JP6401199B2 - トナーバインダーの製造方法 - Google Patents
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Description
トナーの定着温度を低くする手段として、結着樹脂のガラス転移点を低くする技術が一般的に使用されている。しかしながら、ガラス転移点を低くし過ぎると、粉体の凝集(ブロッキング)が起り易くなりトナーの保存性が低下するため、ガラス転移点の下限は実用上50℃である。このガラス転移点は、結着樹脂の設計ポイントであり、ガラス転移点を下げる方法では、更に低温定着可能なトナーを得ることはできない。
また、別の手段として、分子量を小さくすることが行われている。しかしながら、分子量を小さくしすぎると、トナー画像を熱ロール定着方式により定着する場合には定着時に熱ロールと溶融状態のトナーとが直接接触するが、このとき熱ロール上に移行したトナーが次に送られてくる転写紙等を汚す、いわゆるオフセット現象が生じ易いという欠点がある。
しかしながら、この方法でも同様に高温でのオフセット現象はある程度防止できても、同時に光沢性が悪化したり、定着下限温度も上昇するため低温定着が困難となり、未だ高速化、省エネルギー化の要求には十分に答えられていない。
すなわち、本発明は、
トナーバインダーの製造方法において、重量平均分子量が9,000以上50,000以下のポリエステル樹脂(A)と、重量平均分子量が3,000以上9,000未満のポリエステル樹脂(B)との溶融混合物に、多価イソシアネート化合物(D)を混合して 、系中の水分が200〜2,500ppmの条件下で反応させてウレタン変性ポリエステル樹脂(C)を得る工程を含むことを特徴とするトナーバインダーの製造方法である。
装置(一例) : 東ソー(株)製 HLC−8120
カラム(一例): TSK GEL GMH6 2本 〔東ソー(株)製〕
測定温度 : 40℃
試料溶液 : 0.25重量%のTHF溶液
溶液注入量 : 100μL
検出装置 : 屈折率検出器
基準物質 : 東ソー(株)製 標準ポリスチレン(TSKstandard POLYSTYRENE)12点(分子量 500 1,050 2,800 5,970 9,100 18,100 37,900 96,400 190,000 355,000 1,090,000 2,890,000)
具体的には、本発明のポリエステル樹脂(A)のMwは、9,000以上50,000以下であり、好ましくは 9,000〜30,000、さらに好ましくは9,000〜20,000である。9,000未満の(A)を用いると耐ホットオフセット性が悪くなり、50,000を超える(A)を用いると光沢性が悪くなる。
−35℃以上では画像強度が良好になり、45℃を以下で光沢度が良好になる。
上記測定から吸発熱量と温度とのグラフを描き、そのグラフの低温側のベースラインを高温側に延長した直線と、ガラス転移の階段状変化部分の曲線の勾配が最大になるような点で引いた接線との交点の温度をガラス転移温度とする。
50℃以上では保存安定性が良好になり、80℃以下では低温定着性が良好になる。
10KOHmg/g以上では帯電安定性が良好となり、80KOHmg/g以下であると耐ホットオフセット性が良好になる。
5KOHmg/g以下のとき低温定着性が良好になる。
炭素数4〜36のアルキレンエーテルグリコール(ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、ジプロピレングリコール、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール及びポリテトラメチレンエーテルグリコール等);炭素数6〜36の脂環式ジオール(1,4−シクロヘキサンジメタノール及び水素添加ビスフェノールA等);
上記脂環式ジオールの(ポリ)オキシアルキレン〔アルキレン基の炭素数2〜4(オキシエチレン及びオキシプロピレン等)以下のポリオキシアルキレン基も同じ〕エーテル〔オキシアルキレン単位(以下、AO単位と略記することがある。)の数1〜30〕;
2価フェノール〔単環2価フェノール(例えばハイドロキノン)、ビスフェノール類のポリオキシアルキレンエーテル(AO単位の数2〜30);等が挙げられる。
[式中、Xは炭素数1〜3のアルキレン基、−SO2−、−O−、−S−、または直接結合を表し;Arは、ハロゲン原子または炭素数1〜30のアルキル基で置換されていてもよいフェニレン基を表す。]
これらの中で好ましくはEO及び/又はPOである。AOの付加モル数は、好ましくは2〜30モル、さらに好ましくは2〜10モルである。
ビスフェノール類のポリオキシアルキレンエーテルのうち、トナーの定着性の観点から好ましいものは、ビスフェノールAのEO及び/又はPO付加物(平均付加モル数2〜4、特に2〜3)である。
糖類及びその誘導体、例えばショ糖及びメチルグルコシド);
上記脂肪族多価アルコールの(ポリ)オキシアルキレンエーテル(AO単位の数1〜30);
トリスフェノール類(トリスフェノールPA等)のポリオキシアルキレンエーテル(AO単位の数2〜30);
ノボラック樹脂(フェノールノボラック及びクレゾールノボラック等、平均重合度3〜60)のポリオキシアルキレンエーテル(AO単位の数2〜30)等が挙げられる。
特に好ましくは、炭素数2〜6のアルキレングリコール、ビスフェノールAのポリオキシアルキレンエーテル(AO単位の数2〜5)であり、最も好ましくは、エチレングリコール、プロピレングリコール、ビスフェノールAのポリオキシアルキレンエーテル(AO単位の数2〜3)である。
ポリカルボン酸成分(y)として、これらのポリカルボン酸の、無水物、低級アルキル(炭素数1〜4)エステル(メチルエステル、エチルエステル及びイソプロピルエステル等)を用いてもよいし、これらのポリカルボン酸と併用してもよい。
保存安定性の観点からさらに好ましくは、アジピン酸、炭素数16〜50のアルケニルコハク酸、テレフタル酸、イソフタル酸、マレイン酸、フマル酸、トリメリット酸、ピロメリット酸、及びこれらの併用である。
特に好ましくは、アジピン酸、テレフタル酸、トリメリット酸、及びこれらの併用である。これらの酸の無水物や低級アルキルエステルも、同様に好ましい。
例えば、不活性ガス(窒素ガス等)雰囲気中で、反応温度が好ましくは150〜280℃、さらに好ましくは160〜250℃、とくに好ましくは170〜235℃で反応させることにより行うことができる。また反応時間は、重縮合反応を確実に行う観点から、好ましくは30分以上、とくに好ましくは2〜40時間である。
また、ポリエステル重合安定性を得る目的で、安定剤を添加してもよい。安定剤としては、ハイドロキノン、メチルハイドロキノン、ヒンダードフェノール化合物などが挙げられる。
イソシアヌレート3量体とは、ジイソシアネートモノマー3分子からなり、イソシアヌレート基を有するポリイソシアネートであり、例えば、下記の化学式(3)で表される化合物などが挙げられる。
さらに3〜8価のポリイソシアネート化合物(D1)のうち、イソシアヌレート、およびビウレットの化学構造を含むポリイソシアネート化合物(D11)がさらに好ましい。
例えばポリエステル樹脂(A)とポリエステル樹脂(B)との混合物を二軸押出機に一定速度で注入し、同時に多価イソシアネート化合物(D)も一定速度で注入し、例えば150℃の温度で混練搬送しながら反応を行わせる方法;反応容器にポリエステル樹脂(A)とポリエステル樹脂(B)を仕込み、溶液状態となる温度に加熱し、混合するような方法などがある。
系中の水分が200ppm未満では耐ホットオフセット性が悪くなり、2,500ppmを超えると帯電安定性が悪くなる。
なお、系中の水分は、カール・フィッシャー微量水分測定装置(電量滴定方式自動水分測定装置)で測定され、その測定条件は、以下のとおりである。具体的には まずキャリヤーガス(窒素)を200mL/分で流し、滴定セルの無水化を行う。その後、試料ボードを200℃で空焼き、冷却後、試料0.1gを入れて測定を開始する。
水分気化装置 : VA−100
陽極液 : アクアミクロンAX
陰極液 : アクアミクロンCXU
キャリヤーガス流量: 200mL/分
加熱温度 : 200℃
試料重量 : 0.1g
例えば、有機溶剤がトルエンの場合、まず内標準液として酢酸エチルをメスフラスコ中に計量して、ジメチルフォルムアミド(DMF)で希釈したものを調製する。
続いて、測定試料をメスフラスコ中に計量してDMFで希釈し、内標準液をホールピペットで採取して加えることで試料溶液とする。これを測定機器GCのオートサンプラ−にセッティングし測定を行う。
測定終了後に内標準物質の酢酸エチルと、トルエンの比率から、内標準法により樹脂中のトルエン量を計算する。
なお、ピークが検出されなければ検出限界以下(後述の実施例、比較例の場合、100ppm以下)とする。
実施例で使用したガスクロマトグラフの機器とカラムは下記の通りである。
測定装置:島津製作所製GC−2010
カラム:ZB−50
着色剤の含有量は、本発明のトナーバインダー100重量部に対して、好ましくは1〜40重量部、さらに好ましくは3〜10重量部である。なお、磁性粉を用いる場合は、好ましくは20〜150重量部、さらに好ましくは40〜120重量部である。
荷電制御剤はトナー重量に基づき、0〜20重量%、好ましくは0.1〜10重量%、特に好ましくは0.5〜7.5重量%である。
流動化剤はトナー重量に基づき、0〜10重量%、好ましくは0〜5重量%、特に好ましくは0.1〜4重量%である。
また、添加剤の合計量はトナー重量に基づき、3〜70重量%、好ましくは4〜58重量%、特に好ましくは5〜50重量%である。トナーの組成比が上記の範囲であることで帯電性が良好なものを容易に得ることができる。
例えば、混練粉砕法によりトナーを得る場合、流動化剤を除くトナーを構成する成分を乾式ブレンドした後、溶融混練し、その後粗粉砕し、最終的にジェットミル粉砕機等を用いて微粒化して、さらに分級することにより、体積平均粒径(D50)が好ましくは5〜20μmの微粒とした後、流動化剤を混合して製造することができる。
なお、粒径(D50)はコールターカウンター[例えば、商品名:マルチサイザーIII(コールター社製)]を用いて測定される。
また、乳化転相法によりトナーを得る場合、流動化剤を除くトナーを構成する成分を有機溶剤に溶解または分散後、水を添加する等によりエマルジョン化し、次いで分離、分級して製造することができる。トナーの体積平均粒径は、3〜15μmが好ましい。
冷却管、撹拌機および窒素導入管の付いた反応槽中に、ビスフェノールA・PO2モル付加物2,854部(8.2モル)、3−メチル1,5−ペンタンジオール4,838部(41.0モル)、トリメチロールプロパン187.6部(1.4モル)、テレフタル酸8,184部(49.3モル)および縮合触媒としてテトラブトキシチタネート20.0部を入れ、220℃で窒素気流下に、生成する水を留去しながら4時間反応させた。さらに0.5〜2.5kPaの減圧下に10時間反応させた。酸価が1未満になった時点で取り出し、ポリエステル樹脂(A−1)を得た。
ポリエステル樹脂(A−1)の重量平均分子量は9,400、Tgは16℃、水酸基価は35だった。
冷却管、撹拌機および窒素導入管の付いた反応槽中に、表1に記載したアルコール成分とカルボン酸成分を仕込み、それ以外は製造例1と同様に反応を行い、ポリエステル樹脂(A−2)、(A−3)を得た。表1に重量平均分子量、Tg、水酸基価を記載した。
冷却管、撹拌機および窒素導入管の付いた反応槽中に、表1に記載したアルコール成分とカルボン酸成分を仕込み、それ以外は製造例1と同様に反応を行い、ポリエステル樹脂(A’−1)を得た。表1に重量平均分子量、Tg、水酸基価を記載した。
なお、このポリエステル樹脂(A’−1)は 、重量平均分子量が60,000のため、本発明のポリエステル樹脂(A)には該当しない。
冷却管、撹拌機および窒素導入管の付いた反応槽中に、ビスフェノールA・PO2モル付加物16,079部(46.2モル)、安息香酸1,659部(13.6モル)、縮合触媒としてジブチル錫オキシド20.0部を入れ、200℃で窒素気流下に、生成する水を留去しながら4時間反応させた。次にテレフタル酸6,009部(36.2モル)、縮合触媒としてジブチル錫オキシド10.0部を入れ、次いで230℃まで徐々に昇温しながら、0.5〜2.5kPaの減圧下に4時間反応させた。次いで180℃まで冷却し、無水トリメリット酸787部(4.1モル)を加え、常圧密閉下2時間反応後、220℃、常圧で反応させ、水酸基価が1未満になった時点で取り出し、ポリエステル樹脂(B−1)を得た。
ポリエステル樹脂(B−1)の重量平均分子量は7,000、水酸基価は0だった。
冷却管、撹拌機および窒素導入管の付いた反応槽中に、表2に記載したアルコール成分とカルボン酸成分を仕込み、それ以外は製造例4と同様に反応を行い、ポリエステル樹脂(B−2)、(B−3)を得た。表2に重量平均分子量と水酸基価を記載した。
冷却管、撹拌機および窒素導入管の付いた反応槽中に、表2に示したアルコール成分とカルボン酸成分を仕込み、それ以外は製造例4と同様に反応を行い、ポリエステル樹脂(B’−1)を得た。このポリエステル樹脂(B’−1)は重量平均分子量が2,000のため、本発明のポリエステル樹脂(B)には該当しない。
冷却管、撹拌機および窒素導入管の付いた反応槽中に、表2に示したアルコール成分とカルボン酸成分を仕込み、それ以外は製造例4と同様に反応を行い、ポリエステル樹脂(B’−2)を得た。このポリエステル樹脂(B’−2)は重量平均分子量が12,900のため、本発明のポリエステル樹脂(B)には該当しない。
ポリエステル樹脂(A−1)9.7部とポリエステル樹脂(B−1)90.3部を反応槽中に入れ、150℃で溶融混合し、0.5〜2.5kPaで10分間減圧を行い微量水分を留去した。系中からサンプルを少量採り、水分量測定を行なったところ、300ppmであった。その後、伸長剤としてデュラネートTPA−100(ポリイソシアネート化合物、旭化成ケミカルズ製) (D−1)を3.4kg添加し150℃で30分間反応を行った。得られたものを冷却し、樹脂組成物(C−1)を得た。
表3に示したポリエステル樹脂(A−1)、〜(A−3)とポリエステル樹脂(B−1)〜(B−3)と、伸長剤(D−1)、(D−2)を仕込み、実施例1に準じて反応を行い樹脂組成物(C−2)〜(C−5)を得た。
なお、伸長剤(D−2)はコロネートT−80(ジイソシアネート化合物、旭化成ケミカルズ製)である。
なお、実施例2では、系中の水分量は850ppm、実施例3では1,300ppm、実施例4では800ppm、実施例5では890ppm、実施例6では810ppmであった。
表3に示したポリエステル樹脂(A−1)〜(A−3)、(A’−1)とポリエステル樹脂(B−1)〜(B−3)、(B’−1)、(B’−2)と伸長剤(D−1)、(D−2)を仕込み、実施例1に準じて反応を行い樹脂組成物(C’−1)〜(C’−6)を得た。
なお、比較例1では、系中の水分量は2,700ppm、比較例2では82ppm、比較例3では820ppm、比較例4では830ppm、比較例5では870ppm、比較例6では860ppmであった。
樹脂組成物(C−1)85部に対して、顔料のカーボンブラックMA−100[三菱化学(株)製]6部、離型剤のカルナバワックス4部、荷電制御剤T−77[保土谷化学(製)]4部を加え下記の方法でトナー化した。まず、ヘンシェルミキサ[三井三池化工機(株)製 FM10B]を用いて予備混合した後、二軸混練機[(株)池貝製 PCM−30]で混練した。ついで超音速ジェット粉砕機ラボジェット[日本ニューマチック工業(株)製]を用いて微粉砕した後、気流分級機[日本ニューマチック工業(株)製 MDS−I]で分級し、体積平均粒径D50が8μmのトナー粒子を得た。
ついで、トナー粒子100部に流動化剤としてコロイダルシリカ(アエロジルR972:日本アエロジル製)1部をサンプルミルにて混合して、本発明のトナー(T−1)を得た。
原料の配合は表4を参考にして実施例7と同様にトナーを製造し、トナー(T−2)〜(T−6)を得た。つぎに実施例7と同様に評価し、その結果を表4に示した。
原料の配合は表4を参考にして実施例7と同様にトナーを製造し、トナー(T’−1)〜(T’−6)を得た。つぎに実施例7と同様に評価し、その結果を表4に示した。
以下に得られたトナーの低温定着性、光沢性、耐ホットオフセット性、流動性、耐熱保存性、帯電安定性、粉砕性、画像強度、耐折り曲げ性、ドキュメントオフセット試験の測定方法、評価方法、判定基準を説明する。
トナーを紙面上に0.8mg/cm2となるよう均一に載せる。このとき粉体を紙面に載せる方法は、熱定着機を外したプリンターを用いる。上記の重量密度で粉体を均一に載せることができるのであれば他の方法を用いてもよい。
この紙を加圧ローラーに定着速度(加熱ローラ周速)213mm/sec、定着圧力(加圧ローラ圧)10kg/cm2の条件で通した時のコールドオフセットの発生温度(MFT)を測定した。
コールドオフセットの発生温度が低いほど、低温定着性に優れることを意味する。
低温定着性と同様に定着評価を行う。画像の下に白色の厚紙を敷き、光沢度計(株式会社堀場製作所製、「IG−330」)を用いて、入射角度60度にて、印字画像の光沢度(%)を測定した。光沢度が高いほど、光沢性に優れることを意味する。
低温定着性と同様に定着評価し、定着画像へのホットオフセットの有無を目視評価した。
加圧ローラー通過後、ホットオフセットが発生した温度を耐ホットオフセット性(℃)とした。
ホソカワミクロン製パウダーテスターでトナーのかさ密度(g/100ml)を測定し、流動性を下記の判定基準で判定した。
○:30以上
△:25以上30未満
×:25未満
トナーを50℃の雰囲気で24時間静置し、ブロッキングの程度を目視で判断し、下記判定基準で耐熱保存性を評価した。
[判定基準]
○:ブロッキングが発生していない。
△:一部にブロッキングが発生している。
×:全体にブロッキングが発生している。
(1)トナー0.5gとフェライトキャリア(パウダーテック社製、F−150)20gとを50mlのガラス瓶に入れ、これを23℃、相対湿度50%で8時間以上調湿する。
(2)ターブラーシェーカーミキサーにて50rpm×20分間と60分間摩擦攪拌し、それぞれの時間での帯電量を測定した。
測定にはブローオフ帯電量測定装置[東芝ケミカル(株)製]を用いた。
「摩擦時間60分の帯電量/摩擦時間20分の帯電量」を計算し、これを帯電安定性の指標とした。
○:0.7以上
△:0.6以上0.7未満
×:0.6未満
二軸混練機で混練、冷却した粗粉砕物(8.6メッシュパス〜30メッシュオンのもの)を、超音速ジェット粉砕機ラボジェット[日本ニューマチック工業(株)製]により下記の条件で微粉砕した。
粉砕圧:0.5MPa
粉砕時間:10分
アジャスターリング:15mm
ルーバーの大きさ:中
これを分級せずに、体積平均粒径(μm)をコールターカウンター−TAII(米国コールター・エレクトロニクス社製)により測定し、下記の判定基準で粉砕性を評価した。
◎: 10μm未満
○: 10μm以上11μm未満
△: 11μm以上12μm未満
×: 12μm以上
低温定着性の評価で定着した画像を、JIS K5600に準じて、斜め45度に固定した鉛筆の真上から10gの荷重をかけ引っ掻き試験を行い、傷のつかない鉛筆硬度から画像強度を評価した。
鉛筆硬度が高いほど画像強度に優れることを意味する。
低温定着性の評価で定着した画像を画像面が内側になるように紙を折り曲げ、30gの加重で3往復擦る。
紙を広げて、画像上の折り曲げたあとの白すじの有無を目視で判定した。
[判定基準]
○:白すじなし
△:わずかに白すじあり
×:白すじあり
低温定着性の評価で得られた画像が定着されたA4の紙2枚を、定着面同士で重ね合わせ、420gの加重(0.68g/cm2)をかけ、60℃で30分間静置する。
重ね合わせた紙同士を引き離したときの状態について、下記の判定基準でドキュメントオフセット性を評価した。
○:抵抗なし
△:パリパリと音がするが、紙面から画像は剥がれない
×:紙面から画像が剥がれる
一方、反応時の水分2,700ppmで製造した(C’−1)を用いた比較例7のトナーは光沢度、流動性、帯電安定性、粉砕性が不良であり、反応時の水分82ppmで製造した(C’−2)を用いた比較例8のトナーは光沢度および粉砕性が不良であった。
Mwが9,000〜50,000の(A)を含まない(C’−3)を用いた比較例9のトナーは帯電安定性が不良であった。Mwが3,000〜9,000の(B)を含まない(C’−4)を用いた比較例10のトナーは耐熱保存性が不良であった。
(B)を含まない(C’−5)を用いた比較例11のトナーは耐熱保存性、粉砕性、ドキュメントオフセット性が不良であった。(A)を含まない(C’−6)を用いた比較例12のトナーは耐熱保存性が不良であった。
Claims (7)
- 重量平均分子量が9,000以上50,000以下のポリエステル樹脂(A)と、水酸基価が5KOHmg/g以下であって重量平均分子量が3,000以上9,000未満のポリエステル樹脂(B)との溶融混合物に、系中の水分が200〜2,500ppmの条件下で多価イソシアネート化合物(D)を添加して、系中の水分が200〜2,500ppmの条件下で反応させてウレタン変性ポリエステル樹脂(C)を得る工程を含み、ウレタン変性ポリエステル樹脂(C)を得る工程においては、前記(A)、前記(B)及び前記(D)を反応した後にはポリエステル樹脂を投入せず、さらにウレタン変性ポリエステル樹脂(C)を得る工程を行った後にはポリエステル樹脂を投入する工程がないことを特徴とするトナーバインダーの製造方法。
- ポリエステル樹脂(A)とポリエステル樹脂(B)の重量比(A)/(B)が5/95〜15/85である請求項1に記載のトナーバインダーの製造方法。
- 多価イソシアネート化合物(D)が3〜8価のポリイソシアネート化合物(D1)である請求項1または2に記載のトナーバインダーの製造方法。
- 多価イソシアネート化合物(D)が、イソシアヌレートおよびビウレットからなる群から選ばれる1種以上のポリイソシアネート化合物(D11)である請求項1〜3いずれかに記載のトナーバインダーの製造方法。
- ポリエステル樹脂(A)のガラス転移温度が−35℃以上45℃以下である請求項1〜4いずれかに記載のトナーバインダーの製造方法。
- ポリエステル樹脂(A)の水酸基価が10〜80KOHmg/gである請求項1〜5いずれかに記載のトナーバインダーの製造方法。
- ウレタン変性ポリエステル樹脂(C)中の有機溶剤の含有量が100ppm以下である請求項1〜6いずれかに記載のトナーバインダーの製造方法。
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