DE60121491T2

DE60121491T2 - Toner und Entwickler für Magnetbürstenentwicklung

Info

Publication number: DE60121491T2
Application number: DE60121491T
Authority: DE
Inventors: Edward J. Webster Gutman; Barbara M. Keuka Park Ferguson
Original assignee: Xerox Corp
Current assignee: Xerox Corp
Priority date: 2000-03-07
Filing date: 2001-03-02
Publication date: 2006-11-16
Anticipated expiration: 2021-03-03
Also published as: JP2001281908A; EP1132780A1; DE60121491D1; US6319647B1; EP1132780B1; JP4651209B2

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf Toner. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf Toner mit sorgfältig kontrollierten Eigenschaften, um eine überlegene Druckqualität bereit zu stellen, wenn sie für die Entwicklung von elektrostatischen Bildern mit einem Magnetbürstenentwicklungssystem verwendet werden.
US A 5,545,501 beschreibt eine elektrostatographische Entwicklerzusammensetzung, die Trägerpartikel und Tonerpartikel mit einer Tonerpartikelgrößenverteilung umfasst, welche eine volumendurchschnittliche Partikelgröße (T) aufweisen, so dass 4 μm ≤ T ≤ 12 μm, und eine durchschnittliche Ladung (absoluter Wert) pro Durchmesser in Femtocoulomb/10 μm (C_T) nach triboelektrischem Kontakt mit besagten Trägerpartikeln aufweisen, so dass 1 fC/10 μm ≤ C_T ≤ 10 fC/10 μm, dadurch charakterisiert, dass (i) besagte Trägerpartikel einen Magnetisierungssättigungswert, M_sat, ausgedrückt in Tesla (T) aufweisen, so dass M_sat ≥ 0,30 T, (ii) besagte Trägerpartikel eine volumendurchschnittliche Partikelgröße (C_avg) aufweisen, so dass 30 μm ≤ C_avg ≤ 60 μm, (iii) besagte volumenbasierte Partikelgrößenverteilung der besagten Trägerpartikel wenigstens 90 % der Partikel mit einem Partikeldurchmesser C aufweist, so dass 0,5 C_avg ≤ C ≤ 2 C_avg, (iv) besagte volumenbasierte Partikelgrößenverteilung der besagten Trägerpartikel weniger als b % Partikel, die kleiner als 25 μm sind, umfasst, wobei b = 0,35 × (M_sat)² × P mit M_sat: Magnetisierungssättigungswert, M_sat ausgedrückt in T, und P: die maximale Feldstärke des magnetischen Entwicklerstabs, ausgedrückt in kA/m und (v) besagte Trägerpartikel einen Kernpartikel mit einer Harzbeschichtung in einer Menge (RC) umfassen, so dass 0,2 % w/w ≤ RC ≤ 2 % w/w. Dieses Patent beschreibt, dass solche Entwickler Bilder von Offset-Qualität in Systemen erzielen, bei denen ein latentes Bild mit einer haarfeinen magnetischen Bürste entwickelt wird.
Xeikon NV versorgt zur Zeit den Markt mit Entwicklern von Agfa für Magnetbürstenentwicklungssysteme. Diese Entwickler bestehen aus Toner- und Trägerpartikeln. Man nimmt an, dass der Toner aus Pigmenten und 2 Polyestern, einem propoxyliertem Bisphenol-A, Hexandisäure, Isophthalsäurepolyester und einem ethoxyliertem Bisphenol-A Ethylenglycol, Isophthalsäure, Terephthalsäurepolyester besteht, während man annimmt, dass der Träger aus einem Eisen-Zink-Kupferoxidkern, der mit einem vernetzten Siloxan beschichtet ist, zusammengesetzt ist. Jedoch leiden solche Entwickler unter einer niedrigen triboelektrischen Stabilität und Stabilität der Bildqualität und einer unzureichenden Farbskala.
Was noch immer gewünscht wird, ist ein Satz von Entwicklern, die aus Tonern und Trägern bestehen, welche eine Kombination von Eigenschaften besitzen, so dass, wenn sie verwendet werden, um ein latentes Bild auf der Oberfläche eines Fotorezeptors mit einer magnetischen Bürste zu entwickeln, das in dieser xerografischen Weise erzeugte Farbbild eine sehr hohe Qualität aufweist und in den meisten Eigenschaften gegenüber herkömmlichen Magnetbürstentonern und -entwicklern verbessert ist.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Satz von Farbtonern mit einem Satz von Eigenschaften bereitzustellen, so dass die Entwickler, die solche Toner zusammen mit Trägerpartikeln enthalten, Bilder von hoher Qualität erzielen, wenn diese mit einem Magnetbürstensystem gebildet werden. Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, Toner zu erhalten, die eine überlegene triboelektrische Stabilität und Stabilität der Bildqualität aufweisen.
Die vorliegende Erfindung stellt einen Toner bereit, der Tonerpartikel umfasst, die aus wenigstens einem Bindemittel, wenigstens einem Farbmittel und optional einem oder mehreren Additiven bestehen, wobei der Toner nach triboelektrischem Kontakt mit Trägerpartikeln, die einen Kern aus Ferrit umfassen, der mit 0,1 bis 3,0 Gewichtsprozent der Trägerpartikel einer Beschichtung, die ein Polyvinylidenfluoridpolymer oder Copolymer und ein Polymethylmethacrylatpolymer oder Copolymer umfasst, beschichtet ist und wobei 3 bis 5 Gewichtsanteile des Toners mit 90 bis 110 Gewichtsanteilen der Trägerpartikel in Kontakt gebracht werden, eine Ladung pro Partikeldurchmesser (Q/D) von 0,6 bis 0,9 fC/μm und eine triboelektrische Ladung von 20 bis 25 μC/g aufweist, wobei die Schmelzviskosität des Toners bei 100 °C im Bereich von 35.000 bis 70.000 mPa·s (Poise) liegt, und wobei die Tonerpartikel eine durchschnittliche Partikelgröße von 7,8 bis 8,3 μm (Mikron) aufweisen.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
Ein Entwickler, der die Tonerpartikel in Kombination mit Trägerpartikeln umfasst, weist eine A_T von 300 × 10^–2 μC/g bis 500 × 10^–2 μC/g auf. Eine elektrostatografische bildgebende Vorrichtung zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung umfasst einen Fotorezeptor, ein Magnetbürstenentwicklungssystem und ein Gehäuse in Verbindung mit dem Magnetbürstenentwicklungssystem, das den oben genannten Entwickler enthält.
1 und 2 fassen die Entwicklerdichte über die Zeit für zwei verschiedene Experimente mit in der vorliegenden Erfindung verwendeten Entwicklern grafisch zusammen.
3 und 4 fassen die A_T-Stabilität über die Zeit für zwei verschiedene Experimente mit in der vorliegenden Erfindung verwendeten Entwicklern grafisch zusammen.
5 fasst die A_T-Stabilität über die Zeit für einen bekannten, von Xeikon hergestellten Entwickler grafisch zusammen.
Im Allgemeinen umfasst das Verfahren des elektrofotografischen Druckens das Aufladen eines fotoleitfähigen Bauteils bis zu einem im Wesentlichen gleichförmigen Potential, um dessen Oberfläche zu sensibilisieren. Der geladene Teil der fotoleitfähigen Oberfläche wird einem Lichtbild, aus zum Beispiel einem Abtastlaserstrahl, einer LED-Quelle etc. oder aus einem Originaldokument, das reproduziert wird, ausgesetzt. Dieses zeichnet ein elektrostatisches, latentes Bild auf der fotoleitfähigen Oberfläche des Fotorezeptors auf. Nachdem das elektrostatische, latente Bild auf der fotoleitfähigen Oberfläche aufgezeichnet wurde, wird das latente Bild entwickelt.
In der vorliegenden Erfindung werden Zweikomponenten-Entwicklermaterialien für die Entwicklung verwendet. Ein typischer Zweikomponenten-Entwickler umfasst magnetische Trägerkörnchen mit Tonerpartikeln, die daran triboelektrisch anhaften. Tonerpartikel werden von dem latenten Bild angezogen, wobei sie ein Tonerpulverbild auf der fotoleitfähigen Oberfläche ausbilden. Das Tonerpulverbild wird nachfolgend auf einen Kopierpapierbogen transferiert. Schließlich wird das Tonerpulverbild erhitzt, um es permanent auf den Kopierbogen in der Bildkonfiguration einzubrennen.
Eine allgemein bekannte Weise zum Entwickeln des latenten Bildes auf dem Fotorezeptor ist die Verwendung von einer oder mehreren magnetischen Bürsten. Siehe zum Beispiel US A 5,416,566, US A 5,345,298, US A 4,465,730, US A 4,155,329 und US A 3,981,272. Der Toner des Entwicklers kann dahingehend formuliert werden, entweder eine negative oder eine positive Ladung zu tragen, und er wird in jedem Fall gegenüber dem Träger so ausgewählt, dass die Tonerpartikel die richtige Betriebsladung im Hinblick auf das entwickelt werdende, latente, elektrostatische Bild erhalten. Wenn der Entwickler in operativen Kontakt mit der fotoleitfähigen Oberfläche des Fotorezeptors gebracht wird, veranlasst folglich die größere Anziehungskraft des geladenen Bildes die Tonerpartikel dazu, die Trägerpartikel zu verlassen und an dem Bildteil der Platte anzuhaften.
Die oben genannte magnetische Bürste besteht typischer Weise aus einer Walze mit einem röhrenähnlichen Bauteil oder einer Manschette, die rotierbar gelagert ist. Die Manschette ist vorzugsweise aus einem nicht-magnetischen Material hergestellt. Ein oder mehrere Magnete sind innerhalb der Manschette montiert. Die Walze ist so angeordnet, dass ein Teil der Manschette in einen Vorrat des Entwicklers, der die Trägerpartikel und die Tonerpartikel umfasst, eingetaucht ist oder mit diesem in Kontakt steht.
Als ein Ergebnis wird der Entwickler magnetisch von der Oberfläche der Manschette angezogen und ordnet sich darauf in Form einer Bürste an. Wenn der Fotorezeptor, der das latente elektrostatische Bild darauf trägt, in physikalischen Kontakt mit der Bürste gebracht wird, zieht daher die anziehende Kraft der elektrostatischen Ladung auf der Fotorezeptoroberfläche in den Bildbereichen, welche größer ist als die Kraft, die den Toner an den Trägerpartikeln hält, den Toner von der Magnetbürstenwalze und auf die Bildbereiche, um das Bild sichtbar zu machen.
Das oben genannte elektrofotografische Markierungsverfahren kann modifiziert werden, um Farbbilder zu erzeugen. In solch einem Verfahren wird jede Farbe des Bildes nacheinander entwickelt und auf ein Bild-empfangendes Substrat, zum Beispiel Papier, transferiert und bildet so eine bildweise Anordnung des entwickelten Bildes auf dem Substrat.
Diese Erfindung beschreibt die Aspekte von neuen Tonern und Entwicklern, die in der eingeschränkten Magnetbürstenentwicklungsumgebung arbeiten, um Bildqualitäten zu erzielen, die gegenüber Tonern und Entwicklern aus dem Stand der Technik überlegen sind, wobei die Entwickler bessere triboelektrische Stabilität und Stabilität der Bildqualität, sowie besseren Glanz und ein weiteres Farbspektrum besitzen. Das Farbspektrum, der maximale Satz an Farben, der gedruckt werden kann, ist für solch ein xerografisches Vierfarbsystem überlegen. Vollton- und Halbtonbereiche sind gleichförmig und stabil in Dichte und Farbe. Sie sind von gleichförmigem Glanz. Illustrierte enthalten eine genaue, realistische Widergabe. Der Text ist scharf mit wohldefinierten Kanten, unabhängig von Fontgröße oder Typ. Es gibt keinen Hintergrund. Farbe, Volltöne, Halbtöne, Glanz, Abbildungen, Text und Hintergrund sind über den gesamten Arbeitsgang hinweg stabil. Die Drucke zeigen weder eine unerwünschte Papierwölbung, noch werden die Bilder durch Handhabung oder Lagerung, zum Beispiel, wenn sie in Kontakt mit Vinyloberflächen gelagert werden, gestört.
Durch diese Erfindung werden Farbtoner und -entwickler erhalten, die die notwendigen Eigenschaften aufweisen, um in Magnetbürstenentwicklungssystemen zu funktionieren. Vier unterschiedliche Farbtoner, Cyan (C), Magenta (M), Gelb (Y) und Schwarz (K) werden typischerweise beim Entwicken von Vollfarbbildern verwendet (obwohl auch andere Farbtoner verwendet werden können). Jeder dieser Farbtoner in der vorliegenden Erfindung besteht vorzugsweise aus wenigstens einem Harzbindemittel, geeigneten Farbmitteln und einem Additivpaket, das aus einem oder mehreren Additiven zusammengesetzt ist. Geeignete und bevorzugt Materialien zur Verwendung in der Herstellung von Tonern der Erfindung werden jetzt diskutiert werden.
Veranschaulichende Beispiele für geeignete Tonerharze, die für Toner- und Entwicklerzusammensetzungen ausgewählt sind, umfassen Vinylpolymere wie Styrolpolymere, Acrylnitrilpolymere, Vinyletherpolymere, Acrylat- und Methacrylatpolymere; Epoxypolymere; Diolefine; Polyurethane; Polyamide und Polyimide; Polyester wie die polymeren Veresterungsprodukte einer Dicarbonsäure und eines Diols, einschließlich eines Diphenols, vernetzte Polyester; und Ähnliche. Die für die Tonerzusammensetzungen der vorliegenden Erfindung ausgewählten Polymerharze umfassen Homopolymere oder Copolymere von zwei oder mehr Monomeren. Polyesterharze sind die am meisten bevorzugten Bindemittelharze in der Erfindung.
Veranschaulichende Beispiele für die Dicarbonsäureeinheiten in den zur Verwendung in den Tonerzusammensetzungen der vorliegenden Erfindung geeigneten Polyesterharzen umfassen Phthalsäure, Terephthalsäure, Isophthalsäure, Bernsteinsäure, Glutarsäure, Adipinsäure, Pimelinsäure, Suberinsäure, Azelainsäure, Sebacinsäure, Maleinsäure, Fumarsäure, Dimethylglutarsäure, Bromadipinsäuren, Dichlorglutarsäuren und Ähnliche; während veranschaulichende Beispiele für die Dioleinheiten in den Polyesterharzen Ethandiol, Propandiole, Butandiole, Pentandiole, Pinacol, Cyclopentandiole, Hydrobenzoin, bis(Hydroxyphenyl)alkane, Dihydroxybiphenyl, substituierte Dihydroxybiphenyle und Ähnliche umfassen.
Als ein Tonerharz werden Polyesterharze ausgewählt, die von einer Dicarbonsäure und einem Diphenol abgeleitet sind. Diese Harze sind in US A 3,590,000 erläutert. Auch können Polyesterharze, die aus der Reaktion von Bisphenol-A und Propylenoxid erhalten wurden, und insbesondere einschließlich solcher Polyester, gefolgt von der Reaktion des resultierenden Produkts mit Fumarsäure, und verzweigte Polyesterharze, die aus der Reaktion von Dimethylterephthalat mit 1,3-Butandiol, 1,2-Propandiol und Pentaerythrit resultieren, vorzugsweise verwendet werden. Weiterhin können niedrig schmelzende Polyester, insbesondere diejenigen, die durch reaktive Extrusion hergestellt werden, Quellenangabe: US A 5,227,460, als Tonerharze ausgewählt werden. Andere spezielle Tonerharze können Styrol-Methacrylat-Copolymere, Styrolbutadiencopolymere, PLIOLITE^® und suspensionspolymerisierte Styrolbutadiene (US A 4,558,108) umfassen.
Die am meisten bevorzugten Harzbindemittel zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung umfassen Polyesterharze, die sowohl lineare Anteile wie vernetzte Anteile vom in US A 5,227,460 beschriebenen Typ enthalten.
Der vernetzte Anteil des Bindemittels besteht im Wesentlichen aus Mikrogelpartikeln mit einem volumendurchschnittlichen Partikeldurchmesser von bis zu 0,1 μm (Mikron), vorzugsweise 0,005 bis 0,1 μm (Mikron), wie es durch Rasterelektronenmikroskopie und Transmissionselektronenmikroskopie bestimmt wird, wobei die Mikrogelpartikel im Wesentlichen gleichförmig durch die linearen Anteile hindurch verteilt sind. Dieses Harz kann durch ein im Stand der Technik bekanntes reaktives Schmelzmischverfahren hergestellt werden. Die durch den linearen Anteil verteilten, hoch vernetzten, dichten Mikrogelpartikel verleihen dem Harz Elastizität, was die Offset-Eigenschaften des Harzes verbessert, während die minimale Fixiertemperatur des Harzes nicht wesentlich beeinträchtigt wird.
Das Tonerharz ist folglich vorzugsweise ein teilweise vernetztes, ungesättigtes Harz, wie ein ungesättigter Polyester, der durch Vernetzen eines linearen, ungesättigten Harzes (im Nachfolgenden Basisharz genannt), wie einem linearen, ungesättigten Polyesterharz, vorzugsweise mit einem chemischen Initiator, in einer Schmelzmischvorrichtung wie zum Beispiel einem Extruder bei hoher Temperatur (zum Beispiel oberhalb der Schmelztemperatur des Harzes und vorzugsweise bis zu 150 °C über jener Schmelztemperatur) und unter hoher Scherung hergestellt wird.
Das Tonerharz hat einen Gewichtsanteil am Mikrogel (Gelgehalt) in der Harzmischung im Bereich von typischerweise 0 bis 50 Gewichtsprozent, vorzugsweise von 1 bis 20 Gewichtsprozent, mehr bevorzugt von 9 bis 18 Gewichtsprozent, mehr bevorzugt von 10 bis 15 Gewichtsprozent und am meisten bevorzugt von 13 bis 15 Gewichtsprozent. In einer am meisten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist das Harz für Magenta-, Schwarz- und Cyantoner einen Gelgehalt von zum Beispiel 10 bis 15 Gewichtsprozent des Tonerharzes auf, während das Harz für Gelbtoner vorzugsweise kein Gel enthält. Der lineare Anteil besteht aus dem Basisharz, vorzugsweise einem ungesättigten Polyester, im Bereich von 50 bis 100 Gewichtsprozent von besagtem Tonerharz und vorzugsweise im Bereich von 70 bis 98 Gewichtsprozent von besagtem Tonerharz. Der lineare Anteil des Harzes umfasst vorzugsweise ein reaktives Basisharz mit niedrigem Molekulargewicht, das während der Vernetzungsreaktion nicht vernetzt wurde, vorzugsweise ein ungesättigtes Polyesterharz.
Die Molekulargewichtsverteilung des Harzes ist folglich bimodal, mit unterschiedlichen Bereichen für die linearen und die vernetzten Anteile des Bindemittels. Das zahlendurchschnittliche Molekulargewicht (Mn) des linearen Anteils, gemessen mittels Gelpermeationschromatografie (GPC), liegt im Bereich von zum Beispiel 1.000 bis 20.000, und vorzugsweise von 3.000 bis 8.000. Das gewichtsdurchschnittliche Molekulargewicht (Mw) des linearen Anteils liegt im Bereich von zum Beispiel 4.000 bis 40.000 und vorzugsweise von 5.000 bis 20.000. Das gewichtsdurchschnittliche Molekulargewicht der Gelanteile ist andererseits im Allgemeinen größer als 1.000.000. Die Molekulargewichtsverteilung (Mw/Mn) des linearen Anteils liegt im Bereich von zum Beispiel 1,5 bis 6 und vorzugsweise von 1,8 bis 4. Der Beginn der Glasübergangstemperatur (Tg) des linearen Anteils, wie sie mittels Differentialrasterkalorimetrie (DSC) gemessen wird, liegt im Bereich von zum Beispiel 50 °C bis 70 °C.
Das Bindemittelharz kann einen niedrig schmelzenden Toner mit einer minimalen Fixiertemperatur von 100 °C bis 200 °C, vorzugsweise von 100 °C bis 160 °C, mehr bevorzugt von 110 °C bis 140 °C, bereitstellen, den niedrig schmelzenden Toner mit einer weiten Fixierungsbreite versehen, um dem Papierglanz zu entsprechen, und einen Offset des Toners auf die Walzen im Glanz erhöhenden Modul („gloss enhancing module", GEM-Einheit) minimieren oder verhindern und hohe Tonerpulverisierungswirksamkeiten aufrecht erhalten. Die Tonerharze und folglich die Toner zeigen einen minimierten oder im Wesentlichen keinen Vinyl-Offset.
In einer bevorzugten Ausführungsform besteht der vernetzte Anteil im Wesentlichen aus Mikrogelpartikeln von sehr hohem Molekulargewicht mit Vernetzung von hoher Dichte (gemessen über den Gelgehalt) und die im Wesentlichen in jedem Lösungsmittel, wie zum Beispiel Tetrahydrofuran, Toluol und Ähnlichem, nicht löslich sind. Die Mikrogelpartikel sind hoch vernetzte Polymere mit einem sehr geringen, falls überhaupt, Vernetzungsabstand. Dieser Typus von vernetztem Polymer kann dadurch gebildet werden, dass ein chemischer Initiator mit einem linearen, ungesättigten Polymer und mehr bevorzugt einem linearen, ungesättigten Polyester bei hoher Temperatur und unter hoher Scherung umgesetzt wird. Das Initiatormolekül zerfällt in Radikale und reagiert mit einer oder mehreren Doppelbindungen oder anderen reaktiven Stellen innerhalb der Polymerkette unter Bildung eines Polymerradikals. Dieses Polymerradikal reagiert viele Male mit anderen Polymerketten oder Polymerradikalen unter Bildung eines hochgradig und direkt vernetzten Mikrogels. Dies mach das Mikrogel sehr dicht und führt dazu, dass das Mikrogel in Lösungsmittel nicht sehr gut aufquillt. Das dichte Mikrogel verleiht dem Harz auch Elastizität und erhöht dessen Heißoffset-Temperatur, während es seine minimale Fixiertemperatur nicht beeinträchtigt.
Die als das Basisharz verwendeten linearen, ungesättigten Polyester sind Kondensationspolymere mit niedrigem Molekulargewicht, die durch die schrittweisen Reaktionen zwischen sowohl gesättigten wie ungesättigten Disäuren (oder Anhydriden) und zweiwertigen Alkoholen (Glykole oder Diole) gebildet werden können. Die resultierenden, ungesättigten Polyester sind an zwei Fronten reaktiv (d. h. vernetzbar): (i) ungesättigte Stellen (Doppelbindungen) entlang der Polyesterkette und (ii) funktionelle Gruppen wie Carboxylgruppen, Hydroxygruppen, etc., die für Säure-Base-Reaktionen zugänglich sind. Typische, für diese Erfindung nützliche, ungesättigte Polyesterbasisharze werden durch Schmelzpolykondensation oder andere Polymerisationsverfahren unter Verwendung von Disäuren und/oder Anhydriden und Diolen hergestellt. Geeignete Disäuren und Dianhydride umfassen, aber sind nicht darauf beschränkt, gesättigte Disäuren und/oder Anhydride, wie zum Beispiel Bernsteinsäure, Glutarsäure, Adipinsäure, Pimelinsäure, Suberinsäure, Azelainsäure, Sebacinsäure, Isophthalsäure, Terephthalsäure, Hexachlorendomethylentetrahydrophthalsäure, Phthalsäureanhydrid, Chlorendicsäure-Anhydrid, Tetrahydrophthalsäureanhydrid, Hexahydrophthalsäureanhydrid, Endomethylentetrahydrophthalsäureanhydrid, Tetrachlorphthalsäureanhydrid, Tetrabromphthalsäureanhydrid und Ähnliche und deren Mischungen; und ungesättigte Disäuren und/oder Anhydride wie zum Beispiel Maleinsäure, Fumarsäure, Chlormaleinsäure, Methacrylsäure, Acrylsäure, Itaconsäure, Citraconsäure, Mesaconsäure, Maleinanhydrid und Ähnliche und deren Mischungen. Geeignete Diole umfassen zum Beispiel, aber sind nicht auf diese beschränkt, Propylenglycol, Ethylenglycol, Diethylenglycol, Neopentylglycol, Dipropylenglycol, Dibromneopentylglycol, propoxyliertes Bisphenol A, 2,2,4-Trimethylpentan-1,3-diol, Tetrabrombisphenoldipropoxyether, 1,4-Butandiol und Ähnliche und deren Mischungen, die in guten Lösungsmitteln wie zum Beispiel Tetrahydrofuran, Toluol und Ähnlichen löslich sind.
Bevorzugte ungesättigte Polyesterbasisharze werden aus Disäuren und/oder Anhydriden wie zum Beispiel Maleinsäureanhydrid, Fumarsäure und Ähnlichen und deren Mischungen und aus Diolen wie zum Beispiel propoxyliertem Bisphenol A, Propylenglycol und Ähnlichen und deren Mischungen hergestellt. Ein am meisten bevorzugter Polyester ist Poly(propoxyliertes Bisphenol A – Fumarat).
In einer am meisten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst das Tonerbindemittelharz entweder (i) eine Schmelzextrusionsmischung aus (a) linearem (propoxyliertes Bisphenol A – Fumarat)harz und (b) diesem Harz, das durch reaktive Extrusion dieses linearen Harzes mit einem Gelgehalt von 27 bis 37 Gewichtsprozent vernetzt ist, um ein Harz mit einem Gelgehalt von 9 bis 18 Gewichtsprozent zu erzeugen; oder (ii) eine reaktive Extrusion von linearem (propoxyliertes Bisphenol A – Fumarat)harz, um einen Gelgehalt von 9 bis 18 Gewichtsprozent zu erzeugen. Lineares (propoxyliertes Bisphenol A – Fumarat)harz ist zum Beispiel unter dem Handelsnamen SPAR von Reichhold Chemicals, Inc., Resapol HT von Resana S. A. oder als gesetzlich geschützte Harze, genannt XP767 und XP777, von Resana S. A. oder RUCO Polymers/A Sybron Chemicals Company kommerziell erhältlich. Für eine geeignete Tonerlagerung und die Verhinderung von Vinyloffset weist die Polyesterharzmischung vorzugsweise eine Glasübergangstemperatur (Tg) von zum Beispiel 50 bis 65 °C auf.
Chemische Initiatoren wie zum Beispiel organische Peroxide oder Azo-Verbindungen sind für die Herstellung der vernetzten Tonerharze bevorzugt. Geeignete organische Peroxide umfassen Diacylperoxide wie zum Beispiel Decanoylperoxid, Lauroylperoxid und Benzoylperoxid, Ketonperoxide wie zum Beispiel Cyclohexanonperoxid und Methylethylketon, Alkylperoxyester wie zum Beispiel t-Butylperoxyneodecanoat, 2,5-Dimethyl-2,5-di(2-ethylhexanoylperoxy)hexan, t-Amylperoxy-2-ethylhexanoat, t-Butylperoxy-2-ethylhexanoat, t-Butylperoxyacetat, t-Amylperoxyacetat, t-Butylperoxybenzoat, t-Amylperoxybenzoat, oo-t-Butyl-o-isopropylmonoperoxycarbonat, 2,5-Dimethyl-2,5- di(benzoylperoxy)hexan, oo-t-Butyl-o-(2-ethylhexyl)monoperoxycarbonat und oo-t-Amyl-o-(2-ethylhexyl)monoperoxycarbonat, Alkylperoxide wie zum Beispiel Dicumylperoxid, 2,5-Dimethyl-2,5-di(t-butylperoxy)hexan, t-Butylcumylperoxid, bis(t-Butylperoxy)diisopropylbenzol, Di-t-Butylperoxid und 2,5-Dimethyl-2,5-di(t-butylperoxy)hexin-3, Alkylhydroperoxide wie zum Beispiel 2,5-Dihydroperoxy-2,5-dimethylhexan, Cumenhydroperoxid, t-Butylhydroperoxid und t-Amylhydroperoxid, und Alkylperoxyketale wie zum Beispiel n-Butyl-4,4-di(t-butylperoxy)valerat, 1,1-di(t-Butylperoxy)-3,3,5-trimethylcyclohexan, 1,1-Di(t-Butylperoxy)cyclohexan, 1,1-Di(t-Amylperoxy)cyclohexan, 2,2-Di(t-butylperoxy)butan, Ethyl-3,3-di(t-butylperoxy)butyrat und Ethyl-3,3-di(t-amylperoxy)butyrat. Geeignete Azo-Verbindungen umfassen Azobis-isobutyronitril, 2,2'-Azobis(isobutyronitril), 2,2'-Azobis(2,4-dimethylvaleronitril), 2,2'-Azobis(methylbutyronitril), 1,1'-Azobis(cyanocyclohexan) und andere ähnliche bekannte Verbindungen.
Indem man die Verwendung von niedrigen Konzentrationen des chemischen Initiators zulässt und indem altes davon in der Vernetzungsreaktion verbraucht wird, üblicherweise im Bereich von 0,01 bis 10 Gewichtsprozent, und vorzugsweise im Bereich von 0,1 bis 4 Gewichtsprozent, können die in der Vernetzungsreaktion erzeugten, verbleibenden Verunreinigungen in bevorzugten Ausführungsformen minimal sein. Da das Vernetzen bei hoher Temperatur durchgeführt werden kann, ist die Reaktion sehr schnell (zum Beispiel weniger als 10 Minuten, vorzugsweise 2 Sekunden bis 5 Minuten Verweilzeit) und daher verbleibt wenig oder kein unreagierter Initiator im Produkt.
Die niedrig schmelzenden Toner und Tonerharze können durch ein reaktives Schmelzmischverfahren hergestellt werden, wobei reaktive Harze teilweise vernetzt werden. Zum Beispiel können niedrig schmelzende Tonerharze durch ein reaktives Schmelzmischverfahren hergestellt werden, das die Schritte umfasst: (1) Schmelzen des reaktiven Basisharzes in einer Schmelzmischvorrichtung, wodurch eine Polymerschmelze gebildet wird; (2) Initiieren des Vernetzens der Polymerschmelze, vorzugsweise mit einem chemischen Vernetzungsinitiator und erhöhter Reaktionstemperatur; (3) Belassen der Polymerschmelze in der Schmelzmischvorrichtung für eine ausreichende Verweilzeit, so dass ein teilweises Vernetzen des Basisharzes erzielt werden kann; (4) Bereitstellen von ausreichend hoher Scherung während der Vernetzungsreaktion, um die während des Vernetzens gebildeten Gelpartikel klein an Größe und in der Polymerschmelze gut verteilt zu halten; (5) optional Abdampfen der Polymerschmelze, um alle ausströmenden flüchtigen Anteile zu entfernen; und (6) optionales Zugeben zusätzlicher linearen Basisharzen nach der Vernetzung, um das gewünschte Niveau an Gelgehalt in dem Endharz zu erzielen. Das reaktive Schmelzverfahren bei hoher Temperatur gestattet ein sehr schnelles Vernetzen, was die Herstellung von im Wesentlichen ausschließlich Mikrogelpartikeln erlaubt und die hohe Scherung des Verfahrens verhindert ein unzulässiges Wachstum des Mikrogels und ermöglicht es, dass die Mikrogelpartikel gleichförmig im Harz verteilt sind.
Ein reaktives Schmelzmischverfahren ist ein Verfahren, bei dem chemische Reaktionen am Polymer in der Schmelzphase in einer Schmelzmischvorrichtung wie einem Extruder durchgeführt werden können. Bei der Herstellung der Tonerharze werden diese Reaktionen verwendet, um die chemische Struktur und das Molekulargewicht zu modifizieren, und damit die Schmelzrheologie und die Fixiereigenschaften des Polymers. Reaktives Schmelzmischen ist besonders effizient für hoch viskose Materialien und ist vorteilhaft, weil es keiner Lösungsmittel bedarf und somit leicht umweltbedingt überwacht wird. So bald das gewünschte Ausmaß an Vernetzung erreicht wird, können die Reaktionsprodukte schnell aus der Reaktionskammer entfernt werden.
Die Harze sind im Allgemeinen im Toner der Erfindung in einer Menge von 40 bis 98 Gewichtsprozent und mehr bevorzugt von 70 bis 98 Gewichtsprozent vorhanden, obwohl sie in höheren oder niedrigeren Mengen vorhanden sein können, vorausgesetzt, dass die Ziele der Erfindung erreicht werden.
Die Tonerharze können nachfolgend schmelzgemischt oder auf andere Weise mit einem Farbmittel, Ladungsträgeradditiven, Tensiden, Emulgatoren, Pigmentdispergierungsmittel, Fließadditiven und Ähnlichen gemischt werden. Das resultierende Produkt kann dann durch bekannte Verfahren wie Mahlen pulverisiert werden, um Tonerpartikel zu bilden. Wenn erwünscht, können Wachse mit einem Molekulargewicht von 1000 bis 7000, wie Polyethylen, Polypropylen und Paraffinwachse, in oder auf die Tonerzusammensetzungen als Fixierungstrennmittel hinzugefügt werden.
Verschiedene geeignete Farbmittel von jeder Farbe können ohne Einschränkung in den Tonern der Erfindung verwendet werden, einschließlich geeignete, gefärbte Pigmente, Farbstoffe und deren Mischungen, einschließlich Kohlenschwarz (Carbon Black), wie Regal 330 Carbon Black (Cabot), Acetylene Black (Acetylenruss), Lamp Black, Aniline Black, Diarylide Yellow, Sunfast Yellow, Polytone Yellow, Arylide Yellow, Chrome Yellow, Zinc Yellow, Sicofast Yellow, Sunbrite Yellow, Luna Yellow, Novaperm Yellow, Chrome Orange, Bayplast Orange, Cadmium Red, Lithol Scarlet, Rubines, Quanacridones, Rhodamine Lake C, Suntone Magenta, Polytone Magenta, Hostaperm Red, Fanal Pink, Hostaperm Pink, Lithol Red, Rhodamine Lake B, Brilliant Carmine, Suntone Cyan, Polytone Cyan, Heliogen Blue, Hostaperm Blue, Neopan Blue, PV Fast Blue, Phthalocyanine Blue, Cinquassi Green, Hostaperm Green, Titandioxid, Kobalt, Nickel, Eisenpulver, Sicopur 4068 FF und Eisenoxiden wie Mapico Black (Laporte Pigments, Inc.), NP608 und NP604 (Northern Pigment), Bayferrox 8610 (Bayer), M08699 (Mobay), TMB-100 (Magnox), deren Mischungen und Ähnlichen.
Das Farbmittel, vorzugsweise ein schwarzes, cyanfarbenes, magentafarbenes und/oder gelbes Farbmittel wird in einer Menge eingefügt, die ausreichend ist, dem Toner die gewünschte Farbe zu verleihen. Im Allgemeinen wird das Pigment oder der Farbstoff in einer Menge verwendet, die von 2 bis 60 Gewichtsprozent und vorzugsweise von 2 bis 10 Gewichtsprozent reicht. In einer am meisten bevorzugten Ausführungsform werden die gelben, cyanfarbenen und magentafarbenen Pigmente als Pigmente bereitgestellt, die in einer zusätzlichen Menge des linearen Polyesterharzes im Voraus dispergiert sind. Dieses erleichtert das Mischen des Pigments in das Tonerbindemittel.
Alle geeigneten Oberflächenadditive können in der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Am meisten bevorzugt in der vorliegenden Erfindung sind eines oder mehrere von SiO₂ (oder Silica oder Siliziumdioxid), TiO₂ (oder Titan oder Titandioxid) und ZnSt (oder Zinkstearat) als externe Oberflächenadditive. Im Allgemeinen wird Silica zu der Toneroberfläche zwecks Tonerflusses, triboelektrischer Verstärkung, Beimischungssteuerung, verbesserter Entwicklung und Transferstabilität und höherer Tonerblockierungstemperatur zugesetzt. TiO₂ wird zwecks verbesserter Stabilität der relativen Feuchtigkeit (RH), triboelektrischer Steuerung und verbesserter Entwicklung und Transferstabilität zugesetzt.
Das SiO₂ und das TiO₂ sollten vorzugsweise eine primäre Partikelgröße von weniger als 20 nm aufweisen. Das Silica weist vorzugsweise eine primäre Partikelgröße im Bereich von 6 bis 10 nm auf. Das Titania weist vorzugsweise eine primäre Partikelgröße im Bereich von 13 bis 17 nm auf. Es wurde gefunden, dass TiO₂ besonders hilfreich beim Aufrechterhalten der Entwicklung und des Transfers über einen weiten Bereich der Flächenabdeckung und der Arbeitsdurchgangsdauer ist. Das SiO₂ und TiO₂ werden vorzugsweise auf die Toneroberfläche aufgebracht, wobei die gesamte Abdeckung des Toners von zum Beispiel 130 bis 200 % Oberflächenbereichsabdeckung („surface area coverage", SAC) reicht. Ein anderes Maß, das sich auf die Menge und die Größe der Additive bezieht, ist „SAC × Größe" ((Oberflächenbereichsabdeckung) mal (die primäre Partikelgröße des Additives in Nanometern)), bei dem die Additive vorzugsweise einen gesamten „SAC × Größe"-Bereich zwischen zum Beispiel 1300 bis 2300 haben sollten.
Am meisten bevorzugt wurde das hinzugefügte SiO₂ mit HMDS (Hexamethyldisilazan) oberflächenbehandelt. Das behandelte „Fumed Silica" (gebrannte Kieselerde) ist als TS530 von Cabot Corporation, Cab-O-Sil Division, kommerziell erhältlich. Das Titania ist am meisten bevorzugt ein unbehandeltes Titania. Das Titandioxid ist als P-25 von Nippon Aerosil Co., Ltd., erhältlich.
Zinkstearat wird vorzugsweise auch als ein externes Additiv bei den Tonern der Erfindung verwendet, wobei das Zinkstearat schmierende Eigenschaften bereitstellt. Zinkstearat stellt Entwicklerleitfähigkeit und triboelektrische Verstärkung bereit, beides aufgrund seiner schmierenden Natur. Zusätzlich erlaubt Zinkstearat eine höhere Tonerbeladung und Ladungsstabilität durch Erhöhen der Anzahl der Kontakte zwischen Toner und Trägerpartikeln. Calciumstearat und Magnesiumstearat stellen ähnliche Funktionen zur Verfügung. Am meisten bevorzugt ist ein kommerziell erhältliches Zinkstearat mit einer Partikelgröße, die ein 325-Sieb („325 screen") passiert, und als Zinkstearat L, hergestellt von Ferro Corporation, Polymer Additives Division, bekannt ist.
Am meisten bevorzugt enthalten die Toner zum Beispiel von 0,5 bis 5,0 Gewichtsprozent Titania, 0,1 bis 3,0 Gewichtsprozent HMDS-behandeltes Silica und 0,1 bis 2,0 Gewichtsprozent Zinkstearat.
Die oben diskutierten Additive werden ausgewählt, um überlegene Tonerfließeigenschaften wie auch eine höhere Tonerladung und Ladungsstabilität zu ermöglichen.
Zur weiteren Erhöhung der positiven Ladungseigenschaften der hierin beschriebenen Entwicklerzusammensetzungen und als optionale Komponenten können in die Toner oder auf seine Oberfläche ladungserhöhende Additive einschließlich Alkylpyridiniumhalide, Referenz US A 4,298,672; organische Sulfate oder Sulfonatzusammensetzungen, Referenz US A 4,338,390; Distearyldimethylammoniumsulfat; Bisulfate und Ähnliche und andere ähnliche bekannte, ladungserhöhende Additive eingebracht werden. Ebenso können Additive, die die negative Ladung erhöhen, wie Aluminiumkomplexe, wie BONTRON E-88 und Ähnliche, auch ausgewählt werden. Diese Additive können in den Toner in einer Menge von 0,1 Gewichtsprozent bis 20 Gewichtsprozent und vorzugsweise von 1 bis 3 Gewichtsprozent eingebracht werden.
Die folgende Tabelle 1 beschreibt die am meisten bevorzugten Toner zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung. In Tabelle 1 sind alle Prozentangaben nach Gewicht des Toners. Y bezieht sich auf Gelb, C auf Cyan, M auf Magenta und K auf Schwarz.
Tabelle 1
Die Tonerzusammensetzung der vorliegenden Erfindung kann durch eine Anzahl von bekannten Verfahren, einschließlich Schmelzmischen der Tonerharzpartikel und Pigmentpartikel oder Farbmittel, gefolgt von mechanischem Zerreiben, hergestellt werden. Andere Verfahren umfassen jene, die im Stand der Technik gut bekannt sind, wie Sprühtrocknen, Schmelzdispersion, Dispersionspolymerisation, Suspensionspolymerisation und Extrusion.
Der Toner wird vorzugsweise hergestellt, indem zunächst das Bindemittel, vorzugsweise, wie oben diskutiert, aus sowohl dem linearen Harz als auch aus dem vernetzten Harz zusammengesetzt, und das Farbmittel zusammen in einer Mischvorrichtung, vorzugsweise einem Extruder, gemischt werden und indem dann die Mischung extrudiert wird. Die extrudierte Mischung wird dann vorzugsweise in einer Mühle zusammen mit 0,3 bis 0,5 Gewichtsprozent der Gesamtmenge an Silica, welches als ein externes Additiv verwendet werden soll, mikronisiert. Der Toner wird dann klassiert, um einen Toner mit der gewünschten volumenmedianen Partikelgröße und den prozentualen Feinanteilen, wie oben diskutiert, zu bilden. Bei dem Verfahren sollte auch Sorgfalt darauf gelegt werden, die rauen Partikel, Körner und großen Partikel zu begrenzen. Nachfolgendes Beimischen der verbliebenen externen Additive zum Toner wird vorzugsweise unter Verwendung eines Rührwerks oder Mischers, zum Beispiel eines Henschel-Rührwerks, gefolgt von Sieben, durchgeführt, um das fertige Tonerprodukt zu erhalten.
Die fertigen Tonerpartikel weisen eine durchschnittliche Partikelgröße (Durchmesser) von 7,8 bis 8,3 μm (Mikron), vorzugsweise von 7,9 bis 8,2 μm (Mikron) auf, wie es mit dem wohlbekannten Coulter-Zähler-Verfahren bestimmt wird. Am meisten bevorzugt weisen nicht mehr als 8 %, gemessen nach der Anzahl, eine Größe von weniger als 5 μm (Mikron) und nicht mehr als 1 %, gemessen nach Volumen, eine Größe von mehr als 16 μm (Mikron) auf.
Um Toner bereitzustellen, die die Glanzanforderungen für das fixierte Bild erfüllen und die sich nicht an den Walzen des Glanz-erhöhenden Moduls (GEM-Einheit) in der Vorrichtung absetzen („offset"), weisen die Toner eine Schmelzviskosität bei 100 °C von 35.000 bis 70.000 mPa·s (Poise); bei 125 °C von zum Beispiel 2.300 bis 7.000 mPa·s (Poise); und bei 150 °C von zum Beispiel 800 bis 2.000 mPa·s (Poise) auf. Die Schmelzviskositäten werden mit einem Rheometer (Model RMS-800, hergestellt von Rheometrics, Inc.) bei 40 Radian pro Sekunde gemessen. Dieser enge Bereich des Schmelzviskositätsprofils wird die benötigte minimale Fixierung, angemessenen Glanz und das erwünschte Heißoffset-Verhalten bereitstellen, was ein langes Walzenleben in dem Magnetbürstenentwicklungssystem ermöglicht.
Die Ladung eines Toners wird mit den Begriffen Ladung/Partikeldurchmesser, Q/D, in fC/μm, nach triboelektrischem Kontakt des Toners mit Trägerpartikeln, ausgedrückt. Die Ladung pro Partikeldurchmesser (Q/D) der Tonerpartikel hat einen durchschnittlichen Wert von 0,6 bis 0,9 fC/μm. Diese Ladung muss den Entwicklungsvorgang hindurch stabil bleiben, um eine Konsistenz in der Fülle der unter Verwendung dieses Toners erhaltenen Bilder zu sichern.
Die Messung des durchschnittlichen Q/D der Tonerpartikel kann mittels eines im Stand der Technik wohlbekannten Ladungsspektografiegeräts erfolgen. Siehe zum Beispiel US A 4,375,673. Der Spektrograph wird verwendet, um die Verteilung der Tonerpartikelladung (Q in fC) in Bezug auf einen gemessenen Tonerdurchmesser (D in μm) zu messen. Das Messergebnis wird dargestellt als prozentuale Partikelfrequenz mit dem gleichen Q/D-Verhältnis (auf der Ordinate) in Abhängigkeit vom Q/D-Verhältnis ausgedrückt in fC/μm (auf der Abszisse).
Jede der resultierenden Farben der Tonerpartikel kann dann zu Entwicklerzusammensetzungen formuliert werden. Vorzugsweise werden die Tonerpartikel mit Trägerpartikeln gemischt, um eine Zweikomponentenentwicklerzusammensetzung zu erhalten.
Geeignete und bevorzugte Materialien zur Verwendung als Träger, die beim Herstellen von Entwicklern verwendet werden, die die oben diskutierten Toner der Erfindung enthalten, die die oben diskutierten Eigenschaften besitzen, werden jetzt diskutiert werden. Die Tonerpartikel haften triboelektrisch an der Oberfläche der Trägerpartikel.
Erläuternde Beispiele für Trägerpartikel, die zum Mischen mit der Tonerzusammensetzung ausgewählt werden können, umfassen jene Partikel, die in der Lage sind, triboelektrisch eine Ladung von entgegen gesetzter Polarität zu der der Tonerpartikel zu erhalten. Erläuternde Beispiele für geeignete Trägerpartikel umfassen granulöses Zirkon, granulöses Silikon, Glas, Stahl, Nickel, Ferrite, Eisenferrite, Siliziumdioxid und Ähnliche. Andere Träger werden in US A 4,937,166 und US A 4,935,326 offenbart.
Der Trägerkern ist aus Ferritpartikeln zusammengesetzt. Am meisten bevorzugt sind die Ferritpartikel im Wesentlichen frei von sowohl Zink als auch Kupfer. „Im Wesentlichen frei" bedeutet, dass die Ferritpartikel weniger als 2.000 ppm Kupfer und weniger als 4.000 ppm Zink auf einer Gewichtsbasis des Ferritpartikels enthalten, wobei diese Werte ungefähr weniger als 0,25 Gewichtsprozent Kupferoxid und weniger als 0,50 Gewichtsprozent Zinkoxid auf der Basis des gesamten Ferritpartikelgewichts entsprechen. Vorzugsweise enthalten die Ferritpartikel weniger als 1.000 ppm Kupfer, mehr bevorzugt weniger als 250 ppm Kupfer und am meisten bevorzugt weniger als 150 ppm Kupfer auf einer Gewichtsbasis des Ferritpartikels und weniger als 1.000 ppm Zink, mehr bevorzugt weniger als 250 ppm Zink und am meisten bevorzugt weniger als 100 ppm Zink auf einer Gewichtsbasis des Ferritpartikels. Die als Trägerkerne in der vorliegenden Erfindung verwendeten Ferritpartikel enthalten folglich Kupfer und Zink bestenfalls bloß als Verunreinigungen.
Am meisten bevorzugt sind die Ferritpartikel Mn-Mg-Sr-Ferritpartikel. Solche Ferritpartikel können von zum Beispiel Powdertech kommerziell erhalten werden und sind als EF-A60, EF-B75, EF-B65, EF-B55 und EF-C30 oder als ein als PXC-150 bekanntes, gesetzlich geschütztes Material bekannt.
Die als Kerne in der Erfindung zu verwendenden Ferritpartikel weisen vorzugsweise eine durchschnittliche Partikelgröße (Durchmesser) von zum Beispiel 10 bis 100 μm (Mikron), vorzugsweise von 30 bis 80 μm (Mikron), am meisten bevorzugt von 45 bis 55 μm (Mikron) auf, wie es durch Standardlaserbeugungsverfahren bestimmt wird. Außerdem weisen die Ferritkernpartikel eine magnetische Sättigung von zum Beispiel 30 bis 100 emu/g, vorzugsweise von 40 bis 100 emu/g, mehr bevorzugt von 50 bis 75 emu/g, am meisten bevorzugt von 60 bis 65 emu/g, eine Pulverdichte, wie sie durch ASTM Test B21289 bestimmt wird, von 2,0 bis 3,0 g/cm³, vorzugsweise 2,2 bis 2,5 g/cm³, am meisten bevorzugt ungefähr 2,40 g/cm³, eine Leitfähigkeit von 2 bis 10 × 10^–10 (ohm·cm)^–1, am meisten bevorzugt von ungefähr 6 × 10^–10 (ohm·cm)^–1 und eine Überschlagsspannung von 700 bis 1000 V, am meisten bevorzugt von ungefähr 850 V auf. Die Leitfähigkeit des Kerns wird dadurch gemessen, dass eine festgelegte 200 Voltspannung über eine magnetische Bürste von 0,1 Zoll in einem statischen (nicht rotierenden) Modus angelegt wird. Der resultierende Stromfluss durch das Material wird verwendet, um die Leitfähigkeit des Kerns zu berechnen. Die Überschlagsspannung des Kerns wird dadurch gemessen, dass eine feste Rate zur Erhöhung der Spannung über eine magnetische Bürste von 0,1 Zoll angelegt wird, während sie rotiert. Die angelegte Spannung, bei der 100 Mikroampère an Strom durch die Probe fließt, wird als die Überschlagsspannung definiert. Siehe zum Beispiel US A 5,196,803.
Die ausgewählten Trägerpartikel werden mit einer Beschichtung verwendet, wobei die Beschichtung aus Polyvinylidenfluoridharzen und Polymethylmethacrylatpolymer oder -copolymeren besteht.
In einer am meisten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Ferritpartikel mit einer Mischung aus wenigstens zwei trockenen Polymerkomponenten beschichtet, wobei diese trockenen Polymerkomponenten vorzugsweise nicht in enger Nachbarschaft dazu in der triboelektrischen Reihe stehen, und am meisten bevorzugt von entgegengesetzt aufladenden Polaritäten in Bezug auf den ausgewählten Toner sind.
Das elektronegative Polymer, d. h. das Polymer, das im Allgemeinen eine positive Ladung auf den Toner, mit dem es in Kontakt gebracht wird, überträgt, besteht aus einem Polyvinylidenfluoridpolymer oder -copolymer. Solche Polyvinylidenfluoridpolymere sind zum Beispiel unter dem Handelsnamen Kynar von Elf Atochem kommerziell erhältlich. Kynar 301 F, eine gesetzlich geschützte Version von Kynar 500, ist Polyvinylidenfluorid und Kynar 201, eine gesetzlich geschützte Version von Kynar 460, ist Copolyvinylidenfluoridtetrafluorethylen.
Das elektropositive Polymer, d. h. das Polymer, das im Allgemeinen eine negative Ladung auf den Toner, mit dem es in Kontakt gebracht wird, überträgt, besteht aus einem Polymer oder Copolymer von Polymethylmethacrylat (PMMA), und hat optional Kohlenschwarz oder ein anderes leitfähiges Material darin dispergiert. PMMA selbst ist ein isolierendes Polymer. Um leitfähiges PMMA zu erhalten, wird eine leitfähige Komponente, zum Beispiel Kohlenschwarz, in dem Polymer dispergiert. Das PMMA kann mit jedem gewünschten Comonomer copolymerisiert werden, so lange wie das resultierende Copolymer eine geeignete Partikelgröße beibehält. Geeignete Comonomere können Monoalkyl- oder Dialkylamine wie Dimethylaminoethylmethacrylat, Diethylaminoethylmethacrylat, Diisopropylaminoethylmethacrylat oder t-Butylaminoethylmethacrylat; und Ähnliche umfassen. Wenn das PMMA-Polymer darin dispergiertes Kohlenschwarz aufweist, wird es vorzugsweise in einem Semisuspensionspolymerisationsverfahren, zum Beispiel wie in US A 5,236,329 beschrieben, gebildet. Das PMMA-Polymer kann ein gewichtsdurchschnittliches Molekulargewicht von zum Beispiel 300.000 bis 350.000 aufweisen, wie ein PMMA, das von Soken kommerziell erhältlich ist.
Der prozentuale Anteil jedes in der Trägerbeschichtungsmischung vorhandenen Polymers kann in Abhängigkeit von den ausgewählten speziellen Komponenten, dem Beschichtungsgewicht und den gewünschten Eigenschaften variieren. Insbesondere können die Verhältnisse der zwei Polymere variiert werden, um die triboelektrischen Eigenschaften des Trägers anzupassen, um die besonderen A_T-Anforderungen einer gegebenen Druckvorrichtung zu erfüllen. Im Allgemeinen enthalten die verwendeten beschichteten Polymermischungen von 3 bis 97 % des elektronegativen Polymers und von 97 bis 3 Gewichtsprozent des elektropositiven Polymers. Vorzugsweise werden Mischungen der Polymere mit 3 bis 25 Gewichtsprozent des elektronegativen Polymers und von 97 bis 75 Gewichtsprozent des elektropositiven Polymers ausgewählt. Am meisten bevorzugt sind ausgewählte Mischungen von Polymeren mit 5 bis 20 Gewichtsprozent des elektronegativen Polymers und von 95 bis 80 Gewichtsprozent des elektropositiven Polymers.
Die Trägerpartikel können dadurch hergestellt werden, dass der Trägerkern mit zum Beispiel zwischen 0,05 und 10 Gewichtsprozent, am meisten bevorzugt zwischen 0,3 % und 0,5 Gewichtsprozent, basierend auf dem Gewicht der beschichteten Trägerpartikel, der Mischung der trockenen Polymere bis zu deren Anhaftung an den Trägerkern durch mechanischen Eindruck und/oder elektrostatische Anziehung gemischt wird. Die Mischung der Trägerkernpartikel und der Polymere wird dann auf eine Temperatur von zum Beispiel zwischen 200 °F und 650 °F, vorzugsweise 320 °F bis 550 °F, am meisten bevorzugt von 380 °Fahrenheit bis 420 °Fahrenheit, für eine Zeitdauer von zum Beispiel 10 Minuten bis 60 Minuten, erhitzt, was es den Polymeren ermöglicht, zu schmelzen und mit den Trägerkernpartikeln zu verschmelzen. Die beschichteten Trägerpartikel werden dann abgekühlt und danach auf eine gewünschte Partikelgröße klassiert. Die Beschichtung hat ein Beschichtungsgewicht von 0,1 bis 3,0 Gewichtsprozent bezogen auf den Träger, vorzugsweise von 0,1 bis 1,0 Gewichtsprozent.
Verschiedene effektive, geeignete Mittel können verwendet werden, um die Polymermischungsbeschichtungen auf die Oberfläche der Trägerkernpartikel aufzubringen. Beispiele für typische Mittel zu diesem Zweck umfassen das Kombinieren des Trägerkernmaterials und der Mischung der Polymere durch Kaskadenwalzenmischen oder Rollieren, Mahlen, Schütteln, elektrostatisches Pulverwolkensprühen, Wirbelstrombett, elektrostatische Scheibenverarbeitung und einen elektrostatischen Vorhang. Nach dem Aufbringen der Polymermischung wird ein Erhitzen eingeleitet, um das Ausbreiten des Beschichtungsmaterials auf der Oberfläche des Trägerkerns zu ermöglichen. Die Konzentration der Beschichtungsmaterialpulverpartikel wie auch die Parameter des Heizschritts können gewählt werden, um die Ausbildung eines kontinuierlichen Films des Beschichtungsmaterials auf der Oberfläche des Trägerkerns zu ermöglichen oder um zuzulassen, dass nur ausgewählte Bereiche des Trägerkerns beschichtet werden.
Entwicklerzusammensetzungen mit zwei Komponenten können dadurch erzeugt werden, dass die Trägerkernpartikel mit einer Tonerzusammensetzung, die aus Harzpartikeln und Pigmentpartikeln besteht, gemischt werden.
Es ist wünschenswert, ein Verhältnis des volumenmittleren Durchmessers des Trägers zum volumenmittleren Durchmesser des Toners von 5 : 1 zu 7 : 1, vorzugsweise von ungefähr 6 : 1, aufrecht zu erhalten. Die fertigen beschichteten Trägerpartikel sollten folglich eine durchschnittliche Partikelgröße (Durchmesser) von zum Beispiel 45 bis 55 μm (Mikron) aufweisen, wie es durch Standardlaserbeugungsverfahren bestimmt wird. Am meisten bevorzugt weisen weniger als 3 % der Trägerpartikel eine Größe auf, die kleiner als 31 μm (Mikron) ist, 10 % oder weniger Trägerpartikel weisen eine Größe auf, die kleiner als 63 μm (Mikron) ist und 10 % oder weniger Trägerpartikel weisen eine Größe auf, die größer als 72 μm (Mikron) ist.
Die Trägerpartikel werden mit den Tonerpartikeln in den folgenden Kombinationen gemischt: 3 bis 5 Gewichtsanteile der Tonerpartikel werden mit 90 bis 110 Gewichtsanteilen der Trägerpartikel gemischt. Die Tonerkonzentration im Entwickler, der anfänglich in einem xerografischen Entwicklungsgehäuse installiert ist, beträgt daher vorzugsweise zum Beispiel zwischen 3 und 6 Gewichtsprozent, basierend auf dem gesamten Entwicklergewicht.
Entwickler, die die beschichteten Träger enthalten, können mit konstanten Leitfähigkeitswerten bei unterschiedlichen triboelektrischen Ladungseigenschaften zum Beispiel dadurch formuliert werden, dass das gleiche Beschichtungsgewicht auf den Trägerpartikeln beibehalten wird und die Polymerbeschichtungsverhältnisse verändert werden. In ähnlicher Weise können Entwicklerzusammensetzungen, bei denen konstante triboelektrische Ladungswerte erzielt werden und die Leitfähigkeiten geändert werden, dadurch formuliert werden, dass das Polymerbeschichtungsverhältnis konstant gehalten wird und das Beschichtungsgewicht bei den Trägerpartikeln modifiziert wird.
In einer am meisten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden die Entwickler verwendet, um latente Bilder unter Verwendung eines Magnetbürstenentwicklungssystem, wie oben diskutiert, zu entwickeln. Solch ein System weist typischerweise eine maschinenabhängige funktionelle Anforderung an A_T von 300 bis 500 × 10^–2 μC/g auf. A_T ist ein bequemer Weg, um die Beladungsfähigkeitseigenschaften eines Entwicklers zu quantifizieren. Der minimale A_T-Wert einer Bildgebenden Vorrichtung ist derjenige A_T-Wert eines Entwicklers, unterhalb dessen eine Bildgebung mit dem Entwickler in der Vorrichtung scheitert (weil zum Beispiel die Ladung des Toners so niedrig ist, dass der Hintergrund auf dem Druck sichtbar ist oder weil zu viel Toner in den Bildbereichen entwickelt wird, was zu einer Herabsetzung der Bildqualität führt). A_T ist definiert als (Größe von q/m des Toners im Entwickler) × (Tonerkonzentration des Entwicklers + ein Offset-Wert). Für eine Bild-gebende Vorrichtung, die den Toner und Entwickler verwendet, beträgt der Offset-Wert ungefähr 8 und der minimale A_T-Wert, der für eine gute Druckqualität und eine saubere Maschine benötigt wird, beträgt zum Beispiel um 300 × 10^–2 μC/g. Das Verwenden von Entwicklern mit A_T von weniger als 300 × 10^–2 μC/g könnte in Maschinenverunreinigung, hohem Hintergrund oder unscharfen Bildern resultieren, die durch Toner verursacht werden, der aus dem Bildbereich hinaus geschoben oder gezogen wird. Diese Werte können durch im Stand der Technik wohl bekannte Verfahren abgeleitet werden. Siehe zum Beispiel R. J. Nash und J. T. Bickmore, 4^th Intl. Cong. On Adv. In Non-Impact Printing Tech., R. J. Nash, Editor, IS&T, Springfield, VA, Seiten 113–26 (1988); E. J. Gutman und G. C. Hartmann, J. Imaging Sci. & Techn. 36, 4, 335 (1992).
Folglich weisen die Entwickler vorzugsweise ein A_T von 300 bis 500 × 10^–2 μC/g auf. Der A_T muss über die Lebensdauer des Entwicklers stabil bleiben, so dass die von dem Entwickler erhaltenen Bilder über seine gesamte Lebensdauer konsistent bleiben (d. h. eine einheitlich hohe Qualität aufweisen). Die Lebensdauer des Entwicklers beträgt typischer Weise wenigstens zum Beispiel 200.000 A4-Drucke.
Die Entwickler sind am meisten bevorzugt isolierend, um ein Kurzschließen zu verhindern, wenn die Fotorezeptoroberfläche zerkratzt ist, und um einen niedrigeren Entwicklungs-Gamma-Wert zu erzielen. Die Entwickler sind durch die Wahl des Träger-Designs isolierend. Die Träger weisen eine Überschlagsspannung von mehr als 1.700 Volt und eine Leitfähigkeit von 1 × 10^–11 bis 1 × 10^–10 (ohm·cm)^–1 bei 200 Volt auf, wie es in einer Magnetbürstenleitfähigkeitszelle gemessen wird (siehe zum Beispiel US A 5,196,803). Insbesondere besitzt der Entwickler vorzugsweise einen triboelektrischen Wert (wie er durch das bekannte Faradaysche Käfigverfahren gemessen wird) von zum Beispiel 20 bis 25 μC/g und zeigt auch über die gesamte Lebensdauer des Entwicklers triboelektrische Stabilität.
Die Leitfähigkeit des Entwicklers wird in erster Linie durch die Trägerleitfähigkeit bestimmt. Um eine niedrige Leitfähigkeit des Trägers zu erzielen, werden nahezu vollständige Beschichtungen des Polymers, d. h. über 40 % Abdeckung der Oberfläche, verwendet, um den Trägerkern abzudecken. Außerdem setzen mehr sphärisch geformte Trägerkerne die Leitfähigkeit des Entwicklers herab.
Die am meisten bevorzugten Entwicklerzusammensetzungen verwenden die Toner von Tabelle 1 und sind wie in Tabelle 2 zusammengefasst.
Tabelle 2
Die Entwickler zeigen triboelektrische Stabilität, Stabilität der Volltonflächendichte und ausgezeichneten Glanz.
Bei Verwendung der am meisten bevorzugten Entwickler, wie sie in Tabellen 1 und 2 zusammengefasst sind, zum Entwickeln von Bildern mit einem Magnetbürstenentwicklungssystem, zeigen die Entwickler zum Beispiel triboelektrische Stabilität und Stabilität der Volltonflächendichte für über 200.000 Drucke.
1 und 2 zeigen die Stabilität der Volltonflächendichte („solid area density", SAD) der in der Erfindung verwendeten Entwickler an. Der gelbe Entwickler weist eine SAD von zum Beispiel 0,95 bis 1,05, der cyanfarbene Entwickler eine SAD von zum Beispiel 1,05 bis 1,15, der magentafarbene Entwickler eine SAD von zum Beispiel 1,05 bis 1,15 und der schwarze Entwickler eine SAD von zum Beispiel 1,35 bis 1,45 auf.
Die 3 und 4 zeigen die A_T-Stabilität der in der Erfindung verwendeten Entwickler an. Die kommerziell erhältlichen Xeikon/Agfa-Entwickler zeigen jedoch einen Mangel an A_T-Stabilität, der A_T fällt mit zusätzlichen Drucken stetig mit der Zeit ab, wie in 5 gezeigt.
Weiterhin wurden Nassablagerungsblätter bei 0,6 TMA aus den in der Erfindung verwendeten Entwicklern und Xeikon/Agfa-Entwicklern hergestellt. Diese Blätter werden dadurch hergestellt, dass eine wässrige Lösung des Toners/der Toner, zum Beispiel durch Verwenden eines geeigneten Tensids, gebildet wird und dass die Flüssigkeit durch ein Filter gezogen wird, um die Toner darauf abzulagern. Rote, grüne und blaue Schichten wurden mit der folgenden Reihenfolge der Farben hergestellt: Magenta über Gelb, Cyan über Gelb und Magenta über Cyan. Messungen für Weiß wurden auf einem fabrikneuen, Nassablagerungsfilter durchgeführt.
Die Ergebnisse sind in Tabelle 3 zusammengefasst und zeigen eine Zunahme von mehr als 91 K im Farbskalavolumen mit den in der vorliegenden Erfindung verwendeten Entwicklern.
Tabelle 3: Farbskalavolumen der Materialien
Daten für die Farbskala der Geräte werden auch gemessen und sind in Tabelle 4 gezeigt. Tabelle 4: Geräteabhängiges Farbskalavolumen auf unbeschichtetem Papier

Claims

Ein Toner, der Tonerpartikel umfasst, die aus wenigstens einem Bindemittel, wenigstens einem Farbmittel und optional einem oder mehreren Additiven bestehen, wobei der Toner nach triboelektrischem Kontakt mit Trägerpartikeln, die einen Kern aus Ferrit umfassen, der mit 0,1 bis 3,0 Gewichtsprozent der Trägerpartikel einer Beschichtung, die ein Polyvinylidenfluoridpolymer oder Copolymer und ein Polymethylmethacrylatpolymer oder Copolymer umfasst, beschichtet ist, und wobei 3 bis 5 Gewichtsanteile des Toners mit 90 bis 110 Gewichtsanteilen der Trägerpartikel in Kontakt gebracht werden, eine Ladung pro Partikeldurchmesser (Q/D) von 0,6 bis 0,9 fC/μm und eine triboelektrische Ladung von 20 bis 25 μC/g aufweist, wobei die Schmelzviskosität des Toners bei 100 °C im Bereich von 35.000 bis 70.000 mPa·s (Poise) liegt, und wobei die Tonerpartikel eine durchschnittliche Partikelgröße von 7,8 bis 8,3 μm (Mikron) aufweisen.
Der Toner gemäß Anspruch 1, wobei die Schmelzviskosität des Toners bei 150 °C im Bereich von 800 bis 2.000 mPa·s (Poise) liegt.
Der Toner gemäß Anspruch 1, wobei das wenigstens eine Bindemittelharz eine Glasübergangstemperatur von 50 °C bis 65 °C aufweist.
Der Toner gemäß Anspruch 1, wobei wenigstens ein Farbmittel ein Pigment ist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Cyan, Magenta und Schwarz besteht, und wenigstens ein Bindemittelharz ein propoxyliertes Bisphenol-A-fumaratharz mit einem Gelgehalt von 9 bis 18 Gewichtsprozent nach dem Gewicht des Bindemittelharz umfasst.
Der Toner gemäß Anspruch 1, wobei wenigstens ein Farbmittel ein gelbes Pigment ist und wenigstens ein Bindemittelharz ein propoxyliertes Bisphenol-A-fumaratharz, das kein Gel enthält, umfasst.
Der Toner gemäß Anspruch 1, wobei das optionale eine oder die mehreren Additive als externe Additive von einem oder mehreren aus Siliziumdioxidpulver, unbehandeltem Titandioxidpulver oder Zinkstearatpulver vorhanden sind.
Der Toner gemäß Anspruch 1, wobei die Tonerpartikel eine derartige Größenverteilung aufweisen, so dass nicht mehr als 8 % einer Gesamtanzahl von Partikeln eine Größe von weniger als 5 μm (Mikron) aufweisen und nicht mehr als 1 % eines Gesamtvolumens der Tonerpartikel eine Größe von mehr als 16 μm (Mikron) aufweist.
Der Toner gemäß Anspruch 1, wobei die Trägerpartikel einen durchschnittlichen Durchmesser von 45 bis 55 μm (Mikron) aufweisen und die Trägerpartikel eine derartige Größenverteilung aufweisen, so dass weniger als 3 % einer Gesamtanzahl an Trägerpartikeln eine Größe von weniger als 31 μm (Mikron) aufweisen, 10 % oder weniger der Gesamtanzahl an Trägerpartikeln eine Größe von weniger als 36 μm (Mikron) aufweisen, und 10 % oder weniger der Gesamtanzahl an Trägerpartikeln eine Größe von mehr als 72 μm (Mikron) aufweisen.
Der Toner gemäß Anspruch 1, wobei das Ferrit basierend auf dem Gewicht der Ferritpartikel weniger als 2.000 ppm Kupfer und weniger als 4.000 ppm Zink enthält.
Der Toner gemäß Anspruch 1, wobei die Beschichtung 3 bis 97 Gewichtsprozent Polyvinylidenfluoridpolymer oder Copolymer und 97 bis 3 Gewichtsprozent des Polymethylmethacrylatpolymers oder Copolymers umfasst.