すなわち、少なくとも耐熱性約５０℃以上の樹脂でなければならない。この点ではトナーとして使用できる他の樹脂の条件と同じである。

このような耐熱性を向上させたポリ乳酸を加水分解して分子量を調整した後、この分子量調整後のポリ乳酸に、色剤としての顔料と、帯電制御剤としてのＣＣＡ又はＣＣＲなどの電荷制御剤を、二軸連続混練機ＰＣＭ−４３（株式会社池貝製）を使用して混練する。

この混練したものを、気流式または機械式の粉砕分級機によって粒径７．８μｍに調整されたトナー母体を作成する。このトナー母体１００質量％に対して大粒径シリカ０．９質量％、小粒径シリカ０．１質量％の割合でヘンシェルミキサーにて混合してトナー母体にシリカを外添させて、所望の中心粒径から成るトナーを得た。

次に、キャリアを作成する。キャリアのコアはフェライト系であれば特に素材的には制限されるものではないが、本例では、フェライト系のＣｕ−Ｚｎ系コアを用いる。このＣｕ−Ｚｎ系コアは、樹脂コート無しの粒径は３５μｍであり、飽和磁化は６５ｅｍｕ／ｇである。

尚、キャリアのコアとしては、Ｃｕ−Ｚｎ系の他に、Ｍｎ−Ｍｇ−Ｓｒ系、Ｍｎ系、Ｌｉ−Ｍｇ−Ｃａ系、又は鉄粉系を用いるようにしてもよい。

続いて、コーティング剤を作成する。コーティング剤は８種類を試作した。先ず、分散液としてのトルエン１００質量％と、ポリ乳酸樹脂の分散母材としてのシリコン樹脂（東レ・ダウコーニングシリコン社製）１００質量％に対し、ポリ乳酸樹脂を３０、２０、１５、１０、５、又は３質量％をそれぞれ混合し、それぞれホモジナイザーで分散させて、６種類の調整液を作成した。

上記に続き、更に、トルエン１００質量％、シリコン樹脂１００質量％、カーボンブラック１０質量％、ポリ乳酸樹脂１０質量％を混合し分散させたものと、トルエン１００質量％、シリコン樹脂１００質量％（ポリ乳酸樹脂無し）を混合したものの２種類の調整液を追加した。すなわち、本例で試作した調整液は合計８種類である。

これらの調整液を、それぞれ流動床コーティング装置で、先に作成したキャリアのコア１，０００質量％の表面にコーティングして、表面コート加工済みの８種類のキャリアを作成した。

尚、上記の樹脂コーティング材の分散母材としては、シリコン樹脂と限るものではなく、例えば、フッ素系樹脂、シリコン系樹脂、アクリル−スチレン系樹脂、アルキド樹脂、ポリオレフィン樹脂、ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂、又はこれらの樹脂のブレンド系であってもよく、特に制限はない。

要は、有機溶剤には溶解しないポリ乳酸樹脂を、粉末状で分散させることができるコーテキング樹脂材であればよい。

次に、上記のキャリア９０質量％とトナー１０質量％をボールミルなどで撹拌してキャリアとトナーを混合し、トナー濃度１０％の８種類の二成分現像剤を作成した。

図１は、上記のようにして作成した８種類の二成分現像剤におけるキャリアに対するトナー被覆率とトナー帯電量と評価を示す図表である。同図表は左から右へ、二成分現像剤の試料番号欄２、調整液の材料１の名称欄３、材料１の配合率欄４、調整液の材料２の名称欄５、材料２の配合率欄６、調整液の材料３の名称欄７、材料３の配合率欄８、トナー被覆率欄９、トナー帯電量欄１０、及び評価欄１１から成る。

試料番号欄２の番号１〜４、６及び７の試料は、最初に作成した６種類の調整液を示し、資料番号欄２の番号５及び８の試料は、後から追加した２種類の調整液を示している。

また、被覆率欄９に示す被覆率は、計算によって算出されたものであり、本来トナーの外添剤の被覆量を算出するための確定した式を用いて、トナーをキャリアに置換え、外添剤をトナーに置き換えると、キャリアに対するトナーの被覆量を算出することができる。

すなわち、キャリアの粒径をＤｔ、キャリアの比重をρｔ、トナーの粒径をＤａ、トナーの比重をρａとしたとき、
表面被覆率（％）＝（√３／２）×（（Ｄｔ×ρｔ）／（Ｄａ×ρａ））
×（（トナー仕込み量）／（キャリア仕込み量））×１００
として算出することができる。

本例のように、キャリアの表面コート剤として母材樹脂にポリ乳酸樹脂の粉末を分散した表面コート剤を用いた場合は、算出値とＳＥＭによる観察値とで差が無いことが判明している。

また、トナー帯電量欄１１に示すトナー帯電量は、以下のようにして測定した。先ず、トレック社製、Ｍｏｄｅｌ：２１０ＨＳ−２Ａを使用し、トナーとキャリアを混合した二成分現像剤をファラデーゲージ（現像剤ケース）に０．２ｇ入れて、６３５メッシュ（ステンレス鋼の金網規格で、メッシュ数：６３５、線径：０．０２０ｍｍ、目開き：０．０２０ｍｍ、網形態：綾織）で蓋をする。

次に、帯電量測定装置本体に接続された吸引式の小型ファラデーゲージで、二成分現像剤からトナーのみを分離する。トナーが分離されてキャリアのみが残ったファラデーゲージ（現像剤ケース）の質量を測定して、吸引したトナー質量を得る。得られたトナー質量と帯電量測定装置本体の測定値から計算してμＣ／ｇを算出してトナー帯電量とする。

以上の値の中でトナー被覆率をみると、試料番号２〜６の二成分現像において、トナー被覆率が７３％以上であり、トナーの被覆率としては最適だとされている６０％〜９０％の間に収まっている。

また、トナー帯電量を見ると、同じく試料番号２〜６の二成分現像において、トナー帯電量が−３７μＣ／ｇ以上であり、これも十分なトナー帯電量を示している。したがって試料番号２〜６の二成分現像においては、トナー被覆率、トナー帯電量ともに評価は「○」であった。

これら評価が「○」であった試料番号２〜６の二成分現像のキャリア表面コート剤の材料配合率をみると、分散母剤（シリコン樹脂）の質量を１００質量％とした場合に、分散剤であるポリ乳酸樹脂の質量は３０質量％未満が望ましいことが分かる。

これは、ポリ乳酸樹脂をシリコン樹脂などに３０質量％以上分散させた場合、分散剤の含有濃度が高くなって流動性が得られず、キャリアコアの表面に均一に付着しにくくなるからであると考えられる。

また、図表１をみると、ポリ乳酸樹脂が５質量％よりも少ないと、トナーの被覆率として十分な効果が得られないことも判明する。

尚、試料番号２〜６の二成分現像のキャリアの表面コート剤において、配合率とは別にキャリアコアに対する総コート量を実測して、キャリアコアの質量を１００質量％とした場合、表面コート層の総量は０．０５〜１０．０質量％が好ましく、特に０．１〜７．０質量％が好ましいことが判明した。

また、表面コート剤が０．０５質量％未満では、キャリア表面に均一な被覆層を形成することが出来ないこと、１０質量％を超えると被覆層が厚く成り過ぎてトナーの帯電性に問題が出ることも判明した。

また、表面コートしたキャリアの帯電調整や抵抗調整のために、必要に応じて上記した調整液の各母剤樹脂に、例えば試料番号５の母剤樹脂（材料３の名称欄７及び配合率欄８参照）のように、導電性物質、例えばカーボンブラック等を若干量、例えば１０質量％を加えるようにしてもよい。

上述したように本発明の実施例によれば、地球環境に優しいポリ乳酸樹脂をメイン樹脂とするトナーを用いる二成分現像剤において、キャリアの表面コート材にポリ乳酸を分散させるので、ポリ乳酸樹脂をメイン樹脂とするトナーに対してキャリアとして良好な被覆率と帯電性を付与することができる。

Claims (5)

1. 電子写真式画像形成装置の二成分現像剤において、
   ポリ乳酸を主原料とするトナーと、
   ポリ乳酸を分散した表面コート材により表面コートされたキャリアと、
   を混合して成り、
   前記表面コート材は、コート母材樹脂の１００質量％に対して、ポリ乳酸樹脂を４質量％以上３０質量％未満の割合で分散させて構成される、
   ことを特徴とする電子写真式画像形成装置の二成分現像剤。
2. 前記キャリアの芯材は、フェライト系のＣｕ−Ｚｎ系、Ｍｎ−Ｍｇ−Ｓｒ系、Ｍｎ系、Ｌｉ−Ｍｇ−Ｃａ系、又は鉄粉系である、ことを特徴とする請求項１記載の電子写真式画像形成装置の二成分現像剤。
3. 前記芯材は、表面コート無しの粒径３５μｍ、飽和磁化６５ｅｍｕ／ｇである、ことを特徴とする請求項２記載の電子写真式画像形成装置の二成分現像剤。
4. 前記コート母材樹脂は、フッ素系樹脂、シリコン系樹脂、アクリル−スチレン系樹脂、アルキド樹脂、ポリオレフィン樹脂、ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂、又はこれらの樹脂のブレンド系である、ことを特徴とする請求項１記載の電子写真式画像形成装置の二成分現像剤。
5. 前記キャリアの表面コート樹脂の総量は、キャリアのコアを１００質量％としたとき０．０５〜１０．０質量％である、ことを特徴とする請求項４記載の電子写真式画像形成装置の二成分現像剤。

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