DE60126015T2

DE60126015T2 - Elektrografische Verfahren, die Entwicklerzusammensetzungen aus hartmagnetischen Trägerpartikeln verwenden

Info

Publication number: DE60126015T2
Application number: DE60126015T
Authority: DE
Inventors: Robert D. Rochester Fields; Thomas A. Rochester Jadwin; Eric C. Pittsford Stelter
Original assignee: Eastman Kodak Co
Current assignee: Eastman Kodak Co
Priority date: 2000-05-17
Filing date: 2001-05-15
Publication date: 2007-07-19
Anticipated expiration: 2021-05-16
Also published as: JP2003533740A; EP1156391A1; AU2001261520A1; WO2001088620A1; WO2001088617A3; CA2375298A1; AU2001261520A8; AU2001261492A1; DE60126015D1; WO2001088617A2; EP1156373A1; CA2375255A1; CA2375298C; EP1156391B1; US20010046635A1; US6589703B2; US20010055723A1; JP2003533742A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Elektrografie und insbesondere elektrografische Verfahren und Vorrichtungen zur Verwendung von Entwicklerzusammensetzungen, die sich aus hartmagnetischen Trägerpartikeln zur Entwicklung elektrostatischer Ladungsbilder zusammensetzen.
In der Elektrografie wird ein elektrostatisches Ladungsbild auf einer dielektrischen Oberfläche ausgebildet, typischerweise eine Oberfläche des fotoleitenden Aufzeichnungselements. Die Entwicklung dieses Bildes erfolgt üblicherweise, indem es in die Nähe einer Entwicklerzusammensetzung bewegt wird, die eine Mischung aus pigmentierten Harzmaterialien umfasst, dem sogenannten Toner, und magnetisch anziehbaren Partikeln, dem sogenannten Träger. Für einen Zweikomponentenentwickler, der eine Mischung aus Tonerpartikeln und Trägerpartikeln umfasst, dienen die Trägerpartikeln als Orte, auf die die nichtmagnetischen Tonerpartikeln treffen können und dadurch eine triboelektrische Ladung annehmen, die der des elektrostatischen Bildes entgegengesetzt ist, wenn eine Konfiguration mit Entwicklung des geladenen Bereichs verwendet wird. Wenn sich das elektrostatische Bild in Nähe der Entwicklermischung befindet, werden die Tonerpartikeln von den Trägerpartikeln gestreift, an denen sie vormals (über triboelektrische Kräfte) durch die relativ starken elektrostatischen Kräfte, die dem Ladungsbild zugeordnet sind, anhafteten. Auf diese Weise werden die Tonerteilchen auf dem elektrostatischen Bild abgelagert, um dieses sichtbar zu machen. In der Technik ist das Kontakttonern und das kontaktlose Tonern bekannt. Die vorliegende Erfindung kann mit Kontakttonern oder mit kontaktlosem Tonern verwendet werden, wobei nachstehend der Begriff „Kontakt" oder dessen Äquivalente benutzt wird, um zu beschreiben, dass sich der Entwickler in Nähe des elektrostatischen Bildes befindet oder diesem in Entwicklungsbeziehung zugeordnet ist, so dass die Entwicklung des Bildes mit Toner erfolgt. Es sei darauf hingewiesen, dass der Schutzbereich der Erfindung nicht auf das Kontakttonern beschränkt ist. In der Technik ist zudem die Entwicklung entladener Bereiche bekannt, und die Erfindung ist gleichermaßen auf die Entwicklung geladener wie entladener Bereiche anwendbar.
Üblicherweise werden Entwicklerzusammensetzungen des o.g. Typs auf elektrostatische Bilder mithilfe eines magnetischen Applikators aufgebracht, der eine zylinderförmige Hülse aus nichtmagnetischem Material umfasst, innerhalb derer ein Magnetkern angeordnet ist. Der Kern umfasst normalerweise eine Vielzahl paralleler magnetischer Streifen, die um die Oberfläche des Kerns angeordnet sind, um abwechselnd nördlich und südlich ausgerichtete Magnetfelder zu erzeugen. Diese Felder strahlen radial durch die Hülse ab und dienen dazu, die Entwicklerzusammensetzung an der Außenfläche der Hülse anzuziehen, wodurch das entsteht, was üblicherweise als „Bürste" oder „Spalt" bezeichnet wird. Die zylinderförmige Hülse und/oder der Magnetkern werden in Bezug zueinander gedreht, um den Entwickler aus einem Versorgungsvorrat in eine Position in Nähe des zu entwickelnden elektrostatischen Bildes zu transportieren. Nach der Entwicklung werden die erschöpften Trägerteilchen zur Tonerauffüllung in den Vorrat zurückgeführt.
Herkömmlicherweise dienten Trägerpartikeln aus weichmagnetischen Materialien dazu, die Tonerpartikeln aufzunehmen und zum elektrostatischen Bild zu befördern. US-A-4,546,060, 4,473,029 und 5,376,492 beschreiben die Verwendung hartmagnetischer Materialien als Trägerpartikeln und eine Vorrichtung zur Entwicklung elektrostatischer Bilder unter Verwendung derartiger hartmagnetischer Trägerpartikeln. Diese Patente setzen voraus, dass die Trägerpartikeln ein hartmagnetisches Material enthalten, das eine Koerzitivkraft von mindestens 300 Oersted (23873 A/m) bei magnetischer Sättigung aufweist, sowie ein induziertes magnetisches Moment von mindestens 20 EMU/g in einem angelegten Magnetfeld von 1000 Oersted (79577 A/m). In Bezug auf magnetische Materialien haben die Begriffe „hart" und „weich" die allgemein anerkannte Bedeutung, wie auf Seite 18 von „Introduction To Magnetic Materials", B.D. Cullity, Addison-Wesley Publishing Company, 1972, beschrieben.
Die hartmagnetischen Trägermaterialien weisen gegenüber der Verwendung weichmagnetischer Trägermaterialien große Vorteile auf, weil die Entwicklungsgeschwindigkeit bei guter Bildentwicklung deutlich erhöht wird. Im Verhältnis zur Maximalgeschwindigkeit bei Verwendung weichmagnetischer Trägerpartikeln konnten bis zu viermal höhere Geschwindigkeiten erzielt werden.
Bei den in den vorstehend genannten Patenten beschriebenen Verfahren wird ein Entwickler, der Trägerpartikeln aus hartmagnetischem Material umfasst, in Richtung des zu entwickelnden elektrostatischen Bildes bewegt, indem sich der mehrpolige Magnetkern innerhalb der Hülse schnell dreht, wodurch der Entwickler an der Außenfläche der Hülse angelagert wird. Den schnellen Polübergängen auf der Hülse widersteht der Träger wegen seiner hohen Koerzitivkraft. Ketten aus Trägerpartikeln, die den Spalt des Trägers umfassen (wobei die Tonerpartikeln an der Oberfläche der Trägerpartikeln angeordnet sind), „kippen" auf der Hülse schnell um, um sich auf die Magnetfeldwechsel auszurichten, die von dem rotierenden Magnetkern veranlasst werden, und bewegen sich infolgedessen mit dem Toner auf der Hülse durch die Entwicklungszone in Kontakt mit oder in enger Nähe zu dem elektrostatischen Bild auf einem Fotoleiter. Wie zuvor erwähnt, wird dieses Zusammenwirken des Entwicklers mit dem Ladungsbild im Folgenden zur Vereinfachung als „Kontakt" oder „Kontaktbildung" bezeichnet. Auch die Hülse kann gedreht werden, um die Geschwindigkeit des Entwicklers zu erhöhen. Eine weitere Erörterung eines solchen Prozesses wird u.a. in US-A-4,531,832 beschrieben.
Die schnellen Polwechsel, beispielsweise 467 Polwechsel/Sekunde auf der Hülsenoberfläche bei einer Drehung des Magnetkerns mit 2000 U/min erzeugen eine wirkungsvolle und kräftige Bewegung des Entwicklers, während sich dieser durch die Entwicklungszone bewegt. Diese kräftige Bewegung rezirkuliert den Entwickler ständig zur Hülsenoberfläche und zurück zur Außenseite des Spalts, um Toner für die Entwicklung bereitzustellen. Dieser Kippvorgang führt zudem zu einer kontinuierlichen Versorgung des Bildes mit frischen Tonerpartikeln. Wie in den zuvor beschriebenen Patenten beschrieben, liefert dieses Verfahren hochwertige Bilder mit hoher Dichte bei relativ hohen Entwicklungsgeschwindigkeiten.
Zur Behandlung der Oberflächen der Tonerkomponente der Entwicklerzusammensetzung sind diverse Materialien zwecks Verbesserung der Tonerleistung in einem elektrografischen Prozess verwendet worden. In den letzten Jahren sind Polymere mit niedrigen Schmelzpunkten, insbesondere polyesterbasierende Harze, als Tonerharz verwendet worden, da sie die Hochgeschwindigkeits-Druckgeräte und -Systeme ergänzen, die von der Drucker-/Kopiererindustrie in jüngster Zeit entwickelt worden sind. Zudem sind diverse andere Tonerzusätze, wie Polyethylen- und Polypropylenwachse mit niedriger Molmasse, verwendet worden, um das Tonerharz zu modifizieren und die Leistung zu verbessern. Die Einbringung der vorstehend genannten Materialien in den Toner kann sich nachteilig auf die Pulverfließeigenschaften der Entwicklerzusammensetzung und letztendlich auf die Bildqualität auswirken, weshalb die Verwendung von Siliciumdioxid und/oder anderen Metalloxiden zur Oberflächenbehandlung zur Verbesserung der Fließeigenschaften des Toners zunehmend an Bedeutung gewonnen hat. Siliciumdioxid und andere Metalloxide sind zudem verwendet worden, um die Adhäsion der Tonerpartikeln an der dielektrischen Oberfläche zu reduzieren, die das getonerte elektrostatische Bild trägt, wobei diese reduzierte Adhäsion eine bessere Übertra gung des getonerten Bildes auf einen Empfänger desselben bewirken kann, beispielsweisen einen Papierbogen.
Derartige Verwendungen von oberflächenbehandeltem Toner werden beispielsweise in US-A-5,286,917 erwähnt, in der die Verwendung von Siliciumdioxid in Verbindung mit einem Einkomponentenentwickler zur Erhöhung der Fließfähigkeit des Toners beschrieben wird. Siliciumdioxid und weitere Mittel zur Oberflächenbehandlung werden aus den gleichen oder ähnlichen Gründen in US-A-5,729,805; 4,982,689 und 4,377,332 verwendet.
Ein im Zusammenhang mit den in den vorstehenden Patenten beschriebenen Entwicklungssystemen stehendes Problem betrifft die Verwendung eines stationären, d.h. nicht rotierenden Magnetkerns und eines Entwicklers, der einen weichmagnetischen Träger und einen oberflächenbehandelten Toner umfasst. Diese Patente beschreiben beispielsweise, dass die gewünschte niedrige Adhäsionskraft, der niedrige Reibungskoeffizient, der der Oberflächenbehandlung zugeordnet ist, auch einen aufgerauten Tonerapplikator erfordert, d.h. eine Hülse, so dass der Entwickler gleichmäßig sehr nah zum Fotoleiter transportiert werden und ein Bild entwickeln kann. US-A-5,729,805 beschreibt beispielsweise, dass eine bestimmte Art der Flächenrauheit vorhanden sein muss, d.h. dort wird beschrieben, dass die Flächenrauheit Ra größer oder gleich 0,2 μm und kleiner oder gleich 5,0 μm betragen muss, wobei der mittlere Abstand zwischen den Flächenunregelmäßigkeiten zwischen 10 und 80 μm liegt. US-A-4,982,689 beschreibt zudem, dass die Oberfläche eines Tonerapplikators oder einer Hülse derart aufgeraut ist, dass der Entwickler gleichmäßig aufgetragen werden kann, und zwar unabhängig davon, ob die Entwicklerzusammensetzung ein Einkomponenten-, Zweikomponenten-, magnetischer, nichtmagnetischer, isolierender oder dielektrischer Entwickler ist. Die Erfinder beschreiben in US-A-4,982,689 einen bestimmten Fertigungsprozess für den Tonerapplikator, um eine gewünschte Flächenrauheit auf der Hülse zu erhalten. Gady et al. behandeln in US-A-5,948,585 Probleme, die bei Verwendung von Tonerpartikeln mit kleinem Durchmesser (etwa 5–10 μm) aufgetreten sind, wo die Verringerung der Kohäsion, die auf den Einsatz von Zusätzen zur Kontrolle der Adhäsion zurückzuführen ist, regelrecht zu einer Explosion von Rasterpunkten führen kann, was Gady et al. durch Anwendung von Zusätzen in Konzentrationen zu verhindern versuchen, die in Korrelation zu dem mittleren volumengewichteten Durchmesser des verwendeten Toners stehen. Lewis beschreibt in US-A-5,795,692 Entwicklerzusammensetzungen, in denen der Träger ein elektrisch leitendes magnetisches Oxid ist, das mit dem Reaktionsprodukt aus Zinkdampf und dem magnetischen Oxid beschichtet ist, wobei die Beschichtung wahlweise eine Schicht aus mitabgelagertem metallischen Zink beinhaltet.
Wie bereits erwähnt, beschreiben die genannten Patente, dass aufwändige Aufrauschritte in der Herstellung der Tonerhülsen notwendig sind, um eine gewünschte Flächenrauheit zu erzielen, die für die in den Patenten beschriebenen Verfahren und Geräte erforderlich ist. Diese Aufrauschritte tragen erheblich zur Komplexität des Fertigungsprozesses für ein derartiges Gerät bei, ebenso wie zu den Kosten der Herstellung des Entwicklungssystems.
Wie zu sehen ist, wäre es wünschenswert, verbesserte Verfahren zur Verwendung von Entwicklerzusammensetzungen zu entwickeln, die oberflächenbehandelte Toner in einem elektrografischen Prozess umfassen, um das elektrografische System zu vereinfachen und dessen Kosten zu senken, insbesondere was die Komplexität und die Kosten angeht, die die zur Herstellung von Tonersystemen erforderlichen Schritte betreffen.
Die vorgenannten Aufgaben und Vorteile werden in einem Aspekt mit einem Verfahren zur Entwicklung eines elektrostatischen Bildes unter Verwendung eines rotierenden Magnetkernapplikators und einer aus einem hartmagnetischen Material bestehenden Entwicklerzusammensetzung erreicht. Das Verfahren umfasst den Schritt des Kontaktierens eines elektrostatischen Bildes mit mindestens einer Magnetbürste, welche umfasst:

a) einen rotierenden Magnetkern einer vorgewählten Magnetfeldstärke;
b) eine äußere, um den rotierenden Magnetkern angeordnete, nichtmagnetische Hülle; und
c) eine an der Außenfläche der Hülle und in Kontakt mit dem Bild befindliche elektrografische Entwicklerzusammensetzung, die eine Mischung aus geladenen Tonerpartikeln und entgegengesetzt geladenen Trägerpartikeln umfasst, zusammengesetzt aus einem hartmagnetischen Material, wobei auf den Außenflächen der Tonerpartikeln mindestens ein Oberflächenbehandlungsmittel angeordnet ist, das aus folgender Gruppe ausgewählt ist, bestehend aus Körnern eines Polymers, ausgewählt aus Acrylpolymeren, Styrolpolymeren, siliconbasierten Polymeren, Fluorpolymeren und Mischungen daraus; hydrophobem Siliciumdioxid, oberflächenbehandelt mit Dichlordimethylsilan, Siliconöl oder Hexamethyldisilazan und Mischungen daraus;

Die vorliegende Erfindung beruht zum Teil auf der Erkenntnis, dass die Leistung einer Tonerstation, die mindestens eine Magnetbürste, bestehend aus einem rotierenden Magnetkern, eine Tonerhülse und eine Entwicklerzusammensetzung, zusammengesetzt aus einem hartmagnetischen Träger, umfasst, gegenüber der Oberflächenbearbeitung der Tonerhülse relativ unempfindlich ist. Daher sind keine besonderen Herstellungsschritte erforderlich, die der Tonerhüle eine besondere Oberflächenbeschaffenheit verleihen, um die Entwicklerzusammensetzung gleichmäßig aufzubringen und eine gute Bildqualität zu erzielen.
Die Erfindung wird nachfolgend detaillierter beschrieben.
Die vorliegende Erfindung betrifft die Verwendung des zuvor beschriebenen Magnetbürsten-Entwicklungssystems zur Entwicklung elektrostatischer Bilder. Beispielsweise beinhaltet eine Ausführungsform der Erfindung das Entwickeln eines elektrostatischen Bildelements, auf das ein elektrostatisches Bildmuster aufgebracht wird, indem das Bildelement durch eine Entwicklungszone bewegt wird. Eine Entwicklerzusammensetzung wird zudem durch die Entwicklungszone in Entwicklungsbeziehung mit dem Ladungsmuster des sich bewegenden Bildelements unter Verwendung eines Magnetbürstensystems transportiert, das einen rotierenden Magnetkern mit wechselnden Polen einer vorgewählten Magnetfeldstärke umfasst, der in einer äußeren nichtmagnetischen Hülle angeordnet ist, wobei diese Hülle auch drehbar oder stationär sein kann. Die Richtung und Geschwindigkeit des Kerns und wahlweise die Hüllendrehung werden derart kontrolliert, dass die Entwicklerzusammensetzung durch die Entwicklungszone in einer Richtung fließt, die mit der Bewegung des Bildelements gleichläuft. Es wird eine elektrografische Trockenentwicklerzusammensetzung verwendet.
Die Trockenentwicklerzusammensetzung umfasst ein Tonerharz und einen hartmagnetischen Träger. Der Träger ist vorzugsweise ein hartmagnetisches, partikelförmiges Material, das eine Koerzitivkraft von mindestens ca. 300 Gauss (0,03 Tesla) bei magnetischer Sättigung aufweist, und das ein induziertes magnetisches Moment von mindestens ca. 20 EMU/g in einem extern angelegten Magnetfeld von 1.000 Gauss (0,1 Tesla) aufweist. Die Trägerpartikeln haben eine ausreichende entgegengesetzte Ladung und ein magnetisches Moment, um zu verhindern, dass die Trägerpartikeln auf das elektrostatische Bild übertragen werden. Die verschiedenen, in US-A-4,473,029 und 4,546,060 beschriebenen Verfahren, sind in der vorliegenden Erfindung unter Verwendung des erfindungsgemäßen Toners in den hier beschriebenen Weisen verwendbar.
Das so entwickelte elektrostatische Bild kann anhand mehrerer Verfahren entwickelt werden, beispielsweise durch bildweise Fotozersetzung eines Fotorezeptors oder durch bildweises Anlegen eines Ladungsmusters an die Oberfläche eines dielektrischen Aufzeichnungselements. Wenn Fotorezeptoren verwendet werden, wie beispielsweise in elektrofotografischen Hochgeschwindigkeitskopiervorrichtungen, ist die Verwendung der Rasterung zur Modifikation eines elektrostatischen Bildes besonders wünschenswert; die Kombination der Rasterung mit der Entwicklung gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugt hochwertige Bilder, die eine hohe Maximaldichte und einen sehr guten Tonwertumfang aufweisen. Repräsentative Rasterverfahren umfassen u.a. diejenigen, die mit Fotorezeptoren mit integriertem Raster arbeiten, wie etwa in US-A-4,385,823 beschrieben.
Entwickler in dem erfindungsgemäßen Entwicklungssystem sind vorzugsweise in der Lage, Toner auf ein geladenes Bild mit hoher Geschwindigkeit aufzubringen und daher für auflagenstarke elektrofotografische Druckanwendungen und Kopieranwendungen besonders geeignet.
Nach der Entwicklung wird das resultierende, getonerte elektrostatische Bild auf ein Empfangselement übertragen, beispielsweise auf Papier, und wird anhand bekannter Verfahren darauf fixiert.
Im Detail betrifft die vorliegende Erfindung teilweise ein Entwicklungssystem. Das Entwicklungssystem enthält einen Vorrat einer Trockenentwicklermischung, die magnetischen Toner und hartmagnetische Trägerpartikeln umfasst.
Eine nichtmagnetische, zylindrische Hülse oder Hülle, bei der es sich um eine stationäre Hülle oder um eine rotierende Hülle handeln kann, dient dazu, die Entwicklermischung aus dem Vorrat in die Entwicklungszone zu transportieren. Die Hülse hat eine glatte Oberfläche. Mit „glatt" ist eine Flächenrauheit Ra von kleiner als 0,8 μm (32 Mikrozoll) gemeint (die sich anhand herkömmlicher Schleifverfahren erzielen lässt), und insbesondere kleiner als 0,3 μm (12 Mikrozoll) (die sich anhand der in der Metallverarbeitung bekannten Verchromungs- und Polierverfahren erzielen lässt). Tonerhüllenflächen mit einer Rauheit von weniger als 0,05 bis 0,15 μm (2 bis 6 Mikrozoll), wie sie durch Verchromen und Polieren erzielbar sind, sind ebenfalls verwendbar. Die Flächenrauheit Ra lässt sich durch die in der Technik bekannte Profilometrie bestimmen.
Ein Magnetkern, der eine Vielzahl von Magnetpolteilen beinhaltet, ist um die Kernperipherie in alternierender Magnetpolbeziehung angeordnet, wobei der Kern innerhalb der Hülle angeordnet ist und auf eine Achse innerhalb der nichtmagnetischen, zylindrischen Hülle drehbar ist. Außerdem ist ein Mittel zur Drehung des Kerns und wahlweise der Hülle vorhanden, um die Entwicklermischung zur Entwicklungszone zu bringen, wobei der Toner des Entwicklers auf das elektrostatische Bild übertragen wird.
Der Aufbau des Entwicklungssystems umfasst vorzugsweise einen Digitaldrucker, wie etwa einen Drucker des Typs Heidelberg DigiMaster^TM 9110 unter Verwendung einer Entwicklungsstation mit einer Magnetbürste, die eine nichtmagnetische, zylindrische Hülle, einen Magnetkern und ein Mittel zur Drehung des Kerns und wahlweise der Hülle umfasst, wie beispielsweise detailliert in US-A-4,473,029 und 4,546,060 beschrieben. Die in diesen Patenten beschriebenen Entwicklungssysteme lassen sich zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung anpassen. Detaillierter gesagt verwenden die in diesen Patenten beschriebenen Entwicklungssysteme hartmagnetische Trägerpartikeln. Beispielsweise können die hartmagnetischen Trägerpartikeln eine Koerzitivkraft von mindestens ca. 300 Gauss (0,03 Tesla) bei magnetischer Sättigung aufweisen und zudem ein induziertes magnetisches Moment von mindestens ca. 20 EMU/g in einem extern angelegten Feld von 1.000 Gauss (0,1 Tesla).
Wie zuvor in Verbindung mit US-A-4,546,060 und 4,473,029 erwähnt, beschreiben die Patente die Verwendung hartmagnetischer Materialien als Trägerpartikeln. Geeignete hartmagnetische Materialien sind u.a. Ferrite und Gammaeisentrioxid. Vorzugsweise setzen sich die Trägerpartikeln aus Ferriten zusammen, bei denen es sich um Verbindungen von Magnetoxiden handelt, die Eisen als einen metallischen Hauptbestandteil enthalten. Geeignete Verbindungen sind beispielsweise u.a. Fe₂O₃, gebildet aus basischen Metalloxiden, wie solchen mit der allgemeinen Formel MFeO₂ oder MFe₂O₄, worin M für ein ein- oder zweiwertiges Metall steht und worin sich das Eisen im Oxidationszustand +3 befindet. Bevorzugte Ferrite sind solche, die Barium und/oder Strontium enthalten, wie BaFe₁₂O₁₉, SrFe₁₂O₁₉ und die magnetischen Ferrite der Formel MO.6 Fe₂O₃, worin M für Barium, Strontium oder Blei steht, wie in US-A-3,716,630 beschrieben.
Die Herstellung magnetischer Ferrite im Allgemeinen und harter Ferrite mit hexagonaler Kristallstruktur (Ba, Sr oder Pb) im Besonderen ist in der Literatur gut dokumentiert. Es ist ein beliebiges geeignetes Verfahren zur Herstellung von Ferritpartikeln verwendbar, wie etwa beschrieben in US-A-3,716,630, 4,623,603 und 4,042,518, in der europäischen Patent anmeldung Nr. 0 086 445, in „Spray Drying" (Sprühtrocknen) von K. Masters, veröffentlicht bei Leonard Hill Books London, Seite 502–509 und in „Ferromagnetic Materials" (ferromagnetische Materialien), Band 3, herausgegeben von E. P. Wohlfarth und veröffentlicht bei North-Holland Publishing Company, Amsterdam, New York, Oxford, Seite 315 ff. Wenn das herzustellende Ferrit beispielsweise ein hartmagnetisches Strontiumferrit ist, dann werden zwischen ca. 8 und 12 Teile SrCO₃ und 85 bis 90 Teile Fe₂O₃ mit einem Dispergierpolymer, Gummiarabicum und Wasser als Lösungsmittel zur Bildung eines Schlamms gemischt. Das Lösungsmittel wird durch Sprühtrocknen des Schlamms entfernt, und die resultierenden grünen Körner werden bei ca. 1100°C bis ca. 1300°C geglüht, um das zuvor beschriebene gewünschte hartmagnetische Ferritmaterial zu bilden. Das Ferritmaterial wird dann desagglomeriert und/oder gemahlen, um die Partikelgröße auf die im Allgemeinen für Trägerpartikeln benötigte Größe zu reduzieren, d.h. auf kleiner als 100 μm und vorzugsweise auf ca. 3 bis 65 μm, und die resultierenden Trägerpartikeln werden dann dauerhaft magnetisiert, indem diese einem Magnetfeld von ausreichender Stärke ausgesetzt werden, um die Partikeln magnetisch zu sättigen, wie hier beschrieben.
Wie zuvor erwähnt, bezieht sich die Koerzitivkraft eines magnetischen Materials auf die kleinste externe magnetische Kraft, die notwendig ist, um das induzierte magnetische Moment vom Remanenzwert auf null zu reduzieren, während es im externen Feld stationär gehalten wird, und nachdem das Material magnetisch gesättigt worden ist, d.h. nachdem das Material dauerhaft magnetisiert worden ist. Es sind diverse Geräte und Verfahren zur Messung der Koerzitivkraft der vorliegenden Trägerpartikeln verwendbar. Für die vorliegende Erfindung wird ein Lakeshore Model 7300 Vibrating-Sample-Magnetometer (VSM) von Lakeshore Cryotronics aus Westerville, Ohio, USA, zur Messung der Koerzitivkraft der Pulverpartikelproben verwendet. Das magnetische Ferritpulver wird mit einem nichtmagnetischen Polymerpulver gemischt (90 Gew.-% magnetisches Pulver; 10 Gew.-% Polymer). Die Mischung wird in ein Kapillarrohr gegeben, auf einen Wert oberhalb des Schmelzpunkts des Polymers erwärmt, um es dann auf Raumtemperatur abzukühlen. Das gefüllte Kapillarrohr wird dann in den Probenhalter des Magnetometers gesetzt, und eine magnetische Hystereseschleife des externen Feldes (in Oersted) wird gegen den induzierten Magnetismus (in EMU/g) abgetragen. Während dieser Messung wird die Probe einem externen Feld von 0 bis ±8000 Oersted (636619 A/m) ausgesetzt.
Die Trägerpartikeln können beschichtet werden, um die Tonerpartikeln des Entwicklers einwandfrei zu laden. Zu diesem Zweck kann eine Trockenmischung des Ferritmaterials mit einer kleinen Menge Harzpulver hergestellt werden, z.B. zwischen ca. 0,05 und ca. 3,0 Gew.-% Harz, bezogen auf das Gesamtgewicht des Ferritmaterials und des Harzes, worauf die Mischung erwärmt wird, um das Harz zu schmelzen. Eine derartig niedrige Konzentration an Harz bildet auf den Ferritpartikeln eine dünne oder diskontinuierliche Harzschicht.
Als Beschichtung auf den hartmagnetischen Trägerpartikeln sind verschiedene Harzmaterialien verwendbar. Beispiele hierzu werden in US-A-3,795,617; 3,795,618 und 4,076,857 beschrieben. Die Wahl des Harzes hängt von dessen triboelektrischer Beziehung zu dem vorgesehenen Toner ab. Zur Verwendung mit Tonern, die positiv geladen sein sollen, sind bevorzugte Harze für die Trägerbeschichtung u.a. Fluorkohlenstoffpolymere, wie Poly(tetrafluorethylen, Poly(vinylidenfluorid) und Poly(vinylidenfluorid-Cotetrafluorethylen). Zur Verwendung mit Tonern, die negativ geladen sein sollen, sind bevorzugte Harze für die Träger u.a. Siliconharze, Acrylharze sowie Mischungen von Harzen, beispielsweise eine Mischung aus Poly(vinylidenfluorid) und Polymethylmethacrylat. Diverse für derartige Beschichtungen geeignete Polymere werden auch in US-A-5,512,403 beschrieben.
Die magnetischen Trägerpartikeln können bindemittelfreie Träger oder Verbundträger sein.
Die erstgenannten Träger beinhalten ein bindemittelfreies, hartmagnetisches, partikelförmiges Ferritmaterial, das die erforderliche Koerzitivkraft und das induzierte magnetische Moment aufweist, wie zuvor beschrieben. Diese Art von Träger wird bevorzugt.
Die zweitgenannten Träger sind heterogen und beinhalten einen Verbundstoff eines Bindemittels (auch als Matrix bezeichnet) und ein magnetisches Material, das die erforderliche Koerzitivkraft und das induzierte magnetische Moment aufweist. Wie zuvor beschrieben, ist das hartmagnetische Ferritmaterial im gesamten Bindemittel in Form diskreter kleiner Partikeln dispergiert. Wie einschlägigen Fachleuten bekannt, können Bindemittel allerdings von Natur aus einen hohen Widerstandswert aufweisen, wie im Falle eines polymeren Bindemittels, wie etwa Vinylharze, wie Polystyrol, Polyesterharze, Nylonharze und Polyolefinharze, wie in US-A-5,256,513 beschrieben.
Die einzelnen Bits des magnetischen Ferritmaterials in dem Bindemittel sollten vorzugsweise von relativ einheitlicher Größe sein und im Durchmesser ausreichend kleiner sein als die herzustellenden Verbundträgerpartikeln. Typischerweise sollte der mittlere Durchmesser des magnetischen Materials nicht größer als ca. 20% des mittleren Durchmessers der Trägerpartikeln sein. Von Vorteil ist, dass ein viel kleineres Verhältnis des mittleren Durchmessers des magnetischen Verbundstoffs zum Träger verwendbar ist. Sehr gute Ergebnisse werden mit magnetischen Pulvern im Bereich eines mittleren Durchmessers von 5 μm bis 0,05 μm erzielt. Sogar feinere Pulver sind verwendbar, wenn der Grad der Verteilung keine unerwünschten Modifikationen der magnetischen Eigenschaften erzeugt, und wenn die Menge und die Art des gewählten Bindemittels eine zufriedenstellende Festigkeit zusammen mit anderen wünschenswerten mechanischen und elektrischen Eigenschaften in der resultierenden Trägerpartikel erzeugen.
Die Konzentration des magnetischen Materials in dem Verbundträger kann sehr stark variieren. Proportionen des fein verteilten magnetischen Materials von ca. 20 Gew.-% bis ca. 90 Gew.-% des Verbundträgers sind verwendbar, sofern der Widerstand der Partikel dem entspricht, was für die zuvor beschriebenen Ferritpartikeln repräsentativ ist.
Das induzierte Moment der Verbundträger in einem angelegten Feld von 1000 Oersted (79577 A/m) hängt von der Konzentration des magnetischen Materials in der Partikel ab. Es ist daher nachvollziehbar, dass das induzierte Moment des magnetischen Materials ausreichend größer als ca. 20 EMU/g sein sollte, um den Effekt zu kompensieren, dem das induzierte Moment durch Verdünnung des magnetischen Materials in dem Bindemittel unterliegt. Beispielsweise könne man zu der Erkenntnis kommen, dass für eine Konzentration von ca. 50 Gew.-% des magnetischen Materials in den Verbundpartikeln das induzierte magnetische Moment von 1000 Oersted (79577 A/m) des magnetischen Materials mindestens ca. 40 EMU/g betragen sollte, um für die Verbundpartikeln den Mindestwert von 20 EMU/g zu erzielen.
Das mit dem fein verteilten magnetischen Material verwendete Bindematerial ist derart ausgewählt, dass es die erforderlichen mechanischen und elektrischen Eigenschaften verleiht. Es sollte (1) gut an dem magnetischen Material haften, (2) die Bildung von starken, oberflächenglatten Partikeln ermöglichen und (3) vorzugsweise eine ausreichende Differenz gegenüber den triboelektrischen Eigenschaften der Tonerpartikeln aufweisen, mit denen es benutzt wird, um die richtige Polarität und Größe der elektrostatischen Ladung zwischen dem Toner und Träger zu gewährleisten, wenn beide gemischt werden.
Die Matrix kann organisch oder anorganisch sein, wie etwa eine Matrix aus Glas, Metall, Siliconharz usw. Vorzugsweise wird ein organisches Material benutzt, wie beispielsweise ein natürliches oder synthetisches Polymerharz oder eine Mischung solcher Harze mit geeigneten mechanischen Eigenschaften. Geeignete Monomere (die zu diesem Zweck zur Herstel lung von Harzen verwendbar sind) sind u.a. beispielsweise Vinylmonomere, wie Alkylacrylate und Methacrylate, Styrol und substituierte Styrole sowie basische Monomere, wie Vinylpyridine. Copolymere, die mit diesen und anderen Vinylmonomeren, wie saure Monomere, etwa Acryl- oder Methacrylsäure, hergestellt werden, sind verwendbar. Derartige Copolymere können vorteilhafterweise kleine Mengen eines polyfunktionalen Monomers enthalten, wie etwa Divinylbenzen, Glycoldimethacrylat, Triallylcitrat usw. Kondensationspolymere, wie Polyester, Polyamide oder Polycarbonate sind ebenfalls verwendbar.
Die Herstellung von erfindungsgemäßen Verbundträgerpartikeln kann die Anwendung von Wärme umfassen, um thermoplastisches Material zu erweichen oder um wärmehärtbares Material zu härten, Verdampfungstrocknen, um flüssige Hilfsstoffe zu entfernen, die Verwendung von Druck oder Wärme und Druck beim Formen, Gießen, Extrudieren usw., sowie Schneiden oder Scheren, um die Trägerpartikeln zu formen, Mahlen, z.B. in einer Kugelmühle, um das Trägermaterial auf die richtige Partikelgröße zu verkleinern, und Sieben, um die Partikeln zu klassifizieren.
Gemäß einer Herstellungstechnik ist das pulverförmige magnetische Material in einer Lösung des Bindemittelharzes dispergiert. Das Lösungsmittel kann verdampft werden, und die resultierende feste Masse kann durch Mahlen und Sieben unterteilt werden, um Trägerpartikeln der entsprechenden Größe zu erzeugen. Gemäß einer weiteren Technik wird Emulsions- oder Suspensionspolymerisation verwendet, um gleichmäßige Trägerpartikeln von sehr guter Glätte und geeigneter Lebensdauer herzustellen.
Die Größe der in der vorliegenden Erfindung verwendbaren magnetischen Trägerpartikeln kann stark variieren, vorzugsweise beträgt die mittlere Partikelgröße weniger als 100 μm, am besten zwischen ca. 5 und ca. 45 μm, gemessen anhand eines in der Technik bekannten Coulter Counters.
Eine bevorzugte Entwicklerzusammensetzung wird durch Mischen der Trägerpartikeln mit Tonerpartikeln in einer geeigneten Konzentration hergestellt. In erfindungsgemäßen Entwicklern sind hohe Tonerkonzentrationen verwendbar. Der vorliegende Entwickler enthält demnach vorzugsweise zwischen ca. 70 und 99 Gew.-% Träger und zwischen ca. 30 und 1 Gew.-% Toner, bezogen auf das Gesamtgewicht des Entwicklers; besser beträgt diese Konzentration zwischen ca. 75 und 99 Gew.-% Träger und zwischen ca. 25 und 1 Gew.-% Toner.
Mindestens ein Oberflächenbehandlungsmittel wird für den Toner in der erfindungsgemäßen Entwicklerzusammensetzung verwendet. Ein geeignetes Mittel ist Siliciumdioxid, das oberflächenbehandelt wurde, um die Siliciumdioxidoberfläche hydrophob werden zu lassen, wie etwa das von Degussa unter der Bezeichnung R-972 oder das von Wacker unter der Bezeichnung H2000 kommerziell erhältliche, und insbesondere ein Siliciumdioxid, das durch Oberflächenbehandlung mit Dichlordimethylsilan, Siliconöl oder Hexamethyldisilazan oder Mischungen daraus hydrophob gemacht wurde. Vorzugsweise hat das hydrophobe Siliciumdioxid eine Partikelgröße (vor der hydrophobisierenden Behandlung) von mindestens ca. 50 m²/g, und besser von ca. 100 bis 410 m²/g, wie durch BET-Analyse ermittelt. Weitere geeignete Oberflächenbehandlungsmittel sind Polymerkörner, ausgewählt aus Acrylpolymeren, Styrolpolymeren, siliconbasierten Polymeren, Fluorpolymeren und Mischungen daraus. Vorzugsweise ist der Durchmesser der Polymerkörner kleiner als 1 μm (besser ca. 0,1 μm) (wobei es sich hier um den volumenmittleren Durchmesser handelt).
Die Menge des in den erfindungsgemäßen Tonerpartikeln verwendbaren Oberflächenbehandlungsmittels kann je nach der konkret zu modifizierenden Tonereigenschaft variieren, aber im Allgemeinen wird das Oberflächenbehandlungsmittel in einer Menge zwischen ca. 0,05 und ca. 5,0 Gew.-% verwendet, bezogen auf das Gesamtgewicht des verwendeten Toners. Typischerweise beträgt die Menge vorzugsweise zwischen ca. 0,1 und 2 Gew.-% und vorzugsweise zwischen ca. 0,15 und ca. 1,5 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Toners.
Die vorstehend genannten Oberflächenbehandlungsmittel sind mithilfe herkömmlicher Oberflächenbehandlungstechniken auf die Oberflächen von Tonerpartikeln anwendbar, wie beispielsweise, aber nicht abschließend, mit herkömmlichen Mischtechniken, wie das Schleudern der Tonerpartikeln in Anwesenheit des Oberflächenbehandlungsmittels. Vorzugsweise ist das Oberflächenbehandlungsmittel auf der Oberfläche der Tonerpartikeln verteilt. Das Oberflächenbehandlungsmittel wird von der Oberfläche der Tonerpartikeln angezogen, und zwar durch elektrostatische Kräfte oder physische Mittel oder beides. Das Mischen erfolgt vorzugsweise gleichmäßig und wird mit derartigen Mischern, wie dem Henschel-Hochleistungsmischer erzielt, um ein Agglomerieren des Oberflächenbehandlungsmittels zu vermeiden oder zumindest zu minimieren. Wenn das Oberflächenbehandlungsmittel mit den Tonerpartikeln gemischt wird, um eine Verteilung auf der Oberfläche der Tonerpartikeln zu erzielen, kann die Mischung gesiebt werden, um agglomeriertes Oberflächenbehandlungsmittel zu entfernen. Andere Mittel zur Trennung agglomerierter Partikeln sind zum Zwecke der vorliegenden Erfindung ebenfalls verwendbar.
Die verbleibenden Komponenten der Tonerpartikeln sowie der hartmagnetischen Trägerpartikeln können ein beliebiger herkömmlicher Inhaltsstoff sein. Die Tonerpartikeln können ein oder mehrere Tonerharze beinhalten, die wahlweise mit einem oder mehreren Farbstoffen durch Kompoundieren der Harze mit mindestens einem Farbmittel und anderen Inhaltsstoffen gefärbt werden können. Das Färben kann zwar wahlweise erfolgen, aber normalerweise wird ein Farbmittel verwendet, wobei es sich um ein beliebiges Material handeln kann, wie in Colour Index, Band I und II, 2. Auflage, genannt. Rußschwarz ist in Tonerpartikeln verwendbar. Die Menge des Farbmittels kann stark variieren, beispielsweise von ca. 3 bis ca. 20 Gew.-% des Polymers, wobei Kombinationen von Farbmitteln verwendbar sind.
Das Tonerharz selbst ist aus einem großen Bereich von Materialien wählbar, einschließlich natürlicher und synthetischer Harze und modifizierter natürlicher Harze, wie beispielsweise in US-A-4,076,857, 3,938,992, 3,941,898, 5,057,392, 5,089,547, 5,102,765, 5,112,715, 5,147,747 und 5,780,195 beschrieben. Geeignete Harze sind u.a. die in US-A-3,938,992 und 3,941,898 beschriebenen vernetzten Polymere, insbesondere vernetzte oder nichtvernetzte Copolymere von Styrol oder niedrigen Alkylstyrolen mit Acrylmonomeren, wie Alkylacrylaten oder Methacrylaten. Auch Kondensationspolymere sind verwendbar, wie beispielsweise Polyester. Zahlreiche zur Verwendung als Tonerharze geeignete Polymere werden in US-A-4,833,060 beschrieben.
Der Toner kann zudem ein in der Technik bekanntes Ladungskontrollmittel enthalten, wobei jedes herkömmliche Ladungskontrollmittel verwendbar ist. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Ladungskontrollmittel zum negativen Laden von Toner um Metallsalze aus 3,5 Ditertbutylsalicylsäure und zum positiven Laden von Toner um quartäre Ammoniumsalze, wie TP 415 von Hodogaya. Beispielsweise, aber nicht abschließend, sind u.a. Orient Bontron E-84 und Hodogaya T-77 (ein organisches Eisenchelat) verwendbar.
Auch Wachse können in die Toner eingebracht werden, die in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Derartige Wachse sind beispielsweise, aber nicht abschließend, Polyolefinwachse, wie Polyethylen mit niedrigem Molekulargewicht, Polypropylen, Copolymere daraus sowie Mischungen daraus.
Der Toner wird üblicherweise durch Zumischen des Harzes, des Farbmittels und anderer gewünschter Zusätze hergestellt, wobei die Zumischung erwärmt und gemahlen werden kann, um das Farbmittel und andere Zusätze in dem Harz zu dispergieren. Die erwärmte Masse wird gekühlt, in Klumpen zerstoßen und fein gemahlen. Die resultierenden Toner partikeln können einen Durchmesser von ca. 0,5 bis ca. 25 μm aufweisen, und zwar bei einer mittleren Größe von ca. 1 bis ca. 16 μm, vorzugsweise von ca. 4 bis ca. 12 μm. Vorzugsweise liegt das Verhältnis der mittleren Partikelgröße der Träger- zu Tonerpartikeln innerhalb eines Bereichs von ca. 15:1 bis ca. 1:1. Allerdings sind auch Verhältnisse der mittleren Partikelgröße der Träger- zu Tonerpartikeln von bis zu 50:1 verwendbar. Die Form der mit dem vorgenannten Verfahren erzielten Tonerpartikeln ist ungleichmäßig und variiert hinsichtlich der Größe, aber der Toner kann zur Verwendung in der Erfindung von beliebiger Form sein, ob regelmäßig oder unregelmäßig. Kugelförmige Partikeln können durch Sprühtrocknen einer Lösung der Tonerharzmischung in einem Lösungsmittel erzeugt werden. Alternativ hierzu lassen sich kugelförmige Partikeln anhand der Polymerkornquelltechniken herstellen, etwa der in dem europäischen Patent Nr. 3905 beschriebenen, veröffentlicht am 5. September 1979, sowie durch Suspensionspolymerisation, wie anhand des in US-A-4,833,060 beschriebenen Verfahrens.
Die vorliegende Erfindung wird anhand folgender, nicht einschränkender Beispiele veranschaulicht.
Soweit nicht anders angegeben, beziehen sich in den folgenden Beispielen alle Teile und Prozentangaben auf Gewicht; Temperaturen sind in Grad Celsius (°C) angegeben.
Beispiel 1 und Vergleichsbeispiel A
In diesem Beispiel wird ein oberflächenbehandelter Toner hergestellt, und die diesem Toner zugeordnete Bildqualität wird mit der Bildqualität verglichen, die mit einem herkömmlichen (nicht oberflächenbehandelten) Toner erzielt wird. Zunächst wird ein Toner anhand des nachstehend beschriebenen Verfahrens hergestellt. Für Beispiel 1 wird der Toner mit 0,15 Gew.-% eines hydrophobisierten Siliciumdioxids (Wacher HDK 1303) und mit 0,35 Gew.-% Titandioxid (Degussa T805) oberflächenbehandelt. In Vergleichsbeispiel A wird der gleiche Toner verwendet, mit dem Unterschied, dass dieser nicht mit Siliciumdioxid und Titandioxid oberflächenbehandelt wurde.
Der Toner wird zunächst hergestellt, indem 100 Teile eines Poly(styrol-Co-Butylacrylat)harzes mit 7 Teilen Rußschwarz (Regal 330 Rußschwarz von Cabot Corporation) zusammen mit 1,5 Teilen eines organischen Eisenchelat-Ladungskontrollmittels (T 77 von Hodagaya Chemical Company of Japan) gemischt werden. Die vorstehend genannten Materialien werden im Extrusionsverfahren gemischt und dann zu Partikeln pulverisiert. Der Toner wird klassifiziert, um eine volumenmittlere Partikelgröße von ca. 10 bis 12 μm zu erhalten, wie mit einem Coulter Counter gemessen.
Für Beispiel 1 wird der resultierende Toner mit einem Pulver oberflächenbehandelt, das eine Mischung der pulverisierten und klassifizierten Tonerpartikeln mit den zuvor beschriebenen hydrophobisierten Siliciumdioxid- und Titandioxid-Oberflächenbehandlungsmitteln ist, erzeugt in einem Hochleistungsmischer des Typs Henschel FM75 von Thyssen Henschel Industrietechnik GmbH aus Kassel, Deutschland. Toner, Siliciumdioxid und Titandioxid werden dem Mischer in Mengen zugegeben, die ausreichen, um die zuvor beschriebenen Gewichtsprozente zu erhalten, wonach der Mischer mit einer Drehzahl von ca. 1745 U/min für 2,5 Minuten betrieben wird. Anschließend wird die resultierende Toner-/Siliciumdioxidmischung gesammelt und mit einem Sieb der Siebgröße 230 durchgesiebt, um agglomerierte Siliciumdioxidpartikeln zu entfernen. Der resultierende gesiebte, oberflächenbehandelte Toner wird dann weiter verwendet, um Entwickler herzustellen, wie nachstehend beschrieben.
Der verwendete Träger ist ein hartmagnetisches, partikelförmiges Strontiumferritmaterial von POWDERTECH of Valpariso, Indiana, USA. Der Träger wird in der von dem Hersteller bezogenen Form mit einem Siliconharz beschichtet.
Der in Beispiel 1 und in Vergleichsbeispiel A verwendete Entwickler wird durch Mischen des zuvor beschriebenen Toners und Trägers in derartigen Mengen hergestellt, dass der resultierende Entwickler aus 10 Gew.-% Toner, bezogen auf das Gesamtgewicht der Entwicklerzusammensetzung, besteht, wobei der Rest der Entwicklerzusammensetzung der Träger ist.
Beide Toner werden benutzt, um ein Bild mit einem Drucker des Typs DigiMaster^TM zu entwickeln, der mit einer Entwicklerstation (erhältlich von NexPress Solutions, L.L.C. aus Rochester, New York, USA) ausgestattet ist, die ein Entwicklungssystem aus einem rotierenden Magnetkern und einer Hülle umfasst, das im Wesentlichen dem zuvor beschriebenen entspricht. Das System verwendet eine Tonerhülle mit einer Flächenrauheit Ra von ca. 0,43 μm (17 Mikrozoll) und arbeitet mit einer Hüllendrehzahl von 64 U/min und einer Magnetkerndrehzahl von 1140 U/min. Die Tonerhülle misst 5,08 cm (2 Zoll) im Durchmesser, und der rotierende Magnetkern weist 14 alternierende Magnetpole von ca. 1000 Gauß (0,1 Tesla) auf, gemessen auf der Tonerhüllenoberfläche.
Es wurden die in Tabelle 1 dargestellten Daten ermittelt: Tabelle 1 – Bildqualitätsdaten
Die Liste der „Zielwerte" bezieht sich auf technische Daten für den DigiMaster^TM Drucker. Wie zu sehen, sind Bilddichte und Einheitlichkeit für die beiden Entwicklerzusammensetzungen im Wesentlichen äquivalent. Obwohl der Parameter „Satelliten" etwas größer als der Zielwert ist, ist die Bilderzeugung für die beiden Tonerarten vergleichbar, wie anhand der Parameter für D_max, D_max Fleckbildung und Hohlzeichen gezeigt. Die Daten machen deutlich, dass die verwendete Tonerhülle keine nachteilige Auswirkung auf die Bildqualität hat.
Beispiel 2 und Vergleichsbeispiel B
Beispiel 2 und Vergleichsbeispiel B stellen die triboelektrische Ladungsstabilität der in Beispiel 1 verwendeten Entwicklerzusammensetzung dar, wobei die Daten durch Verwendung des Entwicklers auf einer Lebensdauertestvorrichtung ermittelt wurden, wie nachstehend beschrieben.
Die Lebensdauertestvorrichtung umfasst eine Tonerstation, die der in US-A-4,473,029 beschriebenen ähnlich ist. Die Tonerstation verfügt über einen Mischsumpf mit einem Monitor zur Überwachung der magnetischen Tonerkonzentration, einem Zuführungsmechanismus (Transportwalze oder Eimerkette plus Beschickungsscheibe), einen rotierenden Kern und eine Hüllentonerwalze sowie eine Tonerregeneratoreinheit. Der Toner wird kontinuierlich durch Vorspannungsentwicklung auf einer Metalltrommel entnommen, von der er mit einem Schaberlamellen-Reinigungsmechanismus entfernt wird. Wenn Toner aus der Station ent nommen wird, fügt die magnetische Überwachungs- und Steuerungsschaltung Tonerregenerat zu, so dass die Tonerkonzentration in dem Sumpf konstant bleibt. Die Entnahmerate wird über die Vorspannungsentwicklungsspannung gesteuert. Die Tonerladung je Masse (Q/m) wird offline (d.h. abseits der Lebensdauertestvorrichtung) nach dem nachstehend beschriebenen MECCA-Verfahren gemessen.
Das Verhältnis Tonerladung je Masse (Q/m) wird in einer MECCA-Vorrichtung gemessen, die aus zwei beabstandeten, parallelen Elektrodenplatten besteht, die an die Entwicklerproben ein elektrisches und magnetisches Feld anlegen können, wodurch eine Trennung der beiden Komponenten der Mischung, d.h. der Träger- und Tonerpartikeln, unter dem kombinierten Einfluss eines magnetischen und elektrischen Feldes bewirkt wird. Eine Probe von 0,100 g einer Entwicklermischung wird auf die untere Metallplatte gegeben. Die Probe wird dann dreißig (30) Sekunden einem Magnetfeld von 60 Hz und einem Potenzial von 2000 V über den Platten ausgesetzt, wodurch der Entwickler umgerührt wird. Die Tonerpartikeln werden von den Trägerpartikeln unter dem kombinierten Einfluss der magnetischen und elektrischen Felder gelöst und von der oberen Elektrodenplatte angezogen und daran angelagert, während die magnetischen Trägerpartikeln an der unteren Platte verbleiben. Ein Elektrometer misst die kumulierte Ladung des Toners auf der oberen Platte. Das Verhältnis Tonerladung je Masse (Q/m) in Bezug auf Mikrocoulomb/Gramm (μC/g) wird berechnet, indem die kumulierte Ladung durch die Masse des angelagerten Toners von der oberen Platte geteilt wird.
Die in Beispiel 1 und Vergleichsbeispiel A verwendeten Entwicklerzusammensetzungen werden in der Lebensdauertestvorrichtung für eine ausreichende Dauer verwendet, um die Anzahl äquivalenter Drucke zu erzeugen, wie in Tabelle II nachstehend aufgeführt. Nach Erzeugen der Drucke wird das Verhältnis Tonerladung je Masse (Q/m) ermittelt, indem eine Probe des Entwicklers aus der Lebensdauertestvorrichtung entnommen und dann die Analyse mit der zuvor beschriebenen MECCA-Vorrichtung durchgeführt wird. Die Daten sind nachfolgend aufgeführt: Tabelle II – Lebensdauertestdaten
Die Daten in der vorstehenden Tabelle zeigen, dass der Entwickler mit oberflächenbehandeltem Toner ein gutes und stabiles Verhältnis Tonerladung je Masse (Q/m) für die Lebensdauer der in der Lebensdauertestvorrichtung getesteten Entwicklerzusammensetzung aufweist.
Die von der Lebensdauertestvorrichtung erzeugten Bilder wiesen zudem eine gute Wiedergabe hohler Zeichen auf, und zwar bei einer deutlichen Reduzierung von farbfreien Stellen innerhalb der Zeichen. Anhand einer in der Technik bekannten Analyse lassen sich die farbfreien (weißen) Stellen in einem getonerten Bild und der Prozentsatz der farbfreien Stelle innerhalb des Zeichens messen. Die verwendete Metrik lautet-log₁₀ der farbfreien Stelle in Prozent. Die vorliegende Erfindung kann eine Verbesserung in Bezug auf farbfreie Stellen um einen Faktor von ca. 1 auf der logarithmischen Skala erreichen, was in der Praxis zu einer 10-fachen (100%) Verbesserung in Bezug auf den herkömmlichen, nicht oberflächenbehandelten Toner führt.
Beispiel 3
In Beispiel 3 wird eine kommerziell erhältliche Entwicklungsstation aus einem rotierenden Magnetkern und einer Tonerhülle derart modifiziert, dass die Außenfläche der Tonerhülle auf eine sehr hohe Oberflächenglätte poliert und dann auf Bildentwicklungsleistung mithilfe eines Entwicklers aus einem hartmagnetischen Strontiumferritträger bewertet wird. Das Verfahren aus Beispiel 1 wird im Wesentlichen wiederholt, mit Ausnahme der nachstehenden Änderungen.
Die Tonerhülle des in Beispiel 1 verwendeten DigiMaster^TMDruckers wird so modifiziert, dass ein Band von 12,7 cm (5 Zoll) Breite in der Mitte der Hülle mithilfe herkömmlicher Verfahren auf eine Flächenrauheit Ra von ca. 0,15 bis 0,20 μm (6 bis 8 Mikrozoll) poliert wird. Ansonsten entspricht die Tonerstation im Wesentlichen der in Beispiel 1 beschriebenen.
Die verwendete Entwicklerzusammensetzung ist ein polyesterbasierter Toner, der durch Mischen von 100 Teilen eines vernetzten Bisphenol A Polyesterharzes mit 8 Teilen Rußschwarz (Regal 330 von Cabot Corporation) zusammen mit 2 Teilen eines Salicylatsalz-Ladungskontrollmittels (Bontron E-84 von Orient Chemical Company) und 2 Teilen Polyethylenwachs (Polywax 200 von Baker Petrolite) sowie 2 Teilen Polypropylenwachs (Viscol 550P von Sanyo aus Japan) gemischt wurde. Die vorstehend genannten Materialien werden im Extrusionsverfahren gemischt und dann zu Partikeln pulverisiert. Der Toner wird klassifi ziert, um eine volumenmittlere Partikelgröße von ca. 11,5 μm zu erhalten, wie mit einem Coulter Counter gemessen. Der vorstehende Toner wird dann einer Oberflächenbehandlung mit 0,3 Teilen eines silanbeschichteten, hochdispersen Siliciumdioxids (R972 Siliciumdioxid von Degussa, Deutschland) zu 100 Teilen des zuvor beschriebenen Toners, bezogen auf das Gesamtgewicht, unterzogen. Ansonsten entspricht die Oberflächenbehandlung dem in Beispiel 1 beschriebenen Verfahren. Es wird zudem der gleiche hartmagnetische Strontiumferritträger wie in Beispiel 1 verwendet. Der Toner und Entwickler werden in Verhältnissen gemischt, die ausreichen, um eine Tonerkonzentration von 10,6 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Entwicklerzusammensetzung, und ein Verhältnis von Ladung zu Masse von –26 μC/g zu erhalten, wie nach dem MECCA-Verfahren ermittelt.
Die Drucke werden auf dem DigiMaster^TMDrucker mit einer Geschwindigkeit von 110 Drucken/Minute [PPM] oder 44,5 cm/s [17,5 Zoll/s] bei einer Hüllendrehzahl von 130 U/min und einer Kerndrehzahl von 1140 U/min in Gegenstromrichtung angefertigt. Es wird ein Dokument gedruckt, das aus dünnen Linien in Druckrichtung und quer zur Druckrichtung sowie aus großen durchgängigen Bereichen von hoher Dichte besteht. In dem Bereich des Bildes, das der polierten Fläche der Hülle entspricht, sind keine wesentlichen Anzeigen von Schlupf oder von Bildqualitätsproblemen zu erkennen, auch keine ungleichmäßigen Dichten, keine „Schleierbildung" und keine erhöhte Hintergrunddichte. Desgleichen sind keine Probleme mit einem Dokument zu beobachten, das ein 50%iges Raster mit 141 Linien enthält, das sich mit durchgehenden Bereichen von hoher Dichte abwechselt. Zwischen den Teilen des Bildes, die der polierten Hülle entsprechen, und den Teilen, die den Bereichen mit normaler Rauheit entsprechen, ist kein sichtbarer Unterschied feststellbar.
Beispiel 4
Die Vorgehensweise aus Beispiel 3 wird im Wesentlichen wiederholt, mit dem Unterschied, dass die Tonerstation mit einer Geschwindigkeit von 180 PPM betrieben wird. Die Hüllen- und Kerndrehzahlen werden proportional zu der Geschwindigkeit von 110 PPM erhöht, wie zuvor beschrieben, um die gewünschte Geschwindigkeit von 180 PPM zu erzielen.
Wie in Beispiel 3 liegen in den Dokumenten, die Linien, Vollflächen und Raster enthalten, keine wesentlichen Bildqualitätsprobleme vor, wie beispielsweise ungleichmäßige Dichte, „Schleierbildung" oder erhöhte Hintergrunddichte. Auch zwischen den Bereichen des Bildes, die den polierten Flächen der Tonerhülle entsprechen und denen, die der Standardfläche der Hülle zugeordnet sind, sind keine Unterschiede sichtbar.
Beispiel 5
Die Vorgehensweise aus Beispiel 3 wird im Wesentlichen wiederholt, mit dem Unterschied, dass die Tonerstation mit einer Geschwindigkeit von 210 PPM betrieben wird. Die Hüllen- und Kerndrehzahlen werden proportional zu der Geschwindigkeit von 110 PPM erhöht, wie zuvor beschrieben, um die gewünschte Geschwindigkeit von 210 PPM zu erzielen.
In den Dokumenten, die Linien, Vollflächen und Raster enthalten, liegen keine wesentlichen Bildqualitätsprobleme vor, wie beispielsweise ungleichmäßige Dichte, „Schleierbildung" oder erhöhte Hintergrunddichte. Zwischen den Bereichen des Bildes, die den polierten Flächen der Tonerhülle entsprechen und denen, die der Standardfläche der Hülle zugeordnet sind, sind keine Unterschiede sichtbar. Die vorliegende Erfindung ist daher in elektrografischen Prozessen verwendbar, in denen die Verarbeitungsgeschwindigkeit (definiert als die Geschwindigkeit der Bildoberfläche während der Entwicklung) mindestens ca. 12,7 cm/s [5 Zoll/s] beträgt, wobei Geschwindigkeiten von ca. 44,5 cm/s [17,5 Zoll/s] und höher bevorzugt werden.
„Elektrografie" und „elektrografisch" werden hier als weitgefasste Begriffe verwendet, die Bilderzeugungsprozesse beinhalten, die die Entwicklung eines elektrostatischen Ladungsmusters umfassen, das auf einer Oberfläche mit oder ohne Lichteinwirkung ausgebildet wird, was die Elektrofotografie und andere ähnliche Prozesse einschließt.

Claims

Verfahren zur Entwicklung eines elektrostatischen Bildes, mit dem Schritt des Kontaktierens des Bildes mit mindestens einer Magnetbürste, welche umfasst: a) einen rotierenden Magnetkern einer vorgewählten Magnetfeldstärke; b) eine äußere, um den rotierenden Magnetkern angeordnete, nichtmagnetische Hülle; und c) eine an einer Außenfläche der Hülle und in Kontakt mit dem Bild befindliche elektrografische Entwicklerzusammensetzung, die eine Mischung aus geladenen Tonerpartikeln und entgegengesetzt geladenen Trägerpartikeln umfasst, zusammengesetzt aus einem hartmagnetischen Material, wobei auf den Außenflächen der Tonerpartikel mindestens ein Flächenbehandlungsmittel angeordnet ist, das aus folgender Gruppe ausgewählt ist, bestehend aus: Körnern eines Polymers, ausgewählt aus Acrylpolymeren, Styrolpolymeren, siliconbasierten Polymeren, Fluorpolymeren und Mischungen daraus; hydrophobem Siliciumdioxid, oberflächenbehandelt mit Dichlordimethylsilan, Siliconöl oder Hexamethyldisilazan und Mischungen daraus, worin die Außenfläche der Hülle eine Flächenrauheit Ra von weniger als 0,8 μm aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, worin die Außenfläche der Hülle eine Flächenrauheit Ra von weniger als 0,3 μm aufweist.
Verfahren nach Anspruch 2, worin die Außenfläche der Hülle eine Flächenrauheit Ra zwischen 0,05 und 0,15 μm aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, worin das Siliciumdioxid eine BET-Flächengröße von mindestens 50 m²/g vor der hydrophobisierenden Oberflächenbehandlung des Siliciumdioxids aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, worin das Siliciumdioxid eine BET-Flächengröße von 100 bis 410 m²/g vor der hydrophobisierenden Oberflächenbehandlung des Siliciumdioxids aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin das Oberflächenbehandlungsmittel in einer Menge zwischen 0,05 und 5,0 Gew.%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Toners, verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin das Oberflächenbehandlungsmittel in einer Menge zwischen 0,1 und 2 Gew.%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Toners, verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin das Oberflächenbehandlungsmittel in einer Menge zwischen 0,15 und 1,5 Gew.%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Toners, verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin die Tonerpartikel eine mittlere Partikelgröße zwischen 4 und 12 μm aufweisen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin das hartmagnetische Material eine Koerzitivkraft von mindestens 300 Gauss (0,03 Tesla) bei magnetischer Sättigung aufweist, sowie ein induziertes magnetisches Moment von mindestens 20 EMU/gm in einem extern angelegten Magnetfeld von 1.000 Gauss (0,1 Tesla).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin das hartmagnetische Material ein hartmagnetisches Ferrit ist.
Verfahren nach Anspruch 11, worin das hartmagnetische Ferrit aus Strontiumferrit und Bariumferrit ausgewählt ist.
Verfahren nach Anspruch 11, worin das hartmagnetische Material Strontiumferrit ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin der Toner ein aus Polyestern oder Polystyrolacrylat-Copolymeren ausgewähltes Polymerharz umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin das Verfahren bei einer Prozessgeschwindigkeit von mindestens 44,5 cm/s betrieben wird.