JP7091153B2 - 現像剤担持体、プロセスカートリッジおよび電子写真装置 - Google Patents
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Description
ここで、現像剤担持体として、トナーに対する電荷付与能を高めるために四級アンモニウム塩基や三級アミン基を含む樹脂を含む表面層を有する現像剤担持体が提案されている(特許文献1および特許文献2)。
本発明の一態様は、多様な紙に対して、安定して高品位な電子写真画像を形成し得る現像剤担持体の提供に向けたものである。また、本発明の他の態様は、高品位な電子写真画像の安定的な形成に資するプロセスカートリッジの提供に向けたものである。さらに、本発明の他の態様は、高品位な電子写真画像を安定して出力できる電子写真装置の提供に向けたものである。
また、本発明の他の態様によれば、電子写真装置の本体に着脱可能に構成されているプロセスカートリッジであって、トナーを含むトナー容器と、該トナーを搬送する現像剤担持体と、を少なくとも具備し、該現像剤担持体が、上記の現像剤担持体であるプロセスカートリッジが提供される。
さらに、本発明の他の態様によれば、電子写真感光体、該電子写真感光体を帯電可能に配置された帯電部材、および該電子写真感光体に対してトナーを供給する現像剤担持体を少なくとも有する電子写真装置であって、該現像剤担持体が、上記の現像剤担持体である、電子写真装置が提供される。
タルクを多量に含有している紙(以下、「タルク含有紙」と呼ぶ)に、電子写真画像を形成した場合、紙に含まれるタルクが、電子写真画像の形成工程において、感光体の表面に付着することがある。そして、電子写真感光体の表面に付着したタルクの中でも、粒径が小さいタルクは、感光体のクリーニング部位をすり抜け、現像剤担持体と感光体との対向部に到達する。タルクは、トナーと比較して格段に負に帯電しやすい性質を有する。そのため、タルクは、現像剤担持体上で、トナーと比較してより強く負電荷を帯び、現像剤担持体の外表面に静電的に付着し、当該現像剤担持体のトナーに対する電荷付与能を低下させる。その結果、トナーは、現像剤担持体上で十分な電荷を帯びることができない。このような帯電量が不足したトナーは、本来転写されるべきでない感光体の表面に転写され、電子写真画像に、かぶりを生じさせる原因となる。以降、このようなタルクに起因して生じるかぶりを「タルクかぶり」とも称する。
タルクが現像剤担持体の外表面に付着する要因としては、静電的付着と物理的付着がある。どちらか一方だけの要因で付着することは少なく、両方の要因の割合が変化することで付着状態が変化している。なお、本明細書において、現像剤担持体の外表面とは、表面層の基体に面する側の表面とは反対側の表面をいう。
静電的付着は、タルクがトナーと比較して格段に負に帯電しやすい性質を有するため、現像剤担持体上で、トナーと比較してより強く負電荷を帯び、現像剤担持体の外表面に静電的に付着する現象である。これにより、当該現像剤担持体のトナーに対する電荷付与能を低下させる。その結果、特許文献1及び特許文献2に記載されているように、トナーに対する電荷付与能を高めた現像剤担持体においては、タルクかぶりの発生が特に顕著であった。これは、かかる現像剤担持体によって、タルクの帯電量が極めて大きくなるためであると考えられる。また、物理的付着は、現像剤担持体の外表面にタルクがめり込み、取れにくくなる現象である。かかる物理的付着は、現像剤担持体の外表面において測定される硬度が低いほど生じやすい。
そこで、本発明者らは、トナーに対する電荷付与能の低下を抑えつつ、タルクかぶりの発生を抑制し得る現像剤担持体を得るべく検討を重ねた。
その結果、表面層の厚さが、1.0μm以上、100.0μm以下であり、表面層の外表面から該表面層の厚さ方向にビッカース圧子を侵入させて測定される、押し込み深さ0.1μmにおけるマルテンス硬度が、50.0N/mm2以上、100.0N/mm2以下であり、かつ、該表面層の外表面の仕事関数の値が、5.6eV以上、6.0eV以下である現像剤担持体が、上記の目的達成に有効であることを見出した。
また、本態様に係る現像剤担持体は、表面層の外表面において測定されるマルテンス硬度が、50.0N/mm2以上、100.0N/mm2以下である。このことにより、現像剤担持体の外表面にタルクが付着した場合にも、当該タルクが、表面層に埋め込まれにくく、剥がれやすくなるため、現像剤担持体の外表面へのタルクの物理的付着を抑制することができる。
また、本態様に係る現像剤担持体は、表面層の外表面から測定したアスカーC硬度が、75°以上、90°以下である。アスカーC硬度は、表面層の外表面から測定した場合であっても、押し込み量が大きい測定方法であり、表面層の最表面領域の硬度を示すマルテンス硬度と異なり、現像剤担持体の外表面から比較的深い位置の硬度を測定することが可能である。そして、アスカーC硬度が、75°~90°であることにより、本態様に係る現像剤担持体は、感光体とのニップ部におけるトナーの異形化を抑制し得るものである。
また、本態様に係る現像剤担持体の表面層の膜厚は、1.0μm以上100.0μm以下である。表面層の膜厚が、このような範囲であることにより、現像剤担持体の外表面にて測定されるアスカーC硬度及びマルテンス硬度を上記した数値範囲内とすることが可能となる。
本発明の一態様に係るローラ形状の現像剤担持体(以降、「現像ローラ」ともいう)、の軸方向に直交する方向での断面図を図1に示す。現像ローラ1は、図1(a)に示すように、円柱状または中空円筒状の基体2と、該基体上の表面層4と具備し、さらに、該基体と該表面層との間に、オプションとしての弾性層3を有している。
また、現像ローラ1は、図(b)に示すように、弾性層3と表面層4の間に、さらに中間層5を配置した構造、および、中間層5を多数配置した多層構造を取ることもできる。
基体は、現像剤担持体の電極および支持部材として機能するもので、例えば、アルミニウム、銅合金、ステンレス鋼の如き金属または合金;クロム、又はニッケルで鍍金処理を施した鉄;導電性を有する合成樹脂の如き導電性の材質で構成される。基体は、中実であってもよく、中空であってもよい。
<表面層>
現像剤担持体の外表面を構成する表面層における、基体に対向する側とは反対側の表面、すなわち、表面層の外表面の仕事関数の値は、5.6eV以上、6.0eV以下である。前記したとおり、表面層の外表面の仕事関数は、当該外表面からの電子の放出のし易さを表すパラメータである。当該外表面の仕事関数の値が上記範囲であることにより、当該外表面上に存在するタルクを過度に負に帯電させることを防ぐことができる。一方、当該外表面上に存在するトナーに対しては適度な負電荷を付与し得る。その結果、かかる表面層は、トナーに対する適度な電荷付与性を有しつつ、タルクの静電的付着を有効に抑制することのできる現像剤担持体を与えることとなる。
表面層の外表面の仕事関数およびマルテンス硬度は、当該表面層中に、例えば、下記i)およびii)の少なくとも一方をバインダー樹脂として、含有させることで調整することができる。
i)カーボネート結合を有するウレタン樹脂
表面層中に、カーボネート結合を有するウレタン樹脂を含有させることにより、電子受容性のカルボニル基の存在により、表面層の外表面の仕事関数を小さくする方向に調整することができる。
ii)ポリエステル樹脂
表面層中に、ポリエステル樹脂を含有させることにより、ポリエステル樹脂が示す高い極性により、表面層の外表面の仕事関数を小さくする方向に調整することができる。
なお、表面層に、カーボンブラックを添加して表面層に導電性を付与する場合においては、表面層の外表面の仕事関数の低下を防ぐために、表面層の外表面でのカーボンブラックの露出を抑えることが好ましい。具体的には、例えば、表面層の外表面に露出しているカーボンブラックの、外表面の単位面積(40μm2)に対する面積比率(以降、「カーボンブラックの露出面積比率」ともいう)を、0.0%以上、10.0%以下とすることが好ましい。カーボンブラックの露出面積比率が10.0%以下であれば、表面層の外表面へのカーボンブラックの露出に起因する当該外表面の仕事関数の低下を抑制することができる。
そして、外表面へのカーボンブラックの露出を抑制するためには、表面層中のカーボンブラックの量の調整と、バインダー樹脂中へのカーボンブラックの分散性の向上とが有効である。具体的には、表面層中のバインダー樹脂を基準として、カーボンブラックを5~25質量%、特には、10~20質量%とすることが好ましい。
ここで、上記i)の、カーボネート結合を有するウレタン樹脂は、当該ウレタン樹脂を合成する際に、原料としてのポリオールおよびポリイソシアネーと共にカーボンブラックを混合しておくことにより、ウレタン樹脂中にカーボンブラックを良好に分散させることができ、上記したカーボンブラックの露出面積比率を達成し得る。
一方、上記ii)の、ポリエステル樹脂は、一般にカーボンブラックの分散性が悪い。そのため、ポリエステル樹脂をバインダー樹脂として用いる場合は、芳香族系ポリエステル樹脂を用いることが好ましい。分子内の芳香族環と、カーボンブラックが表面に有する芳香族環との相互作用により、バインダー樹脂中にカーボンブラックをよく分散させることができる。その結果、表面層の外表面へのカーボンブラックの露出を抑えられる。
i)-1
カーボネート結合は、ウレタン樹脂の、隣接する二つのウレタン結合の間に存在させることができる。ウレタン樹脂の原料であるポリオール及びポリイソシアネートの両方、またはどちらかがカーボネート結合を有していれば、分子内にカーボネート結合を有するウレタン樹脂を得ることができる。
ウレタン樹脂は、下記構造式(1)で示されるカーボネート結合を有する構造を有していることが、タルクかぶりの発生を防止するという観点から、好ましい。この理由としては、下記のように推測している。
下記構造式(1)で示される構造では、カーボネート結合の周囲にアルキレン基R11が配置されている。そのため、周囲のアルキレン基によりカーボネート結合の周囲の結晶性が低下し、カーボネート結合の運動性が増加する。その結果、現像担持体の表面から、過剰帯電したタルクの電荷を漏洩させやすくなり、タルクが付着し難くなり、タルクかぶりが良化すると考えられる。
R11としてのアルキレン基としては、以下の各構造を挙げることができる。
・直鎖状または分岐鎖状のアルキレン基;
・炭素数4以上6以下の環状炭化水素構造を含む炭素数4以上8以下のアルキレン基。
より具体的には、以下の構造式(A1)で表される構造を挙げることができる。
構造式(A1):-(CH2)t1-Rc1-(CH2)u1-
Rc1は、単結合、炭素数4以上6以下の環状炭化水素基(例えば、脂環式環状炭化水素基、芳香族環状炭化水素基)を表し、t1及びu1はそれぞれ独立して0以上8以下の整数である。
Rc1が、例えば、単結合の場合のt1及びu1は、3≦(t1+u1)≦8の関係を満たす。
Rc1が、例えば、炭素数4以上6以下の脂環式環状炭化水素基である場合は、該脂環式環状炭化水素構造を形成する部分の炭素数(v1=4~6)とt1及びu1は、4≦(t1+v1+u1)≦8の関係を満たす。Rc1が、例えば、炭素数4以上6以下の芳香族炭化水素基である場合は、該芳香族炭化水素構造を形成する部分の炭素数(w1=4~6)とt1及びu1は、4≦(t1+w1+u1)≦8の関係を満たす。
-(CH2)t1-及び-(CH2)u1-で表される部分は、それぞれ独立して直鎖状であっても、分岐鎖状であってもよい。
i)-2
当該ウレタン樹脂は、カーボネート結合を含む単位(i)と、エステル結合を含む単位(ii)と、からなる下記構造式(2)で示される構造を有していることが、タルクかぶりのより一層の抑制を図るうえで、特に好ましい。その理由としては、下記のように考察される。すなわち、単位(ii)に係るエステル結合によって、単位(i)に係るカーボネート結合の規則性が低下し、カーボネート結合の運動性が増加する。その結果、カーボネート結合がタルクから、より電荷を受け取りやすくなり、タルクに過剰に負電荷が蓄積させることを、より良く抑制することができると考えられる。
上記構造式(2)で表される構造には、以下の各構造の少なくとも1つが含まれる。
・単位(i)と単位(ii)が結合した構造。
・単位(i)と単位(ii)が結合した構造を繰り返し単位として、この繰り返し単位の複数が結合した構造。
・単位(ii)を繰り返し単位としてその複数が結合した構造と、単位(i)が結合した構造。
・単位(i)を繰り返し単位としてその複数が結合した構造と、単位(ii)が結合した構造。
・単位(i)を繰り返し単位としてその複数が結合した構造と、単位(ii)を繰り返し単位としてその複数が結合した構造と、が結合した構造。
上記構造式(2)で示される構造の中でも、pおよびkが、下記式(I)で示される関係を満たすことがさらに好ましい。
式(I):1.4≦p/k≦1.8
p/kは、構造式(2)中のカーボネート結合とエステル結合の存在比を示す。p/kが上記範囲であると、よりタルクかぶりの防止効果に優れる現像剤担持体が得られる。R21としてのアルキレン基としては、以下の各構造を挙げることができる。
・直鎖状または分岐鎖状のアルキレン基;
・炭素数4以上6以下の環状炭化水素構造を含む炭素数4以上8以下のアルキレン基。
より具体的には、以下の構造式(A2)で表される構造を挙げることができる。
構造式(A2):-(CH2)t2-Rc2-(CH2)u2-
Rc2は、単結合または炭素数4以上6以下の環状炭化水素基(例えば、脂環式環状炭化水素基、芳香族環状炭化水素基)を表し、t2及びu2はそれぞれ独立して0以上8以下の整数である。
Rc2が、例えば、単結合の場合のt2及びu2は、3≦(t2+u2)≦8の関係を満たす。
Rc2が、例えば、炭素数4以上6以下の脂環式環状炭化水素基である場合は、該脂環式環状炭化水素構造を形成する部分の炭素数(v2=4~6)とt2及びu2は、4≦(t2+v2+u2)≦8の関係を満たす。
Rc2が、例えば、炭素数4以上6以下の芳香族炭化水素基である場合は、該芳香族炭化水素構造を形成する部分の炭素数(w2=4~6)とt2及びu2は、4≦(t2+w2+u2)≦8の関係を満たす。
-(CH2)t2-及び-(CH2)u2-で表される部分は、それぞれ独立して直鎖状であっても、分岐鎖状であってもよい。
i)-3
上記i)-1およびi)-2で述べた構造は、専らタルクの過剰帯電を抑えるうえで特に好ましい構造であり、表面層の外表面の仕事関数を増大させる方向に作用する構造である。一方、現像剤担持体には、トナーに対して適度な負電荷を付与する機能が求められる。すなわち、表面層の外表面に仕事関数が高くなり過ぎると、その機能を十分に果たしえない。そのためには、ウレタン樹脂中に、トナーに対して適正な電荷を付与し得る部分構造を具備させることが好ましい。
そのような部分構造として、たとえば、構造式(3)で示されるアミノ化合物とポリイソシアネートとの反応に由来する部分構造(以降、「部分構造A」ともいう)が挙げられる。上記i)-1または、上記i)-1およびi)-2に記載した構造に加えて、構造式(3)に係る部分構造を具備するウレタン樹脂をバインダー樹脂として、表面層中に含有させることで、表面層の外表面の仕事関数を、5.6~6.0eVの範囲内により容易に調整することができる。
R31~R34は、各々独立に、下記(a)~(d)から選ばれる何れかであり、nが2以上4以下の場合において、複数のR34は各々独立して上記と同様に定義され、但し、n=1の場合においては、R31~R34の全てが、下記(b)~(d)から選ばれる何れかであり、n=2以上4以下の場合においては、R31~R33および2~4個のR34のうちの少なくとも4つが、下記(b)~(d)から選ばれる何れかである:
(a)水素原子、又は炭素数1~4の直鎖状または分岐鎖状のアルキル基;
(b)炭素数1以上8以下の直鎖状または分岐鎖状のヒドロキシアルキル基;
(c)炭素数2以上8以下の直鎖状または分岐鎖状のアミノアルキル基;
(d)下記構造式(4)で示される基:
このような現像剤担持体によれば、負電荷が蓄積したタルクからは電荷を逃がしつつ、トナーに対しては適正な負電荷を付与し得る理由は、いまだ解明中であるが、以下のように考えられる。
すなわち、表面層が含むウレタン樹脂中のカーボネート結合は、一つの炭素原子に3個の酸素原子が結合している。酸素原子は炭素原子よりも電気陰性度が大きいため、炭素原子中の電子密度は低くなっており、カーボネート結合は電子を受容しやすい官能基(電子受容性の官能基)である。そのため、タルクが有する負電荷が表面層に流れ、タルクが有する負電荷が減少する。その結果、現像剤担持体上に静電的に付着していたタルクは、剥離しやすくなり、現像剤担持体上のタルク量が減少し、現像剤担持体とトナーとの接触頻度を回復させることができる。
また、該ウレタン樹脂中には、構造式(3)に係る化合物とポリイソシアネートとの反応に由来する部分構造(以降、「部分構造Aともいう」)を有する。部分構造Aは非共有電子対を有する三級アミン基を含んでいる。非共有電子対は電子が豊富であるため、電子供与性の官能基としてふるまう。その結果、トナーに適正な電荷を付与できる。
なお、カーボネート結合は、トナーの負電荷をも漏洩させるとも思われるが、本発明者らの実験によれば、トナーの帯電量は、ウレタン樹脂中のカーボネート結合の存在に大きな影響受けることがなかった。このような実験結果から、カーボネート結合は、その理由は明らかではないが、現像剤担持体の表面の粒子が有する負電荷の量が、ある閾値をこえた場合に、当該粒子から電荷を受け取るように作用しているものと考えられる。
部分構造Aを有する表面層は、前記した通り、該表面層中のウレタン樹脂が有するカーボネート結合によってタルクが有する過剰な負電荷を漏洩させ、また、部分構造Aによって、トナーに対して適正な負電荷を供給する機能を有する。
ウレタン樹脂におけるカーボネート結合の濃度は、ウレタン樹脂の質量を基準として、14.0質量%以上23.0質量%以下であることが好ましい。タルクが有する過剰な負電荷を、より良く漏洩させ得るためである。
また、部分構造Aに由来の三級アミンの窒素原子の濃度は、ウレタン樹脂の質量を基準として、1.0質量%以上3.0質量%以下であることが好ましい。トナーに対する負電荷の付与能が、より適正化させるためである。
<ポリカーボネートポリオール>
ポリカーボネートポリオールは、公知のポリカーボネートポリオール及びポリエステルポリカーボネート共重合ポリオールから選択して用いることが好ましい。
ポリカーボネートポリオールとしては、ポリカーボネートジオール及びポリカーボネートトリオールから選択した少なくとも1種を用いることができる。これらの中では、ポリカーボネートジオールが好ましい。ポリカーボネートジオールとしては、環状構造の一部を形成する部分を有してもよいアルキレン鎖がカーボネート結合により繰り返し結合した構造の両端が水酸基となっているポリカーボネートジオールを挙げることが好ましい。
ポリカーボネートジオールが有する環状構造の一部を形成する部分を有してもよいアルキレン鎖としては、先に構造式(1)及び構造式(2)で示したアルキレン鎖が好ましい。
ポリカーボネートジオールとしては、例えば以下のものが挙げられる。
ポリノナメチレンカーボネートジオール、ポリ(2-メチル-オクタメチレン)カーボネートジオール、ポリヘキサメチレンカーボネートジオール、ポリペンタメチレンカーボネートジオール、ポリ(3-メチルペンタメチレン)カーボネートジオール、ポリテトラメチレンカーボネートジオール、ポリトリメチレンカーボネートジオール、ポリ(1,4-シクロヘキサンジメチレンカーボネート)ジオール、ポリ(2-エチル-2-ブチル-トリメチレン)カーボネートジオール、及びこれらのランダム/ブロック共重合体。
これらの少なくとの1種を用いることが好ましい。
ポリエステルポリカーボネート共重合ポリオールとしては、例えば以下のものが挙げられる。
上記ポリカーボネートポリオールに、ε-カプロラクトン等のラクトンを重縮合して得られる共重合体や、上記ポリカーボネートポリオールに、アルカンジオールとジカルボン酸を重縮合して得られるポリエステルとの共重合体。
このポリエステルを形成するためのアルカンジオールとしては、1,4-ブタンジオール、1,5-ペンタンジオール、1,6-ヘキサンジオール、3-メチルペンタンジオール、ネオペンチルグリコール等の炭素数4~6のアルカンジオールを挙げることができる。これらの少なくとも1種を用いることが好ましい。
また、ジカルボン酸としては、アジピン酸、セバシン酸、スベリン酸、グルタル酸、ピメリン酸等を挙げることができる。これらの少なくとも1種を用いることが好ましい。
ポリカーボネートポリオールは、公知の方法により合成することができる。例えば、ポリエステルポリオールの合成に用いられる炭素数1~8の低分子アルコール類とホスゲンとの脱塩酸反応、或いは前記低分子アルコール類とジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、ジフェニルカーボネート等とのエステル交換反応によって得ることができる。
また、ポリエステルポリカーボネート共重合ポリオールは、ジオールとジカルボン酸を反応させて得られるポリエステルオリゴマーに、ポリカーボネートを共重合させるためのカーボネート化合物を反応させる方法により得ることもできる。
この方法に用いるジオールとしては、環状構造を有してもよいアルキレン鎖を有するジオールを挙げることができる。この環状構造を有してもよいアルキレン鎖としては、先に構造式(1)のR11及び構造式(2)のR21で示した構造を挙げることができる。
環状構造の一部を形成する部分を有してもよいアルキレン鎖を有するジオールとしては、1,3-プロパンジオール、1,4-ブタンジオール、1,6-ヘキサンジオール、1,4-ビス(ヒドロキシメチル)シクロヘキサン、1,4-ビス(ヒドロキシエチル)シクロヘキサン3-メチル-1,5-ペンタンジオール、1,4-ベンゼンジメタノール、1,8-オクタンジオールなどを挙げることができる。これらの少なくとも1種を用いることが好ましい。
これらのジオールは、構造式(1)のR11、並びに構造式(2)の単位(i)におけるR21の導入用として好ましく用いることができる。
上記方法におけるジカルボン酸としては、アジピン酸、セバシン酸、スベリン酸、グルタル酸、ピメリン酸等を挙げることができる。これらの少なくとも1種を用いることができる。
ジカルボン酸は、先に示した構造式(2)の単位(ii)におけるR22の導入用として好ましく用いることができる。
上記方法におけるカーボネート化合物としては、炭素数1~3の低級アルコールの炭酸エステルを用いることができる。この炭酸エステルとしては、ジメチルカーボネート及びジエチルカーボネート等を挙げることができる。
ポリエステルポリカーボネート共重合ポリオールの重合度は、先に挙げた式(I)を満たすように調節することが好ましい。
ポリイソシアネートとしては、ウレタン樹脂合成用として公知の、あるいはウレタン樹脂合成用として使用し得るポリイソシアネートを用いることが好ましい。
ポリイソシアネートの例としては、エチレンジイソシアネート、1,6-ヘキサメチレンジイソシアネート(HDI)の如き脂肪族ポリイソシアネート、イソホロンジイソシアネート(IPDI)、シクロヘキサン1,3-ジイソシアネート、シクロヘキサン1,4-ジイソシアネートの如き脂環式ポリイソシアネート、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(TDI)、4,4’-ジフェニルメタンジイソシアネート(MDI)、ポリメリックジフェニルメタンジイソシアネート、キシリレンジイソシアネート、ナフタレンジイソシアネートの如き芳香族イソシアネート及びこれらの共重合物やイソシアヌレート体、TMPアダクト体、ビウレット体、そのブロック体等のイソシアネート化合物が挙げられる。これらの少なくとも1種を用いることが好ましい。
本発明のウレタン樹脂を得るための原料として、カーボネート結合を分子内に有するポリイソシアネートを用いても良い。
カーボネート結合を分子内に有するポリイソシアネートとしては、前記ポリカーボネートポリオールまたはポリエステルポリカーボネート共重合ポリオールが、前記ポリイソシアネートによって変性されたものが挙げられる。
<アミノ化合物>
アミノ化合物は、構造式(3)で示される化合物であり、本発明に係る部分構造Aを形成するための原料の一つである。
R31~R34は、各々独立に、下記(a)~(d)から選ばれる何れかであり、nが2以上4以下の場合において、複数のR34は各々独立して上記と同様に定義される。但し、n=1の場合においては、R31~R34の全てが、下記(b)~(d)から選ばれる何れかであり、n=2以上4以下の場合においては、R31~R33および2~4個のR34のうちの少なくとも4つが、下記(b)~(d)から選ばれる何れかである:
(a)水素原子、又は炭素数1~4の直鎖状または分岐鎖状のアルキル基;
(b)炭素数1以上8以下の直鎖状または分岐鎖状のヒドロキシアルキル基;
(c)炭素数2以上8以下の直鎖状または分岐鎖状のアミノアルキル基;
(d)下記式(4)で示される基:
(a)の例としては、水素原子、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基などが挙げられる。
(b)の例としては、ヒドロキシメチル基、ヒドロキシエチル基、ヒドロキシプロピル基、ヒドロキシブチル基、ヒドロキシペンチル基、ヒドロキシヘキシル基、ヒドロキシヘプチル基、ヒドロキシオクチル基、2-ヒドロキシプロピル基などが挙げられる。
(c)の例としては、アミノエチル基、アミノプロピル基、アミノブチル基、アミノペンチル基、アミノヘキシル基、アミノヘプチル基、アミノオクチル基などが挙げられる。
R41としては、エチレン基、プロピレン基、ブチレン基、ペンチレン基、2-メチルブチレン基などが挙げられる。
前記構造式(3)で示される化合物の中でも、下記構造式(5)で示される化合物であることが、タルクかぶり防止効果の観点から特に好ましい。
アミノ化合物はポリイソシアネートと反応するための官能基(水酸基又はアミノ基)を有する。構造式(5)で示されるアミノ化合物は、水酸基を有している。アミノ化合物が有する官能基は、タルクかぶりを抑制する効果がより大きい点で、アミノ基よりも水酸基の方が好ましい。
この理由について、本発明者らは下記のように推測している。それは、ポリイソシアネートとの反応後に得られる結合が、水酸基の場合(ウレタン結合)とアミノ基の場合(ウレア結合)とで異なるためである。水酸基の場合、反応後にウレタン結合が形成される。形成されたウレタン結合は、樹脂中に含まれるその他のウレタン結合と水素結合を形成し、アミノ化合物の三級窒素原子の周囲に強固なハードセグメントが形成される。樹脂のハードセグメントが強固になると、ハードセグメントにタルクが埋め込まれ難くなり、タルクと三級窒素の間の電荷授受が行われ難くなる。その結果、タルクの過剰帯電がさらに抑制され、タルクかぶりに対してより好ましい結果になると考えられる。
表面層形成用の材料は、上記の各材料に加えて、カーボネート結合を有していないポリオール及び/又はポリエステルポリオールを含んでもよい。ポリオールは複数の水酸基を分子内に有しており、水酸基は前記ポリイソシアネートと反応する。カーボネート結合を有していないポリオールとしては、特に限定されるものではなく、例えば、ポリエーテルポリオールが挙げられる。ポリエーテルポリオールとしては、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、ポリテトラメチレングリコールが挙げられる。
また、カーボネート結合を有していないポリエステルポリオールとしては、1,4-ブタンジオール、3-メチル-1,4-ペンタンジオール、ネオペンチルグリコールの如きジオール成分や、トリメチロールプロパンの如きトリオール成分と、アジピン酸、無水フタル酸、テレフタル酸、ヘキサヒドロキシフタル酸等のジカルボン酸との縮合反応により得られるポリエステルポリオールが挙げられる。該ポリエーテルポリオールおよびポリエステルポリオールは必要に応じてあらかじめ2,4-トリレンジイソシアネート(TDI)、1,4ジフェニルメタンジイソシアネート(MDI)、イソホロンジイソシアネート(IPDI)の如きイソシアネートにより鎖延長したプレポリマーとしてもよい。
本発明にかかる表面層を形成するウレタン樹脂における、イソシアネート基の数(L)と、水酸基及び/又はアミノ基の数(M)の比(L/M)は、1.0~2.0が好ましい。水酸基及び/又はアミノ基の数とは、ポリカーボネートポリオール及び/またはポリエステルポリカーボネート共重合ポリオールの有する水酸基と、アミノ化合物が有する水酸基及び/又はアミノ基の総和である。また、カーボネート結合を有していないポリオール及び/又はポリエステルポリオールを用いた場合は、これらの有する水酸基の数を含む総和である。カーボネート結合を有していないポリオール及び/又はポリエステルポリオールを用いる場合は、上記の比(L/M)が上記の範囲となるように配合することが好ましい。
導電性付与剤としては、カーボンブラック;アルミニウム、銅の如き導電性金属;導電性酸化亜鉛、導電性酸化錫、導電性酸化チタンの如き導電性金属酸化物の微粒子を用いることができる。非導電性充填剤としては、シリカ、石英粉末、酸化チタン、または炭酸カルシウムが挙げられる。架橋剤としては、特に限定されるものではないが、例えば、テトラエトキシシラン、ジ-t-ブチルパーオキサイド、2,5-ジメチル-2,5-ジ(t-ブチルパーオキシ)ヘキサンまたはジクミルパーオキサイドが挙げられる。
ii)芳香族系ポリエステル
芳香族系ポリエステル樹脂としては、例えば、脂肪族アルコールと、芳香族カルボン酸、芳香族カルボン酸無水物および芳香族カルボン酸エステルからなる群から選択される少なくとも1つの化合物と、の反応物が挙げられる。
脂肪族アルコールの例としては、エチレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、1,2-プロピレングリコール、1,3-プロピレングリコール、1,4-ブタンジオール、ネオペンチルグリコール、1,4-ブテンジオール、1,5-ペンタンジオール、1,6-ヘキサンジオール、1,4-シクロヘキサンジメタノール、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、ポリテトラメチレングリコール、水素添加ビスフェノールAの如き二価の脂肪族アルコール、並びに、ソルビトール、1,2,3,6-ヘキサンテトロール、1,4-ソルビタン、ペンタエリスリトール、ジペンタエリスリトール、トリペンタエリスリトール、1,2,4-ブタントリオール、1,2,5-ペンタントリオール、グリセロール、2-メチルプロパントリオール、2-メチル-1,2,4-ブタントリオール、トリメチロールエタン、トリメチロールプロパン、1,3,5-トリヒドロキシメチルベンゼンの如き、三価以上の脂肪族アルコールが挙げられる。
また、芳香族カルボン酸の例としては、フタル酸、無水フタル酸、イソフタル酸及びテレフタル酸が挙げられる。
なお、表面層のバインダー樹脂としてポリエステルを用いると共に表面層中に導電性付与のためにカーボンブラックを含有させる場合においては、前記した通り、表面層の外表面の仕事関数を高めるために、表面層の外表面へのカーボンブラックの露出率を低くすることが好ましい。そして、バインダー樹脂中へのカーボンブラックの分散性を高めることで、表面層の外表面へのカーボンブラックの露出率を低くすることが可能である。ここで、ポリエステルの分子構造内における芳香族構造の存在比率を高めることは、ポリエステル中へのカーボンブラックの分散性を高めるうえで有効である。
そこで、芳香族系ポリエステルの原料としての脂肪族アルコールとしては、分子量に対して水酸基を多く有するエチレングリコール、ソルビトールなどを使用することが好ましい。
また、芳香族系ポリエステルの原料としての芳香族カルボン酸としては、立体障害が少なく、脂肪族アルコールとの反応性が良好なイソフタル酸およびテレフタル酸の少なくとも一方を用いることが好ましい。
さらに、芳香族系ポリエステルを製造するにあたっては、縮重合触媒として、テトラエチルチタネート、テトラプロピルチタネート、テトラブチルチタネート、2-エチルヘキシルチタネート、オクチレングリコールチタネート、アセチルアセトンチタネート、イソステアリルチタネートの如きチタニウム系化合物を用いるのが好ましい。
そして、表面層の外表面のマルテンス硬度は、例えば、当該表面層中のバインダー樹脂の選択によって調整することができる。
具体的には、例えば、バインダー樹脂として、上記i)に係るウレタン樹脂を用いる場合、低分子量ポリオールと硬度が高い部分構造を導入したイソシアネートを組み合わせることが、バインダー樹脂中の硬度が高い部分構造の比率が高まり好ましい。硬度が高い部分構造としては、ポリカーボネート構造、アクリル構造、オレフィン構造、などが挙げられ好ましく用いられる。
また、バインダー樹脂として、上記ii)に係る芳香族ポリエステルを用いる場合、押し込み深さ0.1μmにおけるマルテンス硬度を範囲内とするために、芳香族ポリエステルの分子量は、GPC測定によるクロマトグラムにおいて3000以上15000以下であることが好ましい。分子量は材料の混合比や反応温度、時間で変えることが可能であり、制御可能である。
本態様に係る現像剤担持体は、表面層の外表面から測定したアスカーC硬度が、75°以上、90°以下である。アスカーC硬度は、表面層の外表面から測定した場合であっても、押し込み量が大きい測定方法であり、表面層の最表面領域の硬度を示すマルテンス硬度と異なり、現像剤担持体の外表面から比較的深い位置の硬度を測定することが可能である。そして、アスカーC硬度が、75°~90°であることにより、本態様に係る現像剤担持体は、感光体とのニップ部におけるトナーの異形化を抑制し得るものである。
このようなアスカーC硬度を有する現像剤担持体を得るためには、基体と表面層との間に弾性層をさらに設けることが好ましい。オプションとしての弾性層は、現像剤担持体と感光体との当接部において、より幅の広いニップを形成するために資するものである。基体と表面層との間に弾性層を備えてなる現像剤担持体は、特に、感光体に当接させる接触現像方式の現像装置に特に好適に用いられる。
そして、弾性層を備えた現像剤担持体の場合、基体の外部に形成される全ての層を合わせた層厚を、300μm以上800μm以下とすることが好ましい。この層厚が300μm以上であれば、アスカーC硬度を90°以下に制御しやすいためである。
弾性層の構成用材料としては、弾性層用として公知のあるいは、弾性層用として利用し得る材料を用いることができる。弾性層は、通常ゴム材の成型体により形成されることが好ましい。ゴム材料としては以下のものが挙げられる。
エチレン-プロピレン-ジエン共重合ゴム(EPDM)、アクリルニトリル-ブタジエンゴム(NBR)、クロロプレンゴム(CR)、天然ゴム(NR)、イソプレンゴム(IR)、スチレン-ブタジエンゴム(SBR)、フッ素ゴム、シリコーンゴム、エピクロロヒドリンゴム、NBRの水素化物、ウレタンゴム。
これらは単独であるいは2種以上を混合して用いることができる。
これらの中でも、特に、長期に亘る他の部材(現像剤規制ブレード等)が当接した場合にも圧縮永久歪みを弾性層に生じさせにくいシリコーンゴムが好ましい。シリコーンゴムとしては、付加硬化型のシリコーンゴムの硬化物などが挙げられる。更に言えば、付加硬化型ジメチルシリコーンゴムの硬化物とすることが特に好ましい。
弾性層中には、導電性付与剤、非導電性充填剤、架橋剤、触媒の如き各種添加剤が適宜配合される。導電性付与剤としては、カーボンブラック;アルミニウム、銅の如き導電性金属;酸化亜鉛、酸化錫、酸化チタンの如き導電性金属酸化物の微粒子を用いることができる。これらの少なくとも1種を用いることができる。これらのうち、カーボンブラックは比較的容易に入手でき、良好な導電性が得られるので特に好ましい。導電性付与剤としてカーボンブラックを用いる場合は、弾性層形成用の材料中のゴム材料100質量部に対して2質量部以上50質量部以下で配合されることが好ましい。
非導電性充填剤としては、シリカ、石英粉末、酸化チタン、酸化亜鉛又は炭酸カルシウムが挙げられる。これらの少なくとも1種を用いることができる。
架橋剤としては、ジ-t-ブチルパ-オキサイド、2,5-ジメチル-2,5-ジ(t-ブチルパ-オキシ)ヘキサン又はジクミルパーオキサイドが挙げられる。これらの少なくとも1種を用いることができる。
現像剤担持体の表面層として表面粗度が必要な場合は、表面層に粗さ制御のための微粒子を添加しても良い。粗さ制御用微粒子としては、体積平均粒径が3~20μmであることが、トナーを搬送する能力に優れる現像剤担持体が得られるため好ましい。また、表面層に添加する微粒子添加量は、表面層の樹脂固形分100質量部に対し、1~50部であることが、本発明の効果を損なわないため好ましい。粗さ制御用微粒子には、ポリウレタン樹脂、ポリエーテル樹脂、ポリアミド樹脂、アクリル樹脂、フェノール樹脂の微粒子を用いることができる。
表面層の形成方法としては特に限定されるものではないが、基体の外表面または弾性層の外表面上に、表面層形成用の塗料をスプレー法、浸漬法、およびロールコート法の如き公知の塗布方法によって塗布することで形成することができる。
<プロセスカートリッジ、電子写真装置>
本発明の一態様に係るプロセスカートリッジ及び本発明の一態様に係る電子写真装置について、図を用いて詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されない。
図2は、現像部材として本発明に係る現像剤担持体を使用したプロセスカートリッジの一例を示す概略構成図である。また、図3は、前記プロセスカートリッジが着脱可能に組み込まれた電子写真装置の一例を示す概略構成図である。
図2に示すプロセスカートリッジは、トナー容器9と、現像剤担持体7と、現像剤規制部材17と、現像剤供給部材8を有し、電子写真装置の本体に着脱可能な構成を有する。図3において、静電潜像が形成された像担持体である静電潜像担持体18は、矢印R1方向に回転される。現像剤担持体7は矢印R2方向に回転することによって、現像剤担持体7と静電潜像担持体18とが対向している現像領域に現像剤を搬送する。また、現像剤担持体には現像剤供給部材8が接しており、R3方向に回転し、現像剤担持体7の表面に現像剤を供給している。
静電潜像担持体18の周囲には、帯電可能に配置された帯電部材としての帯電ローラ6、転写部材(転写ローラ)10、クリーナー容器11、クリーニングブレード12、定着器13、ピックアップローラ14等が設けられている。静電潜像担持体18は帯電ローラ6によって帯電される。そして、レーザー発生装置16によりレーザー光を静電潜像担持体18に照射することによって露光が行われ、目的の画像に対応した静電潜像が形成される。静電潜像担持体18上の静電潜像は現像器としてのプロセスカートリッジが有するトナー容器9内の現像剤で現像されて画像を得る。現像器によって、露光部に現像剤が現像されるいわゆる反転現像を行っている。転写材(紙)Pは、給紙部15からピックアップローラ14等により装置内に搬送され、画像は転写材(紙)Pを介して静電潜像担持体18に当接された転写部材(転写ローラ)10により転写材(紙)P上へ転写される。画像を載せた転写材(紙)Pは定着器13へ運ばれ、現像剤が転写材(紙)P上に定着される。また、静電潜像担持体18上に残された現像剤はクリーニングブレード12によりかき落とされ、クリーナー容器11に収納される。
現像剤規制部材17が現像剤を介して現像剤担持体7に当接する事によって現像剤担持体上の現像剤層厚を規制する事が好ましい。現像剤担持体に当接する現像剤規制部材としては、規制ブレードが一般的であり、本発明においても好適に使用できる。
上記規制ブレードを構成する材料としては、シリコーンゴム、ウレタンゴム、NBRの如きゴム弾性体;ポリエチレンテレフタレートの如き合成樹脂弾性体、リン青銅板、ステンレス鋼(SUS)板等の金属弾性体が使用でき、さらに、それらの複合体であっても良い。更に、現像剤の帯電性をコントロールする目的で、ゴム、合成樹脂、金属弾性体の如き弾性支持体に、樹脂、ゴム、金属酸化物、金属の如き帯電コントロール材料を貼り合わせた構造とすることもできる。この場合、規制ブレードは、帯電コントロール材料の部分が現像剤担持体との当接部分となるように使用される。このような規制ブレードとしては、金属弾性体に樹脂またはゴムを貼り合わせたものが特に好ましい。これらの樹脂またはゴムとしては、ウレタンゴム、ウレタン樹脂、ポリアミド樹脂、ナイロン樹脂の如き正極性に帯電しやすいものが好ましい。
(弾性ローラK-1の作成)
外径10mmで算術平均粗さRa0.2μmの研削加工したアルミニウム製円筒管にプライマー(商品名、DY35-051;東レダウコーニング社製)を塗布し、焼付けして、基体を得た。この基体を金型内に配置し、下記に示す材料を混合した付加型シリコーンゴム組成物を該金型内に形成されたキャビティに注入した。
・液状シリコーンゴム材料(商品名SE6724A/B;東レ・ダウコーニング社製) 100質量部
・カーボンブラック(商品名トーカブラック#4300;東海カーボン社製 15質量部
・シリカ紛体(耐熱性付与剤として) 0.2質量部
・白金触媒 0.1質量部
続いて、金型を加熱してシリコーンゴムを温度150℃で15分間加硫して硬化させた。周面に硬化したシリコーンゴム層が形成された基体を金型から脱型した後、当該基体を、さらに温度180℃で1時間加熱して、シリコーンゴム層の硬化反応を完了させた。このようにして、基体の外周に膜厚0.7mm、直径11.4mmのシリコーンゴム弾性層が形成された弾性ローラK-1を作成した。
(弾性ローラK-2の作成)
弾性ローラK-1と同様にして、基体外周に膜厚0.3mm、直径10.6mmのシリコーンゴム弾性層が形成された弾性ローラK-2を作成した。
(弾性ローラK-3の作成)
弾性ローラK-1と同様にして、基体外周に膜厚0.2mm、直径10.4mmのシリコーンゴム弾性層が形成された弾性ローラK-3を作成した。
(弾性ローラK-4の作成)
弾性ローラK-1と同様にして、基体外周に膜厚1.0mm、直径12.0mmのシリコーンゴム弾性層が形成された弾性ローラK-4を作成した。
(表面層形成用の原料の調製)
<イソシアネート基末端プレポリマーの合成>
表面層のウレタン樹脂を合成するための原料の一つである、イソシアネート基末端プレポリマーの合成例を示す。
まず、イソシアネート基末端プレポリマーの合成に用いる原料ポリオールB-1~B-16を準備した。原料ポリオールB-1、B-6~B-12、B-16については、表1に示す市販品を用いた。
(原料ポリオールB-2の合成)
攪拌機、温度計を備えた三口フラスコにジカルボン酸としてセバシン酸(東京化成工業社製)100.0g(0.50mol)、ジオールとして1,3-プロパンジオール(東京化成工業社製)87.0g(1.14mol)、オルトチタン酸テトラ-n-ブチル四量体(東京化成工業社製)20.0mgを仕込み、窒素雰囲気下160℃にて4時間反応を行った。次に、窒素雰囲気下反応液を100℃まで冷却し、1時間かけて圧力を150mmHgに下げた。続いて30分かけて150mmHgから40mmHgまで減圧し、ポリエステルオリゴマーを得た。次に、ポリカーボネートを共重合させるため、ジエチルカーボネート(三井化学ファイン社製)76.7g(0.65mol)、酢酸亜鉛2水和物(ナカライテスク社製)1.0mgを加え、減圧下反応を行った。2時間反応させた後、原料ポリオールB-2を得た。
(原料ポリオールB-3~B-5、B-13~B-15の合成)
反応に用いる原料及び混合量を下記表2の通りに変更した以外は、上記原料ポリオールB-2の合成と同様にして、原料ポリオールB-3~B-5、B-13~B-15を合成した。
上記原料ポリオールと反応させて、後述するイソシアネート基末端プレポリマーを調製するための原料イソシアネートC-1~C-3として、下記の市販品を準備した。
・原料イソシアネートC-1(pure-MDI):「ミリオネートMT」(商品名;東ソー社製)、
・原料イソシアネートC-2(ポリメリックMDI):「ミリオネートMR」(商品名;東ソー社製)、
・原料イソシアネートC-3(トリレンジイソシアネート):「コスモネートT80」(商品名;三井化学社製)。
(イソシアネート基末端プレポリマーA-1の合成)
窒素雰囲気下、反応容器中で原料イソシアネートC-1 30.8質量部を、最終的な固形分が50%になるようメチルエチルケトン(以下MEK)に溶解させた。その後、原料ポリオールB-1 100.0質量部を反応容器内の温度を65℃に保持しつつ、徐々に滴下した。
滴下終了後、温度65℃で2時間反応させた。得られた反応混合物を室温まで冷却し、固形分50%、イソシアネート基含有量4.7重量%のイソシアネート基末端プレポリマーA-1を得た。
(イソシアネート基末端プレポリマーA-2~A-25の合成)
合成に用いる原料ポリオール、原料イソシアネートの種類と混合量、反応時間を、表4に記載の通りに変更した以外は、イソシアネート基末端プレポリマーA-1の合成と同様にして、イソシアネート基末端プレポリマーA-2~A-25を、固形分50%の溶液として得た。
(アミノ化合物D-1の合成)
撹拌装置、温度計、滴下装置および温度調整装置を取り付けた反応容器中で、撹拌しながら、原料アミノ化合物として1,4-ジアミノブタン10.0g(0.11mol)、反応溶媒として純水200mlを40℃まで加温した。次に、反応温度を40℃以下に保持しつつ、付加原料としてプロピレンオキシド38.3g(0.66mol)を30分かけて徐々に滴下した。さらに2時間撹拌して反応を行い、反応混合物を得た。得られた反応混合物を減圧下加熱して水を留去し、アミノ化合物D-1(テトラキス(2-ヒドロキシプロピル)ブチレンジアミン)を得た。
(アミノ化合物D-2~D-10、D-12~D-14の合成)
原料アミノ化合物、付加原料の種類と量を表6に記載のとおり変更した以外は、アミノ化合物D-1と同様にして、アミノ化合物D-2~D-10、D-12~D-14を合成した。
テトラエチレンペンタミン(東京化成工業社製)50.0g(0.27mol)に、クロロホルム中で無水フタル酸(JFEケミカル社製)97.6g(0.66mol)を反応させ、1級アミンがフタルイミド基で保護された化合物を得た。その後アセトニトリル中でヨードメタン(東京化成工業社製)150.3g(1.06mol)を添加し、4時間還流させた。その後得られた化合物をエタノール500mlに溶解させ、ヒドラジン水和物(和光純薬工業社製)30.0g(0.60mol)を加え、5時間還流させることで、フタルイミド基が脱離した化合物を得た。次に、溶媒を減圧留去し、得られた化合物をエタノール300mlに溶解させ、パラホルムアルデヒド79.4g(2.65mol)を加えて6時間沸点還流した。溶媒を減圧留去し、分液抽出・乾燥後、下記構造式(10)に示されるアミノ化合物D-11を得た。
上記アミノ化合物の他に、下記表8に示すカーボネート結合を有していないポリオール化合物を準備した。
以下のようにして、実施例1に係る現像剤担持体を作製した。
表面層の材料として、以下の材料を撹拌混合した。
・反応性化合物:イソシアネート基末端プレポリマーA-1:84.8質量部
・アミノ化合物:アミノ化合物D-1:15.2質量部
・カーボンブラック(商品名MA-230、三菱化学社製):10.0質量部
・ウレタン樹脂微粒子(商品名、アートパールC-400;根上工業社製):30.0質量部
次に、総固形分比が30質量%となるようにメチルエチルケトンを加えた後、サンドミルにて混合した。ついで、更に、MEKで粘度10~13cpsに調整して表面層形成用塗料を調製した。
先に作成した弾性ローラK-1を、表面層形成用塗料に浸漬して、弾性ローラK-1の弾性層の表面に当該塗料の塗膜を形成し、乾燥させた。さらに温度160℃にて1時間加熱処理することで弾性層の外周に膜厚約15μmの表面層を設け、実施例1に係る現像剤担持体を作成した。
(実施例2~27)
表面層の材料として、下記表9の材料を用いた以外は実施例1と同様にして、表面層形成用塗料を作成した。そして、各塗料を弾性ローラK-1に対して、実施例1と同様にして塗布、乾燥および加熱を行って実施例2~27に係る現像剤担持体を作製した。実施例23については、アミノ化合物の他に、さらにポリオールD-16(「クラレポリオールP-5010」(商品名、クラレ社製)を添加した。
表面層の材料として、ポリオールD-15 7.2質量部に対し、イソシアネート基末端プレポリマーA-19 92.8質量部、カーボンブラック (商品名MA-230、三菱化学社製)10.0質量部、及びウレタン樹脂微粒子(商品名、アートパールC-400;根上工業社製)30.0質量部、を撹拌混合した。
以降は、実施例1に係る表面層形成用塗料の調製方法と同様にして比較例1に係る表面層形成用塗料を調製した。この表面層形成用塗料を実施例1と同様にして弾性ローラK-1のシリコーンゴム弾性層の表面に塗工、乾燥させて表面層を形成し、比較例1の現像剤担持体を作製した。
(比較例2~8)
表面層の材料として、下記表10の材料を用いた以外は比較例1と同様に表面層形成用塗料を作成した。そして、各塗料を弾性ローラに対して、比較例1と同様にして塗布、乾燥および加熱を行って比較例2~8に係る現像剤担持体を作製した。なお、比較例6は、ポリオールの代わりに、アミノ化合物D-2を用いた。
表面層の厚さを、1.5μmまたは98.8μmとした以外は、実施例1と同様にして実施例28、実施例29に係る現像剤担持体を作製した。
(実施例30)
表面層の厚さを、1.8μmとした以外は、実施例12と同様にして実施例30に係る現像剤担持体を作製した。
(実施例31)
表面層の厚さを、92.1μmとした以外は、実施例20と同様にして実施例31に係る現像剤担持体を作製した。
(実施例32)
弾性ローラK-1の代わりに弾性ローラK-2を使用した以外は実施例20と同様にして実施例32に係る現像剤担持体を作製した。
(実施例33)
実施例1に係る表面層形成用の材料と同じ材料を用意した。これらを、MEKを用いて総固形分比が30質量%となるように調整した。これを、分散機(商品名、スターミルLMZ06;アシザワファインテック株式会社製)を用いて、直径1mmのガラスビーズをメディア粒子として使用し、周速14m/s、流量50ml/s、仕込み量2kgにて、2時間分散を行った。分散終了後、分散機から、塗料を取り出し、固形分濃度が25質量%になるようにMEKを添加して、表面層形成用の塗料を調製した。
この塗料を用い、かつ、弾性層の厚さを300μmとした以外は、実施例1と同様にして実施例33に係る現像剤担持体を作製した。
(実施例34)
表面層形成用の材料として、カーボンブラックを用いなかった以外は、実施例1に係る表面層形成用塗料の調製方法と同様にして実施例34に係る表面層形成用塗料を調製した。この表面層形成用塗料を用いた以外は、実施例1と同様にして実施例34に係る現像剤担持体を作製した。
(実施例35)
表面層形成用塗料の調製方法として、サンドミルを用いた分散を行わず、回転架台を回転させることによって表面層形成用の材料を分散させた以外は、実施例1に係る表面層形成用塗料と同様にして実施例35に係る表面層形成用塗料を調製した。この表面層形成用塗料を用いた以外は、実施例1と同様にして現像剤担持体を作製した。
表面層の厚さを0.8μmまたは110.2μmとした以外は、実施例1と同様にして比較例9、比較例10に係る現像剤担持体を作製した。
(比較例11)
表面層の厚さを0.8μmとした以外は、実施例12と同様にして比較例11に係る現像剤担持体を作製した。
(比較例12)
表面層の厚さを97.4μmとした以外は、実施例20と同様にして比較例12に係る現像剤担持体を作製した。
(比較例13)
弾性ローラK-1の代わりに弾性ローラK-3を使用した以外は実施例20と同様にして比較例13に係る現像剤担持体を作製した。
(比較例14)
弾性ローラK-1の代わりに弾性ローラK-4を使用し、表面層の厚さを1.7μmとした以外は、実施例12と同様にして比較例14に係る現像剤担持体を作製した。
(比較例15)
表面層形成用の材料として、カーボンブラックを用いなかった以外は、実施例20に係る表面層形成用塗料の調製方法と同様にして比較例15に係る表面層形成用塗料を調製した。この表面層形成用塗料を用いた以外は、実施例20と同様にして比較例15に係る現像剤担持体を作製した。
<ポリエステルの調製>
<<芳香族ポリエステルAの調製>>
エチレングリコール0.6mol、プロピレングリコール0.25mol、ネオペンチルグリコール0.2mol、ジメチルテレフタル酸0.6mol、イソフタル酸0.39mol、フマル酸0.009mol及びテトラプロピルチタネート0.2gをガラス製5リットルの四つ口フラスコに入れた。この四つ口フラスコに温度計、撹拌棒、コンデンサを取り付け、前記四つ口フラスコをマントルヒーター内においた。撹拌しながら徐々に200℃まで昇温して4時間反応することにより、芳香族ポリエステルAとして、Mw=8800の不飽和ポリエステル樹脂を得た。
<<非芳香族ポリエステルBの調製>>
フマル酸0.86mol、ネオペンチルグリコール0.2mol、コハク酸0.9mol、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1.7mol及び酸化ジブチル錫0.2gをガラス製5リットルの四つ口フラスコに入れた。この四つ口フラスコに温度計、撹拌棒、コンデンサを取り付け、前記四つ口フラスコをマントルヒーター内においた。撹拌しながら徐々に200℃まで昇温して8時間反応し、非芳香族ポリエステルBとして、Mw=11000の不飽和ポリエステル樹脂を得た。
<<スチレン-アクリル系共重合体Cの調製>>
下記材料を混合し、窒素雰囲気常圧下で140℃、3.5時間反応を行い、その後180℃で2.0時間保持させることで脱溶剤を行い、スチレン-アクリル共重合体Cを得た。Mw=3800、Tg=52℃であった。
・スチレン:96質量部
・n-ブチルアクリレート:4質量部
・トリメチロールプロパントリス(3-メルカプトプロピオネート)[堺化学社製](β-メルカプトプロピオン酸類):0.05質量部
・キシレン:500質量部
・パーブチルD:10質量部
上記芳香族ポリエステルA 100.0質量部、および、カーボンブラック(商品名:MA-230、三菱化学社製)10.0質量部を混合し、そこに、MEKを加えて、総固形分濃度を30質量%に調整した。これを分散機(商品名、スターミルLMZ06;アシザワファインテック社製)を用いて、直径1mmのガラスビーズをメディア粒子として使用し、周速14m/s、流量50ml/s、仕込み量2kgにて、10時間分散した。分散終了後、塗料を取り出し、固形分濃度が25質量%になるようにMEKを添加して、表面層形成用の塗料を得た。この塗料を用いた以外は実施例1と同様にして実施例36に係る現像剤担持体を作製した。
<実施例37に係る現像剤担持体の作製>
カーボンブラックを用いなかった以外は、実施例36と同様にして表面層形成用の塗料を調製した。この塗料を用いた以外は、実施例1と同様にして実施例37に係る現像剤担持体を作製した。
<比較例16に係る現像剤担持体の作製>
表面層形成用塗料の調製方法として、サンドミルを用いた分散を行わず、回転架台を回転させることによって表面層形成用の材料を分散させた以外は、実施例36に係る表面層形成用塗料と同様にして比較例16に係る表面層形成用塗料を調製した。この表面層形成用塗料を用いた以外は、実施例36と同様にして比較例16に係る現像剤担持体を作製した。
<比較例17に係る現像剤担持体の作製>
芳香族系ポリエステル樹脂Aを、非芳香族系ポリエステル樹脂Bに変えた以外は、実施例36と同様にして表面層形成用の塗料を調製した。この塗料を用いた以外は、実施例1と同様にして比較例17に係る現像剤担持体を作製した。
<比較例18に係る現像剤担持体の作製>
芳香族系ポリエステル樹脂Aを、スチレン-アクリル共重合体Cに変えた以外は、実施例36と同様にして表面層形成用の塗料を調製した。この塗料を用いた以外は、実施例1と同様にして比較例18に係る現像剤担持体を作製した。
実施例1乃至37、比較例1乃至18に係る現像剤担持体について、以下の項目の評価を行った。
[評価I-1;表面層膜厚測定方法]
表面層の膜厚は、マイクロスコープVHX-600(商品名:キーエンス製)を用いて観察した。測定方法は、現像剤担持体を円弧状にカッターで切りだし、断面を2000倍で10箇所ランダムに観察する。各観察画像での表面層膜厚を、中心部と両端の3箇所で測定し、合計30箇所の平均をその現像剤担持体表面層の膜厚とした。
[評価I-2;マルテンス硬度測定方法]
ISO 14577に基づき、表面被膜物性試験機(商品名:ピコデンターHM500、ヘルムート フィッシャー(Helmut Fischer)社製)を用いて測定した。現像剤担持体表面長手方向の中央部において任意に選ばれた10箇所を測定点として、各測定点の粒子がない部分のマルテンス硬度測定を行った相加平均値を現像剤担持体の測定値とした。測定条件を以下に示す。
測定圧子:四角錐圧子(角度136°、ベルコビッチタイプ)
圧子材料:ダイヤモンド
測定環境:温度23℃、相対湿度50%
荷重速度および除荷速度:1mN/50秒
最大押し込み荷重:1mN
本評価においては、現像剤担持体表面の粒子がない部分に当接させ、上記条件に記載の速度で荷重を負荷することで荷重-硬度曲線を測定し、下記計算式(2)により押し込み深さ0.1μmに到達した時点のマルテンス硬度を算出した。
計算式(2):
マルテンス硬度HM(N/mm2)= F(N)/試験荷重下での圧子の表面積(mm2)
[評価I-3;アスカーC硬度測定方法]
アスカーC硬度は、JIS K7312、S6050 に準じ、硬度測定器(商品名:アスカーC型硬度計、高分子計器社製)を用いて測定した。ローラのゴム部を長手方向に4等分する位置の3箇所、各箇所につき周方向3箇所の計9点で測定し、その相加平均値をとりアスカーC硬度とした。測定条件は以下の通りである。
(a)放置条件:温度23℃、相対湿度55%の環境下に12時間以上放置
(b)測定環境:温度23℃、相対湿度55%の環境下で測定
(c)測定荷重:10N
(d)値読み取り時間:サンプル接触後30秒後の値
光電子分光装置(商品名:AC-2、理研計器社製)を用いて、下記の条件にて傾きγの測定を行なった。
・照射エネルギー:4.2eV~6.2eV
・光量:300nW
・計数時間:10秒
・陽極電圧:2900V
・べき乗:0.5
上記条件で測定により得られた仕事関数測定曲線は、横軸は励起エネルギー、縦軸は放出された光電子の個数の0.5乗の値(規格化光量子収率)Yで表す。
一般的に、励起エネルギー値がある閾値を超えると急激に光電子の放出、即ち規格化光量子収率が多くなり、仕事関数測定曲線が急速に立ち上がる。この時の規格化光量子収率のベースライン(直線)をGとし、仕事関数測定曲線が急速に立ち上がった後の、曲線を線形近似して得られた直線をLとする。本発明にて使用するγ値は、この直線Gと直線Lの傾きの差と定義した。なお、本発明では現像剤担持体のγ値を仕事関数とした。
[評価I-5;単位面積(40μm2)に対するカーボンブラック(CB)面積比率測定方法]
現像剤担持体表面をSEM-Ultra-Plus(商品名:カールツァイス マイクロスコピー社製)を用いて下記条件で観察画像を取得した。
・観察条件:加速電圧1kV、WD3.5mm、倍率15000倍
・弾性層を長手に4等分した3か所とさらに90°回した3か所のN=6画像取得
取得した画像に下記解析を行い、カーボンブラック面積率を算出した。
画像解析:
オープンソース画像処理ソフトウェア ImageJを用いて大津法で2値化し、LUZEX-AP(商品名:ニレコ社製)でカーボンブラックの占める面積率を計算する。
なお、取得した6画像それぞれでカーボンブラック面積率を算出し、平均値をその現像剤担持体表面のカーボンブラック面積率とした。
実施例1~27および比較例1~8に係る現像剤担持体の表面層について、熱分解装置(商品名:パイロホイルサンプラーJPS-700、日本分析工業社製)およびGC/MS装置(商品名:Focus GC/ISQ、サーモフィッシャーサイエンティフィック社製)を用い、熱分解温度を590℃、キャリアガスとしてヘリウムを使用し、分析を行った。
その結果、得られたフラグメントピークから、実施例1~21、23~27に係る現像剤担持体の表面層中のウレタン樹脂は、構造式(3)に示される部分構造を有していることが確認された。
また、ウレタン樹脂中のカーボネート結合の濃度は下記のようにして定量した。
まず、元素分析を行い、ウレタン樹脂中に含まれる炭素原子の含有量を求める。次に、X線光電子分光法(XPS)のナロースキャン分析を行い、C1sが有する結合のうち、カーボネート結合の割合を分析する。元素分析とXPSの結果から、ウレタン樹脂中のカーボネート結合の濃度を計算した。
さらに、表面層中のウレタン樹脂中のアミノ化合物由来の、三級アミンの窒素原子の量を、熱分解GC/MS、赤外分光法(IR)によって定量した。
実施例1~27、比較例1~18に係る現像剤担持体について、上記評価IIの結果を表13および表14に示す。
なお、ウレタン樹脂中のカーボネート結合濃度(質量%)は、表5に示したイソシアネート基末端プレポリマーのカーボネート結合濃度(質量%)と、表9及び10に示したアミノ化合物との混合比から算出することもできる。
また、表13~14におけるウレタン樹脂中の三級アミン窒素濃度(質量%)は、上述した方法(熱分解GC/MS)によって得られた測定値から求めた。
<評価III>
[評価III-1;現像剤担持体の摩擦帯電量]
現像剤担持体の摩擦帯電量の測定は、温度32.5℃、相対湿度85%(以下H/H)の環境中に12時間以上現像剤担持体を放置してから、H/H環境下において、下記手順に従って行った。
測定には、図4に示した測定部を、カスケード式表面帯電量測定装置TS-100AT(商品名、京セラケミカル社製)に接続して使用した。図4のように絶縁支持棒48に現像剤担持体42を回転しないように静置固定し、キャリア43を粉体投入口41に投入して10秒間落下させてキャリア43に接触帯電を生じさせた。キャリアは、標準キャリアN-01(日本画像学会)を使用した。絶縁板45上に設置された受け皿44内に落下したキャリア43の総帯電量を、コンデンサ46と並列に接続された電位計47で測定し、帯電量Q〔μC〕とした。さらに、受け皿44内に落下したキャリアの質量(g)を測定し、これらの値から、単位質量あたりの帯電量Q/M(μC/g)を摩擦帯電量とした。
現像剤担持体が、過剰帯電したタルクの電荷を漏洩させ、タルクの電荷が減衰する現象を、下記の方法によって評価した。まず、レーザープリンター用カートリッジ17A(ヒューレット・パッカード社製)のトナーを取り除き、代わりにタルク粉(日本タルク社製、商品名SG-95)を100g充填した。さらに当該カートリッジの現像剤担持体を、実施例に係る現像剤担持体に差し替えた。次に、レーザープリンター(商品名、HP LaserJet Pro M102w Printer、ヒューレット・パッカード社製)に当該カートリッジを装填した。次に、レーザープリンターをH/H環境中に設置し12時間以上静置した。H/H環境において、紙を印刷せずにレーザープリンター内で当該カートリッジを3分間空回転させた。空回転終了直後に当該カートリッジを取り出し、高精度表面電位計(商品名:表面電位計 MODEL344、トレック社製)にてタルクがコートされた現像剤担持体上の表面電位(タルク電荷減衰(V))を計測した。これにより、タルクの電荷が現像剤担持体によって減衰されていれば(タルクの電荷減衰が速ければ)、表面電位の絶対値が小さく、減衰されていなければ(タルクの電荷減衰が遅ければ)、表面電位の絶対値が大きく計測される。
[評価III-3;タルクかぶり画像評価]
評価対象としての現像剤担持体を、レーザープリンター(商品名、HP LaserJet Pro M102w Printer、ヒューレット・パッカード社製)に装填してタルクかぶりの評価を行った。先ず、評価対象の現像剤担持体を装填したレーザープリンターをH/H環境中に設置後12時間以上静置した。次いで、黒色で、印字率1%の画像を所定枚数のタルク含有紙(商品名、Century Star紙、Century社製)に対して、1000枚連続して出力した。この時、1000枚目の画像の端部を、反射濃度計(商品名、TC-6DS/A;(有)東京電色製)にて反射率を測定した。印字していない紙を基準としたときの反射率の低下量(%)を測定し、これをタルクかぶり値とした。
実施例1~37および比較例1~18に係る現像剤担持体について、評価III-1~評価III-3の結果を表13~表16に示す。
実施例1~26は、カーボネート結合の周囲にアルキル基を有しており、カーボネート結合の周囲に芳香族を有する実施例27よりも、タルクかぶり防止効果において特に優れている。
また、カーボネート結合を含む構造にポリエステル結合を含む構造を付加していない実施例9~17の中では、実施例10、14~17は、ウレタン樹脂中におけるカーボネート結合の濃度が14.0質量%以上23.0質量%以下であり、かつ、構造式(3)で示される化合物由来の三級アミンの窒素原子の濃度が、1.0%質量%以上3.0質量%以下であるため、タルクかぶりの防止効果が特に優れている。
また、実施例1~8、実施例24~26は、ウレタン樹脂中の隣接する二つのウレタン結合の間に構造式(2)で示される構造を有している。そのためタルクかぶりの防止効果が特に優れている。
さらに、実施例1~5、実施例8、実施例24~26は、構造式(2)における共重合比p/kが、1.4から1.8の範囲であるため、タルクかぶりの防止効果が特に優れている。
さらにその中でも、実施例1~5、実施例8は、構造式(3)で示される化合物が、構造式(5)で示される化合物であるため、タルクかぶりの防止効果が特に優れている。
また、比較例10、12から、押し込み量0.1μm時のマルテンス硬度が高いためトナーの異形化が規制不良を引き起こし、現像剤担持体の摩擦帯電量、タルク電荷減衰には表れないが、タルクかぶりの結果が悪化している。また、比較例13はアスカーC硬度が高いためマルテンス硬度同様にトナーの異形化を引き起こし、タルクかぶりの結果が悪化している。
比較例15は仕事関数が6.0eVを超えたため、トナーに対する負電荷の付与性能が低くなり、タルクかぶりの値が大きくなっている。比較例16、17は仕事関数が低いため、タルクの電荷減衰を不十分となり、表面層の表面へのタルクの静電的付着が生じ、タルクかぶりの値が大きい。比較例18も比較例16、17同様に仕事関数が低いことと、押し込み量0.1μm時のマルテンス硬度が低いことにより、表面層の表面へのタルクの静電的付着および物理的付着が生じ、タルクかぶりの値が大きい。
2:基体
3:弾性層
4:表面層
Claims (13)
- 導電性の基体と、
前記基体上の、樹脂を含む表面層と、を有する現像剤担持体であって、
該表面層の厚さが、1.0μm以上、100.0μm以下であり、
該表面層の外表面から該表面層の厚さ方向にビッカース圧子を侵入させて測定される、押し込み深さ0.1μmにおけるマルテンス硬度が、50.0N/mm2以上、100.0N/mm2以下であり、
該表面層の外表面から測定したアスカーC硬度が、75°以上、90°以下であり、かつ、
該表面層の外表面の仕事関数の値が、5.6eV以上、6.0eV以下であることを特徴とする現像剤担持体。 - 前記基体と前記表面層との間に更に弾性層を有する請求項1に記載の現像剤担持体。
- 前記表面層がカーボンブラックを含む請求項1に記載の現像剤担持体。
- 前記表面層の外表面に露出している前記カーボンブラックの、前記外表面の単位面積(40μm2)に対する面積比率が、10.0%以下である請求項3に記載の現像剤担持体。
- 前記表面層が、カーボネート結合を有するウレタン樹脂、および、芳香族系ポリエステル樹脂のうちの少なくとも一方を含む請求項1~4のいずれか一項に記載の現像剤担持体。
- 前記ウレタン樹脂が、隣接する二つのウレタン結合の間に構造式(2)で示される構造を有する請求項5または6に記載の現像剤担持体。
[構造式(2)中、R21は、炭素数3以上8以下の直鎖状または分岐鎖状のアルキレン基、炭素数4以上6以下の脂環式環状炭化水素構造を含む炭素数4以上8以下のアルキレン基または炭素数4以上6以下の芳香族炭化水素構造を含む炭素数4以上8以下のアルキレン基を表し、R22は炭素数3以上8以下の直鎖状または分岐鎖状のアルキレン基を表し、pは1以上の整数であり、kは1以上の整数である。p及びkが2以上である場合における複数のR21及び複数のR22は各々独立して上記と同様に定義される。]。 - 前記構造式(2)におけるpおよびkが、下記式(I)で示される関係を満たす請求項7に記載の現像剤担持体:
式(I):1.4≦p/k≦1.8。 - 前記ウレタン樹脂が、構造式(3)で示される化合物とポリイソシアネートとの反応に由来する部分構造を有する請求項5~8のいずれか一項に記載の現像剤担持体:
[構造式(3)中、R35は炭素数2以上4以下の直鎖状または分岐鎖状のアルキレン基を表し、nは1以上4以下の整数であり、nが2以上4以下の場合においては、複数のR35は各々独立して上記と同様に定義される。
R31~R34は、各々独立に、下記(a)~(d)から選ばれる何れかであり、nが2以上4以下の場合において、複数のR34は各々独立して上記と同様に定義され、但し、n=1の場合においては、R31~R34の全てが、下記(b)~(d)から選ばれる何れかであり、n=2以上4以下の場合においては、R31~R33および2~4個のR34のうちの少なくとも4つが、下記(b)~(d)から選ばれる何れかである:
(a)水素原子、又は炭素数1~4の直鎖状または分岐鎖状のアルキル基;
(b)炭素数1以上8以下の直鎖状または分岐鎖状のヒドロキシアルキル基;
(c)炭素数2以上8以下の直鎖状または分岐鎖状のアミノアルキル基;
(d)下記構造式(4)で示される基:]
[構造式(4)中、mは2または3である。複数のR41はそれぞれ独立して炭素数2以上5以下の直鎖状または分岐鎖状のアルキレン基を表す。]。 - 前記ウレタン樹脂における前記カーボネート結合の濃度が、14.0質量%以上23.0質量%以下であり、かつ、前記ウレタン樹脂における前記構造式(3)で示される化合物由来の三級アミンの窒素原子の濃度が、1.0質量%以上3.0質量%以下である、請求項9又は10に記載の現像剤担持体。
- 電子写真装置の本体に着脱可能に構成されているプロセスカートリッジであって、トナーを含むトナー容器と、前記トナーを搬送する現像剤担持体と、を少なくとも具備し、前記現像剤担持体が、請求項1~11のいずれか一項に記載の現像剤担持体である、ことを特徴とするプロセスカートリッジ。
- 電子写真感光体、前記電子写真感光体を帯電可能に配置された帯電部材、および前記電子写真感光体に対してトナーを供給する現像剤担持体を少なくとも有する電子写真装置であって、前記現像剤担持体が、請求項1~11のいずれか一項に記載の現像剤担持体である、ことを特徴とする電子写真装置。
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