DE102014211913A1

DE102014211913A1 - Toner mir verbesserter Fixierleistung

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Publication number: DE102014211913A1
Application number: DE102014211913.8A
Authority: DE
Inventors: Mark E. Mang; Juan A. Morales-Tirado; Tab A. Tress; Kevin F. Marcell; Brian J. Andaya
Original assignee: Xerox Corp
Current assignee: Xerox Corp
Priority date: 2013-06-27
Filing date: 2014-06-20
Publication date: 2014-12-31
Anticipated expiration: 2034-06-21
Also published as: BR102014014485A2; CA2852400C; CN104252104A; US20150004381A1; JP2015011347A; US9152063B2; CA2852400A1; JP6327968B2; CN104252104B; DE102014211913B4

Abstract

Die vorliegende Offenbarung stellt einen Toner bereit, umfassend ein Bioharz und zwei Wachse mit verbesserter Fixiererfreisetzung.

Description

In Hinsicht auf Umwelt und Gesundheit besteht ein Interesse und/oder Bedarf, geeigneten Reagenzersatz für Reagenzien von Tonern auf Petroleumbasis zu finden.
Schmelzwärmeprozesse sind bisher weitgehend zum Fixieren von übertragenen Tonerbildern eingesetzt worden und werden größtenteils in zwei Prozesse klassifiziert: Kontaktprozesses und Nichtkontaktprozesse. Die Kontaktprozesse sind dabei aufgrund ihrer thermalen Wirksamkeit überlegen und erlauben somit eine Hochgeschwindigkeitsfixierung. Wärmewalz-Fixierungsprozesse haben jedoch einige Nachteile, wie z. B. das Anhaften des Bilds am Photorezeptor und ein schlechtes Anhaften des Toners am Medium.
Ein Ansatz zur Lösung dieser Nachteile ist es, ein Toner-Binderharz einzusetzen, das z. B. über eine niedrigere Glasübergangstemperatur (Tg) verfügt, um eine raschere Verfestigung zu ermöglichen. Viele solcher Toner haben jedoch den Nachteil der Aggregation oder des Versinterns während der Lagerung oder in einem Endverbrauchergerät. Solche Toner können ebenfalls an der Stelle am Photorezeptor oder am Fixierer, auch „Offset“ genannt, anhaften, an welcher die Tonerpartikel zum darauffolgenden Medium geführt werden.
Ein weiterer Ansatz ist das Anhaften von feinen Partikeln, wie z. B. kolloidales Siliziumdioxid, Aluminiumoxid oder Titandioxid, an der Oberfläche von Tonerpartikeln zur Verbesserung der Blockierresistenz und Fließfähigkeit. Auch wenn die feinen Partikel einer Wärmebehandlung oder dergleichen zum Anhaften an der Tonerpartikeloberfläche ausgesetzt werden, werden diese oftmals von der Tonerpartikeloberfläche gelöst, was eine negative Auswirkung auf den Photorezeptor hat, insbesondere einen, der eine Oberfläche aufweist, die mit einem organischen Polymer oder dergleichen beschichtet ist.
Verschiedene Wachse werden als Fixierhilfen im Toner verwendet. Der Zusatz von zu viel Wachs führt jedoch zu schlechten Fließmerkmalen des Toners.
Bei einem Wärmewalzprozess kann das Kräuseln eines Übertragungsmediums, wie z. B. Papier, um eine Fixier- oder Fusionswalze nach dem Fixieren durch einen Abstreiffinger verhindert werden, der in der Fixierwalzeneinheit (Heizeinheit) platziert ist. In Hinsicht auf den derzeitigen Trend, Maschinen mit immer höherer Geschwindigkeit zu erzeugen, wird der Stress, der an dieser Stelle auf den Prozess ausgeübt wird, immer größer, was zu häufigeren Bilddefekten führt, wie z.B. Abstreiffinger-Artefakte, die an einem Bild auftreten.
Ein Abblättern oder ein lokales Ablösen der Oberflächenschicht der Fixier- oder Fusionseinheiten aufgrund einer unzureichenden Freisetzung und übermäßigen Anwendung von lokalem Stress, wie z. B. Toner oder einem abnormalen Abstreiffingerbetrieb, führt zu schweren Beschädigungen an der Oberfläche der Fixiereinheiten (Heizeinheit und Druckbeaufschlagungseinheit). Die Oberflächenschicht der Heizeinheit ist gewöhnlich mit einer Schicht aus Polymer beschichtet, die über ausgezeichnete Freisetzungsmerkmale verfügt, wie z. B. ein Silikon oder Fluorkohlenstoffharz zum Verhindern einer Anhaftung von Tonerpartikeln. Falls diese Schicht beschädigt ist, verbleiben Tonerkomponenten auf der Oberfläche der Heizeinheit. Dies verursacht ein Offset, wenn der Toner wieder auf eine unbeabsichtigte Druckfläche übertragen wird.
Daher besteht nach wie vor der Bedarf, einen Toner mit guter Fusionsleistung zu erhalten, um z. B. raschere Druckgeschwindigkeiten zu ermöglichen. Es besteht auch ein Bedarf nach einem Toner, der umweltfreundlicher ist.
Die vorliegende Offenbarung stellt einen Toner auf Biobasis bereit, der eine gute Fusionsleistung umfasst, wie z. B. eine hervorragende minimale Interaktion beim Stripperfingerbetrieb. Der Toner von Interesse kann ein Polypropylenwachs, ein Bioharz, ein negatives Ladungskontrollmittel, ein amorphen Polyesterharz, ein Karnaubawachs und optional einen Farbstoff umfassen.
Die ordnungsgemäße Freisetzung eines verschmolzenen Bilds von einer Warmfusionswalze ist ein Balancierungsakt der Freisetzungs- und Anhaftungsmerkmale des Toners. Geschmolzener Toner wird klebrig, wie Teer. Oftmals wird Wachs zur Tonerformulierung hinzugefügt, um beim Freisetzungsprozess behilflich zu sein. Eine zusätzliche Herausforderung stellt sich, wenn Drucke einen großen, vollständig dunkleren, wie z.B. schwarzen Druckbereich aufweisen, wie z. B. ein Bild eines breiten schwarzen Streifens oder einen grafischen Gegenstand, wie z. B. eine Fotografie oder eine Gestalt, die eine dunkle Farbe aufweist oder Anteile mit dunkler Färbung umfasst oder ein beliebiges Bild, bei dem der Aggregattoner auf das Substrat mit einem hohen TMA, Tonermassenbereich, aufgetragen worden ist. Dies führt dazu, dass diese Anteile der Druckfläche eine klebrige, teerähnliche Oberfläche aufweisen, die schwer von der Fusionswalze zu entfernen ist. Solche dunklen oder tonerreichen Regionen stellen ebenfalls für die Stripperfinger eine Herausforderung dar, das die Finger dazu neigen, sich in den geschmolzenen Toner einzugraben, anstatt über den Toner zu gleiten.
Diese Tonermerkmale und die Interaktion dieser mit dem Fusionsapparat können zu einem Papierstau in der Fixierstation, einem Bild, das unerwünschte Streifen über der Seite aufweist und/oder zu Bildfehlern in den nachfolgenden Empfängermedien führen.
Die vorliegende Offenbarung stellt einen Toner bereit, der einen Anteil eines Reagenz auf Petroleumbasis mit einem Reagenz auf Biobasis mit verbesserter Fixierstationsfreisetzung ersetzt, z.B. relativ eines Toners einer ähnlichen Formulierung, jedoch ohne das Reagenz auf Biobasis.
Falls nicht anderweitig angegeben, verstehen sich sämtliche Zahlen, die Quantitäten und Bedingungen usw. ausdrücken, die in der Spezifikation und den Ansprüchen verwendet werden, als in allen Fällen um den Begriff „etwa“ modifiziert. Mit „etwa“ ist gemeint, auf eine Variation von nicht mehr als 10 % vom angegebenen Wert hinzuweisen, wobei die hierin verwendeten Werte bekannt sind und der Fachmann auf dem Gebiet damit vertraut ist, wie solche Werte erhalten werden. Ebenfalls hierin verwendet sind die Begriffe „äquivalent“, „ähnlich“, „wesentlich“, „im Wesentlichen“, „schätzungsweise“ und „passend“ oder grammatikalische Versionen davon, die alle allgemein akzeptable Definitionen sind oder zumindest als die gleiche Bedeutung wie „etwa „aufweisend erachtet werden.
Wie hierin verwendet bedeutet „auf Biobasis“ oder die Verwendung als Vorsilbe „Bio“ ein Produkt, das vollständig oder teilweise aus einem biologischen Produkt besteht oder aus diesem erhalten wird, einschließlich einer Pflanz, einem Tier sowie Meeresmaterialien. Im Allgemeinen ist ein Material auf Biobasis biologisch abbaubar, d.h. im Wesentlichen oder vollständig biologisch abbaubar, wobei mit im Wesentlichen mehr als 50 %, mehr als 60 %, mehr als 70 % gemeint ist, oder mehr des Materials wird aus dem ursprünglichen Molekül in eine andere Form durch einen biologischen oder Umweltmechanismus abgebaut, wie z.B. die Wirkung darauf durch Bakterien, Tiere, Pflanzen, usw. innerhalb von Tagen, innerhalb von Wochen, einem Jahr oder mehr, jedoch im Allgemeinen nicht länger als innerhalb von zwei Jahren. Ein „Biotoner“ ist einer, der ein Material auf Biobasis enthält oder aus diesem besteht, wie z. B. ein Bioharz, und ist biologisch abbaubar.
Mit „guter Fixierstationsfreisetzung“ ist gemeint, dass der Toner eine gute Verschmelzungsleistung durch Reduzieren des Offsets auf ein Minimum demonstriert. Es gibt mehrere Metriken, die zur Bewertung einer guten Verschmelzungsleistung verwendet werden können. Eine gut Freisetzungs- oder Abstreifleistung kann z. B. bezüglich eines abgebildeten Substrats definiert werden, das sich von einer Fixierwalzenoberfläche ohne die Unterstützung von Abstreifkomponenten über die anfängliche Vorderkante hinaus abtrennt. Alternativ kann ein niedriger Offset oder VNO (nicht-visueller Offset) durch Überwachen der Fixier-Netzwerkverunreinigung gemessen werden. Die Tonerpartikel, die während dem Abstreifprozess an der Fixierwalze haften bleiben, können am Fixierwalzen-Reinigungsnetzwerk teilweise aufgesammelt werden. Diese Verunreinigung kann direkt am Netzwerk unter Verwendung von z. B. der Densitometrie direkt messbar sein, mit einer höheren Dichte bezüglich eines höheren NVOs, d. h. mit einer schlechteren Freisetzung. Das Erhöhen der Netzwerkverunreinigung betrifft ebenfalls die Erhebung der MOC (Markierungen auf der Kopie), bei denen die erhöhte NVO-Netzwerkverunreinigung zurück auf die Fixierwalze zwischen Laufzyklen übertragen und anschließend auf ein Substrat übertragen wird, d. h. die Substrateinheiten im Anschluss an den Bildzyklus und die Verunreinigung werden unerwünschterweise auf anschließende Einheiten des Substrats übertragen. Der Tonerpartikel ist einer, der nicht zu stark anhaftet und der sich gut und im Wesentlichen vollständig an einem Substrat, wie z. B. ein Papier, bei der Übertragung während dem elektrografischen Prozess befestigt. Ein Maß einer guten Tonerfixiererfreisetzung ist eine Reduktion von Abstreiffingerdefekten an einem Bild auf einem Substrat. Falls das verschmolzene Substrat zu fest an der Fixierwalze anhaftet, neigen die Abstreiffinger dazu, sich in die geschmolzene Toneroberfläche einzugraben.
Der Begriff „verbesserte Abstreifleistung“ bezieht sich auf die Charakteristiken eines Bilds unter Verwendung eines Biotoners von Interesse und ergänzt eine gute Verschmelzungsfreisetzung. Bei manchen Ausführungsformen ist eine gute Verschmelzungsfreisetzungsmetrik eine, um Abstreiffingerdefekte im Bild auf einem Substrat zu bewerten. Ein Abstreiffingerdefekt, wie als die gemessene Länge in Millimetern des sichtbaren Defekts gemessen, wie z. B. eine Linie aus einem teilweise oder vollständig entfernten Toner, oder eine Linie mit Differenzialglanz aufgrund des Abstreiffingers, ist ein dunklerer Bereich des Dokuments. Bei manchen Ausführungsformen beträgt die Länge des Defekts eines Toner mit einer guten Verschmelzungsfreisetzung unter Verwendung eines TMAs von etwa 0,7 g/cm² weniger als etwa 40 mm, weniger als etwa 30 mm, weniger als etwa 20 mm, weniger als etwa 10 mm.
Tonerpartikel umfassen ein Harz und können andere optionale Reagenzien enthalten, wie z. B. einen Farbstoff, ein Tensid, ein Wachs, eine Hülle, usw. Ein Toner von Interesse umfasst ein Bioharz und zwei Wachse. Die Hülle kann aus einem beliebigen, hierin gelehrten oder gemäß dem Stand der Technik bekannten Harz bestehen. Die Tonerzusammensetzung kann optional inerte Partikel umfassen, die als Tonerpartikelträger dienen können, die das hierin gelehrte Harz umfassen können. Die inerten Partikel können modifiziert sein, z. B. um einer bestimmten Funktion zu dienen. Daher kann die Oberfläche davon derivatisiert sein oder die Partikel können für einen gewünschten Zweck hergestellt werden, z. B. um eine Ladung zu tragen oder ein magnetisches Feld aufzuweisen.
Die Tonerpartikel der vorliegenden Offenbarung umfassen ein Harz, das aus einem beliebigen polyfunktionellen Monomer, das gemäß dem Stand der Technik bekannt ist, hergestellt sein. Im Fall eines Polyesters, können z. B. geeignete Polysäuren/Polyester sowie Polyole in einer Veresterungsreaktion verwendet werden, um partikuläre Polyesterpolymere zur Herstellung von Toner zu bilden.
Zwei oder mehr Polymere können bei der Bildung eines Toners oder von Tonerpartikeln verwendet werden. Bei manchen Ausführungsformen, bei denen zwei oder mehr Polymere verwendet werden, können die Polymere in einem beliebigen geeigneten Verhältnis (z. B. Gewichtsverhältnis) zueinander stehen, wie z. B. mit zwei verschiedenen Polymeren von etwa 1 % (erstes Polymer)/99 % (zweites Polymer) bis etwa 99 % (erstes Polymer)/1 % (zweites Polymer), von etwa 10 % (erstes Polymer)/90 % (zweites Polymer) bis etwa 90 % (erstes Polymer)/10 % (zweites Polymer) usw., als eine Entwurfswahl.
Die zwei oder mehr Polymere, einschließlich des Bioharzes, können im Aggregat in einer Menge von etwa 65 bis etwa 98 Gew.-%, von etwa 75 bis etwa 95 Gew.-% der Tonerpartikel auf Feststoffbasis vorhanden sein. Das Harz kann z. B. bis zu 90 %, bis zu 95 % eines Tonerpartikels auf einer Gewichtsbasis, wie z. B. etwa 90 %, etwa 91 %, etwa 92 %, etwa 93 %, etwa 94 %, etwa 95 %, etwa 96 % usw. eines Tonerpartikels umfassen. Da diese Gesamtmenge zwischen einem traditionellen Harz auf Petroleumbasis und einem Bioharz aufgeteilt wird, kann ein Bioharz bis zu 40 Gew.-% eines Toners, bis zu 50 %, bis zu 60 Gew.-% eines Toners oder mehr, wie z. B. etwa 40 %, etwa 41 %, etwa 42 %, etwa 43 %, etwa 44 %, etwa 45 %, etwa 46 %, etwa 47 %, etwa 48 %, etwa 49 %, etwa 50 %, etwa 51 Gew.-% eines Toners aus einem Bioharz bestehen, wobei der Rest aus einem oder mehreren traditionellen Harzen auf Petroleumbasis in Mengen von z. B. bis zu 40 Gew.-%, bis zu 50 Gew.-%, bis zu 60 Gew.-% oder mehr, als eine Entwurfswahl, bestehen kann.
Zu den geeigneten Polyesterharzen zählen z. B. diejenigen, die sulfoniert, nicht sulfoniert, amorph sind, Kombinationen davon und dergleichen. Die Polyesterharze können linear, verzweigt, quervernetzt sein, Kombinationen davon und dergleichen.
Beispiele von Polyolen, die beim Erzeugen eines amorphen Polyesterharzes verwendet werden können, sind 1,2-Propandiol, 1,3-Propandiol, 1,2-Butandiol, 1,3-Butandiol, 1,4-Butandiol, Pentandiol, Hexandiol, 2,2-Dimethylpropandiol, 2,2,3-Trimethylhexandiol, Heptandiol, Dodecandiol, 1,4-Zyklohexandimethanol, 1,3-Zyklohexandimethanol, Xylendimethanol, Zyklohexandiol, Diethylenglycol, Bis(2-hydroxyethyl)oxid, Dipropylenglycol, Dibutylenglycol sowie Kombinationen davon. Die Menge an Polyol kann variieren und kann z. B. in einer Menge von etwa 40 bis etwa 60 Mol-% des Harzes, von etwa 42 bis etwa 55 Mol-% des Harzes, von etwa 45 bis etwa 53 Mol-% des Harzes vorhanden sein.
Beispiele von Polysäuren oder Polyestern, die verwendet werden können, um ein amorphes Harz herzustellen, sind Terephthalsäure, Phthalsäure, Isophthalsäure, Fumarsäure, Trimellitinsäure, Dimethylitaconat, Cis-1,4-Diacetoxy-2-buten, Dimethylfumarat, Diethylmaleat, Diethylfumarat, Maleinsäure, Bernsteinsäure, Itaconsäure, Bernsteinsäure, Zyklohexansäure, Bernsteinanhydrid, Dodecylbernsteinsäure, Dodecylbersteinanhydrid, Glutarsäure, Glutaranhydrid, Adipinsäure, Pimelinsäure, Korksäure, Azelainsäure, Dodecandiolsäure, Dimethylnaphthalendicarboxylat, Dimethylterephthalat, Diethylterephthalat, Dimethylisophthalat, Diethylisophthalat, Dimethylphthalat, Phthalanhydrid, Diethylphthalat, Dimethylsuccinat, Naphthalendicarboxylsäure, Dimerdiacid, Dimethylfumarat, Dimethylmaleat, Dimethylglutarat, Dimethyladipat, Dimethyldodecylsuccinat sowie Kombinationen davon.
Beispiele von amorphen Harzen, die verwendet werden können, sind alkalisulfonierte Polyesterharze, verzweigte alkalisulfonierte Polyesterharze, alkalisulfonierte Polyimidharze und verzweigte alkalisulfonierte Polyimidharze. Alkalisulfonierte Polyesterharze können bei manchen Ausführungsformen nützlich sein, wie z. B. die Metall- oder Alkalisalze von Copoly(ethylen-terephthalat)-Copoly(ethylen-5-sulfo-isophthalat), Copoly(propylen-terephthalat)-Copoly(propylen-5-sulfo-isophthalat), Copoly(diethylen-terephthalat)-Copoly(diethylen-5-sulfo-isophthalat), Copoly(propylen-diethylen-terephthalat)-Copoly(propylen-diethylen-5-sulfoisophthalat) und Copoly(propylen-butylen-terephthalat)-Copoly(propylen-butylen-5-sulfo-isophthalat), wobei das Alkalimetall z. B. ein Natrium-, ein Lithium- oder ein Kaliumion ist.
Beispiele anderer geeigneter Harze sind, jedoch ohne Einschränkung Poly(Styrol-butadien), Poly(Methyl Styrolbutadien), Poly(methylmethacrylat-butadien), Poly(ethylmethacrylat-butadien), Poly(propylmethacrylat-butadien), Poly(butylmethacrylat-butadien), Poly(methylacrylat-butadien), Poly(ethylacrylat-butadien), Poly(propylacrylat-butadien), Poly(butylacrylat-butadien), Poly(styrol-isopren), Poly(methylstyrol-isopren), Poly(methylmethacrylat-isopren), Poly(ethylmethacrylat-isopren), Poly(propylmethacrylat-isopren), Poly(butylmethacrylat-isopren), Poly(methylacrylat-isopren), Poly(ethylacrylat-isopren), Poly(propylacrylat-isopren), Poly(butylacrylat-isopren); Poly(styrol-propylacrylat), Poly(styrol-butylacrylat), Poly(styrol-butadien-acrylsäure), Poly(styrol-butadien-methacrylsäure), Poly(styrol-butadien-acrylnitril-acrylsäure), Poly(styrol-butylacrylat-acrylsäure), Poly(styrol-butylacrylat-methacrylsäure), Poly(styrol-butylacrylat-acrylnitril), Poly(styrol-butylacrylat-acrylonitril-acrylsäure) sowie Kombinationen davon. Das Polymer kann z. B. ein Block-, Zufalls- oder alternierendes Copolymer sein.
Die Tg eines amorphen Polyesterharzes kann z. B. von etwa 55 °C bis etwa 67 °C, von etwa 57 °C bis etwa 65 °C, von etwa 59 °C bis etwa 63 °C betragen.
Ein Beispiel eines amorphen Harzes ist ein Polyester, das aus einer etwa 50:50 Mischung aus Polyalkohol und Polysäure besteht. Auf einer Molarbasis ist der Polyalkohol etwa 75 %-iges propoxyliertes Bisphenol-A und 25 %-iges ethoxyliertes Bisphenol-A. Auf einer Molarbasis ist die Polysäure etwa 80 %-ige Terephthalsäure, 10 %-ige Dodecylbernsteinsäure und 10 %-ige Trimellitinsäure. Das Harz weist eine Anfangs- Tg von etwa 61,5 ± 2,5 ºC und eine End-Tg von etwa 8 ºC höher, als die Anfangstemperatur auf.
Ein Ansatz zum Erhalten eines Bioharzes liegt am Erhalt einer Dimersäure oder einem Dimerdiol aus Sojaöl sowie anderen notwendigen Reagenzien aus anderen erneuerbaren Quellen, wie z. B. Isosorbid von Mais, siehe dazu z. B. US-Veröffentlichungs-Nr. 20110195233 .
Die Tg eines Bioharzes kann z. B. von etwa 50 °C bis etwa 62 °C, von etwa 52 °C bis etwa 60 °C, von etwa 54 °C bis etwa 58 °C liegen.
Ein Beispiel eines bioabgeleiteten, amorphen Polyesters ist im US-Pat. Nr. 7,887,982 beschrieben, das hierin durch Referenz in seiner Gesamtheit enthalten ist, wie in Tabelle 2B angemerkt und weiter in Beispiel 3 beschrieben. Bis zu 10 % Quervernetzungsmitteln, wie z. B. Trimethylpropan, können hinzugefügt werden, um die Rheologie, falls nötig, einzustellen. Dafür kann jede beliebige geeignete Dimersäure verwendet werden. Die Dimersäure kann z.B. aus Baumwollsamen erhalten werden. Für dieses bestimmte Harz beträgt die Tg etwa 56 °C.
Ein Bioharz kann alles oder einen Teil des Harzes auf Petroleumbasis eines Toners ersetzen. Daher kann die Menge der Bioharze von etwa 1 % bis 100 % der Gesamtmenge des in einem Toner vorhandenen Harzes betragen.
Es können Kondensationskatalysatoren in der Polyesterreaktion eingesetzt werden.
Solche Katalysatoren können in Mengen von z. B. etwa 0,01 Mol-% bis etwa 5 Mol-%, basierend auf der Menge des Ausgangs-Polysäure-, -Polyols- oder Polyesterreagenz in der Reaktionsmischung verwendet werden.
Im Allgemeinen, wie gemäß dem Stand der Technik bekannt, werden die Polysäure/Polyester und das Polyol miteinander vermischt, optional mit einem Katalysator, und bei einer erhöhten Temperatur inkubiert, wie z. B. von etwa 180 °C oder höher, von etwa 190 °C oder höher, von etwa 200 °C oder höher, usw., was anaerob durchgeführt werden kann, sodass eine Veresterung bis zum Äquilibrium erfolgen kann, was im Allgemeinen Wasser oder einen Alkohol ergibt, wie z. B. Methanol, der aus der Bildung der Esterbindungen in Veresterungsreaktionen entsteht. Die Reaktion kann dabei unter Vakuum durchgeführt werden, um die Polymerisation zu fördern. Das Produkt wird durch Ausführen bekannter Verfahren gesammelt und kann wiederum durch Ausführen bekannter Methoden getrocknet werden, um Partikel zu ergeben.
Das Harz kann ein quervernetzbares Harz sein. Ein quervernetzbares Harz ist ein Harz, z. B. einschließlich einer quervernetzbaren Gruppe oder Gruppen, wie z. B. eine C=C-Bindung oder eine pendante Gruppe oder Seitengruppe, wie z. B. eine Carboxylsäuregruppe. Das Harz kann z. B. durch eine frei radikale Polymerisation mit einem Initiator quervernetzt werden.
Zu den geeigneten Initiatoren zählen Peroxide oder Azo-Verbindungen. Die Menge an verwendetem Initiator ist im Allgemeinen proportional zum Ausmaß der Quervernetzung und somit des Gelgehalts des Polyestermaterials. Die Menge an verwendetem Initiator kann von z. B. etwa 0,01 bis etwa 10 Gew.-% des Polyesterharzes variieren. Die Quervernetzung kann bei einer hohen Temperatur durchgeführt werden und somit kann die Reaktion eine Verweildauer von etwa 20 Sekunden bis etwa 2 Minuten aufweisen.
Es können gefärbte Pigmente, wie z. B. Cyan, Magenta, gelb, rot, orange, grün, braun, blau oder Mischungen davon verwendet werden. Das zusätzliche Pigment oder die Pigmente können als Pigmentdispersionen auf Wasserbasis verwendet werden.
Der Farbstoff, wie z. B. der Kohlenschwarz-, Cyan-, Magenta- und/oder gelbe Farbstoff, kann in einer Menge eingearbeitet werden, die ausreichend ist, um dem Toner die gewünschte Farbe zu verleihen. Das Pigment oder der Farbstoff kann in einer Menge von etwa 0 Gew.-% (für einen klaren Toner) bis etwa 35 Gew.-% der Tonerpartikel auf einer Feststoffbasis, von etwa 1 Gew.-% bis etwa 25 Gew.-%, von etwa 2 Gew.-% bis etwa 15 Gew.-%, wie z. B. 4 Gew.-%, 4,25 Gew.-%, 4,5 Gew.-%, 4,75 Gew.-%, 5 Gew.-% usw. eingesetzt werden.
Die Tonerzusammensetzungen können in Dispersionen, einschließlich Tensiden, vorhanden sein. Dazu können ein, zwei oder mehr Tenside verwendet werden. Die Tenside können ausgewählt sein aus ionischen Tensiden und nichtionischen Tensiden oder Kombinationen davon. Anionische Tenside und kationische Tenside sind im Begriff „ionische Tenside“ inbegriffen.
Das/die Tensid(e) kann/können in einer Menge von etwa 0,01 Gew.-% bis etwa 5 Gew.-% der tonerbildenden Zusammensetzung, von etwa 0,75 Gew.-% bis etwa 4 Gew.-% der tonerbildenden Zusammensetzung, von etwa 1 Gew.-% bis etwa 3 Gew.-% der tonerbildenden Zusammensetzung verwendet werden.
Die Toner der vorliegenden Offenbarung enthalten eine Mischung aus zwei oder mehr verschiedenen Arten von Wachsen (nachfolgend als „ein Wachs“ identifiziert). Das Wachs kann in einer Menge von z. B. etwa 0,5 Gew.-% bis etwa 10 Gew.-% der Tonerpartikel, von etwa 1 Gew.-% bis etwa 5 Gew.-% der Tonerpartikel, wie z. B. 2,3 Gew.-%, 2,5 Gew.-%, 2,7 Gew.-%, 2,9 Gew.-% oder 3,1 Gew.-% vorhanden sein.
Die Wachse, die ausgewählt werden können, enthalten Wachse mit z. B. einem Mw von etwa 500 bis etwa 20.000, von etwa 1.000 bis etwa 10.000. Wachse, die verwendet werden können, sind z. B. Polyolefine, wie z. B. Polyethylen-, Polypropylen- und Polybutenwachse, wie z. B. diejenigen, die gewerblich erhältlich sind, wie z. B. POLYWAX^TM-Polyethylenwachse von Baker Petrolite, Wachsemulsionen, erhältlich von Michaelman, Inc. oder Daniels Products Co., EPOLENE N15^TM, das von Eastman Chemical Products, Inc. gewerblich erhältlich ist, VISCOL 550P^TM, ein Polypropylen mit niedrigem durchschnittlichem Molekulargewicht, erhältlich von Sanyo Kasei K.K.; Wachse auf Pflanzenbasis, wie z. B. Karnaubawachs, Reiswachs, Dandelillawachs, Sumachwachs und Jojobaöl; Wachse auf Tierbasis, wie z. B. Bienenwachs; Wachse auf Mineralbasis und Wachse auf Petroleumbasis, wie z. B. Montanwachs, Ozokerit, Ceresinwachs, Paraffinwachs, mikrokristallines Wachs und Fischer-Tropsch-Wachse; Esterwachse, die aus höheren Fettsäuren und höheren Alkoholen gewonnen werden, wie z. B. Stearylstearat und Behenylbehenat; Esterwachse, die aus höheren Fettsäuren und monovalenten oder multivalenten niedrigeren Alkoholen gewonnen werden, wie z. B. Butylstearat, Propyloleat, Glyceridmonostearat, Glyceriddistearat und Pentaerythritoltetrabehenat; Esterwachse, die aus höheren Fettsäuren und multivalenten Alkoholmultimeren gewonnen werden, wie z. B. Diethylenglycolmonostearat, Dipropylenglycoldistearat, Diglyceryldistearat und Triglyceryltetrastearat; Sorbitan-Esterwachse aus höheren Fettsäuren, wie z. B. Sorbitanmonostearat; Cholesterin-Esterwachse aus höheren Fettsäuren, wie z. B. Cholesterylstearat usw.
Mischungen und Kombinationen aus den vorstehenden Wachsen können bei manchen Ausführungsformen ebenfalls verwendet werden. Es können z. B. ein Polypropylenwachs und ein Wachs auf Pflanzenbasis, wie z. B. ein Carnaubawachs, kombiniert werden. Die Menge des Polypropylenwachses kann dabei von etwa 1,5 bis etwa 2,1 Gew.-%, von etwa 1,6 bis etwa 2 Gew.-%, von etwa 1,7 bis etwa 1,9 Gew.-% des Toners betragen und das Carnaubawachs kann in Mengen von etwa 0,6 bis etwa 1,3 Gew.-%, von etwa 0,7 bis etwa 1,1 Gew.-%, von etwa 0,8 bis etwa 1 Gew.-% der Tonerpartikel vorhanden sein.
Der Toner kann beliebige bekannte Ladungskontrollzusatzstoffe enthalten, wie z. B. Alkylpyridiniumhalide, Bisulfate, negativ geladene Förderzusatzmittel, wie z. B. Aluminumkomplexe und dergleichen.
Es können ladungsfördernde Moleküle verwendet werden, um einem Tonerpartikel entweder eine positive oder eine negative Ladung zu verleihen. Beispiele dafür sind quaternäre Ammoniumverbindungen, organische Sulfat- und Sulfonatverbindungen, Cetylpyridiniumtetrafluorborate, Azo-Verbindungen, wie z. B. BONTRON S-34, das ein negativer Ladungskontrollzusatzstoff ist (Orient Chemical, Kenilworth, NJ, USA), Distearyldimethylammoniummethylsulfat, Aluminumsalze usw.
Solche fördernde Moleküle können in einer Menge von etwa 0,1 bis etwa 10 Gew.-%, von etwa 0,5 bis etwa 3 Gew.-%, wie z. B. etwa 0,6 Gew.-%, etwa 0,7 Gew.-%, etwa 0,8 Gew.-%, etwa 0,9 Gew.-%, etwa 1 Gew.-% des Tonerpartikels vorhanden sein.
Oberflächenzusatzstoffe können zu den Tonerzusammensetzungen der vorliegenden Offenbarung z. B. nach dem Waschen oder Trocknen hinzugefügt werden. Beispiele solcher Oberflächenzusatzstoffe sind z. B. ein oder mehrere eines Metallsalzes, ein Metallsalz einer Fettsäure, ein kolloidales Siliziumdioxid, ein Metalloxid, wie z. B. TiO₂ (z. B. für eine verbesserte RH-Stabilität, Tribokontrolle und eine verbesserte Entwicklung der Übertragungsstabilität), ein Aluminumoxid, ein Ceriumoxid, ein Strontiumtitanat, SiO₂, Mischungen davon und dergleichen.
Oberflächenzusatzstoffe können in einer Menge von etwa 0,1 bis etwa 10 Gew.-%, von etwa 0,5 bis etwa 7 Gew.-% des Toners verwendet werden.
Daher kann ein Partikel an der Oberfläche ein oder mehrere Siliziumdioxide, ein oder mehrere Metalloxide, wie z. B. ein Titanoxid und ein Ceriumoxid, ein Schmiermittel, wie z. B. ein Zinkstearat, usw. enthalten. Bei manchen Ausführungsformen kann eine Partikeloberfläche zwei Siliziumdioxide, zwei Metalloxide, wie z. B. Titanoxid und Ceriumoxid, ein Schmiermittel, wie z. B. ein Zinkstearat, umfassen. Sämtliche dieser Oberflächenkomponenten können etwa 5 Gew.-% eines Tonerpartikelgewichts umfassen. Ebenfalls können externe Zusatzstoffpartikel mit den Tonerzusammensetzungen vermischt sein, wie z. B. Fließhilfszusatzstoffe, welche Zusatzstoffe auf der Oberfläche der Tonerpartikel vorhanden sein können. Beispiele dieser Zusatzstoffe sind Metalloxide, wie z. B. Titanoxid, Zinnoxid, Mischungen davon und dergleichen; kolloidale Siliziumdioxide, wie z. B. AEROSIL^®, Metallsalze und die Metallsalze von Fettsäuren, einschließlich Zinkstearat, Aluminiumoxide, Ceriumoxide sowie Mischungen davon. Jeder der externen Zusatzstoffe kann bei manchen Ausführungsformen in Mengen von etwa 0,1 bis etwa 5 Gew.-%, von etwa 0,1 bis etwa 1 Gew.-% des Toners vorhanden sein.
Das Bioharz und das von Petroleum abgeleitete Harz können miteinander schmelzvermischt oder in einem Extruder mit anderen Zutaten gemischt werden, wie z.B. mit Wachsen, Pigmenten/Farbstoffen, internen Ladungskontrollmittteln, Pigmentdispergiermitteln, Fließzusatzstoffen, Versprödungsmitteln, Wachs und dergleichen, um eine Tonermischung zu bilden. Das resultierende Produkt kann dann durch bekannte Verfahren mikronisiert werden, wie z. B. durch Mahlen oder Pulverisieren, und dann klassifiziert werden, um die gewünschten Tonerpartikel zu bilden.
Die trockenen Tonerpartikel, abgesehen von den externen Oberflächenzusatzstoffen, können folgendes aufweisen: (1) einen volumendurchschnittlichen Durchmesser (ebenfalls als „volumendurchschnittlicher Partikeldurchmesser“ bezeichnet) von etwa 2,5 bis etwa 20 μm, von etwa 2,75 bis etwa 10 μm, von etwa 3,7 bis etwa 7,5 μm. Der Toner kann eine Tg von etwa 55 °C bis etwa 65 °C, wie z. B. etwa 55 °C, etwa 57 °C, etwa 59 °C, etwa 61 °C, etwa 63 °C, etwa 65 °C aufweisen.
Die auf diese Weise gebildeten Tonerpartikel können in eine Entwicklerzusammensetzung formuliert werden. Die Tonerpartikel können z. B. mit Trägerpartikeln gemischt werden, um eine Zwei-Komponenten-Entwicklerzusammensetzung zu erhalten. Die Tonerzusammensetzung im Entwickler kann von etwa 1 Gew.-% bis etwa 25 Gew.-% des Gesamtgewichts des Entwicklers, von etwa 2 Gew.-% bis etwa 15 Gew.-% des Gesamtgewichts des Entwicklers betragen, wobei der Rest der Entwicklerzusammensetzung der Träger ist.
Beispiele von Trägerpartikeln zum Mischen mit den Tonerpartikeln, sind diejenigen Partikel, die in der Lage sind, eine Ladung auf triboelektrische Weise zu erhalten, die derjenigen der Tonerpartikel entgegengesetzt ist. Illustrative Beispiele geeigneter Trägerpartikel sind granulatförmiges Zirkon, granulatförmiges Silizium, Glas, Stahl, Nickel, Ferrite, Eisenferrite, Siliziumdioxid, ein oder mehrere Polymere und dergleichen.
Bei manchen Ausführungsformen können die Trägerpartikel einen Kern mit einer darüber befindlichen Beschichtung enthalten, die aus einem Polymer oder einer Mischung aus Polymeren gebildet sein kann, die sich nicht in unmittelbarer Nähe zu dieser in der triboelektrischen Reihe befinden, wie z. B. diejenigen, die hierin gelehrt werden oder gemäß dem Stand der Technik bekannt sind. Die Beschichtung kann ein Beschichtungsgewicht von z. B. etwa 0,1 bis etwa 5 Gew.-% des Trägers, von etwa 0,5 bis etwa 2 Gew.-% des Trägers aufweisen.
Es können verschiedene effektive, geeignete Mittel verwendet werden, um das Polymer auf die Oberfläche des Trägerkerns aufzutragen, wie z. B. Kaskadenrollenmischen, Rommeln, Mahlen, Schütteln, elektrostatisches Pulverwolkensprühen, Fließbettmischen, elektrostatische Scheibenverarbeitung, elektrostatische Vorhangverarbeitung, Kombinationen davon und dergleichen. Die Mischung der Trägerkernpartikel und des Polymers kann dann erhitzt werden, um es dem Polymer zu ermöglichen, zu schmelzen und sich mit dem Trägerkern zu verschmelzen. Die beschichteten Trägerpartikel können dann abgekühlt und danach in eine gewünschte Partikelgröße klassifiziert werden.
Die Trägerpartikel können durch Mischen des Trägerkerns mit Polymer in einer Menge von etwa 0,05 bis etwa 10 Gew.-%, von etwa 0,01 bis etwa 3 Gew.-%, basierend auf dem Gewicht des beschichteten Trägerpartikels hergestellt werden, bis eine Anhaftung desselben am Trägerkern erreicht wird, z. B. durch mechanische Impaktbildung oder elektrostatische Anziehung.
Bei manchen Ausführungsformen können geeignete Träger einen Stahlkern von z. B. etwa 25 bis etwa 100 μm Größe, von etwa 50 bis etwa 75 μm Größe enthalten, beschichtet mit etwa 0,5 Gew.-% bis etwa 10 Gew.-%, von etwa 0,7 Gew.-% bis etwa 5 Gew.-% einer Polymermischung, die z. B. Methylacrylat und Kohlenschwarz enthält.
Die Toner oder Entwickler können für elektrostatografische oder elektrofotografische Prozesse verwendet werden. Es kann in einem Bildentwicklungsgerät jede bekannte Art von Bildentwicklungssystem eingesetzt werden, einschließlich z. B. eines magnetischen Bürstenentwicklers, Einzelkomponenten-Sprungentwicklers, bürstenlosen Hybridentwicklers (HSD) und dergleichen. Diese und ähnliche Entwicklungssysteme liegen innerhalb des Kenntnisgebiets des Fachmanns auf dem Gebiet.
Anteile und Prozentsätze gelten nach Gewicht, falls nicht anderweitig angegeben.
Es wurden zwei Toner hergestellt, eine Kontrolle, die einen bekannten Toner repräsentiert, und einen experimentellen Toner, der einen Anteil des Harzes des Kontrolltoners mit einem Bioharz ersetzt, siehe Tabelle 1. 550P ist ein Wachs von Sanyo Kasei KK; BONTRON S-34 ist ein Ladungskontrollmittel von Orient Corp. (Kenilworth, NJ); und R330 ist ein Kohlenschwarz von Cabot Corp. Die Toner wurden unter Durchführung von gemäß dem Stand der Technik bekannten Mischverfahren hergestellt. Harz A ist das Harz auf Petroleumbasis, das aus einer etwa 50:50 Mischung aus Polyalkohol und Polysäure hergestellt wurde. Auf Molarbasis besteht der Polyalkohol etwa 75 % propoxyliertem Bisphenol-A und 25 % ethoxyliertem Bisphenol-A. Auf Molarbasis besteht die Polysäure aus etwa 80 % Terephthalsäure, 10 % Dodecylbernsteinsäure und 10 % Trimellitinsäure. Das Harz weist eine Anfangs-Tg von etwa 61,5 ± 5 ºC und einen End-Tg-Wert auf, der etwa 8 ºC höher liegt, als die Anfangstemperatur. Harz B ist ein bioabgeleitetes Harz mit etwa 50 % Biogehalt, basierend auf der C¹⁴-Analyse (ASTM D6866). Die Formulierung des bioabgeleiteten, amorphen Polyesters ist im US-Pat.-Nr. 7,887,982 , Tabelle 2B, Beispiel 3, beschrieben. Bis zu 10 % Quervernetzungsmittel, wie z. B. Trimethylpropan, können hinzugefügt werden, um die Rheologie, falls nötig, einzustellen. Die Tg des Harzes betrug etwa 56 °C. Tabelle 1: Tonerformulierungen

Komponente Kontrolle (Gew.-%) Bio (Gew.-%)

550P WACHS 1,8 1,8

Harz B 0 43

BONTRON S-34 0,7 0,7

KARNAUBAWACHS 0,9 0,9

Harz A 91,85 48,85

R330 4,75 4,75
Zur Durchführung des Tests wurde ein nominaler Tonermassenbereich (TMA) verwendet, der eine gewöhnliche Menge von 0,7 g/cm²repräsentiert, und ein höherer TMA von 0,8 g/cm² wurde als ein Stressfall verwendet, um eine dickere Schicht des Toners zu produzieren. Wenn eine dickere Schicht des Toners im Fixierer geschmolzen wird, neigen die Abstreiffinger eher dazu, sich in diese dickere Schicht des Toners einzugraben.
Unter Verwendung der beiden Toner in den beiden TMA-Mengen wurden Bilder produziert und die Interaktion der Abstreiffinger mit den Bildern, wie durch die Defekte der Bilder angezeigt, wurde gemessen. Bei beiden TMA-Werten waren die Abstreiffingerlängen des Toners mit dem Bioharz etwa 75 % kürzer, als die in den Bildern festgestellten Narben, die mit dem Toner produziert wurden, der kein Bioharz enthielt. Tabelle 2 zeigt die Längen der Abstreiffingermarkierungen. Die Länge der Markierungen stellt die tatsächliche Messung des Defekts in Millimetern dar. Ein durchschnittlicher Wert wurde festgestellt, indem der durchschnitt der Werte aller Markierungen auf einer Seite errechnet wurde. Tabelle 2—Abstreiffingerlänge nach Tonerart

Toner 0,7 TMA Abstreiffinger durchschnittliche Länge (mm) 0,8 TMA Abstreiffinger durchschnittliche Länge (mm)

Kontrolle 45 55

Experimentell 10 20
Der Zusatz von Bioharz hatte weder auf das Kalt-Offset, noch auf das Warm-Offset einen negativen Effekt. Ein Kalt-Offset besteht, wenn der Fixierer eine relativ niedrige Temperatur aufweist und der Toner nicht in das Substrat fließt und teilweise auf der Oberfläche der Fixierwalze verbleibt. Ein Warm-Offset besteht, wenn die Fixierwalze zu heiß für die Merkmale des Toners ist und dieser zu klebrig wird und teilweise auf der Oberfläche der Fixierwalze verbleibt. Das Offset wird durch visuelle Bewertung festgestellt, wie z. B. durch Ansehen der Fixierwalze oder durch Vorhandensein verschmierten Toners in Nicht-Bild-Bereichen. Die in Tabelle 3 präsentierten Daten zeigen, dass der Toner mit Teilbiogehalt gleichwertig robust auf die Variationen der Fixierwalzentemperatur reagiert, wie auch der Toner, der vollständig auf Petroleum basiert. Die nominale Fixierertemperatur betrug 195 °C und die Drucke wurden mit einem TMA von 0,7 g/cm² hergestellt. Tabelle 3-Offset-Abgrenzung für eine Auswahl von Fixierertemperaturen

Toner Kalt-Offset °C Warm-Offset °C

Kontrolle 145 225

Experimentell 145 225
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 20110195233 [0028]
US 7887982 [0030, 0060]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

ASTM D6866 [0060]

Claims

Tonerpartikel, umfassend: a) ein Polypropylenwachs; b) ein Bioharz; c) einen negativen Ladungskontrollzusatzstoff; d) ein amorphes Polyesterharz; e) ein Karnaubawachs; und f) einen Farbstoff.
Tonerpartikel nach Anspruch 1, wobei das Bioharz etwa 40 Gew.-% des Tonerpartikels umfasst; wobei das Polypropylenwachs etwa 2 Gew.-% des Tonerpartikels umfasst; wobei der negative Ladungskontrollzusatzstoff etwa 1 Gew.-% des Tonerpartikels umfasst; wobei das amorphe Polyesterharz etwa 50 Gew.-% des Tonerpartikels umfasst; wobei der Farbstoff etwa 5 Gew.-% des Tonerpartikels umfasst; wobei das Karnaubawachs etwa 1 Gew.-% des Tonerpartikels umfasst.
Tonerpartikel nach Anspruch 1, wobei das amorphe Polyesterharz eine Tg von etwa 55 °C bis etwa 67 °C umfasst.
Tonerpartikel nach Anspruch 1, wobei das Bioharz eine Tg von etwa 50 °C bis etwa 62 °C umfasst.
Substrat, umfassend ein Bild, umfassend den Tonerpartikel nach Anspruch 1, wobei das Bild eine verbesserte Abstreifleistung umfasst.
Substrat nach Anspruch 5, umfassend ein Papier.
Substrat nach Anspruch 5, wobei die verbesserte Abstreifleistung eine reduzierte Anzahl, ein reduziertes Ausmaß, oder beides, von Abstreiffingerdefekten umfasst.
Substrat nach Anspruch 5, wobei das Bild einen TMA von etwa 0,7 g/cm² umfasst.
Substrat nach Anspruch 5, wobei das Bild einen TMA von mehr als etwa 0,7 g/cm² umfasst.
Substrat nach Anspruch 7, wobei der Defekt weniger als etwa 20 mm beträgt.