JPWO2003051967A1 - ポリマーフォームの製造方法、画像形成装置用部材および画像形成装置 - Google Patents
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Abstract
複写機、ファクシミリ、プリンタ等の画像形成装置などにおける各種部材として好適に使用されるポリマーフォームの製造方法、この方法により製造されたポリマーフォームを用いた画像形成装置用部材、および、これを用いた画像形成装置である。ポリマー原料を発泡、硬化させることによりポリマーフォームを形成するに際し、前記ポリマー原料中に、温度上昇に伴い溶解度が低下する気体を溶存させた後、該ポリマー原料を加熱して、発泡、硬化させることにより、表面に微細なセル構造を有するポリマーフォームを得ることができ、表面性能に優れた良品質の画像成形装置用部材および画像形成装置が実現できる。
Description
技術分野
本発明はポリマーフォームの製造方法、画像形成装置用部材および画像形成装置に関し、詳しくは、複写機、ファクシミリ、プリンタ等の画像形成装置などにおける各種部材として好適に使用されるポリマーフォームの製造方法、この方法により製造されたポリマーフォームを用いた画像形成装置用部材、および、これを用いた画像形成装置に関する。
背景技術
近年、電子写真技術の進歩に伴い、乾式電子写真装置等の画像形成装置において、帯電用、現像用、転写用、トナー供給用、クリーニング用、トナー層規制用などに供される部材として、高分子弾性部材が注目されている。かかる高分子弾性部材は、例えば、帯電ローラ、現像ローラ、転写ローラ、トナー供給ローラ、クリーニングローラ等の弾性を有するローラや、トナー層規制ブレード、クリーニングブレード等の弾性を有するブレードなどの形態で、画像形成装置用部材として使用されている。
中でも特に、低硬度であることが求められる、転写用、トナー供給用、クリーニング用等の用途においては、部材の材料として、弾性ポリマーフォームを用いることが好適である。これら画像形成装置用部材に適用されるポリマーフォームには、低硬度であることに加えて、表面に微細なセル構造を有していることが要求される。
従来知られているポリマーフォームを形成するための手法としては、▲１▼発泡剤を用いる方法や、▲２▼機械的撹拌（メカニカルフロス）による方法、▲３▼脱塩による方法などが挙げられる。このうち、▲１▼の発泡剤としては、例えば、ゴムフォームの場合には各種炭酸塩やオキシビスベンゼンスルホン酸ヒドラジット（ＯＢＳＨ）、アゾジカルボンアミド（ＡＤＣＡ）等が挙げられ、これらが分解して気化することによりフォーム構造が形成される。また、ポリウレタンフォームの場合には、例えば、水や、フロンおよび代替フロン等、有機溶剤などが挙げられ、夫々、水はイソシアナートと反応してＣＯ２を発生することにより、また、フロン等は気化することにより発泡を生じさせる。さらに、▲２▼の機械的撹拌はポリマーフォーム材料を撹拌することにより気泡を巻き込んで発泡させる方法であり、▲３▼の脱塩は、ゴムフォーム材料に塩を配合し、洗浄脱塩して穴孔を形成する方法である。
しかしながら、これら従来の方法は様々な難点を有するものであり、製造上何らの問題も生ずることなく、かつ、前述の要求性能を満足し得るポリマーフォームを得ることができるものではなかった。
即ち、ゴムフォームにおいて発泡剤として炭酸塩を用いた場合には、セルの不均一化が生じてしまい、ポリマーフォームの表面性能の点で難があり、また、ＯＢＳＨやＡＤＣＡを用いた場合には、悪臭や作業環境の悪化、大気汚染の発生等の問題を避けられなかった。また、ポリウレタンフォームの発泡剤としての水は、低密度フォームの形成には適するが、高密度のフォームの作製が困難で、硬化後に変形しやすいという難点があり、フロン等については環境破壊を引き起こすという観点から使用自体が問題視されており、さらに、有機溶剤（ｉｓｏ−ペンタン等）を用いた場合には、火災の危険が生じやすいという問題があった。さらにまた、機械的撹拌では、ポリマーフォーム内部に粗大セル（ピンホール）が発生してしまうために微細な均一フォーム構造を形成することができず、脱塩はコスト的に高価となってしまうため、実用性に欠けるという難点があった。
これに対し、特に微細なセル径を得る観点からの技術として、例えば、発泡装置における制御を高精度化する方法や、発泡体原料にセルを微細化するための添加剤を配合する方法、発泡剤として適切なものを選定して用いる方法などが提案されている（特開平９−２４９７６０号公報、特開平４−１６３０９７号公報等）。
しかし、これらの方法によっても、前述のような問題を生ずることなく微細な表面セル構造を実現することはできず、これらの要請を満足し得るより優れたポリマーフォームの製造技術が求められていた。
そこで本発明の目的は、上記問題を解消して、表面に微細なセル構造を有し、特に、画像形成装置用部材に好適に用いることのできるポリマーフォームの製造方法、この方法により製造されたポリマーフォームを用いた画像形成装置用部材、および、これを用いた画像形成装置を提供することにある。
発明の開示
上記課題を解決するために、本発明は、ポリマー原料を発泡、硬化させることによりポリマーフォームを形成するポリマーフォームの製造方法において、前記ポリマー原料中に、温度上昇に伴い溶解度が低下する気体を溶存させた後、該ポリマー原料を加熱して、発泡、硬化させることを特徴とするポリマーフォームの製造方法である。
本発明においては、前記気体を高圧下で溶存させた後、圧力を下げ、発泡を助長することが好ましい。
また、前記気体として、大気圧下における溶解度が、温度２５℃で７０％以上であり、かつ、温度８０℃で４５％以下である気体を用いることが好ましく、特に、二酸化炭素を用いることがより好ましい。
本発明においては、前記ポリマー原料としてポリウレタン原料を用いて、ポリウレタンフォームを製造することができる。
また、本発明は、上記製造方法により製造されたポリマーフォームを用いたことを特徴とする画像形成装置用部材である。
さらに、本発明は、その画像形成装置用部材を用いたことを特徴とする画像形成装置である。
本発明によれば、液状のポリマー原料に対する気体の溶解度の温度依存性を利用することにより、従来技術におけるような製造上の問題を生ずることなく、微細な表面セル構造を有するポリマーフォームを得ることができる。このポリマーフォームは、特には、画像形成装置用部材に好適に用いることができ、これにより、特に表面性能に優れた高品質の画像形成装置用部材、更には、これを用いた高性能の画像形成装置を得ることができる。
発明を実施するための最良の形態
以下、本発明の具体的な実施の形態について詳細に説明する。
本発明のポリマーフォームの製造方法においては、ポリマー原料の発泡、硬化を行うに際し、ポリマー原料中に、温度上昇に伴い溶解度が低下する気体を溶存させておく点が重要である。
一般に、液体に対する気体の溶解度は温度に依存し、低温では高く、高温では低くなる。従って、低温において液体中に溶解した気体は、温度上昇に伴う溶解度の低下により、液体内に微細な気泡となって溶出する。本発明においては、気体の溶解度のかかる性質を利用して、液状のポリマー原料中に予め気体を溶解しておき、気体が溶存した状態で液状ポリマー原料を加熱し、硬化させることで、微細な発泡状態を有するポリマーフォームの形成を可能としたものである。本発明により得られるポリマーフォームの平均セル径は、６０〜１００μｍ程度である。
本発明においては、この際、溶解度の温度依存性に加えて、圧力依存性をも利用することが好ましい。即ち、溶解度が高圧下では高く低圧下では低いという特性を利用して、気体を高圧下で溶存させた後、圧力を下げて発泡させることで、温度差による溶解度低下に加えて圧力差による溶解度低下の効果も得ることができ、溶存気体による発泡効果をより適切に得ることができる。
ポリマー原料中に気体を溶存させる際のポリマー原料の好適調製温度は、−１０〜６０℃であり、好適発泡温度は１０〜２４０℃である。また、好適調製圧力は、０．８〜１０気圧であり、好適発泡圧力は０．２〜４気圧である。従って、温度差と圧力差とを併用して発泡を行う場合には、これらの温度および気圧条件をともに満たす条件にてポリマー原料の調製および発泡を行うことが特に好ましい。
但し、本発明における発泡効果を得るために重要となるのは、ポリマー原料中への気体の溶解時と、発泡時、即ち、ポリマー原料の加熱硬化時とにおける気体の溶解度差であるため、適切な発泡状態が得られるだけの溶解度差が実現できるものであれば、各温度、圧力条件の組合せは、特に制限されない。
ポリマー原料中に溶解させる気体には特に制限はないが、特には、大気圧下における溶解度が、温度２５℃で７０％以上、更には８０％以上であり、かつ、温度８０℃で４５％以下、更には４０％以下である気体を用いることが好ましい。溶解度がこの範囲を満たす気体を用いることで、室温付近においてポリマー原料中への溶解を行い、かつ、一般的な加熱硬化温度付近で発泡状態を形成することができ、実用的な条件下で、良好な発泡状態を容易に得ることができる。ここで、上記溶解度は、厳密にはポリマー原料に対する溶解度を用いるべきであるが、ポリエーテル、ポリエステル系等の親水性原料の場合には、水に対する溶解度を用いることができる。
用いることのできる気体としては、具体的には、例えば、空気、窒素、二酸化炭素（炭酸ガス）等を挙げることができる。特には、溶解度および溶解度差ともに比較的大きい二酸化炭素が好ましく、ヘリウムやアルゴン等は溶解度が低いため、本発明においてはあまり好適ではない。また、これら気体をポリマー原料中に溶解する手法としては、例えば、ミキサー等による機械的撹拌などを用いればよい。
本発明の製造方法は、種々のポリマーフォームについて適用することができ、かかるポリマーフォームとしては、例えば、ポリウレタンフォームを挙げることができる。
ポリマー原料としてのポリウレタン原料を構成するポリイソシアネートとしては、芳香族イソシアネート、脂肪族イソシアネート、脂環族イソシアネートおよびこれらの誘導体等を用いることができ、中でも、芳香族イソシアネートおよびその誘導体、特には、トリレンジイソシアネート、ジフェニルメタンジイソシアネートおよびこれらの誘導体が好適である。
トリレンジイソシアネートおよびその誘導体としては、例えば、粗製トリレンジイソシアネート、２，４−トリレンジイソシアネート、２，６−トリレンジイソシアネート、２，４−トリレンジイソシアネートと２，６−トリレンジイソシアネートとの混合物、これらのウレア変性物、ビュレット変性物、カルボジイミド変性物等が用いられる。
また、ジフェニルメタンジイソシアネートおよびその誘導体としては、例えば、ジアミノジフェニルメタンおよびその誘導体をホスゲン化して得られたジフェニルメタンジイソシアネートおよびその誘導体が用いられる。ジアミノジフェニルメタンの誘導体としては多核体などがあり、ジアミノジフェニルメタンから得られた純ジフェニルメタンジイソシアネート、ジアミノジフェニルメタンの多核体から得られたポリメリック・ジフェニルメタンジイソシアネートなどを用いることができる。ポリメリック・ジフェニルメタンジイソシアネートの官能基数については、通常、純ジフェニルメタンジイソシアネートと様々な官能基数のポリメリック・ジフェニルメタンジイソシアネートとの混合物が用いられ、平均官能基数が好ましくは２．０５〜４．００、より好ましくは２．５０〜３．５０のものである。また、これらのジフェニルメタンジイソシアネートおよびその誘導体を変性して得られた誘導体、例えば、ポリオール等で変性したウレタン変性物、ウレチジオン形成による二量体、イソシアヌレート変性物、カルボジイミド／ウレトンイミン変性物、アロハネート変性物、ウレア変性物、ビュレット変性物なども用いることができる。更に、数種類のジフェニルメタンジイソシアネートやその誘導体等をブレンドして用いてもよい。
ポリウレタン原料を構成するポリオール成分としては、エチレンオキサイドとプロピレンオキサイドとを付加重合したポリエーテルポリオール、ポリテトラメチレンエーテルグリコール、酸成分とグリコール成分を縮合したポリエステルポリオール、カプロラクトンを開環重合したポリエステルポリオール、ポリカーボネートジオール等を用いることができる。
エチレンオキサイドとプロピレンオキサイドとを付加重合したポリエーテルポリオールは、例えば、水、プロピレングリコール、エチレングリコール、グリセリン、トリメチロールプロパン、ヘキサントリオール、トリエタノールアミン、ジグリセリン、ペンタエリスリトール、エチレンジアミン、メチルグルコジット、芳香族ジアミン、ソルビトール、ショ糖、リン酸等を出発物質とし、エチレンオキサイドとプロピレンオキサイドを付加重合したものを挙げることができるが、特に、水、プロピレングリコール、エチレングリコール、グリセリン、トリメチロールプロパン、ヘキサントリオールを出発物質としたものが好適である。付加するエチレンオキサイドとプロピレンオキサイドの比率やミクロ構造については、エチレンオキサイドの比率が好ましくは２〜９５重量％、より好ましくは５〜９０重量％であり、末端にエチレンオキサイドが付加しているものが好ましい。また、分子鎖中のエチレンオキサイドとプロピレンオキサイドとの配列は、ランダムであることが好ましい。
尚、かかるポリエーテルポリオールの分子量としては、水、プロピレングリコール、エチレングリコールを出発物質とする場合は２官能となり、重量平均分子量で３００〜６０００の範囲のものが好ましく、４００〜３０００の範囲のものがより好ましい。また、グリセリン、トリメチロールプロパン、ヘキサントリオールを出発物質とする場合は３官能となり、重量平均分子量で９００〜９０００の範囲のものが好ましく、１５００〜６０００の範囲のものがより好ましい。更に、２官能のポリオールと３官能のポリオールとを適宜ブレンドして用いることもできる。
他のポリオール成分としてのポリテトラメチレンエーテルグリコールは、例えばテトラヒドロフランのカチオン重合によって得ることができ、重量平均分子量が４００〜４０００の範囲、特には６５０〜３０００の範囲にあるものが好ましく用いられる。また、分子量の異なるポリテトラメチレンエーテルグリコールをブレンドすることも好ましい。
ポリオール成分として、ポリテトラメチレンエーテルグリコールと、エチレンオキサイドとプロピレンオキサイドとを付加重合したポリエーテルポリオールとをブレンドして用いることも好ましく、この場合、これらのブレンド比率が重量比で９５：５〜２０：８０の範囲、特には９０：１０〜５０：５０の範囲となるよう用いることがより好ましい。
また、上記ポリオール成分とともに、ポリオールをアクリロニトリル変性したポリマーポリオール、ポリオールにメラミンを付加したポリオール、ブタンジオール等のジオール類、トリメチロールプロパンなどのポリオール類やこれらの誘導体を併用することもできる。
ポリウレタン原料は、ポリオールをポリイソシアネートにより予めプレポリマー化して用いてもよく、その方法としては、ポリオールおよびポリイソシアネートを適当な容器に入れ、十分に撹拌して、３０〜９０℃、好ましくは４０〜７０℃にて、６〜２４０時間、好ましくは２４〜７２時間保温する方法が挙げられる。
更に、ポリウレタン原料の硬化反応に用いる触媒としては、トリエチルアミン、ジメチルシクロヘキシルアミン等のモノアミン類、テトラメチルエチレンジアミン、テトラメチルプロパンジアミン、テトラメチルヘキサンジアミン等のジアミン類、ペンタメチルジエチレントリアミン、ペンタメチルジプロピレントリアミン、テトラメチルグアニジン等のトリアミン類、トリエチレンジアミン、ジメチルピペラジン、メチルエチルピペラジン、メチルモルホリン、ジメチルアミノエチルモルホリン、ジメチルイミダゾール等の環状アミン類、ジメチルアミノエタノール、ジメチルアミノエトキシエタノール、トリメチルアミノエチルエタノールアミン、メチルヒドロキシエチルピペラジン、ヒドロキシエチルモルホリン等のアルコールアミン類、ビス（ジメチルアミノエチル）エーテル、エチレングリコール（ジメチル）アミノプロピルエーテル等のエーテルアミン類、スタナスオクトエート、ジブチル錫ジアセテート、ジブチル錫ジラウレート、ジブチル錫マーカプチド、ジブチル錫チオカルボキシレート、ジブチル錫ジマレエート、ジオクチル錫マーカプチド、ジオクチル錫チオカルボキシレート、フェニル水銀プロピオン酸塩、オクテン酸鉛等の有機金属化合物などが挙げられる。これらの触媒は単独で用いてもよく、二種以上を組合せて用いてもよい。
本発明に係るポリマーフォームに導電性を付与する場合には、ポリマー原料中に導電材を加える。導電材にはイオン導電材と電子導電材があり、イオン導電材としては、テトラエチルアンモニウム、テトラブチルアンモニウム、ラウリルトリメチルアンモニウム等のドデシルトリメチルアンモニウム、ヘキサデシルトリメチルアンモニウム、ステアリルトリメチルアンモニウム等のオクタデシルトリメチルアンモニウム、ベンジルトリメチルアンモニウム、変性脂肪族ジメチルエチルアンモニウム等のアンモニウムの過塩素酸塩、塩素酸塩、塩酸塩、臭素酸塩、ヨウ素酸塩、ホウフッ化水素酸塩、硫酸塩、アルキル硫酸塩、カルボン酸塩、スルホン酸塩などの有機イオン導電材；リチウム、ナトリウム、カルシウム、マグネシウム等のアルカリ金属またはアルカリ土類金属の過塩素酸塩、塩素酸塩、塩酸塩、臭素酸塩、ヨウ素酸塩、ホウフッ化水素酸塩、トリフルオロメチル硫酸塩、スルホン酸塩などの無機イオン導電材が挙げられる。また、電子導電材としては、ケッチェンブラック、アセチレンブラック等の導電性カーボンブラック；ＳＡＦ，ＩＳＡＦ，ＨＡＦ，ＦＥＦ，ＧＰＦ，ＳＲＦ，ＦＴ，ＭＴ等のゴム用カーボンブラック；酸化カーボンブラック等のインク用カーボンブラック、熱分解カーボンブラック、グラファイト；酸化スズ、酸化チタン、酸化亜鉛等の導電性金属酸化物；ニッケル、銅等の金属；カーボンウイスカー、黒鉛ウイスカー、炭化チタンウイスカー、導電性チタン酸カリウムウイスカー、導電性チタン酸バリウムウイスカー、導電性酸化チタンウイスカー、導電性酸化亜鉛ウイスカー等の導電性ウイスカーなどが挙げられる。これら導電材の添加により、本発明に係るポリマーフォームの体積固有抵抗を調整することができ、特に、ポリマーフォームを画像形成装置における転写ローラに適用する場合には、良好な画像を得る観点から、体積固有抵抗を１０５〜１０１２Ω・ｃｍの範囲とすることが好ましい。
ポリマー原料には、用途に応じて、上記導電材の他、無機炭酸塩等の充填材、シリコーン整泡剤や各種界面活性剤等の整泡剤、フェノールやフェニルアミン等の酸化防止剤、低摩擦化剤、電荷調整剤などを適宜添加することができる。このうちシリコーン整泡剤としては、ジメチルポリシロキサン・ポリオキシアルキレン共重合物等を好適に用いることができ、分子量３５０〜１５０００のジメチルポリシロキサン部分と分子量２００〜４０００のポリオキシアルキレン部分とからなるものが特に好ましい。ポリオキシアルキレン部分の分子構造は、エチレンオキサイドの付加重合物やエチレンオキサイドとプロピレンオキサイドとの共付加重合物が好ましく、その分子末端をエチレンオキサイドとすることも好ましい。また、界面活性剤としては、カチオン性界面活性剤、アニオン性界面活性剤、両性等のイオン系界面活性剤や、各種ポリエーテル、各種ポリエステル等のノニオン性界面活性剤が挙げられる。シリコーン整泡剤や各種界面活性剤の配合量は、ポリマー原料１００重量部に対して好ましくは０．１〜１０重量部、より好ましくは０．５〜５重量部である。
本発明の製造方法は、最終的な部材形状を得るためのモールド、例えば、ローラ部材を得るための円筒状モールドを用いて、このモールド内で、一体化されるべき金属シャフト等とともにポリマー原料を発泡、硬化させて行うことが好ましいが、特に制限されるものではなく、ポリマーフォームをブロック状で製造して、硬化後に切り出して最終形状を得るものであってもよい。また、本発明の製造方法における上述以外の材料や手順等は常法に従えばよく、特に制限されるものではない。
また、本発明の画像形成装置用部材は、複写機、ファクシミリ、プリンタ等の画像形成装置に用いる画像形成装置用部材であって、本発明の製造方法により得られるポリマーフォームを用いたものであればよく、特に制限されない。画像形成装置において帯電用、現像用、転写用、トナー供給用、クリーニング用、トナー層規制用などに供される各種部材、例えば、帯電ローラ、現像ローラ、転写ローラ、トナー供給ローラ、クリーニングローラ等や、トナー層規制ブレード、クリーニングブレード等に好適に用いることができる。本発明の製造方法により得られるポリマーフォームは、前述したように、低硬度であるとともに微細な表面セル構造を有することから、特には、乾式電子写真方式に係る転写部材に好適である。更に、本発明の画像形成装置は、かかる本発明の画像形成装置用部材を用いたものであればよく、特に制限されるものではない。例えば、普通紙複写機、普通紙ファクシミリ機、レーザビームプリンタ、カラーレーザビームプリンタ、トナージェットプリンタ等が挙げられる。
以下、実施例により本発明をより詳細に説明する。
実施例
ジフェニルメタンジイソシアネート、カルボジイミド変性ジフェニルメタンジイソシアネートおよびグリコール変性ジフェニルメタンジイソシアネートの混合物であり、イソシアネート含有率が２６．２重量％であるイソシアネート成分２４．６重量部と、グリセリンを出発物質としてエチレンオキサイドとプロピレンオキサイドとを付加重合してなる重量平均分子量５０００のポリエーテルポリオール６０重量部、分子量１０００のポリテトラメチレンエーテルグリコール４０重量部、水酸基価が５６ｍｇＫＯＨ／ｇである反応性シリコーン整泡剤４重量部、黒色顔料２．５重量部、電解質としてのエチル硫酸変性脂肪族ジメチルエチルアンモニウム０．４重量部および触媒としてのジブチル錫ジラウレート０．０１重量部からなるポリオール成分とを混合して、ポリウレタン原料を調製した。
このポリウレタン原料をミキサーにより機械的に撹拌して炭酸ガスを混入し、溶解させて、これを金属製の円筒状モールド内に注入した。このモールドの内部には、硫黄快削鋼に亜鉛メッキを施した外径６．０ｍｍ、長さ２４０ｍｍの金属シャフトを、外周に接着剤を塗布した状態にて配置した。
次いで、ポリウレタン原料を注入したモールドを９０℃に調整した熱風オーブン中に４時間放置して加熱硬化させ、金属シャフトと、ポリウレタンフォームとを一体化した。得られたポリウレタンフォームは外径が１６ｍｍ、フォーム部分の全長が２１０ｍｍであった。このローラの表面を円筒研削盤にて１ｍｍ削り、ポリウレタンフォーム製のローラを得た。このローラの硬度はアスカーＣ硬度で４５°であった。
キーエンス（株）製のマイクロビデオを用いて、得られたローラの表面を２００倍の倍率で観察し、セル径を測定した。セル径は１２０点測定した。その平均値としての平均セル径を下記の第１表中に示す。
比較例１、２
ポリウレタン原料中に溶解させる気体として、下記の第１表中に示すものを夫々用いた以外は実施例と同様にして、ポリウレタンフォーム製のローラを作製した。これらのローラにつき実施例と同様にして求めた平均セル径の値を下記の第１表中に示す。
産業上の利用可能性
以上説明してきたように、本発明によれば、表面に微細なセル構造を有するポリマーフォームを得ることができ、かかるポリマーフォームは、特には画像形成装置用部材に好適に用いることができる。従って、これにより、特に表面性能に優れた高品質の画像形成装置用部材、更には、これを用いた高性能の画像形成装置を得ることができる。
本発明はポリマーフォームの製造方法、画像形成装置用部材および画像形成装置に関し、詳しくは、複写機、ファクシミリ、プリンタ等の画像形成装置などにおける各種部材として好適に使用されるポリマーフォームの製造方法、この方法により製造されたポリマーフォームを用いた画像形成装置用部材、および、これを用いた画像形成装置に関する。
背景技術
近年、電子写真技術の進歩に伴い、乾式電子写真装置等の画像形成装置において、帯電用、現像用、転写用、トナー供給用、クリーニング用、トナー層規制用などに供される部材として、高分子弾性部材が注目されている。かかる高分子弾性部材は、例えば、帯電ローラ、現像ローラ、転写ローラ、トナー供給ローラ、クリーニングローラ等の弾性を有するローラや、トナー層規制ブレード、クリーニングブレード等の弾性を有するブレードなどの形態で、画像形成装置用部材として使用されている。
中でも特に、低硬度であることが求められる、転写用、トナー供給用、クリーニング用等の用途においては、部材の材料として、弾性ポリマーフォームを用いることが好適である。これら画像形成装置用部材に適用されるポリマーフォームには、低硬度であることに加えて、表面に微細なセル構造を有していることが要求される。
従来知られているポリマーフォームを形成するための手法としては、▲１▼発泡剤を用いる方法や、▲２▼機械的撹拌（メカニカルフロス）による方法、▲３▼脱塩による方法などが挙げられる。このうち、▲１▼の発泡剤としては、例えば、ゴムフォームの場合には各種炭酸塩やオキシビスベンゼンスルホン酸ヒドラジット（ＯＢＳＨ）、アゾジカルボンアミド（ＡＤＣＡ）等が挙げられ、これらが分解して気化することによりフォーム構造が形成される。また、ポリウレタンフォームの場合には、例えば、水や、フロンおよび代替フロン等、有機溶剤などが挙げられ、夫々、水はイソシアナートと反応してＣＯ２を発生することにより、また、フロン等は気化することにより発泡を生じさせる。さらに、▲２▼の機械的撹拌はポリマーフォーム材料を撹拌することにより気泡を巻き込んで発泡させる方法であり、▲３▼の脱塩は、ゴムフォーム材料に塩を配合し、洗浄脱塩して穴孔を形成する方法である。
しかしながら、これら従来の方法は様々な難点を有するものであり、製造上何らの問題も生ずることなく、かつ、前述の要求性能を満足し得るポリマーフォームを得ることができるものではなかった。
即ち、ゴムフォームにおいて発泡剤として炭酸塩を用いた場合には、セルの不均一化が生じてしまい、ポリマーフォームの表面性能の点で難があり、また、ＯＢＳＨやＡＤＣＡを用いた場合には、悪臭や作業環境の悪化、大気汚染の発生等の問題を避けられなかった。また、ポリウレタンフォームの発泡剤としての水は、低密度フォームの形成には適するが、高密度のフォームの作製が困難で、硬化後に変形しやすいという難点があり、フロン等については環境破壊を引き起こすという観点から使用自体が問題視されており、さらに、有機溶剤（ｉｓｏ−ペンタン等）を用いた場合には、火災の危険が生じやすいという問題があった。さらにまた、機械的撹拌では、ポリマーフォーム内部に粗大セル（ピンホール）が発生してしまうために微細な均一フォーム構造を形成することができず、脱塩はコスト的に高価となってしまうため、実用性に欠けるという難点があった。
これに対し、特に微細なセル径を得る観点からの技術として、例えば、発泡装置における制御を高精度化する方法や、発泡体原料にセルを微細化するための添加剤を配合する方法、発泡剤として適切なものを選定して用いる方法などが提案されている（特開平９−２４９７６０号公報、特開平４−１６３０９７号公報等）。
しかし、これらの方法によっても、前述のような問題を生ずることなく微細な表面セル構造を実現することはできず、これらの要請を満足し得るより優れたポリマーフォームの製造技術が求められていた。
そこで本発明の目的は、上記問題を解消して、表面に微細なセル構造を有し、特に、画像形成装置用部材に好適に用いることのできるポリマーフォームの製造方法、この方法により製造されたポリマーフォームを用いた画像形成装置用部材、および、これを用いた画像形成装置を提供することにある。
発明の開示
上記課題を解決するために、本発明は、ポリマー原料を発泡、硬化させることによりポリマーフォームを形成するポリマーフォームの製造方法において、前記ポリマー原料中に、温度上昇に伴い溶解度が低下する気体を溶存させた後、該ポリマー原料を加熱して、発泡、硬化させることを特徴とするポリマーフォームの製造方法である。
本発明においては、前記気体を高圧下で溶存させた後、圧力を下げ、発泡を助長することが好ましい。
また、前記気体として、大気圧下における溶解度が、温度２５℃で７０％以上であり、かつ、温度８０℃で４５％以下である気体を用いることが好ましく、特に、二酸化炭素を用いることがより好ましい。
本発明においては、前記ポリマー原料としてポリウレタン原料を用いて、ポリウレタンフォームを製造することができる。
また、本発明は、上記製造方法により製造されたポリマーフォームを用いたことを特徴とする画像形成装置用部材である。
さらに、本発明は、その画像形成装置用部材を用いたことを特徴とする画像形成装置である。
本発明によれば、液状のポリマー原料に対する気体の溶解度の温度依存性を利用することにより、従来技術におけるような製造上の問題を生ずることなく、微細な表面セル構造を有するポリマーフォームを得ることができる。このポリマーフォームは、特には、画像形成装置用部材に好適に用いることができ、これにより、特に表面性能に優れた高品質の画像形成装置用部材、更には、これを用いた高性能の画像形成装置を得ることができる。
発明を実施するための最良の形態
以下、本発明の具体的な実施の形態について詳細に説明する。
本発明のポリマーフォームの製造方法においては、ポリマー原料の発泡、硬化を行うに際し、ポリマー原料中に、温度上昇に伴い溶解度が低下する気体を溶存させておく点が重要である。
一般に、液体に対する気体の溶解度は温度に依存し、低温では高く、高温では低くなる。従って、低温において液体中に溶解した気体は、温度上昇に伴う溶解度の低下により、液体内に微細な気泡となって溶出する。本発明においては、気体の溶解度のかかる性質を利用して、液状のポリマー原料中に予め気体を溶解しておき、気体が溶存した状態で液状ポリマー原料を加熱し、硬化させることで、微細な発泡状態を有するポリマーフォームの形成を可能としたものである。本発明により得られるポリマーフォームの平均セル径は、６０〜１００μｍ程度である。
本発明においては、この際、溶解度の温度依存性に加えて、圧力依存性をも利用することが好ましい。即ち、溶解度が高圧下では高く低圧下では低いという特性を利用して、気体を高圧下で溶存させた後、圧力を下げて発泡させることで、温度差による溶解度低下に加えて圧力差による溶解度低下の効果も得ることができ、溶存気体による発泡効果をより適切に得ることができる。
ポリマー原料中に気体を溶存させる際のポリマー原料の好適調製温度は、−１０〜６０℃であり、好適発泡温度は１０〜２４０℃である。また、好適調製圧力は、０．８〜１０気圧であり、好適発泡圧力は０．２〜４気圧である。従って、温度差と圧力差とを併用して発泡を行う場合には、これらの温度および気圧条件をともに満たす条件にてポリマー原料の調製および発泡を行うことが特に好ましい。
但し、本発明における発泡効果を得るために重要となるのは、ポリマー原料中への気体の溶解時と、発泡時、即ち、ポリマー原料の加熱硬化時とにおける気体の溶解度差であるため、適切な発泡状態が得られるだけの溶解度差が実現できるものであれば、各温度、圧力条件の組合せは、特に制限されない。
ポリマー原料中に溶解させる気体には特に制限はないが、特には、大気圧下における溶解度が、温度２５℃で７０％以上、更には８０％以上であり、かつ、温度８０℃で４５％以下、更には４０％以下である気体を用いることが好ましい。溶解度がこの範囲を満たす気体を用いることで、室温付近においてポリマー原料中への溶解を行い、かつ、一般的な加熱硬化温度付近で発泡状態を形成することができ、実用的な条件下で、良好な発泡状態を容易に得ることができる。ここで、上記溶解度は、厳密にはポリマー原料に対する溶解度を用いるべきであるが、ポリエーテル、ポリエステル系等の親水性原料の場合には、水に対する溶解度を用いることができる。
用いることのできる気体としては、具体的には、例えば、空気、窒素、二酸化炭素（炭酸ガス）等を挙げることができる。特には、溶解度および溶解度差ともに比較的大きい二酸化炭素が好ましく、ヘリウムやアルゴン等は溶解度が低いため、本発明においてはあまり好適ではない。また、これら気体をポリマー原料中に溶解する手法としては、例えば、ミキサー等による機械的撹拌などを用いればよい。
本発明の製造方法は、種々のポリマーフォームについて適用することができ、かかるポリマーフォームとしては、例えば、ポリウレタンフォームを挙げることができる。
ポリマー原料としてのポリウレタン原料を構成するポリイソシアネートとしては、芳香族イソシアネート、脂肪族イソシアネート、脂環族イソシアネートおよびこれらの誘導体等を用いることができ、中でも、芳香族イソシアネートおよびその誘導体、特には、トリレンジイソシアネート、ジフェニルメタンジイソシアネートおよびこれらの誘導体が好適である。
トリレンジイソシアネートおよびその誘導体としては、例えば、粗製トリレンジイソシアネート、２，４−トリレンジイソシアネート、２，６−トリレンジイソシアネート、２，４−トリレンジイソシアネートと２，６−トリレンジイソシアネートとの混合物、これらのウレア変性物、ビュレット変性物、カルボジイミド変性物等が用いられる。
また、ジフェニルメタンジイソシアネートおよびその誘導体としては、例えば、ジアミノジフェニルメタンおよびその誘導体をホスゲン化して得られたジフェニルメタンジイソシアネートおよびその誘導体が用いられる。ジアミノジフェニルメタンの誘導体としては多核体などがあり、ジアミノジフェニルメタンから得られた純ジフェニルメタンジイソシアネート、ジアミノジフェニルメタンの多核体から得られたポリメリック・ジフェニルメタンジイソシアネートなどを用いることができる。ポリメリック・ジフェニルメタンジイソシアネートの官能基数については、通常、純ジフェニルメタンジイソシアネートと様々な官能基数のポリメリック・ジフェニルメタンジイソシアネートとの混合物が用いられ、平均官能基数が好ましくは２．０５〜４．００、より好ましくは２．５０〜３．５０のものである。また、これらのジフェニルメタンジイソシアネートおよびその誘導体を変性して得られた誘導体、例えば、ポリオール等で変性したウレタン変性物、ウレチジオン形成による二量体、イソシアヌレート変性物、カルボジイミド／ウレトンイミン変性物、アロハネート変性物、ウレア変性物、ビュレット変性物なども用いることができる。更に、数種類のジフェニルメタンジイソシアネートやその誘導体等をブレンドして用いてもよい。
ポリウレタン原料を構成するポリオール成分としては、エチレンオキサイドとプロピレンオキサイドとを付加重合したポリエーテルポリオール、ポリテトラメチレンエーテルグリコール、酸成分とグリコール成分を縮合したポリエステルポリオール、カプロラクトンを開環重合したポリエステルポリオール、ポリカーボネートジオール等を用いることができる。
エチレンオキサイドとプロピレンオキサイドとを付加重合したポリエーテルポリオールは、例えば、水、プロピレングリコール、エチレングリコール、グリセリン、トリメチロールプロパン、ヘキサントリオール、トリエタノールアミン、ジグリセリン、ペンタエリスリトール、エチレンジアミン、メチルグルコジット、芳香族ジアミン、ソルビトール、ショ糖、リン酸等を出発物質とし、エチレンオキサイドとプロピレンオキサイドを付加重合したものを挙げることができるが、特に、水、プロピレングリコール、エチレングリコール、グリセリン、トリメチロールプロパン、ヘキサントリオールを出発物質としたものが好適である。付加するエチレンオキサイドとプロピレンオキサイドの比率やミクロ構造については、エチレンオキサイドの比率が好ましくは２〜９５重量％、より好ましくは５〜９０重量％であり、末端にエチレンオキサイドが付加しているものが好ましい。また、分子鎖中のエチレンオキサイドとプロピレンオキサイドとの配列は、ランダムであることが好ましい。
尚、かかるポリエーテルポリオールの分子量としては、水、プロピレングリコール、エチレングリコールを出発物質とする場合は２官能となり、重量平均分子量で３００〜６０００の範囲のものが好ましく、４００〜３０００の範囲のものがより好ましい。また、グリセリン、トリメチロールプロパン、ヘキサントリオールを出発物質とする場合は３官能となり、重量平均分子量で９００〜９０００の範囲のものが好ましく、１５００〜６０００の範囲のものがより好ましい。更に、２官能のポリオールと３官能のポリオールとを適宜ブレンドして用いることもできる。
他のポリオール成分としてのポリテトラメチレンエーテルグリコールは、例えばテトラヒドロフランのカチオン重合によって得ることができ、重量平均分子量が４００〜４０００の範囲、特には６５０〜３０００の範囲にあるものが好ましく用いられる。また、分子量の異なるポリテトラメチレンエーテルグリコールをブレンドすることも好ましい。
ポリオール成分として、ポリテトラメチレンエーテルグリコールと、エチレンオキサイドとプロピレンオキサイドとを付加重合したポリエーテルポリオールとをブレンドして用いることも好ましく、この場合、これらのブレンド比率が重量比で９５：５〜２０：８０の範囲、特には９０：１０〜５０：５０の範囲となるよう用いることがより好ましい。
また、上記ポリオール成分とともに、ポリオールをアクリロニトリル変性したポリマーポリオール、ポリオールにメラミンを付加したポリオール、ブタンジオール等のジオール類、トリメチロールプロパンなどのポリオール類やこれらの誘導体を併用することもできる。
ポリウレタン原料は、ポリオールをポリイソシアネートにより予めプレポリマー化して用いてもよく、その方法としては、ポリオールおよびポリイソシアネートを適当な容器に入れ、十分に撹拌して、３０〜９０℃、好ましくは４０〜７０℃にて、６〜２４０時間、好ましくは２４〜７２時間保温する方法が挙げられる。
更に、ポリウレタン原料の硬化反応に用いる触媒としては、トリエチルアミン、ジメチルシクロヘキシルアミン等のモノアミン類、テトラメチルエチレンジアミン、テトラメチルプロパンジアミン、テトラメチルヘキサンジアミン等のジアミン類、ペンタメチルジエチレントリアミン、ペンタメチルジプロピレントリアミン、テトラメチルグアニジン等のトリアミン類、トリエチレンジアミン、ジメチルピペラジン、メチルエチルピペラジン、メチルモルホリン、ジメチルアミノエチルモルホリン、ジメチルイミダゾール等の環状アミン類、ジメチルアミノエタノール、ジメチルアミノエトキシエタノール、トリメチルアミノエチルエタノールアミン、メチルヒドロキシエチルピペラジン、ヒドロキシエチルモルホリン等のアルコールアミン類、ビス（ジメチルアミノエチル）エーテル、エチレングリコール（ジメチル）アミノプロピルエーテル等のエーテルアミン類、スタナスオクトエート、ジブチル錫ジアセテート、ジブチル錫ジラウレート、ジブチル錫マーカプチド、ジブチル錫チオカルボキシレート、ジブチル錫ジマレエート、ジオクチル錫マーカプチド、ジオクチル錫チオカルボキシレート、フェニル水銀プロピオン酸塩、オクテン酸鉛等の有機金属化合物などが挙げられる。これらの触媒は単独で用いてもよく、二種以上を組合せて用いてもよい。
本発明に係るポリマーフォームに導電性を付与する場合には、ポリマー原料中に導電材を加える。導電材にはイオン導電材と電子導電材があり、イオン導電材としては、テトラエチルアンモニウム、テトラブチルアンモニウム、ラウリルトリメチルアンモニウム等のドデシルトリメチルアンモニウム、ヘキサデシルトリメチルアンモニウム、ステアリルトリメチルアンモニウム等のオクタデシルトリメチルアンモニウム、ベンジルトリメチルアンモニウム、変性脂肪族ジメチルエチルアンモニウム等のアンモニウムの過塩素酸塩、塩素酸塩、塩酸塩、臭素酸塩、ヨウ素酸塩、ホウフッ化水素酸塩、硫酸塩、アルキル硫酸塩、カルボン酸塩、スルホン酸塩などの有機イオン導電材；リチウム、ナトリウム、カルシウム、マグネシウム等のアルカリ金属またはアルカリ土類金属の過塩素酸塩、塩素酸塩、塩酸塩、臭素酸塩、ヨウ素酸塩、ホウフッ化水素酸塩、トリフルオロメチル硫酸塩、スルホン酸塩などの無機イオン導電材が挙げられる。また、電子導電材としては、ケッチェンブラック、アセチレンブラック等の導電性カーボンブラック；ＳＡＦ，ＩＳＡＦ，ＨＡＦ，ＦＥＦ，ＧＰＦ，ＳＲＦ，ＦＴ，ＭＴ等のゴム用カーボンブラック；酸化カーボンブラック等のインク用カーボンブラック、熱分解カーボンブラック、グラファイト；酸化スズ、酸化チタン、酸化亜鉛等の導電性金属酸化物；ニッケル、銅等の金属；カーボンウイスカー、黒鉛ウイスカー、炭化チタンウイスカー、導電性チタン酸カリウムウイスカー、導電性チタン酸バリウムウイスカー、導電性酸化チタンウイスカー、導電性酸化亜鉛ウイスカー等の導電性ウイスカーなどが挙げられる。これら導電材の添加により、本発明に係るポリマーフォームの体積固有抵抗を調整することができ、特に、ポリマーフォームを画像形成装置における転写ローラに適用する場合には、良好な画像を得る観点から、体積固有抵抗を１０５〜１０１２Ω・ｃｍの範囲とすることが好ましい。
ポリマー原料には、用途に応じて、上記導電材の他、無機炭酸塩等の充填材、シリコーン整泡剤や各種界面活性剤等の整泡剤、フェノールやフェニルアミン等の酸化防止剤、低摩擦化剤、電荷調整剤などを適宜添加することができる。このうちシリコーン整泡剤としては、ジメチルポリシロキサン・ポリオキシアルキレン共重合物等を好適に用いることができ、分子量３５０〜１５０００のジメチルポリシロキサン部分と分子量２００〜４０００のポリオキシアルキレン部分とからなるものが特に好ましい。ポリオキシアルキレン部分の分子構造は、エチレンオキサイドの付加重合物やエチレンオキサイドとプロピレンオキサイドとの共付加重合物が好ましく、その分子末端をエチレンオキサイドとすることも好ましい。また、界面活性剤としては、カチオン性界面活性剤、アニオン性界面活性剤、両性等のイオン系界面活性剤や、各種ポリエーテル、各種ポリエステル等のノニオン性界面活性剤が挙げられる。シリコーン整泡剤や各種界面活性剤の配合量は、ポリマー原料１００重量部に対して好ましくは０．１〜１０重量部、より好ましくは０．５〜５重量部である。
本発明の製造方法は、最終的な部材形状を得るためのモールド、例えば、ローラ部材を得るための円筒状モールドを用いて、このモールド内で、一体化されるべき金属シャフト等とともにポリマー原料を発泡、硬化させて行うことが好ましいが、特に制限されるものではなく、ポリマーフォームをブロック状で製造して、硬化後に切り出して最終形状を得るものであってもよい。また、本発明の製造方法における上述以外の材料や手順等は常法に従えばよく、特に制限されるものではない。
また、本発明の画像形成装置用部材は、複写機、ファクシミリ、プリンタ等の画像形成装置に用いる画像形成装置用部材であって、本発明の製造方法により得られるポリマーフォームを用いたものであればよく、特に制限されない。画像形成装置において帯電用、現像用、転写用、トナー供給用、クリーニング用、トナー層規制用などに供される各種部材、例えば、帯電ローラ、現像ローラ、転写ローラ、トナー供給ローラ、クリーニングローラ等や、トナー層規制ブレード、クリーニングブレード等に好適に用いることができる。本発明の製造方法により得られるポリマーフォームは、前述したように、低硬度であるとともに微細な表面セル構造を有することから、特には、乾式電子写真方式に係る転写部材に好適である。更に、本発明の画像形成装置は、かかる本発明の画像形成装置用部材を用いたものであればよく、特に制限されるものではない。例えば、普通紙複写機、普通紙ファクシミリ機、レーザビームプリンタ、カラーレーザビームプリンタ、トナージェットプリンタ等が挙げられる。
以下、実施例により本発明をより詳細に説明する。
実施例
ジフェニルメタンジイソシアネート、カルボジイミド変性ジフェニルメタンジイソシアネートおよびグリコール変性ジフェニルメタンジイソシアネートの混合物であり、イソシアネート含有率が２６．２重量％であるイソシアネート成分２４．６重量部と、グリセリンを出発物質としてエチレンオキサイドとプロピレンオキサイドとを付加重合してなる重量平均分子量５０００のポリエーテルポリオール６０重量部、分子量１０００のポリテトラメチレンエーテルグリコール４０重量部、水酸基価が５６ｍｇＫＯＨ／ｇである反応性シリコーン整泡剤４重量部、黒色顔料２．５重量部、電解質としてのエチル硫酸変性脂肪族ジメチルエチルアンモニウム０．４重量部および触媒としてのジブチル錫ジラウレート０．０１重量部からなるポリオール成分とを混合して、ポリウレタン原料を調製した。
このポリウレタン原料をミキサーにより機械的に撹拌して炭酸ガスを混入し、溶解させて、これを金属製の円筒状モールド内に注入した。このモールドの内部には、硫黄快削鋼に亜鉛メッキを施した外径６．０ｍｍ、長さ２４０ｍｍの金属シャフトを、外周に接着剤を塗布した状態にて配置した。
次いで、ポリウレタン原料を注入したモールドを９０℃に調整した熱風オーブン中に４時間放置して加熱硬化させ、金属シャフトと、ポリウレタンフォームとを一体化した。得られたポリウレタンフォームは外径が１６ｍｍ、フォーム部分の全長が２１０ｍｍであった。このローラの表面を円筒研削盤にて１ｍｍ削り、ポリウレタンフォーム製のローラを得た。このローラの硬度はアスカーＣ硬度で４５°であった。
キーエンス（株）製のマイクロビデオを用いて、得られたローラの表面を２００倍の倍率で観察し、セル径を測定した。セル径は１２０点測定した。その平均値としての平均セル径を下記の第１表中に示す。
比較例１、２
ポリウレタン原料中に溶解させる気体として、下記の第１表中に示すものを夫々用いた以外は実施例と同様にして、ポリウレタンフォーム製のローラを作製した。これらのローラにつき実施例と同様にして求めた平均セル径の値を下記の第１表中に示す。
以上説明してきたように、本発明によれば、表面に微細なセル構造を有するポリマーフォームを得ることができ、かかるポリマーフォームは、特には画像形成装置用部材に好適に用いることができる。従って、これにより、特に表面性能に優れた高品質の画像形成装置用部材、更には、これを用いた高性能の画像形成装置を得ることができる。
Claims (7)
- ポリマー原料を発泡、硬化させることによりポリマーフォームを形成するポリマーフォームの製造方法において、
前記ポリマー原料中に、温度上昇に伴い溶解度が低下する気体を溶存させた後、該ポリマー原料を加熱して、発泡、硬化させることを特徴とするポリマーフォームの製造方法。 - 前記気体を高圧下で溶存させた後、圧力を下げて発泡させる請求項１記載のポリマーフォームの製造方法。
- 前記気体として、大気圧下における溶解度が、温度２５℃で７０％以上であり、かつ、温度８０℃で４５％以下である気体を用いる請求項１記載のポリマーフォームの製造方法。
- 前記気体として、二酸化炭素を用いる請求項３記載のポリマーフォームの製造方法。
- 前記ポリマー原料としてポリウレタン原料を用い、ポリウレタンフォームを製造する請求項１記載のポリマーフォームの製造方法。
- 請求項１記載の製造方法により製造されたポリマーフォームを用いたことを特徴とする画像形成装置用部材。
- 請求項６記載の画像形成装置用部材を用いたことを特徴とする画像形成装置。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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