開発品リサイクルPET樹脂含有トナーバインダー

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複合機は、コピー・プリンター（印刷）・スキャナー・FAXなどの多機能を搭載したデバイスで、限られたスペースで複雑な動作を高速で行い、高精度なドキュメントを短時間で完成させています。これを可能にしているのが、電子写真プロセスと呼ばれる画像形成方法です。

市場のドキュメントに対する要求は1990年代のデジタル化に端を発し、カラー化、高画質化、オンデマンド化へと移行しています。近年は、世界的な環境意識の高まりを背景に、複写機・プリンターの分野においても、CO2排出量削減などの環境対応に対するニーズがますます高まっています。

電子写真プロセスは下図に示すように①帯電→②露光→③現像→④転写→⑤定着→⑥クリーニングという工程からなっています。感光体ドラムに均一に電荷を付与した後、画像となる部分に光を照射して潜像を形成、荷電したトナーは電気的に潜像へ付着、紙に転写されたトナーは、ヒートローラーで加熱・加圧されることによって溶融し、紙に浸透後、冷えて固化することで紙に定着します。いずれの工程にもトナーの適合が求められます。

図 電子写真プロセス

トナーは、帯電機能を有した数μm径の非常に小さな粒子で、下図に示すような複数の成分で構成されています。

トナーバインダーは、基本的には熱可塑性樹脂であれば使用できます。ただし、紙への定着性、輸送時の保存性の観点から軟化点が90～160℃、ガラス転移点が50～70℃のものが望まれています。また、トナーにはさまざまな特性が要求されるため、それらを満足できる樹脂は限定され、現在では、スチレンアクリル系樹脂、ポリエステル系樹脂が市場の90％以上を占めているといわれています。

スチレンアクリル系樹脂、ポリエステル系樹脂の特徴

スチレンアクリル系樹脂はワックス分散性や粉砕性に優れ、帯電時の環境依存性が小さいなどの特長があります。一方、ポリエステル系樹脂は、スチレンアクリル系樹脂に比べてより低温定着が可能で、硬度が高く、紙に定着した画像の擦り強度の点で優れています。また、極性が高く顔料分散性に優れ、光沢も出やすいといった特長もあり、トナーに高画質品位や低温定着が求められるなかでポリエステル系トナーバインダーへの使用割合は年々増加してきています。

ポリエステル樹脂の構造と原料

代表的なポリエステル樹脂の構造とモノマーを下図に示します。ポリエステル樹脂のなかでも、トナーバインダーには、帯電保持性が高い非晶質のポリエステル樹脂が使用されます。

トナーの低温定着性について

省エネルギーに対する取り組みがますます重要視されている今日、エネルギーの消費が大きいトナーの定着において、低温定着化が求められています。従来、低温定着を達成する技術として、トナーバインダーのガラス転移点や軟化点を下げる検討がされてきました。しかし、ガラス転移点や軟化点を下げすぎると、トナーの保存性が悪化するため、本技術による低温定着化には限界がありました。

その後、これらのトレードオフ（課題）を克服する技術として結晶性ポリエステル樹脂との併用技術が開発されました。結晶性ポリエステル樹脂は、その融点で急激に溶融して低粘度化（シャープメルト化）するため、少ない熱エネルギーで樹脂の粘度を下げることができ、定着助剤として低温定着性と保存性をより高いレベルで両立させることを可能にしました。

また、さらなる低温定着化を実現する技術として、コアに低融点の樹脂を用いて低温定着性を満足させ、その外側を高融点の樹脂で覆うことで保存性を確保するカプセル構造のコアシェルトナーが開発されました。このように、完全な機能分離制御技術により低温定着性と保存性の両立が行われてきました。

トナーバインダー原料に求められるニーズについて

近年、SDGs達成に向け、地球温暖化防止に取り組む機運が高まりを見せています。トナーにおいても、さらなる低温定着化に加え、トナーバインダーの原料を化石燃料由来からデンプンなどの植物由来バイオマス原料やリサイクルプラスチック原料へ転換するなど、さらなるCO2排出量削減に向けた開発が各メーカーで進められています。

当社でも、リサイクルプラスチックを活用（アップサイクル）し、トナー性能と環境負荷低減を両立させるべく新たなトナーバインダーの開発を行っています。

当社が、トナーバインダー用の原料として着目したリサイクルプラスチックは、使用済みのPETです。リサイクルPETに着目した理由は、回収量が安定していること、ポリエステル系トナーバインダーと同じポリエステルであるためエステル交換で樹脂骨格に組み込みやすいことが挙げられます。

リサイクルPETの非晶性化の重要性について

リサイクルPETをトナーバインダーへとアップサイクルするうえでのポイントは、非晶性化です。リサイクルPETは融点が約260℃の結晶性樹脂です。しかし、結晶性のポリエステル樹脂は、体積抵抗値が低いため帯電保持力が弱く帯電量が経時的に低下しやすくなります。そのような樹脂をトナーバインダーに用いると連続印刷時の画質の安定性が悪くなるなどの問題があるため、トナーバインダーには帯電保持性の高い非晶性のポリエステル樹脂が使用されています。しかも、分子量はトナーバインダー用ポリエステル樹脂が数千～数万程度のオリゴマー体であるのに対して、リサイクルPETは分子量が数十万～数百万以上の超高分子量体と大きく異なります。このリサイクルPETをいかに非晶化して樹脂骨格に組み込むかが重要となります。

非晶性化のためのアプローチ

非晶性化するためには結晶化したポリマー分子鎖の規則的な配列を阻害する成分（非結晶性成分）を導入する必要があります。導入する非結晶性成分としては、酸成分モノマーとアルコール成分モノマーのどちらでもよく、目的・用途によって使い分けています。一般的に導入する非結晶性成分を増やすと非晶性化しやすくなりますが、トナーバインダー中のリサイクルPET比率は低くなります。リサイクルPET比率が高くなるよう、導入する非結晶性成分の種類の選定と量の調整が必要となります。

下図に示すように、リサイクルPET含有トナーバインダーの製造プロセスは、原料を加えて重合とエステル交換を行いますが、分子量制御や機能付与などは通常のトナーバインダーと同様です。それに加え、リサイクルPETのアップサイクルでは、リサイクルPETの非晶化やそれに適した反応条件（反応温度、反応時間など）の最適化などを行っています。このような複数の因子を同時に制御する技術には、当社がこれまでトナーバインダーの開発で長年培ってきた多くの知見が生かされています。

図 リサイクルPETを用いて環境負荷を低減させたトナーバインダーの製造プロセス

粘弾性挙動

こうして開発したリサイクルPET含有トナーバインダーは、リサイクルPET比率を50％以上にすることができました。その粘弾性は当社のポリエステル系トナーバインダーとほぼ同等の挙動を示しました。

図 トナーバインダーの粘弾性

低温定着性

実際に当社でトナー化して評価したところ、当社のポリエステル系トナーバインダーを使用してトナー化した場合と同等の低温定着性を確認できました。

図 トナーの低温定着性(当社評価)