JP5649922B2 - 電子写真装置用導電性エラストマー部材 - Google Patents
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Description
該導電性エラストマー部材としては、具体的には、ローラ状、ベルト状、又はシート状の現像部材、帯電部材、及び転写部材などが挙げられ、例えば、表面担持したトナーを帯電させるための導電性エラストマー部材である現像ローラは、芯金の外周に弾性体層が所定の肉厚で備えられており、該弾性体層に導電性を付与すべく、カーボンブラックなどの導電性フィラーを含んだエラストマー組成物で前記弾性体層を形成させることが行われている。
しかしながら、斯かる導電性エラストマー部材は、継続して電圧が加えられ続けるとその導電性が徐々に低下するという問題、即ち、その電気抵抗が高くなるという問題を有している。
特に電子写真装置用現像ローラ(以下、単に「現像ローラ」ともいう)のように帯電粒子であるトナーの移動を制御する役割を担っている導電性エラストマー部材においては、弾性体層の電気抵抗が上昇するとトナーの移動を制御しにくくなるため、画像濃度の低下など、画質の悪化を招くおそれを有する。
しかし、一般的な樹脂では導電性フィラーの含有量を調整するなどして求める電気特性が比較的容易に得られるのに対して、フッ素樹脂の場合は、他の一般的な樹脂に比べて導電性の制御が難しいため、フッ素樹脂で表面層を形成させると連続課電による電気特性の変化がより顕著に発現してしまうおそれを有する。
なお、このような問題は現像ローラのみならず、他の電子写真装置用導電性エラストマー部材においても共通する問題ではある。
そして、フッ素樹脂によって表面層を形成させる際にこのような問題が生じることについては、これまで殆ど着目されていないためにその解決策もこれまで殆ど検討がされていない状況である。
本実施形態における前記現像ローラ1は、該芯金2の外周に略一定の厚みで備えられた弾性体層3と、該弾性体層3の表面を覆う表面層4とを有している。
なお、前記弾性体層3は、当該現像ローラ1が他の部材との接触によって所望の弾性変形を示すように設けられたものであり、前記表面層4は、表面の耐摩耗性、並びに離型性を向上させるべく現像ローラ1の最表面側に設けられたものである。
なお、この現像ローラの電気抵抗値については、実施例記載の方法により求めることができる。
しかも、電気特性の経時的な変化を抑制させる上において、前記表面層4には、黒鉛を4質量%以上20質量%以下含有させることが重要である。
特には、5質量%以上10質量%以下のいずれかの割合となるように黒鉛を前記表面層4に含有させることが好ましい。
そのため、黒鉛は、電子状態が半金属的であり、通常、粒子自体の導電性がカーボンブラックに比べて優れたものとなっている。
一方で黒鉛は、粒子自体の導電性が優れているために含有量による電気特性の調整がカーボンブラックに比べて容易である。
一方で、黒鉛を採用した場合は、このような影響を受け難いため、この現像ローラ1に対する継続的な課電を実施しても、表面層4や弾性体層3の電気特性に変化を生じさせにくい。
したがって、表面層4の形成にフッ素樹脂を用いる効果が損なわれることを抑制しつつ電気特性の安定化を図る上においては、表面層4に含有させる黒鉛の平均粒子径が所定以下であることが重要であり、具体的には黒鉛の平均粒子径が8μm以下であることが重要な要件となる。
さらに、前記表面層4に含有させる黒鉛は、その平均粒子径が3〜5μmであることが好ましい。
また、カーボンブラックの粒子径については、通常、電子顕微鏡による直接観察によって求められ、複数個の粒子の大きさを測定した測定値の算術平均値で表される。
なお、ファーネスブラックを採用する場合には、一般呼称で分類されるFEF系、ISAF系、HAF系等のカーボンブラックが挙げられる。
カーボンブラックを表面層4に含有させる場合には、0質量%を超え8質量%以下の範囲の内のいずれかの割合とされることが好ましい。
このようなことからフッ素樹脂、又はオリゴマーなどのフッ素樹脂の前駆体を溶剤に分散させたワニスタイプのもので、熱や化学的な反応によって硬化させることのできるものを表面層4の形成材料として採用することが好ましい。
このようなワニスタイプで利用されているフッ素樹脂としては、四フッ化エチレン/ビニルモノマーの共重合体で、イソシアネートやメラミン系硬化剤により硬化が可能なものを挙げることができ、具体的には、ダイキン社から商品名「ゼッフルGK500」、「ゼッフルGK510」、「ゼッフルGK550」、「ゼッフルGK570」、「ゼッフルGK580」などとして市販のものを採用することができる。
そのため、この弾性体層3も黒鉛とカーボンブラックとエラストマーとを含有するエラストマー組成物で形成されていることが前記現像ローラ1の電気的な安定性を確保する上で重要な要件となる。
この好ましいエラストマーとしては、エチレン−プロピレンゴム(EPM、EPDM)、ブタジエンゴム(BR)、天然ゴム(NR)、スチレン−ブタジエンゴム(SBR)、イソプレンゴム(IR)、クロロプレンゴム(CR)、アクリロニトリル−ブタジエン系ゴム(NBR、NIR等)、シリコンゴム、エピロクロルヒドリンゴム、ポリウレタン等が挙げられる。
前記エラストマーとして、ポリウレタンを採用することにより、本実施形態の現像ローラ1を比較的表面硬度が低い状態にさせ得るとともに永久歪みを生じにくいものとすることができる。
前記ポリオールとしては、特に限定されないが、例えば、ポリエステル系ポリオール、ポリオレフィン系ポリオール、ポリエーテル系ポリオール、ポリカーボネート系ポリオール、ポリアクリル系ポリオール、ポリエーテルエステル系ポリオール等が挙げられる。
これらポリオールは、1種が単独で、又は2種以上が組み合わされて用いられ得る。
なお、前記水酸基価は、JIS K0070に準じた方法により求められる値である。
なお、前記平均官能基数とは、ポリオールの製造に用いられる開始剤分子の活性水素基の数によって決定される理論的官能基数を意味する。
ただし、重合時の副反応等による影響で実際の官能基数とは異なり得る。
具体的には、例えば、エチレングリコール、ジエチレングリコール、プロピレングリコール、ブタンジオール、ペンタンジオール、ヘキサンジオール、シクロヘキサンジメタノール、グリセリン、1,1,1−トリメチロールプロパン、その他の低分子ポリオールの1種または2種以上と、グルタル酸、アジピン酸、ピメリン酸、スベリン酸、セバシン酸、テレフタル酸、イソフタル酸、ダイマー酸、その他の低分子カルボン酸やオリゴマー酸の1種または2種以上との縮合重合体、又は、プロピオンラクトン、バレローラクトン、カプローラクトンのような開環重合体などが挙げられる。
具体的には、例えば、ブタジエン、イソプレンなどのジエン化合物と必要によりスチレン、アクリロニトリルなどを、例えば、金属リチウム、金属カリウム、金属ナトリウムなどのアニオン重合触媒の存在下で重合させた後、エチレンオキサイド、プロピレンオキサイドなどのアルキレンオキサイドを付加重合させて得られるポリオール、または前記ジエン化合物を、例えば過酸化水素などの水酸基を有するラジカル開始剤によりラジカル重合させて得られるポリオール、又は、これらのものを水素添加したもの等が挙げられる。
具体的には、例えば、エチレングリコール、ジエチレングリコール、プロピレングリコール、グリセリン、トリメチロールプロパンなどに、エチレンオキサイド、プロピレンオキサイド、又はブチレンオキサイド、又は、それらの混合物などのアルキレンオキサイドをアルカリ触媒などの存在下で付加重合させたポリアルキレンポリオール、又はテトラヒドロフランをカチオン触媒下で重合させたポリテトラメチレングリコール、又はこれらの混合物等が挙げられる。
なかでもエチルメタクリレート、ヒドロキシエチルメタクリレート、ヒドロキシプロピルメタクリレート、ヒドロキシブチルメタクリレート等のアクリル酸誘導体モノマーを単独で重合させたものや、スチレン等のその他のモノマーを加えて共重合させたアクリルポリオールが好ましく用いられる。
具体的には、例えば、グルタル酸、アジピン酸、ピメリン酸、スベリン酸、セバシン酸、テレフタル酸、イソフタル酸、ダイマー酸、その他の低分子カルボン酸やオリゴマー酸の1種または2種以上と、エチレングリコール、ジエチレングリコール、プロピレングリコール、ブタンジオール、ペンタンジオール、ヘキサンジオール、シクロヘキサンジメタノール、グリセリン、1,1,1−トリメチロールプロパン、その他の低分子ポリオールの1種または2種以上とを従来公知の方法で重縮合させたものが挙げられる。
具体的には、例えば、アジピン酸とジエチレングリコールとトリメチロールプロパンとの重縮合物などが挙げられる。
詳しくは、前記ポリエーテルエステル系ポリオールとしては、前記水酸基価(OHV)が57〜64であり、前記平均官能基数が2〜3であるポリエーテルエステル系ポリオールと、前記水酸基価(OHV)が150〜160であり、前記平均官能基数が2〜3であるポリエーテルエステル系ポリオールとを混合して前記弾性体層3の形成に用いることがより好ましい。
前記水酸基価(OHV)が150〜160で、前記平均官能基数が2〜3であるポリエーテルエステル系ポリオールは、水酸基価(OHV)が57〜64で、平均官能基数が2〜3のポリエーテルエステル系ポリオールとの混合物の粘度を低下させる機能を有し、弾性体層3を形成させる際における作業性の改善効果を期待することができる。
より具体的には、上記ポリエーテルエステル系ポリオールは、アジピン酸とジエチレングリコールとトリメチロールプロパンとの重縮合物であることが好ましい。
前記水酸基価(OHV)が150〜160で、前記平均官能基数が2〜3であるポリエーテルエステル系ポリオールが、全ポリオール中に10〜30質量%含まれていることにより、電子写真装置用の現像ローラに求められる適度な硬度を弾性体層に付与させうる。
前記ポリイソシアネートとしては、特に限定されないが、具体的には、例えば、2,4−トリレンジイソシアネート(2,4−TDI)、2,6−トリレンジイソシアネート(2,6−TDI)、4,4'−ジフェニルメタンジイソシアネート(4,4'−MDI)、2,4'−ジフェニルメタンジイソシアネート(2,4'−MDI)、1,4−フェニレンジイソシアネート、ポリメチレンポリフェニレンポリイソシアネート、トリジンジイソシアネート(TODI)、1,5−ナフタレンジイソシアネート(NDI)などの芳香族ポリイソシアネート、ヘキサメチレンジイソシアネート(HDI)、トリメチルヘキサメチレンジイソシアネート(TMHDI)、リジンジイソシアネート、ノルボルネンジイソシアナートメチル(NBDI)、キシリレンジイソシアネート(XDI)、テトラメチルキシリレンジイソシアネート(TMXDI)などの脂肪族ポリイソシアネート、トランスシクロヘキサン−1,4−ジイソシアネート、イソホロンジイソシアネート(IPDI)、H6XDI(水添XDI)、H12MDI(水添MDI)などの脂環式ポリイソシアネート、上記の各ポリイソシアネートのカルボジイミド変性ポリイソシアネート、又は、これらのイソシアヌレート変性ポリイソシアネートなどが挙げられる。
なお、これらのポリイソシアネートは、1種が単独で、又は2種以上が組み合わされて用いられ、好ましくは、2,4−TDIと2,6−TDIとの混合物(2,4−TDI/2,6−TDI=80/20質量比)が用いられ得る。
したがって、発泡ポリウレタンによって弾性体層を形成させることもできる。
前記カーボンブラックとしては、前記表面層4において述べたものと同様のものを弾性体層3を形成するためのエラストマー樹脂組成物の成分として採用することができる。
すなわち、弾性体層3には、ファーネスブラック、アセチレンブラック、チャンネルブラックなどを含有させることができる。
また、ファーネスブラックであれば、FEF系、ISAF系、HAF系等のカーボンブラックを用い得る。
なお、前記黒鉛が、当該カーボンブラックに比べて表面積が小さく黒鉛だけでは前記エラストマー組成物中で密な鎖状の集合体(ストラクチャー)を形成しにくいのに対してカーボンブラックを併用することによってストラクチャーの形成がカーボンブラックで補完され前記弾性体層3に適度な導電性が発現されることになる。
従って、カーボンブラックと黒鉛との併用によって、鎖状の集合体の連続性をより確実なものとし、継続的に電圧が印加されても電荷の蓄積を起こりにくくさせることができ、その結果、電気抵抗値が変化しにくいという性能を発現させ得る。
なお、前記カーボンブラックを過度に含有させても、ストラクチャーの補完効果を一定以上向上させることが難しいばかりでなくエラストマー組成物への分散が不均一になったり、エラストマー組成物の流動性が極端に失われて弾性体層の形成が困難になるおそれを有する。
例えば、前記ポリオールに多量のカーボンブラックを含有させた場合には、当該ポリオールとポリイソシアネートとの混合液の粘度が高くなってしまい注型によって弾性体層を形成させる場合などにおける作業性を低下させたり、前記カーボンブラックによる凝集塊がポリオール中に形成されてしまったりするおそれを有する。
このような点において、カーボンブラックは4質量%以下の割合で弾性体層に含有させることが好ましい。
前記カーボンブラックのDBP吸油量が71cm3/100g以上であることにより、現像ローラ1に継続的な課電がされても弾性体層3の電気抵抗値をより変化させにくくなるという利点があり、DBP吸油量が168cm3/100g以下であることにより、硬化前のポリウレタンに良好なる流動性を与え、前記弾性体層の形成を容易にさせ得る。
具体的には、カーボンブラック100gあたりに包含させ得る油の量(cm3)をいい、ASTM D3493−85aに準拠した方法で測定した値である。
なお、前記DBP吸油量は、前記カーボンブラックの一次粒子の凝集体の三次元状態を表す指標となり得る。
即ち、カーボンブラックは、前記DBP吸油量の多い方が、前記エラストマー組成物中で鎖状の集合体(ストラクチャー)を形成しやすいと考えられる。従って、前記DBP吸油量の多い方が、より少ない含有量で導電性を発現させ、連続課電による電気抵抗値の変化をより一層抑制させ得る。
なお、前記エラストマー組成物における黒鉛の含有量は、3質量%以上6質量%以下とすることが好ましい。
前記黒鉛を前記エラストマー組成物に3質量%以上含ませることにより、現像ローラ1に連続的な課電がされても電気抵抗値をより変化させにくくなる利点があり、6質量%以下含ませることにより、エラストマー組成物の硬度をより適度なものさせ得るという利点がある。
前記黒鉛の平均粒子径を3μm以上とすることにより、硬化前のポリウレタン組成物に良好な流動性を付与させやすく、弾性体層3の形成をより容易なものにさせ得るという利点があり、5μm以下とすることにより、硬化後のポリウレタン組成物(ポリウレタン弾性体)の硬度をより適度なものとさせ得る。
なお、本実施形態においては、弾性体層3を形成させるエラストマー組成物として、ポリウレタン組成物を例示しているが、弾性体層3は、必ずしもポリウレタン弾性体によって形成させなくてもよい。
前記フィラーとしては、例えば、シリカ、クレー、タルク、炭酸カルシウムなどの無機フィラーや、ポリ四フッ化エチレン(PTFE)微粒子のような有機フィラーが挙げられる。
このようなフィラーを、前記弾性体層3を形成させるためのエラストマー組成物に含有させる場合であれば、前記カーボンブラック及び前記黒鉛といった導電性フィラーとの合計含有量が前記エラストマー組成物において10質量%以下となるように含有させることが好ましい。
前記エラストマー組成物における前記フィラーの合計量を10質量%以下とすることにより、前記エラストマー組成物の硬化前の加工性を良好なものとさせ得るとともに硬化後の硬度を現像ローラ1にとって適度なものとさせ得る。
ここでは具体的な化合物名まで詳述しないが、前記添加剤としては、ゴム、プラスチックスなどに用いられる一般的なものを適宜採用することができ、それらの配合量も特に制限されず、任意に選択されうる。
具体的には、エラストマーとしてポリウレタンを採用した際には、次のようにして製造することができる。
さらには、200時間後の電圧が初期電圧の−30〜30%となるように形成されていることが好ましい。
なお、本発明の電子写真装置用導電性エラストマー部材が用いられる電子写真装置としては、具体的には、例えばレーザービームプリンターなどのプリンター、複写機、ファクシミリなどが挙げられる。
また、その形状としては、例えば、ローラ状、ベルト状、シート状などが例示される。
電子写真装置用導電性エラストマー部材として、下記のようなローラを製造した。
直径6mmの芯金の周りに肉厚3mm、軸方向における長さが220cmとなるように上記表1の配合Aによって弾性体層を形成させた。
この弾性体層の表面に上記表2の配合1〜9のフッ素樹脂コーティング液を塗布し、この塗膜を乾燥硬化させることによって厚み30μmの表面層を形成させ、実施例1〜9のローラを作製した。
このローラ(電子写真装置用導電性エラストマー部材)をSUS板上に横置し、該ローラの両端にそれぞれ4.9Nの荷重を掛けて該ローラの表面をSUS板に押付けた状態とし、高圧電源装置(トレック社製、型名「610C」)の接地極を前記SUS板に接続するとともに高圧極を芯金に接続し、接地極に流れる電流が100μAとなるように定電流制御で直流電圧をローラに印加した。
そして、この高圧電源装置が発生させている電圧値の時間経過に伴う変化をモニターした。
なお、ローラの抵抗値は、観測された電圧値を電流値(100μA)で除して求めた。
また、電気抵抗値の測定においては、通電開始時における初期抵抗値(R0)、通電50時間経過後の抵抗値(R50)、通電100時間経過後の抵抗値(R100)を求めるとともに、通電開始時に対する通電50時間経過時の抵抗率変化(R50/R0)、通電開始時に対する通電100時間経過時の抵抗率変化(R100/R0)の値を算出した。
また、表面層の表面粗さ(十点平均表面粗さ:RzJIS)を測定した結果を、併せて表3に示す。
表面層の形成に、下記表4に示す配合10〜12を用いたこと、一部のローラにおいて黒鉛を含んでいない配合Bで弾性体層を形成させたこと以外は、実施例と同様にローラを作製し、同様の評価を実施した。
結果を、下記表5に示す。
表面層の形成に、粗大な黒鉛を含んだ下記表6に示す配合13、14を用いたこと以外は、実施例と同様にローラを作製し、同様の評価を実施した。
結果を、下記表7に示す。
Claims (8)
- フッ素樹脂が用いられてなる表面層の内側に弾性体層を有し、該弾性体層が黒鉛とカーボンブラックとエラストマーとを含有するエラストマー組成物で形成されている電子写真装置用導電性エラストマー部材であって、
前記表面層には黒鉛が4質量%以上20質量%以下含有されており、該表面層に含有されている前記黒鉛の平均粒子径が8μm以下であり、前記表面層には、さらにカーボンブラックが0質量%を超え8質量%以下含有されていることを特徴とする電子写真装置用導電性エラストマー部材。 - 前記表面層の黒鉛含有量が5質量%以上10質量%以下である請求項1記載の電子写真装置用導電性エラストマー部材。
- 前記エラストマー組成物には、黒鉛が3質量%以上6質量%以下含まれている請求項1又は2に記載の電子写真装置用導電性エラストマー部材。
- 電子写真装置用現像ローラである請求項1乃至3のいずれか1項に記載の電子写真装置用導電性エラストマー部材。
- フッ素樹脂が用いられてなる表面層の内側に弾性体層を有し、該弾性体層が黒鉛とカーボンブラックとエラストマーとを含有するエラストマー組成物で形成されている電子写真装置用導電性エラストマー部材であって、
前記エラストマーがポリウレタンであり、前記表面層には黒鉛が4質量%以上20質量%以下含有されており、該表面層に含有されている前記黒鉛の平均粒子径が8μm以下であることを特徴とする電子写真装置用導電性エラストマー部材。 - 前記表面層の黒鉛含有量が5質量%以上10質量%以下である請求項5記載の電子写真装置用導電性エラストマー部材。
- 前記エラストマー組成物には、黒鉛が3質量%以上6質量%以下含まれている請求項5又は6に記載の電子写真装置用導電性エラストマー部材。
- 電子写真装置用現像ローラである請求項5乃至7のいずれか1項に記載の電子写真装置用導電性エラストマー部材。
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