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Die
Erfindung bezieht sich auf einen Artikel und eine Vorrichtung zur
Klassifikation von festen Partikeln, ein Klassifikationsrad, einem
Bausatz und einem Prozess zum Trennen und Klassifizieren von Partikeln.
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WO 97/09130 offenbart ein
Klassifikationsrad mit einer Scheibe, die dessen Ausgangsöffnung bedeckt und
die entweder auf dem Rad oder auf einem Gehäuse einer entsprechenden Klassifikationsvorrichtung
angeordnet ist.
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US 2,367,906 offenbart die
Konstruktion einer Scheibe als ein getrenntes Element, das mit Befestigungseinrichtungen
bereitgestellt wird.
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Auf
dem Fachgebiet der Partikelverarbeitung, beispielsweise für die Erzeugung
von feinen und gleichförmig
verteilten Partikelmaterialien gibt es verschiedene Ausrüstungen
und mechanische Prozesse, um die selektive Trennung von partikelförmigen Pulvern
in zu verwendende und nicht zu verwendende Partikelgrößenbestandteile
oder -bereiche zu erzielen und die insgesamt als Klassifizierer
oder Klassifikationsausrüstung und
-prozess bezeichnet werden.
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Bei
der Herstellung von partikelförmigen
Pulvern, wie etwa elektrostatografischen Tonerzusammensetzungen
wird eine Klassifikationsvorrichtung, die ein rotierendes Rad verwendet,
allgemein eingesetzt, um die Klassifikation zu erreichen. Im Allgemeinen
erzeugt das sich schnell drehende Klassifikationsrad eine dynamische
Fluidvortex, die die notwendigen Kräfte bereitstellt, um die Trennung
von Partikeln größer als
eine bestimmte Größe von Partikeln
kleiner als eine bestimmte Größe zu erreichen.
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Das
Ausmaß oder
die Schärfe
für die
Trennung der Partikel von unterschiedlichen Größen, die durch den Klassifizierer
erreicht wird, ist ein wichtiges Maß für die Qualität der Trennausrüstung und
des -prozesses und wird allgemein bei der Qualität der resultierenden Partikel
betrachtet, beispielsweise die physikalischen Leistungscharakteristika
und Eigenschaften der Partikel. Die Schärfe für die Trennung ist ebenso ein
Maß, wie gut
der Klassifizierer zwischen Teilchen ähnlicher Größe unterscheiden kann. Idealerweise
wird ein Klassifizierer einen zugeführten Partikelstrom, der eine
Mischung aus fei nen und groben Partikelgrößen enthält, in zwei getrennte Ströme trennen:
einen groben Strom und einen feinen Strom mit wenig oder gar keiner Überlappung bei
der Größenverteilung.
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Das
Ausmaß der
Trennschärfe
wird beispielsweise durch Verwendung einer Berechnung zur Grobgraduierungseffizienz
gemessen. Die Berechnung gibt an, welcher Bruchteil von Partikeln
mit einer bestimmten Größe zu dem
groben Strom geführt
wird und welcher Anteil zu dem feinen Strom geführt wird. Ein Verhältnis der
Größe, bei
welcher 25% der Partikel zu dem groben Strom (D25)
geführt
werden und der Größe bei der
75% der Partikel zu dem groben Strom geführt werden (D75)
wird als ein nominelles Maß der
Schärfe
(D25/D75) verwendet.
Eine ideale Trennung stellt eine Schärfe (D25/D75) gleich 1 bereit. Bei derzeit im Handel
erhältlicher Klassifikationsausrüstung wird
ein Schärfeindex,
der einen Wert von 0,7 übersteigt,
beispielsweise von ungefähr
0,7 bis ungefähr
1,0, als ausgezeichnet betrachtet und es wird als schwierig erachtet,
diesen ohne herausragende Anstrengung und Betriebsbedingungen zu
erreichen. Andere Klassifikationsgrößen schließen (D84/D50) ein, die als obere geometrische Größenverteilung
(Upper Geometric Size Distribution: UGSD) bezeichnet wird. Diese
Größe wird
aus dem Feinstoffstrom eines bestimmten Volumenmedians und -verteilung bestimmt,
die aus der Trennung resultiert und ist ein guter Indikator der
Trennschärfe.
Je geringer die obere geometrische Größenverteilung für eine bestimmte
Volumenmediangröße ist,
desto größer ist
im Allgemeinen der Schärfeindex.
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Im
Handel erhältliche
Klassifikationsräder
stellen im Allgemeinen wenig oder gar keine Profilbildung bereit,
oder stellen nur ein Profil bereit, welches eine konstante Radhöhe oder
konstante radiale Geschwindigkeit des Luftflusses aufrechterhalten.
Diese Bedingungen resultieren typischerweise in einer Partikel-Abschnittspunktsituation,
welche sich zu dem Partikelausgang hin verringert und von welcher
angenommen wird, dass diese zu einem unerwünschten Aufbau von Feststoffkonzentration
in dem freien Vortexgebiet führen.
Von diesem Aufbau von Feststoffkonzentration in dem freien Vortexgebiet
wird angenommen, dass dieser einen schlechten Einfluss auf den Schärfeindex
aufweist.
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Das
in Besitz befindliche und erteilte
US-Patent
Nr. 5,927,510 für
Leute et al., erteilt am 27. Juli 1999, offenbart eine Vorrichtung
für die
Klassifikation von festen Partikeln, die in ein Fluid eingebracht
sind, die umfasst: ein Gehäuse,
das mit einem Zuführanschluss
ausgestattet ist, einen Feinfraktionsausgang und einen Grobfraktionsausgang;
und ein Klassifikationsrad, das eine obere und eine untere Fläche und
eine Vielzahl von Flügel schaufeln
aufweist, die die obere Fläche
und die untere Fläche
an den Umfangskanten der oberen Fläche und der unteren Fläche verbinden
und wobei das Rad eine Punktgeometrie konstanten Schnittes aufweist.
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US-Patent Nr. 5,244,481 ,
erteilt am 14. September 1993 für
Nied, offenbart einen vertikalen Luftseparator mit einem rotierenden
Separatorrad, an welchem trennende Luft aufprallt, die mit feinen
Bestandteilen beladen ist, die von außenseitigen zu innenseitigen
Stoßflächen fließen, von
welchen die sich trennende Luft axial durch eine Ausgangsverbindungsleitung
fließt,
um für
ihre weitere Verwendung beispielsweise in ein Filter oder ähnliches
geleitet zu werden, wobei das trennende Rad mit einer Deckplatte
für den
Strom nach unten und einer zweiten Deckplatte ausgestattet ist,
die axial von derselben beabstandet ist und wobei die Schneiden zwischen
zwei Deckplatten an ihrem Umfang angeordnet sind, und das Abgabeende
der Ausgangsverbindung, das von dem trennenden Rad weggerichtet
ist, in eine Auslasskammer entleert wird, deren Querschnitt ausgesprochen
größer ist
als der Querschnitt der Ausgangsverbindungsleitung, so dass eine
abrupte Änderung
des Querschnittes zwischen der Ausgangsverbindungsleitung und der
Ausgangskammer vorhanden ist. Es wird ein Rad mit konstanter Radialgeschwindigkeit
beschrieben, wobei die Luftflussgeschwindigkeit unabhängig von
der radialen Position in dem Rad konstant ist, Bezug Spalte 7, Zeilen
21–32.
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US-Patent Nr. 5,377,843 für Schumacher
erteilt am 3. Januar 1995, offenbart ein Klassifikationsrad für einen
Luftklassifizierer mit Zentrifugalrad, durch welches die klassifizierende
Luft von der Außenseite
zu der Innenseite entgegen dessen zentrifugaler Wirkung fließt. Das
Rad weist Schaufeln auf, die in einem Ring angeordnet sind, der
sich parallel zu der Rotationsachse des Rades erstreckt. Die Schaufeln
sind zwischen einer kreisförmigen
Scheibe angeordnet, die die Nabe des Klassifikationsrades trägt und einer
ringförmigen
Abdeckscheibe. Das Klassifikationsrad ist vollständig in einem Stück und aus
einem abnutzungsfesten, gesinterten Material hergestellt. Die Flusskanäle des Klassifikationsrades
werden durch die Oberflächen
der Schaufeln des Klassifikationsrades ausgebildet, die sich parallel
zueinander und in Richtung der Rotationsachse des Rades erstrecken.
Der Schnittpunkt des Feinproduktes kann durch Variieren der Rotationsgeschwindigkeit
der Turbine präzise
gesteuert werden. Dieser wartungsfreie Aufbau erzeugt eine nicht
abgestimmte Schärfe
in der Schnittgröße. Das
Fehlen von internen Dichtungen macht „Leckage” von Übergröße unmöglich und ermöglicht,
dass Luftströmungen
maximiert werden, wodurch extrem hohe Produktausbeuten erzielt werden.
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Ein
Klassifizierer entsprechend dem Stand der Technik ist in der
DE 38 38 871 A1 beschrieben.
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US-Patent Nr. 5,366,095 für Martin
erteilt am 22. November 1994, offenbart ein Luftklassifikationssystem,
das aus zweifachen zylindrischen Kammern besteht, die mechanisch
getrennt sind, um eine Zone atmosphärischer Luft zwischen denselben
zu ermöglichen.
Eine primäre
Klassifikationskammer ist vertikal unter einer konzentrischen, sekundären Klassifikationskammer
angeordnet. Eine Turbine mit parallel rotierenden Schaufeln ist
in der unteren primären
Kammer angeordnet, um zentrifugale Partikelklassifikation für ein Zuführmaterial
zu bewirken, das in einem Luftstrom eng vermischt ist. Ein röhrenförmiger Auslass,
der mit der Turbine verbunden ist, die durch die Zone atmosphärischer
Luft durchreicht, die die zweifachen Kammern trennt, und erstreckt
sich in die obere zweite Kammer, deren Ausgänge das klassifizierte Produkt
sammeln und aus dem System abgeben. Ein Klassifizierer von diesem
Aufbau ist in der Lage, ultrafeine Partikel ohne Streumengen von Übergröße mit extrem
hoher Feinproduktausbeute zu separieren.
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Bei
den Partikeltrennungs- und Klassifikationsprozessen aus dem Stand
der Technik bestehen verschiedene erhebliche Probleme, beispielsweise
Schwierigkeiten bei der Vorhersage oder Steuerung sowohl der Partikelgröße und der
Partikelgrößenverteilung
der erzeugten partikelförmigen
Produkte. Weitere Nachteile, die mit Verfahren zur Trennung von
partikelförmigen
Materialien nach dem Stand der Technik verbunden sind, bestehen
darin, dass diese typischerweise Produkte mit einer stark variablen
Partikelgröße und/oder Partikelgrößenverteilungseigenschaften
bereitstellen. Diese und andere Nachteile werden mit der Vorrichtung und
den Prozessen der vorliegenden Erfindung vermieden oder minimiert.
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Daher
verbleibt ein Bedarf für
eine Partikelseparationsvorrichtung und entsprechende Prozesse,
welche für
eine einfache und preiswerte Präparation,
Separation und Klassifikation von partikelförmigem Material, beispielsweise
pigmentierte Harzpartikel, sorgen, die in Anwendungen von Trockentoner
und Flüssigtinte
verwendet werden. Fachleute auf dem Gebiet haben lange nach einer
preiswerten, effizienten und umweltwirksamen Einrichtung zur Erzeugung
von engen Partikelgrößenverteilungen
gesucht, die herkömmliche
Klassifikations- und Separationsausrüstungen verwenden, die bedienersteuerbare
oder auswählbare
Partikelgröße und Partikelgrößenverteilungseigenschaften
aufweisen.
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Es
ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Artikel und eine
Vorrichtung für
die Klassifikation von festen Partikeln, ein Klassifikationsrad,
einen Bausatz und ein Verfahren zur Trennung und Klassifikation
von Partikeln bereitzustellen, die für eine preiswerte, effiziente
und umweltgünstige
Möglichkeit
für die
Herstellung von engen Partikelgrößenverteilungen
sorgen.
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Gemäß der Erfindung
wird dieses Ziel durch die Gegenstände der Ansprüche 1, 4,
5, 6 und 7 erreicht.
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Demnach
stellt die vorliegende Erfindung verbesserte Geometrien der Klassifikationskammer,
wie etwa einen verringerten oder variablen Ausgangsdurchmesser für feine
Partikel bereit und deren Durchmesser ein hohes Ausmaß für die Steuerung
der Physik des Separationsprozesses in dem Klassifizierer, wie etwa
eine Partikelgröße und Quelltät der Partikelseparation
ermöglichen
und hierdurch stellt die Erfindung eine unerwartete und überragende
Qualität
der Partikelgrößenseparation
in einem Klassifizierer bereit. Weiterhin liefert die vorliegende
Erfindung die Komponenten und ein Verfahren zur Herstellung einer
günstigen
Nachrüstung
oder Anpassung einer bestehenden, herkömmlichen Klassifikationsvorrichtung,
um die Vorteile der vorliegenden Erfindung bereitzustellen.
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Nachfolgend
wird die Erfindung beispielhaft mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen
erläutert,
in denen:
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1 ein
Querschnittsprofil eines Klassifikationsrades mit einer Explosionsansicht
eines beispielhaften Ringeinsetzartikels für Hochdrehzahlvortex nicht
entsprechend der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
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2 veranschaulicht
eine Bodenansicht eines Ringeinsetzartikels für Hochdrehzahlvortex nicht
entsprechend der vorliegenden Erfindung.
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3 veranschaulicht
ein Querschnittsprofil eines Ringeinsetzartikels für Hochdrehzahlvortex
mit einer Öffnung
von festem Durchmesser nicht entsprechend der vorliegenden Erfindung.
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4 veranschaulicht
ein Querschnittsprofil eines beispielhaften Ringeinsetzartikels
für Hochdrehzahlvortex
mit einer irisartigen Öffnung
von variablem Durchmes ser nicht entsprechend der vorliegenden Erfindung.
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5 veranschaulicht
ein Querschnittsprofil eines beispielhafte Ringeinsetzartikels mit
einer irisartigen Öffnung
von variablem Durchmesser für
Hochdrehzahlvortex nicht entsprechend der vorliegenden Erfindung
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6 veranschaulicht
ein Querschnittsprofil eines beispielhaften Ringeinsetzartikels
für Hochdrehzahlvortex
mit einer zentrifugalartigen Öffnung
von variablem Durchmesser gemäß der vorliegenden
Erfindung
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7 veranschaulicht
eine Unteransicht des Ringeinsetzartikels für Hochdrehzahlvortex mit der
zentrifugalartigen Öffnung
von variablem Durchmesser der 6 der vorliegenden
Erfindung
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8 veranschaulicht
eine Unteransicht eines beispielhaften Ringeinsetzartikels für Hochdrehzahlvortex
mit einer inversen zentrifugalartigen Öffnung von variablem Durchmesser
gemäß der vorliegenden
Erfindung
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9 veranschaulicht
ein Querschnittsprofil einer Pulverisierungs-Klassifizierungsvorrichtung,
die einen Ringeinsetzartikel für
Hochdrehzahlvortex nicht entsprechend der vorliegenden Erfindung
einschließt.
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10 ist
eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen der Klassifikationsradgeschwindigkeit und
des Volumenmedians der separierten Artikel bei unterschiedlichen
Auslassdurchmessern bei einem Pulverisierungsdruck von 120 p. s.
i. g.
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11 ist
eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen der normalisierten,
differenziellen Volumenverteilung und dem Volumenmedian oder Durchmesser
der separierten Partikel für
Ausführungen
der vorliegenden Erfindung.
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12 ist
eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen der oberen geometrischen
Größenverteilung
separierter Partikel und dem Volumenmedian der separierten Partikel,
ermittelt für
zwei unterschiedliche Ringdurchmesser für Hochdrehzahlvortex in Ausführungen
der vorliegenden Erfindung.
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Der
Partikelklassifikationsartikel, die Separationsvorrichtung und die
Prozesse desselben der vorliegenden Erfindung einschließlich eines
Bausatzes zur Aufrüstung
eines bestehenden Klassifikationsrades, um die Ausführungen
der vorliegenden Erfindung zu ermöglichen, können verwendet werden, um eine
Vielfalt von Partikelmaterialien zu verarbeiten und zu präparieren,
einschließlich
Tonerpartikel für
die Verwendung bei Markierungsanwendungen mit flüssigem oder trockenem Entwickler
auf eine kostengünstige
Art. Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass
die Vorrichtung und die Prozesse derselben ein hohes Ausmaß an Kontrolle über die
Partikelgröße und die
Eigenschaften der Partikelgrößenverteilung
der resultierenden getrennten Feinpartikelprodukte bedingt und verbesserte
Effizienz bereitstellt.
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Mit
Bezug auf die Figuren veranschaulicht die 1 ein Querschnittsprofil
eines Beispieles für
ein Klassifikationsrad 10 mit einer Explosionsansicht eines
beispielhaften Ringeinsetzartikels 24 für Hochdrehzahlvortex nicht
entsprechend der vorliegenden Erfindung. Das Rad 10 kann
ein bekanntes Klassifikationsrad mit herkömmlichen Komponenten wie etwa
einem Feinpartikelauslass mit Durchmesser 12 und Radius 14 oder
R0, einer oberen Fläche 18, einer unteren
Fläche 20 und
einer Vielzahl von internen Flügeln 22 der
Höhe 15 oder
H sein, die die oberen und unteren Flächen verbinden und abstützen und
einen inneren Durchmesser oder R1 erzeugen
und weiterhin einen Hohlraum bereitstellen, welcher die Ausbildung
einer Vortexströmungsgeometrie
innerhalb des Rades für
die Trennung von feinem Partikelmaterial unterstützt. Der Ringeinsetzartikel
für die
Hochdrehzahlvortex kann dem Klassifikationsrad 10 an der
Feinpartikel-Auslassöffnung 12 mit
einer oder mehreren herkömmlichen
Befestigungseinrichtungen wie etwa einer Schraube oder Schrauben,
einer Klammer oder Klammern, einem Kleber oder Klebern, einer Presspassung
und ähnlichen
Befestigungseinrichtungen und Kombinationen derselben befestigt
sein. Der befestigte Einsetzartikel 24 stellt eine Feinpartikelauslassöffnung 26 von
einem zweiten oder verringerten Durchmesser mit Radius 17 oder
R2 bereit, die eine verbesserte Partikeltrennungseigenschaften
ermöglicht.
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Die 2 veranschaulicht
eine Bodenansicht eines Ringeinsetzartikels 24 für Hochdrehzahlvortex nicht
entsprechend vorliegenden Erfindung und zeigt den Feinpartikelauslass
oder -apertur von reduziertem Durchmesser und sechs beispielhafte
Befestigungslöcher.
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Die 3 veranschaulicht
einen Querschnitt einer beispielhaften Öffnung mit festem Durchmesser
eines Ringeinsetzartikels für
Hochdrehzahlvortex der 2. In Beispielen kann die Öffnung oder
Apertur 26 der 1 angeschrägt sein, um eine Öffnung 36 mit
Zwischengrößendurchmesser
von Radius 38 oder R'2 bereitzustellen.
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Die 4 veranschaulicht
ein Querschnittsprofil eines Ringeinsetzartikels für Hochdrehzahlvortex
mit einem beispielhaften variablen oder anpassbaren Durchmesser
oder einer irisförmigen Öffnung nicht
entsprechend der vorliegenden Erfindung. Der Artikel mit einer irisartigen Öffnung von
anpassbarem Durchmesser kann weiterhin einen erhabenen Rand oder
Phase (nicht gezeigt) ähnlich
zu dem in 3 gezeigten einschließen. Die
irisförmige Öffnung ist
analog zu denjenigen, die man beispielsweise in Lichtlinsenkameras
findet und kann beispielsweise durch Anpassen irgendeines bekannten
und im Handel erhältlichen
Irisventils an den Ringeinsetzartikel der vorliegenden Erfindung
aufgebaut werden, einschließlich,
beispielsweise durch Überlappen der
einstellbaren Paneelen oder Lamellen 51 und einer versenkten
Einstellschraube 52, die im Eingriff steht mit einem umfänglichen
Einstellrad 53 des Hauptdurchmessers. Die 5 veranschaulicht
eine Querschnittsansicht des Ringeinsetzartikels für Hochdrehzahlvortex
mit variablem oder anpassbarem Durchmesser oder irisförmiger Öffnung der 4 einschließlich der überlappenden,
einstellbaren Blätter 51 und
einer versenkten Einstellschraube 52, die im Eingriff steht
mit einem anpassbaren umlaufenden Durchmessermechanismus 53.
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Die 6 veranschaulicht
eine Ansicht eines beispielhaften Ringeinsetzartikels für Hochdrehzahlvortex
mit einer Öffnung
mit zentrifugal variablem Durchmesser. Der Artikel 62 ist
an der Öffnung 60 des
Rades 10 befestigt und seine Öffnung 61 vergrößert ihren
Durchmesser beispielsweise proportional wie sich die Geschwindigkeit
des Klassifikationsrades vergrößert. Wenn
die Rotationsgeschwindigkeit der Antriebswelle 65 oder
einer vergleichbaren Antriebseinrichtung und folglich des Klassifikationsrades 10 beispielsweise
niedrig ist, ist daher der Durchmesser des Feinpartikelauslasses
oder der Feinpartikelöffnung 61 relativ
klein oder alternativ dazu am kleinsten. Wenn die Rotationsgeschwindigkeit
des Rades 10 hoch ist, ist der Durchmesser der Öffnung vergleichsweise
relativ groß 64 oder
nimmt bis zu einem Gleichgewichtsdurchmesser zu. In Ausführungen
kann die variable Öffnung
beispielsweise durch eine oder mehrere Federelemente 66 begrenzt
werden, die zentrifugal für
die Rotationsgeschwindigkeit des Klassifikationsrades und den befestigten
Vortexring 62 empfindlich sind. Die Federn drücken sich
gemäß und in
Proportion zu der resultierenden Zentrifugalkraft zusammen, die
auf dieselben ausgeübt
wird und ermöglicht
dadurch einen größeren effektiven Öffnungsdurchmesser.
Mit nachfolgendem Bezug auf die 7 wird eine
Bodenansicht des Ringeinsetzartikels 62 für Hochdrehzahlvortex
mit einer Öffnung
von zentrifugal variablem Durchmesser der zugehörigen 6 veranschaulicht.
Der vorstehend erwähnte
Gleichgewichts-Öffnungsdurchmesser
wird als der Balancepunkt zwischen den zentrifugalen Kräften, die
auf die kleine Vortexringöffnung
(72, in gestrichelten Linien) und die große Vortexringöffnung 74 wirken
und die entgegengesetzten Kräfte
von der Feder 76, welche jeweils in einer langsamen oder Öffnung 73 von
kleinem Durchmesser (gestrichelte Linien) und der schnellen Öffnung 75 von
großem Durchmesser
resultieren.
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Umgekehrt
veranschaulicht die 8 eine Ansicht eines Ringeinsetzartikels
für Hochdrehzahlvortex mit
einer Öffnung
von „umgekehrt” zentrifugal
variablem Durchmesser, bei dem beispielsweise, wenn die Rotationsgeschwindigkeit
der Radantriebswelle (nicht gezeigt) oder einer vergleichbaren Antriebseinrichtung
und daher des Klassifikationsrades (nicht gezeigt) gering ist, der
Durchmesser des Feinpartikelauslasses oder der Feinstofföffnung beispielsweise
relativ groß ist 85.
Wenn die Rotationsgeschwindigkeit des Rades hoch ist, ist der Durchmesser
der Öffnung
vergleichsweise relativ klein, beispielsweise 86. In Ausführungen
kann die variable Öffnung
beispielsweise durch einen oder mehrere hin und her schwenkende
Hebel oder Federelemente 82 begrenzt werden, die an Elemente 83 von
hoher Dichte angebracht sind, die zentrifugal empfindlich sind für die Rotationsgeschwindigkeit
des Klassifikationsrades und die nach außen oder weg von der Drehachse
des Klassifikationsrades in Reaktion auf eine Zunahme der Radgeschwindigkeit
und der resultierenden Zentrifugalkraft, die auf dieselben ausgeübt wird,
gedrückt
werden können,
die verursachen, dass Gegengewichtselement(e) von geringerer Dichte 84 sich
nach innen zu der Rotationsachse des Klassifikationsrades bewegen und
die Vortexringöffnung
berühren,
wodurch eine Kontraktion des Auslasses in dem Vortexring verursacht wird
und eine kleinere effektive Öffnung
oder Durchmesser bei einer Zunahme der Rotationsgeschwindigkeit des
Klassifikationsrades bewirkt wird. Wenn sich umgekehrt das Klassifikationsrad
langsam dreht, dehnt sich der kontrahierte Vortexring 86 zu
dem ausgedehnten Vortexring 85 aus, um dessen effektiven
Durchmesser proportional zu der Radgeschwindigkeit zu vergrößern. Bei
den vorstehend erwähnten
Ausführungen
mit variablem Durchmesser wird der Fachmann sofort würdigen,
dass die Fläche
zwischen dem Umfang des Einsatzartikels und dem Vortexring von variablem
Durchmesser beispielsweise jedes passende Material wie etwa flexibles
Metall, Kunststoff, Gummi und ähnliches
blattförmiges
Material sein kann, welches die Änderung
im Durchmesser der Öffnung
des Vortexringartikels zur Verfügung
stellen kann. Wenn der Vortexringartikel eine Lippen- oder Randstruktur
oder Phase, wie in 3 gezeigt, anwendet, kann in ähnlicher
Weise die Lippen- oder Randstruktur aus einem passenden Material
aufgebaut werden, um zu ermöglichen,
dass die Lippe oder die Rand struktur proportional zur Änderung
des Ringdurchmessers sich ausdehnt oder kontrahiert, beispielsweise
ein verschiebbarer hohler Ring, welcher einen teilweisen Kollaps
des Ringes auf oder in sich selbst erlaubt.
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Die
9 veranschaulicht
einen Querschnitt einer Schleifer-Klassifikationsvorrichtung
1,
die einen mit einem Ring für
Hochdrehzahlvortex modifizierten Klassifizierer
10 einschließt, wie
er beispielsweise in
1 gezeigt ist, in Kombination
mit anderen bekannten Schleif-Klassifikationskomponenten, wie etwa
ein Klassifikationsrad und einer Baugruppe
8 zur Feinanteilsammlung,
welche ein Sammelelement
24 für Feinanteil und ein Transportelement
26 für Feinanteil
einschließt,
eine Ausstoßdüse oder
Düsen
20 und
zugehörige
Installationselement
2,
3,
4,
5 und
6 mit
Bezug beispielsweise auf das vorstehend erwähnte, im Eigentum befindliche
US-Patent Nr. 5,927,510 in
dem die Pfeile
12 und
14 die jeweiligen Separationsströme des Feinpartikelschnitts und
des Grobpartikelschnitts zeigen.
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Die 10 ist
eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen der Klassifikationsradgeschwindigkeit
bei zwei unterschiedlichen festen Aperturdurchmessern und dem Volumenmedian
der getrennten Feinpartikel bei unterschiedlichen Auslassdurchmessern
und bei einem konstanten Schleifdruck von 120 p. s. i. g. Die Kurve 72 stellt
einen modifizierten Vortexauslass mit einem Durchmesser von ungefähr 135 mm
dar und die Kurve 74 stellt einen modifizierten Vortexauslass
mit einem Durchmesser von ungefähr
106 mm dar. Die Beziehung zwischen der Radgeschwindigkeit und dem
Volumenmediandurchmesser des Partikelprodukts erscheint nahezu invers,
d. h. wenn die Radgeschwindigkeit zunimmt, nimmt der Volumenmedianschnitt
des Feinanteils im Durchmesser ab.
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Die 11 ist
eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen der normalisierten
differenziellen Volumenverteilung und dem Volumenmedian oder Durchmesser
der separierten Partikel. Die durchgehende Kurve 82 stellt
das Partikelmaterial des Feinanteils dar, das von einer AFG Modell
Alpine 200-Fluiddüsenmühle erhalten
wird. Die gestrichelte Kurve 84 stellt das Partikelmaterial
des Feinanteils dar, das von einer AFG Modell Alpine 800-Fluiddüsenmühle erhalten
wird. Die AFG Modell Alpine 800-Fluiddüsenmühle weist einen Aufskalierungsfaktor
von ungefähr
30 in Bezug auf die AFG Modell Alpine 200 auf. Der Aufskalierungsfaktor
wird aus der Leistung bestimmt, die durch die Gasphase geliefert
wird, die bei zwei Skalen aus den Düsen austritt, basierend auf
der Thermodynamik der adiabatischen Expansion eines Gases. Andere
relevante Unterschiede zwischen den zwei Düsenmühlen schließen die Anzahl der Strahlströme und die Anzahl
der Klassifikationsräder
ein. Die AFG Modell Alpine 800-Fluiddüsenmühle kann beispielsweise 4 oder
5 Strahlströme,
abhängig von
der Anwendung, aufweisen, während
die AFG Modell Alpine 200 nur 3 aufweist. Die AFG Modell Alpine 800-Fluiddüsenmühle kann
typischerweise drei residente Klassifikationsräder aufweisen. Die AFG Modell
Alpine 200 weist nur ein residentes Klassifikationsrad auf. Weiterhin
sind die Höhe
und die Breite der AFG Modell Alpine 800-Fluiddüsenmühle ungefähr dreimal die Höhe und die
Breite der AFG Modell Alpine 200-Fluiddüsenmühle. Diese Ergebnisse, wenn
verglichen mit denjenigen, die mit einem unmodifizierten Klassifikationsrad
erhalten werden, zeigen an, dass die Vortexringe für Hochdrehzahl
der vorliegenden Erfindung es erlauben, eine engere Partikelgrößenverteilung
von feinen Tonerpartikeln oder solchen von geringer Größe zu erhalten,
verglichen mit den Partikelgrößenverteilungen,
die ohne Verwendung der Vortexringe für Hochdrehzahl erhalten werden.
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Die 12 ist
eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen der Größenverteilung
separierter Partikel und dem Volumenmedian der separierten Partikel,
die für
zwei unterschiedliche Vortexringdurchmesser für Hochdrehzahl erhalten werden.
Die Kurve 92 stellt die Beziehung des Feinanteil-Partikelmaterials
dar, das mit einem modifizierten Vortexring von 127 mm Durchmesser
erhalten wird, die Kurve 94 stellt die Beziehung des Feinanteil-Partikelmaterials
dar, das mit einem modifizierten Vortexring von 100 mm erhalten
wird.
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Die
vorliegende Erfindung stellt einen Artikel, wie er in Anspruch 1
definiert wird, bereit. In Ausführungen
kann der Vortexeinsatz weiterhin eine Lippe oder Randstruktur umfassen,
die vorzugsweise unmittelbar angrenzend an die kreisförmige Öffnung ist,
und wobei die Lippe oder der Rand eine Dicke von beispielsweise ungefähr 1,5 bis
ungefähr
5 Mal die Dicke der Scheibe aufweisen kann. In Beispielen nicht
entsprechend der vorliegenden Erfindung kann der Durchmesser der
kreisförmigen Öffnung fest
sein und durch physisches Entfernen oder Ersetzen des Vortexringes
geändert
oder angepasst werden, beispielsweise durch einen Betreiber oder
einen Roboter. In Ausführungen
entsprechend der vorliegenden Erfindung kann der Durchmesser der kreisförmigen Öffnung in
dem Vortexring oder Scheibe variabel oder einstellbar sein. Beispiele
für manuell
oder in Ferneinwirkung einstellbare Vortexringstrukturen sind ein
zentrifugal empfindlicher oder abhängiger Aperturwert, d. h. wenn
die Umdrehungen pro Minute des Klassifikationsrades ansteigen, steigt
der Durchmesser der Apertur entsprechend an, siehe auch 6 und 7;
ein umgekehrt zentrifugaler Aperturwert, d. h. wenn die Umdrehungen
pro Minute des Klassifikationsrades ansteigen, nimmt der Durchmesser
der Apertur entsprechend ab, siehe 8. In Ausführungen
kann der Durchmesser der kreisförmigen Öffnung beispielsweise
von ungefähr
5,0 cm bis ungefähr
13,5 cm betragen. Der Durchmesser des Vortexringes oder -scheibe
kann beispielsweise von ungefähr
7 cm bis ungefähr
24 cm sein. Die Befestigungseinrichtung oder Befestigungseinrichtungen,
die den Vortexring an dem bestehenden Klassifikationsrad befestigen,
können
beispielsweise eine oder mehrere Schrauben oder Muttern sein, eine
oder mehrere Klammern, eine oder mehrere passende Verklebungen und ähnliche
Befestigungseinrichtungen und Kombinationen derselben sein.
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Die
vorliegende Erfindung stellt weiterhin ein Klassifikationsrad gemäß Anspruch
4 bereit.
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Das
Klassifikationsrad kann ein herkömmliches
oder bekanntes Klassifikationsrad sein, wobei Bezug zu nehmen ist
auf die vorstehend erwähnten
Patente und das Rad kann eine interne Höhe H von beispielsweise ungefähr 10,0
cm bis ungefähr
20 cm aufweisen. Das Rad kann einen unteren Flächendurchmesser D von ungefähr 20 cm
bis ungefähr
30,5 cm aufweisen, der sowohl die untere Fläche als auch die Auslassöffnung einschließt. Die
zweite kreisförmige Öffnung des
Vortexringes kann einen Durchmesser d aufweisen von beispielsweise
ungefähr
5 cm bis ungefähr
13,5 cm. In Ausführungen
können
die obere Fläche
und die untere Fläche
im Wesentlichen parallel sein. In weiteren Ausführungen können die obere Fläche und
die untere Fläche
von etwa den Umfangsrändern
des Rades nach innen gekrümmt
sein bis ungefähr
zu der Mitte des Rades.
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Die
vorliegende Erfindung stellt weiterhin eine Vorrichtung zur Klassifikation
von festen Partikeln, die in einem Fluid mitgerissen werden, gemäß Anspruch
5 bereit. Das Fluid kann komprimierte Luft oder andere passende
Gase sein, wie etwa inerte Gase, wie etwa Stickstoff oder Argon.
Die festen Partikel können
jegliches bröckelige
Material mit gemischten Partikelgrößen sein. Die festen Partikel
sind vorzugsweise eine Tonerzusammensetzung einschließlich, beispielsweise,
eine Mischung aus einem Pigment und einem Harz.
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Die
vorliegende Erfindung stellt weiterhin ein Verfahren zur Trennung
und Klassifikation von Partikeln gemäß Anspruch 6 bereit.
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Die
Partikel in der Fluidströmung
werden vorzugsweise kontinuierlich innerhalb der Vorrichtung klassifiziert,
um eine separierte Feinanteil-Partikelfraktionierung zu ermöglichen
mit einem mittleren Gewichtspartikeldurchmesser von beispielsweise
ungefähr
1,0 bis ungefähr
10 μm und
vorzugsweise von ungefähr
1 bis ungefähr
5 μm und
mit einer Standardabweichung von ungefähr 0,1 bis ungefähr 0,5 μm. Die Separations-
und Klassifikationsprozesse der vorliegenden Erfindung können für kleine,
mittlere und große
Chargen durchgeführt
werden, beispielsweise wo von ungefähr 10 bis ungefähr 30000
Pound der Feinanteil-Partikelfraktion von der Mischung der Partikelgrößen in ungefähr 1 Stunde
bis ungefähr
24 Stunden separiert wird.
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Die
vorliegende Erfindung stellt weiterhin einen Bausatz bereit, beispielsweise
für die
Nachrüstung
eines bestehenden Klassifikationsrades oder Klassifikationsvorrichtung,
um die Partikelseparation und Klassifikationsausführungen
der vorliegenden Erfindung gemäß Anspruch
7 zu ermöglichen.
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In
Ausführungen
stellt die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung eine konstante
oder variable Schnittpunktgeometrie bereit, die die Beziehung
erfüllt, wobei d
T der
Schnittpunkt ist, η die
dynamische Viskosität
ist, Q die volumenbezogene Luftströmungsrate ist, ρ die Dichte
des Partikelmaterials ist, n die Radgeschwindigkeit in Umdrehungen
pro Zeit ist, H die Radhöhe
bei einem radialen Abstand R ist, und der Index i den inneren Rand
der Radschaufel bezeichnet.
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Durch
Variieren oder Modifizieren, beispielsweise Reduzieren des Durchmessers
der Klassifizierer- oder der Schleifradflügel-Auslassöffnung oder -apertur mit einem
entfernbaren Vortexring für
hohe Umdrehung erlaubt in Ausführungen
eine größere Kontrolle über das
Grobende oder die Grobfraktion der Partikelgrößenverteilung des partikelförmigen Materials.
Die Abwandlung oder Modifikation der Radauslassöffnung oder -apertur kann beispielsweise
durch Anbringen oder Befestigen des Vortexringartikels für Hochdrehzahl
an der Auslassöffnung
oder dem Ausgang eines bestehenden Fluidbettes eines Strahlmühlen-Klassifikationsrades, beispielsweise
ein AFG Modell, erhältlich
von Alpine erreicht werden. Diese Steuerung der Partikelgrößenseparation
und Verteilung kann, in Ausführungen,
die Notwendigkeit für
jegliche Grobpartikelentfernung oder Separation in der Klassifikationsstufe
der Herstellung von Tonern enger Größenverteilung eliminieren und
bringt dadurch erhebliche Zeit- und Kosteneinsparungen bei der Herstellung
von Feintoner und verwandten partikelförmigen Materialien mit sich.
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Das
Konzept des Hochdrehzahl-Vortexringes der vorliegenden Erfindung
kann ebenso eine kleinere Schnittgröße bei der Schleifer- oder
Klassifikationseinrichtung bereitstellen verglichen mit ähnlichen
Radgeschwindigkeiten, wobei dieser Vorteil einen erhöhten Radgeschwindigkeitsbereich
für Separationen
kleinerer Partikelgröße mit sich
bringt. Die Möglichkeit,
die Radgeschwindigkeiten beispielsweise durch Verwendung eines Maximums
an Schleifluft zu vergrößern, ist
bei der Erzielung von hohen oder maximalen Partikeldurchsatzraten
wesentlich, insbesondere, beispielsweise, bei der Herstellung von
ultrafeinen Tonerpartikeln wie etwa von ungefähr 1 bis ungefähr 5 μm im Durchmesser
mit sehr engen Größenverteilungen.
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Die
Partikelgröße und Qualität der Partikelseparation,
die in der vorliegenden Erfindung erzielt werden kann, kann unter
Verwendung von beispielsweise der Coulter Sizing Technik, wie etwa
die vorstehend erwähnte
Größe D25/D75 oder die Größe D84/D50, gemessen
und quantifiziert werden.
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Dem
Fachmann wird sofort klar sein, dass die relative Ausrichtung der
unteren und oberen Flächen des
zusammengebauten Klassifikationsrades im Raum nicht kritisch ist
und zufrieden stellend arbeiten kann, wenn dieselben in irgendeiner
Richtung ausgerichtet sind. Im Betrieb kann die Partikelzuführung zu
der Vorrichtung auf verschiedene bekannte Arten bereitgestellt werden,
beispielsweise als ein Fluid, das suspendierte Partikel enthält, oder
als ein fluidförmiger
Partikelstrom. Ein bevorzugtes Fluid ist ein Gas, beispielsweise
trockene Luft, bei oder nahe atmosphärischer Temperatur und Druck.
Die festen Partikel können
jegliches Material sein, welches durch das Klassifikationsrad leicht
trennbar und vorzugsweise bröckelig
ist, nicht oder nur schwach agglomerierend, beispielsweise eine
Tonerzusammensetzung, die Partikel einer Mischung eines Pigmentes
und eines Harzes umfasst. Das Klassifikationsrad der vorliegenden
Erfindung kann bei Rotationsgeschwindigkeiten zufrieden stellend
betrieben werden, die bei herkömmlichen
Klassifikationsseparatoren verwendet werden, beispielsweise von
ungefähr
500 bis ungefähr
25000 Umdrehungen pro Minute, und vorzugsweise von ungefähr 500 bis
ungefähr
5000 Umdrehungen pro Minute mit dem Ergebnis, dass die Separation der feinen
Partikeln von groben Partikeln verglichen mit Radgeometrien aus
dem Stand der Technik erheblich verbessert wird.
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Die
Beschreibung von beispielhaften Separationen, die mit der vorliegenden
Erfindung erzielt wurden, folgt nun. Partikel kleiner als ungefähr 12 μm werden
aus einer Population von Partikeln separiert, die sich im Bereich
von mittleren Größendurchmessern
von ungefähr
0,1 bis ungefähr
1000 μm
befinden, wie etwa durchgeführt,
beispielsweise, in einem Fluidbettschleifer, in dem die größeren Partikel
kontinuierlich geschliffen werden, bis diese ausreichend klein sind,
um durch das Klassifikationsrad entfernt zu werden. Partikel kleiner
als ungefähr
4 μm werden
von einer Population von Partikeln separiert, die im Bereich eines
mittleren Größendurchmessers
von ungefähr
1 μm bis
ungefähr
12 μm liegen,
wie beispielsweise in einem Klassifizierer durchgeführt, in
dem Partikel minderer Größe entfernt
werden.
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In
Ausführungen
der vorliegenden Erfindung werden eine Vorrichtung und ein Partikelseparationsverfahren
desselben bereitgestellt, mit einem Separationsschärfeindex,
der einen Wert von ungefähr
0,7 übersteigt,
beispielsweise von ungefähr
0,7 bis ungefähr
1,0.
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Der
Schnittpunkt der Vorrichtung und eines Klassifikationsprozesses
entspricht der nominellen Partikelgröße, bei der zwei entgegengesetzte
und konkurrierende Kräfte
im Wesentlichen gleiche Größen aufweisen.
Die Größe der zwei
Kräfte,
die auf einen individuellen Partikel in einem Klassifizierer wirken,
beispielsweise der Luftstrom und die Zentrifugalkraft, können unter
Verwendung herkömmlicher
Gleichungen der Fluiddynamik berechnet werden. Diese Kräfte und,
besonders wesentlich, deren relative Größen ändern sich mit der Position
innerhalb eines Klassifikationsrades. Es kann der Schnittpunkt dT
gegen die radiale Position R aufgetragen werden. Eine derartige
grafische Analyse wurde durch R. Nied und Sickel durchgeführt und
in einem Beitrag „Modern
Air Classifiers”,
in Powder Handling and Processing, Vol. 4, Nr. 2, Juni 1992 berichtet.
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Tonerzusammenstellungen
können
durch eine Anzahl von bekannten Verfahren hergestellt werden, wie
etwa das Beimischen und Erhitzen von Harzpartikeln, die mit den
Prozessen der vorliegenden Erfindung erhalten werden, wie etwa wasserlösliche Styrolbutadien-Copolymerderivate,
Pigmentpartikel wie etwa Magnetit, Kohlenstoffschwarz oder Mischungen
derselben und Cyan, Gelb, Magenta, Grün, Braun, Rot oder Mischungen
derselben und vorzugsweise von 0 bis ungefähr 5% von ladungsverbessernden
Additi ven in einer Tonerextrusionseinrichtung wie etwa ZSK53, erhältlich von
Werner Pfleiderer und Entfernung der ausgebildeten Tonerzusammensetzung
von der Einrichtung. Nachfolgend auf die Abkühlung wird die Tonerzusammensetzung
einem Schleifprozess unterworfen unter Verwendung von einem Sturtevant
Micronizer beispielsweise, zu dem Zweck, Tonerpartikel mit einem
mittleren Volumendurchmesser von weniger als ungefähr 25 μm zu erhalten
und vorzugsweise von ungefähr
4 bis ungefähr
12 μm, wobei
die Durchmesser durch einen Coulter Counter bestimmt werden. Nachfolgend
können
die Tonerzusammensetzungen beispielsweise unter Verwendung eines
Donaldson Model B Classifier klassifiziert werden, um den Tonerfeinanteil
zu entfernen, d. h., Tonerpartikel kleiner als ungefähr 4 μm mittlerer
Volumendurchmesser. Alternativ werden die Tonerzusammensetzungen
mit einer Fluidbett-Schleifeinrichtung geschliffen, die mit einem
Klassifikationsrad ausgestattet ist, das gemäß der vorliegenden Erfindung
konstruiert ist, und daraufhin werden dieselben unter Verwendung
eines Klassifizierers klassifiziert, der mit einem Klassifikationsrad
ausgestattet ist, das gemäß der vorliegenden Erfindung
aufgebaut ist.
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Veranschaulichende
Beispiele von Harzen, die für
Toner und Entwicklerzusammensetzungen der vorliegenden Erfindung
geeignet sind, schließen
verzweigte Styrolacrylate, Styrolmethacrylate, Styrolbutadiene, Vinylharze,
einschließlich
verzweigte Homopolymere und Copolymere von zwei oder mehr Vinylmonomeren; Vinylmonomere
einschließlich
Styrol, p-Chlorostyrol, Butadien, Isopren und Myrcen; Vinylester
wie etwa Ester von Monocarboxylsäuren
einschließlich
Methylacrylat, Ethylacrylat, n-Butylacrylat, Isobutylacrylat, Dodecylacrylat,
n-Octylacrylat, Phenylacrylat, Methylmethacrylat, Ethylmethacrylat
und Butylmethacrylat; Acrylonitril, Methacrylonitril, Acrylamid;
und Ähnliche
ein. Bevorzugte Tonerharze schließen Styrolbutadien-Copolymere, Mischungen
derselben und Ähnliches
ein. Weitere bevorzugte Tonerharze schließen Styrol/n-Butylacrylat-Copolymere,
PLIOLITES
®;
suspensionspolymerisierte Styrolbutadiene ein, man nehme Bezug auf
US-Patent 4,558,108 .
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Bei
Tonerzusammensetzungen sind die Harzpartikel in einer ausreichenden
aber effektiven Menge vorhanden, beispielsweise von ungefähr 70 bis
ungefähr
90 Gew.-%. Wenn 1 Gew.-% des ladungsverbessernden Additives vorhanden
ist und 10 Gew.-% des Pigmentes oder Farbmittels, wie etwa Kohlenstoffschwarz, darin
enthalten ist, wird daher ungefähr
89 Gew.-% von Harz ausgewählt.
Das ladungsverbessernde Additiv kann ebenso auf den Pigmentpartikel
aufgeschichtet werden. Wenn es als eine Beschichtung verwendet wird, ist
das ladungsverbessernde Additiv in einer Menge von ungefähr 0,1 Gew.-%
bis ungefähr
5 Gew.-% und vorzugsweise von ungefähr 0,3 Gew.-% bis ungefähr 1 Gew.-%
vorhanden.
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Eine
Vielzahl von gut bekannten, geeigneten Pigmenten oder Farbstoffen
kann als das Farbmittel für die
Tonerpartikel ausgewählt
werden, einschließlich,
beispielsweise, Kohlenstoffschwarz wie etwa REGAL 330®, Nigrosine-Farbstoff,
Anilinblau, Magnetit oder Mischungen derselben. Das Pigment, das
vorzugsweise Kohlenstoffschwarz ist, sollte in einer ausreichenden
Menge vorhanden sein, um die Tonerzusammensetzung höchst farbig
zu machen. Im Allgemeinen sind die Pigmentpartikel in Mengen von
ungefähr
1 Gew.-% bis ungefähr
20 Gew.-% vorhanden und vorzugsweise von ungefähr 2 bis ungefähr 10 Gew.-%
basierend auf dem Gesamtgewicht der Tonerzusammensetzung; es können jedoch
geringere oder größere Mengen
von Pigmentpartikeln ausgewählt
werden.
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Wenn
Pigmentpartikel Magnetite umfassen, wodurch einkomponentige Toner
in einigen Fällen
möglich
sind, wobei die Magnetite eine Mischung aus Eisenoxiden (FeO·Fe2O3) sind, die diejenigen
im Handel erhältlichen
wie etwa MAPICO BLACK® einschließen, sind
diese in der Tonerzusammensetzung in einer Menge von ungefähr 10 Gew.-%
bis ungefähr
70 Gew.-% vorhanden und vorzugsweise in einer Menge von ungefähr 10 Gew.-%
bis ungefähr
50 Gew.-%. Mischungen aus Kohlenstoffschwarz und Magnetit mit ungefähr 1 bis
ungefähr
15 Gew.-% von Kohlenstoffschwarz und vorzugsweise von ungefähr 2 bis
ungefähr
6 Gew.-% von Kohlenstoffschwarz und Magnetit wie etwa MAPICO BLACK® in
einer Menge von beispielsweise ungefähr 5 bis ungefähr 60 und
vorzugsweise von ungefähr
10 bis ungefähr
50 Gew.-% können
ausgewählt
werden.
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Zu
den Tonerzusammensetzungen der vorliegenden Erfindung können ebenso
externe additive Partikel zugemischt werden, einschließlich Additive
zur Flussverbesserung, wobei dieselben üblicherweise an der Oberfläche derselben
vorhanden sind. Beispiele dieser Additive schließen kolloidale Silikate wie
etwa AEROSIL
®,
Metallsalze und Metallsalze von fettigen Säuren einschließlich Zinkstearat,
Aluminiumoxide, Ceriumoxide und Mischungen derselben ein, wobei
die Additive im Allgemeinen in einer Menge von ungefähr 0,1 Gew.-% bis
ungefähr
10 Gew.-% und vorzugsweise in einer Menge von ungefähr 0,1 Gew.-%
bis ungefähr
5 Gew.-% vorhanden sind. Mehrere der vorstehend erwähnten Additive
sind in
US-Patenten 3,590,000 und
3,800,588 veranschaulicht.
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Mit
weiterem Bezug auf die vorliegende Erfindung können kolloidale Silikate wie
etwa AEROSIL® mit Ladungsadditiven
in einer Menge von ungefähr
1 bis ungefähr
30 Gew.-% und vorzugsweise 10 Gew.-% oberflächenbehandelt werden, gefolgt
durch die Zugabe derselben zu dem Toner in einer Menge von 0,1 bis
10 und vorzugsweise 0,1 bis 1 Gew.-%.
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In
die Tonerzusammensetzungen können
ebenso Wachse von niedrigem Molekulargewicht wie etwa Polypropylene
und Polyethylene, im Handel erhältlich
von Allied Chemical und Petrolite Corporation, EPOLENE N-15
®,
im Handel erhältlich
von Eastman Chemical Products, Inc., VISCOL 550-P
®, ein
Polypropylen von niedrigem mittlerem Molekulargewicht, erhältlich von
Sanyo Kasei K. K. und ähnliche
Materialien eingeschlossen werden. Die ausgewählten, im Handel erhältlichen
Polyethylene, haben ein Molekulargewicht von ungefähr 1000
bis ungefähr
1500, während
die für
Tonerzusammensetzungen verwendeten, kommerziell erhältlichen
Polypropylene vermutlich ein Molekulargewicht von ungefähr 4000
bis ungefähr
5000 aufweisen. Viele der Polyethylen- und Polypropylenzusammensetzungen,
die für
die vorliegende Erfindung günstig
sind, werden in dem
britischen
Patent Nr. 1,442,835 veranschaulicht.
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Die
Wachsmaterialien von geringem Molekulargewicht sind optional in
der Tonerzusammensetzung oder den Polymerharzklumpen der vorliegenden
Erfindung in verschiedenen Mengen vorhanden, wobei diese Wachse
jedoch allgemein in der Tonerzusammensetzung in einer Menge von
ungefähr
1 Gew.-% bis ungefähr 15
Gew.-% und vorzugsweise in einer Menge von ungefähr 2 Gew.-% bis ungefähr 10 Gew.-%
vorhanden sind und in Ausführungen
als Ablöseagenzien
für die
Schmelzwalze arbeiten.
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Im
Umfang der vorliegenden Erfindung sind farbige Toner und Entwicklerzusammensetzungen
eingeschlossen, die aus Tonerharzpartikeln, Trägerpartikeln, den ladungsverbessernden,
hier veranschaulichten Additiven und als Pigmenten, rot, blau, grün, magenta,
cyan und/oder gelben Partikeln ebenso wie Mischungen derselben bestehen.
Insbesondere in Bezug auf die Erzeugung von Farbbildern unter Verwendung
einer Entwicklerzusammensetzung mit ladungsverbessernden Additiven
schließen
veranschaulichende Beispiele von Magentamaterialien, die als Pigmente
ausgewählt
werden können,
beispielsweise 2,9-Dimethyl-substituiertes Chinacridon und Anthrachinonfarbstoff,
der in dem Colorindex als CI 60710, CI Dispersed Red 15 identifiziert
wird, Diazofarbstoff im Colorindex identifiziert als CI 26050, CI
Solvent Red 19 und Ähnliche
ein. Veranschaulichende Beispiele für Cyanmaterialien, die als
Pigmente verwendet werden können, schließen Kupfertetra-4-(octadecylsulfonamid)phthalocyanin,
X-Kupferphthalocyanin-Pigment,
aufgelistet in dem Colorindex als CI 74160, CI Pigment Blue und
Anthrathren Blue, aufgelistet in dem Colorindex als CI 69810, Special
Blue X-2137 und Ähnliche
ein; während
veranschaulichende Beispiele für
gelbe Pigmente, die ausgewählt
werden können,
Diarylidgelb-3,3-dichlorbenzidenacetoacetanilide, ein Monoazopigment,
identifiziert in dem Colorindex als CI 12700, CI Solvent Yellow
16, ein Nitrophenylaminsulfonamid identifiziert in dem Colorindex
als Foron Yellow SE/GLN, CI Dispersed Yellow 33, 2,5-Dimethoxy-4-sulfonanilidphenylazo-4'-chloro-2,5-dimethoxyacetoacetanilid
und Permanent Yellow FGL sind. Die vorgenannten Pigmente werden
in die Tonerzusammensetzung in verschiedenen geeigneten effektiven
Mengen aufgenommen, vorausgesetzt, die Ziele der vorliegenden Erfindung
werden erreicht. In einer Ausführung
sind die farbigen Pigmentpartikel in der Tonerzusammensetzung in
einer Menge von ungefähr
2 Gew.-% bis ungefähr
15 Gew.-%, berechnet in Bezug auf das Gewicht der Tonerharzpartikel,
vorhanden.
-
Für die Rezeptur
der Entwicklerzusammensetzungen werden Trägerkomponenten mit den Tonerpartikeln
vermischt, insbesondere diejenigen, die in der Lage sind, triboelektrisch
eine entgegengesetzte Polarität zu
derjenigen der Tonerzusammensetzung anzunehmen. Dementsprechend
werden die Trägerpartikel
mit einer negativen Polarität
ausgewählt,
die es den Tonerpartikeln, die positiv geladen sind, erlaubt, an
den Trägerpartikeln
anzuhaften und diese zu umgeben. Veranschaulichende Beispiele von
Trägerpartikeln
schließen
Eisenpulver, Stahl, Nickel, Eisen, Ferrite, einschließlich Kupferzinkferrite,
und Ähnliche
ein. Weiterhin können
als Trägerpartikel
Nickelbeeren-Träger
(nickel berry carriers), wie in
US-Patent
3,847,604 veranschaulicht, ausgewählt werden. Die ausgewählten Trägerpartikel
können
mit oder ohne einer Beschichtung verwendet werden, wobei die Beschichtung
allgemein Terpolymere von Styrol, Methylmethacrylat und einem Silan,
wie etwa Triethoxysilan, enthalten, siehe
US-Patent 3,526,533 ,
US-Patent 4,937,166 und
US-Patent 4,935,326 , einschließlich beispielsweise
KYNAR
® und
Polymethyl methacrylatmischungen (40/60). Die Beschichtungsgewichte
können
wie in diesen aufgeführt
variieren; allgemein wird jedoch ein Beschichtungsgewicht von ungefähr 0,3 bis ungefähr 2 und
vorzugsweise von ungefähr
0,5 bis ungefähr
1,5 Gew.-% ausgewählt.
-
Weiterhin
beträgt
der Durchmesser der Trägerpartikel,
die vorzugsweise kugelförmig
sind, allgemein von ungefähr
50 μm bis
ungefähr
1000 μm
und in Ausführungen
ungefähr
175 μm,
wodurch ermöglicht
wird, dass diese eine ausreichende Dichte und Trägheit besitzen, um ein Anhaften
an den elektrostatischen Bildern während des Entwick lungsprozesses
zu vermeiden. Die Trägerkomponente
kann mit der Tonerzusammensetzung in verschiedenen passenden Kombinationen
gemischt werden, die besten Ergebnisse werden jedoch erzielt, wenn
ungefähr
1 bis 5 Teile pro Toner bis ungefähr 10 bis ungefähr 200 Gewichtsteile
der Träger
ausgewählt
werden.
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Die
Tonerzusammensetzung der vorliegenden Erfindung kann durch eine
Anzahl bekannter Verfahren wie hier aufgezeigt hergestellt werden,
einschließlich
ein Extrusionsschmelzvermischen der Tonerharzpartikel, der Pigmentpartikel
oder Farbmittel und eines ladungsverbessernden Additivs, gefolgt
durch mechanische Abrieb. Andere Verfahren schließen diejenigen
im Stand der Technik gut bekannten ein, wie etwa Sprühtrocknen, Schmelzdispersion,
Emulsionsaggregation und Extrusionsverarbeitung. Wie weiterhin hier
aufgeführt,
kann die Tonerzusammensetzung ohne das ladungsverbessernde Additiv
in der Tonermasse hergestellt werden, gefolgt durch die Addition
von ladungsadditiven oberflächenbehandelten,
kolloidalen Silikaten.
-
Die
Toner- und Entwicklerzusammenstellungen können für die Verwendung in elektrostatografischen, bilderzeugenden
Vorrichtungen ausgewählt
werden, die in denselben herkömmliche
Fotoaufnehmer enthalten, vorausgesetzt, dass diese in der Lage sind,
positiv oder negativ geladen zu werden. Daher können die Toner- und Entwicklerzusammenstellungen
mit geschichteten Fotoaufnehmern verwendet werden, die in der Lage sind,
negativ geladen zu werden, wie etwa die in
US-Patent 4,265,990 beschriebenen.
Veranschaulichende Beispiele von anorganischen Fotoaufnehmern, die
für bilderzeugende
und druckende Prozesse ausgewählt werden
können,
schließen
Selen ein; Selenlegierungen wie etwa Selenarsen, Selentellur und Ähnliche;
halogendotierte Selensubstanzen, halogendotierte Selenlegierungen.
-
Folgend
auf die Präparation
werden die Tonerzusammensetzungen üblicherweise gestrahlt und
klassifiziert, um Tonerpartikel zu erhalten mit einem bevorzugten
mittleren Durchmesser von ungefähr
5 bis ungefähr
25 μm, besonders
vorzugsweise von ungefähr
8 bis ungefähr
12 μm und
ganz besonders vorzugsweise von ungefähr 5 bis ungefähr 8 μm. Weiterhin
besitzen die Tonerzusammenstellungen vorzugsweise eine triboelektrische
Ladung von ungefähr
0,1 bis ungefähr
2 Femtocoulombs pro Mikrometer, wie sie mit dem bekannten Ladungsspektrograph
bestimmt werden. Die Mischzeit für
Toner sind vorzugsweise von ungefähr 5 Sekunden bis 1 Minute
und insbesondere von ungefähr
5 Sekunden bis ungefähr
15 Sekunden, wie es durch den bekannten Ladungsspektrograph bestimmt
wird. Diese Tonerzusammenstellungen mit schnellen Mischeigenschaf ten
ermöglichen
beispielsweise die Entwicklung von Bildern in elektrofotografischen,
bilderzeugenden Vorrichtungen, deren Bilder im Wesentlichen keine
Hintergrundablagerungen auf denselben aufweisen, selbst bei hohen
Tonerabgaberaten in einigen Fällen,
beispielsweise 20 Gramm pro Minute übersteigend; und weiterhin
können
derartige Tonerzusammenstellungen für elektrofotografische Vorrichtungen
von hoher Geschwindigkeit ausgewählt
werden, d. h. solche, die 70 Kopien pro Minute übersteigen.
-
Ebenso
besitzen die Tonerzusammenstellungen, die in Ausführungen
der vorliegenden Erfindung hergestellt werden, wünschenswert enge Ladungsverteilungen,
optimale triboelektrische Ladungswerte, vorzugsweise von 10 bis
ungefähr
40 und besonders vorzugsweise von ungefähr 10 bis ungefähr 35 Mikrocoulombs pro
Gramm, wie sie durch bekannte Faraday Käfig-Verfahren bestimmt werden,
mit ungefähr
0,1 bis ungefähr 5
Gew.-% von ladungsverbesserndem Additiv in einer Ausführung; und
schnelle Misch-/Ladungszeiten, wie sie in dem Ladungsspektrograph
bestimmt werden, von weniger als 15 Sekunden, und besonders vorzugsweise in
einigen Ausführungen
von ungefähr
1 bis ungefähr
14 Sekunden.
-
Die
Klassifikationsvorrichtung der vorliegenden Erfindung kann in Ausführungen
unter Verwendung von bekannten Materialien und Techniken wie hier
veranschaulicht gebaut werden. In Ausführungen kann ein herkömmlicher
Klassifizierer oder Fluidbettschleifer mit Klassifikationsradgeometrien
von konstantem Schnittpunkt gemäß der vorliegenden
Erfindung angepasst oder nachgerüstet
werden, um die vorstehenden Nutzen und Vorteile zu erreichen, wie
sie hier veranschaulicht sind. In Ausführungen kann das Klassifikationsrad
der vorliegenden Erfindung mit abnutzungsfestem Material aufgebaut
oder beschichtet werden, beispielsweise Keramik, Ceramer, Verbundstoff
und Ähnliche,
abriebfeste Oberflächenbeschichtungen.
-
Die
Erfindung wird weiterhin in dem nachfolgenden, nicht begrenzenden
Beispiel veranschaulicht, wobei anzumerken ist, dass dieses Beispiel
nur veranschaulichend gedacht ist und dass die Erfindung nicht auf die
Materialien, Bedingungen, Prozessparameter und Ähnliche, die hier zitiert werden,
begrenzt sein soll. Anteile und Prozentangaben sind gewichtsbezogen,
soweit nicht anderweitig ausgeführt.
-
Beispiel I
-
Die
vorliegende Erfindung kann beispielsweise verwendet werden bei der
Herstellung der Xerox Model DC 250 und DC 265 Schwarztoner. Die
Erfindung kann einen engeren Grobrest der Tonerpartikel-Größenverteilung
ermöglichen,
die unerwartete und hervorragende xerografische Druckqualitätsvorteile
mit sich bringt. Daten, die die verbesserte Partikelgrößenverteilung
veranschaulichen und die mit einem Schleifrad erhalten werden können, das
mit einem Vortexring für
hohe Drehzahl (high sein vortex ring: HSVR) der vorliegenden Erfindung
ausgestattet ist.
Reaktion | Schleifrad
mit HSVR | Schleifrad
ohne HSVR |
D50 (Volumenmedian) | 8,8
+/– 0,1 | 8,9
+/– 0,2 |
UGSD
(D84/D50) | 1,28
+/– 0,01 | 1,32
+/– 0,02 |
-
Beispiel II
-
Präparation von magnetischem Toner
und Evaluation
-
Ein
Polymerharz (74 Gew.-% der gesamten Mischung), das durch die Freiradikal-Polymerisation
von Mischungen aus Styrol und Butadien erhalten wird, kann schmelzextrudiert
werden mit 10 Gew.-% von REGAL 330® Kohlenstoffschwarz
und 16 Gew.-% von MAPICO BLACK® Magnetit bei 120°C und das
extrudierte Material wird in einem WARING-Mischer pulverisiert und
gestrahlt und klassifiziert zu 8 μm
mittlere Partikelgröße, wie
sie durch einen Counter Counter mit einer Klassifikationsausrüstung mit
einem Klassifikationsrad wie hierin veranschaulicht, gemessen werden,
Bezug ist beispielsweise 1. Ein positiv geladener magnetischer
Toner kann durch Oberflächenbehandlung
des gestrahlten Toners (2 Gramm) mit 0,12 Gramm von 1:1 Gewichtsverhältnis von
AEROSIL R972® (DEGUSSA)
und TP-302, einem Naphthalinsulfonat und quaternärem Ammoniumsalz (Nachem/Hodogaya
SI) Ladungskontrollagens.
-
Die
Entwicklerzusammenstellungen können
daraufhin durch Beimischen von 3,34 Gewichtsteilen der vorstehend
genannten Tonerzusammensetzung mit 96,66 Gewichtsteilen eines Trägers präpariert
werden, der aus einem Stahlkern mit einer Polymermischung über demselben
besteht, die 70 Gew.-% von KYNAR®, einem Polyvinylidenfluorid
und 30 Gew.-% von Polymethylmethacrylat enthält; das Beschichtungsgewicht
ist ungefähr
0,9%. Es kann eine Kaskadenentwicklung verwendet werden, um einen
Xerox Model D Fotoaufnehmer unter Verwendung eines „negativen” Auffängers zu
entwickeln. Die Belichtung kann zwischen 5 und 10 Sekunden eingestellt
werden und eine negative Vorspannung kann verwendet werden, um eine
Dunkelübertragung des
positiv mit Toner versehenen Bildes von dem Fotoaufnehmer auf Papier
zu erreichen.
-
Die
Bewertungen des Aufschmelzens können
mit einer Xerox Corporation 5028
®-Soft-Silikon-Schmelzwalze
ausgeführt
werden, die mit 7,62 cm (3 Inch) pro Sekunde betrieben wird. Die
tatsächlichen Temperaturen
der Schmelzwalze können
unter Verwendung eines Omegapyrometers bestimmt werden und wurden
mit Wachspapierindikatoren geprüft.
Das Ausmaß,
mit dem ein entwickeltes Tonerbild nach dem Aufschmelzen an dem
Papier anhaftet, wird unter Verwendung einer Scotch
®-Tapeprüfung ermittelt.
Das Fixierungsniveau wird als ausgezeichnet erwartet und vergleichbar
zu der Fixierung, die mit Tonerzusammensetzungen erreicht wird,
die mit anderen Verfahren zur Herstellung von Tonern präpariert
werden. Typischerweise verbleiben mehr als 95% des Tonerbildes nach
dem Entfernen eines Bandstreifens auf dem Kopierblatt fixiert, wie
es mit einem Densitometer bestimmt wird. Alternativ dazu kann das
Fixierungsniveau unter Verwendung der bekannten Fettprüfung quantifiziert
werden, Bezug ist
US-Patent Nr.
5.312, 704 .
-
Es
können
Bilder in einer xerografischen bilderzeugenden Prüffixierung
mit einem negativ geladenen, geschichteten bilderzeugenden Element
entwickelt werden, das aus einem Trägersubstrat aus Aluminium,
einer fotoerzeugenden Schicht aus trigonalem Selen und einer Ladungstransportschicht
aus 45 Gew.-% von Arylamin-N,N'-diphenyl-N,N'-bis(3-methylphenyl)1,1'-biphenyl-4,4'-diamin besteht,
das in 55 Gew.-% des Polycarbonats MAKROLON
® dispergiert
wird, man nehme Bezug auf
US-Patent
4,265,990 ; Bilder von Tonerzusammenstellungen, die aus
den Copolymeren hergestellt wurden, die beispielsweise von Beispiel
XI abgeleitet wurden, sollten von ausgezeichneter Qualität sein,
ohne Hintergrundablagerungen und von hoher Auflösung über eine ausgedehnte Zahl von
bilderzeugenden Zyklen, vermutlich mehr als ungefähr 75000
bilderzeugenden Zyklen.
-
Beispiel III
-
Die
vorliegende Erfindung kann bei in der Herstellung von Partikelmaterialien
wie etwa elektrofotografischen Farbtonerpartikeln angewandt werden.
Typische spezifische Farb tonerharze schließen Styrolacrylate, Styrolmethacrylate,
Polyester, PLIOLITES®, PLIOTONES®, erhältlich von
Goodyear Chemical Company, Styrolbutadienpolymere, insbesondere
Styrolbutadien-Copolymere ein, wobei der Styrolanteil in einer Menge
von ungefähr
83 bis ungefähr
93 Gew.-% vorhanden ist und vorzugsweise ungefähr 88 Gew.-% und wobei der
Butadienanteil in einer Menge von ungefähr 7 bis ungefähr 17 Gew.-%
und vorzugsweise ungefähr
12 Gew.-% vorhanden ist, wie etwa Harze, die als POLIOLITE® oder
POLIOTONE® von
Goodyear im Handel erhältlich sind.
Die Polyesterharze schließen
FE-208, geliefert durch Dianippon, FAC115, geliefert von Kao Corp.
zusammen mit Inden/Propenyltoluol-Copolymer mit Anteilen von 0,2
bis 11 Gew.-%, geliefert durch Mitsui Chemical.
-
Die
Farbtonerzusammenstellung kann beispielsweise aus den vorstehenden
Harzkombinationen und Farbzusätzen
für die
Vollfarbenentwicklung bestehen. Das färbende Agens kann beispielsweise
C.I. Pigment Yellow 17, C.I. Pigment Yellow 180, C.I. Pigment Red
57:1, C.I. Pigment Red 122, C.I. Pigment Blue 15:3 und ähnliche
Farbmittel einschließen.
Die Menge des färbenden
Agens ist vorzugsweise von ungefähr
0,1 bis ungefähr
12% oder Gewichtsteilen, basierend auf 100% oder Teilen des Harzgewichtes.
Farbtoner | K | M | C | Y | K | C | Y | M |
Basistonerrezept
(Gew.-%) | | | | | | | | |
Polyesterharz | 90–95 | 80–90 | 80–90 | | | | | |
Kohlenstoffschwarz | 3–6 | | | | | | | |
Inden/Propenyltoluol-Copolymer | 0,2–3 | 4–7 | 4–7 | 2–5 | | | | |
C.I.
Pigment Red 122 | | 3–5 | | | | | | |
C.I.
Pigment Red 57:1 | | 2–4 | | | | | | 3–5 |
C.I.
Blue Pigment 15:3 | | | 3–5 | | | 3–5 | | |
C.I.
Pigment Yellow 180 | | | | 5–12 | | | 4–7 | |
FE
208 Harz | | | | | 90–100 | 85–95 | 85–95 | 85–95 |
Kohlenstoffschwarz
25B | | | | | 1–5 | | | |
wobei: K = schwarzer Toner; M = Magentatoner;
C = Cyantoner; und Y = Gelbtoner
-
Weitere
Tonerzusammensetzungen können
mit herkömmlichen
Mitteln aus den pigmentierten thermoplastischen Harzpartikeln und
mit verbesserter Klassifikationsvorrichtung und Prozesse derselben
gemäß der vorliegenden
Erfindung leicht hergestellt werden, einschließlich gefärbte Toner, einkomponentige
Toner, vielkomponentige Toner, Toner mit speziellen Leistungsadditiven
und Ähnliche
hergestellt werden.
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Die
vorliegende Erfindung kann ebenso für die Pulververarbeitung von
feinen Körnungen,
Mehl und keramischen Pulvern verwendet werden. In Ausführungen
können
die Vorrichtung und die Prozesse der vorliegenden Erfindung ausgewählt werden
für und
angewandt werden in der Trennklassifikation von bröckeligen und
nicht bröckeligen
Materialien, einschließlich,
aber nicht beschränkt
auf, kristalline, halbkristalline und amorphe Materialien, beispielsweise
organische Materialien, anorganische Materialien, Zusammensetzungen derselben
und Mischungen derselben. Organische Materialien schließen beispielsweise
Harze, Polymere, Elastomere, Farbstoffe, Pigmente, Pharmazeutika,
Latexpartikel und Ähnliche
ein. Anorganische Materialien schließen beispielsweise Metalle,
Metalloxide, Mineralien und Ähnliches
ein und Mischungen derselben wie etwa Magnetite und Silikate. Verbünde schließen beispielsweise
verbundene oder physikalische Mischungen von organischen Verbindungen
und anorganischen Verbindungen ein.