JP7642382B2 - 磁性トナー - Google Patents
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Description
この一成分現像方式にはいくつか手法が知られている。その中の一つに磁性酸化鉄をトナーに内包させた磁性トナーを用いたジャンピング現像法がある。ジャンピング現像法とは、現像スリーブとの摩擦帯電によって帯電した磁性トナーを、現像バイアスを用いて静電潜像担持体上に飛翔・付着させて、静電潜像担持体上の静電荷像を磁性トナー画像として顕像化する方法である。ジャンピング現像法は、磁性トナーの搬送制御が容易であること、複写機又はプリンターなどの内部汚染が少ないことから、数多く実用化されている。
磁性トナーにおいて、トナー中の磁性酸化鉄の量および形状が画質に大きく影響を与えることが知られている。特許文献1では、トナー粒子中に立方体状又は八面体状の磁性体と、球状磁性体との質量比を9:1~1:9で含有するトナーが開示されている。
また、POD市場においては、さらなる生産性追求のためにトナーの低温定着性に加え、クリーニング部材等の交換によるダウンタイムを極力発生させないことが求められている。そこで、特許文献2では、酸価を有するワックスを用いることで部材汚染を極力低減する技術が提案されている。
一方で、印刷市場では、印刷された後の成果物品位に対する要求も高くなってきている。使用するメディアによっては、印刷物を運搬する際の振動によりメディア間で画像表面の摺擦が発生した場合、トナー像が擦りとられて、メディアの裏汚れが発生する場合があった。そこで、特許文献3では、トナーの表面ワックス量を制御することで印刷物の耐摩擦性を向上させる技術が提案されている。
本発明は上述した課題を解決するためになされるものであり、その目的は、長期に渡って使用された場合においても、部材汚染が抑制され安定した画像を提供でき、耐摩耗性に優れた印刷物を出力することが可能なトナーを提供することである。
該磁性酸化鉄粒子の該トナー中における含有量が30質量%以上70質量%以下であり、
該磁性酸化鉄粒子は、ケイ素およびアルミニウムを含む被覆層を有し、
該磁性酸化鉄粒子は、
(i)球状磁性酸化鉄粒子と、
(ii)六面体状磁性酸化鉄粒子または八面体状磁性酸化鉄粒子
とを含有し、
該炭化水素ワックスは、カルボキシル基を有し、酸価が5mgKOH/g以上50mgKOH/g以下であることを特徴とする磁性トナーに関する。
第一鉄塩水溶液と該第一鉄塩水溶液中の第一鉄塩に対し0.90~1.00当量の水酸化アルカリ水溶液とを反応させる。得られた水酸化第一鉄コロイドを含む第一鉄塩溶液に水可浴性ケイ酸塩をFeに対しSi換算で0.05~1.00原子%添加する。なお、Feに対しSi換算で0.05~1.00原子%というのは、溶液に含まれるFe原子の量を100としたときにSi原子の量が0.05~1.00であることを意味する。次いで、水酸化第一鉄コロイドを含む第一鉄塩反応液のpHを8.0~9.0に調整する。次いで、70~100℃の温度範囲に加熱しながら酸素含有ガスを通気して鉄の酸化反応率が7~14%となるまで酸化反応を行い、マグネタイト核晶粒子を生成させる。
得られたマグネタイト核晶粒子と水酸化第一鉄コロイドを含む第一鉄塩反応液に対し1.01~1.50当量となるように水酸化ナトリウム等の水酸化アルカリ水溶液を添加し、pHを8.5以上、より好ましくは9.5以上に再調整する。そして反応液を70~100℃の温度範囲に加熱しながら酸素含有ガスを通気して、酸化反応を行う。
第2反応工程終了後の磁性酸化鉄を含む懸濁液中の温度を80℃以上、好ましくは90℃以上とし、pHを6.0以下に調整して反応を終了する。
本発明のトナーには、その帯電特性を安定化させるために電荷制御剤を用いることができる。電荷制御剤は、その種類や他のトナー粒子構成材料の物性によっても異なるが、一般に、トナー中に結着樹脂100.0質量部当たり0.10質量部以上10.0質量部以下含まれることが好ましく、0.10質量部以上5.0質量部以下含まれることがより好ましい。このような電荷制御剤としては、トナーの種類や用途に応じて種々のものを一種又は二種以上用いることができる。
本発明のトナーの製造方法(粉砕法)の具体例を以下に記載するが、本発明はこれに限定される訳ではない。
次に、本発明に係る各物性の測定方法に関して記載する。
磁性酸化鉄の粒子形状、及び個数平均粒径は、「走査型電子顕微鏡S-4800」((株)日立ハイテクノロジーズ製)により観察・測定する。観察は以下の手順で行う。
第1反応工程の第一鉄塩の酸化反応率は、反応溶液中のFe2+含有量を測定し、下記式によって算出することができる。
(A-B)÷A×100=酸化反応率(%)
磁性酸化鉄粒子の内部Si量は、次のように測定する。磁性酸化鉄とイオン交換水を混合した後、分散させて懸濁液としたものを、水酸化アルカリ水溶液と混合して30分間以上撹拌した後、懸濁液を濾過、乾燥する。このサンプルを「蛍光X線分析装置RIX-2100」(理学電気工業株式会社製)にて測定し、磁性酸化鉄のSi量を内部Si量として、磁性酸化鉄に含まれるFeに対して元素換算で求めた値として算出する。
まず、磁性酸化鉄中の全Si及びAl元素量を求める。磁性酸化鉄のSi量及びAl量は「蛍光X線分析装置RIX-2100」(理学電気工業株式会社製)にて測定し、磁性酸化鉄に含まれるFeに対して元素換算で求めた値として算出する。
東英工業製振動試料型磁力計VSM-P7を使用し、試料温度25℃、外部磁場795.8kA/mにて測定した。
酸価は試料1gに含まれる酸を中和するために必要な水酸化カリウムのmg数である。酸価はJIS K 0070-1992に準じ、以下のように測定する。
フェノールフタレイン1.0gをエチルアルコール(95体積%)90mLに溶かし、イオン交換水を加えて100mLとし、フェノールフタレイン溶液を得る。
(A)本試験
粉砕した試料2.0gを200mLの三角フラスコに精秤し、トルエン/エタノール(2:1)の混合溶液100mLを加え、5時間かけて溶解する。次いで、指示薬として上記フェノールフタレイン溶液を数滴加え、上記水酸化カリウム溶液を用いて滴定する。なお、滴定の終点は、指示薬の薄い紅色が約30秒間続いたときとする。
試料を用いない(即ちトルエン/エタノール(2:1)の混合溶液のみとする)以外は、上記操作と同様の滴定を行う。
A=[(C-B)×f×5.61]/S
示差走査熱量分析装置「Q2000」(TA Instruments社製)を用いてASTM D3418-82に準じて測定する。
昇温速度:10℃/min
測定開始温度:30℃
測定終了温度:180℃
本発明においては、「流動特性評価装置 フローテスターCFT-500D」に付属のマニュアルに記載の「1/2法における溶融温度」を軟化点とする。尚、1/2法における溶融温度とは、次のようにして算出されたものである。まず、流出が終了した時点におけるピストンの降下量Smaxと、流出が開始した時点におけるピストンの降下量Sminとの差の1/2を求める(これをXとする。X=(Smax-Smin)/2)。そして、流動曲線においてピストンの降下量がXとSminの和となるときの流動曲線の温度が、1/2法における溶融温度Tmである。
試験モード:昇温法
開始温度:50℃
到達温度:200℃
測定間隔:1.0℃
昇温速度:4.0℃/min
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
トナーの重量平均粒径(D4)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「ベックマン・コールター Multisizer 3 Version3.51」(ベックマン・コールター社製)を用いて、実効測定チャンネル数2万5千チャンネルで測定し、測定データの解析を行い、算出する。
(1)Multisizer 3専用のガラス製250ml丸底ビーカーに前記電解水溶液約200mlを入れ、サンプルスタンドにセットし、スターラーロッドの撹拌を反時計回りで24回転/秒にて行う。そして、解析ソフトの「アパーチャーのフラッシュ」機能により、アパーチャーチューブ内の汚れと気泡を除去しておく。
(2)ガラス製の100ml平底ビーカーに前記電解水溶液約30mlを入れ、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、和光純薬工業社製)をイオン交換水で3質量倍に希釈した希釈液を約0.3ml加える。
(3)発振周波数50kHzの発振器2個を、位相を180度ずらした状態で内蔵し、電気的出力120Wの超音波分散器「Ultrasonic Dispersion System Tetora150」(日科機バイオス社製)の水槽内に所定量のイオン交換水を入れ、この水槽中に前記コンタミノンNを約2ml添加する。
(4)前記(2)のビーカーを前記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の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。
(5)前記(4)のビーカー内の電解水溶液に超音波を照射した状態で、トナー約10mgを少量ずつ前記電解水溶液に添加し、分散させる。そして、さらに60秒間超音波分散処理を継続する。尚、超音波分散にあたっては、水槽の水温が10℃以上40℃以下となる様に適宜調節する。
(6)サンプルスタンド内に設置した前記(1)丸底ビーカーに、ピペットを用いてトナーを分散した前記(5)電解水溶液を滴下し、測定濃度が約5%となるように調整する。そして、測定粒子数が50000個になるまで測定を行う。
(7)測定データを装置付属の前記専用ソフトにて解析を行ない、重量平均粒径(D4)を算出する。尚、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。
(第1反応工程)
Fe2+1.5mol/Lを含む硫酸第一鉄水溶液16L(Fe2+24mol)と3.0Nの水酸化ナトリウム溶液15.2L(Fe2+に対し0.95当量に相当する。すなわち、2OH/Fe=0.95)を混合し、pH8.3に調整して第一鉄塩懸濁液を調製した。この際、ケイ素成分として、3号水ガラス(SiO2 28.8質量%)26.6g(Feに対してSi換算で0.50原子%に相当する。すなわち、Si/Fe(原子%)=0.50)を0.5Lのイオン交換水に希釈したものを、水酸化ナトリウムに添加した。上記第一鉄塩懸濁液を温度90℃において毎分70Lの空気を通気して、第一鉄塩の酸化反応率が12%になるところまで酸化反応を行い、マグネタイト核晶粒子を含む第一鉄塩懸濁液を得た。
上記マグネタイト核晶粒子を含む第一鉄塩懸濁液に3.0Nの水酸化ナトリウム溶液を適量加えpH10.5に調整し、温度90℃において毎分70Lの空気を通気して磁性酸化鉄コア粒子前駆体1を得た。
磁性酸化鉄コア粒子前駆体1を含む懸濁液に、ケイ素成分として3号水ガラスを、アルミニウム成分として1.9mol/Lの硫酸アルミニウム溶液を、それぞれSi/Fe及びAl/Feが表1に示す値になるように適量加えた。さらに希硫酸を加えpH5.8、懸濁液の温度を90℃に調整して被覆層を形成し、磁性酸化鉄1を得た。
磁性酸化鉄1の製造例において、製造条件を表1の如く調整することで磁性酸化鉄粒子2~6を得た。得られた磁性酸化鉄粒子2~6の組成値を表2に示す。
結着樹脂1を製造する際に使用されるポリエステルユニットを構成するモノマーを以下に列挙する。
・ビスフェノールAエチレンオキサイド(2.2mol付加物):80.0mol部
・エチレングリコール:20.0mol部
・テレフタル酸:100.0mol部
まず上記モノマーをポリエステルユニットを構成するモノマーの全量に対して95質量%、及び炭素数50の脂肪族モノアルコール(パラフィンワックスに水酸基を有する2級のモノアルコール、炭素数の平均値50)をポリエステルユニットを構成するモノマーの全量に対して5質量%となる成分100質量部を、チタンテトラブトキシド0.2質量部と共に5リットルオートクレーブに仕込んだ。そこに、還流冷却器、水分分離装置、N2ガス導入管、温度計及び撹拌装置を付し、オートクレーブ内にN2ガスを導入しながら230℃で重縮合反応を行った。尚、反応を行う際は、所望の軟化点になるように反応時間を調整した。反応終了後、容器から樹脂を取り出し、冷却、粉砕して結着樹脂1を得た。
結着樹脂2を製造する際に使用されるポリエステルユニットを構成するモノマーを以下に列挙する。
・ビスフェノールAエチレンオキサイド(2.2mol付加物):80.0mol部
・エチレングリコール:20.0mol部
・テレフタル酸:100.0mol部
上記モノマー100質量部をチタンテトラブトキシド0.2質量部と共に5リットルオートクレーブに仕込んだ。そこに、還流冷却器、水分分離装置、N2ガス導入管、温度計及び撹拌装置を付し、オートクレーブ内にN2ガスを導入しながら230℃で重縮合反応を行った。尚、反応を行う際は、所望の軟化点になるように反応時間を調整した。反応終了後、容器から樹脂を取り出し、冷却、粉砕して結着樹脂2を得た。
結着樹脂3を製造する際に使用されるポリエステルユニットを構成するモノマーを以下に列挙する。
・ビスフェノールAエチレンオキサイド(2.2mol付加物):100mol部
・テレフタル酸:100.0mol部
上記モノマー100質量部をチタンテトラブトキシド0.2質量部と共に5リットルオートクレーブに仕込んだ。そこに、還流冷却器、水分分離装置、N2ガス導入管、温度計及び撹拌装置を付し、オートクレーブ内にN2ガスを導入しながら230℃で重縮合反応を行った。尚、反応を行う際は、所望の軟化点になるように反応時間を調整した。反応終了後、容器から樹脂を取り出し、冷却、粉砕して結着樹脂3を得た。
・脂肪族炭化水素系ワックス:100mol部
・ホウ酸と無水ホウ酸混合物(ホウ酸mol部/無水ホウ酸mol部=1.5)
:2mol部
脂肪族炭化水素ワックス(最大吸熱ピーク温度125.1℃)を容器温度200℃にして溶融させ、ホウ酸と無水ホウ酸混合物を添加して、酸素濃度5体積%のO2/N2ガス中でワックスの酸化処理を行った。所望の酸価が得られるように酸化処理時間を調整した。酸化処理終了後、水を加えた後に精製を行って酸価を有するワックス1、2、3を得た。其々の酸価および示差走査熱量計(DSC)により測定される最大吸熱ピーク温度は以下のようであった。
ワックス1:30mgKOH/g、123.9℃
ワックス2:48mgKOH/g、122.3℃
ワックス3:6mgKOH/g、125.2℃
(トナーNo.1の製造例)
トナーNo.1の製造の際に用いられる材料を以下に示す。尚、表3に、用いられた結着樹脂と磁性酸化鉄粒子との組合せと質量部、トナーの軟化点を示す。
・結着樹脂1:46.0質量部
・ワックス1:4.0質量部
・磁性酸化鉄粒子1:50.0質量部
まず上記材料をヘンシェルミキサーで前混合した後、二軸混練押し出し機によって、溶融混練した。この時、混練された樹脂の温度が140℃になるように滞留時間をコントロールした。得られた混練物を冷却し、ハンマーミルで粗粉砕した後、ターボミルで粉砕し、得られた微粉砕粉末を、コアンダ効果を利用した多分割分級機(日鉄鉱業社製エルボジェット分級機)を用いて分級し、重量平均粒径(D4)が7.3μmのトナーを得た。該トナー100質量部に対し、疎水性シリカ微粉体(BET法で測定した窒素吸着による比表面積が140m2/g、疎水化処理としてヘキサメチルジシラザン処理)2.0質量部を外添混合し、目開き150μmのメッシュで篩い、トナーNo.1を得た。
本評価には、市販のデジタル複写機(image press 1135 キヤノン株式会社製)の定着器を外部に取り出し、定着ローラー温度を任意に設定可能とし、プロセススピードを1000mm/sに改造した評価機を用いた。常温常湿(23℃、50%RH)環境下で行った。評価紙は80g/m2紙(OCE BLACK LABEL、A4)を用いた。画像濃度が1.2になるようにimage press 1135の現像バイアスを設定してベタ黒未定着画像を9枚出力させた。次いで、定着器の温調を80℃から120℃まで5℃おきに変えて各温度で1枚づつ通紙した。定着させた画像を45mm×210mm幅となるように切り出し、長辺の中心から画像部が内側になるように二つ折りした状態とし150g/cm2の荷重をかけた。折り曲げ箇所をハケで擦った後の濃度を測定して、折り曲げ前の濃度と比較した。画像濃度は、X-Riteカラー反射濃度計(X-rite社製、X-rite 500Series)を用いて測定した。折り曲げ後の濃度を折り曲げ前の濃度で除した値を各定着温度に対してプロットして近似曲線を作成し、折り曲げ後の濃度を折り曲げ前の濃度で除した値が0.95以上となる温度を定着可能温度とした。
A:定着可能温度が95℃未満である。
B:定着開始温度が95℃以上100℃未満である。
C:定着開始温度が100℃以上105℃未満である。
D:定着開始温度が105℃以上110℃未満である。
E:定着開始温度が110℃以上である。
本評価には、市販のデジタル複写機(image press 1135 キヤノン株式会社製)のプロセススピードを1000mm/sに、定着温調を120℃に改造した評価機を用いた。評価紙は80g/m2紙(OCE BLACK LABEL、A4)を用いた。画像濃度が1.0になるように現像バイアスを設定してベタ黒画像を出力させた。新東科学株式会社の摩擦摩耗試験機トライボギアTYPE40を用いて、出力した画像を未使用の評価紙で荷重をかけながら摺擦し、擦り紙に付着したトナー量を評価した。摺擦条件は以下のようにした。
錘:500g
擦り紙との接触領域:2mm×20mm
摺擦速度:1000mm/分
摺擦距離:40mm
A:付着面積率が1.5%未満である。
B:付着面積率が1.5%以上2.5%未満である。
C:付着面積率が2.5%以上3.5%未満である。
D:付着面積率が3.5%以上4.0%未満である。
E:付着面積率が4.0%以上である。
本評価には、市販のデジタル複写機(image press 1135 キヤノン株式会社製)のプロセススピードを1000mm/sに、定着温調を120℃に、定着ローラーのクリーニング機構を取り外して改造した評価機を用いた。評価紙は80g/m2紙(OCE BLACK LABEL、A4)を用いた。画像濃度が1.0になるように現像バイアスを設定して、A4紙の短軸方向に幅45mmのパターンを出力させ、高温高湿(30℃、80%RH)環境下に於いて5000枚の画像を出力させた。その後に、定着ローラーを取り外して、画像パターンに対応した定着ローラー上のワックス付着量を、フーリエ変換赤外分光分析装置を用いて評価した。評価方法の詳細を以下に記した。
フーリエ変換赤外分光分析装置:Spectrum One:PerkinElmer社製)
測定モード:ATR法
赤外光(λ=5μm)の入射角:45°
ATR結晶:Ge(屈折率:4.0)
測定範囲:4000cm-1から600cm-1
取得波長幅:4.00cm-1
積算回数:16
A:Wp/Bpが0.01%未満である。
B:Wp/Bpが0.01%以上0.02%未満である。
C:Wp/Bpが0.02%以上0.04%未満である。
D:Wp/Bpが0.04%以上0.08%未満である。
E:Wp/Bpが0.08%以上
本評価には、市販のデジタル複写機(image RUNNER ADVANCE 8105 PRO キヤノン株式会社製)のプロセススピードを600mm/sに改造した評価機を用いた。各磁性トナーを用いて、高温高湿(30℃、80%RH)環境下に於いて10万枚耐久後、ハーフトーン(30H)画像を形成し、この画像のガサツキについて以下の基準に基づき評価した。用紙はCS-068 A4紙(坪量68.0g/m2、キヤノンマーケティングジャパン(株)より販売)を使用した。なお、30H画像とは、256階調を16進数で表示した値であり、00Hをベタ白(非画像)とし、FFHをベタ黒(全面画像)とするときのハーフトーン画像である。画像はデジタルマイクロスコープVHX-500(レンズワイドレンジズームレンズVH-Z100 キーエンス社製)を用い、ドット1000個の面積を測定した。ドット面積の個数平均(S)とドット面積の標準偏差(σ)を算出し、ドット再現性指数を下記式により算出した。
ドット再現性指数(I)=σ/S×100
A:Iが2.0未満
B:Iが2.0以上4.0未満
C:Iが4.0以上6.0未満
D:Iが6.0以上8.0未満
E:Iが8.0以上
本評価には、市販のデジタル複写機(image RUNNER ADVANCE 8105 PRO キヤノン株式会社製)のプロセススピードを600mm/sに改造した評価機を用いた。ハーフトーンムラの評価は、低温低湿(5℃、5%RH)環境下において、600dpiの解像度で2ドット3スペースのハーフトーン画像を出力し、得られた画像についてハーフトーン画質(現像の濃淡ムラ)を目視で評価した。
A:濃淡ムラは感じられない。
B:濃淡ムラがわずかにみられるが、ほぼ気にならない。
C:濃淡ムラが若干みられる。
D:濃淡ムラが確認できる。
E:濃淡ムラが非常に目立つ。
表3に記載の様に処方を変更し、それ以外は実施例1と同様にして、重量平均粒径(D4)が7.3μmのトナーNo.2~10を作製した。そして、トナーNo.2~10を実施例1と同様の方法で評価した。評価結果を表4に示した。
表5に記載の様に処方を変更し、それ以外は実施例1と同様にして、重量平均粒径(D4)が7.3μmのトナーNo.11~13を作製した。トナーNo.12のワックス4には、酸価を有していないフィッシャートロプッシュワックス(サゾール社製C105:吸熱ピークトップ温度104.8℃)を用いた。そして、トナーNo.11~13を実施例1と同様の方法で評価した。評価結果を表6に示した。
Claims (4)
- 結着樹脂、炭化水素ワックス、磁性酸化鉄粒子を含有する磁性トナーであって、
該磁性酸化鉄粒子の該トナー中における含有量が30質量%以上70質量%以下であり、
該磁性酸化鉄粒子は、ケイ素およびアルミニウムを含む被覆層を有し、
該磁性酸化鉄粒子は、
(i)球状磁性酸化鉄粒子と、
(ii)六面体状磁性酸化鉄粒子または八面体状磁性酸化鉄粒子
とを含有し、
該炭化水素ワックスは、カルボキシル基を有し、酸価が5mgKOH/g以上50mgKOH/g以下であることを特徴とする磁性トナー。 - 該磁性酸化鉄粒子中の該球状磁性酸化鉄粒子の割合が、1.0個数%以上30.0個数%以下である請求項1に記載の磁性トナー。
- 該磁性酸化鉄粒子の個数平均粒径が0.10μm以上0.30μm以下である請求項1または2に記載の磁性トナー。
- 該結着樹脂は、ポリエステル樹脂を含有し、該ポリエステル樹脂はアルコール成分としてエチレングリコールを含み、炭素数30以上102以下の脂肪族モノカルボン酸及び脂肪族モノアルコールから選択される少なくとも一種の脂肪族化合物が縮合されており、該脂肪族化合物は、該ポリエステル樹脂を構成するモノマーの全量に対して0.10質量%以上10質量%以下含有される請求項1から3のいずれか1項に記載の磁性トナー。
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