JP5607910B2 - 一成分トナー及びその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、一成分トナーおよびその製造方法に関する。
トナーを調製するための多くの方法が知られており、例としては、樹脂を顔料と溶融混練または溶融押出して、微粉化および粉末化してトナー粒子を得る従来の方法が挙げられる。トナーは乳化凝集法で作製することもできる。乳化凝集(EA)トナーの調製方法は当業者に公知であり、トナーは、乳化重合によって形成されたラテックスポリマーを着色剤と共に凝集させることで形成することができる。
トナーの方式は通常2つに分類される。すなわち、トナー粒子が摩擦電気的に付着した磁性キャリア粒子が現像剤材料に含まれる二成分方式と、一般的にトナーのみを使用する一成分方式である。一成分現像方式としては、磁性方式と非磁性方式の両方が知られている。磁性方式では、磁性物質を含むトナーが使用されるが、これは鮮明なカラー画像の現像を妨げることがあるため、非磁性方式が注目を集めている。
粉体電子写真現像方式で機能するラチチュードは、静電画像へのトナー粒子の供給し易さに大きく左右され得る。電界を介した画像の移動および現像を可能にするために行う粒子の荷電には、多くの場合、摩擦電気が利用される。摩擦帯電は、二成分現像(TCD)方式においてトナーをより大きなキャリアビーズと混合するか、一成分現像(SCD)方式においてブレードとドナーロールとの間でトナーをこすることにより生じ得る。
非磁性SCD方式では、トナーはトナー室(toner house)から供給ロール、次いで現像ロールに供給される。トナーは帯電/計量ブレード通過中に帯電される。非磁性SCD方式は、トナーを荷電するためにキャリアが現像室(development housing)中になくてもよいことから小型であるため、デスクトップ用カラーレーザープリンタ用に広く普及してきた。したがって、非磁性SCD方式では、TCD方式と比べてサイズの小さなカートリッジを利用することができ、一成分現像方式では、二成分方式と比べて、使用者がユニットを交換するためのコストが、場合により低減され得る。
米国特許第2,874,063号 米国特許第3,590,000号 米国特許第3,674,736号 米国特許第3,800,588号 米国特許第4,265,990号 米国特許第4,298,672号 米国特許第4,338,390号 米国特許第4,563,408号 米国特許第4,584,253号 米国特許第4,858,884号 米国特許第5,227,460号 米国特許第5,236,629号 米国特許第5,290,654号 米国特許第5,364,729号 米国特許第5,403,693号 米国特許第5,418,108号 米国特許第5,501,935号 米国特許第5,527,658号 米国特許第5,585,215号 米国特許第5,650,255号 米国特許第5,650,256号 米国特許第5,853,943号 米国特許第6,063,827号 米国特許第6,214,507号 米国特許第6,593,049号 米国特許第6,756,176号 米国特許第6,830,860号 米国特許第7,097,954号 米国特許出願公開第2006/0222991号
SCDには幾つかの問題点がある。1つ目は、従来のTCDトナーに比べて、トナー粒子の帯電量が小さく、帯電量分布が広いことである。これは、トナーがブレードと現像ロールとの間の隙間を通過する時間が非常に短いためである。帯電量が小さいと、高バックグラウンドおよび低現像性の原因となる。また、SCD用のトナーは微細物(fine)含量が高く、これは帯電量および印刷バックグランドに影響し得る。また、微細物含量が高いほど、帯電量分布が広くなる。
SCDの別の問題点として、経年に対するトナーの堅牢性ならびに電子写真装置において見られるAゾーン条件およびCゾーン条件等の極端な環境下でのトナーの堅牢性といった問題がある。ブレード下での高応力により、トナーがブレードまたは現像ロールに固着することがある。これは、トナーの帯電量およびトナー流動性を低下させることがある。非磁性トナーは帯電/計量ブレードを通過する際に荷電されるため、低帯電量および低流動性は、画像上の、残像発生(ゴースト:ghosting)、白スジ、低トナー濃度等の印刷欠陥を生じ得る。
したがって、優れた帯電特性および優れた計量供給(dispense)特性を有するトナー組成物が望まれている。
本発明によれば、一成分トナーおよびその製造方法が提供される。
本発明の一態様によれば、ラテックス樹脂と、体積平均粒径が約100nm〜約500nmの高分子スペーサ(large polymeric spacer)を含む少なくとも1種の表面添加剤と、を含む一成分トナーが提供される。
本発明の別の態様によれば、スチレンアクリレートポリマー、スチレンブタジエンポリマー、スチレンメタクリレートポリマー、およびこれらの組合せ等のラテックス樹脂と、ポリスチレン、フルオロカーボンポリマー、ポリウレタン、ポリオレフィン、ポリエステル、およびこれらの組合せ等から選択され、かつ体積平均粒径が約90nm〜約700nmである高分子スペーサを含む、少なくとも1種の表面添加剤と、を含む一成分トナーが提供される。
本発明の或る態様に係る方法は、分散液中の少なくとも1種のラテックス樹脂を、所望により採用してもよい着色剤、所望により採用してもよい界面活性剤、および所望により採用してもよいワックスと接触させて、小粒子を形成する工程、上記小粒子を凝集させる工程、上記小粒子を合一させてトナー粒子を形成する工程、上記トナー粒子を、ポリスチレン、フルオロカーボンポリマー、ポリウレタン、ポリオレフィン、ポリエステル、およびこれらの組合せ等から選択され、かつ体積平均粒径が約90nm〜約700nmである高分子スペーサを含む、少なくとも1種の表面添加剤と混合する工程、並びに上記トナー粒子を回収する工程を含み得る。
印刷試験データ、より具体的には、対照トナーと比較した、高分子スペーサ表面添加剤を含む本発明のトナーの、現像ロールから得られた母体トナーの電荷と質量の比(Q/M)を表すグラフである。
本発明によれば、優れた帯電特性および流動特性を有する一成分現像方式での使用に適したトナーが提供される。本発明のトナーは、表面添加剤としての非常に大きなポリマースペーサ添加剤を、必要に応じて表面添加剤としての有機帯電制御剤との組合せで、含み、これにより、従来技術で作製されたトナーと比べて優れた流動特性がトナーに付与され、目詰まり(clogging)の発生、および残像発生、白スジ、低トナー濃度等の印刷欠陥が低減される。
本発明のトナーは、顔料とラテックス樹脂との組み合わせを含んでいてもよい。ラテックス樹脂は当業者に公知の任意の方法で作製することができるが、実施形態によっては、半連続乳化重合等の乳化重合法でラテックス樹脂を調製してよく、トナーには乳化凝集トナーが含まれ得る。乳化凝集では、サブミクロンのラテックスおよび顔料粒子の両方をトナーサイズの粒子に凝集させ、例えば或る実施形態では粒径約0.1ミクロン〜約15ミクロンまで成長させる。
<樹脂>
トナーに用いるラテックスの調製に適した任意のモノマーを利用してよい。そのようなラテックスは従来の方法で作製することができる。前述したように、いくつかの実施形態では、乳化凝集によりトナーを作製してもよい。ラテックスエマルションの作成に使用され、該ラテックスエマルション中のラテックス粒子を形成する好適なモノマーの例としては、スチレン類、アクリレート類、メタクリレート類、ブタジエン類、イソプレン類、アクリル酸類、メタクリル酸類、アクリロニトリル類、およびこれらの組み合わせが挙げられるが、これらに限定されるものではない。
或る実施形態では、ラテックスの樹脂はポリマーを少なくとも1種含んでいてもよい。或る実施形態において、少なくとも1つとは約1〜約20であり、別の実施形態では約3〜約10であり得る。上記ポリマーの例としては、スチレンアクリレートポリマー、スチレンブタジエンポリマー、スチレンメタクリレートポリマー、及びこれらの組み合わせが挙げられる。
或る実施形態では、ラテックスとしてポリ(スチレン−ブチルアクリレート)を用いてもよい。このラテックスのガラス転移温度は、約35〜約75℃であり、実施形態によっては約40〜約70℃であり得る。
別の実施形態では、ラテックスの形成に用いられるポリマーは、米国特許第6,593,049号および同第6,756,176号(これらの開示全体はそれぞれ参照により本願に組み込まれる)に開示されている樹脂を含むポリエステル樹脂であってもよい。ポリエステル樹脂は、非晶性、結晶性、またはその両方であってもよい。好適な非晶性樹脂の例としては、米国特許第6,063,827号(その開示全体は参照により本願に組み込まれる)に開示されているものが挙げられる。好適な結晶性樹脂の例としては、米国特許出願公開第2006/0222991号(その開示全体は参照により本願に組み込まれる)に開示されているものが挙げられる。好適なラテックスの例としては、米国特許第6,830,860号(その開示全体は参照により本願に組み込まれる)に開示されているような、非晶性ポリエステル樹脂と結晶性ポリエステル樹脂との混合物も挙げられる。
更に、ビスフェノールAとプロピレンオキシドまたはプロピレンカーボネートとの反応産物から得られるポリエステル樹脂、特に、米国特許第5,227,460号(その開示全体は参照により本願に組み込まれる)に開示されているような、得られた産物をフマル酸と反応させて得られたポリエステルを含むポリエステル樹脂、ならびに、ジメチルテレフタレートを1,3−ブタンジオール、1,2−プロパンジオール、およびペンタエリスリトールと反応させて得られる分枝ポリエステル樹脂を用いてもよい。実施形態によっては、ラテックス樹脂として不飽和ポリエステル樹脂を用いてもよい。
<界面活性剤>
実施形態では、ラテックス樹脂は、界面活性剤または共界面活性剤(co−surfactant)を含む水相中に調製してもよい。ラテックス分散液を形成するために樹脂と一緒に用いることのできる界面活性剤は、固形分の約0.01〜約15重量パーセント、実施形態によっては固形分の約0.1〜約10重量パーセントの量のイオン性界面活性剤または非イオン性界面活性剤であってよい。
特定の界面活性剤またはその組合せの選定、およびそれぞれの使用量は当業者の範囲内である。
<開始剤>
或る実施形態では、ラテックスを形成するために開始剤を添加してもよい。
<連鎖移動剤>
或る実施形態では、ラテックスの形成に連鎖移動剤を用いてもよい。好適な連鎖移動剤としては、ドデカンチオール、オクタンチオール、四臭化炭素、およびこれらの組合せ等が挙げられ、その量は、本開示に従って乳化重合を行ったときにポリマーの分子量特性を制御するために、モノマーの約0.1〜約10パーセント、実施形態によっては約0.2〜約5重量パーセントである。
<安定化剤>
実施形態によっては、ラテックス粒子形成時に安定化剤を含ませると有利なことがある。好適な安定化剤としては、カルボン酸官能性を有するモノマーが挙げられる。そのような安定化剤は、次式(I)で表され得る:
式(I)中、R1は水素またはメチル基であり、R2およびR3は、独立して、炭素数約1〜約12のアルキル基またはフェニル基から選択され、nは約0〜約20の整数、或る実施形態では約1〜約10の整数である。このような安定化剤の例としては、ベータカルボキシエチルアクリレート(β−CEA)、ポリ(2−カルボキシエチル)アクリレート、2−カルボキシエチルメタクリレート、及びこれらの組み合わせが挙げられる。
或る実施形態では、カルボン酸官能性を有する安定化剤は、乳化重合の結果をより良くするために、ナトリウム、カリウム、および/またはカルシウム等の少量の金属イオンを含んでいてもよい。金属イオンの量は、カルボン酸官能性を有する安定化剤の約0.001〜約10重量パーセント、或る実施形態ではカルボン酸官能性を有する安定化剤の約0.5〜約5重量パーセントであり得る。
安定化剤が存在する場合、安定化剤はトナーの約0.01〜約5重量パーセント、或る実施形態ではトナーの約0.05〜約2重量パーセントの量で添加され得る。
<pH調節剤>
いくつかの実施形態では、乳化凝集プロセスの速度を調節するためにpH調節剤が添加されてもよい。本発明の方法に用いられるpH調節剤は、生成される産物に悪影響を与えない任意の酸または塩基であってよい。
<反応条件>
乳化凝集プロセスにおいて、反応物を混合容器等の好適な反応器に添加してもよい。適量のモノマーを少なくとも2種(実施形態によっては約2〜約10種のモノマー)、安定化剤、界面活性剤(1種または複数種)、開始剤(所望により)、連鎖移動剤(所望により)、およびワックス(所望により)等を反応器内で混合して、乳化凝集プロセスを開始させてもよい。好適なワックスについては、トナー粒子の形成において添加される成分として後述するが、このようなワックスもまた、実施形態によってはラテックス樹脂の形成に有用であり得る。乳化重合を行うために選択する反応条件には、例えば約45〜約120℃、或る実施形態では約60〜約90℃の温度が含まれる。或る実施形態では、重合化は、ワックスが軟化されることでエマルション中への分散および混入が促進されるように、存在する任意のワックスの融点より約10パーセントまで高い温度、例えば約60〜約85℃、或る実施形態では約65〜約80℃で行ってもよい。
ブルックヘブン(Brookhaven)のナノサイズ粒子分析機等で求められる体積平均粒径が約50nm〜約800nm、或る実施形態では体積平均粒径が約100nm〜約400nmのナノメートルサイズの粒子を形成してもよい。
ラテックス粒子形成後、このラテックス粒子をトナーの形成に用い得る。或る実施形態では、トナーは、本発明のラテックス粒子を、着色剤と、界面活性剤、安定化剤、凝固剤(coagulant)、ワックス、表面添加剤、および所望によりこれらの組合せから選ばれる少なくとも1つの添加剤と、一緒に凝集および溶融することで調製される乳化凝集トナーであってもよい。
<着色剤>
上記のようにして作製したラテックス粒子に着色剤を添加してトナーが作製され得る。或る実施形態では、着色剤は分散液に含まれていてもよい。着色剤分散液は、例えば、体積平均粒径が約50nm〜約500nm、或る実施形態では体積平均粒径が約100nm〜約400nmのサイズのサブミクロン着色剤粒子を含んでいてもよい。着色剤粒子は、陰イオン界面活性剤、非イオン界面活性剤、またはこれらの組合せを含む水性水相(aqueous water phase)に懸濁されていてもよい。好適な界面活性剤としては、前述した界面活性剤が挙げられる。或る実施形態では、界面活性剤はイオン性であってもよく、分散液中に着色剤の約0.1〜約25重量パーセント、実施形態によっては着色剤の約1〜約15重量パーセントの量で存在し得る。
着色剤は、本発明のトナー中に、トナーの約1〜約25重量パーセント、実施形態によってはトナーの約2〜約15重量パーセントの量で存在し得る。
分散液中にあってもよい、得られたラテックスと着色剤分散液とを撹拌し、約35〜約70℃の温度、実施形態によっては約40〜約65℃の温度に加熱し、体積平均粒径が約2〜約10ミクロン、実施形態によっては体積平均粒径が約5〜約8ミクロンのトナー凝集体を得ることができる。
<凝固剤>
或る実施形態では、ラテックスおよび水性着色剤分散液を凝集させる間、またはその前に、凝固剤を添加してもよい。凝固剤は、処理条件に応じて、約1分〜約60分、実施形態によっては約1.25分〜約20分の時間をかけて添加され得る。
<ワックス>
乳化凝集合成におけるラテックスまたはトナーの形成中に、ワックス分散液を添加してもよい。好適なワックスとしては、例えば、水およびイオン性界面活性剤、非イオン界面活性剤、またはその組合せを含む水相に懸濁された、体積平均粒径が約50nm〜約1000nm、実施形態によっては約100nm〜約500nmのサイズ範囲のサブミクロンのワックス粒子が挙げられる。好適な界面活性剤としては、前述した界面活性剤が挙げられる。イオン性界面活性剤または非イオン界面活性剤の量は、ワックスの約0.1〜約20重量パーセント、実施形態によっては約0.5〜約15重量パーセントであり得る。
或る実施形態では、ワックスを官能化してもよい。
ワックスの量は、トナーの約0.1〜約30重量パーセント、実施形態によっては約2〜約20重量パーセントであってよい。
<凝集剤>
錯体形成を生じさせることのできる任意の凝集剤を本発明のトナーの形成に用いてよい。アルカリ土類金属または遷移金属のどちらの塩も凝集剤として用いることができる。或る実施形態では、ラテックス樹脂コロイドを着色剤と一緒に凝集させるのにアルカリ(II)塩を選択して、トナー複合体を形成することができる。
<pH調節剤>
いくつかの実施形態では、ラテックス、着色剤、および所望により採用してもよい添加剤にpH調節剤を添加して乳化凝集プロセスの速度を調節してもよい。本発明の方法に用いられるpH調節剤は、生成される産物に悪影響を与えない任意の酸または塩基であってよい。
所望する最終的なサイズのトナー粒子が得られた後、塩基を用いて、混合物のpHを約3.5〜約7、実施形態によっては約4〜約6.5に調節してもよい。
その後、分散液中にあってもよいラテックスと、安定化剤と、所望により採用してもよいワックスと、着色剤分散液と、所望により採用してもよい凝固剤と、所望により採用してもよい凝集剤との得られたブレンドを撹拌し、ラテックスのTg(ガラス転移温度)より低い温度、或る実施形態では約30〜約70℃、別の実施形態では約35〜約65℃の温度で、約0.2〜約6時間、或る実施形態では約0.3〜約5時間の間加熱することで、凝集粒子が形成され得る。
或る実施形態では、その後、合一前に、凝集粒子上に所望によりシェルを形成してもよい。シェルラテックスを用いる場合、シェルラテックスは、浸漬(ディッピング)、スプレー等の当業者に公知の任意の方法で付与することができる。或る実施形態では、凝集粒子に更なるラテックスを添加し、この更なるラテックスを粒子表面上で凝集させて、それによって粒子を覆うシェルが形成されるようにすることでシェルを付与してもよい。前述した樹脂を初めとする当業者に公知の任意の樹脂をシェルラテックスとして用いることができる。実施形態によっては、スチレン−n−ブチルアクリレートコポリマーを用いてシェルラテックスを形成してもよい。実施形態では、シェルの形成に用いられるラテックスのガラス転移温度は約35〜約75℃、或る実施形態では約40〜約70℃であり得る。
シェルラテックスは、所望する最終サイズのトナー粒子、或る実施形態では約2ミクロン〜約10ミクロン、別の実施形態では約4ミクロン〜約8ミクロンのトナー粒子が得られるまで付与され得る。
<合一>
その後、凝集粒子を合一させる。合一は、撹拌、および約80〜約99℃の温度での約0.5時間〜約12時間、或る実施形態では約1時間〜約6時間の加熱を含み得る。更に撹拌することで合一を促進してもよい。
或る実施形態では、合一プロセス開始時に、ラテックス、着色剤、所望により採用してもよいワックス、および任意の添加剤の混合物に遷移金属粉末および/または遷移金属塩を添加してもよい。
<その後の処理>
或る実施形態では、その後、トナー凝集体を更に合一させるために、例えば酸を用いて混合物のpHを約3.5〜約6、実施形態によっては約3.7〜約5.5に低下させてもよい。添加する酸の量は、混合物の約0.1〜約30重量パーセント、実施形態によっては混合物の約1〜約20重量パーセントであり得る。
混合物を冷却、洗浄、および乾燥してもよい。冷却は、約20〜約40℃の温度、実施形態によっては約22〜約30℃の温度で、約1〜約8時間、実施形態によっては約1.5〜約5時間かけて行われ得る。
或る実施形態では、合一したトナースラリーの冷却には、例えば氷、ドライアイス等の冷却媒体を添加して約20〜約40℃、実施形態によっては約22〜約30℃に速やかに冷却することによる急冷が含まれてもよい。急冷は、例えば約2リットル未満、実施形態によっては約0.1〜約1.5リットルの少量のトナーに適し得る。例えば約10リットルを超えるようなより大きなスケールのプロセスでは、トナー混合物の急冷は、トナー混合物に冷却媒体を導入するにしても、ジャケットを装着して反応器を冷却するにしても、適していないか、または実用的でない。
次いで、トナースラリーを洗浄してもよい。洗浄は、pH約7〜約12、実施形態によってはpH約9〜約11で行ってよい。洗浄温度は、約30〜約70℃、実施形態によっては約40〜約67℃であってよい。洗浄は、濾過、およびトナー粒子を含む濾過ケークの脱イオン水での再スラリー化を含み得る。濾過ケークは、脱イオン水で1回または複数回洗浄してもよく、あるいは、スラリーのpHを酸で約4に調節して脱イオン水で1回洗浄し、その後所望により脱イオン水で1回または複数回洗浄してもよい。
乾燥は、約35〜約75℃の温度、実施形態によっては約45〜約60℃の温度で行われ得る。乾燥は、粒子の水分率が、設定した目標値である約1重量%を下回るまで、或る実施形態では約0.7重量%未満になるまで続けられ得る。
<スペーサ>
或る実施形態では、上記のようにして形成したトナー粒子に、表面添加剤としてスペーサ分子を添加してもよい。或る実施形態では、そのような添加剤は合一後に添加されてもよい。本明細書において、本明細書中の実施形態で「高分子スペーサ」とも呼ばれる大きな高分子表面添加剤は、約90nm〜約700nm、或る実施形態では約100nm〜約500nm、別の実施形態では約100nm〜約300nmの体積平均粒径を有し得る。
好適な高分子スペーサの例としては、ポリスチレン類;フルオロカーボンポリマー類;ポリウレタン類;高分子量ポリメチレン類、高分子量ポリエチレン類、及び高分子量ポリプロピレン類を含むポリオレフィン類;及びアクリレート類、メタクリレート類、及びメチルメタクリレート類を含むポリエステル類などのポリマー、並びにこれらの組み合わせが挙げられる。高分子スペーサの具体例としては、ポリメチルメタクリレート、スチレンアクリレートポリマー、ポリスチレン、フッ素化メタクリレートポリマー、フッ素化ポリメチルメタクリレート、及びこれらの組み合わせが挙げられる。
高分子スペーサは、トナー粒子の約0.01〜約1.25重量%、或る実施形態ではトナー粒子の約0.1〜約1重量パーセントの量で存在するように添加され得る。
いくつかの実施形態では、高分子スペーサは、表面処理されてもよい。
ブレンド、混合、ロールミル、それらの組合せ等の当業者に公知の任意の方法を用いて高分子スペーサをトナー粒子と混合し、トナー粒子の表面に高分子スペーサが付着するようにしてもよい。或る実施形態では、約800〜3800毎分回転数(rpm)、実施形態によっては約1400〜3200rpmの速度で、約5分〜約25分間、実施形態では約7分〜約15分間混合することで、高分子スペーサをトナー粒子と混合してもよい。
その結果得られた、スペーサを有する粒子は、ブルナウアー−エメット−テラー(BET)の方法で求められる表面積が約0.80〜約3.5m2/g、実施形態では約0.98〜約1.5m2/gであり得る。
<その他の添加剤>
或る実施形態では、トナー粒子は、所望により、または必要であれば、その他の所望により採用してもよい添加剤を含んでいてもよい。例えば、トナーは、更なる正電荷制御剤又は負電荷制御剤を、トナーの約0.1〜約10重量%の量、実施形態によってはトナーの約1〜約3重量%の量含んでいてよい。電荷制御剤(CCA:charge controlling agent)の例としては、BONTRON(登録商標) E−84又はBONTRON(登録商標) E−88(保土谷化学工業株式会社製)等のアルミニウム塩が上げられる。BONTRON E−84は、粉体状の3,5−ジ−tert−ブチルサリチル酸の亜鉛錯体であり、BONTRON E−88は、ヒドロキシアルミニウムビス[2−ヒドロキシ−3,5−ジ−tert−ブチルベンゾエート]と3,5−ジ−tert−ブチルサリチル酸の混合物である
トナー粒子を、流動性向上添加剤(flow aid additive)等の外添剤粒子とブレンドしてもよく、この添加剤はトナー粒子表面に存在し得る。
実施形態によって、利用される添加剤のサイズは異なっていてもよい。したがって、実施形態によって、上記の高分子スペーサに加えて利用される添加剤は、その添加剤に応じて、約5nm〜約600nmの体積平均粒径を有し得る。
ステアリン酸亜鉛およびステアリン酸カルシウムは更に大きくてもよく、体積平均粒径が約200nm〜約10μm、或る実施形態では約1μmであってもよい。
高分子スペーサに加えて更なる添加剤を利用する場合、高分子スペーサは、トナーの約0.05〜約1重量%、或る実施形態ではトナーの約0.1〜約0.5重量%の量で存在してもよい一方、第2の添加剤(上記更なる添加剤)は、トナーの約0.05〜約0.8重量%、或る実施形態ではトナーの約0.1〜約0.3重量%の量で存在してよい。或る実施形態では、第3またはそれ以上の添加剤、例えば相対湿度特性を制御するための二酸化チタンが、トナーの約0.01〜約0.3重量%、実施形態によっては約0.05〜約0.15重量%含まれてもよい。所望の性能およびハードウェアの相互作用に応じて、その他の添加剤もブレンド中に使用することができる。
上記表面添加剤を用いてトナーの帯電量および帯電量分布を最適化してもよい。
実施形態では、所望によりその他の添加剤と組み合わせて、高分子スペーサをブレンドすることで、トナーに摩擦帯電が付与され得る。したがって、本発明のトナーは、約40〜約90μC/g、実施形態によっては約50〜約80μC/gの摩擦帯電を有し得る。
トナー粒子の帯電量が増大すると、必要な表面添加剤の量が少なくなるため、最終的なトナーの帯電量が大きくなり、機械の電荷要件が満たされ得る。
<トナー粒子>
本開示に従って作製されたトナーは、極端な相対湿度(RH)条件に曝された際に優れた帯電特性を有し得る。低湿度ゾーン(Cゾーン)は約10℃/15%RHであり、高湿度ゾーン(Aゾーン)は約28℃/85%RHである。本開示のトナーは、母体トナーの電荷対質量比(Q/M)が、約−3〜約−35μC/g、表面添加剤ブレンド後の最終的なトナーの帯電量が−5〜約−50μC/gとなり得る。
本開示に従って作製されたトナーのメルトフローインデックス(MFI)は、プラストメーターの使用を初めとする当業者に公知の方法で求めることができる。
本明細書において使用されるMFIとしては、或る実施形態において、例えば、特定の負荷(例えば、5kg)を与えたときに、長さL、直径Dのオリフィスを10分間に通過するトナーの重量(グラム)が挙げられる。したがって、MFI単位が「1」であることは、上記特定条件下で10分間にオリフィスを通過したトナーが1グラムだけであることを指す。したがって、本明細書において「MFI単位」とは、10分間毎のグラム単位を指す。
本開示のトナーをこの手法に供した場合、トナーの形成に用いた顔料に応じて、MFIは異なり得る。或る実施形態では、本発明のブラックトナーのMFIは約30〜約50g/10分、実施形態によっては約36〜約47g/10分であり;シアントナーのMFIは約30〜約50g/10分、実施形態によっては約36〜約46g/10分であり;イエロートナーのMFIは約12〜約50g/10分、実施形態によっては約16〜約35g/10分であり;マゼンタトナーのMFIは約45〜約55g/10分、実施形態では約48〜約52g/10分であり得る。
電子写真装置において、トナーが定着ロールに付着しない最低温度をコールドオフセット温度といい、トナーが定着ロールに付着しない最高温度をホットオフセット温度という。定着温度がホットオフセット温度を超えると、定着中に溶融トナーの一部が定着ロールに付着し、その後、基体に転移する(「オフセット」として知られる現象)結果、例えば画像が不鮮明(blur)になる。トナーのコールドオフセット温度とホットオフセット温度の間に最低定着温度(minimum fix temperature:MFT)があり、これは支持媒体へのトナーの付着が受容可能な範囲である最低温度である。最低定着温度とホットオフセット温度の差を定着ラチチュード(fusing latitude)という。当業者に理解されるように、トナーのレオロジーは、特に高温において、結着樹脂の形成に用いられるポリマー鎖の長さ、並びに結着樹脂中の架橋形成またはポリマーネットワークの形成に影響され得る。
本発明のトナーのコールドオフセット温度は約130℃より高く、或る実施形態では約130〜約140℃、別の実施形態では約134〜約137℃であり、ホットオフセット温度は約180℃より高く、或る実施形態では約190〜約210℃、別の実施形態では約195〜約205℃であり得る。本発明のトナーの最低定着温度は約135〜約170℃、或る実施形態では約140〜約160℃であり得る。
本発明の非磁性SCDトナー粒子の体積平均粒径は約4ミクロン〜約8ミクロン、実施形態によっては約5ミクロン〜約7ミクロンであり得る。Layson Cell粒子分析装置により求められる、本発明のトナーの数平均粒度分布(geometric size distribution)(GSDn)および/または体積平均粒度分布(GSDv)は約1.1〜約1.35、実施形態によっては約1.15〜約1.25であり得る。
トナー粒子の特性は、任意の好適な技術および装置を用いて求めることができる。体積平均粒径D50v、GSDv、およびGSDnは、ベックマンコールター社製Multisizer3等の測定機器をメーカーの取扱説明書に従って用いることで測定することができる。典型的なサンプリングは以下のようにして行われ得る:例えば、少量のトナーサンプル(約1グラム)を取り、25マイクロメートルの篩(screen)を通して濾過し、次いで等張液に入れて濃度を約10%にし、その後、このサンプルをベックマンコールター社製Multisizer3にかける。
本発明の非磁性SCDトナー粒子の真円度は約0.9〜約0.99(例えばシスメックス社製FPIA2100分析装置で測定したとき)であり得る。
本発明の非磁性一成分現像トナーの動粘度は約102〜約106ポアズ、実施形態によっては約103〜約105ポアズであり得る。更に、本発明の非磁性SCDトナーの、10rad/秒、120℃で測定される弾性係数は約103〜約106dyne/cm2、実施形態では約104〜約105dyne/cm2であり得る。
前述したように、実施形態によって、本発明のトナーは、非磁性一成分現像剤等の種々の現像剤のトナー成分として用いることができる。洗浄または乾燥後に、本発明のトナー組成物に前述の高分子スペーサ等の表面添加剤を添加することができる。表面添加剤は非磁性SCDトナーにおいて重要な役割を果たし得る。トナー粒子が帯電/計量ブレードと現像ロールとの間のニップにおいて圧縮および剪断されると、トナー粒子は現像性を失い始める。したがって、CRUライフを通してトナーの帯電性および流動性を維持することが重要である。
本発明のトナーの更なる特性は、粒子の優れた凝集性(cohesivity)である。凝集性が大きいほど、トナー粒子は流動しにくくなる。凝集性は、当業者に公知の方法を利用して求めることができ、或る実施形態では、既知の質量のトナー(例えば2グラム)を3つ程度の篩のセット(例えば、上から順に約53ミクロン、約45ミクロン、約38ミクロンの篩メッシュ)の上に置き、篩およびトナーを所定の振動幅で所定の時間(例えば約1ミリメートルの振動幅で約115秒間)振動させる。トナーの凝集値は、振動時間の最後に各篩上に残っているトナーの量に関係する。凝集値100%とは、振動工程の最後に全てのトナーが最上部の篩に残っていることを示し、凝集値0とは、3つの篩全てを全トナーが通過したこと、すなわち振動工程の最後に3つの篩のいずれの上にもトナーが残っていないことを示す。凝集値が高いほど、トナーの流動性は低いことになる。
HOSOKAWAのパウダーテスターを用いて上記のように決定される本発明のトナーの凝集性は、本発明のトナーを用いた全ての色において、例えば約5〜約40%、実施形態によっては約8〜約28%であり得る。
<用途>
本発明に係るトナーは、印刷機、複写機等の種々の画像形成デバイスに使用することができる。本開示に従って作製されたトナーは、画像形成方法、特に約90パーセントを超えるトナー転写効率で作動し得るゼログラフィー法等の電子写真方法にとって優れたトナーであり、そのような方法には、例えばクリーナーを備えていない小型機器用に設計された方法または優れた画像解像度、受容可能な信号対雑音比、および画像均一性を有する高品質カラー画像を提供するようにデザインされた方法がある。更に、本発明のトナーは、デジタル画像形成のシステムおよびプロセスを初めとする電子写真画像形成・印刷プロセスに選択することもできる。
画像形成方法は、電子印刷装置における画像生成、およびその後の本発明のトナー組成物を用いた画像の現像を含む。静電手段による光導電性(photoconductive)材料表面での画像の形成および現像は当業者に公知である。基本的なゼログラフィー法では、光導電性絶縁層に均一に静電荷を配置し、この層を光と影からなる画像に露光してこの層の光に曝された領域の電荷を消失させ、得られた静電潜像を、当該技術分野で「トナー」と呼ばれる細かく粉砕された検電(electroscopic)材料を画像上に堆積させて現像する。トナーは通常、上記層の放電された領域に引き寄せられ、それによって静電潜像に対応するトナー画像が形成される。次いで、この粉体による画像は紙等の支持体表面に転写され得る。転写された画像は続いて、熱によって支持体表面に永久的に固定され得る。
現像は、放電領域の現像を介して起こり得る。放電領域の現像では、感光体が帯電され、次いで、現像されるべき領域が放電される。現像電界およびトナー電荷は、トナーが感光体上の帯電領域で排斥されて放電された領域に引き寄せられるようになっている。この現像法はレーザースキャナで利用されている。
別の実施形態では、現像は、米国特許第2,874,063号に開示されている磁気ブラシ現像法で行ってもよい。この方法は、本発明のトナーと磁性キャリア粒子とを含有する現像剤材料を磁石を用いて移動させることを伴う。磁石の磁場により磁性キャリアがブラシ様の形状に整列させられ、この「磁気ブラシ」を、静電像を担持する感光体表面と接触させる。感光体の放電された領域への静電引力によってトナー粒子がブラシから静電画像に移動し、その結果、画像が現像される。或る実施形態では、導電性磁気ブラシ法であって、現像剤が導電性キャリア粒子を含み、かつバイアスをかけた磁石間でキャリア粒子を介して電流を感光体へと伝導することができる方法が用いられる。
<画像形成>
本明細書に開示されているトナーを用いた画像形成方法も想定される。画像形成法は、電子印刷磁気画像特性認識装置における画像の生成、およびその後の本発明のトナー組成物を用いた画像の現像を含む。静電手段による光導電性材料表面での画像の形成および現像は当業者に公知である。基本的なゼログラフィー法では、光導電性絶縁層に均一に静電荷を配置し、この層を光と影からなる画像に露光して、この層の光に曝された領域の電荷を消失させ、得られた静電潜像を、細かく粉砕された検電材料、例えばトナーを、画像上に堆積させて現像する。トナーは通常、層の電荷保持領域に引き寄せられ、それによって静電潜像に対応するトナー画像が形成される。次いで、この粉末による画像は紙等の支持体表面に転写され得る。転写された画像は続いて、熱によって支持体表面に永久的に固定され得る。光導電層を均一に帯電させた後、この層を光と影からなる画像に露光することにより静電画像を形成する代わりに、この層を画像形状に直接帯電させることで静電画像を形成してもよい。その後、粉末画像を光導電層に定着させ、粉体画像の転移が防止してもよい。溶媒処理またはオーバーコーティング処理等のその他の好適な定着手段で、前述の熱定着工程に代えてもよい。
以下に、本発明の実施形態を記載する。
<1> ラテックス樹脂、および
体積平均粒径が100nm〜500nmの高分子スペーサを含む少なくとも1種の表面添加剤
を含む一成分トナー。
<2> 前記ラテックス樹脂が、スチレンアクリレートポリマー、スチレンブタジエンポリマー、スチレンメタクリレートポリマー、ポリエステル、およびこれらの組合せからなる群から選択され、
前記高分子スペーサが、ポリスチレン、フルオロカーボンポリマー、ポリウレタン、ポリオレフィン、ポリエステル、およびこれらの組合せからなる群から選択される、
<1>に記載の一成分トナー。
<3> 前記高分子スペーサが、トナー粒子の0.01〜1.25重量%の量で存在する、高分子量ポリメチレン、高分子量ポリエチレン、高分子量ポリプロピレン、ポリメチルメタクリレート、スチレンアクリレートポリマー、ポリスチレン、フッ素化ポリメチルメタクリレート、およびこれらの組合せからなる群から選択される、<1>又は<2>に記載の一成分トナー。
<4> スチレンアクリレートポリマー、スチレンブタジエンポリマー、スチレンメタクリレートポリマー、およびこれらの組合せからなる群から選択されるラテックス樹脂;ならびに
ポリスチレン、フルオロカーボンポリマー、ポリウレタン、ポリオレフィン、ポリエステルおよびこれらの組合せからなる群から選択され、かつ体積平均粒径が90nm〜700nmである高分子スペーサを含む、少なくとも1種の表面添加剤
を含む一成分トナー。
<5> 分散液中の少なくとも1種のラテックス樹脂を、着色剤、界面活性剤、及びワックスから選択される少なくとも1種と接触させて、小粒子を形成する工程;
前記小粒子を凝集させる工程;
前記小粒子を合一させてトナー粒子を形成する工程;
前記トナー粒子を、ポリスチレン、フルオロカーボンポリマー、ポリウレタン、ポリオレフィン、ポリエステルおよびこれらの組合せからなる群から選択され、かつ体積平均粒径が90nm〜700nmである高分子スペーサを含む、少なくとも1種の表面添加剤と混合する工程;並びに
前記トナー粒子を回収する工程
を含む、一成分トナーの製造方法。
EAトナー粒子を以下のようにバッチプロセスで作製した。ラテックス1を以下のように作製した。ステンレス鋼製撹拌機、凝縮器、窒素注入口、温度計、I2R熱電対アダプター、および内部冷却コイルを備えた2ガロン(7.57L)容の反応器に以下の材料を加えた:約2902グラムの脱イオン水および約41グラムのドデシルジフェニルオキサイドジスルホン酸ナトリウムを投入し、内部温度を約75℃にした。これを、酸素を置換するための窒素気流下にて、約150rpmで最低約30分間撹拌した。
約1581グラムのスチレン、約58グラムのベータカルボキシエチルアクリレート(β−CEA)、約7グラムのドデカンジオールジアクリレート(A−DOD)、約7.25グラムのドデカンチオール、および約354グラムのブチルアクリレートの混合物を、別の混合容器中で高剪断条件下で分散させることで作製し、均一なエマルションを形成した。
次いで、反応器に上記のエマルション約30グラムを種モノマーとして投入した。種モノマーを約10分間撹拌し、モノマーを界面活性剤を用いて水相中に拡散させた。重合化を開始させるために、約144mLの脱イオン水に溶解した約29グラムの過硫酸アンモニウム(APS)混合物を反応器に添加した。開始すれば白い雲様の外観から容易に分かり、開始後、混合容器の残りの均一化したエマルションを速度を制御しながら供給し、粒子を所望のサイズである約190nm〜約260nmまで成長させた。モノマーの添加が完了した後、重合化を約75℃で約2時間続け、モノマーを完全にポリマーに変換した。
得られたラテックスであるラテックス1(スチレン/ブチルアクリレート樹脂)は、GPCおよびDSCにより求めたMw(重量平均分子量)が約55kpseであり、Tgが約55℃であった。
トナーの合成:
E/Aトナー配合物を上記のスチレン/ブチルアクリレート樹脂(ラテックス1)を用いて作製した。以下の成分を最初に均質化し、次いで60℃で混合した:上記樹脂、顔料(ピグメントイエロー74、ピグメントブルー15:3、リーガル330ブラック、ならびにピグメントレッド122およびピグメントレッド238の混合物などの着色剤)、ポリエチレンワックス、およびポリ塩化アルミニウム(またはその他の凝固剤)。混合物中の粒子を、所望のサイズである約5.6μmに成長させた。次いで、適切な粒子サイズである約7μm〜約8μmに達するまで、外側シェルを付与し、その後、水酸化ナトリウム等の塩基を添加して成長を停止し、pHを約4.5に調整した。次いで、粒子を約98℃の高温でポテト状(potato shape)になるまで合一させた(マルバーン・シスメックスFPIA e3000を用いて測定)。次いで、粒子を湿式篩にかけ(wet sieved)、濾過により洗浄し、凍結乾燥した。
次いで、得られた粒子を取り、エスプリテクノロジー社(Esprix technologies)からエスプリ(ESPRIX)1451として市販されている、サイズが約150nmのポリメチルメタクリレート(PMMAスペーサ)等の高分子スペーサを加えて、トナーとしてブレンドした。その他のスペーサ、例えば小シリカ(オクチルシラン処理された12nmのシリカ)、中シリカ(40nmのポリジメチルシロキサン(PDMS))、小チタニア(15nmのルチルチタニア)を加えて、異なるトナーを形成した。10リットル容のヘンシェルブレンダー中で種々の量をブレンドすることでトナーを形成した。
次いで、最初の使用(FOCまたは実地1サイクル)後の、上記トナーを含む詰め替えカートリッジを使用したヒューレット・パッカード社製3800SCD機中でトナーを試験に供した(周囲条件および低相対湿度(RH)条件、連続印刷サイクル)。シリカのみを表面添加剤として含むヒューレット・パッカード社のOEMトナー(HP OEMトナー)を、対照として同じ条件下で試験した。
1.25%小シリカおよびエスプリテクノロジー社の0.3%エスプリ1451を用いた配合物の試験では、バックグラウンドが低く、トナー添加剤の蓄積(TAB)がなく、色ムラがわずかであり、クリーニングに欠陥がないことが示された(以下の表1を参照)。現像剤から得られたQ/M(電荷対質量比)を以下の表1に要約する。
上記表1において、「小シリカ」は12nmのシリカ(オクチルシラン)であり、「小チタニア」は15nmのルチルチタニアであり、「中シリカ」は40nmのシリカ(PDMS)である。また、「小シリカ、小チタニア」は、小シリカ及び小チタニアを含む組成物であり、「PMMAスペーサ、小シリカ」は、PMMAスペーサ及び小シリカを含む組成物であり、「中シリカ、小シリカ」は、中シリカ及び小シリカを含む組成物である。
OEMトナーにおける「C」、「Y」、「M」、「K」はそれぞれ、「シアントナー」、「イエロートナー」、「マゼンタトナー」、「ブラックトナー」を示す。実施例1ではブラックトナー(K)を使用した。
「kp」は「1000ページ」を示し、表1において「0kp」の行は、印刷前(すなわち、印刷数が0であるときの)電荷対質量比(Q/M)を示し、「4kp」の行は、4000枚印刷後の電荷対質量比(Q/M)を示す。
添加剤パッケージを用いた印刷試験および性能測定から更なるデータを生成した。結果を以下の表2に示す。種々の添加剤パッケージの5つのサンプルを試験した(試験1〜試験5)。粒径約7μm、真円度約0.98のスチレン/ブチルアクリレート樹脂を含むヒューレット・パッカード社製OEMトナーを対照とした。このトナーは、ピグメントイエロー93、ピグメントレッド122の組合せ、ピグメント15:3、およびカーボンブラックを含む。また、このトナーは、約1.2%の小さな表面シリカが堅く結合したものであった。
表2において、小添加剤は、小シリカ(12nmシリカ(オクチルシラン))であり、CCA(電荷制御剤)は、BONTRON(登録商標)E−88(保土谷化学工業株式会社製)である。
表2における試験3〜試験5ではそれぞれ、2つのサンプルについて調べた。
また、表2における「レベル」は欠陥の深刻さを示し、より高いレベルはより重大な欠陥を有することを示す。なお、レベル2より低いレベル(すなわち、レベル0又は1)が許容レベルであり、表2において「可」(acceptable)として示されている。
印刷試験のデータを図に示す。図は、ブラックトナーの現像ロールから得られたQ/Mのグラフである。ひし形は、BONTRON E−88およびエスプリ社(ESPRIX)製材料の両方を含むトナーを表し、低量でも帯電量が増加した。三角は、BONTRON E−88のみを含むトナーを表す。データはSCDプリンタ上で得られたものである。印刷物を以下のことについて調べた:ベタ領域の濃度(solid area density:SAD);サンプル数に基づくバックグラウンド(レベル0では観察されず、レベル4が最も悪い)の割合;印刷欠陥を生じる、トナー添加剤の蓄積(TAB);クリーニングは、機械で除去されず印刷物に染みとなったものの程度を示し;色ムラは、画像の均一性不良を示し;リロードは、トナーの流動性不良、及び明暗パターンの差の程度を示し;生産力(yield)は、カートリッジ1つ当たりの印刷数を示し;フィルミングは、機械中に添加剤が蓄積することにより生じる印刷欠陥であり、画像品質を低下させることを示す。
図は、非常に大きなスペーサが含まれると、ドクターブレードの荷電が促進される結果、Q/Mが大きくなり、それによってベタおよびバックグラウンドが改善されることを示している。シアントナー配合物はOEMトナーと同様な性能を有し、優れた濃度および寿命成績を示した。イエロートナー配合物(シアン添加剤パッケージと同じ)は、良好な濃度および寿命特性を示し、OEMトナーと同様の特性を示した。データから、非常に大きなスペーサが含まれると、ドクターブレードの荷電が促進される結果、Q/Mが大きくなり、それによってベタおよびバックグラウンドが改善されることが示された。
1.25%シリカと0.3%PMMAスペーサを用いたブラックトナー配合物は、寿命の最後のバックグラウンド、寿命を通してのTAB(トナー添加剤の蓄積)、および色ムラにおいて問題があった。0.05%CCAを含む配合物では改善が見られたが、やはりTABの問題が顕著であった。CCAを更に0.2%導入したトナーでは、TABおよびバックグラウンドが更に低減され、濃度および寿命成績も優れていた。このことは、周囲ゾーンおよび乾燥ゾーンの両方で等しく受容可能な結果として確認された。構成中に少量の外部CCAを加えることで、Q/Mが改善された。
マゼンタトナーは、1.25%シリカと0.3%PMMAスペーサのみを用いたときの性能と同様な問題が見られた。チタニアを更に0.05%導入すると、RH感度の制御が改善された。トナー添加剤蓄積(TAB)の問題を改善するためにPMMAレベルを0.2%まで下げ、配合を1.25%シリカ、0.2%PMMAスペーサ、および0.05%チタニアとした。この配合物は、バックグラウンド、TAB垂直線(vertical line)、色ムラ、濃度ムラにおいて印刷欠陥を示した。この配合を更に改善するために、シリカを1.25%、チタニアを0.05%に維持したまま、PMMAスペーサを0.15%に減らし、かつ0.05%CCAを加えて更に実験した。その結果、バックグラウンドの問題は低減され、TABも軽減されたが、濃度の均一性および耐用頁数(page life)は改善されなかった。0.2%CCAを添加することでこの配合を更に調整したところ、濃度および耐用頁数が改善された。
上記データから分かるように、高分子スペーサ(PMMA)を、シアントナーおよびイエロートナーに約0.1〜約0.5%のレベルで添加すると、シリカのみを含む対照と比べて、バックグラウンド、ベタ領域濃度(SAD)等の印刷性能計測値が改善され、また、摩擦帯電もわずかに増加した。マゼンタトナーおよびブラックトナーにCCAを添加すると、バックグラウンドに問題が生じず、ベタ領域濃度および寿命も良好であった。
前述およびその他の種々の構成および機能、またはそれらの代替物は、その他の多数の異なるシステムまたは応用と望ましく組み合わせることができると考えられる。また、本発明において、現在予測不可能または予期不可能な種々の代替物、修正、変更、または改良もその後当業者は行うことができ、これらも添付の請求項に包含されることが企図される。請求項に特に記載されていない限り、請求項の工程または構成要素は、特定の順序、数、位置、サイズ、形状、角度、色、または材料について、明細書またはその他任意の請求項から示唆または導入されるべきではない。

Claims (2)

  1. スチレンアクリレートポリマー、スチレンブタジエンポリマー、スチレンメタクリレートポリマー、ポリエステル、およびこれらの組合せからなる群から選択されるラテックス樹脂、
    0.01〜1.25重量%の量で存在し、体積平均粒径が150nmのポリメチルメタクリレート高分子スペーサを含む表面添加剤、並びに
    下記式(I)で表される安定化剤、
    を含む一成分トナー。


    (式(I)中、R1は水素またはメチル基であり、R2およびR3は、独立して、炭素数1〜12のアルキル基またはフェニル基から選択され、nは0〜20の整数である。)
  2. 前記安定化剤が、ベータカルボキシエチルアクリレート(β−CEA)、ポリ(2−カルボキシエチル)アクリレート、2−カルボキシエチルメタクリレート、及びこれらの組合せからなる群から選択される、請求項1に記載の一成分トナー。
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