以下、本発明を詳細に説明する。
本発明は、像加熱部材とトナーに特徴を有する画像形成方法であり、潜像担持体を一様に帯電する帯電工程、帯電した潜像担持体を露光することで潜像を形成する潜像形成工程、静電潜像を現像してトナー画像を形成する現像工程、現像画像を記録材上に転写する転写工程に関しては、従来公知の電子写真プロセスが適用でき、特に限定されるものではない。
本発明の画像形成方法における定着工程は、記録材上の未定着画像を、加圧部材と回転可能な像加熱部材とで形成されるニップ部を通過させることにより加熱加圧定着するものである。
本発明の像加熱部材は、内部に弾性層を有し、その外側に像加熱部材の単位面積あたりの熱容量が、100J/m2K以上600J/m2K以下の蓄熱層を有しており、
前記像加熱部材は、熱伝導率5.0W/mK以上の熱伝導フィラーを含有し、
前記熱伝導フィラーはAl及び/又はZn化合物であり、
前記像加熱部材の表面をEPMA(電子線マイクロアナライザー)により測定した際の前記熱伝導フィラーに由来するアルミニウム元素および/または亜鉛元素の割合が、EPMAで検出される全元素量に対して5.0質量%以上45.0質量%以下である特徴を有する。
本発明の像加熱部材は、内部を形成する低熱伝導弾性層の断熱特性と、表面層の蓄熱特性を100J/m2K以上600J/m2K以下の熱容量に制御することで、定着工程で加熱手段から熱を受け記録材へ熱を奪われる繰り返しのサイクルにおいて、蓄熱を記録材に安定供給することができ、本発明の他の構成と相俟って定着ムラの無い良好な定着品質が得られる。
本発明の像加熱部材の単位表面積あたりの熱容量が100J/m2Kに満たない場合、定着時に記録材に熱を奪われ易く、オンセット領域を確保するためには像加熱部材表面を高温に維持する必要があり、加熱手段より高いエネルギーを付与し続けることになる。従って、本発明の目的である省エネルギー化が達成されず、不適である。
一方、像加熱部材の単位表面積あたりの熱容量が600J/m2Kを超えると、本発明のトナーを溶融するための蓄熱量としては過剰となり、ウォームアップタイムが延びる等蓄熱に無駄なエネルギーロスが発生するため好ましく無い。
本発明の像加熱部材を所望の熱容量に制御する手段は、5.0W/mK以上の高い熱伝導率を有するフィラーを含有させることで、調整することが必須である。
熱伝導フィラーの熱伝導率が5.0W/mK以上であると、像加熱部材表面の僅かなフィラー存在量でも像加熱部材の蓄熱層に熱を効率的に伝えることが出来る。
一方、5.0W/mK未満であると熱伝達効率の低下に伴って熱量ロスが増大し、低温定着が得られ難い傾向となる。
さらに、本発明者らが検討していく中で、像加熱部材の表面近傍の状態を制御することでさらに低温定着性を良化できることが分かった。
すなわち、蓄熱層中のフィラーの分散性に傾斜を持たせ、像加熱部材の表面近傍にフィラーを多く存在させるようにすることが重要であった。
具体的には、前記像加熱部材の表面をEPMA(電子線マイクロアナライザー)により測定した際の前記熱伝導フィラーに由来するアルミニウム元素および/または亜鉛元素の割合が、EPMAで検出される全元素量に対して5.0質量%以上45.0質量%以下とすることである。より好ましくは、10.0質量%以上40.0質量%以下である。
アルミニウム及び亜鉛を含有させることで、フィラーは高い熱伝導性を得やすく、かつ本発明の像加熱部材に対して適用しやすかったため、本発明ではアルミニウムおよび/または亜鉛元素を用いている。このとき、熱伝導フィラーの検出方法としては、EPMAを用いた。EPMAは表面から数μmの深さまでに存在する元素を測定するものであり、検出されるアルミニウムや亜鉛元素は表面から数μmまでの深さに存在する熱伝導フィラー量と対応する。これにより、蓄熱層表面近傍の熱伝導フィラー量を測定することが出来る。
EPMAにより測定した際の像加熱部材の表面近傍に存在するアルミニウム元素および/または亜鉛元素の割合が5.0質量%未満であると、像加熱部材の表面近傍の熱伝導率が低いために、像加熱部材表面を高温に維持するために加熱手段より高い熱量を付与し続ける必要があり、熱量ロスが大きくなる。
また、比較的低い定着熱量では、熱量ロスのために、充分な低温定着性が得られないこととなる。
一方、EPMAにより測定した際の像加熱部材の表面近傍に存在するアルミニウム元素および/または亜鉛元素の割合が、45.0質量%より多くなると、一般的にアルミニウム元素および/または亜鉛元素を含有する熱伝導フィラーは、定着ローラを形成するゴムよりもトナーとの親和性が高いため、定着ローラとトナーの付着性が高まり、低温オフセットが発生する。
本発明で用いることのできるアルミニウム元素および/または亜鉛元素を含有する粉末状の熱伝導フィラーとしては、アルミナ、酸化亜鉛、チッ化アルミ、チッ化亜鉛、金属アルミ、金属亜鉛、アルミ含有合金、亜鉛含有合金等の粉末状の熱伝導フィラーを例示することができるが、本発明の熱伝導率と含有元素を満たすフィラーであればこれらに限定されることは無い。
本発明の像加熱部材は、上記のような構成をとることで、熱応答性が良化し低温定着性を向上させることが可能となる。しかしながら、一般的にアルミニウム元素および/または亜鉛元素を含有する熱伝導フィラーは、前述のとおり定着ローラを形成するゴムよりもトナーとの親和性が高い。そのため、定着のための熱が像加熱部材に加えられた際、記録材上のトナーが像加熱部材表面に融着を引き起こし易くなる。その結果、定着工程を経た後の記録材がカールしてしまう、いわゆる巻きつきが生じる他、特に長期使用時に像加熱部材の表面が定着トナーで汚染されるといった新たな課題が生じた。
そこで、巻きつき性及び像加熱部材の汚れを改善し、かつ低温定着性を向上させるために、トナーについて種々の検討を行った。
本発明のトナーは、トナー粒子の構造を高度に制御することにより、本発明の像加熱部材の蓄熱量においても十分均一かつ安定的して溶融定着することが可能となり、本発明の画像形成方法の発明に到った。
すなわち、本発明のトナーは、
i)結着樹脂、着色剤及び離型剤を少なくとも含有するトナー粒子と、無機微粉体とを有するトナーであり、
ii)テトラヒドロフラン可溶成分を含有しており、該テトラヒドロフラン可溶成分中にシクロヘキサン不溶成分を含有するものであり、且つ該シクロヘキサン不溶成分中にガラス転移温度が80℃以上120℃以下の樹脂成分(X)が含有されており、
iii)動的粘弾性試験で求められる損失正接(tanδ)に関し55℃以上75℃以下にピークトップを有し、且つ、160℃における弾性率G’(160℃)が6.0×102dN/m2以上1.0×105dN/m2以下であり、
iv)微小圧縮試験において、測定温度25℃で、前記トナー1粒子に負荷速度9.8×10-5N/secで荷重を加え、2.94×10-4Nの最大荷重に達したときに得られる変位量(μm)を変位量X2、前記最大荷重に達した後、前記最大荷重で0.1秒間放置して得られる変位量(μm)を最大変位量X3、前記0.1秒間放置後、除荷速度9.8×10-5N/secで荷重を減らし、荷重が0Nとなったときに得られる変位量(μm)を変位量X4、前記最大変位量X3と変位量X4との差を弾性変位量(X3−X4)とし、前記弾性変位量(X3−X4)の前記最大変位量X3に対する百分率[{(X3−X4)/X3}×100:復元率]をZ(25)(%)としたときに、Z(25)は、40≦Z(25)≦80、の関係を満足し、
前記トナーに対する微小圧縮試験における荷重と変位量をプロットした荷重−変位曲線において、原点から前記最大荷重に達するまでの荷重−変異曲線の傾きを、R(25)[2.94×10-4/変位量X2(N/μm)]としたときに、R(25)は、0.49×10-3≦R(25)≦1.70×10-3の関係を満たすものである。
一般的に、溶融定着において低温定着性をトナーで改良するためには、トナーのメインバインダーのガラス転移温度を低く設計される。しかし、本発明者らが従来製法で低いガラス転移温度を有するトナーを作製し、オンデマンド定着に有利な外部加熱定着装置を用いて検討したところ、確かに定着開始温度が下がる兆候は認められたが、像加熱部材の蓄えている熱が記録材上のトナー溶融に一気に奪われるためか記録材上の未定着画像を全面ムラ無く定着することができなかった。定着温度を上げていっても、トナーの溶融粘度が低くなり、記録材が定着部材に巻付く現象が生じ、定着可能な温度領域を殆ど有さない結果となった。
また、上記低いガラス転移温度を有するトナーは、カブリやトナー担持体上のコートスジの発生等、耐久に伴う劣化により現像性も悪化した。
上記問題を克服するため、本発明者らが鋭意検討した結果、トナーのメインバインダーのガラス転移温度を下げ、且つ、トナー粒子の表層付近に高いガラス転移温度の樹脂成分(X)が存在するとともに特定の弾性率を有するように高度に制御された特定構造のトナーを用いることで、本発明の定着装置に好適な定着が可能になることを見いだし、従来では達成できなかった消費電力の低減を達成させ、低温でも定着ムラのない安定した画像形成方法を発明した。
低温で記録材に熱を安定供給できる、必要最低減の熱容量を持った像加熱部材表面の蓄熱で安定した定着画像を得るには、溶融エネルギーが小さく、且つ、溶融時に一定範囲の弾性率を有し、更に粒子間に該物性のばらつきが少ないトナー特性が必須である。
本発明のトナーを構成するメインバインダーのTgは低く、少量の熱量で瞬時に溶ける。本来、瞬時に溶けるバインダー特性は溶融粘度が低くなるため、定着時に記録材が弾性の低下したトナーを介して像加熱部材に巻き付き易くなるはずだが、本発明のトナーは巻き付かない。理由は必ずしも明らかではないが、本発明者らは以下のように考えている。
本発明のトナーは、トナー粒子表面に高いTgの樹脂成分(X)の存在割合が高いため、定着工程の微小時間においてトナー粒子の内部を構成するメインバインダーへの熱伝達緩和機能が働くことと、メインバインダー内の僅かな架橋構造とトナー粒子表面近傍の樹脂成分(X)とが構造的な強度を発現するため、トナー溶融時に像加熱部材に付着し難い弾性率を維持できるからと考えている。
又、本発明のトナーは、トナー間の熱的特性分布も均一であるため、未定着画像中の一部のトナーに熱が集中的に奪われることも無いため、定着画像面のグロスが均一な画像が得られる。
上記特性を満足する具体的な数値は、熱容量が100J/m2K以上600J/m2K以下の蓄熱層を有する像加熱部材を用いた定着工程において、トナーが低熱量で溶融可能となる熱特性は、動的粘弾性測定における損失正接(tanδ)が55℃以上75℃以下にピークトップを有することが必要であり、トナーの溶融状態で記録材の巻き付きが防止できる弾性率は、160℃におけるG’(160℃)が6.0×102dN/m2以上1.0×105dN/m2以下の特性が必要である。また、低いTgのメインバインダー樹脂を核として80℃以上120℃以下の高いTgの樹脂成分(X)が表面近傍に偏析した外殻構造を有することが必須であり、トナー粒子1個の硬さ特性を示す微小圧縮試験において、測定温度25℃における復元率Z(25)が、40≦Z(25)≦80、荷重に対する変位の傾きR(25)が0.49×10-3≦R(25)≦1.70×10-3の硬さを満足することで、低温定着性と巻付き防止効果の両立が達成される。
本発明のトナーの必須成分である樹脂成分(X)は、トナーのテトラヒドロフラン可溶成分中の、シクロヘキサン不溶成分として抽出できる樹脂成分であり、ガラス転移温度が80℃以上120℃以下の特性を有するものである。
本発明のトナーのメインバインダーは、定着温度域で最適な溶融弾性率(G’)に制御するため、テトラヒドロフランに不溶な架橋成分を30質量%迄有することが好ましいが、メインバインダーは上記ゲル分を除いてはテトラヒドロフランに可溶である。本発明の樹脂成分(X)もテトラヒドロフランに可溶であり、メインバインダー成分と樹脂成分(X)は極性が近く、良好に相溶するものである。しかし、樹脂成分(X)は酸価又は水酸基価或いはそれら両方の値を有するためメインバインダーより僅かに極性が高いため、シクロヘキサンには不溶となる。本発明のトナーは、この極性差をうまく利用することで、メインバインダーより高いガラス転移温度を有する樹脂成分(X)を、例えば懸濁重合法でトナーを製造することでトナー粒子の表面に偏析させ、低いガラス転移温度のトナー粒子に堅牢性を機能付与した構造を達成することができる。
本発明のトナーは、樹脂成分(X)をトナー粒子の表面から中心に向かって濃度勾配を有していることによりトナー粒子の耐久性と定着性を両立しているものと発明者らは考えている。それは、単に樹脂成分(X)をトナー粒子の表面に機械的に固着させたものでは、メインバインダーのガラス転移温度を低くしても定着可能温度が低下しないことからも示唆される。
また、この樹脂成分(X)のガラス転移温度とメインバインダーに対する添加部数を調整することで、低温定着が可能になる溶融時の粘弾性に制御している。
尚、理由は必ずしも明らかではないが、樹脂成分(X)の極性制御は、水酸基価よりも酸価を持たせて制御する方が、トナー粒子の帯電特性が優れるためより好ましい。
本発明のトナーのTHF可溶成分中のシクロヘキサン不溶分量は、トナーに対して3質量%以上30質量%以下含有していることが好ましい。より好ましくは5質量%以上25質量%以下であることが良い。
樹脂成分(X)に相当するシクロヘキサン不溶分が3質量%に満たない場合、トナーの未定着画像が像加熱部材に巻付きやすくなり、定着可能温度領域が狭くなる。
30質量%を超えると、メインバインダーの低いガラス転移温度特性が発揮できず、最低定着可能温度が上昇する。
本発明のトナーに含有される樹脂成分(X)のガラス転移温度(Tg)は、80℃以上120℃以下である。より好ましくは85℃以上110℃以下である。
(Tg)が80℃より低いと、メインバインダーのガラス転移温度が低い本発明のトナー構成においては堅牢性が劣り、耐久に伴って現像性が悪化する。
一方(Tg)が120℃を超えると、低温定着の安定性が損なわれ、本発明の画像形成方法には不適である。
本発明のトナーに含有される樹脂成分(X)の酸価は、5乃至40mgKOH/gであることが好ましい。より好ましくは5乃至25mgKOH/gであることが良い。
樹脂成分(X)の酸価が5mgKOH/gに満たない場合、樹脂成分(X)をトナー粒子表面に高濃度で偏析させることが難しくなり、現像特性が劣る。
一方、樹脂成分(X)の酸価が40mgKOH/gを超えると、メインバインダーとの極性差が大きくなるため、トナー表面から中心へ向かう濃度勾配をうまく再現できず、低温定着特性が劣る。
本発明のトナーに含有される樹脂成分(X)の重量平均分子量(Mw)は、8000以上60000以下であることが好ましい。
樹脂成分(X)の(Mw)が8000に満たない場合、トナー粒子の表層存在密度が薄れ、堅牢性が低下し現像性が低下するため好ましくない。
一方、樹脂成分(X)の(Mw)が60000を超えると、トナー粒子の製造安定性が損なわれるため、現像性及び定着性が不安定になり好ましくない。
本発明のトナーに含有される樹脂成分(X)は、上記観点から好ましくは結着樹脂と同組成のものを含むことが良い。本発明に使用できる極性樹脂を以下に例示する。
(1)カチオン性重合体としては、メタクリル酸ジメチルアミノエチル,メタクリル酸ジエチルアミノエチルなどの含窒素単量体の重合体もしくはスチレン・不飽和カルボン酸エステル等との共重合体が挙げられる。
(2)アニオン性重合体としては、アクリロニトリル等のニトリル系単量体、塩化ビニル等の含ハロゲン系単量体、アクリル酸・メタクリル酸等の不飽和カルボン酸、その他不飽和二塩基酸・不飽和二塩基酸無水物、ニトロ系単量体等の重合体もしくはスチレン系単量体等との共重合体が挙げられる。結着樹脂がポリスチレン、スチレン置換体の単重合体、スチレン系共重合体のようなビニル系重合体又はビニル系共重合体の場合には、ビニル系共重合体が挙げられる。
本発明のトナー構造およびトナー物性は、特に水系媒体中で重合することにより製造するものが、トナー構成成分の極性差を有効に利用することができ、安定した物性を示し好ましい。また、熱伝導度の高い磁性粒子を含まない、所謂非磁性トナーにおいて、特に効果的な定着安定性を示すため、非磁性トナーが好ましい。
懸濁重合法においてトナー粒子を製造する場合、重合性単量体に樹脂成分(X)、着色剤、離型剤(更に必要に応じて重合開始剤、架橋剤、帯電制御剤、その他の添加剤)を均一に溶解または分散せしめて単量体組成物とした後、この単量体組成物を分散安定剤を含有する水系媒体中に適当な撹拌器を用いて分散し、そして重合反応を行わせ、所望の粒径を有するトナー粒子を得るものである。該トナー粒子は重合終了後、公知の方法によって濾過、洗浄、乾燥を行い、流動性向上剤として無機微粉体を混合し表面に付着させることで、本発明のトナーを得ることができる。
本発明の画像形成装置に好適にマッチするトナーは、上記で説明した特徴的な構造を有するものであり、かつ、動的粘弾性試験で求められる損失正接(tanδ)に関し55℃以上75℃以下にピークトップを有し、且つ、160℃における弾性率G’(160℃)が6.0×102dN/m2以上1.0×105dN/m2以下であることを特徴とする。
低温領域におけるトナーの溶融定着は、従来の200℃近辺における溶融定着と較べ、トナーに十分な熱量が供給されないケースにおいてはプリント画像の品質悪化は目に見えて酷くなるため、トナーの動的粘弾性特性を高度に制御する必要がある。
本発者らの検討によると、低温域における少ない熱量で速やかに記録材にトナーをバインドさせるためには、トナーの損失正接(tanδ)におけるピークトップが55℃以上75℃以下でないと達成されず、尚且つ160℃における弾性率G’(160℃)が6.0×102dN/m2以上1.0×105dN/m2以下の領域内でないと、いくらトナーが低温で溶融しても像加熱部材に記録材が巻きつく弊害が生じ易くなる。
損失正接(tanδ)のより好ましい温度範囲は62℃以上72℃未満、160における弾性率G’(160℃)のより好ましい範囲は9.00×102dN/m2以上1.0×104dN/m2以下である。
トナーの動的粘弾性における損失正接(tanδ)のピークトップが55℃に満たない場合、高温環境下での画像形成装置の使用や耐久に伴う昇温に耐えられず、現像特性が著しく損なわれる。一方、ピークトップが75℃を越える場合、本発明の定着装置におけるトナーの定着可能温度が高くなり、本発明の目的が達成されない。
160℃における弾性率G’(160℃)が6.0×102dN/m2に満たない場合、本発明の定着装置を用いた溶融定着においては定着可能領域の特に高温域で記録材の像加熱部材への巻付きつき頻度が高くなり、定着可能領域が狭まる、或いは無くなる。
G’(160℃)が1.0×105dN/m2を超えると、定着可能領域における低温域で、定着画像のムラの発生頻度が高まる。
尚、上記トナーの動的粘弾特性を満たすのみでは本発明の定着装置において良好な画像品質は達成されず、本発明のトナー構成やトナー構造を同時に満たさない限りは均一で安定したプリント品質は得られ無い。
本発明のトナーは、微小圧縮試験において、25℃で、負荷速度9.8×10-5N/secで荷重を加え、2.94×10-4Nの荷重を該トナーにかけてから除荷するまでの変位曲線において、荷重をかけ始めてから終了するまでの変位曲線の傾きをR(25)、除荷して戻る弾性変位量と最大変位の比(復元率(%))をZ(25)としたとき、
0.49×10-3≦R(25)≦1.70×10-3、40≦Z(25)≦80
の関係を満たす。
本発明におけるR(25)は、測定温度25℃においてトナー1粒子に対して2.94×10-4Nと非常に微小な荷重をかけたときの歪を測定することで、トナー一個の硬さを表す数値である。従ってR(25)の値が大きい程、ストレスに対して反発する硬い粒子であることを示す。
一方、本発明におけるZ(25)は、25℃においてトナー1粒子に対して2.94×10-4Nの負荷をかけた後に除荷を行った時の、弾性変位/最大変位の値を百分率で示したものであり、100に近い程弾性変位の割合が高く、塑性変形が起こり難いことを表す。従ってZ(25)の値が大きい程、トナー粒子1粒子が潰されたり破壊され難いことを示す。
本発明のトナーの構造的な特徴は、先に述べたように、トナー粒子の内部を低いガラス転移温度を有するメインバインダーが占め、表層から内部にかけて濃度勾配を持った80℃以上120℃以下の高いガラス転移温度を有する樹脂が存在している。この構造を満たすことではじめて優れた現像特性と低温定着性、および外部加熱定着装置における最大の課題であった濃度ムラを克服した画像品質が得られる。
本発明のトナーは上記構造をとることで、トナーの微小圧縮試験において特徴的な変位を示し、25℃における変位曲線の傾きR(25)と復元率Z(25)の値を
0.49×10-3≦R(25)≦1.70×10-3、40≦Z(25)≦80
の範囲内に制御することができ、低温定着性と耐久における現像性の両立を実現することができる。R(25)とZ(25)の値を本発明の範囲とすることで、トナー粒子表面の硬度が十分確保され、耐久堅牢性が向上すると共に、トナー粒子内部を構成するメインバインダーのガラス転移温度を低く設計することが可能となり、低温定着性ばかりか画像光沢性等の向上も実現することができる。
本発明のトナーにおいて、R(25)の値が0.49×10-3N/μm未満の場合、トナー粒子表面に樹脂成分(X)が効果的に存在しておらず、耐久ストレスによる現像性の悪化や、定着工程における像加熱部材への記録材の巻付きが発生し易くなる。
一方、R(25)の値が1.70×10-3N/μmを超えると、微小圧力を受けた時のトナーの変形性が乏しいため、定着工程におけるニップ内で未定着画像中のトナー一つ一つに均一に熱が伝わり難く、特に定着可能領域における低温側で定着不良や定着ムラの発生頻度が高まる。
本発明におけるR(25)のより好ましい範囲は、0.49×10-3N/μm以上、1.30×10-3N/μm以下であり、より安定した画像品質が得られる。
更に本発明のトナーにおいて、Z(25)の値が40未満の場合、微小な力がトナーに加わるだけで塑性変形が起こるため、耐久堅牢性に劣り、カブリの発生や接触部材汚染による画像欠陥の発生頻度が高まる。
一方、Z(25)の値が80を超えると、定着工程においてトナー粒子が効果的に塑性変形できず、トナー粒子が含有する離型剤を速やかにかつ定着面に対して一様にブリードアウトさせ難くなり、定着不良や画像グロスの不均一化を引き起こし易くなる。
また本発明のトナーは、測定温度50℃での復元率Z(50)の値を10乃至55とすることで、トナーが定着工程において瞬時の熱でも高いブリード性を発揮することができ、低温定着性を一層向上させることができる。
Z(50)の値が10未満の場合、画像形成装置の高温環境下や連続出力等の使用条件によっては、離型剤の僅かなブリードアウトが促進されやすく、現像性が悪化する恐れがある。
一方、Z(50)の値が55を超えると、定着工程においてトナー粒子が効果的に塑性変形できず、特にプロセススピードの速い画像形成装置での低温領域における定着性が劣る恐れがある。
本発明におけるZ(50)のより好ましい範囲は10以上35以下であり、低温定着性と現像安定性に優れた電子写真特性を示す。
本発明のトナーは、100℃における粘度が1.0×104Pa.s以上8.0×104Pa.s以下であることが好ましい。
本発明のトナーは、100℃における溶融フロー特性が1.0×104以上8.0×104Pa・s以下の粘度を示す場合に、本発明の機能を損ねることなく低温定着性が機能的に発揮され易くなる。
溶融粘度が1.0×104Pa・sに満たない場合、高温環境下や連続耐久といった昇温の伴う厳しい条件での現像信頼性が低下したり、外部因子により定着装置の温調が変動した場合に像加熱部材に記録材が巻きつく恐れがある。
一方、溶融粘度が8.0×104Pa・sを超える場合、定着ムラの無い安定した画像品質を保証するためには、定着温度を高めに設定せざるを得なくなるため好ましくない。
本発明のトナーにおいて、100℃における溶融粘度のより好ましい範囲は1.0×104Pa・s以上、4.5×104Pa・s以下であり、低温定着性と現像特性に優れた安定した画質が得られる。
本発明のトナーは、動的粘弾性及び溶融粘度を所望の範囲内に制御する手段として、メインバインダーの重合時に架橋剤を添加することが好ましい。
該架橋剤としては、主として2個以上の重合可能な二重結合を有する化合物が用いられる。以下のものが挙げられる。ジビニルベンゼン、ジビニルナフタレンのような芳香族ジビニル化合物;エチレングリコールジアクリレート、エチレングリコールジメタクリレート、1,3−ブタンジオールジメタクリレートのような二重結合を2個有するカルボン酸エステル;ジビニルアニリン、ジビニルエーテル、ジビニルスルフィド、ジビニルスルホンの如きジビニル化合物;3個以上のビニル基を有する化合物。これらは、単独もしくは混合として使用できる。好ましい添加量としては、0.001乃至15質量%である。
本発明のトナーの平均円形度(S)は、0.960≦S≦1.000であることが好ましく、水系媒体中で重合することによって該平均円形度に容易に制御することが可能である。
本発明におけるトナーの円形度とは、フロー式粒子像分析装置によって算出されたものである。
フロー式粒子像分析装置「FPIA−3000」(シスメックス社製)の測定原理は、流れている粒子を静止画像として撮像し、画像解析を行うというものである。試料チャンバーへ加えられた試料は、試料吸引シリンジによって、フラットシースフローセルに送り込まれる。フラットシースフローに送り込まれた試料は、シース液に挟まれて扁平な流れを形成する。フラットシースフローセル内を通過する試料に対しては、1/60秒間隔でストロボ光が照射されており、流れている粒子を静止画像として撮影することが可能である。また、扁平な流れであるため、焦点の合った状態で撮像される。粒子像はCCDカメラで撮像され、撮像された画像は512×512の画像処理解像度(一画素あたり0.37×0.37μm)で画像処理され、各粒子像の輪郭抽出を行い、粒子像の投影面積Sや周囲長L等が計測される。
次に、上記面積Sと周囲長Lを用いて円相当径と円形度を求める。円相当径とは、粒子像の投影面積と同じ面積を持つ円の直径のことであり、円形度Cは、円相当径から求めた円の周囲長を粒子投影像の周囲長で割った値として定義され、次式で算出される。
円形度C=2×(π×S)1/2/L
粒子像が円形の時に円形度は1になり、粒子像の外周の凹凸の程度が大きくなればなるほど円形度は小さい値になる。各粒子の円形度を算出後、円形度0.200〜1.000の範囲を800分割し、得られた円形度の相加平均値を算出し、その値を平均円形度とする。
トナーの平均円形度が0.960に満たない場合、記録材上一面に画いた未定着画像を定着するケースにおいて、特に定着可能温度領域の下限と上限領域で定着ムラ、光沢ムラの発生頻度が高くなるため、結果として定着安定領域が狭まり好ましくない。
懸濁重合法によるトナーを製造する際のメインバインダーを形成する重合性単量体としては、下記単官能性重合性単量体、多官能性重合性単量体が挙げられる。
単官能性重合性単量体としては以下のものが挙げられる。スチレン;α−メチルスチレン、β−メチルスチレン、o−メチルスチレン、m−メチルスチレン、p−メチルスチレン、2,4−ジメチルスチレン、p−n−ブチルスチレン、p−tert−ブチルスチレン、p−n−ヘキシルスチレン、p−n−オクチルスチレン、p−n−ノニルスチレン、p−n−デシルスチレン、p−n−ドデシルスチレン、p−メトキシスチレン、p−フェニルスチレンの如きスチレン系重合性単量体;メチルアクリレート、エチルアクリレート、n−プロピルアクリレート、iso−プロピルアクリレート、n−ブチルアクリレート、iso−ブチルアクリレート、tert−ブチルアクリレート、n−アミルアクリレート、n−ヘキシルアクリレート、2−エチルヘキシルアクリレート、n−オクチルアクリレート、n−ノニルアクリレート、シクロヘキシルアクリレート、ベンジルアクリレート、ジメチルフォスフェートエチルアクリレート、ジエチルフォスフェートエチルアクリレート、ジブチルフォスフェートエチルアクリレート、2−ベンゾイルオキシエチルアクリレートの如きアクリル系重合性単量体;メチルメタクリレート、エチルメタクリレート、n−プロピルメタクリレート、iso−プロピルメタクリレート、n−ブチルメタクリレート、iso−ブチルメタクリレート、tert−ブチルメタクリレート、n−アミルメタクリレート、n−ヘキシルメタクリレート、2−エチルヘキシルメタクリレート、n−オクチルメタクリレート、n−ノニルメタクリレート、ジエチルフォスフェートエチルメタクリレート、ジブチルフォスフェートエチルメタクリレートの如きメタクリル系重合性単量体;メチレン脂肪族モノカルボン酸エステル;酢酸ビニル、プロピオン酸ビニル、酪酸ビニル、安息香酸ビニル、ギ酸ビニルの如きビニルエステル;ビニルメチルエーテル、ビニルエチルエーテル、ビニルイソブチルエーテルの如きビニルエーテル;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の如きビニルケトン。
多官能性重合性単量体としては以下のものが挙げられる。ジエチレングリコールジアクリレート、トリエチレングリコールジアクリレート、テトラエチレングリコールジアクリレート、ポリエチレングリコールジアクリレート、1,6−ヘキサンジオールジアクリレート、ネオペンチルグリコールジアクリレート、トリプロピレングリコールジアクリレート、ポリプロピレングリコールジアクリレート、2,2’−ビス(4−(アクリロキシ・ジエトキシ)フェニル)プロパン、トリメチロールプロパントリアクリレート、テトラメチロールメタンテトラアクリレート、エチレングリコールジメタクリレート、ジエチレングリコールジメタクリレート、トリエチレングリコールジメタクリレート、テトラエチレングリコールジメタクリレート、ポリエチレングリコールジメタクリレート、1,3−ブチレングリコールジメタクリレート、1,6−ヘキサンジオールジメタクリレート、ネオペンチルグリコールジメタクリレート、ポリプロピレングリコールジメタクリレート、2,2’−ビス(4−(メタクリロキシ・ジエトキシ)フェニル)プロパン、2,2’−ビス(4−メタクリロキシ・ポリエトキシ)フェニル)プロパン、トリメチロールプロパントリメタクリレート、テトラメチロールメタンテトラメタクリレート、ジビニルベンゼン、ジビニルナフタリン、ジビニルエーテル。
本発明のトナーに含有される離型剤としては以下のものが挙げられる。パラフィンワックス、マイクロクリスタリンワックス、ペトロラクタム如きの石油系ワックス及びその誘導体;モンタンワックス及びその誘導体;フィッシャートロプシュ法による炭化水素ワックス及びその誘導体;ポリエチレンワックス、ポリプロピレンワックスの如きポリオレフィンワックス及びその誘導体、カルナバワックス、キャンデリラワックスの如き天然ワックス及びその誘導体。誘導体としては酸化物や、ビニル系モノマーとのブロック共重合物、グラフト変性物などが挙げられる。さらには、以下のものが挙げられる。高級脂肪族アルコール;ステアリン酸、パルミチン酸の如きの脂肪酸;酸アミドワックス;エステルワックス;硬化ヒマシ油及びその誘導体;植物系ワックス;動物性ワックス。この中で特に、離型性に優れるという観点からエステルワックス及び炭化水素ワックスが好ましい。更に好ましくは、トータルの炭素数が同一の化合物が50乃至95質量%ワックスに含有されているものが、ワックス純度が高く現像性の観点で有利である。
該離型剤は結着樹脂に対し1乃至40質量%を含有させることが好ましい。より好ましくは、3乃至25質量%であることが良い。
離型剤の含有量を1乃至40質量%に制御することで、トナーの加熱加圧時に適度なワックスのブリードが可能であり、離型効果が発揮される。
離型剤の含有量が1質量%未満であると、離型効果が発揮され難く、40質量%より多いと現像安定性に支障をきたす恐れがあり好ましくない。
本発明のトナーに含有される着色剤は、黒色着色剤としてカーボンブラック,磁性体,以下に示すイエロー/マゼンタ/シアン着色剤を用い各色に調色されたものが利用される。また、着色剤の持つ重合阻害性や水相移行性に注意を払う必要がある。着色剤を好ましくは表面改質(たとえば重合阻害のない疎水化処理)を施したほうが良い。特に染料やカーボンブラックは、重合阻害性を有しているものが多いので使用の際に注意を要する。
イエロー着色剤としては、縮合アゾ化合物,イソインドリノン化合物,アンスラキノン化合物,アゾ金属錯体,メチン化合物,アリルアミド化合物に代表される化合物が挙げられる。具体的には、以下のものが挙げられる。C.I.ピグメントイエロー12、13、14、15、17、62、74、83、93、94、95、97、109、110、111、120、128、129、138、147、150、151、154、155、168、180、185、214。
マゼンタ着色剤としては、縮合アゾ化合物,ジケトピロロピロール化合物,アントラキノン,キナクリドン化合物,塩基染料レーキ化合物,ナフトール化合物,ベンズイミダゾロン化合物,チオインジゴ化合物,ペリレン化合物が挙げられる。具体的には、以下のものが挙げられる。C.I.ピグメントレッド2、3、5、6、7、23、48:2、48:3、48:4、57:1、81:1、122、146、166、169、177、184、185、202、206、220、221、238、254、269、C.I.ピグメントバイオレッド19。
本発明に用いられるシアン着色剤としては、銅フタロシアニン化合物及びその誘導体,アントラキノン化合物,塩基染料レーキ化合物等が挙げられる。具体的には、C.I.ピグメントブルー1、7、15、15:1、15:2、15:3、15:4、60、62、66が挙げられる。
これらの着色剤は、単独又は混合し更には固溶体の状態で用いることができる。着色剤は、色相角、彩度、明度、耐光性、OHP透明性、トナー中への分散性の点から選択される。該着色剤の添加量は、重合性単量体又は樹脂100質量部に対し1乃至20質量部添加して用いられる。
本発明のトナーは、帯電制御や水系媒体中の造粒安定化を主目的として、スルホン酸基を側鎖に持つ高分子が用いられることが好ましい。その中で特にスルホン酸基、スルホン酸塩基又はスルホン酸エステル基の重合体又は共重合体を用いることが好ましい。
本重合体を製造するためのスルホン酸基を有する単量体は、スチレンスルホン酸、2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸、2−メタクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸、ビニルスルホン酸、メタクリルスルホン酸がある。
本発明に用いられるスルホン酸基を含有する重合体は、上記単量体の単重合体であっても構わないが、上記単量体と他の単量体との共重合体であっても構わない。上記単量体と共重合体をなす単量体としては、ビニル系重合性単量体があり、前記で挙げた単官能性重合性単量体或いは多官能性重合性単量体を使用することが出来る。
本発明のトナーには、帯電特性を安定化するために上記スルホン酸基を側鎖に持つ高分子の他に、帯電制御剤を配合しても良い。帯電制御剤としては、公知のものが利用でき、特に帯電スピードが速く、かつ、一定の帯電量を安定して維持できる帯電制御剤が好ましい。さらに、トナーを直接重合法にて製造する場合には、重合阻害性が低く、水系分散媒体への可溶化物が実質的にない帯電制御剤が特に好ましい。具体的な化合物としては、負帯電制御剤としてサリチル酸、アルキルサリチル酸、ジアルキルサリチル酸、ナフトエ酸、ダイカルボン酸の如き芳香族カルボン酸の金属化合物、アゾ染料あるいはアゾ顔料の金属塩または金属錯体、ホウ素化合物、ケイ素化合物、カリックスアレーンが挙げられる。正帯電制御剤として四級アンモニウム塩、該四級アンモニウム塩を側鎖に有する高分子型化合物、グアニジン化合物、ニグロシン系化合物、イミダゾール化合物が挙げられる。
これらの帯電制御剤の使用量としては、結着樹脂の種類、他の添加剤の有無、分散方法を含めたトナー製造方法によって決定されるもので、一義的に限定されるものではない。内部添加する場合は、好ましくは結着樹脂100質量部に対して0.1乃至10質量部、より好ましくは0.1乃至5質量部の範囲で用いられる。また、外部添加する場合、トナー100質量部に対し、好ましくは0.005乃至1.0質量部、より好ましくは0.01乃至0.3質量部である。
水系媒体には、分散安定剤を添加する。分散安定剤として使用する無機化合物としては以下のものが挙げられる。リン酸カルシウム、リン酸マグネシウム、リン酸アルミニウム、リン酸亜鉛、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、水酸化カルシウム、水酸化マグネシウム、水酸化アルミニウム、メタケイ酸カルシウム、硫酸カルシウム、硫酸バリウム、ベントナイト、シリカ、アルミナ等。
有機化合物としては以下の物が挙げられる。ポリビニルアルコール、ゼラチン、メチルセルロース、メチルヒドロキシプロピルセルロース、エチルセルロース、カルボキシメチルセルロースのナトリウム塩、ポリアクリル酸及びその塩、デンプン。これらの分散安定剤は、重合性単量体100質量部に対して、0.2乃至20質量部を使用することが好ましい。
また、これら分散安定剤の微細な分散のために、0.001乃至0.1質量部の界面活性剤を使用しても良い。分散安定剤の所期の作用を促進するためのものである。具体例としては以下のものが挙げられる。ドデシルベンゼン硫酸ナトリウム、テトラデシル硫酸ナトリウム、ペンタデシル硫酸ナトリウム、オクチル硫酸ナトリウム、オレイン酸ナトリウム、ラウリル酸ナトリウム、ステアリン酸カリウム、オレイン酸カルシウム。
分散安定剤として、無機化合物を用いる場合、市販のものをそのまま用いても良いが、より細かい粒子を得るために、水系媒体中にて該無機化合物を生成させて用いても良い。
例えばリン酸カルシウムの場合、高撹拌下において、リン酸ナトリウム水溶液と塩化カルシウム水溶液を混合するとよい。
本発明のトナーが含有する無機微粉体は、トナー粒子の流動性を向上させる目的で添加されるものであり、ステアリン酸亜鉛、ステアリン酸カルシウム、ステアリン酸鉛の如き脂肪酸金属塩;酸化チタン粉末、酸化アルミニウム粉末、酸化亜鉛粉末の如き金属酸化物または、上記金属酸化物を疎水化処理した粉末;及び湿式製法シリカ、乾式製法シリカの如きシリカ微粉末または、それらシリカにシランカップリング剤、チタンカップリング剤、シリコーンオイルの如き処理剤により表面処理を施した表面処理シリカ微粉末等が好適に用いられる。
該無機微粒子はトナー粒子100質量部に対して、0.01乃至5質量部含有することが好ましい。
次に、本発明の像加熱部材(以下、定着ローラ、とも記載する)について、図面を用いて更に詳しく説明する。
本発明の画像形成方法に用いられる定着器構成において、記録材上の未定着トナー画像を熱により溶融定着させる像加熱部材は、内部に熱源を持たず、その表面より加熱手段から受けた蓄熱をトナー溶融に用いる所謂外部加熱定着装置への適用が好適である。これは、内部に断熱性の高い弾性層を有するため、外部から加熱する方が熱量ロスが少ないためである。
図1に示すように、本発明の像加熱部材30は、芯金31の外周に、熱伝導率が低く、弾性を持つ低熱伝導弾性層(以下、断熱弾性層もしくは弾性層と記す)32を形成し、さらに、その外側に、蓄熱層33を形成したものである。
本発明の像加熱部材の芯金31は、例えば、アルミや鉄、SUM材等の金属材料、セラミック等の他の剛体材料によりより形成される。芯金31は、断熱弾性層32によって定着ローラ表面から断熱される為、低熱伝導性、低熱容量であっても良い。また、その形態は中空の筒状であっても良い。
芯金31の外周に形成する断熱弾性層32は低熱伝導化したゴム層であり、熱伝導率は蓄熱層33より小さくなるよう配合調整される。本発明において、弾性層は熱伝導率が0.15W/mK以下であると、蓄熱層の熱量は芯金に逃げにくく、熱量のロスがなくなるため好ましい。
断熱弾性層32の厚さは特に制限されないが、有効な断熱性を有し、かつ熱容量が大きくなりすぎず、小径の定着ローラ30を構成するためには、1.0mm以上、5.0mm以下、好ましくは2.0mm以上、4.0mm以下とするのが良い。
断熱弾性層32は、耐久性や断熱性の観点から、オルガノポリシロキサン組成物に中空フィラーを配合した配合物、あるいは、オルガノポリシロキサン組成物に吸水性ポリマーおよび水を配合した配合物を形成後に焼成および硬化して形成されたものが好ましい。
断熱弾性層32の形成方法を以下に例示する。
例えば、シリコーンゴム組成物であり、熱硬化性オルガノポリシロキサン組成物100質量部に、平均粒子径が500μm以下の中空フィラーを0.1質量部以上200.0質量部以下配合してなるシリコーンゴム組成物を加熱硬化して形成されるバルーンゴム層とする。
ここで、中空フィラーとしては、硬化物内に気体部分を持つことでスポンジゴムのように熱伝導率を低下させるもので、マイクロバルーン材等がある。このような材料としては、ガラスバルーン、シリカバルーン、カーボンバルーン、フェノールバルーン、アクリロニトリルバルーン、塩化ビニリデンバルーン、アルミナバルーン、ジルコニアバルーン、シラスバルーンなど、いかなるものでもかまわない。
上記の中空フィラーの配合量は、熱硬化性オルガノポリシロキサン組成物100質量部に対し0.1質量部以上200.0質量部以下であり、好ましくは0.2質量部以上150.0質量部以下、より好ましくは0.5質量部以上100.0質量部以下である。この場合、中空フィラーの定着ローラ用シリコーンゴム組成物中での含有量が体積比で10%以上80%以下、特に15%以上75%以下となるように配合することが好ましい。体積割合が少なすぎると熱伝導率の低下が不十分となりやすく、また多すぎると成形、配合が難しいだけでなく成形物もゴム弾性のない脆いものとなってしまう恐れがある。
また、例えば、吸水性ポリマーおよび水を添加する方法で、シリコーンゴム断熱層32を形成したものでも良い。かかるシリコーンゴム組成物としては、オルガノポリシロキサン組成物100質量部に吸水性ポリマーを0.1質量部以上50.0質量部以下、水を10質量部以上200質量部以下、その他、白金化合物触媒のような硬化触媒、SiHポリマーのような架橋剤を添加した組成物を形成する。その後、これを加熱成形して断熱弾性層32としても良い。
また、この場合には、以下の3段階あるいは2段階に分けて加熱する。すなわち、第一段階では、シリコーンベースポリマーの実質的な硬化が起こらず、しかも水分が蒸発しない100℃以下、好ましくは50℃以上80℃以下のもとで10時間以上30時間以下加熱して型成型する。次いで、第二段階では、前記型成形物を120℃以上250℃以下、好ましくは120℃以上180℃以下で1時間から5時間加熱して、含まれている水及び水を含んだ不純物中の水分を蒸発させる。そして、最後の第三段階では、得られた気泡体を180℃以上300℃以下、好ましくは200℃以上250℃以下で2時間から8時間加熱して、硬化を進めることにより、所望の多孔質ゴム状弾性体のシリコーンゴム層を完成させる。
よって、断熱弾性層32は、マイクロバルーン等のバルーンや吸水性ポリマーが含有されたオルガノポリシロキサンを主成分とする液状シリコーン組成物より形成されたものが望ましい。このようにして得られた断熱弾性層は、スポンジシリコーンゴム断熱層や、ソリッドゴム断熱層に比べ、断熱性と耐久性に優れ、また、熱膨張も少ない。
次に、断熱弾性層32の外周に形成する蓄熱層33について説明する。蓄熱層33は、例えばシリコーンゴム、あるいはフッ素ゴムなどに、粉末状の熱伝導フィラー(以下、単に「フィラー」とも呼ぶ)を混入させた層を断熱弾性層32の上に形成したソリッドゴム層が好適な形態として挙げられる。蓄熱層が上記のような形態であると、離型層を介して蓄熱層に付与された熱量が素早く蓄熱層全体に拡散するため、好ましい。
前記蓄熱層の熱伝導率は、断熱弾性層32よりも高いことが重要である。好ましくは、一般的なソリッドゴムよりも熱伝導率を高め、0.30W/m・K以上とするのが望ましい。
内部の断熱層の熱伝導率を、蓄熱層の熱伝導率よりも低くすることで、定着ローラ表面から伝達された熱を、表面近傍の蓄熱層に偏在させ、保ちやすくする。また、蓄熱層の熱伝導率を高くすることで、蓄熱層での熱の吸収と放出を迅速に行うことができる。
蓄熱層33の厚みは50.0μm以上500.0μm以下で形成されている事が望ましい。
フィラーを分散し、高熱容量化された蓄熱層33は、弾性は持つものの硬度が高くなる。そのため、蓄熱層が500.0μmを超えると定着ローラ表面も硬くなり、記録材への密着性が悪くなる。そのため、熱の伝達が行なわれにくくなる傾向があり、低温オフセットなどの問題を生じる。
また蓄熱層が50.0μm未満であると、フィラーを均一に分散し、均一な熱容量、熱伝導率とすることが難しくなり、記録材上のトナーへの熱が不均一にかかる原因となり、トナーにかかる熱量にムラが生じることからトナー同士の融着が起こりにくく、低温定着性及び定着グロスの均一性を損ねやすい。
本発明の蓄熱層が含有する熱伝導フィラーの含有量は、蓄熱層を形成するゴム100質量部に対して7質量部以上60質量部以下含有することが好ましい。
熱伝導フィラーの含有量が7質量部未満であると、蓄熱層の熱容量が少なく、低温定着性が劣る傾向にある。一方、60質量部を超えると、蓄熱層の熱容量が過剰になるため、同熱量に対しての昇温速度が低下することでウォームアップタイムが延び、オンデマンド性が損なわれる傾向にある。
蓄熱層33は、例えば以下の方法により形成されるが、何ら本発明を限定するものではない。特に、シリコーンゴム、あるいはフッ素ゴムなどに、粉末状の熱伝導フィラーを7質量部以上60質量部混入させた層を断熱弾性層32の上に形成したソリッドゴム層であることが好ましい。
本発明の蓄熱層の製造方法としては、任意の手法を用いることが出来る。例えば、ディッピング塗工、スプレー塗工、および円柱状の芯金周囲に円筒形状の塗工ヘッドを用いて液状樹脂を被覆形成するリング塗工などの方法が挙げられる。特に、リング塗工は蓄熱層を均一に塗布できるため、好ましく用いることが出来る。
図2にリング塗工装置の例を示す。架台71の上に垂直にコラム72が取り付けられ、さらに架台71とコラム72の上部に精密ボールネジ73が垂直に取り付けられている。また、精密ボールネジ73と平行に2本のリニアガイド84がコラム72に取り付けている。LMガイド74はリニアガイド84及び精密ボールネジ73と連結し、サーボモータ75よりプーリ76を介して回転運動が伝達され昇降できるようになっている。コラム72には、円筒状の芯体85の外周面に塗布液を吐出するリング形状の塗工ヘッド78が取り付けられている。さらにLMガイド74上にブラケット77が取り付けられ、このブラケット77には芯体85を保持し固定するワーク下保持具79が垂直に取り付けられている。また逆側の芯体85を保持するワーク上保持具80の中心軸がブラケット77の上部に取り付けられ、ワーク上保持具はワーク下保持具79に対向して同芯になるように配置して芯体85を保持している。
リング形状の塗工ヘッド78の中心軸は、ワーク下保持具79とワーク上保持具80の移動方向と平行となるように支持されている。また、ワーク下保持具79及びワーク上保持具80が昇降移動時において、塗工ヘッド78の内側に開口した環状スリットになっている吐出口の中心軸と、ワーク下保持具79及びワーク上保持具80の中心軸が同芯になるように調節してある。このような構成により塗工ヘッド78の環状スリットになっている吐出口の中心軸を芯体85の中心軸に同芯に合わせることができ、リング形状の塗工ヘッドの内周面と芯体85の外周面との間に均一な隙間が形成される。
また、塗布液の供給口81は、塗布液搬送用の配管82を介して材料供給弁83に接続されている。材料供給弁83は、その手前に混合ミキサー、材料供給ポンプ、材料定量吐出装置、材料タンク等を備え、定量(単位時間当たりの量が一定)の塗布液を吐出可能なものとしている。
芯体の外周上に形成された未加硫の液状ゴムを半硬化する工程と、半硬化した液状ゴム及び塗布積層後の樹脂液の硬化接着工程では、周方向の温度を一定に保つためにゴムローラを回転させながら加熱する方法を用いることが好ましい。熱源としては、ゴムローラに非接触で加熱できる遠赤外セラミックヒータ、近赤外線ヒータ、ランプ加熱ヒータ、UVヒータ、マイクロヒータ等が望ましい。
これらの熱源は、ゴムローラの両端部から中央部に向かって連続的に加熱温度を変化させるために、ゴムローラの長手方向に一定間隔で複数配置される。熱源の数はゴムローラの長手方向における加熱温度の変化パターンに合わせて適宜に決定されることになるが、その数が多いほど、ゴムローラの長手方向における温度変化を微妙にかつ正確に制御することが可能となる。
蓄熱層は、少なくともアルミニウム元素および/または亜鉛元素を含有する粉末状の熱伝導フィラーを含有する。本発明の要件を満たす限りは、アルミニウム元素および/または亜鉛元素の熱伝導フィラー以外にも、例えば、アルミナ、酸化亜鉛、チッ化アルミ、チッ化亜鉛、金属アルミ、金属亜鉛、アルミ含有合金、亜鉛含有合金等の粉末状の熱伝導フィラーを含んでいても良い。
本発明において、像加熱部材の表面のRzが2.0μm以上20.0μm以下であることが好ましい。より好ましくは、Rzが5.0μm以上15.0μm以下である。Rzが2.0μm以上20.0μm以下であると像加熱部材の表面の比表面積が大きくなり、外側からの加熱の際に効率的に像加熱部材に蓄熱することができる。また、適度に凹凸が存在しているため、優れた熱伝導性を保持しつつ、離型性を向上することができる。
像加熱部材の表面のRzが2.0μm未満であると、トナーと像加熱部材との接触面積が大きくなるために、低温オフセットが悪くなる傾向となるため好ましくない。
一方、像加熱部材の表面のRzが20.0μmより大きくなると、像加熱部材の表面の凹凸が大きくなりすぎるため、トナーに均一に熱を伝えることができず、トナー同士の融着が起こり難くなり、低温定着性やグロス均一性に劣るものとなる。
Rzの制御の方法として、表面を機械的に研磨する方法を挙げることができる。粗面化方法としては、研磨粒子や、研磨粒子をテープ及び紙等に接着させそれを押し当てることで研磨する等の公知の研磨方法を使用することができる。また、研磨粒子を表面にぶつけるサンドブラスト法なども用いることができる。中でも、研磨ペーパーを用いて研磨するとRzの制御が容易であり、好ましく用いることが出来る。
本発明の像加熱部材は、ヒータから熱量を受け取ったあと速やかに記録材へ熱付与できる構成であると良い。したがって、定着ローラ30は小径であることが望ましく、外径5mm以上20mm以下の範囲が好ましい。
次に、本発明の画像形成方法を実施するための画像形成装置について説明する。
(1)画像形成装置例1
図3は、本実施形態の画像形成装置を好適に示す一例たるレーザビームプリンタ(以下、プリンタと略称する)1の概略構成を示す模式的断面図である。
このプリンタ1には、プリンタ本体の外部に設けられたホストコンピュータ等の画像情報提供装置(図示せず)から画像情報が入力する。そして、プリンタ1は、入力した画像情報に応じた画像をシート状の記録材(記録媒体)Pに形成して記録するという一連の画像形成プロセスを公知の電子写真方式に則り行う。
プリンタ1は、潜像担持体としてのドラム状の回転自在な電子写真感光体(以下、感光体と略記する)2と、一次帯電機構8と、現像装置3と、を保持するプロセスカートリッジ4を備えている。また、画像情報提供装置から入力した画像情報に応じた露光処理工程により感光体2の外周面に前記画像情報に応じた静電潜像を形成するレーザスキャナユニット(以下、スキャナと略記する)5を備えている。また、記録材Pに画像を転写する処理を施すロール状の回転自在な転写体6と、画像転写処理済みの記録材Pに加熱及び加圧により定着処理を施す像加熱装置としての定着装置7を備えている。
プロセスカートリッジ4はプリンタ本体に対して着脱自在に支持されている。感光体2の修理及び現像装置3への現像剤補給等のメンテナンスが必要であるときには、前記本体にて開閉自在に支持されているカバー9を開いたのち、プロセスカートリッジ4ごと交換することによりメンテナンスの迅速化及び簡易化等が図られている。
一次帯電機構8は、スキャナ5による露光処理工程前において規定のバイアスを印加されることにより、回転している感光体2の外周面を規定電位分布に帯電せしめるようになっている。
スキャナ5は、画像情報提供装置からの画像情報に応じたレーザLaを出力する。そして、そのレーザLaにより、プロセスカートリッジ本体に設けられた窓4aを通して、感光体2の帯電処理済みの外周面が走査及び露光される。これにより、前記画像情報に応じた静電潜像が感光体2の外周面に形成されようになっている。
次に、プリンタ1における一連の画像形成プロセスに関して説明する。
プリンタ本体に設けられたスタートボタン等(図示せず)が押されるなどにより、感光体2の回転駆動が開始される。感光体2は矢印K1の時計方向に規定の周速度にて回転駆動される。これと共に、規定のバイアスが印加されている一次帯電機構8により感光体2の外周面が規定の電位分布に帯電せしめられる。
次に、画像情報提供装置からの画像情報に応じて感光体2の外周面の帯電処理済みの部位がスキャナ5により走査及び露光される。これにより、前記画像情報に応じた静電潜像が感光体2の前記部位に形成される。その静電潜像が現像装置3の現像剤により現像されてトナー画像として可視像化される。
一方、所定のタイミングにて駆動された給紙ローラ12により給紙カセット11から記録材Pが給送される。給紙カセット11から給送された記録材Pはレジストローラ対12aにより所定の制御タイミングにて感光体2と転写体6との間に形成された転写ニップ部へと給送され、転写ニップ部を挟持搬送されていく。この挟持搬送過程において感光体2側の前記トナー画像が転写体6により記録材P側に順次に転写される。
そして、転写処理済みの記録材Pは、定着装置7によりトナー画像の加熱定着処理が施されたのち、プリンタ本体にて回転自在に支持された定着排紙部10を経由してプリンタ排紙部13により機外へと排紙される。排紙された記録材Pは、プリンタ本体の上面に取り付けられたトレイ14上に積載される。以上により、一連の画像形成プロセスが終了することとなる。
(2)画像形成装置例2
図4は、本実施形態の画像形成装置を好適に示す別の一例として、中間転写体を有するフルカラーレーザビームプリンタ(以下、プリンタと略称する)2の概略構成を示す模式的断面図である。
図4に示したプリンタ2を用いて、本発明を中間転写体を有するフルカラー画像形成方法に適用した場合の画像形成動作の詳細について説明する。
このプリンタ2は、主に潜像担持体としての感光ドラム123と、感光ドラム123を一様に帯電する帯電手段としての帯電ローラ124と、画像情報の露光を行うレーザースキャナ125と、複数の現像器126a、126b、126c、126dを支持する回転式現像装置126を備えている。
図4において、感光ドラム123は、図4中矢印R103方向に回転されており、その周面が帯電ローラ124によって一様に帯電される。
その後、レーザースキャナ125により、感光ドラム123上に順次静電潜像が形成される。これらの潜像は、現像器126a〜126d内に充填される各色の現像剤、イエロー(Y)、マゼンタ(M)、シアン(C)、ブラック(Bk)にそれぞれ対応した静電潜像である。
まず1色目、例えばイエロー現像剤に対応する静電潜像を感光ドラム123上に形成されると、回転式現像装置126に収容されたイエロー現像器126aが感光ドラム123に対向されて現像が行われる。前述の通り、感光ドラム123上に形成されたイエローの現像剤像は、一次転写部127において中間転写体128上に一次転写される。
また、感光ドラム123上の残留トナーは、弾性ブレード等を利用したクリーニング装置129で清掃される。その後、2色目、例えばマゼンタ現像剤に対応する静電潜像が感光ドラム123上に形成され、マゼンタ現像剤が収容されたマゼンタ現像器126bにより、マゼンタの現像剤像が形成される。前述のマゼンタ現像剤像は、一次転写部127において、既に1色目のイエローの現像剤像が転写されている中間転写体128上に重ねて転写される。
これらの動作を、イエロー(Y)、マゼンタ(M)、シアン(C)、ブラック(Bk)に対応する4回行った後、中間転写体128上に4層に重ねられた現像剤像は、2次転写部130において記録紙Pに一括転写された後、定着装置131によって融解固着される。
また、前述二次転写部130における一括転写の後、中間転写体128上に残留する現像剤は、所定のタイミングで中間転写体128に当接・離間する様に構成された中間転写体用クリーニング装置132により、次画像の形成が行なわれるまでに除去される。
この様に、中間転写体128を備えるフルカラープリンタでは、中間転写体128に転写材である記録紙Pを巻き付ける必要がないため、記録紙Pとして封筒や厚紙を用いることが出来る。また、記録紙Pの厚みによるカラーレジストレーションの変化が無く、幅広い記録紙Pで高品位な出力画像が得られるというメリットがある。
(3)定着装置例
図5は本実施形態を好適に示す一例たる外部加熱方式の像加熱装置である定着装置7の模式的断面図である。
30は記録材上の画像をニップ部にて加熱する回転可能な加熱部材としての定着ローラ(定着用回転体)である。63は加圧部材としての回転可能な加圧ローラである。なお、加圧部材63は固定されたパッドであっても良い。
定着ローラ30と加圧ローラ63は、上下にほぼ並行に配列され、且つ端部の加圧バネ(図示せず)により圧接されている。これにより、両者間に記録材搬送方向において所定幅の定着ニップ部(圧接ニップ部)Ntを形成させている。
定着ローラ30は駆動手段(図示せず)によって矢印の時計方向に規定の周速度で回転駆動される。加圧ローラ63は定着ローラ30の回転に従動して回転する。なお、定着ローラ30と、加圧ローラ63を別途、回転駆動しても良い。
21は定着ローラ30をその外側から加熱する加熱手段(加熱源)である。本実施例において、この加熱手段21は板状ヒータ(以下、ヒータと略記する)である。このヒータ21は、ヒータホルダ24に固定して保持させて、定着ローラ30上側に並行に配列してある。そして、ホルダ24を加圧機構(図示せず)により一定圧力で加圧し、ヒータ21が定着ローラ30の上面に所定の圧力で圧接するように調整している。ヒータ21は定着ローラ30に対して常に同じ部位で接触して、定着ローラ30との間に定着ローラ30の回転方向において所定幅の加熱ニップ部Nhを形成している。
回転する定着ローラ30は、加熱ニップ部Nhにおいてヒータ21により外側から加熱されて、定着ニップ部Ntにて記録材P上の未定着トナー画像Tを定着するのに必要・十分な熱量が与えられる。
記録材Pは前述したように画像形成部にてトナー画像Tが形成されたあと、定着装置7へ送られ、定着ローラ30と加圧ローラ63とで形成される定着ニップ部Ntへ導入されて挟持搬送される。記録材Pはこの定着ニップ部Ntを挟持搬送されていく過程において、定着ローラ30で加熱され、またニップ部圧を受けて、未定着トナー画像Tが記録材P面に永久固着画像として熱圧定着される。
次に、定着装置7における一連の定着プロセスに関して説明する。
以上で説明した定着装置構成において、定着ローラ30が回転駆動され、また加圧ローラ63が従動回転した状態で、ヒータ21へ通電を開始し、ヒータ21および定着ローラ30の表面温度を記録材の加熱定着に必要な温度まで立ち上げる。
ヒータ21は、ヒータ自体が低熱容量である為、温度立ち上がりが速い。
定着ローラ30は、芯金上に断熱弾性層32が形成されており、表面近傍のみ十分な熱容量を持っており、内部の断熱弾性層32は熱容量が小さい。また、表面には熱伝導率の高い蓄熱層33が形成され、ヒータ21から定着ローラ表面近傍の蓄熱層33に効率良く熱を伝えることができる為、定着ローラ表面温度の立ち上がりが速い。
定着ローラ表面を所定温度に保った状態で、定着ニップ部Ntに未定着トナー画像Tが形成された記録材Pを導入することにより、記録材P上の未定着トナー画像Tを加熱定着して固着画像とする。
定着ローラ30の表面には、熱伝導率が高く、定着ローラ表面に十分な熱容量をもつ蓄熱層33がある為、十分な熱量を持って記録材P上のトナー画像Tを加熱定着する事が可能である。
このときの定着ニップ部Nt内でのトナー画像Tと定着ローラ30の様子について図6を用いて説明する。
図6において、未定着トナー画像Tが形成された記録材Pが定着ニップ部Ntに導入されると、トナー画像Tは定着ローラ30の表面によって加圧され、潰された状態となる。このとき、定着ローラ30は、弾性を有するため、トナー画像Tの凹凸に対応して微少に表面変形する。この結果、トナー画像Tを包み込むように定着ローラ30の最表面高熱伝導層33が凹む。この結果、トナー画像Tに対して、定着ローラ30の接触面積が増え、効率的に定着ローラ30から記録材P上のトナー画像Tへ熱が伝えられる。特に本実施例に示したように定着ローラ30が弾性を有する部材であるため、表面粗さの大きな記録材上のトナー画像であっても、記録材Pの凹凸に対する定着ローラ30の表面の追随性にも優れ、記録材P上の定着均一性を得ることができる。
記録材は定着ローラ表面に追随して移動する為、定着ローラ表面に多少の変形があるものの、記録材上の単位面積上のトナー画像が受け取る熱は、定着ローラ30表面における単位面積の表面および、その内部領域に蓄熱された熱qの染み出しとなる。つまり定着ローラの単位表面積下に蓄熱された熱量qが、単位面積あたりのトナー画像Tを加熱定着する主要な熱源となる。本発明では、定着ローラの単位表面積あたり100J/m2・K以上の熱容量をもつよう形成されており、定着ローラ表面の単位面積内部に十分な熱量を蓄熱しているので、未定着トナー画像Tを定着することができる。
本実施例における定着装置7は、短いファーストプリントアウトタイムで、定着ムラのない良好な画像を得ることができる。ウォームアップ時間が短い為、スタンバイ温調は行わない。待機中の無駄な電力消費がないため、省エネルギーが達成される。
次に、本発明に係る各物性の測定方法に関して記載する。
(1)定着ローラ表面のEPMA(電子線マイクロアナライザー)による元素量
本発明では、定着ローラの表面を電子線マイクロアナライザー(EPMA)により測定した際の検出される全元素量に対するAl及び/又はZn元素の存在割合を規定している。この時、Al元素やZn元素は熱伝導フィラーに由来するものである。EPMAは表面から数μmの深さまでに存在する元素を測定するものであり、全元素量に対するAlやZnの存在割合は表面から数μmまでの深さに存在する熱伝導フィラー量と対応する。したがって、AlやZnの存在割合が高い場合、表面部分により多く熱伝導フィラーが存在することを示す。
<測定条件>
装置:電子線マイクロアナライザー EPMA−1610(島津製作所製)
加速電圧:15kV
照射電流:20nA
計測時間:500msec
ビーム径:10μm
(2)熱伝導フィラー、蓄熱層、断熱弾性層の熱伝導率測定及び蓄熱層の単位面積あたりの熱容量
(a)蓄熱層の単位面積あたりの熱容量測定
本発明では、蓄熱層の単位面積あたりの熱容量を規定している。ここで、蓄熱層の表面積とは、離型層を全て剥離した際に現れる蓄熱層表面の面積を指す。したがって、「試験片の表面積」も上述のように剥離した際に現れる面の面積のみを表している。
蓄熱層の単位面積あたりの熱容量は、以下の式で求められる。
定着ローラの単位面積あたりの熱容量
=試験片の体積×体積熱容量÷試験片の表面積
または、
=体積熱容量×比熱容量×蓄熱層33厚み 式(Z)
したがって、蓄熱層の単位面積あたりの熱容量を算出するには、まず比熱容量及び体積熱容量を測定する必要がある。比熱容量及び体積熱容量は以下のように求めた。
まず、定着ローラ30の蓄熱層33より、縦5mm、横5mmの試験片を切り出し、上記試験片を、乾式自動密度計(型番AccuPyc1330 株式会社 島津製作所)にて測定し、質量密度を求める。
次に、上記試験片を、示差走査熱量計(型番DSC8240、株式会社リガク製)にて測定し、比熱容量を求める。
体積熱容量は、下式から求められるため、上記により得られた値から計算される。
体積熱容量=質量密度×比熱容量
こうして得られた比熱容量と体積熱容量を式(Z)に代入することで蓄熱層の単位面積あたりの熱容量を算出した。
(b)熱伝導フィラー/蓄熱層/断熱弾性層の熱伝導率の測定
熱伝導率はフーリエ変換型温度熱拡散率測定装置(型番FTC−1、アルバック理工株式会社製)にて熱拡散率を測定する。蓄熱層や断熱弾性層を測定する場合、厚み方向の測定を行う。そして、下記の式から、熱伝導フィラーの熱伝導率、及び蓄熱層又は断熱弾性層の厚み方向の熱伝導率を求める。
熱伝導率=熱拡散率×質量密度×比熱容量
(3)像加熱部材表面のRz測定方法
サーフコーダーSE−3300(小坂研究所製)にて、測定距離4mmで測定した。測定箇所は、像加熱部材のゴム端部から30〜40mmの位置の両端部及び、ゴム端部から110〜120mmの位置の中央部とした。それぞれの箇所で軸方向と周方向について測定し、6点の測定値の平均値をRzとした。
(4)トナーのテトラヒドロフラン可溶成分量及び樹脂成分(X)の含有量
本発明のトナーに含有される樹脂成分(X)は、トナーのテトラヒドロフラン可溶成分中の、シクロヘキサン不溶成分として抽出できる樹脂成分である。
トナーのテトラヒドロフラン可溶成分量と、樹脂成分(X)の含有量の測定は、以下のようにして行った。
測定対象のトナーとTHFとを450mg/mlの濃度で混合し、室温にて10時間、試料の合一体がなくなるまで充分に振とうしTHFと試料を良く混ぜ、更に7日間静置する。
その後、上記溶解液を冷却高速遠心機(例えばH−9R(コクサン社製))を用い、10℃環境にて15000r/minで60分間遠心分離することで、上澄み液と沈降物とに分離し上澄み液を採取する。
尚、ここで得られた沈降物を、真空乾燥機(40℃)において24時間脱溶媒をすることで、テトラヒドロフラン不溶分量が求まり、下記式より本発明におけるトナーのテトラヒドロフラン可溶成分量が求まる。
テトラヒドロフラン可溶成分量(質量%)=((トナー質量)−(テトラヒドロフラン不溶成分量))/(トナー質量)×100
さらに前記上澄み液を窒素ガスにてバブリングしながら上澄み液を50%減少させ濃縮液を作製する。
その後、シクロヘキサン100ml中に、上記濃縮液5mlを添加し不溶分を生成させる。不溶分が生成した液を冷却高速遠心機(例えばH−9R(コクサン社製))を用い、10℃環境にて15000r/minで60分間遠心分離することで、上澄み液と沈降物(シクロヘキサン不溶分)とに分離して、上澄み液を除去する。
除去後の沈殿物を室温にて24時間静置させた後、真空乾燥機(40℃)において24時間脱溶媒をし、THF及びシクロヘキサンを除去して、THF可溶分中のシクロヘキサンに対して不溶分となった成分(A)を採取する。
トナーに対するTHF可溶分中のシクロヘキサン不溶分の含有量は、以下のように計算する。
シクロヘキサン不溶分含有量(質量%)=(A)/(トナー質量)×100
尚、上記手法で抽出したシクロヘキサン不溶分量は、樹脂成分(X)の含有量に相当し、樹脂成分(X)であることの同定は、IRやNMR等の分析装置を用いることで判別することが出来る。
(5)樹脂成分(X)の分子量分布
本発明における、樹脂成分(X)の分子量分布は、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)により、以下のようにして測定する。
まず、室温で24時間かけて、樹脂成分(X)をテトラヒドロフラン(THF)に溶解する。そして、得られた溶液を、ポア径が0.2μmの耐溶剤性メンブランフィルター「マエショリディスク」(東ソー社製)で濾過してサンプル溶液を得る。尚、サンプル溶液は、THFに可溶な成分の濃度が約0.8質量%となるように調整する。このサンプル溶液を用いて、以下の条件で測定する。
装置:HLC8120 GPC(検出器:RI)(東ソー社製)
カラム:Shodex KF−801、802、803、804、805、806、807の7連(昭和電工社製)
溶離液:テトラヒドロフラン(THF)
流速:1.0ml/min
オーブン温度:40.0℃
試料注入量:0.10ml
試料の分子量の算出にあたっては、標準ポリスチレン樹脂(例えば、商品名「TSKスタンダード ポリスチレン F−850、F−450、F−288、F−128、F−80、F−40、F−20、F−10、F−4、F−2、F−1、A−5000、A−2500、A−1000、A−500」、東ソ−社製)を用いて作成した分子量校正曲線を使用する。
(6)樹脂成分(X)のTg及び離型剤の融点
本発明における樹脂成分(X)のTg,離型剤の融点の測定方法は、示差走査熱量分析装置「Q1000」(TA Instruments社製)を用いてASTM D3418−82に準じて測定する。
装置検出部の温度補正はインジウムと亜鉛の融点を用い、熱量の補正についてはインジウムの融解熱を用いる。
具体的には、樹脂成分(X)を約5mg精秤し、アルミニウム製のパンの中に入れ、リファレンスとして空のアルミニウム製のパンを用い、測定範囲30乃至200℃の間で、昇温速度10℃/minで測定を行う。この昇温過程で、温度40℃乃至150℃の範囲において比熱変化が得られる。このときの比熱変化が出る前と出た後のベースラインの中間点の線と示差熱曲線との交点を、樹脂成分(X)のガラス転移温度Tgとする。
尚、トナーが含有する離型剤の融点測定においては、測定トナーを約10mg秤量し、一度200℃まで昇温させ、続いて30℃まで降温し、その後に再度昇温を行う過程のデータを採用する。この2度目の昇温過程での温度30乃至200℃の範囲におけるDSC曲線の最大の吸熱ピークを、本発明のトナーが含有する離型剤の最大吸熱ピーク、すなわち融点とする。
(7)樹脂成分(X)の酸価
本発明における樹脂成分(X)の酸価(mgKOH/g)はJIS K 0070−1966に準じて測定されるが、具体的には、以下の手順に従って測定する。
(a)試薬の準備
フェノールフタレイン1.0gをエチルアルコール(95vol%)90mlに溶かし、イオン交換水を加えて100mlとし、「フェノールフタレイン溶液」を得る。
特級水酸化カリウム7gを5mlの水に溶かし、エチルアルコール(95vol%)を加えて1lとする。炭酸ガス等に触れないように、耐アルカリ性の容器に入れて3日間放置後、ろ過して、「水酸化カリウム溶液」を得る。得られた水酸化カリウム溶液は、耐アルカリ性の容器に保管する。標定はJIS K 0070−1996に準じて行う。
(b)操作
(A)本試験
樹脂成分(X)の試料2.0gを200mlの三角フラスコに精秤し、トルエン/エタノール(2:1)の混合溶液100mlを加え、5時間かけて溶解する。次いで、指示薬として前記フェノールフタレイン溶液を数滴加え、前記水酸化カリウム溶液を用いて滴定する。尚、滴定の終点は、指示薬の薄い紅色が約30秒間続いたときとする。
(B)空試験
試料を用いない(すなわちトルエン/エタノール(2:1)の混合溶液のみとする)以外は、上記操作と同様の滴定を行う。
(c)得られた結果を下記式に代入して、酸価を算出する。
A=[(B−C)×f×5.61]/S
ここで、A:酸価(mgKOH/g)、B:空試験の水酸化カリウム溶液の添加量(ml)、C:本試験の水酸化カリウム溶液の添加量(ml)、f:水酸化カリウム溶液のファクター、S:試料(g)である。
(8)トナーの動的粘弾性試験
本発明におけるトナーの動的粘弾性の測定は、以下の方法により行う。
測定装置としては、回転平板型レオメーター「ARES」(TA INSTRUMENTS社製)を用いる。
測定試料としては、25℃の環境下で、錠剤成型器を用いて、トナーを直径8.0mm、厚さ2.0±0.3mmの円板状に加圧成型した試料を用いる。
該試料をパラレルプレートに装着し、室温(25℃)から105℃に15分間で昇温して、試料の形を整えた後、粘弾性の測定開始温度まで冷却し、測定を開始する。この際、初期のノーマルフォースが0になるようにサンプルをセットすることが、重要である。また、以下に述べるように、その後の測定においては、自動テンション調整(Auto Tension Adjustment ON)にすることで、ノーマルフォースの影響をキャンセルできる。
測定は、以下の条件で行う。
(a)直径8.0mmのパラレルプレートを用いる。
(b)周波数(Frequency)は1.0Hzとする。
(c)印加歪初期値(Strain)を0.02%に設定する。
(d)30〜200℃の間を、昇温速度(Ramp Rate)2.0℃/minで測定を行う。尚、測定においては、以下の自動調整モードの設定条件で行う。自動歪み調整モード(Auto Strain)で測定を行う。
(e)最大歪(Max Applied Strain)を40.0%に設定する。
(f)最大トルク(Max Allowed Torque)150.0g・cmとし、最低トルク(Min Allowed Torque)1.0g・cmと設定する。
(g)歪み調整(Strain Adjustment)を20.0% of Current Strainと設定する。測定においては、自動テンション調整モード(Auto Tension)を採用する。
(h)自動テンションディレクション(Auto Tension Direction)をコンプレッション(Compression)と設定する。
(i)初期スタティックフォース(Initial Static Force)を10.0g、自動テンションセンシティビティ(Auto Tension Sensitivity)を40.0gと設定する
(j)自動テンション(Auto Tension)の作動条件は、サンプルモデュラス(Sample Modulus)が1.0×106(Pa)以上である。
(k)測定データの取り込みは30秒間隔で行う。
(9)トナーの微小圧縮試験
次に、図8を参照しながら微小圧縮試験の測定方法について説明する。
図8は微小圧縮試験で本発明のトナーを測定した際のプロファイル(荷重−変位曲線)であり、横軸はトナーが変形した変位量、縦軸はトナーにかけている荷重量を表している。
本発明における微小圧縮試験は、(株)エリオニクス製 超微小硬度計ENT1100を用いた。使用圧子は20μm×20μm四方の平圧子を用いて測定した。図中の1−1は試験を始める前の最初の状態X1(原点)であり、最大荷重2.94×10-4Nに対し、9.8×10-5N/secの負荷速度で荷重を掛ける。最大荷重に到達直後は1−2の状態であり、このときの変位量をX2(μm)とする。1−2の状態で0.1秒間、その荷重で放置する。放置終了直後の状態が1−3を示しており、このときの最大変位量をX3(μm)とし、さらに最大荷重を経て9.8×10-5N/secの除荷速度で荷重を減らし、荷重が0Nになったときが1−4の状態である。このときの変位量をX4(μm)とする。
原点から最大荷重に達するまでの[荷重−変位曲線の傾き]R(25)は1−1から1−2までの荷重−変位曲線を一次直線と近似し、その直線の傾きは(2.94×10-4)/X2(N/μm)として算出した。また、弾性変位量(X3−X4)の最大変位量X3に対する百分率(以下、復元率(%)とも称する)を示すZ(25)は{(X3−X4)/X3}×100として求めた。更にZ(50)の値は、トナーに対する微小圧縮試験において、測定温度50℃で測定することを除いて、上記Z(25)の測定方法と同様にして得られる最大変位量X3’及び変位量X4’から求めた値である。
実際の測定は、セラミックセル上にトナーを塗布し、トナーがセラミックセル上に分散するようにエアーを吹き付けた後に、そのセラミックセルを超微小硬度計にセットして測定する。
また、測定の際にはセラミックセルを温度制御が可能な状態にし、このセラミックセルの温度を測定温度とした。すなわちR(25)及びZ(25)はセルの温度を25℃として測定し、R(50)はセルの温度を50℃として測定した。なお、セラミックセルの温度調節は、セラミックセルを超微小硬度計に設置し、セラミックセルが測定温度に到達してから10分以上放置した後、測定を開始した。
測定は超微小硬度計に付帯する顕微鏡を覗きながら測定用画面(横幅:160μm 縦幅:120μm)にトナーが1粒子で存在しているもの選択した。変位量の誤差を極力無くすため、トナーの個数平均粒径D1の±0.2μmのものを選択して測定した。なお、測定用画面から任意のトナーを選択するが、測定画面上でのトナーの粒子径の測定手段は超微小硬度計ENT1100付帯のソフトを用いてトナー粒子の長径と短径を測定し、それらから求められるアスペクト比[(長径+短径)/2]の値がD1の±0.2μmとなるトナーを選択して測定した。
測定データに関しては任意の粒子100個を選んで測定し、測定結果として得られたZ(25)、Z(50)及びR(25)について、最大値、最小値からそれぞれ10個を除いた残り80個をデータとして使用し、その80個の相加平均値としてZ(25)、Z(50)及びR(25)を求めた。
(10)トナーの100℃における粘度
トナーの100℃における粘度の測定は、定荷重押し出し方式の細管式レオメータ「流動特性評価装置 フローテスターCFT−500D」(島津製作所社製)を用い、装置付属のマニュアルに従って行なう。尚、本装置では、測定試料の上部からピストンによって一定荷重を加えつつ、シリンダに充填した測定試料を昇温させて溶融し、シリンダ底部のダイから溶融された測定試料を押し出し、この際の温度とピストンの降下量との関係を計測する。
本発明においては、50℃から200℃までの測定を行い、100℃において算出された見かけの粘度を、トナーの100℃における粘度(Pa・s)とする。
100℃における見かけの粘度η(Pa・s)は次のようにして算出する。まず、下式(1)よりフローレートQ(cm3/s)を計算する。式中、ピストンの断面積をA(cm2)、100℃時点におけるピストンの位置に対して上下0.10mm(間隔としては0.20mm)の間をピストンが降下するのに要した時間をΔt(秒)とする。
Q=(0.20×A)/(10×Δt) ・・・ (1)
そして、得られたフローレートQを用いて、下式(2)より100℃における見かけの粘度ηを算出する。式中、ピストン荷重をP(Pa)、ダイの穴の直径をB(mm)、ダイの長さをL(mm)とする。
η=(π×B4×P)/(128000×L×Q) ・・・ (2)
測定試料は、約1.0gのトナーを、25℃の環境下で、錠剤成型圧縮機(例えば、NT−100H、エヌピーエーシステム社製)を用いて約10MPaで、約60秒間圧縮成型し、直径約8mmの円柱状としたものを用いる。 CFT−500Dの測定条件は、以下の通りである。
試験モード:昇温法
開始温度:50℃
到達温度:200℃
測定間隔:1.0℃
昇温速度:4.0℃/min
ピストン断面積:1.000cm2
試験荷重(ピストン荷重):10.0kgf(0.9807MPa)
予熱時間:300秒
ダイの穴の直径:1.0mm
ダイの長さ:1.0mm
(11)トナーの平均円形度
トナーの平均円形度は、フロー式粒子像分析装置「FPIA−3000」(シスメックス社製)によって、校正作業時の測定及び解析条件で測定する。
具体的な測定方法は、以下の通りである。まず、ガラス製の容器中に予め不純固形物などを除去したイオン交換水約20mlを入れる。この中に分散剤として「コンタミノンN」(非イオン界面活性剤、陰イオン界面活性剤、有機ビルダーからなるpH7の精密測定器洗浄用中性洗剤の10質量%水溶液、和光純薬工業社製)をイオン交換水で約3質量倍に希釈した希釈液を約0.2ml加える。更に測定試料を約0.02g加え、超音波分散器を用いて2分間分散処理を行い、測定用の分散液とする。その際、分散液の温度が10℃以上40℃以下となる様に適宜冷却する。超音波分散器としては、発振周波数50kHz、電気的出力150Wの卓上型の超音波洗浄器分散器(例えば「VS−150」(ヴェルヴォクリーア社製))を用い、水槽内には所定量のイオン交換水を入れ、この水槽中に前記コンタミノンNを約2ml添加する。
測定には、標準対物レンズ(10倍)を搭載した前記フロー式粒子像分析装置を用い、シース液にはパーティクルシース「PSE−900A」(シスメックス社製)を使用した。前記手順に従い調整した分散液を前記フロー式粒子像分析装置に導入し、HPF測定モードで、トータルカウントモードにて3000個のトナー粒子を計測する。そして、粒子解析時の2値化閾値を85%とし、解析粒子径を円相当径1.985μm以上、39.69μm未満に限定し、トナー粒子の平均円形度を求める。
測定にあたっては、測定開始前に標準ラテックス粒子(例えば、Duke Scientific社製の「RESEARCH AND TEST PARTICLES Latex Microsphere Suspensions 5200A」をイオン交換水で希釈)を用いて自動焦点調整を行う。その後、測定開始から2時間毎に焦点調整を実施することが好ましい。
なお、本願実施例では、シスメックス社による校正作業が行われた、シスメックス社が発行する校正証明書の発行を受けたフロー式粒子像分析装置を使用した。解析粒子径を円相当径1.985μm以上、39.69μm未満に限定した以外は、校正証明を受けた時の測定及び解析条件で測定を行った。
(12)トナーの重量平均粒径(D4)、個数平均粒径(D1)
本発明におけるトナーの重量平均粒径(D4)および個数平均粒径(D1)は、以下のようにして算出する。
測定装置としては、細孔電気抵抗法による精密粒度分布測定装置「コールター・カウンター Multisizer 3」(登録商標、ベックマン・コールター社製)を用いる。測定条件の設定及び測定データの解析は、付属の専用ソフト「ベックマン・コールター Multisizer 3 Version3.51」(ベックマン・コールター社製)を用いる。尚、測定は実効測定チャンネル数2万5千チャンネルで行なう。
測定に使用する電解水溶液は、特級塩化ナトリウムをイオン交換水に溶解して濃度が約1質量%となるようにしたもの、例えば、「ISOTON II」(ベックマン・コールター社製)が使用できる。
尚、測定、解析を行なう前に、以下のように専用ソフトの設定を行なった。
専用ソフトの標準測定方法(SOM)を変更画面において、コントロールモードの総カウント数を50000粒子に設定し、測定回数を1回、Kd値は「標準粒子10.0μm」(ベックマン・コールター社製)を用いて得られた値を設定する。閾値/ノイズレベルの測定ボタンを押すことで、閾値とノイズレベルを自動設定する。また、カレントを1600μAに、ゲインを2に、電解液をISOTON IIに設定し、測定後のアパーチャーチューブのフラッシュにチェックを入れる。
専用ソフトのパルスから粒径への変換設定画面において、ビン間隔を対数粒径に、粒径ビンを256粒径ビンに、粒径範囲を2μmから60μmまでに設定する。
具体的な測定法は以下の通りである。
(a)Multisizer 3専用のガラス製250ml丸底ビーカーに前記電解水溶液約200mlを入れ、サンプルスタンドにセットし、スターラーロッドの撹拌を反時計回りで24回転/秒にて行なう。そして、専用ソフトの「アパーチャーのフラッシュ」機能により、アパーチャーチューブ内の汚れと気泡を除去しておく。
(b)ガラス製の100ml平底ビーカーに前記電解水溶液約30mlを入れる。この中に分散剤として「コンタミノンN」(非イオン界面活性剤、陰イオン界面活性剤、有機ビルダーからなるpH7の精密測定器洗浄用中性洗剤の10質量%水溶液、和光純薬工業社製)をイオン交換水で約3質量倍に希釈した希釈液を約0.3ml加える。
(c)発振周波数50kHzの発振器2個を位相を180度ずらした状態で内蔵し、電気的出力120Wの超音波分散器「Ultrasonic Dispension System Tetora150」(日科機バイオス社製)を準備する。超音波分散器の水槽内に所定量のイオン交換水を入れ、この水槽中に前記コンタミノンNを約2ml添加する。
(d)前記(b)のビーカーを前記超音波分散器のビーカー固定穴にセットし、超音波分散器を作動させる。そして、ビーカー内の電解水溶液の液面の共振状態が最大となるようにビーカーの高さ位置を調整する。
(e)前記(d)のビーカー内の電解水溶液に超音波を照射した状態で、トナー約10mgを少量ずつ前記電解水溶液に添加し、分散させる。そして、さらに60秒間超音波分散処理を継続する。尚、超音波分散にあたっては、水槽の水温が10℃以上40℃以下となる様に適宜調節する。
(f)サンプルスタンド内に設置した前記(a)の丸底ビーカーに、ピペットを用いてトナーを分散した前記(e)の電解質水溶液を滴下し、測定濃度が約5%となるように調整する。そして、測定粒子数が50000個になるまで測定を行なう。
(g)測定データを装置付属の前記専用ソフトにて解析を行ない、重量平均粒径(D4)および個数平均粒径(D1)を算出する。尚、専用ソフトでグラフ/体積%と設定したときの、分析/体積統計値(算術平均)画面の「平均径」が重量平均粒径(D4)であり、専用ソフトでグラフ/個数%と設定したときの、分析/個数統計値(算術平均)画面の「平均径」が個数平均粒径(D1)である。
本発明を以下に示す実施例により具体的に説明する。しかし、これは本発明をなんら限定するものではない。
なお、実施例中及び比較例中の部および%は特に断りがない場合、全て質量基準である。
(蓄熱層用塗工液の製造)
シリコーンゴム原料組成物として、付加型シリコーンゴム(東レ・ダウコーニング・シリコーン社製(商品名:DY35−561A/B))70.0質量部に対し、フィラーとしてアルミナ(昭和電工(株)製(商品名:アルミナビーズCB−A50S))を30.0質量部配合した。これを固形分濃度10%となるように、メチルエチルケトンで希釈し、蓄熱層用塗工液1を得た。液粘度は3.0×10-2Pa・sであった。また、表1のようにフィラー種及び配合比を調整し、蓄熱層用塗工液2乃至11を得た。なお、表1中の「アルミナ」は昭和電工(株)製アルミナ(商品名:アルミナビーズCB−A50S)、「酸化亜鉛」は境化学工業(株)製酸化亜鉛(商品名:LPZINC−11)、「ジルコニア」はアスザック(株)製ジルコニア(商品名:AZI)を示す。
(定着ローラ1の製造方法)
弾性層の製造:
信越化学工業製の付加硬化型液状シリコーンゴム材料KE1218A液(主剤)/B液(硬化剤)各50質量部に、中空フィラーとして松本油脂製薬製のマイクロバルーンF80S(材質:アクリロニトリル製、軟化温度:160℃以上170℃以下)を3質量部、ポリエチレングリコール1質量部を添加し、15分撹拌を続け、シリコーンゴムを得た。
外径8mmのSUM芯金上に、上記で得たシリコーンゴムを注型し、150℃で1時間、一次加硫を行った後、型から脱型して取り出した。次に、200℃で4時間、2次加硫を行った後、更に、230℃で4時間の加熱処理を施すことで、厚み2.0mmの低熱伝導弾性層を有する定着ローラ前駆体を形成した。この低熱伝導弾性層はバルーンゴムであり、熱伝導率0.12W/mKであった。
蓄熱層の製造:
次に前記蓄熱層用塗工液1をリング塗工装置を用いて、定着ローラ前駆体に塗布した。塗布は、リング形状塗布手段の移動速度15mm/s、材料吐出量2100mm3/secの条件で、厚さが150μmとなるまで塗布を行なった。その後300℃の温風循環加熱炉で60分加熱し、その後、表面を研磨ペーパーを用いて研磨(研磨機:松田精機製スーパーフィニッシャー、研磨紙:3Mインペリアルラッピングフィルム15micシリコンカーバイド砥粒タイプ)を行い、ソリッドゴムである蓄熱層を得た。得られた物性を表2に示す。
なお、表2中の「表面存在割合」とは、定着ローラをEPMAで測定した際に得られる全元素量に対するアルミニウム及び/又は亜鉛の存在割合を示す。ここで、アルミニウム、亜鉛元素は熱伝導フィラーに由来するものである。
(定着ローラ2の製造方法)
定着ローラ1の製造方法において、弾性層に用いるシリコーンゴムを付加型シリコーンゴム(東レ・ダウコーニング・シリコーン社製(商品名:DY35−561A/B))に変え、研磨を(研磨機:松田精機製スーパーフィニッシャー、研磨紙:3Mインペリアルラッピングフィルム5micシリコンカーバイド砥粒タイプ)に変更し、定着ローラ表面のRzが4.0μmになるまで研磨したこと以外は定着ローラ1と同様に製造し、定着ローラ2を得た。弾性層の熱伝導率は0.20W/mKであった。作製したローラの概要は表2のとおりである。
(定着ローラ3の製造方法)
定着ローラ2の製造方法において、研磨を(研磨機:松田精機製スーパーフィニッシャー、研磨紙:3Mインペリアルラッピングフィルム30micシリコンカーバイド砥粒タイプ)に変更し、定着ローラ表面のRzが16.0μmとなるまで研磨したこと以外は定着ローラ2と同様に製造し、定着ローラ3を得た。作製したローラの概要は表2のとおりである。
(定着ローラ4の製造方法)
定着ローラ2の製造方法において、研磨を(研磨機:松田精機製スーパーフィニッシャー、研磨紙:3Mインペリアルラッピングフィルム5micシリコンカーバイド砥粒タイプ)に変更し、定着ローラ表面のRzが1.4μmとなるまで研磨したこと以外は、定着ローラ2と同様に製造し、定着ローラ4を得た。作製したローラの概要は表2のとおりである。
(定着ローラ5の製造方法)
定着ローラ2の製造方法において、研磨を(研磨機:松田精機製スーパーフィニッシャー、研磨紙:3Mインペリアルラッピングフィルム30micシリコンカーバイド砥粒タイプ)に変更し、定着ローラ表面のRzが21.0μmとなるまで研磨したこと以外は定着ローラ2と同様に製造し、定着ローラ5を得た。作製したローラの概要は表2のとおりである。
(定着ローラ6の製造方法)
弾性層の製造は、定着ローラ1と同様にして製造を行なった。
蓄熱層の製造:
次に前記蓄熱層用塗工液8をリング塗工装置を用いて、定着ローラ前駆体に塗布した。塗布は、リング形状塗布手段の移動速度15mm/s、材料吐出量3000mm3/secの条件で行なった。その後300℃の温風循環加熱炉で60分加熱し、その後、表面を研磨ペーパーを用いて研磨(研磨機:松田精機製スーパーフィニッシャー、研磨紙:3Mインペリアルラッピングフィルム15micシリコンカーバイド砥粒タイプ)を行い、ソリッドゴムである蓄熱層の厚さが495μmの定着ローラ前駆体2を得た。この定着ローラ前駆体2に、前記蓄熱層用塗工液9をリング塗工装置を用いて塗布した。塗布は、リング形状塗布手段の移動速度25mm/s、材料吐出量1500mm3/secの条件で行なった。その後、表面を研磨ペーパーを用いて研磨(研磨機:松田精機製スーパーフィニッシャー、研磨紙:3Mインペリアルラッピングフィルム15micシリコンカーバイド砥粒タイプ)を行い、重ねて塗布されたソリッドゴムである蓄熱層の厚さが10μm(トータルの蓄熱層の厚みが505μm)となるまで研磨を行い、定着ローラ6を得た。得られた物性を表2に示す。
(定着ローラ7の製造方法)
弾性層の製造は、定着ローラ1と同様にして製造を行なった。
蓄熱層の製造:
次に前記蓄熱層用塗工液10をリング塗工装置を用いて、定着ローラ前駆体に塗布した。塗布は、リング形状塗布手段の移動速度35mm/s、材料吐出量1500mm3/secの条件で行なった。その後300℃の温風循環加熱炉で60分加熱し、その後、表面を研磨ペーパーを用いて研磨(研磨機:松田精機製スーパーフィニッシャー、研磨紙:3Mインペリアルラッピングフィルム15micシリコンカーバイド砥粒タイプ)を行い、ソリッドゴムである蓄熱層の厚さが38μmの定着ローラ前駆体2を得た。その後、定着ローラ6の製造と同様にして前期蓄熱層用塗工液9をリング塗工装置を用いて塗布し、重ねて塗布されたソリッドゴムである蓄熱層の厚さが10μm(トータルの蓄熱層の厚みが48μm)となるまで研磨を行い、定着ローラ7を得た。得られた物性を表2に示す。
(定着ローラ8の製造方法)
弾性層の製造は、定着ローラ1と同様にして製造を行なった。
蓄熱層の製造:
次に前記蓄熱層用塗工液1を定着ローラ1の製造と同様の条件により塗布・研磨し、ソリッドゴムである蓄熱層の厚さが150μmの定着ローラ前駆体2を得た。その後、定着ローラ6の製造と同様にして前期蓄熱層用塗工液2をリング塗工装置を用いて塗布し、重ねて塗布されたソリッドゴムである蓄熱層の厚さが10μm(トータルの蓄熱層の厚みが160μm)となるまで研磨を行い、定着ローラ8を得た。得られた物性を表2に示す。
(定着ローラ9の製造方法)
定着ローラ8の製造において、蓄熱層用塗工液2の代わりに蓄熱層用塗工液3を用いた以外は定着ローラ8と同様にして、定着ローラ9を得た。得られた物性を表2に示す。
(定着ローラ10の製造方法)
定着ローラ1の製造方法において、蓄熱層用塗工液1の代わりに蓄熱層用塗工液4を用い、リング塗工装置の代わりにディッピング塗工装置を用いた以外は、定着ローラ1と同様にして、定着ローラ10を得た。得られた物性を表2に示す。
(定着ローラ11の製造方法)
定着ローラ10の製造方法において、蓄熱層用塗工液4の代わりに蓄熱層用塗工液5を用いた以外は、定着ローラ1と同様にして、定着ローラ10を得た。得られた物性を表2に示す。
(定着ローラ12の製造方法)
定着ローラ6の製造方法において、蓄熱層用塗工液8の代わりに蓄熱層用塗工液6を用いたこと以外は、定着ローラ6の製造方法と同様にして定着ローラ12を得た。得られた物性を表2に示す。
(定着ローラ13の製造方法)
定着ローラ7の製造方法において、蓄熱層用塗工液10の代わりに蓄熱層用塗工液7を用いたこと以外は、定着ローラ6の製造方法と同様にして定着ローラ12を得た。得られた物性を表2に示す。
(定着ローラ14の製造方法)
定着ローラ10の製造方法において、蓄熱層用塗工液4の代わりに蓄熱層用塗工液11を用いたこと以外は、定着ローラ10の製造方法と同様にして定着ローラ12を得た。得られた物性を表2に示す。
なお、定着ローラ14に関してのみは、表2中の「表面元素割合」はEPAM測定で検出された全元素量に対するジルコニウムの存在割合を示している。
以下にトナーの製造方法について記載する。
(トナーの製造例1)
まず、下記の手順によって重合法トナーを製造した。
60℃に加温したイオン交換水1300質量部に、リン酸三カルシウム9質量部、10%塩酸11質量部を添加し、TK式ホモミキサー(特殊機化工業製)を用いて、10,000r/minにて撹拌し、pH5.2の水系媒体を調製した。
また、下記の材料をプロペラ式攪拌装置にて100r/minで溶解して溶解液を調製した。
・スチレン 70.0質量部
・n−ブチルアクリレート 30.0質量部
・FCA1001NS(藤倉化成社製) 2.0質量部
・樹脂成分(X1)スチレン−メタクリル酸−メタクリル酸メチル共重合体
20.0質量部
(共重合比=95.85:1.65:2.50、Mw=13000、Tg=89℃、酸価=10.0mgKOH/g)
次に上記溶解液に下記の材料を添加した。
・C.I.ピグメントブルー15:3 7.0質量部
・ボントロンE−88(オリエント化学社製) 1.0質量部
・HNP−10(融点75℃:日本精蝋社製) 10.0質量部
・ジビニルベンゼン 0.25質量部
その後、混合液を温度60℃に加温した後にTK式ホモミキサー(特殊機化工業製)にて、9,000r/minにて攪拌し、溶解、分散した。
これに重合開始剤2,2’−アゾビス(2,4−ジメチルバレロニトリル)8.0質量部を溶解し、重合性単量体組成物を調製した。上記水系媒体中に上記重合性単量体組成物を投入し、60℃にてTK式ホモミキサーを用いて15,000r/minで10分間攪拌し、造粒した。
その後、プロペラ式攪拌装置に移して100r/minで攪拌しつつ、窒素雰囲気下において溶存酸素0.50%以下にて、70℃で5時間反応させた後、80℃まで昇温し、更に5時間反応を行い、トナー粒子を製造した。重合反応終了後、該粒子を含むスラリーを冷却し、スラリーの10倍の水量で洗浄し、ろ過、乾燥の後、分級によって粒子径を調整して重量平均粒径(D4)が6.3μmのトナー粒子(1)を得た。
上記トナー粒子(1)100質量部に対して、流動性向上剤として、ジメチルシリコーンオイル(20質量%)で処理され、トナー粒子と同極性(負極性)に帯電する疎水性シリカ微粉体(1次粒子径:10nm、BET比表面積:170m2/g)1.5質量部をヘンシェルミキサー(三井三池社製)で3000r/minで15分間混合してトナーNo.1を得た。尚、トナーNo.1のテトラヒドロフラン可溶成分量は94質量%、抽出された樹脂成分(X)量は15質量%であった。トナーNo.1の物性を表3に示す。
(トナーの製造例2)
トナーの製造例1において、スチレンの添加量を67質量部、n−ブチルアクリレートの添加量を33質量部、ジビニルベンゼンの添加量を0.3質量部に変更し、樹脂成分(X1)を樹脂成分(X2)スチレン−αメチルスチレン−メタクリル酸−メタクリル酸メチル共重合体(共重合比=85.85:10.00:1.95:2.20、Mw=22000、Tg=100℃、酸価=12.0mgKOH/g)に変更して添加した以外は同様にして、トナーNo.2を得た。トナーNo.2の物性を表3に示す。
(トナーの製造例3)
トナーの製造例2において、スチレンの添加量を71質量部、n−ブチルアクリレートの添加量を29質量部、ジビニルベンゼンの添加量を0.2質量部に変更した以外は同様にして、トナーNo.3得た。トナーNo.3の物性を表3に示す。
(トナーの製造例4)
トナーの製造例1において、スチレンの添加量を72質量部、n−ブチルアクリレートの添加量を28質量部、ジビニルベンゼンの添加量を0.2質量部に変更し、樹脂成分(X1)を樹脂成分(X3)スチレン−αメチルスチレン−メタクリル酸−メタクリル酸メチル共重合体(共重合比=75.85:20.00:1.35:2.80、Mw=30000、Tg=108℃、酸価=8.0mgKOH/g)に変更して添加した以外は同様にして、トナーNo.4得た。トナーNo.4の物性を表3に示す。
(トナーの製造例5)
トナーの製造例1において、樹脂成分(X1)を樹脂成分(X4)スチレン−αメチルスチレン−メタクリル酸−メタクリル酸メチル共重合体(共重合比=67.85:28.00:1.35:2.80、Mw=48000、Tg=117℃、酸価=8.0mgKOH/g)に変更して添加した以外は同様にして、トナーNo.5を得た。トナーNo.5の物性を表3に示す。
(トナーの製造例6)
トナーの製造例1において、スチレンの添加量を63質量部、n−ブチルアクリレートの添加量を37質量部、ジビニルベンゼンの添加量を0.4質量部に変更し、樹脂成分(X1)を樹脂成分(X2)スチレン−αメチルスチレン−メタクリル酸−メタクリル酸メチル共重合体(共重合比=85.85:10.00:1.95:2.20、Mw=22000、Tg=100℃、酸価=12.0mgKOH/g)に変更して添加した以外は同様にして、トナーNo.6を得た。トナーNo.6の物性を表3に示す。
(トナーの製造例7)
トナーの製造例1において、スチレンの添加量を68質量部、n−ブチルアクリレートの添加量を32質量部、ジビニルベンゼンの添加量を0.6質量部、樹脂成分(X1)の添加量を25質量部に変更して添加した以外は同様にして、トナーNo.7を得た。トナーNo.7の物性を表3に示す。
(トナーの製造例8)
トナーの製造例1において、スチレンの添加量を68質量部、n−ブチルアクリレートの添加量を32質量部、ジビニルベンゼンの添加量を0.8質量部、樹脂成分(X1)の添加量を29質量部に変更して添加した以外は同様にして、トナーNo.8を得た。トナーNo.8の物性を表3に示す。
(トナーの製造例9)
トナーの製造例1において、樹脂成分(X1)の添加量を10質量部に変更して添加した以外は同様にして、トナーNo.9を得た。トナーNo.9の物性を表3に示す。
(トナーの製造例10)
トナーの製造例2において、樹脂成分(X2)の添加量を5質量部に変更した以外は同様にして、トナーNo.10を得た。トナーNo.10の物性を表3に示す。
(トナーの製造例11)
トナーの製造例1において、樹脂成分(X1)を樹脂成分(X5)スチレン−nブチルアクリレート−メタクリル酸−メタクリル酸メチル共重合体(共重合比=91.65:4.20:1.65:2.50、Mw=5000、Tg=85℃、酸価=10.0mgKOH/g)に変更して添加した以外は同様にして、トナーNo.11を得た。トナーNo.11の物性を表3に示す。
(トナーの製造例12)
トナーの製造例1において、樹脂成分(X1)を樹脂成分(X6)スチレン−メタクリル酸−メタクリル酸メチル共重合体(共重合比=95.85:1.65:2.50、Mw=72000、Tg=89℃、酸価=10.0mgKOH/g)に変更して添加した以外は同様にして、トナーNo.12を得た。トナーNo.12の物性を表3に示す。
(トナーの製造例13)
トナーの製造例1において、樹脂成分(X1)を樹脂成分(X7)スチレン−メタクリル酸−メタクリル酸メチル共重合体(共重合比=95.85:1.10:3.05、Mw=13000、Tg=89℃、酸価=6.0mgKOH/g)に変更して添加した以外は同様にして、トナーNo.13を得た。トナーNo.13の物性を表3に示す。
(トナーの製造例14)
トナーの製造例1において、樹脂成分(X1)を樹脂成分(X8)スチレン−nブチルアクリレート−メタクリル酸−メタクリル酸メチル共重合体(共重合比=89.85:6.00:0.80:3.35、Mw=13000、Tg=83℃、酸価=4.0mgKOH/g)に変更して添加した以外は同様にして、トナーNo.14を得た。トナーNo.14の物性を表3に示す。
(トナーの製造例15)
トナーの製造例1において、樹脂成分(X1)を樹脂成分(X9)スチレン−メタクリル酸−メタクリル酸メチル共重合体(共重合比=95.85:3.50:0.65、Mw=13000、Tg=89℃、酸価=23.0mgKOH/g)に変更して添加した以外は同様にして、トナーNo.15を得た。トナーNo.15の物性を表3に示す。
(トナーの製造例16)
トナーの製造例1において、樹脂成分(X1)を樹脂成分(X10)スチレン−メタクリル酸共重合体(共重合比=95.80:4.20、Mw=13000、Tg=90℃、酸価=28.0mgKOH/g)に変更して添加した以外は同様にして、トナーNo.16を得た。トナーNo.16の物性を表3に示す。
(トナーの製造例17)
トナーの製造例1において、樹脂成分(X1)を樹脂成分(X11)スチレン−αメチルスチレン−メタクリル酸共重合体(共重合比=82.80:11.00:6.20、Mw=30000、Tg=100℃、酸価=42.0mgKOH/g)に変更した以外は同様にして、トナーNo.17を得た。トナーNo.17の物性を表3に示す。
(トナーの製造例18)
トナーの製造例1において、樹脂成分(X1)の添加部数を32質量部に変更する以外は同様にして、トナーNo.18を得た。トナーNo.18の物性を表3に示す。
(トナーの製造例19)
トナーの製造例1において、樹脂成分(X1)の添加部数を2質量部に変更する以外は同様にして、トナーNo.19を得た。トナーNo.19の物性を表3に示す。
(トナーの製造例20)
トナーの製造例1において、スチレンの添加量を63質量部、n−ブチルアクリレートの添加量を37質量部に変更し、ジビニルベンゼンを添加しなかった以外は同様にして、トナーNo.20を得た。トナーNo.20の物性を表3に示す。
(トナーの製造例21)
トナーの製造例1において、スチレンの添加量を77質量部、n−ブチルアクリレートの添加量を23質量部、ジビニルベンゼンの添加量を0.3質量部に変更し、樹脂成分(X1)を添加しなかった以外は同様にして、トナーNo.21を得た。トナーNo.21の物性を表3に示す。
(トナーの製造例22)
トナーの製造例1において、スチレンの添加量を60質量部、n−ブチルアクリレートの添加量を40質量部に変更し、ジビニルベンゼンを添加しなかった以外は同様にして、トナーNo.22を得た。トナーNo.22の物性を表3に示す。
(トナーの製造例23)
トナーの製造例1において、スチレンの添加量を77質量部、n−ブチルアクリレートの添加量を23質量部、ジビニルベンゼンの添加量を0.8質量部に変更し、樹脂成分(X1)を樹脂成分(X12)スチレン−αメチルスチレン−メタクリル酸−メタクリル酸メチル共重合体(共重合比=55.85:40.00:1.65:2.50、Mw=20000、Tg=130℃、酸価=10.0mgKOH/g)に変更して添加した以外は同様にして、トナーNo.23を得た。トナーNo.23の物性を表3に示す。
(トナーの製造例24)
トナーの製造例1において、ジビニルベンゼンを添加せず、樹脂成分(X1)を樹脂成分(X13)スチレン−nブチルアクリレート−メタクリル酸−メタクリル酸メチル共重合体(共重合比=85.85:10.00:1.65:2.50、Mw=20000、Tg=78℃、酸価=10.0mgKOH/g)に変更して添加した以外は同様にして、トナーNo.24を得た。トナーNo.24の物性を表3に示す。
次に、本実施例で用いた図5に示す定着装置7及びそれを備えた図3に示す画像形成装置の基本構成を以下に説明する。
使用した画像形成装置1のプロセススピードは100mm/secであり、1分間に16枚のプリントを実施するレーザビームプリンタを用いて実験した。
定着装置7において、定着ローラ30を外側から加熱する加熱手段は、厚み1.0mmのセラミック基板21a上に、銀とパラジウムの発熱体ペーストを、厚み10μmで形成したセラミックヒータ(板状ヒータ)21を使用した。セラミックヒータ21は、中空樹脂を含有する断熱性の液晶ポリマー部材(ヒータホルダ)24によって保持される。
セラミックヒータ表面には、発熱体保護の為に厚み30μmの絶縁ガラス層21cを形成し、さらに厚み10μmのPFA樹脂からなる摺動層21dを設けている。
セラミック基板21aの裏側には、セラミックヒータ21の温度制御用のサーミスタ22が当接されている。
また、加圧ローラ63としては、外径8mmのSUM芯金41上に、熱伝導率0.12W/mK、厚み2.0mmのシリコーンゴム層42を設け、さらにその外側にはフッ素樹脂層43を設けたものを用いた。
以上の構成で、セラミックヒータ21と定着ローラ30の間に49N(5kgf)の加圧力を付加して加熱ニップ部Nhを幅7mmで形成した。また、定着ローラ30と加圧ローラ63の間にも49N(5kgf)の加圧力を付加して定着ニップ部Ntを幅7mmで形成した。セラミックヒータ21と加圧ローラ63は、定着ローラ30を中心に180°対向させて配置した。
〔実施例1〕
以上、トナーNo.1と定着ローラ1を、先に説明した図5に示す定着装置7を備えた図3に示す画像形成装置1を用いて、下記に示す定着特性と現像特性の画像評価を行った。
定着特性の評価は、定着装置7に未定着トナー画像Tを形成した記録材Pを通紙して行い、ヒータ21及び定着ローラ30、定着装置全体の温度が、雰囲気温度になじんだ状態から実験を開始する(以下、この条件をコールドスタートと称する)。実験時の環境は、特に断りの無い限り、常温常湿環境(23℃、50%RH)下で行った。
定着ローラ30の表面温度は、図7のように、定着ローラ30の回転方向において加熱ニップ部Nhから定着ニップ部Ntに至る中間部位置Dの定着ローラの表面温度を非接触の放射温度計103を用いて測定する。
コールドスタートから、定着ローラ30の回転駆動開始と同時に、セラミックヒータ21に500Wの電力を投入し、セラミックヒータを発熱させて、定着ローラ30を加熱し、定着ローラを目標の温度まで立ち上げる。
定着ローラ30は、放射温度計103を用いて温度制御され、所望の定着ローラ温度に達した後は、目標温度を維持するようセラミックヒータの電力を制御される。20秒のウォームアップ時間の後、未定着トナー画像Tを形成した記録材Pを通紙する。
定着ローラの表面温度を変える場合は、セラミックヒータの温調温度を変えることにより制御した。
評価結果は表4に示す通り、優れた低温定着特性と、安定した定着画像品質を示した。
また現像特性も、全ての環境において安定した耐久性を示した。
以下に本発明の画像評価方法および評価基準について説明する。
(1)低温定着性
ファーストプリントアウトタイムを20秒に設定し、10mm×10mmのベタ画像(トナー載り量0.50mg/cm2)をXerox社製Business4200(75g/m2)上に出力し、安定した定着画像が得られる最低定着可能温度を下記基準にて評価した。尚、本発明の安定した定着画像とは、得られた定着画像濃度と、定着画像を50g/cm2の荷重をかけたシルボン紙で5回摺擦した後の画像濃度を測定し、濃度低下率が10%以下の定着状態と定義する。
A:最低定着可能温度が150℃以上170℃以下で、安定した定着画像が得られる
B:最低定着可能温度が170℃より高く190℃以下で、安定した定着画像が得られる
C:最低定着可能温度が190℃より高く200℃以下で、安定した定着画像が得られる
D:最低定着可能温度が200℃より高い、又は定着可能温度を有さない
(2)定着安定性
ベタ全域画像(先端余白:5mm、トナー載り量0.50mg/cm2)をXerox社製business4200(75g/m2)上に温調温度を可変させて出力し、オフセット又は巻付きが発生しない定着可能領域を下記基準により評価した。
定着安定性の評価は、常温常湿環境(23℃、50%RH)と、定着条件のより厳しい低温低湿環境(15℃、10%RH)で行った。
A:定着可能温度域が30℃以上
B:定着可能温度域が20℃以上30℃未満
C:定着可能温度域が20℃未満
D:定着可能温度域が20℃未満で、記録材の巻き付きが発生する
(3)定着均一性
ベタ全域画像(先端余白:5mm、トナー載り量0.50mg/cm2)をXerox社製business4200(75g/m2)上に最低定着可能温度で出力し、定着画像内の75°グロスの最大値と最小値を測定し、その差を求めて定着画像均一性を下記基準により評価した。なお、本発明に使用した光沢度測定器は、日本電色工業(株)製のPG−3D(入射角θ=75°)を使用し、標準面は光沢度96.9の黒色ガラスを使用した。
A:グロス差2.0%未満
B:グロス差2.0%以上4.0%未満
C:グロス差4.0%以上6.0%未満
D:グロス差6.0%以上
(4)画像カブリ
図3の画像形成装置を用いて耐久試験を行うことによりトナーの耐久性を評価した(プロセススピード100mm/sec,スリーブ周速150mm/sec)。
耐久試験の条件は、高温高湿環境(30℃,80%RH)、常温常湿環境(23℃,50%RH)、低温低湿環境(15℃,10%RH)の各環境下において、印字比率が2%のオリジナル画像を4000枚出力した。なお、評価方法は、500枚おきにべた白画像を出力して、下記評価基準により行った。
「REFLECTMETER MODEL TC−6DS」(東京電色社製)を用いて、標準紙とプリントアウト画像の白地部分の反射率を測定して、下記式によりカブリ(反射率;%)を算出した。フィルターは、アンバーフィルターを装着して測定した。
なお、評価基準は耐久を通しての最悪値を以下の基準により判断した。
A:非常に良好 1.0%未満
B:良好 1.0%以上乃至2.0%未満
C:実用上問題なし 2.0%以上乃至3.0%未満
D:実用上問題あり 3.0%以上
カブリ(反射率;%)=(標準紙の反射率;%)−(サンプルの反射率;%)
〔実施例2乃至26及び比較例1乃至11〕
以上表3記載のトナーと表2記載のローラについて、実施例1と同様に図5に示す定着装置7を備えた図3に示す画像形成装置1を用いて、定着特性と現像特性の画像評価を行った。
画像評価を行ったトナーとローラの組み合わせ、及び評価結果を表4に記載する。
表4からわかるように、実施例2乃至18では、トナーバインダーの溶融粘弾性と粒子の堅牢性といったトナーの構造制御が本定着システムに好適に機能し、優れた低温定着特性と耐久特性を示す。
また、実施例19乃至26では、弾性層の熱伝導率の制御と、蓄熱層の熱容量を高い熱伝導率を示すフィラーの存在状態で制御した定着ローラを用いることで、省エネルギー定着システムに対応した定着安定性を示す。
一方、比較例1乃至6では、本画像形成方法における低温定着性と耐高温オフセット性及び巻付き性の両立や、現像耐久性を兼ね備えることができない。
また比較例7乃至11では、定着工程における低温領域での安定した定着品質と、十分なオンセット領域を確保することができない。