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JP2011141350A - 磁性キャリア及び二成分系現像剤 - Google Patents

磁性キャリア及び二成分系現像剤 Download PDF

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JP2011141350A
JP2011141350A JP2010000985A JP2010000985A JP2011141350A JP 2011141350 A JP2011141350 A JP 2011141350A JP 2010000985 A JP2010000985 A JP 2010000985A JP 2010000985 A JP2010000985 A JP 2010000985A JP 2011141350 A JP2011141350 A JP 2011141350A
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resin
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Kunihiko Nakamura
邦彦 中村
Nozomi Komatsu
望 小松
Yoshiaki Shioashi
吉彬 塩足
Kosuke Fukutome
航助 福留
Kentaro Kamae
健太郎 釜江
Hisashi Ishigami
恒 石上
Hiroyuki Fujikawa
博之 藤川
Yoshinobu Baba
善信 馬場
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Abstract

【課題】高湿環境印刷時のドット再現性向上、低湿環境印刷時の現像性向上、高画像面積で連続印刷時の濃度変動抑制、低画像面積印刷時のハーフトーン均一性の向上、キャリア付着の抑制ができる磁性キャリア及び二成分系現像剤の提供。
【解決手段】多孔質磁性コア粒子と樹脂とを有する磁性キャリア粒子を有する磁性キャリアであって、
該磁性キャリア粒子の断面の反射電子像において0.1μm以上の長さの磁性コア部領域の全個数に対する、6.0μm以上の長さの磁性コア部領域の個数の割合が5.0個数%以上35.0個数%以下であり、2.0μm以下の長さを有する磁性コア部領域の個数の割合が10.0個数%以上45.0個数%以下であり、
該多孔質磁性コア粒子は、下記(1)式のフィッティング関数に係るパラメーターαが100V/cmの電界強度下において0.65以上0.85以下である。
Figure 2011141350

【選択図】図4

Description

本発明は、電子写真法、及び、静電記録法に用いられる磁性キャリア及び二成分系現像剤に関するものである。
電子写真法において、静電荷像を現像する工程は帯電されたトナーを静電荷像とのクーロン力を利用して静電荷像上に付着させて画像形成する。トナーを用いて静電荷像を現像するための現像剤には、磁性体を樹脂中に分散した磁性トナーを用いる一成分系現像剤と、非磁性トナーと磁性キャリアを混合して用いる二成分系現像剤とに大別される。
特に、高画質を要求されるフルカラー複写機またはフルカラープリンタ等のフルカラー画像形成装置では、後者が好適に用いられている。
フルカラー画像形成装置では、近年、更なる高耐久性が要求されている。
そこで、多孔質フェライト芯材の空隙に樹脂を充填し、さらに、樹脂層とフェライト層とが交互に存在する立体的積層構造とすることで、画像濃度を十分確保しつつ、長期にわたって高品位な画像が維持できる樹脂充填型フェライトキャリアが開示されている。本発明によると、樹脂層とフェライト層が交互に存在する立体的積層構造を有することでキャリア粒子がコンデンサー的な役割を発揮し、安定した帯電付与性を達成している。また、樹脂充填型フェライトキャリアは、真密度が小さくなりその結果長期にわたって高品位な画像が維持できている(特許文献1)。
しかし、高湿環境で印刷した場合、ドット再現性が低下する。低湿環境で印刷した場合に、現像性が低下する。グラフィック画像の如き、画像面積比率の高い出力を連続で行った場合に、濃度が変動する。文字画像の如き、低画像面積での出力を続けることにより、ハーフトーン画質が劣化する、キャリアが付着する等の問題が発生した。
このため従来用いられているキャリア及び二成分現像剤では、商業印刷への適応が困難であり、更なる改善が必要とされている。
特開2007−057943号公報
そこで、本発明の目的は、高湿環境印刷時のドット再現性向上、低湿環境印刷時の現像性向上、高画像面積で連続印刷時の濃度変動抑制、低画像面積印刷時のハーフトーン均一性の向上、キャリア付着の抑制ができる磁性キャリア及び二成分系現像剤の提供を目的とする。
本発明者らは、鋭意検討を重ねた結果、多孔質磁性コア粒子と樹脂を有する磁性キャリア粒子を有する磁性キャリアにおける内部構造と多孔質磁性コア粒子の電気的特性をコントロールすることで、ドット再現性の向上、濃度変動抑制、ハーフトーン均一性の向上、キャリア付着の抑制を達成できることを見出した。
すなわち、多孔質磁性コア粒子と樹脂とを少なくとも有する磁性キャリア粒子を有する磁性キャリアであって、
走査型電子顕微鏡により撮影された該磁性キャリア粒子の断面の反射電子像において、該磁性キャリア粒子の加工断面領域における最大径Rxの中点を基準点とした場合に、基準点を通り、10°間隔に18本引いた直線上において、
0.1μm以上の長さの磁性コア部領域の全個数に対する、6.0μm以上の長さの磁性コア部領域の個数の割合が、5.0個数%以上35.0個数%以下であり、且つ、2.0μm以下の長さを有する磁性コア部領域の個数の割合が、10.0個数%以上45.0個数%以下であり、
該多孔質磁性コア粒子は、交流インピーダンス測定により得られるインピーダンスZの周波数依存特性を、下記(1)式で表されるフィッティング関数により、フィッティングしたときのパラメーターαが、100V/cmの電界強度下において、0.65以上0.85以下であることを特徴とする磁性キャリアおよび二成分系現像剤である。
Figure 2011141350
ただし、
Re[Z(ω)]は、インピーダンスの実部
lm[Z(ω)]は、インピーダンスの虚部
iは、虚数単位
ωは、角周波数
Rs,R,T,αは、Cole−Coleの式によるフィッティングで算出されるパラメーター
本発明によれば、高湿環境印刷時のドット再現性向上、低湿環境印刷時の現像性向上、高画像面積で連続印刷時の濃度変動抑制、低画像面積で印刷時のハーフトーン均一性の向上、キャリア付着の抑制ができる磁性キャリア及び二成分系現像剤を提供することができる。
本発明に適用できる表面改質装置の模式図である。 本発明の二成分系現像剤で好適に用いられる磁性コア粒子断面の一例である。 本発明の磁性キャリア粒子の加工断面領域のみを指定したSEM反射電子画像の一例である。 本発明の磁性キャリア粒子断面における磁性コア部領域、磁性コア部以外の領域の測定例を模式的に示した図である。 本発明の磁性キャリア粒子断面における、0.1μm以上の長さを有する磁性コア部領域の長さと個数(個数%)の分布を示す一例である。 磁性コアのパラメーターαの測定に係る回路図である。 等価回路の説明図である。
以下、本発明を実施するための最良の形態について説明する。
本発明で使用する磁性キャリアは、多孔質磁性コア粒子と樹脂とを少なくとも有する磁性キャリア粒子を有する磁性キャリアである。
該磁性キャリアは、走査型電子顕微鏡により撮影された該磁性キャリア粒子の断面の反射電子像において、該磁性キャリア粒子の加工断面領域における最大径Rxの中点を基準点とした場合に、基準点を通り、10°間隔に18本引いた直線上において、
0.1μm以上の長さの磁性コア部領域の全個数に対する、6.0μm以上の長さの磁性コア部領域の個数の割合が、5.0個数%以上35.0個数%以下であり、且つ、2.0μm以下の長さを有する磁性コア部領域の個数の割合が、10.0個数%以上45.0個数%以下であり、
該多孔質磁性コア粒子は交流インピーダンス測定により得られるインピーダンスZの周波数依存特性を、下記(1)式で表されるフィッティング関数により、フィッティングしたときのパラメーターαが、100/cmの電界強度下において、0.65以上0.85以下であることを特徴とする。
Figure 2011141350
ただし、
Re[Z(ω)]は、インピーダンスの実部
lm[Z(ω)]は、インピーダンスの虚部
iは、虚数単位
ωは、角周波数
Rs,R,T,αは、Cole−Coleの式によるフィッティングで算出されるパラメーター
まず、該磁性キャリアの内部構造について詳細に述べる。
本発明者らは鋭意検討の結果、多孔質磁性コア粒子に樹脂を充填した磁性キャリア粒子を有する磁性キャリアであって、走査型電子顕微鏡により撮影された該磁性キャリア粒子の断面の反射電子像において、該磁性キャリア粒子の断面の基準点を通り、10°間隔に18本引いた直線上において、0.1μm以上の長さを有する磁性コア部領域の全個数に対する6.0μm以上の長さを有する磁性コア部領域の個数が、5.0個数%以上35.0個数%以下であり、且つ、2.0μm以下の長さを有する磁性コア部領域の個数の割合が、10.0個数%以上45.0個数%以下であることを特徴とする磁性キャリアを用いることで、現像性、ドット再現性に優れ、高画像面積での連続印刷時にも濃度変動を抑制できることを見出した。
その理由は明確ではないが、本発明者らは以下のように考えている。
トナーが現像された時に磁性キャリア内部には、トナーと逆極性のカウンター電荷が残る。カウンター電荷は、静電荷潜像担持体上に現像されたトナーを引き戻すため、静電荷潜像担持体上の静電荷潜像が乱れ、現像性が低下する。特に、低湿環境では、キャリアからの電荷の移動が少なくなり、この現象が顕著になる。
この現象を防止するには、磁性キャリアに残ったトナーと逆極性のカウンター電荷を、磁性キャリアを通し、現像剤担持体へスムーズに逃がす必要がある。これにより、トナーを引き戻す力が弱くなり、現像性が向上する。
しかしながら、単に、抵抗の低いコア粒子を有するような磁性キャリア粒子を用いた場合には、静電荷潜像担持体上の静電潜像やトナー像を乱してしまうことがあった。この乱れの原因は、キャリアの抵抗が低いために、現像剤担持体と静電荷潜像担持体が、現像剤担持体上にできた磁性キャリアの穂立ちを介してリークし、静電潜像やトナー像が乱されるためである。そのためには、カウンター電荷を現像剤担持体に逃がしつつ、現像剤担持体と静電荷潜像担持体とのリークのしやすさをコントロールすることが重要である。
そこで本発明の磁性キャリアは、0.1μm以上の長さを有する磁性コア部以外の領域の全個数に対する、6.0μm以上の長さを有する磁性コア部以外の領域の個数を、5.0個数%以上35.0個数%以下にする。それと共に、パラメーターαを、100V/cmの電界強度下において、0.65以上0.85以下とすることで、上記課題を解決した。
この詳細な理由は明確ではないが、本発明の磁性キャリアが特定の内部構造を有すると同時に、多孔質磁性コアの電気伝導性の時定数に分布をもつことことが重要であると推測される。
まず、キャリアの内部構造について説明する。
現像剤担持体上において磁性キャリアは、複数の磁性キャリア粒子が、互いに点と点で接触した状態で穂立ちを形成している。特に、トナーが静電荷潜像担持体へ現像される現像領域内においては、磁力線に沿って磁性キャリア粒子がほぼ一直線上に並んだ状態となる。この時、それぞれの磁性キャリア粒子は、隣接する磁性キャリア粒子と2点(極点)で接触する。その接点を結ぶ直線(2つの極点を結ぶ直線)は、磁性キャリア粒子の直径であり、この最短経路を経由して電荷が移動する。
本発明においては、発生したカウンター電荷が移動する磁性キャリア粒子内部の磁性コア部領域が、電荷の移動する領域である。この領域を電荷がスムーズに移動するためには、磁性キャリア粒子の断面の基準点を通る直線上において、特定の長さと個数を有することが重要である。
磁性キャリア粒子は、フェライト微粒子を高温状態で焼結して得られるグレイン(焼結一次粒子)の結合体である。該グレインの分布状態は、キャリアとしての強度や電気的特性に大きく影響する。
これまで提案されてきた多孔質磁性コア粒子の場合、グレイン同士の接触面積が小さく、密着性も低く、グレイン間の電荷移動がスムーズにできない場合があった。その結果、カウンター電荷がキャリア内に滞留し、トナーの引き戻しが起こり、現像性が低下する場合があった。
この問題を解決するためには、現像領域内でキャリア粒子間の最短経路上にある磁性コア部領域を、一定以上の長さを有するよう制御し、グレイン間の電荷移動をスムーズにする必要がある。
本発明者らの検討の結果、磁性コア部領域が6.0μm以上の長さを有する場合、グレイン同士の接触面積が十分に広くなり、密着性も大幅に向上することが判明した。その結果、カウンター電荷のグレイン間の移動が容易になった。
さらに、現像領域内でキャリア粒子間の最短経路上にある磁性コア部領域が、特定の長さを有するだけでなく、特定の割合で存在することも重要である。前述した6.0μm以上の長さを有する磁性コア部領域の内部構造が、磁性キャリアの一部に存在するだけでは、本発明の効果は十分に得られない。
そこで本発明においては、磁性キャリア粒子の特定方向だけでなく『磁性キャリア粒子の断面の基準点を通り、10°間隔に18本引いた直線上』に着目している。後述する測定方法において、18本の直線上にある各領域の個数を全て測定し、全個数に対する割合を規定している。これにより、磁性キャリア粒子の構造の一部だけでなく、磁性キャリア粒子の不特定な方向についても内部構造が限定されるものである。
本発明の磁性キャリア粒子は、6.0μm以上の長さを有する磁性コア部領域の個数を、5.0個数%以上35.0個数%以下、より好ましくは10.0個数%以上30.0個数%以下にすることにより、磁性キャリア粒子の表面のどの部分からトナーが現像された場合であっても、カウンター電荷の発生から移動する過程が均一になり、濃度ムラのない安定した画像が得られる。
6.0μm以上の長さを有する磁性コア部領域の個数が、5.0個数%よりも少ない場合には、キャリアに残ったトナーと逆極性のカウンター電荷を、キャリア表面からスムーズに逃がすことができなくなり、現像性が低下する場合がある。また、6.0μm以上の長さを有する磁性コア部領域の個数が、35.0個数%よりも多い場合には、キャリアの穂立ちを介してリークし、静電潜像やトナー像が乱され、ドット再現性が低下する場合がある。
次に、多孔質磁性コアの電気伝導性の時定数に分布について述べる。
具体的には、該多孔質磁性コアの交流インピーダンス測定により得られるインピーダンスZの周波数依存特性を、下記(1)式で表されるフィッティング関数により、フィッティングしたときのパラメーターαが、100V/cmの電界強度下において、0.65以上0.85以下とすることが必要である。
Figure 2011141350
ただし、
Re[Z(ω)]は、インピーダンスの実部
lm[Z(ω)]は、インピーダンスの虚部
iは、虚数単位
ωは、角周波数
Rs,R,T,αは、Cole−Coleの式によるフィッティングで算出されるパラメーター
その理由は、明らかではないが本発明者らは以下のように推測している。
トナーの現像性が低下する原因は、先に述べた通り、キャリア中に残存したカウンター電荷である。
このカウンター電荷を現像剤担持体へスムーズに逃がすために、まず、キャリアの内部構造について、0.1μm以上の長さを有する磁性コア部領域の全個数に対する6.0μm以上の長さを有する磁性コア部領域の個数が、5.0個数%以上35.0個数%以下とした。しかし、これはカウンター電荷を逃がしやすい構造になっているが電気的な特性規定されていない。
本発明者らは鋭意検討の結果、現像性向上のためには、さらに、多孔質磁性コアの電気的特性を制御することが必要であることを見出した。
具体的には、多孔質磁性コアの交流インピーダンス測定により得られるインピーダンスZの周波数依存特性Z(ω)を、下記(1)で書かれるフィッティング関数によりフィッティングしたときのパラメーターαを、100V/cmの電界下において0.65以上0.85以下にすることで、上記課題を解決できることを見出した。
Figure 2011141350
ただし、
Re[Z(ω)]は、インピーダンスの実部
lm[Z(ω)]は、インピーダンスの虚部
iは、虚数単位
ωは交流インピーダンス測定の角周波数[Hz]
Rs,R,T,αは、Cole−Coleの式によるフィッティングより算出されるパラメーター
該パラメーターαは、多孔質磁性コアの交流インピーダンス測定により、複素インピーダンスの周波数特性を測定し、(2)式で表されるCole−Coleの式によるフィッティングから算出でき、多孔質磁性コアの持つ導電の時定数分布の度合いを表すことができる。
該パラメーターαは、0≦α≦1の範囲をとり、時定数分布の広がりが大きい程、小さな値となる。
Figure 2011141350
(ただし、Re[Z(ω)]は、インピーダンスの実部、lm[Z(ω)]は、インピーダンスの虚数部、iは虚数単位、ωはインピーダンス測定時の角周波数)
パラメーターαを上記範囲にコントロールするためには、単純に多孔質磁性コアの電気抵抗を制御するのではなく、結晶粒子(グレイン)同士の繋がりの状態に、一粒子のキャリア内部で十分に「ばらつき」を持たせることが必要である。
このようにすることで、多孔質磁性コアの電気抵抗を極端に低下させること無く、高い現像性が達成できる。
パラメーターαが0.85より大きい場合、多孔質磁性コアの電気伝導性の時定数の分布が小さく、カウンター電荷を効果的に逃がすことができず現像性が低下する。パラメーターαが0.65より小さい場合、多孔質磁性コアの電気伝導性の時定数の分布が広すぎ、ハーフトーン画像を印刷した場合に、現像性の違いにより画質が低下する場合がある。
また、高画像面積で連続印刷時の濃度変動を抑制するためには、キャリアの帯電性能を高める必要がある。そのためには、0.1μm以上の長さの磁性コア部領域の全個数に対する、2.0μm以下の長さを有する磁性コア部領域の個数の割合を、10.0個数%以上45.0個数%以下とすることが必要である。
その理由は明確ではないが、本発明者らは以下のように推測している。
高面積画像を印刷した場合、トナーの消費量が多い。その結果トナーが大量に補給される。このような場合、キャリアは数多くのトナーを同時に帯電させる必要がある。
通常のキャリアの場合、トナーに帯電させるとキャリア自身にも逆極性の電荷がたまり、その結果、キャリアの帯電能が低下する。しかし、キャリアがコンデンサーのように電荷をためることができると、キャリアの帯電能の低下が抑制され、その結果、数多くのトナーを同時に帯電させることができる。
キャリアのコンデンサー的な働きを高めるためには、キャリアの内部構造をコントロールすることが必要である。具体的には、2.0μm以下の長さを有する磁性コア部領域の個数の割合を、10.0個数%以上45.0個数%以下とすることが必要である。
一般的なコンデンサーの場合、コンデンサーの電気容量Cは、εA/dに比例する。
(ε:電極板間の誘電体の誘電率、A=1つの電極板の面積、d=電極板間の距離)
このため、キャリアのコンデンサー的な働きを高めるためには、磁性コア部を薄く積層させた構造にすることが必要である。この時に重要なのは、積層枚数ではなく、積層状態である。
具体的には、磁性コア−樹脂−磁性コアという積層状態を極力薄く(d(電極板間の距離)を短くし、A(1つの電極板の面積)を大きくする)ことが必要である。
このようにすることで、例えば、積層枚数が少なかったとしても、1つ1つの積層状態が薄くコンデンサー的な働きが大きく、キャリアとして十分なコンデンサー的な働きを示す。
本発明者らは、この積層状態をどのように表すことができるかを検討した結果、2.0μm以下の長さを有する磁性コア部領域の個数の割合で表すことができることを見出した。
2.0μm以上の長さを有する磁性コア部領域というのは、1つの積層状態が厚すぎるために、コンデンサー的な役割にほとんど関与しない。それに対し、2.0μm以下の長さを有する磁性コア部領域がコンデンサー的な役割に大きな寄与をしている。磁性コア部領域に対し、このようなコンデンサー的な役割を果たす2.0μm以下の長さを有する磁性コア部領域の個数の割合を、10.0個数%以上45.0個数%以下とすることで、磁性キャリアが十分なコンデンサー的な機能を発揮し、高い帯電性を示すことができる。
2.0μm以下の長さを有する磁性コア部領域の個数の割合が、10.0個数%未満の場合、キャリアのコンデンサー的な機能が不十分であり、帯電性能が低く、高画像面積で連続印刷時に濃度が変動する。2.0μm以下の長さを有する磁性コア部領域の個数の割合が、45.0個数%より多い場合、積層状態が薄すぎ、キャリアとして十分な強度を持つことができず、耐久時にキャリアが破壊され、キャリアがドラム上に付着する。
0.1μm以上の長さを有する磁性コア部領域の全個数に対する6.0μm以上の長さを有する磁性コア部領域の割合を5.0個数%以上35.0個数%以下、2.0μm以下の長さを有する磁性コア部領域の個数の割合を10.0個数%以上45.0個数%以下とするためには、仮焼フェライト微粉砕品の粒度や粒度分布、本焼成工程での焼成温度や焼成時間をコントロールすることが必要である。
キャリアの製造方法のところで詳細に述べる。
本発明の磁性キャリアは、走査型電子顕微鏡により撮影された該磁性キャリア粒子の断面の反射電子像において、磁性コア部領域の面積比率が、該断面の全面積に対して、50面積%以上80面積%以下であることが、画像濃度安定性の観点より好ましい。
該磁性キャリアの磁性コア部領域の面積比率を上記の範囲にすることにより、磁性キャリアの比重を小さくコントロールすることができ、且つ、物理的強度も十分に確保することが可能となる。その結果、さらにトナーとの混合性が向上し、且つ、混合時にキャリアにかかるストレスを軽減させることができ、長期間に渡って安定した画質が確保できる。
また、同時に、磁性コア領域がある程度存在することにより、多孔質磁性コアのパラメーターαのコントロールが容易になる。
本発明の磁性キャリアは、磁性キャリア粒子の表面がさらに樹脂で被覆されていることが好ましい。
該磁性キャリア粒子の表面を、さらに樹脂で被覆することにより、さらに環境安定性が向上し、特に高温高湿環境下であっても帯電量の低下による画像濃度の変化に優れる。
具体的には、多孔質磁性コア粒子表面は、粒子を形成する際の結晶成長により微細な凹凸が存在する。磁性キャリアの表面を、さらに樹脂で被覆することにより、凹凸による差を低減させ、その結果、凹部と凸部での帯電性付与製の差を抑制できる。その結果、特に高湿環境下で放置した場合のトナーの帯電性の低下を抑制することができる。
多孔質磁性コア粒子は、以下のような工程で製造することができる。
多孔質磁性コア粒子の材質としては、フェライト粒子であることが好ましい。
フェライト粒子とは次式で表される焼結体である。
(M12O)u(M2O)v(M323w(M4O2x(M525y(Fe23z
(式中、M1は1価、M2は2価、M3は3価、M4は4価、M5は5価の金属であり、u+v+w+x+y+z=1.0とした時に、u、v、w、x及びyは、それぞれ0≦(u,v,w,x,y)≦0.8であり、zは、0.2<z<1.0である。)
また、上記式中において、M1〜M5としては、少なくともLi、Fe、Zn、Ni、Mn、Mg、Co、Cu、Ba、Sr、Ca、Si、V、Bi、In、Ta、Zr、B、Mo、Na、Sn、Ti、Cr、Al、Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Luからなる群から選ばれる1種類以上の金属元素を表す。
例えば、磁性のLi系フェライト(例えば、(Li2O)a(Fe23b(0.0<a<0.4,0.6≦b<1.0、a+b=1)),Mn系フェライト(例えば、(MnO)a(Fe23b(0.0<a<0.5、0.5≦b<1.0、a+b=1)),Mn−Mg系フェライト(例えば、(MnO)a(MgO)b(Fe23c(0.0<a<0.5、0.0<b<0.5、0.5≦c<1.0、a+b+c=1)),Mn−Mg−Sr系フェライト(例えば、(MnO)a(MgO)b(SrO)c(Fe23d(0.0<a<0.5、0.0<b<0.5、0.0<c<0.5、0.5≦d<1.0、a+b+c+d=1),Cu−Zn系フェライト(例えば、(CuO)a(ZnO)b(Fe23c(0.0<a<0.5、0.0<b<0.5、0.5≦c<1.0、a+b+c=1)がある。なお、上記フェライトは主元素を示し、それ以外の微量金属を含有するものも含んでいる。
また、グレイン間の面積を大きくする、また、グレイン径分布を広くするためにMn元素を含有する、Mn系フェライト、Mn−Mg系フェライト、Mn−Mg−Sr系フェライトが好ましい。
以下に、多孔質磁性キャリア粒子としてフェライト粒子を用いる場合の製造工程を詳細に説明する。
工程1(秤量・混合工程):
フェライトの原料を、秤量し、混合する。
フェライト原料としては、例えば以下のものが挙げられる。Li、Fe、Zn、Ni、Mn、Mg、Co、Cu、Ba、Sr、Y、Ca、Si、V、Bi、In、Ta、Zr、B、Mo、Na、Sn、Ti、Cr、Al、希土類金属の金属粒子、酸化物、水酸化物、シュウ酸塩、炭酸塩。
混合する装置としては、例えば以下のものが挙げられる。ボールミル、遊星ミル、ジオットミル、振動ミル。特にボールミルが混合性の観点から好ましい。具体的には、ボールミル中に、秤量したフェライト原料、ボールを入れ、0.1時間以上20.0時間以下、粉砕・混合する。
工程2(仮焼成工程):
粉砕・混合したフェライト原料を、大気中で焼成温度700℃以上1000℃以下の範囲で、0.5時間以上5.0時間以下仮焼成し、フェライト化する。焼成には、例えば以下の炉が用いられる。バーナー式焼却炉、ロータリー式焼却炉、電気炉。
工程3(粉砕工程):
工程2で作製した仮焼フェライトを粉砕機で粉砕する。
粉砕機としては、所望の粒径が得られれば特に限定されない。例えば以下のものがあげられる。クラッシャーやハンマーミル、ボールミル、ビーズミル、遊星ミル、ジオットミル。
本発明で所望の内部構造を有する磁性コア粒子を得るための一つの方法として、仮焼フェライト微粉砕品の粒径及び粒径分布をコントロールすることがあげられる。具体的には、仮焼フェライト微粉砕品の体積基準の50%粒径(D50)は0.5μm以上5.0μm以下、また、体積基準の90%粒子径(D90)は3.0μm以上10.0μm以下とすることが好ましい。
フェライト微粉砕品を上記の粒径にするために、例えば、ボールミルやビーズミルでは用いるボールやビーズの素材、粒径、運転時間を制御することが好ましい。具体的には、仮焼フェライトスラリーの粒径を小さくするためには、比重の重いボールを用いたり、粉砕時間を長くすればよい。また、仮焼フェライトの粒度分布を広くするためには、比重の重いボールやビーズを用い、粉砕時間を短くすることで得ることができる。また、粒径の異なる複数の仮焼フェライト微粉砕品を混合することでも分布の広い仮焼フェライト微粉砕品を得ることができる。このようにして、広い粒度分布の仮焼フェライト微粉砕品を用いることで、本発明の内部構造やパラメーターαを有する磁性コア粒子を得ることができる。
ボールやビーズの素材としては、所望の粒径・分布が得られれば、特に限定されない。例えば、以下のものがあげられる。ソーダガラス(比重2.5g/cm3)、ソーダレスガラス(比重2.6g/cm3)、高比重ガラス(比重2.7g/cm3)等のガラスや、石英(比重2.2g/cm3)、チタニア(比重3.9g/cm3)、窒化ケイ素(比重3.2g/cm3)、アルミナ(比重3.6g/cm3)、ジルコニア(比重6.0g/cm3)、スチール(比重7.9g/cm3)、ステンレス(比重8.0g/cm3)。中でも、アルミナ、ジルコニア、ステンレスは、耐磨耗性に優れているために好ましい。
ボールやビーズの粒径は、所望の粒径・分布が得られれば、特に限定されない。例えば、ボールとしては、φ5mm以上φ60mmのものが好適に用いられる。また、ビーズとしてはφ0.03mm以上φ5mm未満のものが好適に用いられる。
また、ボールミルやビーズミルは、乾式より湿式の法が、粉砕品がミルの中で舞い上がることがなく粉砕効率が高い。このため、乾式より湿式の方がより好ましい。
工程4(造粒工程):
仮焼フェライト粉砕品に対し、水、バインダー、分散剤と、必要に応じて、孔調整剤を加える。
孔調整剤としては、発泡剤や樹脂微粒子が挙げられる。発泡剤として、例えば、炭酸水素ナトリウム、炭酸水素カリウム、炭酸水素リチウム、炭酸水素アンモニウム、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸リチウム、炭酸アンモニウム。樹脂微粒子として、例えば、ポリエステル、ポリスチレン、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−ビニルメチルケトン共重合体、スチレン−ブタジエン共重合体、スチレン−イソプレン共重合体、スチレン−アクリロニトリル−インデン共重合体の如きスチレン共重合体;ポリ塩化ビニル、フェノール樹脂、変性フェノール樹脂、マレイン樹脂、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;脂肪族多価アルコール、脂肪族ジカルボン酸、芳香族ジカルボン酸、芳香族ジアルコール類及びジフェノール類から選択されるモノマーを構造単位として有するポリエステル樹脂;ポリウレタン樹脂、ポリアミド樹脂、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、石油樹脂、ポリエステルユニットとビニル系重合体ユニットを有しているハイブリッド樹脂の微粒子。
バインダーとしては、例えば、ポリビニルアルコールが用いられる。
工程3において、湿式で粉砕した場合は、フェライトスラリー中に含まれている水も考慮し、バインダーと必要に応じて孔調整剤を加えることが好ましい。
得られたフェライトスラリーを、噴霧乾燥機を用い、100℃以上200℃以下の加温雰囲気下で、乾燥・造粒する。噴霧乾燥機としては、所望の多孔質磁性コア粒子の粒径が得られれば特に限定されない。例えば、スプレードライヤーが使用できる。
工程5(本焼成工程):
次に、造粒品を焼成する。800℃以上1300℃以下で1時間以上24時間以下焼成する。1000℃以上1200℃以下がより好ましい。上記範囲内で焼成温度や焼成時間を制御することで、本発明の所望の内部構造を有する多孔質磁性コアを得ることができる。
焼成温度を上げたり、焼成時間を長くすることで、多孔質磁性コア粒子中のグレインの成長が進み、その結果、磁性キャリア粒子の断面の磁性コア部の長さが長くなる。また、焼成する雰囲気をコントロールすることで、多孔質磁性コア粒子のαを好ましい範囲にコントロールすることができる。例えば、酸素濃度を低くしたり、還元雰囲気(水素存在下)にすることで、多孔質磁性コア粒子のαを下げることができる。
工程6(選別工程):
以上の様に焼成した粒子を解砕した後に、必要に応じて、磁力選鉱による弱磁性物、非磁性物の除去、分級や篩で篩分して粗大粒子や微粒子を除去してもよい。
また、磁性体コア中にSiO2を含有させることで、現像性を高めることができ、好ましい。
その理由は明確ではないが、本発明者らは、非磁性低比重成分で高抵抗相であるSiO2が存在することで、現像バイアスが印加されたときにキャリア抵抗が急激に低下するために、現像性が高められると考えられる。
磁性体コア中にSiO2を含有させる手法としては、以下の方法が例示できる。フェライト成分原料を目的の組成比で配合し、湿式混合する。湿式混合後、仮焼成によりフェライトを作製した後、ボールミルを用いて微粉砕する。得られたフェライトの微粉砕物にSiO2を添加する。SiO2の重量平均粒径は、1μm乃至10μmであることが好ましく、フェライトの微粉砕物100質量部に対して、5質量部乃至45質量部添加することが好ましい。
多孔質磁性コア粒子の体積分布基準50%粒径(D50)は、18.0μm以上68.0μm以下であることが磁性キャリアとなったときに、画像へのキャリア付着とガサツキの抑制のためより望ましい。
このようにして得られた多孔質コア粒子は、多孔質磁性コア粒子に樹脂を充填することで、キャリアのコンデンサー的な働きを大きくできる。また、樹脂を充填した後にさらに樹脂でコートするなどして、磁性キャリアとしての帯電性能を高めることができる。
上記多孔質磁性コア粒子に樹脂を含有させる方法は、多孔質磁性コア粒子の奥の孔に樹脂を充填する方法と、多孔質磁性コア粒子の表面の孔のみに樹脂を充填する方法の2つがある。具体的な充填方法は、特に限定されないが、樹脂と溶剤を混合した樹脂溶液を多孔質磁性コア粒子の孔の奥まで充填させる方法が好ましい。
上記樹脂溶液における樹脂固形分の量は、好ましくは1質量%以上50質量%以下であり、より好ましくは1質量%以上30質量%以下である。50質量%より樹脂量の多い樹脂溶液を用いると粘度が高いため多孔質磁性コア粒子の孔の奥まで樹脂溶液を充填しにくい。また、1質量%未満であると樹脂量が少なく、所望の樹脂量を多孔質磁性コア粒子へ充填することができない場合がある。
上記多孔質磁性コア粒子の孔に充填する樹脂としては特に限定されず、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂のどちらを用いてもかまわないが、多孔質磁性コア粒子に対する親和性が高いものであることが好ましい。親和性が高い樹脂を用いた場合には、多孔質磁性コア粒子の孔への樹脂の充填時に、同時に多孔質磁性コア粒子表面も樹脂で覆うことが容易になる。
上記充填させる樹脂として、熱可塑性樹脂としては、以下のものが挙げられる。ポリスチレン、ポリメチルメタクリレート、スチレン−アクリル樹脂;スチレン−ブタジエン共重合体、エチレン−酢酸ビニル共重合体、ポリ塩化ビニル、ポリ酢酸ビニル、ポリフッ化ビニリデン樹脂、フルオロカーボン樹脂、パーフルオロカーボン樹脂、ポリビニルピロリドン、石油樹脂、ノボラック樹脂、飽和アルキルポリエステル樹脂、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリアリレート、ポリアミド樹脂、ポリアセタール樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリエーテルスルホン樹脂、ポリスルホン樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリエーテルケトン樹脂。
また、上記熱硬化性樹脂としては、以下のものが挙げられる。フェノール樹脂、変性フェノール樹脂、マレイン樹脂、アルキド樹脂、エポキシ樹脂、無水マレイン酸とテレフタル酸と多価アルコールとの重縮合によって得られる不飽和ポリエステル、尿素樹脂、メラミン樹脂、尿素−メラミン樹脂、キシレン樹脂、トルエン樹脂、グアナミン樹脂、メラミン−グアナミン樹脂、アセトグアナミン樹脂、グリプタール樹脂、フラン樹脂、シリコーン樹脂、ポリイミド、ポリアミドイミド樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、ポリウレタン樹脂。
また、これらの樹脂を変性した樹脂を用いても良い。中でもポリフッ化ビニリデン樹脂、フルオロカーボン樹脂、パーフロロカーボン樹脂又は溶剤可溶性パーフロロカーボン樹脂等の含フッ素系樹脂、変性シリコーン樹脂あるいはシリコーン樹脂は、多孔質磁性コア粒子に対する親和性が高いため好ましい。
上記樹脂の中で、熱硬化性樹脂が、磁性キャリアの強度を高め低画像比率の耐久後のキャリア付着を低減できるために、より好ましい。中でもシリコーン樹脂が、磁性キャリアとトナーの付着力を低減でき、その結果、低湿環境で高画像比率の画像を100枚印刷した時に画像濃度の低下を改善することができるためにさらに好ましい。
例えば、市販品として、以下のものが挙げられる。シリコーン樹脂では、信越化学社製のKR271、KR255、KR152、東レ・ダウコーニング社製のSR2400、SR2405、SR2410、SR2411。変性シリコーン樹脂では、信越化学社製のKR206(アルキッド変性)、KR5208(アクリル変性)、ES1001N(エポキシ変性)、KR305(ウレタン変性)、東レ・ダウコーニング社製のSR2115(エポキシ変性)、SR2110(アルキッド変性)。
多孔質磁性コア粒子の孔に樹脂を充填させる方法としては、樹脂を溶剤に希釈し、これを多孔質磁性コア粒子の孔に添加し、溶剤を除去する方法が採用できる。ここで用いられる溶剤は、樹脂を溶解できるものであればよい。有機溶剤に可溶な樹脂である場合は、有機溶剤として、トルエン、キシレン、セルソルブブチルアセテート、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、メタノールが挙げられる。また、水溶性の樹脂またはエマルジョンタイプの樹脂である場合には、溶剤として水を用いればよい。多孔質磁性コア粒子の孔に、樹脂を充填する方法としては、浸漬法、スプレー法、ハケ塗り法、及び流動床の如き充填方法により多孔質磁性コア粒子を樹脂溶液に含浸させ、その後、溶剤を揮発させる方法が挙げられる。
本発明の磁性キャリアは、多孔質磁性コア粒子の表面露出度合いをよりコントロールし、複写機本体を高湿環境で1週間放置後に印刷した場合のカブリがさらに改善するため、多孔質磁性コア粒子の孔に樹脂を充填した後、表面を樹脂でさらに被覆しても良い。その場合、充填に使用する樹脂と被覆に使用するコート材としての樹脂は同じであっても、異なっていても良く、熱可塑性の樹脂であっても熱硬化性樹脂であってもよい。
上記コート材を形成する樹脂としては、充填に用いた樹脂を用いることができる。
さらに、上記コート材は、キャリアの帯電付与性をコントロールするために導電性を有する粒子や荷電制御物質を含有していてもよい。
導電性を有する粒子としては、カーボンブラック、マグネタイト、グラファイト、酸化亜鉛、酸化錫が挙げられる。
荷電制御物質としては、荷電制御性を有する粒子や荷電制御性を有する材料を用いることができる。荷電制御性を有する粒子としては、以下のものがある。
例えば、有機金属錯体の粒子、有機金属塩の粒子、キレート化合物の粒子、モノアゾ金属錯体の粒子、アセチルアセトン金属錯体の粒子、ヒドロキシカルボン酸金属錯体の粒子、ポリカルボン酸金属錯体の粒子、ポリオール金属錯体の粒子、ポリメチルメタクリレート樹脂の粒子、ポリスチレン樹脂の粒子、メラミン樹脂の粒子、フェノール樹脂の粒子、ナイロン樹脂の粒子、シリカの粒子、酸化チタンの粒子、アルミナの粒子。
荷電制御性を有する材料としては、以下のものがある。
例えば、γ−アミノプロピルトリメトキシシラン、γ−アミノプロピルメトキシジエトキシシラン、γ−アミノプロピルトリエトキシシラン、N−β−(アミノエチル)−γ−アミノプロピルトリメトキシシラン、N−β−(アミノエチル)−γ−アミノプロピルメチルジメトキシシラン、N−フェニル−γ−アミノプロピルトリメトキシシラン、エチレンジアミン、エチレントリアミン、スチレン−(メタ)アクリル酸ジメチルアミノエチル共重合体、イソプロピルトリ(N−アミノエチル)チタネート、ヘキサメチルジシラザン、メチルトリメトキシシラン、ブチルトリメトキシシラン、イソブチルトリメトキシシラン、ヘキシルトエリメトキシシラン、オクチルトリメトキシシラン、デシルトリメトキシシラン、ドデシルトリメトキシシラン、フェニルトリメトキシシラン、o−メチルフェニルトリメトキシシラン、p−メチルフェニルトリメトキシシラン。
多孔質磁性コア粒子の孔に樹脂を充填した後、表面を樹脂でさらに被覆する方法としては、特に限定されないが、浸漬法、スプレー法、ハケ塗り法、及び流動床の如き塗布方法により被覆する方法が挙げられる。
次に、本発明において用いられるトナーに関して説明する。
トナーに含有される結着樹脂としては、以下のものが挙げられる。ポリエステル、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の如きスチレン誘導体の重合体;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−ビニルメチルケトン共重合体、スチレン−ブタジエン共重合体、スチレン−イソプレン共重合体、スチレン−アクリロニトリル−インデン共重合体の如きスチレン共重合体;ポリ塩化ビニル、フェノール樹脂、変性フェノール樹脂、マレイン樹脂、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;脂肪族多価アルコール、脂肪族ジカルボン酸、芳香族ジカルボン酸、芳香族ジアルコール類及びジフェノール類から選択されるモノマーを構造単位として有するポリエステル樹脂;ポリウレタン樹脂、ポリアミド樹脂、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、石油樹脂、ポリエステルユニットとビニル系重合体ユニットを有しているハイブリッド樹脂。
ワックスは、結着樹脂100質量部あたり0.5質量部以上20質量部以下使用されることが好ましい。また、ワックスの最大吸熱ピークのピーク温度としては45℃以上140℃以下であることが好ましい。トナーの保存性と耐ホットオフセット性を両立でき好ましい。
ワックスとしては、例えば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の如き炭化水素系ワックス;酸化ポリエチレンワックスの如き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、ベヘン酸ベヘニルエステルワックス、モンタン酸エステルワックスの如き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の如き脂肪酸エステル類を一部又は全部を脱酸化したもの。
着色剤の使用量は、結着樹脂100質量部に対して好ましくは0.1質量部以上30質量部以下であり、より好ましくは0.5質量部以上20質量部以下である。
トナーには、流動性向上のため、外添剤が添加されていることが好ましい。外添剤としては、シリカ、酸化チタン、酸化アルミニウムの如き無機微粉体が好ましい。無機微粉体は、シラン化合物、シリコーンオイル又はそれらの混合物の如き疎水化剤で疎水化されていることが好ましい。外添剤は、トナー粒子100質量部に対して0.1質量部以上5.0質量部以下使用されることが好ましい。トナー粒子と外添剤との混合は、ヘンシェルミキサーの如き公知の混合機を用いることができる。
トナー粒子を製造する方法としては、例えば、結着樹脂及び着色剤を溶融混練し、混練物を冷却後、粉砕及び分級する粉砕法;結着樹脂と着色剤とを溶剤中に溶解または分散させた溶液を水系媒体中に導入し懸濁造粒させ、該溶剤を除去することによってトナー粒子を得る懸濁造粒法;モノマーに着色剤等を均一に溶解または分散したモノマー組成物を分散安定剤を含有する連続層(例えば水相)中に分散し、重合反応を行わせトナー粒子を作製する懸濁重合法;モノマーでは可溶であるが、重合体を形成すると不溶となるモノマーと水系有機溶媒を用いて直接トナー粒子を生成するモノマーには可溶で得られる重合体が不溶な水系有機溶剤を用い直接トナー粒子を生成する分散重合法;水溶性極性重合開始剤存在下で直接重合しトナー粒子を生成する乳化重合法;少なくとも重合体微粒子及び着色剤微粒子を凝集して微粒子凝集体を形成する工程と該微粒子凝集体中の微粒子間の融着を起こさせる熟成工程を経て得られる乳化凝集法;などがある。
粉砕法でのトナー製造手順について説明する。
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、着色剤及びワックス、必要に応じて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(三井鉱山社製)。
次に、混合した材料を溶融混練して、結着樹脂中に着色剤等を分散させる。その溶融混練工程では、加圧ニーダー、バンバリィミキサーの如きバッチ式練り機や、連続式の練り機を用いることができ、連続生産できる優位性から、1軸又は2軸押出機が主流となっている。例えば、KTK型2軸押出機(神戸製鋼所社製)、TEM型2軸押出機(東芝機械社製)、PCM混練機(池貝鉄工製)、2軸押出機(ケイ・シー・ケイ社製)、コ・ニーダー(ブス社製)、ニーデックス(三井鉱山社製)。
更に、溶融混練することによって得られる着色された樹脂組成物は、2本ロール等で圧延され、冷却工程で水などによって冷却してもよい。
ついで、樹脂組成物の冷却物は、粉砕工程で所望の粒径にまで粉砕される。粉砕工程では、例えば、クラッシャー、ハンマーミル、フェザーミルの如き粉砕機で粗粉砕した後、更に、例えば、クリプトロンシステム(川崎重工業社製)、スーパーローター(日清エンジニアリング社製)、ターボ・ミル(ターボ工業製)やエアージェット方式による微粉砕機で微粉砕する。
その後、必要に応じて慣性分級方式のエルボージェット(日鉄鉱業社製)、遠心力分級方式のターボプレックス(ホソカワミクロン社製)、TSPセパレータ(ホソカワミクロン社製)、ファカルティ(ホソカワミクロン社製)の如き分級機や篩分機を用いて分級し、トナー粒子を得る。
また、必要に応じて、粉砕後に、ハイブリタイゼーションシステム(奈良機械製作所製)、メカノフージョンシステム(ホソカワミクロン社製)、ファカルティ(ホソカワミクロン社製)、メテオレインボー MR Type(日本ニューマチック社製)を用いて、球形化処理の如きトナー粒子の表面改質処理を行うこともできる。
また、本発明に用いられるトナー粒子は、上記粉砕品を得た後、例えば、図1で表される表面処理装置を用いて熱風により表面処理を行い、続いて分級をすることにより得ることが好ましい。若しくは、予め分級したものを、図1で表される表面装置を用いて熱風により表面処理を行っても良い。上記熱風による表面処理は、トナー粒子を高圧エア供給ノズルからの噴射により噴出させ、該噴出させたトナーを、熱風中にさらすことでトナー粒子の表面を処理し、該熱風の温度が、100℃以上450℃以下の範囲であることが特に好ましい。
ここで、本発明のトナーの製造に用いられる表面処理装置の概略を、図1を用いて説明する。図1は本発明による表面処理装置の一例を示した断面図であり、トナー粒子供給口100から供給されたトナー粒子114は、高圧エア供給ノズル115から噴射されるインジェクションエアにより加速され、その下方にある気流噴射部材102へ向かう。気流噴射部材102からは拡散エアが噴射され、この拡散エアによりトナー粒子が外側方向へ拡散する。この時、インジェクションエアの流量と拡散エアの流量とを調節することにより、トナーの拡散状態をコントロールすることができる。
更に、トナー粒子の融着防止を目的として、トナー粒子供給口100の外周、表面処理装置外周及び移送配管116外周には冷却ジャケット106が設けられている。尚、該冷却ジャケットには冷却水(好ましくはエチレングリコール等の不凍液)を通水することが好ましい。
また、拡散エアにより拡散したトナー粒子は、熱風供給口101から供給された熱風により、トナー粒子の表面が処理される。この時、熱風供給口内温度C(℃)は100℃以上450℃以下であることが好ましい。更に好ましくは、100℃以上400℃以下である。
温度が100℃未満の場合にはトナー粒子表面の表面面粗さにばらつきが生じる場合がある。また、450℃を超える場合には溶融状態が進みすぎる事でトナー粒子同士の合一が進み、トナー粒子の粗大化や融着が生じる場合がある。
熱風により表面が処理されたトナー粒子は、装置上部外周に設けた冷風供給口103から供給される冷風により冷却される。この時、装置内の温度分布の制御、トナー粒子の表面状態をコントロールする目的で、装置の本体側面に設けた第二の冷風供給口104から冷風を導入しても良い。第二の冷風供給口104の出口はスリット形状、ルーバー形状、多孔板形状、メッシュ形状等を用いる事ができ、導入方向は中心方向へ水平、装置壁面に沿う方向が、目的に応じて選択可能である。
この時、上記冷風供給口内及び第二の冷風供給口内の温度E(℃)は−50℃以上10℃以下であることが好ましい。更に好ましくは、−40℃以上8℃以下である。また、上記冷風は除湿された冷風であることが好ましい。具体的には、絶対水分量が5g/m3以下であることが好ましい。更に好ましくは、3g/m3以下である。
これらの冷風温度が−50℃未満の場合には装置内の温度が下がりすぎてしまい、本来の目的である熱による処理が十分に為されず、トナー粒子の球形化ができない場合がある。また、10℃を超える場合には、装置内における熱風ゾーンの制御が不十分になり、粒子同士の合一が進み、粉体粒子の粗大化が生じる場合がある。
その後、冷却されたトナー粒子は、ブロワーで吸引され、移送配管116を通じて、サイクロン等で回収される。
本発明の磁性キャリアは、トナーと磁性キャリアとトナーを含む二成分系現像剤として用いることができる。該二成分系現像剤を、現像器内に収容された現像剤担持体上に担持させて現像に用いる現像剤として用いることができる。
現像剤として用いる場合は、混合比率を磁性キャリア100質量部に対してトナーを2質量部以上20質量部以下とすることが好ましく、4質量部以上15質量部以下がより好ましい。上記範囲とすることで、高画像濃度を達成しトナーの飛散を低減することができる。
本発明の磁性キャリアは、補給用トナーと混合して現像器に補給し、且つ、少なくとも現像器内部で過剰になった磁性キャリアを現像器から排出する二成分現像方法に用いる補給用現像剤として用いることもできる。
補給用現像剤としてもちいる場合には、現像剤の耐久性を高めるという観点から、混合比率を磁性キャリア1質量部に対してトナーを2質量部以上50質量部以下が好ましい。
上記磁性キャリア及びトナーの各種物性の測定法について以下に説明する。
<磁性キャリア粒子の断面における磁性コア部領域の長さの測定方法、及び磁性コア部領域の面積比率、積層構造の繰り返し回数の測定方法>
磁性キャリア粒子の断面加工には、集束イオンビーム加工観察装置(FIB)(日立ハイテクノロジーズ社製、FB−2100)を用いた。FIB用試料台(金属メッシュ)上にカーボンペーストを塗り、その上に磁性キャリア粒子を1粒子ずつ独立して存在するように少量固着させ、導電膜として白金蒸着することで試料を作製する。試料をFIB装置にセットし、加速電圧40kV、Gaイオン源を用いて、粗加工し(ビーム電流39nA)、続いて仕上げ加工(ビーム電流7nA)を行い、試料断面を削り出す。
尚、試料とする磁性キャリア粒子は、各試料の最大径をDmaxとして、D50×0.9≦Dmax≦D50×1.1である磁性キャリアを対象とする。さらに、各試料の固着面に対して平行な方向における、最大長を含む平面の位置を、固着面からの距離hとする(例えば、半径rの完全な球体の場合、h=rとなる)。固着面より垂直な方向に、固着面からの距離0.9×h以上1.1×h以下の範囲において、断面を削り出す。
断面加工した試料は、そのまま走査型電子顕微鏡(SEM)観察に適用することができる。走査型電子顕微鏡観察において、試料から放出されてくる反射電子の量は、重元素ほど多いことが知られている。例えば、有機化合物と鉄元素のような金属が平面状に分布している試料であれば、鉄元素からの反射電子の放出量がより多く検出されるため、鉄元素部分が画像上では明るく(輝度が高い、白く)見えることになる。一方、軽元素化合物から構成される有機化合物からの反射電子量は少ないため、画像上では暗く(輝度が低く、黒く)見えることになる。本発明の磁性キャリア粒子の断面観察においては、磁性コア部領域に由来する金属酸化物部が明るく(輝度が高い、白く)、磁性コア部以外の領域は、暗く(輝度が低く、黒く)見えるため、それぞれ大きなコントラスト差を持った画像が得られる。具体的には、走査型電子顕微鏡(SEM)、S−4800(日立ハイテクノロジーズ社製)を用いて、以下の条件にて観察した。尚、フラッシング操作を行ってから観察した。
SignalName=SE(U,LA100)
AcceleratingVoltage=5000Volt
EmissionCurrent=10000nA
WorkingDistance=4000um
LensMode=High
Condencer1=3
ScanSpeed=Slow4(40sec)
Magnification=1500
DataSize=1280x960
ColorMode=Grayscale
SpecimenBias=0V
尚、反射電子像のキャプチャは、上記条件のほか、走査電子顕微鏡S−4800の制御ソフト上で‘コントラスト5、ブライトネス−5’に明るさを調整し、磁性対観察モードはOFFとし、256階調のグレースケール画像を得た。
磁性キャリア粒子の断面における磁性コア部領域の長さ、磁性コア部以外(樹脂部及び/又は空隙部)の領域の長さの算出は、磁性キャリア粒子断面のグレースケールのSEM反射電子画像について、画像解析ソフトImage−ProPlus5.1J(Media Cybernetics社製)を用いて以下の手順で計算される。
ここで図2に、本発明の磁性キャリア粒子の加工断面のSEM反射電子画像の一例を示す。図2において、磁性キャリア粒子の加工断面領域10、磁性コア部11、磁性キャリア表面13である。
磁性キャリア粒子の加工断面領域10のみを画像上であらかじめ指定する。尚、磁性キャリア粒子の加工断面領域と背景の境界については、反射電子観察像から容易に区別できる。粒子指定した断面領域について、256階調のグレースケール画像とする。階調値の下位より0乃至129階調を磁性コア部以外の領域、130乃至254階調を磁性コア部領域の2領域に画像上で分割する。255階調目は加工断面領域外の背景部分とする。磁性キャリア粒子の加工断面領域10とは、磁性コア部11、磁性コア部以外12であり、図3に示す。
図4に、本発明の磁性キャリア粒子断面における磁性コア部領域、磁性コア部以外の領域の測定例を模式的を示す。
1.磁性キャリア粒子の加工断面領域における最大径をRxとする。
2.Rxの中点を磁性キャリア粒子の断面の基準点とする。さらに、中点においてRxと直交する方向の径をRyとする。
3.測定は、略球形であるRx/Ry≦1.2である磁性キャリア粒子を対象とする。
4.磁性キャリア粒子の断面の基準点を通り、10°間隔に18本引いた直線上において、0.1μm以上の長さを有する磁性コア部領域、ならびに磁性コア部以外の領域ついて、それぞれ長さ及び個数を測定する。
上記の測定値より「0.1μm以上の長さを有する磁性コア部領域の全個数に対する、6.0μm以上の長さを有する磁性コア部領域」の個数(個数%)、「0.1μm以上の長さを有する磁性コア部領域の全個数に対する、2.0μm以下の長さを有する磁性コア部領域」の個数(個数%)とする。
5.上記測定を、無作為に選択したRx/Ry≦1.2である25個の磁性キャリア粒子について繰り返し、その平均値を算出する。
図5に、本発明の磁性キャリア粒子断面における、0.1μm以上の長さを有する磁性コア部領域を上記の方法により測定し、長さと個数(個数%)の分布の一例を示す。
立体的な積層構造の繰り返しは、磁性キャリア粒子の断面の基準点を通り、10°間隔に18本引いた直線上において、0.1μm以上の長さを有する磁性コア部領域ならびに磁性コア部以外の領域の繰り返し構造を数えた。その後、18で割り、直線1本あたりの平均数を求め、それを積層構造の繰り返し数とした。
磁性キャリア粒子の断面における磁性コア部の面積比率の測定方法は、磁性キャリア粒子の加工断面領域を画像上であらかじめ指定し、磁性キャリア粒子の断面面積とする。磁性コア部1が占める面積を磁性キャリア粒子の断面面積で除した値を、「磁性コア部の面積比率(面積%)」とする。本発明においては、前述の25個の磁性キャリア粒子について同様の測定を行い、その平均値を用いる。
<磁性コアのパラメーターαの測定方法>
パラメーターαの測定法について図面に従って詳細に説明する。
磁性コアのパラメーターαの値は、以下の手順で測定することができる。
(サンプルの秤量)
測定する磁性コアを、電極面積が4.9cm2である円筒型電極(直径2.5cm)を有するサンプルホルダに封入し、電極間に100Nの押し圧をかけたときに封入したサンプルの厚みが0.95mm以上1.05mm以下の範囲となるように、磁性コアを秤量した。
(測定回路の説明)
上記のサンプルホルダの電極間に図6に示すように配線を行い、サンプルホルダの電極間に100Nの押し圧をかけた状態において、サンプルホルダ内部に封入した磁性コアの交流インピーダンス測定を行った。
尚、本測定では、請求項1に記載したように、電界下におけるαを求めるために、直流電圧を印加した状態における交流インピーダンス測定を行う。このため、図6に示すように、正弦波電圧Vacに直流電圧Voを重畳した交番バイアスをサンプルホルダの電極間に印加する。
ここで、正弦波電圧Vacの振幅は実効値で3V、直流電圧Voは磁性コアにかかる電界が100V/cmとなるようにした。詳細は、後述する。
更に、このときにab間に流れる応答電流の交流成分のみを取り出し、解析することで、直流電界下におけるインピーダンスを測定した。
インピーダンス測定装置としては、Solartron社製1260型周波数応答解析装置(FRA)及び、同社製1296型誘電率測定インターフェイスを用いた。
上記交番バイアスに用いられる、直流電圧Voは、波形発振器から出力した直流電圧信号を、Trek社製PZD2000型高電圧電源で増幅して得た。また、正弦波電圧Vacは1296型誘電率測定インターフェイスのSAMPLE−HI端子より出力される。更に図7に示すように、測定系にコンデンサーC1(66μF)及びツェナーダイオードZD1(5V)を配置することで、正弦波電圧Vacに直流電圧Voを重畳することで、上記交番バイアスを得た。
また、応答電流は、図6中の抵抗器R2(10kΩ)、コンデンサーC2(33μF)、及びツェナーダイオードZD2(5V)を用いた分流回路を用いることで、直流成分と交流成分に分離することができる。このとき、コンデンサーC2側に流れる交流成分のみを1260型インピーダンスアナライザのINPUT−V1−LO端子および、1296型誘電率測定インターフェイスのSAMPLE−LO端子に入力し、応答電流波形の解析を行い、インピーダンスを測定した。
尚、図6中の抵抗器R1(10kΩ)は保護抵抗であり、測定系に流れる最大電流量を制限する。
(複素インピーダンスの測定)
本実施例では、Solartron社製インピーダンス測定ソフトウエアSMaRTを用いて、インピーダンスの自動測定を行った。SMaRTでは、所定の周波数fの正弦波電圧と正弦波電圧に対する応答電流から、周波数fに対する複素インピーダンス
Z(ω)=Re[Z(ω)]+ilm[Z(ω)]
を測定することができる。ただし、Re[Z(ω)]はインピーダンスの実部、lm[Z(ω)]はインピーダンスの虚部である。また、ωは角周波数であり、周波数fとは、ω=2πfの関係がある。
インピーダンスの周波数特性を測定するために、上記正弦波電圧の周波数f(Hz)は、1Hzから1MHzまでの範囲で複数の周波数でインピーダンス測定を行った。
具体的には、1.0、1.6、2.5、4.0、6.3、1.0×101、1.6×101、2.5×101、4.0×101、6.3×101、1.0×102、1.6×102、2.5×102、4.0×102、6.3×102、1.0×103、1.6×103、2.5×103、4.0×103、6.3×103、1.0×104、1.6×104、2.5×104、4.0×104、6.3×104、1.0×105、1.6×105、2.5×105、4.0×105、6.3×105、1.0×106Hzで測定を行った。
正弦波電圧Vacの振幅は実効値で3Vとした。
上記のように、1Hzから1MHzの周波数範囲において複数の周波数で測定した複素インピーダンスZを複素平面状にプロットすることで、所謂Cole−Coleプロット(ナイキスト線図)を作成した。
(等価回路によるフィッティング)
次に、交流インピーダンス測定で得られた複素インピーダンス測定データからαを求めた方法について具体的に説明する。
作成したCole−Coleプロットは、Solartron社製解析ソフトウエアZView2のInstant Fit機能を使用し、図7に示した等価回路の複素インピーダンスと対応させてフィッティングを行い、インピーダンス測定データのフィッティングパラメータとしてαを求めた。
ここで、図7においてRs、Rは抵抗であり、CPEはConstant Phase Element(定相要素)と呼ばれる回路素子であり、CPEの複素インピーダンスZCPEの周波数特性は下記(3)式で表される。
Figure 2011141350
ここで、ωはインピーダンス測定の角周波数、iは虚数単位である。また、αは0から1までの実数のパラメーターである。
図7のフィッティング回路全体のインピーダンスは、下記で表され、最終的には下記(1)式で表される。
Z(ω)=Rs+(1/R+1/ZCFE-1
=Rs+(1/R+1/((iω)αT)-1-1
Figure 2011141350
尚、Rsはフィッティングの精度を向上させるためにフィッティング回路に導入した仮想的な抵抗であるため、負の値をとってもよい。
(電界下におけるα)
100V/cmの電界下における磁性コアのαの値は以下のように求めた。
インピーダンスを測定する際に、サンプルに印加される平均の電界強度Esampleは、インピーダンス測定時に電極間のサンプルが分担する電圧の直流成分Vsampleと電極間距離Lを用いて、Vsample/Lで表される。Vsampleの値は、図6の回路図に示したa点における電位とb点における電位の差分により測定することができる。本測定では、Tktronix社製の高電圧プローブP6015Aを用いて、a点及びb点における電位を測定し、それらの電位の差分によりサンプルホルダの電極間の分担電圧Vsampleを測定した。また、Vsampleの値は、高電圧電源から出力される直流電圧Voの電圧を変化させることで調整した。
このようにして、複数の電界強度Eにおいてインピーダンス測定を行い、各電界強度下におけるαを求め、グラフにプロットすることで、100V/cmの電界下における磁性コアのαを算出した。
<仮焼フェライト微粉砕品の体積分布基準の50%粒径(D50)、体積分布基準の90%粒径(D90)の測定方法>
仮焼フェライト微粉砕品の体積分布基準の50%粒径(D50)、体積分布基準の90%粒径(D90)の測定は、粒度分布測定は、レーザー回折・散乱方式の粒度分布測定装置「マイクロトラックMT3300EX」(日機装社製)で、湿式用の試料循環器「Sample Delivery Control(SDC)」(日機装社製)を装着して行った。仮焼フェライト(フェライトスラリー)を測定濃度になるように試料循環器に滴下した。流速 70%、超音波出力 40W、超音波時間 60秒とした。制御は、ソフトウエア上で自動的に行う。粒径は体積基準の累積値である50%粒径(D50)、を求める。制御及び解析は付属ソフト(バージョン10.3.3−202D)を用いて行う。
測定条件は下記の通りである。
SetZero時間 :10秒
測定時間 :30秒
測定回数 :10回
溶媒屈性率 :1.33
粒子屈折率 :2.42
粒子形状 :非球形
測定上限 :1408μm
測定下限 :0.243μm
測定環境 :23℃/50%RH
<磁性キャリア及び多孔質磁性コアの体積分布基準50%粒径(D50)>
磁性キャリア及び多孔質磁性コアの体積分布基準50%粒径(D50)の測定は、粒度分布測定は、レーザー回折・散乱方式の粒度分布測定装置「マイクロトラックMT3300EX」(日機装社製)で、乾式測定用の試料供給機「ワンショットドライ型サンプルコンディショナーTurbotrac」(日機装社製)を装着して行った。Turbotracの供給条件として、真空源として集塵機を用い、風量33リットル/sec、圧力17kPaとした。制御は、ソフトウエア上で自動的に行う。粒径は体積基準の累積値である50%粒径(D50)を求める。制御及び解析は付属ソフト(バージョン10.3.3−202D)を用いて行う。
測定条件は下記の通りである。
SetZero時間 :10秒
測定時間 :10秒
測定回数 :1回
粒子屈折率 :1.81
粒子形状 :非球形
測定上限 :1408μm
測定下限 :0.243μm
測定環境 :23℃/50%RH
<トナーの重量平均粒径(D4)>
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、算出した。
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・コールター社製)が使用できる。
尚、測定、解析を行う前に、以下のように前記専用ソフトの設定を行った。
前記専用ソフトの「標準測定方法(SOM)を変更画面」において、コントロールモードの総カウント数を50000粒子に設定し、測定回数を1回、Kd値は「標準粒子10.0μm」(ベックマン・コールター社製)を用いて得られた値を設定する。閾値/ノイズレベルの測定ボタンを押すことで、閾値とノイズレベルを自動設定する。また、カレントを1600μAに、ゲインを2に、電解液をISOTON IIに設定し、測定後のアパーチャーチューブのフラッシュにチェックを入れる。
前記専用ソフトの「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。
(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 Dispension 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)の丸底ビーカーに、ピペットを用いてトナーを分散した前記(5)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い、重量平均粒径(D4)を算出する。尚、前記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。
<トナーの平均円形度>
トナーの平均円形度は、フロー式粒子像分析装置「FPIA−3000型」(シスメックス社製)によって、校正作業時の測定・解析条件で測定した。
フロー式粒子像分析装置「FPIA−3000型」(シスメックス社製)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、1視野が512画素×512画素であり、1画素あたり0.37×0.37μmの画像処理解像度で画像処理され、各粒子像の輪郭抽出を行い、粒子像の投影面積や周囲長等が計測される。
次に、各粒子像の投影面積Sと周囲長Lを求める。上記面積Sと周囲長Lを用いて円相当径と円形度を求める。円形当径とは、粒子像の投影面積と同じ面積を持つ円の直径のことであり、円形度は、円形当径から求めた円の周囲長を粒子投影像の周囲長で割った値として定義され、次式で算出される。
円形度C=2×(π×S)1/2/L
粒子像が真円形の時に円形度は1.000になり、粒子像の外周の凹凸の程度が大きく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0.2以上1.0以下の範囲を800分割したチャンネルに振り分け、各チャンネルの中心値を代表値として平均値を計算し平均円形度の算出を行う。
具体的な測定方法としては、イオン交換水20mlに、分散剤として界面活性剤、好ましくはドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウムを0.02g加えた後、測定試料0.02gを加え、発振周波数50kHz、電気的出力150Wの卓上型の超音波洗浄器分散機(例えば「VS−150」(ヴェルヴォクリーア社製など)を用いて2分間分散処理を行い、測定用の分散液とした。その際、分散液の温度が10℃以上40℃以下となる様に適宜冷却する。
測定には、標準対物レンズ(10倍)を搭載した前記フロー式粒子像分析装置を用い、シース液にはパーティクルシース「PSE−900A」(シスメックス社製)を使用した。前記手順に従い調整した分散液を前記フロー式粒子像分析装置に導入し、HPF測定モードで、トータルカウントモードにて3000個のトナー粒子を計測して、粒子解析時の2値化閾値を85%とし、解析粒子径を円相当径2.00μm以上200.00μm以下に限定し、トナーの平均円形度を求めた。
測定にあたっては、測定開始前に標準ラテックス粒子(例えばDuke Scientific社製5200Aをイオン交換水で希釈)を用いて自動焦点調整を行う。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、シスメックス社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し、解析粒子径を円相当径2.00μm以上200.00μm以下に限定した以外は、校正証明を受けた時の測定及び解析条件で測定を行った。
以下、本発明の具体的実施例について説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
<多孔質磁性コアの製造例1>
工程1(秤量・混合工程):
Fe23(D50=1μm)をジルコニア(φ10mm)のボールを用いた乾式ボールミルで2時間粉砕・混合した。
工程2(仮焼成工程):
粉砕・混合した後、バーナー式焼成炉を用い大気中で950℃で2時間焼成し、仮焼フェライトを作製した。
工程3(粉砕工程):
クラッシャーで0.5mm程度に粉砕し仮焼フェライトを得た。その後、仮焼フェライトを半分に分けた。
仮焼フェライトの半分をジルコニア(φ10mm)のボールを用い、仮焼フェライト100質量部に対し、水を30質量部加え、湿式ボールミルで2時間粉砕し、フェライトスラリー1−1を得た。
フェライトスラリー1−1の半分を、さらにジルコニアのビーズ(φ1.0mm)を用いた湿式ビーズミルで3時間粉砕し、フェライトスラリー1−2を得た。
フェライトスラリー1−1と1−2をジルコニアのビーズ(φ1.0mm)を用いた湿式ビーズミルで10分間混合し、フェライトスラリー1(仮焼フェライト微粉砕品1)を得た。
得られた仮焼フェライト微粉砕品1は、体積基準の50%粒径(D50)は1.7μm、体積基準の90%粒径(D90)は5.0μmであった。
工程4(造粒工程):
フェライトスラリー1に、バインダーとして仮焼フェライト100質量部に対して、ポリビニルアルコール2.0質量部、SiO2を5質量部、分散剤としてポリカルボン酸アンモニウムを1.5質量部添加し、スプレードライヤー(製造元:大川原化工機)で球状粒子に造粒した。
工程5(本焼成工程):
焼成雰囲気をコントロールするために、電気炉にて窒素雰囲気下(酸素濃度0.01体積%以下)で、1050℃で4時間焼成した。
工程6(選別工程):
凝集した粒子を解砕した後に、目開き250μmの篩で篩分して粗大粒子を除去し、多孔質磁性コア1を得た。
<多孔質磁性コアの製造例2>
工程1(秤量・混合工程):
Fe23 92.0質量%
Mg(OH)2 8.0質量%
となるようにフェライト原材料を秤量した。その後、ジルコニア(φ10mm)のボールを用いた乾式ボールミルで2時間粉砕・混合した。
上記以外は、多孔質磁性コア製造例1と同様にして多孔質磁性コア2を得た。
<多孔質磁性コアの製造例3>
工程1(秤量・混合工程):
Fe23 62.8質量%
MnCO3 31.2質量%
Mg(OH)2 6.0質量%
となるようにフェライト原材料を秤量した。その後、ジルコニア(φ10mm)のボールを用いた乾式ボールミルで2時間粉砕・混合した。
上記以外は、多孔質磁性コア製造例1と同様にして多孔質磁性コア3を得た。
<多孔質磁性コアの製造例4>
工程4(造粒工程)でSiO2を5質量部、分散剤としてポリカルボン酸アンモニウムを1.5質量部を添加しないことのほかは、多孔質磁性コアの製造例3と同様に、多孔質磁性コア4を得た。
<多孔質磁性コアの製造例5乃至12、17>
多孔質磁性コア製造例4のうち、工程3(粉砕工程)のボールミル及びビーズミルの粉砕条件、 工程4(造粒工程)のポリビニルアルコール量、工程5(本焼成工程)の焼成雰囲気・焼成温度を表1の条件に変えて、多孔質磁性コア5乃至12、17を得た。
<多孔質磁性コアの製造例13乃至16>
多孔質磁性コア製造例4のうち、工程3(粉砕工程)のボールミル及びビーズミルの粉砕条件、工程4(造粒工程)のポリビニルアルコール量、工程5(本焼成工程)の焼成雰囲気・焼成温度を表1の様に変えた。また、工程3(粉砕工程)でクラッシャーで0.5mm程度に粉砕した後に、仮焼フェライトを半分に分けずに、全量、湿式ボールミル及び湿式ビーズミルで粉砕した以外は、多孔質磁性コア製造例4と同様にして、多孔質磁性コアの製造例13乃至16を得た。
<多孔質磁性コアの製造例18>
工程1(秤量・混合工程):
Fe23 62.4質量%
MnCO3 30.5質量%
Mg(OH)2 6.4質量%
SrCO3 0.7質量%
をジルコニア(φ10mm)のボールを用いた乾式ボールミルで2時間粉砕・混合した。
工程2(仮焼成工程):
粉砕・混合した後、バーナー式焼成炉を用い大気中で950℃で2時間焼成し、仮焼フェライトを作製した。
工程3(粉砕工程):
クラッシャーで0.5mm程度に粉砕し仮焼フェライトを得た。
仮焼フェライトをステンレス(φ10mm)のボールを用い、仮焼フェライト100質量部に対し、水を30質量部加え、湿式ボールミルで1時間粉砕し、フェライトスラリー18−1を得た。
フェライトスラリー18−1を、さらにステンレスのビーズ(φ1.0mm)を用いた湿式ビーズミルで4時間粉砕し、フェライトスラリー18(仮焼フェライト微粉砕品18)を得た。
工程4(造粒工程):
フェライトスラリー18に、バインダーとして仮焼フェライト100質量部に対して、ポリビニルアルコール2.0質量部を添加し、スプレードライヤー(製造元:大川原化工機)で、36μmの球状粒子に造粒した。
工程5(本焼成工程):
焼成雰囲気をコントロールするために、電気炉にて窒素雰囲気下(酸素濃度0.01体積%以下)で、1100℃で4時間焼成した。
工程6(選別工程):
凝集した粒子を解砕した後に、目開き250μmの篩で篩分して粗大粒子を除去し、多孔質磁性コア18を得た。
Figure 2011141350
<磁性コアの製造例1>
工程1:
Fe23 71.0質量%
CuO 12.5質量%
ZuO 16.5質量%
となるようにフェライト原材料を秤量した。その後、ジルコニア(φ10mm)のボールを用いた乾式ボールミルで2時間粉砕・混合した。
工程2:
粉砕・混合した後、大気中で950℃で2時間焼成し、仮焼フェライトを作製した。
工程3:
クラッシャーで0.5mm程度に粉砕した後に、ステンレスのボール(φ10mm)を用い、仮焼フェライト100質量部に対し水を30質量部加え、湿式ボールミルで6時間粉砕した。得られた仮焼フェライト微粉砕品は、D50=0.5μm、D90=2.8μmであった。
工程4:
フェライトスラリーに、バインダーとして仮焼フェライト100質量部に対しポリビニルアルコール2.0質量部を添加し、スプレードライヤー(製造元:大川原化工機)で球状粒子に造粒した。
工程5:
大気中で1300℃で4時間焼成した。
工程6:
凝集した粒子を解砕した後に、目開き250μmの篩で篩分して粗大粒子を除去し、磁性コア1を得た。
得られた多孔質磁性コア1乃至18・磁性コア1の物性を表2に示す。
Figure 2011141350
樹脂液の調製:
・樹脂液1
ストレートシリコーン(SR2411 東レ・ダウコーニング) 20.0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 79.5質量部
以上をボールミル(ソーダガラスボール φ10mm)を用いて1時間混合し、樹脂液1を得た。
・樹脂液2
ポリメチルメタクリレート重合体(Mw=66,000) 5.0質量部
ボントロンP51(オリエント化学工業株式会社) 2.0質量部
トルエン 93.0質量部
以上をビーズミル(ジルコニアビーズ φ1.0mm)を用いて3時間分散混合し、樹脂液2を得た。
<磁性キャリア1の製造例>
工程例1(樹脂充填工程例):
多孔質磁性コア1 100.0質量部を万能撹拌混合機(ダルトン社製)に入れ、減圧下、80℃に加熱しながら撹拌する。続いて、樹脂液1を多孔質磁性コア1 100質量部に対し樹脂成分として8質量部になるように添加し2時間加熱を続け、溶剤を除去した。得られた試料をジュリアミキサー(徳寿工作所社製)に移し、窒素雰囲気下に200℃で2時間熱処理して、開口70μmのメッシュで分級して、充填コア1を得た。
工程例2(樹脂コート工程例):
充填コア1 100.0質量部をナウタミキサ(ホソカワミクロン社製)に投入し、さらに、樹脂液2を樹脂成分として0.5質量部になるようにナウタミキサに投入した。減圧下で70℃に加熱し、1.7s-1(100rpm)で混合し、4時間かけて溶媒除去及び塗布操作を行った。その後、得られた試料をジュリアミキサー(徳寿工作所社製)に移し、窒素雰囲気下、温度200℃で2時間熱処理した後、開口70μmのメッシュで分級して磁性キャリア1を得た。
<磁性キャリア2乃至20の製造例>
コア、充填樹脂量、コート樹脂量を表3のように変え、磁性キャリア2乃至20を得た。
Figure 2011141350
得られたキャリア1乃至20の物性を表4に示す。
Figure 2011141350
〔樹脂の製造例1〕
冷却管、撹拌機、及び、窒素導入管のついた反応槽中に、以下の材料を秤量した。
テレフタル酸 22.6質量部
無水トリメリット酸 1.7質量部
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
75.6質量部
チタニウムジヒドロキシビス(トリエタノールアミネート) 0.1質量部
その後、200℃に加熱し、窒素を導入しながら生成する水を除去しながら10時間反応させ、その後、10mmHgに減圧し1時間反応させ、樹脂1を合成した。GPCで求めた樹脂1の分子量は、重量平均分子量(Mw)6200、数平均分子量(Mn)2500であり、ピーク分子量(Mp)2900、ガラス転移点は55℃、軟化点は93℃であった。
〔樹脂の製造例2〕
冷却管、撹拌機、及び、窒素導入管のついた反応槽中に、以下の材料を秤量した。
テレフタル酸 17.2質量部
ポリオキシエチレン(2.2)−2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)プロパン
76.6質量部
チタニウムジヒドロキシビス(トリエタノールアミネート) 0.1質量部
その後、220℃に加熱し、窒素を導入しながら生成する水を除去しながら10時間反応させた。
さらに、無水トリメリット酸6.1質量部を加え、180℃に加熱し、2時間反応させ樹脂2を合成した。GPCで求めた樹脂2の分子量は、重量平均分子量(Mw)86000、数平均分子量(Mn)6000、ピーク分子量(Mp)12800、ガラス転移点は62℃、軟化点は132℃であった。
〔トナー製造例1〕
樹脂1 50.0質量部
樹脂2 50.0質量部
パラフィンワックス(DSC最大吸熱ピーク75 ℃) 7.5質量部
C.I.ピグメントブルー15:3 5.0質量部
上記材料をヘンシェルミキサー(FM−75型、三井三池化工機(株)製)でよく混合した後、温度130℃に設定した二軸混練機(PCM−30型、池貝鉄工(株)製)にて混練した。得られた混練物を冷却し、ハンマーミルにて1mm以下に粗粉砕し、粗砕物を得た。得られた粗砕物を、高圧気体を用いた衝突式気流粉砕機を用いて微粉砕した。
次に、得られた微粉砕物を図1に示す表面改質装置により表面改質を行った。表面改質時の条件は、原料供給速度は2.0kg/hr、熱風流量4.5m3/min、熱風の吐出温度は220℃、冷風温度3℃、冷風流量3.0m3/minで表面改質を行った。次に、コアンダ効果を利用した風力分級機(エルボジェットラボEJ−L3、日鉄鉱業社製)で分級しで微粉及び粗粉を同時に分級除去、トナー粒子1を得た。
得られたトナー粒子1 100.0質量部に、無機微粒子として、一次平均粒子径16nmのヘキサメチルジシラザン20質量%で表面処理した疎水性シリカ微粒子1.0質量部を添加し、個数平均粒径が200nmでありヘキサメチルジシラザンで処理されたゾルゲル法シリカ微粉体を1.0質量部を外添混合し、トナー1を得た。
〔トナー製造例2〕
スチレン 78.4質量部
アクリル酸−n−ブチル 20.8質量部
メタクリル酸 2.0質量部
を反応容器に添加し、該混合液を110℃まで昇温した。窒素雰囲気下にラジカル重合開始剤であるtert−ブチルハイドロパーオキサイド1質量部をキシレン10質量部に溶解したものを該混合液に30分かけて滴下した。さらにその温度で該混合液を10時間保温してラジカル重合反応を終了させた。さらに該混合液を加熱しながら減圧し、脱溶剤することにより樹脂3を得た。GPCで求めた樹脂3の分子量は、重量平均分子量(Mw)35000、数平均分子量(Mn)8000であり、ピーク分子量(Mp)12000、ガラス転移点(Tg)58℃であった。
樹脂3 100.0質量部
精製ノルマルパラフィン(DSC最大吸熱ピーク70℃) 5.0質量部
C.I.ピグメントブルー15:3 5.0質量部
上記材料をヘンシェルミキサー(FM−75型、三井三池化工機(株)製)でよく混合した後、温度130℃に設定した二軸混練機(PCM−30型、池貝鉄工(株)製)にて混練した。得られた混練物を冷却し、ハンマーミルにて1mm以下に粗粉砕し、粗砕物を得た。得られた粗砕物を、高圧気体を用いた衝突式気流粉砕機を用いて微粉砕した。
次に、得られた微粉砕物をファカルティ(ホソカワミクロン社製)を用い、微粒子を除去しながら表面改質処理を行い、トナー粒子2を得た。
得られたトナー粒子2 100.0質量部に、無機微粒子として、一次平均粒子径16nmのヘキサメチルジシラザン20質量%で表面処理した疎水性シリカ微粒子2.0質量部を添加し、トナー2を得た。
〔トナー製造例3〕
イオン交換水710質量部に、0.12mol/l−Na3PO4水溶液450質量部を投入し、60℃に加温して得られた水溶液を、TK式ホモミキサー(特殊機化工業製)を用いて250s-1にて撹拌した。これに1.2mol/l−CaCl2水溶液68質量部を徐々に添加し、Ca3(PO42を含む水系媒体を得た。
次に、下記材料
・C.I.ピグメントブルー15:3 10質量部
・スチレン 160質量部
・n−ブチルアクリレート 30質量部
・パラフィンワックス(最大吸熱ピークのピーク温度78℃) 20質量部
・3,5−ジ−t−ブチルサリチル酸アルミニウム化合物 0.4質量部
・ポリエステル樹脂(テレフタル酸−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)プロパンの縮重合;酸価15mgKOH/g、ピーク分子量6000) 10質量部
を60℃に加温し、TK式ホモミキサー(特殊機化工業製)を用いて166.7s-1にて均一に溶解及び分散させた。これに、重合開始剤2,2’−アゾビス(2,4−ジメチルバレロニトリル)10質量部を溶解させ、モノマー混合物を調製した。
得られたモノマー混合物を、上記の水系媒体中に投入した。得られた混合物を60℃、窒素雰囲気下で、TK式ホモミキサーを用いて200s-1(12000rpm)で10分間撹拌して、重合性モノマー組成物を造粒した。その後、パドル撹拌翼で撹拌しつつ80℃に昇温し、10時間反応させた。重合反応終了後、減圧下で残存モノマーを留去して除去した。冷却後、塩酸を加えてCa3(PO42を溶解させた。得られた溶液をろ過し、濾取物を水洗、乾燥してトナー粒子3を得た。
得られたトナー粒子3 100質量部に、イソブチルトリメトキシシラン15質量%で表面処理した一次平均粒子径50nmの酸化チタン微粒子0.8質量部、及びヘキサメチルジシラザン20質量%で表面処理した一次平均粒子径16nmの疎水性シリカ微粒子0.7質量部を添加し、ヘンシェルミキサー(FM−75型、三井三池化工機(株)製)で混合して、トナー3を得た。
トナー1乃至3の物性を表5に示す。
Figure 2011141350
〔実施例1乃至13及び比較例1乃至7〕
次に、このように作製した磁性キャリア及びトナーを磁性キャリア100質量部に対しトナー8質量部を混合し、二成分系現像剤を作製した。 二成分系現像剤は、V型混合機で5分間混合した。
磁性キャリア及びトナーの組合せは表6の通りである。
Figure 2011141350
画像形成装置として、キヤノン製カラー複写機imageRUNNER iR C3580改造機改造機を用いた。シアン位置の現像器に上記現像剤を入れ、評価を行った。現像条件としては、現像ドラムに対する現像スリーブ周速を1.5倍、プロセススピード245mm/secとなるように改造した。そして、現像スリーブには、周波数2.0kHz、Vpp1.3kVの交流電圧と直流電圧VDCを印加した。直流電圧VDCはFFH画像(ベタ部)のトナーの紙上への載り量が0.5mg/cm2となるように調整した。
初期のドット再現性、画像濃度安定性、現像性、ハーフトーン均一性、キャリア付着の評価を、後述の評価方法・評価基準により行った。
次に、画像面積比率1%で連続100000枚印刷後、ドット再現性、濃度変動、現像性、ハーフトーン均一性、キャリア付着の評価を行った。
上記評価を、温度23℃/湿度50%RHの環境と、温度30℃/湿度80%RHの2つの環境で行った。評価結果を表7乃至9に示した。
なおFFH画像とは、256階調を16進数で表示した値であり、00Hを1階調目(白地部)、FFHを256階調目(ベタ部)とする。
印刷環境 温度23℃/湿度50%RH(以下「N/N」)
温度23℃/湿度5%RH(以下「N/L」)
温度30℃/湿度80%RH(以下「H/H」)
紙 カラー複写機・プリンタ用普通紙 CS−814(A4、81.4g/m2
(キヤノンマーケティングジャパン株式会社より販売)
<ドット再現性>
1画素を1ドットで形成するドット画像(FFh画像)を作成した。紙上の1ドットあたりの面積が、20000μm2以上25000μm2以下となるように、レーザービームのスポット径を調整した。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4.0未満 (非常に良好)
B:Iが4.0以上6.0未満 (良好)
C:Iが6.0以上8.0未満 (本発明において許容レベル)
D:Iが8.0以上 (本発明において許容できない)
<画像濃度安定性>
耐久評価を行う前に、20mm×20mmのFFH画像を1枚印刷した。X−Riteカラー反射濃度計(500シリーズ:X−Rite社製)を使用し、FFH画像部分の画像濃度を測定した。その後、画像面積比率30%で10枚印刷後、20mm×20mmのFFH画像を1枚印刷し、FFH画像部分の画像濃度を測定した。画像面積比率30%で10枚印刷前後の画像濃度の差を算出した。
(評価基準)
A:0.00以上0.05未満 (非常に良好)
B:0.05以上0.10未満 (良い)
C:0.10以上0.20未満 (本発明において許容レベル)
D:0.20以上 (本発明において許容できない)
<現像性>
直流電圧VDCを300Vに固定し、Vppを0.7kVから0.1kV刻みで2.0kVまで変えた交流電圧と直流電圧VDCを印加した。トナー載り量が0.50mg/cmとなるときのVppを求めた。
(A)Vpp1.4kV未満 (非常に良好)
(B)Vpp1.4kV以上1.6kV未満(良好)
(C)Vpp1.6kV以上1.9kV未満(本発明において許容レベル)
(D)Vpp1.9kV以上 (本発明において許容できない)
<ハーフトーン均一性>
A3紙全面に90h画像を3枚出力し、3枚目の画像を評価に用いた。画像均一性の評価は、5箇所の画像濃度を測定し、最大値と最小値との差を求めた。画像濃度は、X−Riteカラー反射濃度計(Color reflection densitometer X−Rite 404A)で測定した。
A:0.04未満 (非常に良好)
B:0.04以上0.08未満 (良好)
C:0.08以上0.12未満 (本発明において許容レベル)
D:0.12以上 (本発明において許容できない)
<耐久前後の濃度変動>
耐久評価を行う前に、20mm×20mmのFFH画像を1枚印刷した。X−Riteカラー反射濃度計(500シリーズ:X−Rite社製)を使用し、FFH画像部分の画像濃度を測定した。
耐久後に、同じ画像を1枚印刷し、画像濃度を測定した。
初期及び耐久後の画像濃度の差を以下の基準で評価とした。
(評価基準)
A:0.00以上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 (本発明において許容レベル)
D:0.20以上 (本発明において許容できない)
<キャリア付着>
00H画像を印刷し、感光ドラム上の部分を透明な粘着テープを密着させてサンプリングし、1cm×1cm中の感光ドラム上に付着していた磁性キャリア粒子の個数をカウントし、1cm2当りの付着キャリア粒子の個数を算出した。
A:3個以下 (非常に良好)
B:4個以上10個以下 (良好)
C:11個以上20個以下(本発明において許容レベル)
D:21個以上 (本発明において許容できない)
Figure 2011141350
Figure 2011141350
Figure 2011141350
100:トナー粒子供給口、101:熱風供給口、102:気流噴射部材、103:冷風供給口、104:第二の冷風供給口、106:冷却ジャケット、114:トナー粒子、115:高圧エア供給ノズル、116:移送配管、10:磁性キャリア粒子の断面領域、11:磁性コア部、12:磁性コア部以外の領域、13:磁性キャリア粒子の表面

Claims (4)

  1. 多孔質磁性コア粒子と樹脂とを少なくとも有する磁性キャリア粒子を有する磁性キャリアであって、
    走査型電子顕微鏡により撮影された該磁性キャリア粒子の断面の反射電子像において、該磁性キャリア粒子の加工断面領域における最大径Rxの中点を基準点とした場合に、基準点を通り、10°間隔に18本引いた直線上において、
    0.1μm以上の長さの磁性コア部領域の全個数に対する、6.0μm以上の長さの磁性コア部領域の個数の割合が、5.0個数%以上35.0個数%以下であり、且つ、2.0μm以下の長さを有する磁性コア部領域の個数の割合が、10.0個数%以上45.0個数%以下であり、
    該多孔質磁性コア粒子は、交流インピーダンス測定により得られるインピーダンスZの周波数依存特性を、下記(1)式で表されるフィッティング関数により、フィッティングしたときのパラメーターαが、100V/cmの電界強度下において、0.65以上0.85以下であることを特徴とする磁性キャリア。
    Figure 2011141350
    ただし、
    Re[Z(ω)]は、インピーダンスの実部
    lm[Z(ω)]は、インピーダンスの虚部
    iは、虚数単位
    ωは、角周波数
    Rs,R,T,αは、Cole−Coleの式によるフィッティングで算出されるパラメーター
  2. 走査型電子顕微鏡により撮影された該磁性キャリア粒子の断面の反射電子像において、磁性コア部領域の面積比率が、該断面の全面積に対して、50面積%以上80面積%以下であることを特徴とする請求項1に記載の磁性キャリア。
  3. 該磁性キャリア粒子は、該多孔質磁性コア粒子の孔に樹脂が充填された粒子の表面に、さらに樹脂で被覆されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の磁性キャリア。
  4. トナーと磁性キャリアとを少なくとも含有する二成分系現像剤において、該磁性キャリアは、請求項1乃至3のいずれか一項に記載の磁性キャリアであることを特徴とする二成分系現像剤。
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