CN103852986B - 一种等离子体引发聚合制备打印机碳粉的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种等离子体引发聚合制备打印机碳粉的方法，聚合单体为丙烯酰胺、丙烯酸、甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯、烯烃，聚合反应采用介质阻挡放电等离子体引发。聚合单体经过介质阻挡放电等离子体放电后，将颜料、磁性材料、电荷控制剂、助剂混合均匀放入聚合反应釜中，加入水作为溶剂进行聚合反应。然后经过聚合反应链终止、产物水洗涤、过滤、分离、干燥即得到本发明所述的碳粉。所得的碳粉颗粒的大小及外形的控制是通过等离子体引发化学聚合反应来调节，具有较好的定影牢度，同时该法以水作为溶剂，成本低，化学污染小，性能好等。

Description

一种等离子体引发聚合制备打印机碳粉的方法

技术领域

本发明属于打印机碳粉制备技术领域，具体为一种等离子体引发聚合制备打印机碳粉的方法。

背景技术

近年来 , 随着信息技术和办公自动化的发展 , 激光打印机的大量使用 , 要求打印机碳粉具有更高的分辨率、更适宜的固结温度和节能，较低玻璃化温度的碳粉已成为发展趋势。传统的熔融粉碎法制备碳粉的工艺流程过程复杂、工艺繁琐、流程周期长、能耗大、成本高，所得的碳粉中颜料粒子与树脂之间是以物理机械作用力结合，会产生颜料粒子的脱落，而且产品不易混合均匀，造成个体粒子之间形状、混合状况、机械强度等性能差异很大。为此，生产工艺已从传统的熔融粉碎法向化学聚合法发展。化学聚合法制备碳粉时具有工艺过程简单、流程短、生产设备投资成本低，与熔融法产品相比，还具有个体粒子性能差别小，粉末形状规则，表面光滑以及在生产彩色墨粉具有优势等。可以预见，由于化学聚合法的优势，有取代熔融法的趋势，但化学聚合法制备工艺还需再进一步完善。化学聚合法制备碳粉，需要使用价格较高的引发剂，有些方法制备的树脂因为分子量分布不好，使碳粉的熔点范围较窄，定影牢固度低。因此，研究新型的化学聚合法制备打印机碳粉具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足和缺陷，提供一种不需要昂贵的化学引发剂，而是利用等离子体引发聚合制备打印机碳粉的方法。并且制得的碳粉具有很好打印效果，多种打印机均可使用。

本发明的碳粉是在放电等离子体引发下，不采用化学引发剂，通过分子设计得到接枝及嵌段共聚物树脂碳粉，所得的树脂分子量分布好，碳粉的熔点范围较宽，定影牢固度高。

本发明所用的聚合单体为丙烯酰胺、丙烯酸、甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯、烯烃中的一种或几种混合物。聚合反应采用介质阻挡放电等离子体引发，在水溶液中聚合。制备工艺如下：

1、将聚合单体置于介质阻挡放电接地电极上进行等离子体放电。

2、将颜料、磁性材料、电荷控制剂、助剂混合均匀放入聚合反应釜中。

3、将经过第一步等离子体放电引发后的混合物加到聚合反应釜中，加入一定量的溶剂，在一定温度下反应。

4、将反应后的聚合产物加入聚合反应终止器中，进行聚合反应链终止。

5、将经过链终止反应后的产物用水洗涤，然后过滤、分离、干燥即得到本发明所述的碳粉。

介质阻挡放电引发等离子体的产生采用电极间插入电介质层的DBD模式产生微流注放电，因此对其激励仅能采用交流或高频激励方式。交流激励一般使用50/60Hz的工频交流电经变压器升压到近万伏，再施加到放电装置上。高频激励则是利用各种变换技术将工频交流电或直流电转换成数kHz~100kHz左右的高频交流电，升压后激励放电反应器。其激励组件构成主要包括高频高压电源、调压器、静电表、高压探头和数字存储示波器等。电源为高频高压逆变电源，输出电压、输出频率、脉冲宽度均可调，主要电源参数为：输出电压0~30kV连续可调，输出波形正弦波，输出频率5~20kHz连续可调，最大输出功率500W，该电源可连续工作。该电源可以满足利用介质阻挡放电产生微流注的要求，可以通过参数的控制来调节放电强度和微放电密度，从而满足聚合单体的等离子体引发聚合反应的要求。

介质阻挡放电引发等离子体产生是在空气中、常压下进行，放电激励电压3~10kV；阻挡介质为α-Al₂O₃板，其外缘大于放电电极1cm，α-Al₂O₃的具体参数为：体积密度≥3.8g/cm³，导热率≥21W/m•K，体积电阻率≥1015Ω•cm，热膨胀系数为(6.5-7.5)×10-6mm/^oC，表面粗糙度为Ra0.25-0.5μm，临介击穿电场强度 ≥ 400kV/cm，相对介电常数≥10，介质损耗< 3.9×10^-4；抗弯强度 > 280Mpa，矫曲度为0.404mm/100mm；放电电极为平行放置铜板，一个是高压电极，另一个是接地电极；介质阻挡放电间隙为2-10mm。

等离子体引发聚合反应是在水溶液中进行，放电等离子体引发时间为20-160s，聚合单体、颜料、磁性材料、电荷控制剂、助剂在聚合反应釜中聚合反应时间2-8h，溶液加热到30-50 ^oC，均匀搅拌溶解，然后开始聚合反应。聚合反应产物置入聚合反应终止器中在二苯基-2-二硝基苯肼的水溶液中浸泡24h以上，常温下水洗。

以上反应物料配比见表1。

表1 打印机碳粉反应原料配料表

颜料可以根据需要选择不同颜色，如果制备黑色碳粉，则选用碳黑；磁性材料选用氧化铁；电荷控制剂选用金属偶氮类络合物、金属水杨酸络合物；助剂是将低分子聚丙烯和疏水性二氧化硅以1:1的比例混合；所用溶剂为水。

本发明的等离子体引发聚合制备打印机碳粉，所得的碳粉颗粒的大小及外形的控制是通过等离子体引发化学聚合反应来调节，无需粉碎工序便可以得到制成品。根据选择的单体不同，得到嵌段及接枝共聚物，改善碳粉树脂性能，具有较好的定影牢度，同时该法以水作为溶剂，成本低，化学污染小，性能好等。

附图说明

附图1为制备工艺流程图；附图2为等离子体引发介质阻挡放电电极结构示意图。

图示：1聚合单体、2等离子体引发设备、3颜料、4磁性材料、5电荷控制剂、6助剂、7混合器、8聚合反应釜、9链终止反应釜、10水洗器、11过滤器、12分离器、13干燥器、14产品、15高电压、16高压电极、17阻挡介质、18接地电极、19接地线。

具体实施方式

实施例1：

如图1、图2所示，将碳黑、氧化铁、偶氮铁络合物、低分子聚丙烯和疏水性二氧化硅（以1:1比例混合均匀）混和均匀后，放入聚合反应釜8中。

将丙烯酰胺、丙烯酸、甲基丙烯酸按照1:1:1的比例混合均匀后置于等离子体引发介质阻挡放电接地电极18上，放电45s后，放入聚合反应釜8中，加入固体物料2倍的水，加热到30 ^oC，反应4h后，置入链终止反应釜9中在二苯基-2-二硝基苯肼的水溶液中浸泡24h，然后进水洗器10中水洗、过滤器11中过滤、分离器12中分离、干燥器13中干燥，即得产物。

实施例1反应物料配比见表2。

表2 实施例1反应原料配料表

实施例2-7：

工艺过程同实施例1，具体工艺条件和原料见表3。

表3 实施例2-7工艺条件和原料

实施例2-7反应物料配比见表4。

表4 实施例2-7反应原料配料表

按照以上实施例1-7工艺条件，得到不同的打印机碳粉，其性质见表5。

表5 实施例1-7打印机碳粉基本性质

实施例	分子量分布	平均粒径（μm）	玻璃化温度（oC）	软化点（oC）
					1	1.85	14	70	180
2	2.16	16	68	174
					3	1.74	13	58	1281
4	1.86	11	107	184
					5	2.37	17	61	160
6	1.48	16	83	173
					7	3.16	14	52	118

Claims (4)

1.一种等离子体引发聚合制备打印机碳粉的方法，聚合单体为丙烯酰胺、丙烯酸、甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯、烯烃中的一种或几种混合物，其特征在于：聚合反应采用介质阻挡放电等离子体引发；制备工艺为：将聚合单体置于介质阻挡放电接地电极上进行等离子体放电；将颜料、磁性材料、电荷控制剂、助剂混合均匀放入聚合反应釜中；将经过等离子体放电引发后的混合物加到聚合反应釜中，加入一定量的水，在一定温度下反应；将反应后的聚合产物加入聚合反应终止器中，进行聚合反应链终止；将经过链终止反应后的产物用水洗涤，然后过滤、分离、干燥即得到所述的碳粉。

2.根据权利要求1所述的等离子体引发聚合制备打印机碳粉的方法，其特征在于：等离子体引发聚合反应是在水溶液中进行，放电等离子体引发时间为20-160s，聚合单体、颜料、磁性材料、电荷控制剂、助剂在聚合反应釜中聚合反应时间2-8h，溶液加热到30-50 ^oC，均匀搅拌溶解，然后开始聚合反应；聚合反应产物置入聚合反应终止器中在二苯基-2-二硝基苯肼的水溶液中浸泡24h以上，常温下水洗。

3.根据权利要求1所述的等离子体引发聚合制备打印机碳粉的方法，其特征在于：打印机碳粉反应原料配料按如下质量百分比（%）配制：聚合单体60.0-90.0，颜料3.2-12.5，磁性材料3.5-10.6，电荷控制剂2.5-10.4，助剂2.5-8.4，各组分含量之和为100%。

4.根据权利要求1所述的等离子体引发聚合制备打印机碳粉的方法，其特征在于：颜料可以根据需要选择不同颜色，如果制备黑色碳粉，则选用碳黑；磁性材料选用氧化铁；电荷控制剂选用金属偶氮类络合物、金属水杨酸络合物；助剂是将低分子聚丙烯和疏水性二氧化硅以1:1的比例混合；所用溶剂为水。