JP2017116570A - トナーおよびトナーの製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
昨今では、印刷分野への進出も著しく、プリンターや複写機に代表的に用いられている電子写真方式の出力画像においても、印刷速度の向上と同時に、印刷の品質と同等以上の高精彩、高精細、粒状性等の画像品質が要求されるようになってきている。
商業印刷用途においては画像形成装置の印刷速度が生産性に直結し、オフィス用途においても業務効率を高めるという観点から、印刷速度が速い高速機の需要が高まってきている。
高速機においては、感光ドラムに対するトナーの供給能が高いことから、トナーと磁性キャリアを組み合わせた二成分系現像剤が好ましく用いられる。二成分系現像剤では、一成分系現像剤と比べて、磁性キャリアからトナーに強いストレスが加わるため、ストレスに対する耐性の高いトナーが要望されている。
これらのことから、二成分系現像剤として高速機に用いても、十分な現像性、転写性、クリーニング性、定着性を有するトナーが要望されており、かつ耐久性や、環境安定性にも優れることが求められる。
従来から電子写真用トナーにおいては、トナーの流動性、付着性、帯電性などを調整し、良好な現像性、転写性、クリーニング性を得る目的で、種々の無機微粒子等を外添することが一般的に知られている。
また、無機微粒子が脱離したトナー粒子の影響で、トナーの流動性が低下し、トナーの帯電量分布が広がってしまい、トナーの現像性が損なわれて、非画像部へのカブリが生じることがある。
そこで帯電安定性及び帯電付与部材の耐汚染性を向上させる手法の一つとして、様々なシリカ粒子をトナー表面に外添することによる検討が近年行われてきている。
例えば特許文献1には、トナー粒子に比表面積が10.0m2/g以上、50.0m2/g以下のシリカ粒子を添加し、熱により表面処理を施すことで非画像部へのカブリを抑制したトナーが開示されている。また、特許文献2や特許文献3には、非球形のシリカ粒子をトナー粒子に添加し、転写性の向上や画像欠陥を抑制したトナーが開示されている。
本発明は、上記の課題を解決したトナーを提供することにある。具体的には、高速印刷時や長期間に亘り高温高湿環境下および常温常湿環境下で使用した場合においても、帯電安定性に優れ、カブリや濃度ムラが改善された画像を出力できるトナーおよび該トナーの製造方法を提供することにある。
すなわち、本発明は、結着樹脂、着色剤を含有するトナー粒子と無機微粒子を含有するトナーであって、
前記無機微粒子は、アルミニウムを含有するシリカ粒子であり、
前記シリカ粒子中の前記アルミニウムの含有量が、0.2ppm以上200ppm以下であることを特徴とするトナーに関する。
前記シリカ粒子は、コロイダルシリカにポリ水酸化アルミニウム、ポリ塩化アルミニウム、塩化アルミニウム、及び硫酸アルミニウムからなる群から選ばれるアルミニウム塩又はその重合体を添加する工程を経て製造されるシリカ粒子であることを特徴とするトナーの製造方法に関する。
前記無機微粒子は、アルミニウムを含有するシリカ粒子であり、
前記シリカ粒子中の前記アルミニウムの含有量が、0.2ppm以上200ppm以下であることを特徴とする。
本発明者らは、無機微粒子がアルミニウムを含有したシリカ粒子であること、かつアルミニウムの含有量が特定の範囲にあることで、帯電安定性に優れたトナーとなることを見出した。
本発明のトナーに用いられるシリカ粒子は、アルミニウムを含有し、その含有量が0.2ppm以上200ppm以下であることが必要であり、0.5ppm以上100ppm以下であることが好ましい。アルミニウムの含有量が該範囲にあることで、トナーの帯電安定性を向上させることができる。
形状係数SF−1が135以上であると、キャリアやその他の帯電付与部材との接触によるストレスが大きすぎず、安定した帯電性を維持することができ、カブリや画像濃度変化が生じることが少ない。一方で、形状係数SF−1が180未満であると、シリカ粒子とトナー粒子表面との接触面積が十分であり、帯電性が向上しやすく、画像の濃度変化が起こりにくい。シリカ粒子の形状係数SF−1は、凝集剤として用いるアルミニウムの種類や添加量によって調整することができる。
比表面積が5m2/g以上の場合、トナー粒子表面とシリカ粒子との固着強度が十分となる。そのため、二成分系現像剤として用いた場合にシリカ粒子の遊離を抑えることができ、帯電ローラが汚染されたことに起因する帯電付与能の低下による画像欠陥の発生を抑えることができる。一方で、比表面積が50m2/g以下の場合、シリカ粒子の比表面積が大きすぎず、トナー粒子表面にシリカ粒子が埋め込まれすぎないため、キャリアやその他の帯電付与部材との接触によるストレスが大きすぎない。そのため、安定した帯電性を維持でき、カブリや画像濃度変化が生じにくい。シリカ粒子の比表面積は、湿式の製造方法においては、凝集剤として用いるアルミニウムの種類や添加量及び処理剤の種類や添加量によって調整することができる。乾式の製造方法においては、可燃性ガスと酸素の量及び流量の制御によって調整することができる。
被覆率が30%以上の場合、トナー表面に存在するシリカ粒子の個数が十分であるため、湿度の影響を受けにくく、安定した帯電性を維持でき、カブリや画像濃度変化が生じることが少ない。一方で、被覆率が90%以下の場合、トナー表面に存在するシリカ粒子の個数が過剰ではないため、トナーとキャリアの間に働く摩擦力が小さくなりすぎたりしない。そのため、帯電性の向上効果が発現しやすい。被覆率は、シリカ粒子の添加量及びトナー粒子とシリカ粒子の混合時間の制御により調整することができる。
固着率が50%以上の場合、トナー表面からシリカ粒子が脱離しにくく、帯電ローラが汚染されにくい。このため帯電付与能の低下に起因する画像欠陥が発生しにくい。固着率は、トナー粒子とシリカ粒子の混合条件及び表面処理温度の制御によって調整することができる。
平均円形度が0.970未満の場合、トナー表面とキャリア表面との空間が十分であり、トナー補給時にトナーとキャリアが混ざりやすく、帯電性の立ち上がりが十分となるため、画像濃度の変化が起こりにくくなる。トナーの平均円形度は、表面処理温度の制御によって調整することができる。
本発明のトナーに使用される結着樹脂としては、特に限定されず、下記の重合体又は樹脂を用いることが可能である。
例えば、ポリスチレン、ポリ−p−クロルスチレン、ポリビニルトルエンなどのスチレン及びその置換体の単重合体;スチレン−p−クロルスチレン共重合体、スチレン−ビニルトルエン共重合体、スチレン−ビニルナフタリン共重合体、スチレン−アクリル酸エステル共重合体、スチレン−メタクリル酸エステル共重合体、スチレン−α−クロルメタクリル酸メチル共重合体、スチレン−アクリロニトリル共重合体、スチレン−ビニルメチルエーテル共重合体、スチレン−ビニルエチルエーテル共重合体、スチレン−ビニルメチルケトン共重合体、スチレン−アクリロニトリル−インデン共重合体などのスチレン系共重合体;ポリ塩化ビニル、フェノール樹脂、天然変性フェノール樹脂、天然樹脂変性マレイン酸樹脂、アクリル樹脂、メタクリル樹脂、ポリ酢酸ビニル、シリコーン樹脂、ポリエステル樹脂、ポリウレタン、ポリアミド樹脂、フラン樹脂、エポキシ樹脂、キシレン樹脂、ポリビニルブチラール、テルペン樹脂、クマロン−インデン樹脂、石油系樹脂などが使用できる。
これらの中で、低温定着性、及び帯電性制御に優れるという観点から、ポリエステル樹脂を用いることが好ましい。
また、該ポリエステル樹脂の酸価は、20mgKOH/g以下であることが、顔料の分散性及び摩擦帯電量の安定性に優れるという観点から好ましい。
なお、該酸価は、樹脂に用いるモノマーの種類や配合量を調整することにより、上記範囲とすることができる。具体的には、樹脂製造時のアルコールモノマー成分比/酸モノマー成分比、分子量を調整することにより制御できる。また、エステル縮重合後、末端アルコールを多価酸モノマー(例えば、トリメリット酸)で反応させることに制御できる。
本発明のトナーには、必要に応じてワックスを含有させることもできる。本発明で用いられるワックスとしては、特に限定されないが、以下のものが挙げられる。低分子量ポリエチレン、低分子量ポリプロピレン、アルキレン共重合体、マイクロクリスタリンワックス、パラフィンワックス、フィッシャートロプシュワックスなどの炭化水素系ワックス;酸化ポリエチレンワックスなどの炭化水素系ワックスの酸化物又はそれらのブロック共重合物;カルナバワックスなどの脂肪酸エステルを主成分とするワックス類;脱酸カルナバワックスなどの脂肪酸エステル類を一部又は全部を脱酸化したもの。さらに、以下のものが挙げられる。パルミチン酸、ステアリン酸、モンタン酸などの飽和直鎖脂肪酸類;ブラシジン酸、エレオステアリン酸、パリナリン酸などの不飽和脂肪酸類;ステアリルアルコール、アラルキルアルコール、ベヘニルアルコール、カルナウビルアルコール、セリルアルコール、メリシルアルコールなどの飽和アルコール類;ソルビトールなどの多価アルコール類;パルミチン酸、ステアリン酸、ベヘン酸、モンタン酸などの脂肪酸類と、ステアリルアルコール、アラルキルアルコール、ベヘニルアルコール、カルナウビルアルコール、セリルアルコール、メリシルアルコールなどのアルコール類とのエステル類;リノール酸アミド、オレイン酸アミド、ラウリン酸アミドなどの脂肪酸アミド類;メチレンビスステアリン酸アミド、エチレンビスカプリン酸アミド、エチレンビスラウリン酸アミド、ヘキサメチレンビスステアリン酸アミドなどの飽和脂肪酸ビスアミド類;エチレンビスオレイン酸アミド、ヘキサメチレンビスオレイン酸アミド、N,N’ジオレイルアジピン酸アミド、N,N’ジオレイルセバシン酸アミドなどの不飽和脂肪酸アミド類;m−キシレンビスステアリン酸アミド、N,N’ジステアリルイソフタル酸アミドなどの芳香族系ビスアミド類;ステアリン酸カルシウム、ラウリン酸カルシウム、ステアリン酸亜鉛、ステアリン酸マグネシウムなどの脂肪族金属塩(一般的に金属石けんといわれているもの);脂肪族炭化水素系ワックスにスチレンやアクリル酸などのビニル系モノマーを用いてグラフト化させたワックス類;ベヘニン酸モノグリセリドなどの脂肪酸と多価アルコールの部分エステル化物;植物性油脂の水素添加によって得られるヒドロキシル基を有するメチルエステル化合物。
該ワックスの含有量は、結着樹脂100質量部に対して、0.5質量部以上20質量部以下で使用されることが好ましい。また、トナーの保存性と高温オフセット性の両立の観点から、示差走査熱量分析装置(DSC)で測定される昇温時の吸熱曲線において、温度30℃以上200℃以下の範囲に存在する最大吸熱ピークのピーク温度が50℃以上110℃以下であることが好ましい。
本発明のトナーに含有できる着色剤としては、以下のものが挙げられる。
黒色着色剤としては、カーボンブラック;イエロー着色剤とマゼンタ着色剤及びシアン着色剤とを用いて黒色に調色したものが挙げられる。着色剤には、顔料を単独で使用してもかまわないが、染料と顔料とを併用してその鮮明度を向上させた方がフルカラー画像の画質の点からより好ましい。
シアン着色染料としては、C.I.ソルベントブルー70が挙げられる。
イエロー着色染料としては、C.I.ソルベントイエロー162が挙げられる。
上記着色剤の使用量は、結着樹脂100質量部に対して、0.1質量部以上30質量部以下で使用されることが好ましい。
本発明のトナーには、必要に応じて荷電制御剤を含有させることもできる。トナーに含有される荷電制御剤としては、公知のものが利用できるが、特に、無色でトナーの帯電スピードが速くかつ一定の帯電量を安定して保持できる芳香族カルボン酸の金属化合物が好ましい。
荷電制御剤はトナー粒子に対して内添しても良いし外添しても良い。荷電制御剤の添加量は、結着樹脂100質量部に対して、0.2質量部以上10質量部以下が好ましい。
本発明のトナーに用いられるシリカ粒子は、例えば、単分散のコロイダルシリカに無機系の凝集剤を添加して凝集二次粒子を形成し、さらに活性ケイ酸を添加して凝集シリカ粒子を一体化して得られる。水中に濁質として存在しているシリカ微粒子の表面はマイナスの電荷を帯びており、お互いに反発しあっているため、安定な状態を保っている。そこにアルミニウム塩又はその重合体を添加すると、水中のアルカリ成分と反応しプラスの電荷を帯びた水酸化アルミニウムを生成する。そして、濁質中のシリカ微粒子表面のマイナス電荷をプラスの電荷が中和することで凝集が起こり、フロック(凝集塊)を形成する。
凝集剤としては、ポリ水酸化アルミニウム、ポリ塩化アルミニウム、塩化アルミニウム、及び硫酸アルミニウムからなる群から選ばれるアルミニウム塩又はその重合体が、好ましい。かかる凝集剤が好ましい理由は、水中に濁質として存在しているシリカ微粒子に混ざりやすく、プラスの電荷を満遍なく供給でき、トナーの帯電安定性を飛躍的に向上させることができるからである。また、これらの添加量を適正な範囲、具体的には0.2ppm以上200ppm以下にすることが本発明の効果を発現させるために必要である。
表面処理としては、シランカップリング処理、オイル処理、フッ素処理を形成する表面処理などを挙げることでき、適宜選択することができる。また複数種の表面処理を選択することも可能であり、それらの処理の順序も任意である。
オイル処理としては、シリコーンオイル、フッ素オイル、各種変性オイルを用いることができ、以下のものが挙げられる。ジメチルシリコーンオイル、アルキル変性シリコーンオイル、α−メチルスチレン変性シリコーンオイル、クロルフェニルシリコーンオイル、フッ素変性シリコーンオイル。
シリコーンオイルとしては、温度25℃における粘度が50〜100mm2/秒のものであればよく、オイル処理量は、シリカ粒子の原体100質量部に対して3〜35質量部の範囲で選択することができる。
例えば流動性付与剤としては、金属酸化物(アルミナ、酸化チタン、カーボンブラックなど)の微粒子が挙げられ、それぞれ、疎水化処理を行ったものが好ましい。アルミナ微粒子や、酸化チタン微粒子の製造方法に制限はなく、酸化チタンの結晶形は、アナターゼ型であっても、ルチル型であってもよい。
トナー粒子とシリカ粒子との混合は、ヘンシェルミキサーなどの公知の混合機を用いることができるが、混合できればよく、特に装置は限定されるものではない。
磁性キャリアとしては、公知のものを使用することができ、例えば、以下のものが挙げられる。表面を酸化した鉄粉、あるいは、未酸化の鉄粉や、鉄、リチウム、カルシウム、マグネシウム、ニッケル、銅、亜鉛、コバルト、マンガン、希土類などの金属粒子、それらの合金粒子、酸化物粒子、フェライト等の磁性体や、磁性体と、この磁性体を分散した状態で保持する結着樹脂とを含有する磁性体分散樹脂キャリア(いわゆる樹脂キャリア)。
本発明のトナーの製造方法は、特に限定されることなく、粉砕法、懸濁重合法、乳化重合法などの公知の製造方法を用いることができる。ここでは、粉砕法を用いたトナーの製造方法を例に挙げて説明する。
原料混合工程では、トナー粒子を構成する材料として、例えば、結着樹脂及びワックス、並びに必要に応じて着色剤、荷電制御剤等の他の成分を、所定量秤量して配合し、混合する。混合装置の一例としては、ダブルコン・ミキサー、V型ミキサー、ドラム型ミキサー、スーパーミキサー、ヘンシェルミキサー、ナウタミキサ、メカノハイブリッド(日本コークス工業(株)製)などが挙げられる。
その後、必要に応じて慣性分級方式のエルボージェット(日鉄鉱業(株)製)、遠心力分級方式のターボプレックス(ホソカワミクロン(株)製)、TSPセパレータ(ホソカワミクロン(株)製)、ファカルティ(ホソカワミクロン(株)製)などの分級機や篩分機を用いて分級し、トナー粒子を得る。
このとき、処理室106に供給された混合物は、処理室内に設けられた混合物の流れを規制するための規制手段109によって、その流れが規制される。このため処理室に供給された混合物は、処理室内を旋回しながら熱処理された後、冷却される。
また、粉体粒子供給口114は、供給された混合物の旋回方向と熱風の旋回方向が同方向になるように設けられており、表面処理装置の回収手段110は、旋回された粉体粒子の旋回方向を維持するように、処理室の外周部に設けられている。さらに、冷風供給手段108から供給される冷風は、装置外周部から処理室内周面に、水平かつ接線方向から供給されるよう構成されている。粉体粒子供給口114から供給される熱処理前トナー粒子の旋回方向、冷風供給手段108から供給される冷風の旋回方向、熱風供給手段出口111から供給される熱風の旋回方向はすべて同方向である。そのため、処理室内で乱流が起こらず、装置内の旋回流が強化され、熱処理前トナー粒子に強力な遠心力がかかり、熱処理前トナー粒子の分散性がさらに向上するため、合一粒子の少ない、形状の揃った熱処理トナー粒子を得ることができる。
このような混合装置の一例としては、ヘンシェルミキサー(日本コークス工業(株)製);スーパーミキサー((株)カワタ製);リボコーン(大川原製作所社製);ナウタミキサ、タービュライザー、サイクロミックス(ホソカワミクロン(株)製);スパイラルピンミキサー(太平洋機工社製);レーディゲミキサー(マツボー社製)、ノビルタ(ホソカワミクロン(株)製)等が挙げられる。特に、均一に混合しシリカ凝集体をほぐすためには、ヘンシェルミキサー(日本コークス工業(株)製)が好ましく用いられる。
さらには、例えば添加剤の粗大凝集物が、得られたトナー中に遊離して存在する場合などには、必要に応じて篩分機などを用いてもよい。
次に、本発明におけるトナー及び原材料の各種物性の測定法について以下に説明する。
ピーク分子量(Mp)、数平均分子量(Mn)、重量平均分子量(Mw)は、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)を用いて、以下のようにして測定する。
まず、室温で24時間かけて、試料(樹脂)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(株)製)で濾過してサンプル溶液を得る。なお、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。
カラム :Shodex KF−801、802、803、804、805、806、807の7連(昭和電工(株)製)
溶離液 :テトラヒドロフラン(THF)
流速 :1.0mL/分
オーブン温度 :40.0℃
試料注入量 :0.10mL
樹脂の軟化点の測定は、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」((株)島津製作所製)を用い、装置付属のマニュアルに従って行う。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、この際のピストン降下量と温度との関係を示す流動曲線を得ることができる。
測定試料は、約1.0gの樹脂を、温度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。
開始温度:40℃
到達温度:200℃
測定間隔:1.0℃
昇温速度:4.0℃/分
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
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(株)製)によって、校正作業時の測定及び解析条件で測定する。
フロー式粒子像分析装置「FPIA−3000」(シスメックス(株)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画素の画像処理解像度(一画素あたり0.37μm×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。
円形度C=2×(π×S)1/2/L
粒子像が円形の時に円形度は1.000になり、粒子像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。
Duke Scientific社製の「RESEARCH AND TEST PARTICLES Latex Microsphere Suspensions 5200A」をイオン交換水で希釈したもの。
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(株)による校正作業が行われた、シスメックス(株)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する。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う。
本発明のトナーは平均円形度が0.970未満であることが好ましく、0.967未満がより好ましい。
トナーの重量平均粒径(D4)は、以下のようにして算出する。測定装置としては、100μmのアパーチャーチューブを備えた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(株)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(株)製)を用いる。なお、測定は実効測定チャンネル数2万5千チャンネルで行う。
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(株)製)が使用できる。
なお、測定、解析を行う前に、以下のように専用ソフトの設定を行う。
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。
(2)ガラス製の100mL平底ビーカーに該電解水溶液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(株)製)をイオン交換水で3質量倍に希釈した希釈液を0.3mL加える。
(4)該(2)のビーカーを該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。
(6)サンプルスタンド内に設置した該(1)の丸底ビーカーに、ピペットを用いてトナーを分散した該(5)の電解質水溶液を滴下し、測定濃度が5%となるように調整する。そして、測定粒子数が50,000個になるまで測定を行う。
(7)測定データを装置付属の該専用ソフトにて解析を行い、重量平均粒径(D4)を算出する。なお、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)である。
各元素の蛍光X線の測定は、JIS K 0119−1969に準ずるが、具体的には以下の通りである。
測定装置としては、波長分散型蛍光X線分析装置「Axios」(PANalytical社製)と、測定条件設定及び測定データ解析をするための付属の専用ソフト「SuperQ ver.4.0F」(PANalytical社製)を用いる。なお、X線管球のアノードとしてはRhを用い、測定雰囲気は真空、測定径(コリメーターマスク径)は27mm、測定時間10秒とする。また、軽元素を測定する場合にはプロポーショナルカウンタ(PC)、重元素を測定する場合にはシンチレーションカウンタ(SC)で検出する。
上記条件で測定を行い、得られたX線のピーク位置をもとに元素を同定し、単位時間あたりのX線光子の数である計数率(単位:cps)からその濃度を算出する。
トナー粒子100質量部に対して、シリカ(SiO2)微粉末を0.10質量部となるように添加し、コーヒーミルを用いて充分混合する。同様にして、シリカ微粉末を0.20質量部、0.50質量部となるようにトナー粒子とそれぞれ混合し、これらを検量線用の試料とする。
次に、分析対象のトナーを錠剤成型圧縮機を用いて上記のようにしてペレットとし、そのSi−Kα線の計数率を測定する。そして、上記の検量線からトナー中のSiO2含有量を求める。
各元素の蛍光X線の測定は、JIS K 0119−1969に準ずるが、具体的には以下の通りである。
測定装置としては、波長分散型蛍光X線分析装置「Axios」(PANalytical社製)と、測定条件設定及び測定データ解析をするための付属の専用ソフト「SuperQ ver.4.0F」(PANalytical社製)を用いる。なお、X線管球のアノードとしてはRhを用い、測定雰囲気は真空、測定径(コリメーターマスク径)は27mm、測定時間10秒とする。また、軽元素を測定する場合にはプロポーショナルカウンタ(PC)、重元素を測定する場合にはシンチレーションカウンタ(SC)で検出する。
上記条件で測定を行い、得られたX線のピーク位置をもとに元素を同定し、単位時間あたりのX線光子の数である計数率(単位:cps)からその濃度を算出する。
ポリエステル樹脂100質量部に対して、アルミナ微粉末を0.10質量部となるように添加し、コーヒーミルを用いて充分混合する。同様にして、アルミナ微粉末を0.20質量部、0.50質量部となるようにポリエステル樹脂とそれぞれ混合し、これらを検量線用の試料とする。
次に、分析対象のシリカ粒子を錠剤成型圧縮機を用いて上記のようにしてペレットとし、そのAl−Kα線の計数率を測定する。そして、上記の検量線からシリカ粒子中のアルミニウムの含有量を求める。
シリカ粒子のBET比表面積の測定は、JIS Z8830(2001年)に準じて行った。具体的な測定方法は、以下の通りである。
測定装置としては、定容法によるガス吸着法を測定方式として採用している「自動比表面積・細孔分布測定装置 TriStar3000((株)島津製作所製)」を用いた。
測定条件の設定および測定データの解析は、本装置に付属の専用ソフト「TriStar3000 Version4.00」を用いて行い、また装置には真空ポンプ、窒素ガス配管、ヘリウムガス配管が接続される。窒素ガスを吸着ガスとして用い、BET多点法により算出した値を本発明におけるBET比表面積とした。
なお、BET比表面積は以下のようにして算出する。
Pr/Va(1−Pr)=1/(Vm×C)+(C−1)×Pr/(Vm×C)
(ここで、CはBETパラメーターであり、測定サンプルの種類、吸着ガスの種類、吸着温度により変動する変数である。)
直線の傾き=(C−1)/(Vm×C)
直線の切片=1/(Vm×C)
さらに、上記で算出したVmと窒素分子の分子占有断面積(0.162nm2)から、下記の式に基づいて、シリカ粒子のBET比表面積S(m2・g−1)を算出する。
S=Vm×N×0.162×10−18
(ここで、Nはアボガドロ数(モル−1)である。)
充分に洗浄、乾燥した専用のガラス製試料セル(ステム直径3/8インチ、容積約5mL)の風袋を精秤する。そして、ロートを使ってこの試料セルの中に0.3gのシリカ粒子を入れる。
本発明のトナーに用いるシリカ粒子は、比表面積が、5m2/g以上50m2/g以下であることが好ましく、15m2/g以上35m2/g以下であることがより好ましい。
透過型電子顕微鏡H−7500((株)日立製作所製)を用い、加速電圧100kVにて観察し、シリカ粒子の断面の拡大写真を撮影する。拡大写真の倍率は1,000倍とし、一視野にシリカ粒子が100〜200個存在する画像を任意に5つ選ぶ。任意に選んだ5つの画像に存在する全てのシリカ粒子について以下の方法によって、形状係数SF−1を求める。形状係数を示すSF−1は、上記画像をインターフェースを介してニレコ社製画像解析装置(LuzexIII)に導入し解析を行い、下式より算出し得られた値を形状係数SF−1と定義する。形状係数SF−1は、粒子の丸さの度合を示す。
形状係数SF−1=(MAXLNG)2/AREA×π/4×100
(式中、MAXLNGは粒子の絶対最大長を示し、AREAは粒子の投影面積を示す。)
本発明のトナーに用いるシリカ粒子は形状係数SF−1が135以上180未満であることが好ましく、150以上165未満がより好ましい。形状係数SF−1が135未満であると、キャリアやその他の帯電付与部材との接触によるストレスが大きく、安定した帯電性を維持できずカブリや画像濃度変化が生じる場合がある。一方で、形状係数SF−1が180以上であると、シリカ粒子とトナー粒子表面との接触面積が不十分であり、帯電性が向上し難く、画像の濃度変化が起こりやすくなってしまう可能性がある。
本発明における被覆率は、超高分解能電界放出形走査電子顕微鏡S−4800((株)日立ハイテクノロジーズ)にて撮影されたトナー表面画像を、画像解析ソフトImage−Pro Plus ver.5.0((株)日本ローパー)により解析して算出する。S−4800の画像撮影条件は以下の通りである。
(1)試料作製
試料台(アルミニウム試料台15mm×6mm)に導電性ペーストを薄く塗り、その上にトナーを吹きつける。さらにエアブローして、余分なトナーを試料台から除去し十分乾燥させる。試料台を試料ホルダにセットし、試料高さゲージにより試料台高さを36mmに調節する。
被覆率Xの算出は、S−4800の反射電子像観察により得られた画像を用いて行う。反射電子像は2次電子像と比べて無機微粒子のチャージアップが少ないため、被覆率Xを精度良く測定することができる。被覆率Xを測定する際には、予めエネルギー分散型X線分析装置(EDAX)による元素分析を行い、トナー表面におけるシリカ粒子以外の粒子を除外した上で測定を行う。
操作パネルのフォーカスつまみ[COARSE]を回転させ、ある程度焦点が合ったところでアパーチャアライメントの調整を行う。コントロールパネルの[Align]をクリックし、アライメントダイアログを表示し、[ビーム]を選択する。操作パネルのSTIGMA/ALIGNMENTつまみ(X,Y)を回転し、表示されるビームを同心円の中心に移動させる。次に[アパーチャ]を選択し、STIGMA/ALIGNMENTつまみ(X,Y)を一つずつ回し、像の動きを止める又は最小の動きになるように合わせる。アパーチャダイアログを閉じ、オートフォーカスで、ピントを合わせる。その後、倍率を50,000(50k)倍に設定し、上記と同様にフォーカスつまみ、STIGMA/ALIGNMENTつまみを使用して焦点調整を行い、再度オートフォーカスでピントを合わせる。この操作を再度繰り返し、ピントを合わせる。ここで、観察面の傾斜角度が大きいと被覆率の測定精度が低くなりやすいので、ピント調整の際に観察面全体のピントが同時に合うものを選ぶことで、表面の傾斜が極力無いものを選択して解析する。
ABCモードで明るさ合わせを行い、サイズ640×480ピクセルで写真撮影して保存する。この画像ファイルを用いて下記の解析を行う。トナー一つに対して写真を1枚撮影し、少なくともトナー30粒子以上について画像を得る。
(5)画像解析
本発明では下記解析ソフトを用いて、上述した手法で得た画像を2値化処理することで被覆率を算出する。このとき、上記一画面を正方形で12分割してそれぞれ解析する。 画像解析ソフトImage−Pro Plus ver.5.0の解析条件は以下の通りである。
ソフトImage−ProPlus5.1J
ツールバーの「測定」から「カウント/サイズ」、「オプション」の順に選択し、二値化条件を設定する。オブジェト抽出オプションの中で8連結を選択し、平滑化を0とする。その他、予め選別、穴を埋める、包括線は選択せず、「境界線を除外」は「なし」とする。ツールバーの「測定」から「測定項目」を選択し、面積の選別レンジに2〜107と入力する。
正方形の領域の面積C、シリカ粒子の無い領域の面積の総和Dから下記式で被覆率が求められる。
被覆率(%)=100−(D/C×100)
得られた全データの平均値を本発明における被覆率とする。
本発明のトナーは、該トナー表面の該シリカ粒子による被覆率が、30%以上90%以下であることが好ましく、50%以上80%以下がより好ましい。
本発明における固着率は、通常状態のトナー中のシリカ粒子量と、トナー表面に固着されていないシリカ粒子を除去した後、残存したシリカ粒子量により算出する。
固着されていないシリカ粒子の除去は下記のように行う。
固着率は、下記式によって算出する。
〔式中、P1は初期のトナーのSiO2量「質量%」、P2は上記手法により、トナー表面に固着されていないシリカ粒子を除去した後のトナーのSiO2量「質量%」である。トナーのSiO2量は、XRF(蛍光X線)測定で求められるトナーのSiO2強度から検量線を引き、算出する。〕
本発明のトナーは、該シリカ粒子のトナー表面への固着率が、50質量%以上100質量%以下であることが好ましく、70質量%以上100質量%以下がより好ましい。
[結着樹脂1製造例]
ポリオキシプロピレン(2.2)−2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)プロパン76.9質量部(0.167モル)
テレフタル酸 24.1質量部(0.145モル)
アジピン酸 8.0質量部(0.054モル)
チタンテトラブトキシド 0.5質量部
上記の材料をガラス製4リットルの4つ口フラスコに入れ、温度計、撹拌棒、コンデンサー及び窒素導入管を取りつけマントルヒーター内においた。次にフラスコ内を窒素ガスで置換した後、撹拌しながら徐々に昇温し、200℃の温度で撹拌しつつ、4時間反応させた(第1反応工程)。その後、無水トリメリット酸1.2質量部(0.006モル)を添加し、温度180℃で1時間反応させ(第2反応工程)、結着樹脂1を得た。
この結着樹脂1の酸価は5mgKOH/gであり、水酸基価は65mgKOH/gであった。また、GPCによる分子量は、重量平均分子量(Mw)8,000、数平均分子量(Mn)3,500、ピーク分子量(Mp)5,700、軟化点は90℃であった。
ポリオキシプロピレン(2.2)−2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)プロパン71.3質量部(0.155モル)
テレフタル酸 24.1質量部(0.145モル)
チタンテトラブトキシド 0.6質量部
上記材料をガラス製4リットルの4つ口フラスコに入れ、温度計、撹拌棒、コンデンサー及び窒素導入管を取りつけマントルヒーター内においた。次にフラスコ内を窒素ガスで置換した後、撹拌しながら徐々に昇温し、200℃の温度で撹拌しつつ、2時間反応させた(第1反応工程)。その後、無水トリメリット酸5.8質量部(0.030モル%)を添加し、温度180℃で10時間反応させ(第2反応工程)、結着樹脂2を得た。
この結着樹脂2の酸価は15mgKOH/gであり、水酸基価は7mgKOH/gであった。また、GPCによる分子量は、重量平均分子量(Mw)200,000、数平均分子量(Mn)5,000、ピーク分子量(Mp)10,000、軟化点は130℃であった。
脱イオン水5,450gにケイ酸ソーダ(SiO2:29.0質量%、Na2O:9.7質量%、H2O:61.3質量%)1,000gを加えて均一に混合し、SiO2を4.5質量%含む希釈ケイ酸ソーダを作製した。この希釈ケイ酸ソーダを予め塩酸によって再生したH型強酸性陽イオン交換樹脂のカラムに通して脱アルカリし、シリカ濃度3.8質量%でpH2.9の活性ケイ酸7,250gを得た。活性ケイ酸の一部の330gに撹拌下10質量%のNaOHを添加してpHを8.0とし、95℃に加熱して1時間この温度を保った後、残りの活性ケイ酸6,920gを8時間かけて添加した。添加中は95℃を保ち、pHも10を保つように10質量%のNaOHを30分おきに添加した。活性ケイ酸の添加終了後95℃に1時間保った。このようにしてコロイダルシリカの一次粒子を形成させた。コロイド液は青白味を帯びた透明であった。次いで、1N−HClを滴下してpHを8.5とし、凝集剤として1質量%の濃度のポリ塩化アルミニウム水溶液(ポリ塩化アルミニウムの10倍希釈液)を250g添加した。添加によりコロイド液は白色が濃くなり半透明となった。
凝集剤として硝酸アルミニウムを用いた以外はシリカ粒子1製造例と同様にして、シリカ粒子2を得た。得られたシリカ粒子2の物性を表1に示す。
凝集剤として塩化アルミニウムを用いた以外はシリカ粒子1製造例と同様にして、シリカ粒子3を得た。得られたシリカ粒子3の物性を表1に示す。
凝集剤として水酸化アルミニウムを用いた以外はシリカ粒子1製造例と同様にして、シリカ粒子4を得た。得られたシリカ粒子4の物性を表1に示す。
塩化アルミニウムの添加量を変更した以外はシリカ粒子3製造例と同様にして、シリカ粒子5〜15を得た。得られたシリカ粒子5〜15の物性を表1に示す。
脱イオン水5,450gにケイ酸ソーダ(SiO2:29.0質量%、Na2O:9.7質量%、H2O:61.3質量%)1,000gを加えて均一に混合し、SiO2を4.5質量%含む希釈ケイ酸ソーダを作製した。この希釈ケイ酸ソーダを予め塩酸によって再生したH型強酸性陽イオン交換樹脂のカラムに通して脱アルカリし、シリカ濃度3.8質量%でpH2.9の活性ケイ酸7,250gを得た。活性ケイ酸の一部の330gに撹拌下10質量%のNaOHを添加してpHを8.0とし、95℃に加熱して1時間この温度を保った後、残りの活性ケイ酸6,920gを8時間かけて添加した。添加中は95℃を保ち、pHも10を保つように10質量%のNaOHを30分おきに添加した。活性ケイ酸の添加終了後95℃に1時間保った。このようにしてコロイダルシリカの一次粒子を形成させた。コロイド液は青白味を帯びた透明であった。次いで、1N−HClを滴下してpHを8.5とし、10質量%の濃度の酸化アルミニウムを250g添加した。コロイド液の様子は変化せず、青白味を帯びた透明であった。
酸化アルミニウムの添加量を変更した以外はシリカ粒子16製造例と同様にして、シリカ粒子17〜18を得た。得られたシリカ粒子17〜18の物性を表1に示す。
アルコキシシランを、水が存在する有機溶媒中において触媒により加水分解、縮合反応させて得られるシリカゾル懸濁液100質量部にシラン系処理剤としてメチルエトキシシランを10質量部添加し、二次凝集粒子を生成した。溶媒除去、乾燥して得られた二次凝集粒子99.6質量%に、ヘキサメチルジシラザン0.4質量%で表面処理し、シリカ粒子19を得た。得られたシリカ粒子19の物性を表1に示す。
シリカ粒子20の製造には、燃焼炉は、内炎と外炎が形成できる二重管構造の炭化水素−酸素混合型バーナーを用いた。バーナー中心部にスラリー噴射用の二流体ノズルが接地され、原料のケイ素化合物が導入される。二流体ノズルの周囲から炭化水素−酸素の可燃性ガスが噴射され、還元雰囲気である内炎及び外炎を形成する。可燃性ガスと酸素の量及び流量の制御により、雰囲気と温度、火炎の長さ等が調整される。火炎中においてケイ素化合物からシリカ微粒子が形成され、さらに所望の粒径になるまで融着させる。その後、冷却後、バグフィルター等により捕集することによって得られる。原料のケイ素化合物として、ヘキサメチルシクロトリシロキサンを用いて、粒子を製造し、得られた粒子99.6質量%に、ヘキサメチルジシラザン0.4質量%で表面処理し、シリカ粒子20を得た。得られたシリカ粒子20の物性を表1に示す。
水酸化アルミニウムの添加量を表1に示すように変更した以外はシリカ粒子4製造例と同様にしてシリカ粒子21〜22を得た。得られたシリカ粒子21〜22の物性を表1に示す。
攪拌機、滴下ろうと及び温度計を備えた3Lのガラス製反応器に、メタノール687.9g、純水42.0g及び28質量%アンモニア水47.1gを入れて混合した。得られた溶液を温度35℃となるように調整し、攪拌しながらテトラメトキシシラン1,100.0g(7.23mol)および5.4質量%アンモニア水395.2gを同時に添加し始めた。テトラメトキシシランは5時間かけて、アンモニア水は4時間かけて、それぞれを滴下した。滴下が終了した後も、さらに0.2時間攪拌を継続して加水分解を行うことにより、親水性球状シリカ微粒子のメタノール−水分散液を得た。次いで、ガラス製反応器にエステルアダプターと冷却管とを取り付け、前記分散液を65℃に加熱してメタノールを留去した。その後、留去したメタノールと同量の純水を添加した。この分散液を温度80℃、減圧下で十分乾燥させた。得られたシリカ粒子を、恒温槽にて400℃で10分間加熱した。上記工程を20回実施し、得られたシリカ粒子を、パルベライザー(ホソカワミクロン(株)製)にて解砕処理を行った。
・結着樹脂1 50.0質量部
・結着樹脂2 50.0質量部
・フィッシャートロプシュワックス(最大吸熱ピークのピーク温度76℃)6.0質量部
・C.I.ピグメントブルー15:3 5.0質量部
・3,5−ジ−t−ブチルサリチル酸アルミニウム化合物 0.5質量部
・ヘキサメチルジシラザン20質量%で表面処理した比表面積が90m2/gの疎水性シリカ微粒子
0.8質量部
・イソブチルトリメトキシシラン16質量%で表面処理した比表面積が30m2/gの酸化チタン微粒子 0.2質量部
得られたトナー1は、平均円形度が0.960、重量平均粒径(D4)が6.2μmであった。得られたトナー1の物性を表2に示す。
・結着樹脂1 50.0質量部
・結着樹脂2 50.0質量部
・フィッシャートロプシュワックス(最大吸熱ピークのピーク温度76℃)6.0質量部
・C.I.ピグメントブルー15:3 5.0質量部
・3,5−ジ−t−ブチルサリチル酸アルミニウム化合物 0.5質量部
・シリカ粒子1 5.0質量部
・ヘキサメチルジシラザン20質量%で表面処理した比表面積が90m2/gの疎水性シリカ微粒子
0.8質量部
・イソブチルトリメトキシシラン16質量%で表面処理した比表面積が30m2/gの酸化チタン微粒子 0.2質量部
得られたトナー2は、平均円形度が0.955、重量平均粒径(D4)が6.0μmであった。得られたトナー2の物性を表2に示す。
表面処理装置の熱風温度を表2に示すように変更した以外はトナー1製造例と同様にしてトナー3〜5を得た。得られたトナー3〜5の物性を表2に示す。
・結着樹脂1 50.0質量部
・結着樹脂2 50.0質量部
・フィッシャートロプシュワックス(最大吸熱ピークのピーク温度76℃)6.0質量部
・C.I.ピグメントブルー15:3 5.0質量部
・3,5−ジ−t−ブチルサリチル酸アルミニウム化合物 0.5質量部
得られた処理トナー粒子100質量部に、下記材料を添加し、ヘンシェルミキサー(FM−75型、日本コークス工業(株)製)で回転数60s-1、回転時間15分混合して、トナー6を得た。
・シリカ粒子2 5.0質量部
・ヘキサメチルジシラザン20質量%で表面処理した比表面積が90m2/gの疎水性シリカ微粒子
0.8質量部
・イソブチルトリメトキシシラン16質量%で表面処理した比表面積が30m2/gの酸化チタン微粒子
0.2質量部
得られたトナー6は、平均円形度が0.972、重量平均粒径(D4)が6.4μmであった。得られたトナー6の物性を表2に示す。
シリカ粒子2の添加量を3.0質量部、及びヘンシェルミキサーの条件を回転数30s-1、回転時間10分に変更した以外はトナー6製造例と同様にしてトナー7を得た。得られたトナー7の物性を表2に示す。
シリカ粒子の種類及び添加量を表2に示すように変更した以外はトナー7製造例と同様にしてトナー8〜25を得た。得られたトナー8〜25の物性を表2に示す。
シリカ粒子の種類と添加量、及び表面処理装置の熱風温度を表2に示すように変更した以外はトナー1製造例と同様にしてトナー26〜30を得た。得られたトナー26〜30の物性を表2に示す。
体積基準の50%粒径(D50)が31μmのマグネタイト粒子100質量部に、下記材料の混合液を、添加し、さらに溶液減圧ニーダーで撹拌混合しながら温度75℃で、5時間減圧乾燥を行い、溶剤を除去した。
・シリコーン樹脂(信越化学社製:KR271) 1質量部
・γ―アミノプロピルトリエトキシシラン 0.5質量部
・トルエン 98.5質量部
その後、温度145℃で2時間焼き付け処理して、篩振とう機(300MM−2型、筒井理化学機械:75μm開口)で篩い、磁性キャリア1を得た。
トナー1と磁性キャリア1で、トナー濃度が9質量%になるようにV型混合機(V−10型:(株)徳寿製作所)で回転数0.5s-1、回転時間5分で混合し、二成分系現像剤1を得た。また、組み合わせるトナーと磁性キャリアを表3のように変更して、二成分系現像剤2〜30を得た。そして実施例1〜25、及び比較例1〜5の二成分系現像剤として以下に示す評価を行った。実施例1〜25、及び比較例1〜5の評価結果を表4に示す。
画像形成装置として、キヤノン(株)製フルカラー複写機imagePRESS C800の改造機を用い、シアンステーションの現像器に二成分系現像剤1を投入し、評価を行った。
評価環境は、常温常湿環境下(温度23℃、相対湿度50%)、高温高湿環境下(温度30℃、相対湿度80%)とし、評価紙は、コピー用紙CS−814(A4、坪量81.4g/m2)キヤノンマーケティングジャパン(株)より販売)を用いた。
A:0.05未満 (非常に良好)
B:0.05以上0.10未満 (良好)
C:0.10以上0.20未満 (普通)
D:0.20以上 (悪い)
画像形成装置として、キヤノン(株)製フルカラー複写機imagePRESS C800の改造機を用い、シアンステーションの現像器に二成分系現像剤1を投入し、評価を行った。
評価環境は、常温常湿環境下(温度23℃、相対湿度50%)、高温高湿環境下(温度30℃、相対湿度80%)とし、評価紙は、コピー用紙CS−814(A4、坪量81.4g/m2)キヤノンマーケティングジャパン(株)より販売)を用いた。
各環境における、耐久前後での白地部のカブリを測定した。
耐久後(50,000枚目)の、00H画像部(白地部)の反射率Ds(%)を測定した。得られたDr及びDsより、下記式を用いてカブリ(%)を算出した。得られたカブリを下記の評価基準に従って評価した。
カブリ(%) = Dr(%)−Ds(%)
A:0.5%未満 (非常に良好)
B:0.5%以上、1.0%未満 (良好)
C:1.0%以上、2.0%未満 (普通)
D:2.0%以上 (悪い)
Claims (8)
- 結着樹脂、及び着色剤を含有するトナー粒子と無機微粒子とを含有するトナーであって、
前記無機微粒子は、アルミニウムを含有するシリカ粒子であり、
前記シリカ粒子中の前記アルミニウムの含有量が、0.2ppm以上200ppm以下であることを特徴とするトナー。 - 前記シリカ粒子は、形状係数SF−1が135以上180未満である請求項1に記載のトナー。
- 前記シリカ粒子は、比表面積が5m2/g以上50m2/g以下である請求項1又は2に記載のトナー。
- 前記シリカ粒子は、ゾルゲル法によって製造されるシリカ粒子である請求項1〜3のいずれか一項に記載のトナー。
- 前記トナー表面の前記シリカ粒子による被覆率が、30%以上90%以下である請求項1〜4のいずれか一項に記載のトナー。
- 前記シリカ粒子のトナー表面への固着率が、50質量%以上100質量%以下である請求項1〜5のいずれか一項に記載のトナー。
- 前記トナーの平均円形度が0.970未満である請求項1〜6のいずれか一項に記載のトナー。
- 請求項1〜7のいずれか一項に記載のトナーの製造方法であって、
前記シリカ粒子は、コロイダルシリカに、ポリ水酸化アルミニウム、ポリ塩化アルミニウム、塩化アルミニウム、及び硫酸アルミニウムからなる群から選ばれるアルミニウム塩又はその重合体を添加する工程を経て製造されるシリカ粒子であることを特徴とするトナーの製造方法。
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