JP5556266B2 - 二成分現像剤、現像剤カートリッジ、プロセスカートリッジ、及び画像形成装置 - Google Patents
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Description
即ち、請求項1に係る発明は、トナーと、表面エネルギーが23dyne/cm以上37dyne/cm以下のキャリアと、形状係数SF1が130以上150以下であり、且つ数平均粒径が80nm以上1μm以下のシリカ粒子からなる外添剤と、を含み、前記トナー表面における前記外添剤の存在率Aと、前記キャリア表面における前記外添剤の存在率Bと、が下記式(1)の関係を満たす二成分現像剤である。
(二成分現像剤)
本実施形態に係る二成分現像剤は、トナーと、表面エネルギーが23dyne/cm以上37dyne/cm以下のキャリアと、形状係数SF1が130以上150以下であり、且つ数平均粒径が80nm以上1μm以下である外添剤と、を含み、トナー表面における外添剤の存在率Aと、キャリア表面における外添剤の存在率Bと、が下記式(1)の関係を満たす。
但し、本実施形態においては、外添剤として、シリカ粒子からなる外添剤を適用する。
この理由は定かではないが、上記条件を満たすことで、トナー側からキャリア側への外添剤の移行が抑制され且つキャリア側へ外添剤が移行した場合であってもトナー側へ戻りやすくなるためと考えられる。
(トナー)
まず、トナーについて説明する。
トナーは、少なくとも結着樹脂を含み、必要に応じて、着色剤、離型剤、その他の内添剤を含んでもよい。
ポリエステル樹脂は、ジカルボン酸成分とジオール成分との中から好適なものを選択して組合せ、例えば、エステル交換法又は重縮合法等、従来公知の方法を用いて合成することで得られる。
測定法としては、分散剤として界面活性剤、望ましくはアルキルベンゼンスルホン酸ナトリウムの5%水溶液2ml中に、測定試料を0.5乃至50mg加え、これを前記電解液100乃至150ml中に添加する。この測定試料を懸濁させた電解液を超音波分散器で約1分間分散処理を行い、粒子の粒度分布を測定する。測定する粒子数は50,000である。
測定された粒度分布を、分割された粒度範囲(チャンネル)に対し、体積について小径側から累積分布を描き、累積50%となる粒径を体積平均粒径と定義する。
次に、キャリアについて説明する。
キャリアは、表面エネルギーが23dyne/cm以上37dyne/cm以下の範囲内であり、23dyne/cm以上35dyne/cm以下の範囲内が更に望ましく、25dyne/cm以上33dyne/cm以下の範囲内であることが特に望ましい。
キャリアの表面層の構成材料によって構成された層を、表面層として構成した基板を用意し、この基板の表面層上に、表面張力成分が既知の各種溶剤を用いて、これらと該表面層との接触角を測定することにより求められる。
詳細には、20℃50%RHの環境下で、上記基板上に、沃化メチレンと水を用いてそれぞれの接触角を測定し、その値から算出され、具体的には、Estimation of the Surface Free Energy of Polymers(JOURNAL OF APPLIED POLYMER SCIENCE VOL.13,p.1741〜1747(1969))に記載の測定方法により求められる。
磁性粉、樹脂に磁性粉を分散した磁性粉分散型樹脂粒子、及び、磁性粉や磁性粉分散型樹脂粒子を芯材とし、この表面に樹脂被覆層を有する樹脂被覆型キャリア等が挙げられる。
キャリアの電気抵抗率を上記の範囲にすることで、白抜け発生や、画像濃度の変動が抑制される。
20cm2の電極板を配した円形の治具の表面に、測定対象となるキャリアを1mm以上3mm以下程度の厚さになるように平坦に載せ、キャリア層を形成する。この上に前記の20cm2の電極板を載せキャリア層を挟み込む。キャリア同士の空隙をなくすため、キャリア層上に載せた電極板の上に4kgの荷重をかけてからキャリア層の厚み(cm)を測定する。キャリア層上下の両電極には、エレクトロメーターおよび高圧電源発生装置に接続されている。両電極に電界が6000V/cmとなるように高電圧を印加し、このとき流れた電流値(A)を読み取ることにより、キャリアの体積電気抵抗(Ω・cm)を計算する。キャリアの体積抵抗率(Ω・cm)の計算式は、下記式(4)に示す通りである。
式(4): R=E×20/(I−I0)/L
次に、外添剤について説明する。
本実施の形態の二成分現像剤は、外添剤として、形状係数SF1が130以上150以下であり、且つ数平均粒径が80nm以上1μm以下の外添剤(以下、大径外添剤と称する)を含んでいる。
この大径外添剤粒子を上記範囲とすると、キャリアへの付着が抑制され、転写効率の低下が抑制され、且つ、二成分現像剤が画像形成装置に適用されたときに現像装置外にはき出されることも抑制される。
このN原子を含有した表面処理剤としては、窒素原子を含む官能基を有するシランカップリング剤や、シリコーンオイルが挙げられ、より具体的には、アミノシランカップリング剤(例えば、HMDS(ヘキサメチルジシラザン)、3−アミノプロピルトリメトキシシラン、3−アミノプロピルトリエトキシシラン、N−2(アミノエチル)3−アミノプロピルメチルジメトキシシラン、N−2(アミノエチル)3−アミノプロピルトリメトキシシラン、N−2(アミノエチル)3−アミノプロピルトリエトキシシラン、アミノ変性シリコーンオイルなど)が挙げられる。
本実施の形態の二成分現像剤には、上記大径外添剤より数平均粒径の小さい外添剤を含んだ構成であってもよい。
その他の外添剤としては、例えば、数平均粒径10nm以上80nm未満の外添剤(以下、小径外添剤と称する)が挙げられる。
その他の外添剤の添加量としては、トナー100重量部に対して0.3質量部以上3.0質量部以下であることがよい。
本実施の形態の2成分現像剤は、上記トナーと、キャリアと、大径外添剤と、必要に応じてその他の材料と、を混合することによって得られる。
このトナー表面における外添剤の存在率Aと、キャリア表面における外添剤の存在率Bと、の各々は、下記方法によって求められる。
トナーの15枚の各々の写真に対し、平均的に大径外添剤が分散している箇所を選択する。写真に示される尺度から2μm相当を一辺とした正方形の領域でこの平均的に分散している箇所を囲い、内に含まれる大径外添剤の個数を数える。大径外添剤の個数を4μm2で割ることにより、トナー1μm2当たりに存在する大径外添剤の数を算出した。15枚の結果を平均し、これを、「トナー表面における外添剤の存在率A」として得た。
また、上記の選択した15枚に対し、平均的に大径外添剤が分散している箇所を選択する。写真に示される尺度から2μm相当を一辺とした正方形の領域でこの平均的に分散している箇所を囲い、内に含まれる大径外添剤の個数を数える。大径外添剤の個数を4μm2で割ることにより、キャリア1μm2当たりに存在する大径外添剤の数を算出し、これを、「キャリア表面における外添剤の存在率B」として得た。
次に、本実施形態に係る画像形成装置について説明する。
本実施形態に係る画像形成装置は、像保持体と、像保持体を帯電する帯電装置と、帯電した像保持体の表面に静電潜像を形成する潜像形成装置と、現像剤を収容し、該二成分現像剤により、像保持体上に形成された静電潜像をトナー像として現像する現像装置と、像保持体上に形成されたトナー像を被転写体上に転写する転写装置と、被転写体上に転写されたトナー像を定着する定着装置と、を有する。そして、この現像剤として、上記本実施形態に係る二成分現像剤を適用する。
また、各ユニット10Y、10M、10C、10Kの現像装置(現像装置)4Y、4M、4C、4Kのそれぞれには、現像剤カートリッジ8Y、8M、8C、8Kに収められたイエロー、マゼンタ、シアン、ブラックの4色のトナーを含む現像剤が供給可能である。
尚、1次転写ローラ5Yは、中間転写ベルト20の内側に配置され、感光体1Yに対向した位置に設けられている。更に、各1次転写ローラ5Y、5M、5C、5Kには、1次転写バイアスを印加するバイアス電源(図示せず)がそれぞれ接続されている。各バイアス電源は、図示しない制御部による制御によって、各1次転写ローラに印加する転写バイアスを可変する。
感光体1Yは、導電性(20℃における体積抵抗率:1×10−6Ωcm以下)の基体上に感光層を積層して形成されている。この感光層は、通常は高抵抗(一般の樹脂程度の抵抗)であるが、レーザ光線3Yが照射されると、レーザ光線が照射された部分の比抵抗が変化する性質を持っている。そこで、帯電した感光体1Yの表面に、図示しない制御部から送られてくるイエロー用の画像データに従って、露光装置3を介してレーザ光線3Yを出力する。レーザ光線3Yは、感光体1Yの表面の感光層に照射され、それにより、イエロー印字パターンの静電荷像が感光体1Yの表面に形成される。
このようにして感光体1Y上に形成された静電荷像は、感光体1Yの走行に従って予め定められた現像位置まで回転される。そして、この現像位置で、感光体1Y上の静電荷像が、現像装置4Yによって可視像(現像像)化される。
一方、感光体1Y上に残留したトナーはクリーニング装置6Yで除去されて回収される。
こうして、第1のユニット10Yにてイエロートナー像の転写された中間転写ベルト20は、第2乃至第4のユニット10M、10C、10Kを通して順次搬送され、各色のトナー像が重ねられて多重転写される。
定着後における画像表面の平滑性をさらに向上させるには、前記被転写体の表面も可能な限り平滑であることが好ましく、例えば、普通紙の表面を樹脂等でコーティングしたコート紙、印刷用のアート紙等が好適に使用される。
なお、上記例示した画像形成装置は、中間転写ベルト20を介してトナー像を記録紙Pに転写する構成となっているが、この構成に限定されるものではなく、感光体から直接トナー像が記録紙に転写される構造であってもよい。
尚、このトリクル現像方式では、現像装置内の現像剤量を規定値内に保持するように、現像剤の補給と回収とを行うことが望ましい。上記トリクル現像方式の技術としては、例えば特公平2−21591号公報等に記載された画像形成装置が挙げられる。
図2は、本実施形態に係る静電荷現像用現像剤を収容するプロセスカートリッジの好適な一例の実施形態を示す概略構成図である。プロセスカートリッジ200は、感光体107とともに、帯電装置108、現像装置111、クリーニング装置113、露光のための開口部118、及び、除電露光のための開口部117を取り付けレール116を用いて組み合わせ、そして一体化したものである。なお、図2において符号300は被転写体を示す。
そして、このプロセスカートリッジ200は、転写装置112と、定着装置115と、図示しない他の構成部分とから構成される画像形成装置201に対して着脱自在としたものである。
(トナーAの作製)
―樹脂粒子分散液の調製―
・スチレン 308質量部
・n−ブチルアクリレート 100質量部
・アクリル酸 4質量部
・ドデカンチオール 6質量部
・プロパンジオールアクリレート 1.5質量部
次いで、系内を十分に窒素で置換した後、フラスコを攪拌しながらオイルバスで加熱し、乳化重合を行った。
これにより、樹脂粒子の中心粒径(体積平均粒径)178nm、ガラス転移温度52℃、重量平均分子量Mw32000の樹脂粒子分散液を得た。
・シアン顔料(銅フタロシアニン) 35質量部
・アニオン性界面活性剤(ネオゲンSC、第一工業製薬社製) 6質量部
・イオン交換水 200質量部
・ポリエチレンワックス(炭化水素系ワックス、融点88℃) 50質量部
・アニオン性界面活性剤
(ネオゲンSC、第一工業製薬社製 固形分65%) 2.3質量部
・イオン交換水 200質量部
・樹脂粒子分散液 187質量部
・着色剤粒子分散液 42.7質量部
・離型剤粒子分散液 60.0質量部
・ポリ塩化アルミニウム(10%水溶液) 2.6質量部
・イオン交換水 375質量部
上記の成分を丸型ステンレス製フラスコ中でIKA社製のウルトラタラックスT50を用い十分に混合・分散した後、加熱用オイルバスでフラスコを攪拌しながら52℃まで加熱した。52℃(初期加熱温度)で保持した後、ここにさらに樹脂粒子分散液を緩やかに92質量部追加した。
その後、濃度0.5mol/Lの水酸化ナトリウム水溶液を用いて系内のpHを6.5に調製した後、ステンレス製フラスコを密閉し、攪拌軸のシールを磁力シールして攪拌を継続しながら97℃まで加熱した。反応終了後、冷却し、濾過、イオン交換水で十分に洗浄した後、ヌッチェ式吸引濾過により固液分離を行った。これをさらに40℃のイオン交換水3Lを用いて再分散し、15分間300rpmで攪拌・洗浄した。この洗浄操作をさらに5回繰り返し、ヌッチェ式吸引濾過によりNo.5Aろ紙を用いて固液分離を行った。次いで真空乾燥を12時間継続してトナーAを得た。
この時のトナーAの体積平均粒径を測定したところ6.5μmであった。また個数粒度分布指標GSDpは1.24であった。ルーゼックス社製のルーゼックス画像解析装置で形状観察を行ったところ、粒子の形状係数SF1は109であることが観察された。
−キャリアAの作製−
まず、下記材料を用意した。
・フェライト粒子 (商品名:EF35B、粒径:35μm、パウダーテック社製)
・・・・・100部
・トルエン ・・・・・・14部
・パーフルオロヘキシルエチルメタクリレート/メチルメタクリレート共重合体(共重合比40:60、Mw=5万) ・・・・・2.4部
・導電粉(BaSO4、平均粒径:0.2μm、体積抵抗率:5〜30Ωcm、商品名:パストラン タイプ IV、三井金属社製) 0.4部
上記キャリアAの作製において用いた、パーフルオロヘキシルエチルメタクリレート/メチルメタクリレート共重合に代えて、パーフルオロヘキシルエチルメタクリレート/メチルメタクリレート共重合体(共重合比80:20、Mw=5万)を用いた以外は、キャリアAと同じ条件及び同じ方法を用いて、キャリアBを得た。得られたキャリアBの表面エネルギーは、25dyne/cmであった。また、体積平均粒径は、37μmであった。
上記キャリアAの作製において用いた、パーフルオロヘキシルエチルメタクリレート/メチルメタクリレート共重合に代えて、ポリカーボネート (三菱ガス化学株式会社製 PCZ300)を用いた以外は、キャリアAと同じ条件及び同じ方法を用いて、キャリアBを得た。得られたキャリアBの表面エネルギーは、35dyne/cmであった。また、体積平均粒径は、37μmであった。
上記キャリアAの作製において用いた、パーフルオロヘキシルエチルメタクリレート/メチルメタクリレート共重合の変わりにポリフッ化ビニリデンを用い以下の組成で作製した。
・フェライト粒子 (商品名:EF35B、粒径:35μm、パウダーテック社製)
・・・・100部
・ポリフッ化ビニリデン(アルケマ社製 Kynar721) ・・・・2.4部
・導電粉(BaSO4、平均粒径:0.2μm、体積抵抗率:5〜30Ωcm、商品名:パストラン タイプ IV、三井金属社製) ・・・・・0.4部
上記キャリアAの作製において用いた、パーフルオロヘキシルエチルメタクリレート/メチルメタクリレート共重合に代えて、ジメチルアミノエチルメタクリレート/メチルメタクリレート共重合体(共重合比4:96、Mw=5.5万)を2.4部用いた以外は、キャリアAと同じ条件及び同じ方法を用いて、キャリアBを得た。得られたキャリアBの表面エネルギーは、40dyne/cmであった。また、体積平均粒径は、37μmであった。
−大径外添剤Aの作製−
攪拌機、滴下ロート、温度計をガラス製反応器にセットし、エタノール10質量部とテトラエトキシシラン30質量部を入れ、30℃に保ちながら回転数100rpmで攪拌した。次に攪拌を続けながら、5分かけて20%濃度のアンモニア水溶液を40質量部滴下した。そのまま1時間反応を行ってシリカゾルとし、このシリカゾル混濁液を遠心分離して上澄みを除去した。さらに、トルエン100質量部を加えて再度シリカゾルの状態とした。このシリカゾルに、シリカゾル中の固形分量に対して5質量%のHMDS(ヘキサメチルジシラザン)を加えた後、100℃で3時間反応させた。その後、懸濁液を加熱し、トルエンを除去し、乾燥させたあと、粉砕することにより真比重1.50、形状係数SF1が140、数平均粒径が220nmの単分散シリカの凝集体である大径外添剤Aを得た。
大径外添剤Aの作製において用いたHMDS(ヘキサメチルジシラザン)に代えて、アミノシランカップリング剤( 3−アミノプロピルトリメトキシシラン 信越シリコーン社製、商品名 KBM−903)(懸濁液中の固形分量に対して2質量%添加)を用いて表面処理を行った以外は、大径外添剤Aと同じ製法及び同じ条件で、単分散シリカの凝集体である大径外添剤Bを得た。得られた大径外添剤Bの形状係数SF1は140であり、数平均粒径は232nmであった。
エタノール量を15質量部に代えた以外は、大径外添剤Aと同様の作製方法で、形状係数SF1が132、数平均粒径が226nmの単分散シリカの凝集体であるHMDS表面処理された大径外添剤Cを得た。
エタノール量を7質量部に代えた以外は、大径外添剤Aと同様の作製方法で、形状係数SF1が147、数平均粒径が232nmの単分散シリカの凝集体であるHMDS表面処理された大径外添剤Dを得た。
エタノール量は10質量部、反応温度を25℃、反応時間を40分に短縮した以外は外添剤Aと同様の作製方法で、形状係数SF1が140、数平均粒径が80nmの単分散シリカの凝集体であるHMDS表面処理された大径外添剤Eを得た。
エタノール量は10質量部、反応温度を35℃、反応時間を2.5Hに延長した以外は外添剤Aと同様の作製方法で、形状係数SF1が140、数平均粒径が1000nmの単分散シリカの凝集体であるHMDS表面処理された大径外添剤Fを得た。
大径外添剤Aの作製において用いたHMDS(ヘキサメチルジシラザン)を用いない、表面処理のない大径外添剤をGとした。得られた大径外添剤Gの形状係数SF1は140 であり、数平均粒径は220nmであった。
エタノール量を20質量部に代えた以外は、大径外添剤Aと同様の作製方法で、形状係数SF1が120、数平均粒径が185nmの単分散シリカで、HMDS表面処理された大径外添剤Hを得た。
エタノール量を5質量部に代えた以外は、大径外添剤Aと同様の作製方法で、形状係数SF1が140、数平均粒径が220nmの単分散シリカの凝集体で、HMDS表面処理された大径外添剤Iを得た。
エタノール量は10質量部、反応温度を25℃、反応時間を30分に延長した以外は、大径外添剤Aと同様の作製方法で、形状係数SF1が140、数平均粒径が70nmの単分散シリカの凝集体であるHMDS表面処理された大径外添剤Jを得た。
エタノール量は10質量部、反応温度を38℃、反応時間を3.5Hに延長した以外は大径外添剤Aと同様の作製方法で、形状係数SF1が140、数平均粒径が1200nmの単分散シリカの凝集体であるHMDS表面処理された大径外添剤Jを得た。
トナーA 100質量部と、大径外添剤(表1に従った種類)について20%カバレッジとなるよう下記式(2)より算出した添加量と、を20℃の雰囲気下で、ヘンシェルミキサーを用い周速16m/sで5分間攪拌した。
さらに、20℃の雰囲気下において周速32m/sで10分間攪拌し、32μmの開口径の篩分網で篩分を行うことによって、大径外添剤の外添されたトナーを得た。
実施例及び比較例で調製した二成分現像剤の各々について、マシン出荷時(出荷検査後)の状態(以下、初期状態と称する)における、トナー表面における大径外添剤の存在率Aとキャリア表面における大径外添剤の存在率Bとの比(B/A)を求めた。結果を表1に示した。
なお、下記に示す「階調チャート」としては、網点によるハーフトーン像を有し、10%おきに濃度勾配を持つ10〜100%までの階調チャートを用いた。全体としては画像密度7%の階調チャートを用いた。画像濃度は100%濃度の箇所を測定した。
まず、階調チャートを連続して500枚印刷した。このときの、現像装置内の二成分現像剤における、トナー表面における大径外添剤の存在率Aとキャリア表面における大径外添剤の存在率Bとの比(B/A)を求めた。結果を表1に示した。
そして、さらに、画像密度60%の高密度画像を連続して1000枚印刷した後に、階調チャートを1枚出力した。このときの、現像装置内の二成分現像剤における、トナー表面における大径外添剤の存在率Aとキャリア表面における大径外添剤の存在率Bとの比(B/A)を求めた。結果を表1に示した。
上記2サイクル目の測定の後に、さらに、画像密度1%の低密度画像を連続して1000枚印刷した後に、階調チャートを1枚出力した。このときの、現像装置内の二成分現像剤における、トナー表面における大径外添剤の存在率Aとキャリア表面における大径外添剤の存在率Bとの比(B/A)を求めた。結果を表1に示した。
上記3サイクル目の測定の後に、再度、画像密度60%の高密度画像を連続して1000枚印刷した後に、階調チャートを1枚出力した。このときの、現像装置内の二成分現像剤における、トナー表面における大径外添剤の存在率Aとキャリア表面における大径外添剤の存在率Bとの比(B/A)を求めた。結果を表1に示した。
上記の「外添剤の存在率の測定」において、2サイクル目の測定時に出力した階調チャート、3サイクル目の測定時に出力した階調チャート、及び4サイクル目の測定時に出力した階調チャートの各々における、高密度画像領域部分について、濃度測定装置(X−rite社製、Xrite530)を用いて濃度測定を行った。なお、濃度は、階調チャートにおける高密度画像領域の任意の5点を測定した平均値とした。なお、評価基準は下記とした。なお、下記評価基準において、G1及びG2を合格とし、G3及びG4を不合格として評価した。
・G1:1サイクル目、2サイクル目、及び3サイクル目に出力した階調チャートにおける濃度測定値の最大値と最小値との差が0.1以下。
・G2:1サイクル目、2サイクル目、及び3サイクル目に出力した階調チャートにおける濃度測定値の最大値と最小値との差が0.11以上0.2以下。
・G3:1サイクル目、2サイクル目、及び3サイクル目に出力した階調チャートにおける濃度測定値の最大値と最小値との差が0.21以上0.3以下。
・G4:1サイクル目、2サイクル目、及び3サイクル目に出力した階調チャートにおける濃度測定値の最大値と最小値との差が0.31以上。
濃度測定結果、及び評価結果を表2に示した。
200 プロセスカートリッジ、
Claims (5)
- トナーと、
表面エネルギーが23dyne/cm以上37dyne/cm以下のキャリアと、
形状係数SF1が130以上150以下であり、且つ数平均粒径が80nm以上1μm以下であるシリカ粒子からなる外添剤と、
を含み、
前記トナー表面における前記外添剤の存在率Aと、前記キャリア表面における前記外添剤の存在率Bと、が下記式(1)の関係を満たす二成分現像剤。
0.04≦B/A≦0.4 式(1) - 前記外添剤が、疎水化処理されている表面層を有する請求項1に記載の二成分現像剤。
- 請求項1または請求項2に記載の二成分現像剤を収容した現像剤カートリッジ。
- 請求項1または請求項2に記載の二成分現像剤を収容し、且つ前記二成分現像剤を保持して搬送する現像剤保持体を備えたプロセスカートリッジ。
- 像保持体と、
前記像保持体表面を帯電する帯電装置と、
帯電された前記像保持体表面に静電潜像を形成する潜像形成装置と、
前記静電潜像を請求項1または請求項2に記載の二成分現像剤に含まれるトナーによって現像してトナー像を形成する現像装置と、
前記像保持体表面に形成されたトナー像を被転写体へ転写する転写装置と、
を備えた画像形成装置。
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