JP6665808B2 - 磁性トナー - Google Patents
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Description
磁性トナーが、トナー母粒子と、トナー母粒子の表面に付着した外添剤とを備えるトナー粒子を、複数含む。トナー母粒子は、トナーコアと、トナーコアの表面を覆うシェル層とを備える。トナーコアは、結着樹脂と、結着樹脂中に分散している磁性粉とを含む。磁性粉は、表層部にカップリング剤コーティング層を備える磁性粒子を、複数含む。複数の磁性粒子は、トナーコアの表面に露出する磁性粒子を含む。シェル層は、トナーコアの表面領域のうち、露出した磁性粒子を選択的に覆っている。
(結着樹脂)
トナーコアでは、一般的に、成分の大部分(例えば、85質量%以上)を結着樹脂が占める。このため、結着樹脂の性質がトナーコア全体の性質に大きな影響を与えると考えられる。例えば、結着樹脂がエステル基、水酸基、エーテル基、酸基、又はメチル基を有する場合には、トナーコアはアニオン性になる傾向が強くなり、結着樹脂がアミノ基を有する場合には、トナーコアはカチオン性になる傾向が強くなる。
トナーコアは、着色剤を含有してもよい。着色剤としては、トナーの色に合わせて公知の顔料又は染料を用いることができる。画像形成に適したトナーを得るためには、着色剤の量が、結着樹脂100質量部に対して、1質量部以上20質量部以下であることが好ましい。
トナーコアは、離型剤を含有していてもよい。離型剤は、例えば、トナーの定着性又は耐オフセット性を向上させる目的で使用される。トナーコアのアニオン性を強めるためには、アニオン性を有するワックスを用いてトナーコアを作製することが好ましい。トナーの定着性又は耐オフセット性を向上させるためには、離型剤の量は、結着樹脂100質量部に対して、1質量部以上30質量部以下であることが好ましく、5質量部以上20質量部以下であることがより好ましい。
トナーコアは、電荷制御剤を含有していてもよい。電荷制御剤は、例えば、トナーの帯電安定性又は帯電立ち上がり特性を向上させる目的で使用される。トナーの帯電立ち上がり特性は、短時間で所定の帯電レベルにトナーを帯電可能か否かの指標になる。
前述の基本構成を有するトナーでは、トナーコアが磁性粉(詳しくは、複数の磁性粒子を含む粉体)を含有する。トナーコアにおいて、磁性粉は、結着樹脂中に分散している。磁性粉の一部は、トナーコアの表面に露出している。磁性粒子は、表層部にカップリング剤コーティング層を備える。磁性粒子の基体(例えば、強磁性物質粒子)をカップリング剤で表面処理することによって、表層部にカップリング剤コーティング層を備える磁性粒子が得られる。好適な一例では、磁性粒子が、酸化鉄粒子を備える。そして、酸化鉄粒子の表面にカップリング剤コーティング層が存在する。
例えば、液中でトナーコアの表面に樹脂粒子を付着させて、液を加熱することで、樹脂粒子を溶かして(又は、変形させて)樹脂の膜化を進行させることができる。トナーコアの表面で膜化した樹脂の層が、シェル層に相当する。シェル層は、1種以上のアクリル酸系モノマーを含む単量体(樹脂原料)の重合物を含有することが好ましい。シェル層を構成する樹脂の好適な例としては、実質的にメタクリル酸メチル及びアクリル酸ブチルのみの重合物が挙げられる。
前述の基本構成を有するトナーでは、トナー母粒子の表面に外添剤(詳しくは、複数の外添剤粒子を含む粉体)が付着している。外添剤は、内添剤とは異なり、トナーコアの内部には存在せず、トナー母粒子の表面(トナー粒子の表層部)のみに選択的に存在する。例えば、トナー母粒子(粉体)と外添剤(粉体)とを一緒に攪拌することで、トナー母粒子の表面に外添剤粒子を付着させることができる。トナー母粒子と外添剤粒子とは、互いに化学反応せず、化学的ではなく物理的に結合する。トナー母粒子と外添剤粒子との結合の強さは、攪拌条件(より具体的には、攪拌時間、及び攪拌の回転速度等)、外添剤粒子の粒子径、外添剤粒子の形状、及び外添剤粒子の表面状態などによって調整できる。
前述の基本構成を有するトナー(詳しくは、磁性トナー)を製造する方法は、次に示す、溶融混練工程と、粉砕工程と、シェル層形成工程とを含むことが好ましい。
粉砕工程では、溶融混練物を粉砕して、トナーコアを得る。
シェル層形成工程では、1種以上のアクリル酸系モノマーを含む単量体の重合物と、トナーコアとを含み、結着樹脂の等電点(第1等電点)よりも大きくて6.5以下であるpHを有する液を攪拌しながら加熱することにより、トナーコアの表面にシェル層を形成する。
良質なトナーコアを容易に得るためには、凝集法又は粉砕法によりトナーコアを製造することが好ましく、粉砕法によりトナーコアを製造することが特に好ましい。
次に、得られたトナーコアの表面にシェル層を形成する。以下、シェル層の形成方法の好適な例について説明する。なお、シェル層形成時におけるトナーコア成分(特に、結着樹脂及び離型剤)の溶解又は溶出を抑制するためには、水性媒体中でシェル層を形成することが好ましい。水性媒体は、水を主成分とする媒体(より具体的には、純水、又は水と極性媒体との混合液等)である。水性媒体が溶媒として機能し、水性媒体中に溶質が溶けていてもよい。水性媒体が分散媒として機能し、水性媒体中に分散質が分散していてもよい。水性媒体中の極性媒体としては、例えば、アルコール(より具体的には、メタノール又はエタノール等)を使用できる。水性媒体の沸点は約100℃である。
(結晶性ポリエステル樹脂の合成)
温度計、ガラス製の窒素導入管、攪拌装置(ステンレススチール製の攪拌羽根)、及び流下式コンデンサー(熱交換器)を備えた容量1Lのフラスコ内に、テレフタル酸(濃度0.945mol/L)390gと、1,9−ノナンジオール(濃度1.0mol/L)325.5gと、5−スルホイソフタル酸ナトリウム3.7g(0.1mol)と、2−エチルヘキサン酸錫(II)1.6gとを入れた。続けて、フラスコ内を窒素雰囲気にした後、フラスコ内の温度を200℃に昇温させた。そして、窒素雰囲気かつ温度200℃の条件で、フラスコ内容物を攪拌しながら3時間反応(詳しくは、縮合反応)させた。続けて、フラスコ内を減圧し、減圧雰囲気(圧力8.0kPa)かつ温度220℃の条件で、フラスコ内容物を攪拌しながら2時間反応(縮重合反応)させた。その後、フラスコ内容物を、ステンレススチール製の容器(バット)に取り出して、室温環境で温度25℃まで冷却して、結晶性ポリエステル樹脂を得た。得られた結晶性ポリエステル樹脂の結晶性指数は0.90以上1.50以下であった。
硫酸第1鉄塩水溶液と、鉄イオンに対して約0.9当量の水酸化ナトリウム水溶液とを、反応容器に入れて混合した。続けて、容器内容物を温度90℃まで加熱して、pH9かつ温度90℃の条件で、種結晶を生成させるためのスラリーを調製した。
磁性粉M−2の作製方法は、酸化鉄粒子(マグネタイト粒子)の表面処理を行わなかったこと以外は、磁性粉M−1の作製方法と同じであった。すなわち、磁性粉M−2の作製では、アルミネートカップリング剤を添加しなかった。磁性粉M−2に含まれる磁性粒子は、カップリング剤コーティング層を備えていなかった。
イオン交換水99.9gに、磁性粉(測定対象:磁性粉M−1又はM−2)1gと、ノニオン界面活性剤(花王株式会社製「エマルゲン(登録商標)120」、成分:ポリオキシエチレンラウリルエーテル)の濃度10質量%水溶液0.1gとを入れた。続けて、その液に対して、超音波液体混合装置(アズワン株式会社販売「スーパーソニックVS−F100」、高周波出力:最大100W、発振周波数:50kHz)を用いて3分間の超音波処理を行って、液中に磁性粉を分散させた。続けて、得られた磁性粉の分散液のpHを所定のpHに調整し、pHが調整された磁性粉の分散液を得た。続けて、pHが調整された磁性粉の分散液について、電気泳動法(より詳しくは、レーザードップラー方式の電気泳動法)により、温度23℃の条件で磁性粉のゼータ電位を測定した。測定装置には、レーザードップラー方式のゼータ電位計(大塚電子株式会社製「ELSZ−1000」)を用いた。
温度計、窒素導入管、攪拌装置、加熱装置、及び冷却装置を備えた容量1Lの反応容器内に、イオン交換水500mLと、カチオン界面活性剤(花王株式会社製「コータミン(登録商標)24P」、ラウリルトリメチルアンモニウムクロライド25質量%水溶液)3.2gとを入れた。続けて、窒素導入管を通じて容器内に窒素ガスを導入し、容器内を窒素雰囲気(不活性雰囲気)にした。続けて、窒素雰囲気で、容器内容物を攪拌しながら温度90℃まで昇温させた。昇温完了後、濃度1.2質量%過硫酸カリウム水溶液(重合開始剤)110gと、イオン交換水200gとを、容器内に添加した。その後、アクリル酸n−ブチル18gと、メタクリル酸メチル195gと、連鎖移動剤(n−オクチルメルカプタン)4.0gとの混合物を、容器内に90分間かけて一定速度で滴下した。滴下完了後、容器内の温度を90℃にさらに2時間保って、容器内容物を重合させた。その結果、樹脂微粒子を含むサスペンション(以下、サスペンションSAと記載する)が得られた。得られたサスペンションSAに含まれる樹脂微粒子に関して、体積中位径(D50)は92nmであった。樹脂微粒子を構成する樹脂は、91.5質量%(=100×195/(195+18))の割合でメタクリル酸メチルを含んでいた。
サスペンションSBの調製方法は、カチオン界面活性剤(コータミン24P)の添加量を3.2gから2.4gに変更した以外は、サスペンションSAの調製方法と同じであった。得られたサスペンションSBの体積中位径(D50)は133nmであった。
サスペンションSCの調製方法は、カチオン界面活性剤(コータミン24P)の添加量を3.2gから1.6gに変更した以外は、サスペンションSAの調製方法と同じであった。得られたサスペンションSCの体積中位径(D50)は174nmであった。
サスペンションSDの調製方法は、カチオン界面活性剤(コータミン24P)の添加量を3.2gから4.0gに変更した以外は、サスペンションSAの調製方法と同じであった。得られたサスペンションSDの体積中位径(D50)は82nmであった。
サスペンションSEの調製方法は、カチオン界面活性剤(コータミン24P)の添加量を3.2gから1.4gに変更した以外は、サスペンションSAの調製方法と同じであった。得られたサスペンションSEの体積中位径(D50)は183nmであった。
非結晶性ポリエステル樹脂(日本合成化学工業株式会社製「ポリエスター(登録商標)HP−313」)48質量部と、前述の手順で合成した結晶性ポリエステル樹脂3質量部と、磁性粉(前述の手順で作製した磁性粉M−1)40質量部と、第1電荷制御剤(ニグロシン染料:オリヱント化学工業株式会社製「BONTRON(登録商標)N−71」)1質量部と、第2電荷制御剤(ポリマー型正帯電性電荷制御剤:藤倉化成株式会社製「アクリベ−ス(登録商標)FCA−207P」)5質量部と、カルナバワックス(東亜化成株式会社製)3質量部とを、FMミキサー(日本コークス工業株式会社製「FM−10」)を用いて混合した。なお、前述の方法でζ電位特性曲線を測定したところ、上記非結晶性ポリエステル樹脂の等電点は4.8であった。
トナーコアC−2の作製方法は、磁性粉M−1の代わりに磁性粉M−2を使用した以外は、トナーコアC−1の作製方法と同じであった。得られたトナーコアC−2の体積中位径(D50)は8.0μmであった。
(シェル層形成工程)
温度25℃かつ湿度50%RHの環境下、混合装置(プライミクス株式会社製「T.K.ハイビスディスパーミックスHM−3D−5型」)を用いて、イオン交換水500mLと、表1に示すトナーコア(各トナーに定められたトナーコアC−1又はC−2)とを、回転速度50rpmで30分間攪拌して、コア分散液を得た。例えば、トナーTB−1及びTB−2の各々の製造ではそれぞれトナーコアC−2を使用し、他のトナーの製造ではそれぞれトナーコアC−1を使用した。
上記のようにして得られたトナー母粒子の分散液を、ブフナー漏斗を用いてろ過(固液分離)して、ウェットケーキ状のトナー母粒子を得た。その後、得られたウェットケーキ状のトナー母粒子をイオン交換水に再分散させた。さらに、分散とろ過とを5回繰り返して、トナー母粒子を洗浄した。
続けて、得られたトナー母粒子を、連続式表面改質装置(フロイント産業株式会社製「コートマイザー(登録商標)」)を用いて、熱風温度45℃かつブロアー風量2m3/分の条件で乾燥させた。その結果、トナー母粒子の粉体が得られた。
トナー母粒子100質量部と、正帯電性シリカ粒子(表面処理により正帯電性が付与された乾式シリカ粒子:日本アエロジル株式会社製「AEROSIL(登録商標)REA200」、個数平均1次粒子径:約12nm)1.0質量部と、酸化チタン粒子(テイカ株式会社製「MT−500B」、内容:未処理の酸化チタン微粒子、個数平均1次粒子径35nm)1.0質量部とを、FMミキサー(日本コークス工業株式会社製「FM−10」)を用いて回転速度3500rpmで5分間混合することにより、トナー母粒子の表面に外添剤(シリカ粒子及び酸化チタン粒子)を付着させた。その後、得られたトナーを、200メッシュ(目開き75μm)の篩を用いて篩別した。その結果、多数のトナー粒子を含むトナーTA−1〜TA−5及びTB−1が得られた。
トナー母粒子100質量部と、正帯電性シリカ粒子(表面処理により正帯電性が付与された乾式シリカ粒子:日本アエロジル株式会社製「AEROSIL(登録商標)REA200」、個数平均1次粒子径:約12nm)1.0質量部と、酸化チタン粒子(テイカ株式会社製「MT−500B」、内容:未処理の酸化チタン微粒子、個数平均1次粒子径35nm)1.0質量部と、樹脂粒子(日本ペイント・インダストリアルコーティングス株式会社製「ファインスフェア(登録商標)FS−102」、成分:非架橋スチレン−アクリル酸樹脂、体積中位径(D50):約100nm)1.0質量部とを、FMミキサー(日本コークス工業株式会社製「FM−10」)を用いて回転速度3500rpmで5分間混合することにより、トナー母粒子の表面に外添剤(シリカ粒子、酸化チタン粒子、及び樹脂粒子)を付着させた。その後、得られたトナーを、200メッシュ(目開き75μm)の篩を用いて篩別した。その結果、多数のトナー粒子を含むトナーTB−2が得られた。
測定装置として、走査型プローブ顕微鏡(SPM)(株式会社日立ハイテクサイエンス製「多機能型ユニットAFM5200S」)を備えたSPMプローブステーション(株式会社日立ハイテクサイエンス製「NanoNaviReal」)を使用した。トナー粒子を切断せずにそのまま測定装置の測定台にセットし、次の測定条件でトナー粒子の表面の形状像を得た。
・測定ユニットの可動範囲(測定できるサンプルの大きさ):100μm(Small Unit)
・測定探針:低バネ定数シリコンカンチレバー(オリンパス株式会社製「OMCL−AC240TS−C3」、バネ定数:2N/m、共振周波数:70kHz、背面反射コート材:アルミニウム)
・測定モード:SIS−DFM(SIS:サンプリング・インテリジェント・スキャン、DFM:ダイナミック・フォース・モード)
・測定範囲(1つの視野):1μm×1μm
・解像度(Xデータ/Yデータ):256/256
各試料(トナーTA−1〜TA−5及びTB−1〜TB−2)の評価方法は、以下の通りである。
トナー(評価対象:トナーTA−1〜TA−5及びTB−1〜TB−2のいずれか)を、常温常湿環境(温度23℃かつ湿度50%RHの環境)下で24時間静置して、第1評価用トナーを得た。トナー(評価対象:トナーTA−1〜TA−5及びTB−1〜TB−2のいずれか)を、高温高湿環境(温度32.5℃かつ湿度80%RHの環境)下で24時間静置して、第2評価用トナーを得た。
帯電量変化率QAB=100×|QB−QA|/QA
評価機としては、Roller−Roller方式の加熱加圧型の定着装置(ニップ幅8mm)を有するモノクロプリンター(京セラドキュメントソリューションズ株式会社製「ECOSYS(登録商標)FS−1370DN」を改造して定着温度を変更可能にした評価機)を用いた。1成分現像剤(評価対象:トナーTA−1〜TA−5及びTB−1〜TB−2のいずれか)を評価機の現像装置に投入し、補給用トナー(評価対象:トナーTA−1〜TA−5及びTB−1〜TB−2のいずれか)を評価機のトナーコンテナに投入した。
前述の耐刷試験を行って、トナーのBET比表面積を評価した。詳しくは、第1耐刷試験と、高温高湿環境下での静置と、第2耐刷試験とを行った後、評価機のクリーニングブレードの先端付近に溜まったトナーを採取した。そして、このトナーに含まれるトナー粒子のBET比表面積を、全自動BET比表面積測定装置(株式会社マウンテック製「Macsorb(登録商標)HM MODEL−1208」)を用いて測定した。こうして測定されたBET比表面積XB(表3中の「耐刷後」に示す値)を、初期トナーのBET比表面積XA(表1に示す値)と比較して、BET比表面積の変化率を求めた。BET比表面積の変化率は、次に示す式で表される。
BET比表面積の変化率=100×|XB−XA|/XA
前述の耐刷試験を行って、トナーの帯電量変化を評価した。詳しくは、第1耐刷試験中、100枚印刷したタイミングで、評価機の現像ローラー上のトナーを採取して、第3評価用トナーを得た。また、第2耐刷試験が完了したタイミングで、評価機の現像ローラー上のトナーを採取して、第4評価用トナーを得た。
帯電量変化率QCD=100×|QD−QC|/QC
前述の耐刷試験を行って、トナーの耐フィルミング性を評価した。詳しくは、第2耐刷試験中、1000枚ごとに、紙(A4サイズの普通紙)の全面に印字率50%のハーフトーン画像を出力した。得られたハーフトーン画像中に、色点及び画像抜けがないか、目視で確認した。また、ハーフトーン画像形成後に、評価機の感光体の表面にトナー成分の付着がないか目視で確認した。目視での観察結果に基づいて、下記の基準で、トナーの耐フィルミング性を評価した。
○(良い):ハーフトーン画像中に色点及び画像抜けがなく、かつ、感光体の表面にトナー成分の付着物が存在しなかった。
△(普通):ハーフトーン画像中に色点及び画像抜けがなく、かつ、感光体の表面にトナー成分の付着物が存在した。
×(悪い):ハーフトーン画像中に色点若しくは画像抜けがあり、かつ、感光体の表面にトナー成分の付着物が存在した。
トナーTA−1〜TA−5及びTB−1〜TB−2の各々について、帯電安定性(帯電量変化率)、耐久性(BET比表面積、帯電量変化、及びフィルミング)を評価した結果を、表3に示す。
11 トナーコア
12 シェル層
13 外添剤粒子
21 結着樹脂
22 磁性粒子
23 離型剤ドメイン
221 基体
222 カップリング剤コーティング層
M シェル材料
Claims (9)
- トナー母粒子と、前記トナー母粒子の表面に付着した外添剤とを備えるトナー粒子を、複数含む磁性トナーであって、
前記トナー母粒子は、コアと、前記コアの表面を覆うシェル層とを備え、
前記コアは、結着樹脂と、前記結着樹脂中に分散している磁性粉とを含有し、
前記磁性粉は、表層部にカップリング剤コーティング層を備える磁性粒子を、複数含み、
前記複数の磁性粒子は、前記コアの表面に露出する前記磁性粒子を含み、
前記シェル層は、前記コアの表面領域のうち、前記露出した磁性粒子を選択的に覆っている、磁性トナー。 - 前記外添剤は、樹脂粒子を含まず、
前記トナー母粒子のBET比表面積が1.40m2/g以上1.80m2/g以下である、請求項1に記載の磁性トナー。 - 前記外添剤は、個数平均1次粒子径5nm以上40nm以下のシリカ粒子を含み、
前記コアの表面から前記シェル層の表面までの高さは、60nm以上180nm以下である、請求項1又は2に記載の磁性トナー。 - 前記外添剤は、個数平均1次粒子径10nm以上30nm以下のシリカ粒子を含み、
前記コアの表面から前記シェル層の表面までの高さは、前記シリカ粒子の個数平均1次粒子径の5倍以上である、請求項3に記載の磁性トナー。 - 前記結着樹脂の等電点は、3.0以上5.5以下であり、
前記磁性粒子の等電点は、6.5超8.5以下であり、
前記シェル層は、1種以上のアクリル酸系モノマーを含む単量体の重合物を含有する、請求項1〜4のいずれか一項に記載の磁性トナー。 - 前記複数の磁性粒子はそれぞれ、酸化鉄粒子と、前記酸化鉄粒子の表面に存在するカップリング剤コーティング層とを備え、
前記カップリング剤コーティング層は、アルミニウムを含む、請求項5に記載の磁性トナー。 - 前記シェル層に含有される前記重合物は、エステル部に炭素数1又は2のアルキル基を有する(メタ)アクリル酸アルキルエステルと、エステル部に炭素数3以上6以下のアルキル基を有する(メタ)アクリル酸アルキルエステルとを含む単量体の重合物である、請求項5又は6に記載の磁性トナー。
- 前記シェル層に含有される前記重合物は、メタクリル酸メチルを50質量%以上の割合で含む単量体の重合物である、請求項5〜7のいずれか一項に記載の磁性トナー。
- 正帯電性トナーである、請求項1〜8のいずれか一項に記載の磁性トナー。
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