DE60204740T2

DE60204740T2 - Hochintensitätsmischwerkzeug mit optimierten Stangen, Mischvorrichtung und Verfahren zur Tonermischungsverbesserung

Info

Publication number: DE60204740T2
Application number: DE60204740T
Authority: DE
Inventors: Samir Penfield Kumar; Juan A. Rochester Morales-Tirado; D.Paul Casalmir; Scott M. Fairport Silence; Ying S. Molisani; James M. Proper; Jerry G. Webster Owens; Geraldine Baer
Original assignee: Xerox Corp
Current assignee: Xerox Corp
Priority date: 2001-08-31
Filing date: 2002-08-30
Publication date: 2005-12-01
Anticipated expiration: 2022-08-31
Also published as: BR0203494A; US20030063521A1; US6805481B2; US20030198127A1; CA2399688A1; CA2399688C; EP1287879A3; JP2003175325A; US6752561B2; JP4511780B2; EP1287879A2; BR0203494B1; DE60204740D1; EP1287879B1

Description

Das Feld der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Hochintensitäts-Mischen, insbesondere für Mischvorgänge, die vorgesehen sind, um zu bewirken, dass zugesetzte Materialien sich an die Basispartikel anhängen. Genauer gesagt bezieht sich die vorgeschlagene Erfindung auf ein verbessertes Mischwerkzeug, um Oberflächenmodifikationen an elektrophotographischen und verwandten Tonerpartikel herzustellen.
Elektrophotographische Abbildungssysteme nach dem Stand der Technik verlangen immer mehr nach Tonerpartikeln, welche enge Verteilungen der Größen in einem Bereich von kleiner als 10 Mikrometer aufweisen. Aufgrund von solch engen Verteilungen und geringen Größen erfordern solche Toner einen erhöhten Anwendungsbereich von Oberflächenzusätzen, da erhöhte Mengen von Oberflächenzusätzen die Eigenschaften der Ladungssteuerung verbessern, die Haftung zwischen den Tonerpartikeln verringern, und die Verunreinigung von Drähten bei hybriden berührungslosen Entwicklern (Hybrid Scavangeless Development: HSD) in elektrophotographischen Systemen verringert. Die vorliegende Erfindung ermöglicht einem verbesserten Toner, eine erhöhte Bedeckung von Oberflächenzusätzen und größere Anhaftung von Oberflächenzusätzen an den Tonerpartikeln aufzuweisen. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von Oberflächenmodifikationen an elektrophotographischen und verwandten Tonerpartikeln. Diese Verfahren umfasst die Verwendung eines verbesserten Mischwerkzeugs, um eine höhere Mischintensität während des Hochgeschwindigkeits-Mischvorganges zu bewirken.
Ein typisches Verfahren zur Herstellung eines elektrophotographischen, elektrostatischen oder eines ähnlichen Toners wird durch die folgende Beschreibung eines typischen Tonerherstellverfahrens demonstriert. Für herkömmliche Toner beginnt das Verfahren im Allgemeinen durch Schmelz-Vermischen des erhitzten Polymerharzes mit einem Färbmittel in einem Extruder, so wie zum Beispiel in einem Werner Pfleiderer ZSK-53 oder WP-28 Extruder, wobei das Pigment in dem Polymer verteilt wird. Zum Beispiel ist der Werner Pfleiderer WP-28 mit einem 11,18 KW-(15 PS)Motor ausgerüs tet sehr gut zum Schmelz-Vermischen des Harzes, des Färbmittels und der Zusätze geeignet. Der Extruder hat einen 28 mm Trommeldurchmesser und wird als „semiworksscale" betrachtet, der bei Spitzendurchlaufleistungen von ca. 0,38 bis 1,52 g/s (3 bis 12 lbs./hour) läuft.
Tonerfärbmittel sind partikelförmige Pigmente oder alternativ Farbstoffe. Zahlreiche Färbmittel können in diesem Verfahren verwendet werden, einschließlich, aber nicht begrenzt auf:
Jedes geeignet Tonerharz kann mit dem Färbmittel durch eine Stromabwärtseinspritzung der Färbmitteldispersion vermischt werden. Beispiele von geeigneten Tonerharzen, die verwendet werden können, schließen ein, aber sind nicht begrenzt auf Polyamide, Epoxide, Diolefine, Polyester, Polyurethane, Vinylharze und polymerische Veresterungsprodukte von Dicarboxylsäure und eines Diols, welches ein Diphenol umfasst.
Verdeutlichende Beispiele von geeigneten Tonerharzen, die für die Toner und Entwicklerzusammenstellungen der vorliegenden Erfindung gewählt wurden schließen Vinylpolymere so wie zum Beispiel Styrolpolymere, Acrylonitrilpolymere, Vinyletherpolymere, Acrylat- und Methacrylatpolymere ein; Epoxydpolymere; Diolefine; Polyurethane; Polyamide und Polyimide; Polyester so wie zum Beispiel das polymerische Veresterungsprodukt einer Dicarboxylsäure und eines Diols, welches ein Diphenol umfasst, querverbundene Polyester; und dergleichen. Die Polymerharze, die für die Toner und Entwicklerzusammenstellungen der vorliegenden Erfindung gewählt wurden schließen Homopolymere oder Copolymere aus zwei oder mehreren Monomeren ein. Weiterhin könnten die vorstehend erwähnten Polymerharze auch querverbunden sein.
Verdeutlichende Vinylmonomereinheiten in den Vinylpolymeren schließen Styrol, ersetzte Styrole so wie zum Beispiel Methylstyrol, Chlorostyrol, Styrolacrylate und Styrolmethacrylate ein; Vinylveresterungen wie zum Beispiel die Veresterungen von Monocarboxylsäuren einschließlich Methylacrylat, Ethylacrylat, n-Butylacrylat, Isobutylacrylat, Propylacrylat, Pentylacrylat, Dodecylacrylat, n-Octylacrylat, 2-Chloroethylacrylat, Phenylacrylat, Methylalphachloracrylat, Methylmethacrylat, Ethylmethacrylat, Butylmethacrylat, Propylmethacrylat, und Pentylmethacrylat; Propylmethacrylat, und Pentylmethacrylat; Styrolbutadiene; Vinylchloride; Acrylonitrile; Acrylamide; Alkylchloridvinylether und dergleichen. Weitere Beispiele schließen p-Chlorostyrolvinylnaphtalen, ungesättigte Monoolefine such wie zum Beispiel Ethylen, Propylen, Buten und Isobuten ein; Vinylhaloide so wie zum Beispiel Vinylchlorid, Vinylbromid, Vinylfluorid, Vinylazetat, Vinylpropionat, Vinylbenzoat, und Vinylbutyrat; Acrylnitril, Methacrylnitril, Acrylamid, Vinylether, einschließlich eines Vinylmethylether, Vinylisobutylether, und Vinylethylether; Vinylketone einschließlich Vinylmethylketon, Vinylhexylketon und Methylisopropylenylketon; Vinylidenhaloide so wie zum Beispiel Vinylidenchlorid und Vinylidenchloroflourid; N-Vinylindol, N-Vinylpyrrolidon; und dergleichen.
Verdeutlichende Beispiele von Dicarboxylsäureeinheiten in dem Polyesterharz, die für die Verwendung in den Tonerzusammensetzungen der vorliegenden Erfindung geeignet sind, schließen Phthalsäure, Teraphthalsäure, Isophthalsäure, Bernsteinsäure, Glutarsäure, Adipinsäure, Pimelsäure, Subericsäure, Azelainsäure, Sebacinsäure, Maleinsäure, Fumarsäure, Dimethylglutarsäure, Bromoadipinsäure, Dichloroglutarsäure, und dergleichen ein; während verdeutlichende Beispiele der Dioleinheiten in den Polyesterharzen Ethandiol, Propandiole, Butandiole, Pentandiole, Pinacol, Zyklopentandiole, Hydrobenzoin, Bis(hydroxyphenyl)alkane, Dihydroxybiphenyl, ersetzte Dihydroxybiphenyle, und dergleichen einschließen.
In einem Tonerharz werden Polyesterharze ausgewählt, die von einer Dicarboxylsäure und einem Diphenol abgeleitet werden. Diese Harze werden in dem U.S. Pat. No. 3,590,000 verdeutlicht. Polyesterharze werden auch aus der Reaktion von Bisphenol A und Polypropylenoxid erhalten, und schließen insbesondere solche Polyester ein, die aus der Reaktion des sich ergebenden Produkts mit Fumarsäure, erfolgen, und verzweigte Polyesterharze, die sich aus der Reaktion von Dimethylterephtalat mit 1,3-Butanediol, 1,2-Propanediol, und Pentaerythritol ergeben, könnten vorzugsweise auch verwendet werden. Weiterhin können, niedrig-schmelzende Polyester, besonders die, die durch reaktionäre Extrusion hergestellt werden, mit Bezug auf U.S. Patent No. 5,224,460, als Tonerharze ausgewählt werden. Andere spezifische Tonerharze könnten Styrolmethacrylatcopolymere, Styrolbutadiencopolymere, PLIOLITES^TM und Suspensionspolymerisierte Styrolbutadiene (U.S. Patent No. 4,588,108) einschließen.
Mehr bevorzugte Harzbinder zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung umfassen Polyesterharze, die sowohl lineare als auch querverbundene Abschnitte derart enthalten, wie sie in dem U.S. Patent 5,227,460 beschrieben worden sind.
Das Harz oder die Harze sind im Allgemeinen in der Harz-Toner-Mischung in einer Menge von ca. 50% bis zu ca. 100% des Gewichts der Tonerzusammensetzung, und vorzugsweise von ca. 80% bis zu ca. 100% des Gewichts vorhanden.
Zusätzliche „interne Komponenten des Toners könnten zu dem Harz vor Vermischen des Toners mit den Zusätzen zugegeben werden. Alternativ könnten diese Komponenten während der Extrusion zugegeben werden. Unterschiedliche, bekannte geeignete wirkungsvolle Zusätze zur Ladungssteuerung könnte in die Tonerzusammensetzungen eingebunden werden, so wie zum Beispiel quaternäre Ammoniumverbindungen und Alkylpyridiniumverbindungen, einschließlich Zetylpyridiniumhaloide und Zetylpyridiniumtetrafluoroborate, wie in dem U.S. Patent No. 4,298,672 offenbart wird, Distearyldimethylammoniummethylsulfat, und dergleichen. Die inneren ladungsverbessernden Zusätze sind üblicherweise in der endgültigen Tonerzusammensetzung in einer Menge von ca. 0% bis zu ca. 20% des Gewichts vorhanden.
Nachdem das Harz, die Färbmittel und die inneren Zusätze extrudiert worden sind, wird die Harzmischung durch ein geeignetes Verfahren, einschließlich dem, das in der Technik bekannt ist, in ihrer Größe reduziert. Diese Reduktion wird durch die Brüchigkeit der meisten Toner unterstützt, was bewirkt, dass das Harz bricht, wenn auf dieses eingewirkt wird. Dies ermöglicht sehr schnelle Reduktion der Partikelgröße in Pulverisiergeräten oder Attritoren so wie zum Beispiel Materialmühlen, Strahlmühlen, Hammermühlen, oder ähnlichen Einrichtungen. Ein Beispiel einer geeigneten Strahlmühle ist eine Alpine 800 AFG Fluidized Bed Opposed Jet Mill. Solch eine Strahlmühle kann die typischen Tonerpartikel auf eine Größe von ca. 4 bis zu 30 Mikrometern verkleinern. Für Farbtoner könnte die Größe der Tonerpartikel im Durchschnitt sogar noch innerhalb eines kleineren Bereiches von 4–10 Mikrometern liegen.
Innerhalb der Strahlmühle sortiert eine Einstufungsprozess die Partikel nach ihrer Größe. Partikel, die als zu groß eingestuft wurden, werden von einem Einstufungsrad abge lehnt und durch die Luft in eine Mahlzone innerhalb der Strahlmühle zur weiteren Verkleinerung befördert. Partikel innerhalb eines annehmbaren Bereiches werden zu dem nächsten Toner-Herstellverfahren weitergeleitet.
Nach Verkleinerung der Partikelgröße durch Mahlen oder Pulverisieren sortiert ein Einstufungsprozess die Partikel nach ihrer Größe. Partikel, die als zu fein eingestuft werden, werden von den für das Produkt geeigneten Partikeln entfernt. Die feinen Partikel haben einen signifikanten Einfluss auf die Druckqualität und die Konzentration dieser Partikel variiert zwischen den Produkten. Die für das Produkt geeigneten Partikel werden separat gesammelt und zu dem nächsten Toner-Herstellverfahren weitergeleitet.
Nach der Einstufung ist der nächste typische Prozess ein Hochgeschwindigkeitsprozess, in dem Oberflächenzusatzpartikel mit den eingestuften Tonerpartikeln mit einem Hochgeschwindigkeitsmischer vermischt werden. Diese Zusätze schließen ein, sind jedoch nicht begrenzt auf Stabilisierer, Wachse, Flussmittel, andere Toner und Zusätze zur Ladungssteuerung. Spezifische Zusätze, die zur Verwendung in Tonern geeignet sind, schließen aufgedampftes Siliziumdioxid, Siliziumderivate, Eisenoxide, Polyethylene mit endständiger Hydroxygruppe, Polyolefinwachse, einschließlich Polyethylene und Polypropylene, Polymethylmethacrylat, Zinkstearat, Chromoxid, Aluminiumoxid, Titanoxid, Stearinsäure und Polyvinylidenfluoride ein.
Die Menge an externen Zusätzen wird in Prozent des Gewichts der Tonerzusammensetzung gemessen, und die Zusätze selber sind nicht eingeschlossen, wenn der Prozentsatz der Tonerzusammensetzung des Toners berechnet wird. Eine Tonerzusammensetzung, die zum Beispiel einen Harz-, einen Färbmittel-, und einen externen Zusatz enthält, könnte 80% des Gewichts an Harz und 20% des Gewichts an Färbmittel umfassen. Die Menge an externen Zusätzen, die vorhanden ist, wird in Prozent des Gewichtes des kombinierten Harzes und Färbmittels angegeben. Die Kombination der kleineren Tonerpartikelgrößen, die für einige neuere Farbtoner erforderlich sind und die erhöhte Größe und Deckung der Zusatzpartikel für solche Farbtoner erhöht den Bedarf für Hochintensitäts-Mischen.
Die vorstehend genannten Zusätze werden typischerweise zu den pulverisierten Tonerpartikeln in einen Hochgeschwindigkeitsmischer so wie zum Beispiel eine Henschel Blender FM-10, 75 oder 600 Blender zugegeben. Das Hochintensitäts-Mischen dient dazu, Anhäufungen von Zusätzen in die entsprechend Nanometergröße zu zerbrechen, die kleinstmöglichen Tonerpartikel gleichmäßig innerhalb der Tonermenge zu verteilen, und die kleineren Zusatzpartikeln an die Tonerpartikel anzubringen. Jeder dieser Prozesse vollzieht sich gleichzeitig innerhalb des Mischers. Die Zusatzpartikel werden während des Zusammenstoßes der Partikeln untereinander und zwischen den Partikeln und dem Mischwerkzeug an die Oberfläche des pulverisierten Tonerpartikel angebracht, wenn sich dieser dreht. Man nimmt an, dass eine derartige Anhaftung zwischen den Tonerpartikeln und den Oberflächenzusätzen sowohl aufgrund von mechanischem Einschlag, wie auch durch elektrostatische Anziehung erfolgt. Die Menge von solchen Anhaftungen ist proportional zu dem Intensitätslevel des Mischens, welcher wiederum eine Funktion von beiden, der Geschwindigkeit und der Form des Mischwerkzeugs ist. Die Zeitdauer, die für den Mischprozess benötigt wird plus die Intensität legt fest, wie viel Energie während des Mischprozesses angewendet wird. Für ein effizientes Mischwerkzeug, welches Schneepflugeffekt und übermäßige Wirbel und Regionen von niedriger Dichte vermeidet, kann die "Intensität" effektiv in Bezug auf die Energie gemessen werden, die durch den Mischmotor pro Masseeinheit von gemischtem Toner verbraucht wird (üblicherweise durch W/kg, 1 W/lb = 2,2 W/kg (Watt/lb). Wenn ein Standard Henschel Mischwerkzeug verwendet wird, um herkömmliche Toner herzustellen, liegen die Mischzeiten üblicherweise zwischen einer (1) Minute bis zu zwanzig (20) Minuten pro herkömmliche Tonermenge von 1–500 Kilogramm. Für gewisse neuere Toner so wie zum Beispiel für Xerox Docucenter 265 und verwandte Multifunktionsdrucker wird die Mischgeschwindigkeit und -zeiten erhöht, um sicherzustellen, dass vielfache Schichten von Oberflächenzusätzen sich an die Tonerpartikel anheften. Zusätzlich ist für solche Toner, die einem größeren Anteil an Zusatzpartikeln über 25 Nanometer erfordern, eine höhere Mischgeschwindigkeit und -zeit erforderlich, um die größeren Zusätze in die Basisharzpartikel zu treiben.
Der Prozess, Toner herzustellen, wird durch einen Ausleseprozess beendet, um Toneranhäufungen und andere große Ablagerungen zu entfernen. Solche ein Ausleseprozess könnte typischerweise unter Verwendung eines Sweco Turco Screen Set, das auf 37 bis 105 Mikroöffnungen eingestellt ist, durchgeführt werden.
Die vorstehend genannte Beschreibung eines Prozesses zum Herstellen eines elektrophotographischen Toners könnte abhängig von den Anforderungen des elektrophotographischen Toners variiert werden. Im Besonderen umfassen für Vollprozess-Farbdrucken die Färbmittel üblicherweise Gelb, Cyan, Magenta, und schwarze Färbmittel, die zu separaten Dispersionen für jeden der Farbtoner zugegeben werden. Farbtoner umfassen üblicherweise viele kleinere Partikelgrößen als schwarze Toner, in der Größenordnung von 4–10 Mikrometer. Die kleinere Partikelgröße macht die Herstellung des Toners hinsichtlich der Materialhandhabung, Einstufung und Mischens schwieriger.
Der vorstehend beschriebene Prozess zum Herstellen von elektrophotographischen Tonern ist in der Technik wohl bekannt. Weitere Informationen, die die Verfahren und Vorrichtungen zur Herstellung des Toners betreffen, sind in den folgenden U.S. Patenten verfügbar: US-A-4,338,380 erteilt an Erickson, und andere; US-A-4,298,672 erteilt an Chin; US-A-4,944,493 erteilt an Jadwin; US-A-4,007,293 erteilt an Mincer, und andere; US-A-4,054,465 erteilt an Ziobrowski; US-A-4,079,014 erteilt an Burness, und andere; US-A-4,394,430 erteilt an Jadwin, und andere; US-A-4,433,040 erteilt an Niimura, und andere; US-A-4,845,003 erteilt an Kiriu, und andere; US-A-4,894,308 erteilt an Mahabadi und andere; US-A-4,937,157 erteilt an Haarck, und andere; US-A-4,937,493 erteilt an Chang und andere; US-A-5,370,962 erteilt an Anderson, und andere; US-A-5,624,079 erteilt an Higuchi und andere; US-A-5,716,751 erteilt an Bertrand und andere; US-A-5,763,132 erteilt an Ott und andere; US-A-5,874,034 erteilt an Proper und andere; und US-A-5,998,079 erteilt an Tompson und andere.
Zusätzlich zu dem vorstehend erwähnten herkömmlichen Prozess zur Herstellung von Tonern könnten auch andere Verfahren zum Herstellen von Tonern verwendet werden. Im Besonderen werden die Emulsions-/Aggregations-/Koaleszenzprozesse (der „EA Prozess") für die Herstellung von Tonern in einer Reihe von Xerox Corporation Patenten so wie zum Beispiel U.S. Patent 5,290,654, U.S. Patent 5,278,020, U.S. Patent 5,308,734, U.S. Patent 5,370,963, U.S. Patent 5,344,738 U.S. Patent 5,403,693 U.S. Patent 5,418,108, U.S. Patent 5,364,729, U.S. Patent 5,364,729, und U.S. Patent 5,346,797 verdeutlicht; auch von Interesse könnten die U.S. Patente 5,348,832; 5,405,728; 5,366,841; 5,496,676; 5,527,658; 5,585,215; 5,650,255; 5,650,256; 5,501,935; 5,723,253; 5,744,520; 5,763,133; 5,766,818; 5,747,215; 5,827,633; 5,853,944; 5,804,349; 5,840,462; 5,869,215; 5,863,698; 5,902,710; 5,910,387; 5,916,725; 5,919,595; 5,925,488, und 5,977,210 sein. Die dazugehörigen Komponenten und Prozesse der vorstehend genannten Patente von der Xerox Corporation können für die Prozesse der vorliegenden Erfindung in den Ausführungsformen derselben ausgewählt werden. In dem vorstehend beschriebenen herkömmlichen Prozess und in den Prozessen sowie zum Beispiel dem EA Prozess, werden unter der Anwendung eines Hochintensitäts-Mischprozesses Oberflächenzusatzpartikel zugegeben.
Hochgeschwindigkeits-Mischen von trockenen, dispergierten, oder breiförmigen Partikeln ist ein üblicher Vorgang in der Herstellung von vielen industriellen Produkten. Beispiele für solche Produkte, die gewöhnlich unter Verwendung eines Hochgeschwindigkeits-Mischvorgangs hergestellt werden, schließen ohne Begrenzung, Farbe oder Farbdispersionen, Pigmente, Lacke, Tinten, Medikamente, Kosmetika, Klebstoffe, Lebensmittel, Lebensmittelfarbstoffe, Aromen, Getränke, Gummi, und viele andere Kunststoffprodukte ein. In einigen industriellen Vorgängen werden die Einwirkungen, die während des Hochgeschwindigkeits-Mischens entstehen, verwendet, um sowohl das Mischgut gleichmäßig zu mischen, und um zusätzlich eine Anhaftung der Zusatzstoffchemikalien an die Oberfläche der Partikel zu bewirken (einschließlich Harzmoleküle oder Konglomerate von Harz und Partikeln), um zusätzliche chemische, mechanische, und/oder elektrostatische Eigenschaften zu verleihen. Eine derartige Anhaftung zwischen Partikeln wird üblicherweise sowohl durch mechanische Einwirkung wie auch durch elektrostatische Verbindung zwischen den Zusätzen und den Partikeln als eine Folge der extremen Drücke bewirkt, die durch die Partikel/Zusatzstöße innerhalb der Mischeinrichtung geschaffen wurden. Unter den Produkten, in denen Anhaftungen zwischen Partikeln und/oder Harz und Zusatzpartikeln während mindestens einer Stufe der Herstellung wichtig sind, sind Farbdispersionen, Tinten, Pigmente, Gummi, und gewisse Kunststoffe.
Hochintensitäts-Mischen findet üblicherweise in einer Mischmaschine statt, und die Mischintensität wird in großem Maße von der Form und der Geschwindigkeit des Mischwerkzeugs beeinflusst, das in dem Mischprozess verwendet wird. Eine typische Mischmaschine und Mischwerkzeug nach dem Stand der Technik wird in den 1 und 2 beispielhaft gezeigt. 1 ist eine schematische Draufsicht einer Mischmaschine 2. Die Mischmaschine 2 umfasst ein Behälter 10, in welchem die Materialien, die gemischt werden sollen, vor oder während des Mischprozesses zugegeben werden. Der Gehäuseboden 12 trägt das Gewicht des Behälters 10 und seiner Inhalte. Der Motor 13 befindet sich innerhalb des Gehäusebodens 12, so dass sich seine Getriebewelle 14 vertikal durch eine Öffnung in dem Gehäuse 12 erstreckt. Der Welle 14 erstreckt sich ebenso durch die abgedichtete Öffnung 15 in den Behälter 10 hindurch, die sich auch am Boden des Behälters 10 befindet. Bei der Rotation hat die Welle 14 eine Drehachse, die im Allgemeinen orthogonal zu dem Boden des Behälters 10 ist. Die Welle 14 ist mit einer Verschlussspannvorrichtung 17 an ihrem Ende versehen, und das Mischwerkzeug 16 ist durch die Verschlussspannvorrichtung 17 fest an die Welle 14 angebracht. Bevor mit dem Mischen begonnen wird, wird der Deckel 18 gesenkt und auf dem Behälter 10 befestigt, um Überschwappen zu verhindern. Für das Hochintensitäts-Mischen überschreitet die Geschwindigkeit des Mischwerkzeugs an seiner äußeren Kante im allgemeinen 15,2 m/s (50 ft/second). Je höher die Geschwindigkeit ist, desto intensiver, und Werkzeuglaufgeschwindigkeiten von über 27,4 m/s (90 ft./second) oder 36,6 m/s (120 ft./second) sind üblich.
Unterschiedliche Formen und Dicken von Mischwerkzeugen sind möglich. Unterschiedliche Konfigurationen werden in den Broschüren und Katalogen gezeigt, die von Herstellern von Hochgeschwindigkeits-Mischausrüstung wie zum Beispiel Henschel, Littleford Day Inc., und anderen Verkäufern angeboten werden. Das Werkzeug, das in 1 gezeigt wird, basiert auf einem Werkzeug für Hochintensitäts-Mischen, das von Littleford Day Inc. hergestellt wird und nachstehend ausführlicher in Bezug auf 3 erläutert wird. Unter den Gründen für unterschiedliche Konfigurationen von Mischwerkzeugen sind, dass (i) unterschiedliche Viskositäten oftmals unterschiedlich geformte Werkzeuge erfordern, um die Energie und das Drehmoment des Mischmotors effizient auszunutzen und (ii) unterschiedliche Mischanwendungen unterschiedliche Mischintensitäten erfordern. Zum Beispiel könnten einige Anwendungen in der Nahrungsmittelverarbeitung eine sehr feine Verteilung von Feststoffpartikeln so wie zum Beispiel von Färbmitteln und Aromastoffen innerhalb eines flüssigen Mediums erfordern. Als ein weiteres Beispiel erfordert zum Beispiel das Verarbeiten von „Snow Cones" ein schnelles und hochintensives Mischen, das darauf ausgelegt ist, Eiswürfel in kleine Partikel zu zertrümmern, welche anschließend in einem Mischer mit aromatisierten Sirups vermischt werden, um einen dünnen Brei zu bilden.
Wie nachstehend genauer erläutert wird, beeinflusst die Form des Mischwerkzeugs 16 in hohem Maße die Intensität des Mischens. Eine Art der Werkzeugausführung versucht, Hochintensitäts-Mischen durch die Vergrößerung der Aufprallflächen zu erreichen, wobei die Anzahl der Aufprallvorgänge pro Zeiteinheit oder Intensität erhöht wird. Ein Problem mit dieser Art von Werkzeug ist, dass die Partikel dazu neigen, sich an dem Vorderteil des Werkzeugs festzusetzen, wodurch die Effizienz verringert wird und einige Partikel ungemischt bleiben. Ein Beispiel für ein verbessertes Werkzeug, welches eine vergrößerte Aufpralloberfläche aufweist, das versucht, diesen Schneepflugeffekt zu überwinden, wird in US Publ. No.: US 2002/0080676 A1 offenbart. Sogar wenn dieser „Schneepflug"-Effekt überwunden wird, besteht eine zweite Begrenzung mit Werkzeugen mit vergrößerten Aufprallflächen nach dem Stand der Technik darin, dass die Partikel in dem Mischer dazu neigen, in der Richtung und fast mit der Geschwindigkeit des sich bewegenden Werkzeugs herumzuwirbeln. Somit ist die Aufprallgeschwindigkeit zwischen dem Werkzeug und einem statistischen Durchschnitt der Partikel, die sich in dem Behälter 10 bewegen, geringer als die Geschwindigkeit des Werkzeugs selbst, da sich die Partikel im Allgemeinen in derselben Richtung wie der des Werkzeugs bewegen.
Eine weitere Art eines Mischwerkzeugs, das üblicherweise mehr zum Mischen von Tonern und Zusätzen verwendet wird, wird in der 2 als das Werkzeug 26 gezeigt. Wie gezeigt wird, umfasst das Werkzeug 26 drei flügelförmige Blätter, wobei jedes Blatt orthogonal zu dem Blatt unmittelbar darüber und/oder darunter angeordnet ist. Das Werkzeug 26 weist die Blätter 27, 28 und 29 auf, wie gezeigt wird. Das Blatt 27, das Bodenblatt wird im Allgemeinen als der „Schaber" bezeichnet und dient dazu, die Partikel von dem Boden anzuheben und anfängliche Bewegung auf die Partikel auszuüben. Das Blatt 28, das Mittelblatt, wird das „Verflüssigungswerkzeug" genannt und dient dazu, zusätzliche mechanische Energie zu der Mixtur bereitzustellen. Das Blatt 29, das Oberblatt, wird auch das „Hornwerkzeug" genannt und ist gewöhnlich in einem Winkel nach oben gebogen. Das Kappenwerkzeug 29 ist das Blatt, welches primär für das Mischen und Einbringen/Bereitstellen der Eingriffsenergie zwischen dem Toner und den Zusatzpartikeln verantwortlich ist. Da das Werkzeug 26 so eingerichtet ist, dass jedes seiner separaten Blätter relativ dünn ist und deshalb der Fluss durch den Toner und der Zusatzmixtur ohne Ablagerung von Partikeln auf den Führungskanten erfolgt, ist das Maß der Energie, die durch den Mischmotor verbraucht wird, ein guter Indikator für die Intensität des Mischens, das während der Verwendung des Werkzeugs stattfindet. Der Energieverbrauch wird als die spezifische Energie eines Werkzeugs gemessen und festgelegt wie folgt:
Die Spezifische Energie des Werkzeugs 26 wird in den 9 und 10 in Bezug auf die unterschiedlichen Rotationsgeschwindigkeiten gezeigt. Die Signifikanz der Daten, die in de 9 und 10 gezeigt wird, wird nachstehend erläutert, wenn die Vorzüge der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben werden. Es sollte jedoch bemerkt werden, dass das Werkzeug 26 auch die Begrenzung einschließt, die vorstehend beschrieben wurde, worin die eigentliche Zusammenprallenergie zwischen den Partikeln ist gewöhnlich geringer als die Geschwindigkeit des Werkzeugs selbst ist, da jedes der Blätter 27, 28, und 29 die Wirkung hat, die Partikel innerhalb des Mischbehälters in der Richtung der Rotation des Werkzeugs herumzuwirbeln.
Mindestens ein Werkzeug nach dem Stand der Technik erscheint so eingerichtet sein, durch Bildung von Wirbeln und Schubkräften eine Mischintensität zu erreichen. Dieses Werkzeug wird von Littleford Day Inc. zur Verwendung in seinen Mischern verkauft und erscheint im Querschnitt als Werkzeug 16 in 1. Wie in der perspektivischen Ansicht in 3 gezeigt wird, weist das Littleford-Werkzeug 16 einen Mittelschenkel 20 mit einer mittigen Buchsenvorrichtung 17A auf, um mit der Verschlussspannvorrichtung 17 am Ende der Welle 14 (Vorrichtung 17 und die Welle 14 werden in 1 gezeigt) in Eingriff zu kommen. Die Buchsenvorrichtung 17A schließt eine Nut ein, welche zu einer männlichen Sperrschlüsselelement auf der Verschlussspannvorrichtung 17 (von 1) passt. Der Pfeil 21 zeigt die Richtung, in welchem das Werkzeug 16 auf der Welle 14 rotiert. Ein zweites Schabblatt 16A könnte unter dem Werkzeug 16 auf der Welle 14 befestigt werden, wie in 3 gezeigt wird. In der gezeigten Konfiguration umfasst das Littleford Schabblatt 16A einen Schenkel, welcher orthogonal zu dem Mittelschenkel 20 befestigt ist, der unterhalb des Schenkels 20 in einer im Wesentlichen horizontalen Art und Weise hervortritt und dann nach unten nahe seines Endbereich taucht. Der Endbereich des Blattes 16A ist mit der Führungskante nahe dem Boden des Mischbehälters (nicht gezeigt) in eine flache Schlägerform geformt und die Spurkante neigt sich leicht nach oben, um den Partikeln eine Anhebung zu verleihen, die von dem Boden des Behälters geschabt werden. Die Führungskante der Schlägerform läuft von einer Außenseitenecke, die sich am nächsten zu der Mischbehälterwand befindet, nach innen zu der allgemeinen Richtung der Welle 14 hin. Die Schabblätter sind kürzer als der Schenkel 20, und die Kombination dieser kürzeren Länge plus der Form der Führungskante zeigt an, dass die Funktion des Littleford-Schaberblatts darin besteht, die Partikel in die Mitte des Mischbehälters nach oben von dem Boden des Behälters anzuheben.
Im Gegensatz zu dem Werkzeug, das in 2 gezeigt wird, umfasst das Werkzeug 16 vertikale aufragende Elemente 19A und 19B, die am Ende des Mittelschenkels 20 an dessen Punkt der höchsten Geschwindigkeit während der Rotation um die mittlere Buchsenvorrichtung 17A befestigt sind. Diese vertikalen aufragende Elemente 19A und 19B sind angewinkelt, oder in Bezug auf die Achse der Mittelbuchse 20 in einem Winkel von 17 Grad abgeschrägt. In dieser Art und Weise sind die Führungskanten 21A und 21B der aufragenden Elemente 19A und 19B nahe an der Wand des Mischbehälters 10 (aus 1), wohingegen die Schleppkanten 22A und 22B weiter von der Behälterwand 10 weg sind. Der Anwender glaubt, dass das Werkzeug 16 durch Bildung von Schubkräften zwischen den Partikeln arbeitet, die in dem Raum zwischen der Außenfläche der aufragenden Elemente 19A und 19B und der Behälterwand 10 gefangen sind. Da die Schleppkanten 22B und 22A weiter von der Wand entfernt sind, wird in diesem Raum ein Wirbel gebildet. Man nimmt an, dass die Partikel, die in diesen Wirbeln gefangen sind, dem Werkzeug mit oder fast mit der Geschwindigkeit der Führungskanten 19A und 19B folgen. Im Gegensatz dazu bleiben Partikel, die durch den Zwischenraum zwischen der Führungskante 19A und 19B und der Wand des Behälters 10 gerutscht sind, nahezu auf der Stelle. Wenn die Partikel, die mit den Wirbeln hinter den Führungskanten 19A und 19B mitgerissen werden, auf die nahezu auf der Stelle stehenden Partikel entlang der Behälterwand auftreffen, dann ist die Zusammenprallgeschwindigkeit bei oder nahezu an der Geschwindigkeit der Führungskanten des Werkzeugs. Der Anwender hat keine Literatur gefunden, die diese vorstehenden Effekte beschreibt. Anstatt dessen resultiert die vorstehende Analyse von der eigenen Untersuchung des Mischwerkzeugs durch den Anwender.
Wie vorstehend beschreiben worden ist, spielt der Prozess des Mischens eine immer wichtigere Rolle in der Herstellung von elektrophotographischen und ähnlichen Tonern. Es wäre von Vorteil, wenn eine Vorrichtung und ein Verfahren gefunden würde, die den Mischprozess beschleunigt und dadurch die Zeit und die Kosten, die für das Mischen erforderlich sind, reduziert. Es wäre letztlich vorteilhaft, einen Mischprozess zu schaffen, der es ermöglicht, dass ein verbesserter Toner eine größere Menge von Oberflächenzusätzen als der vordem hergestellte Toner aufweist und der solche Zusätze aufweist, die mit größerer Kraft als der vordem hergestellte Toner an den Tonerpartikeln anhaften. Solch ein verbesserter Toner würde verbesserte Durchladungseigenschaften, weniger Kohäsion zwischen den Tonerpartikeln, und weniger Verschmutzung der Entwicklungsdrähte in Tonerabbildungssystemen ermöglichen, die die Hybridentwicklungstechnologie verwenden.
US 3,166,302 beschreibt eine Mischvorrichtung. Die Vorrichtung umfasst einen Rührer welcher zum Mischen mit einer geeigneten Rotationsgeschwindigkeit gedreht wird. Der Rührer umfasst innere und äußere vertikale Blätter, wobei jedes äußere Blatt mit einem vorbestimmten Winkel in Bezug auf die tangentiale Ebene des rotierenden Rührers geneigt ist.
DE-A-20 61 882 beschreibt eine Mischvorrichtung. Die Vorrichtung umfasst einen Rührer, der in einem Behälter angebracht ist. Der Rührer umfasst vertikale Blätter, welche in Bezug auf die tangentiale Ebene des rotierenden Rührers angewinkelt sind.
GB-A-1039682 beschreibt einen Paddelmischer. Der Paddelmischer umfasst einen Trog mit einer horizontalen Rotationswelle, die darin angebracht ist und sich entlang deren Länge erstreckt, wobei die Welle eine Vielzahl von Armen aufweist, die sich radial von diesem erstrecken und entlang ihrer Länge verteilt sind.
US-A-3,944,493 beschreibt einen elektrophotographischen Toner und Tonerzusammensetzung. Ein Schmelz-Mischverfahren wird mit Bezug auf die Herstellung einer Tonerzusammensetzung erwähnt. Ein Mischwerkzeug wird nicht offenbart.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung ein Mischwerkzeug hinsichtlich der Beschleunigung des Mischprozesses zu verbessern. Das Ziel wird durch Bereitstellung eines Mischwerkzeugs nach Anspruch 1, einer Mischmaschine nach Anspruch 7 und eines Verfahrens zum Mischen von Tonern nach Anspruch 8 erreicht. Die Ausführungsformen der Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen dargelegt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Andere Aspekte der vorliegenden Erfindung werden offensichtlich, wenn die folgende Beschreibung fortschreitet und durch Bezug auf die Zeichnungen, in welchen:
1 ist eine schematische Aufrissansicht einer Mischmaschine nach dem Stand der Technik;
2 ist eine perspektivische Ansicht des Mischwerkzeugs nach dem Stand der Technik;
3 ist eine perspektivische Ansicht eines zweiten Mischwerkzeugs nach dem Stand der Technik;
4 ist eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform der Mischwerkzeuganordnung der vorliegenden Erfindung;
5 ist eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform der Mischwerkzeuganordnung der vorliegenden Erfindung, die innerhalb des Behälters angeordnet ist;
6 ist eine vertikale Projektionsansicht der Grundfläche einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wenn diese innerhalb des Behälters angeordnet ist;
7 ist ein Diagramm mit unterschiedlichen Abmessungen einer Ausführungsform des Mischwerkzeugs der vorliegenden Erfindung verglichen mit ähnlichen Dimensionen eines Werkzeugs nach dem Stand der Technik;
8 ist ein Graph, der Werte Spezifischer Energie zeigt, die mit der Geschwindigkeit des Werkzeugspitze für unterschiedliche Mischwerkzeuge variieren;
9 ist ein Graph, der Werte Spezifischer Energie zeigt, die mit der Geschwindigkeit der Werkzeugspitze für unterschiedliche Mischwerkzeuge variieren, die innerhalb eines 10-Liter Mischers angebracht sind;
10 ist ein Graph, der Werte Spezifischer Energie zeigt, die mit der Geschwindigkeit der Werkzeugspitze für unterschiedliche Mischwerkzeuge variieren, die innerhalb eines 75-Liter Mischers angebracht sind;
11 ist ein Graph, der AAFD-Werte für unterschiedliche Mischintensitäten nach unterschiedlichen Pegeln von Beschallung zeigt; und
12 ist ein Balkengraph, der den Betrag der Kohäsion zwischen den Partikeln nach drei unterschiedlichen Stufen von Mischintensitäten zeigt.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Während die vorliegende Erfindung in Nachfolgenden in Verbindung mit ihren bevorzugten Ausführungsformen und Verfahren der Verwendung beschrieben wird, wird verstanden werden, dass nicht beabsichtigt ist, die Erfindung auf diese Ausführungsformen und Verfahren der Verwendung zu begrenzen. Die folgende Beschreibung soll im Gegenteil alle Alternativen, Modifikationen, und Äquivalente abdecken, die innerhalb des Schutzumfanges der Erfindung eingeschlossen werde könnten, wie sie in den beigefügten Ansprüchen festgelegt ist.
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Mischwerkzeugs, das eine größere Intensität, als vorhergehend möglich war, erzeugen kann. Diese erhöhte Intensität ist das Ergebnis von erhöhten Schubkräften mit daraus resultierenden höheren Unterschieden in Geschwindigkeiten zwischen den Partikeln, die in der Schubzone aufeinandertreffen. Diese erhöhte Differenz an Geschwindigkeit zwischen den zusammprallenden Partikeln ermöglicht, die Mischzeit zu reduzieren, wodurch Kosten pro Mengeneinheit eingespart werden und die Produktivität erhöht wird. Solch ein vergrößerter Unterschied in den Geschwindigkeiten stellt sowohl durch Erhöhen der Menge von Zusatzpartikeln, die an dem Toner anhaften und auch durch Erhöhen der Durchschnittskräfte der Anhaftung zwischen den Zusatzpartikeln und Tonerpartikeln verbesserte Toner her.
Demgemäß ist das Mischwerkzeug 50, wie es in 4 gezeigt wird, eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Mittelschenkel 51 des Werkzeugs 50 enthält an seiner Mitte die Verschlussspannvorrichtung 52 zum Befestigen der Mischmaschine 2 aus 1 auf einer rotierenden Antriebswelle, beispielsweise einer Welle 14. Die vertikalen aufragenden Elemente 52 und 53 sind an jedem der Enden des Schenkels 51 angebracht.
In einer ähnlichen Weise wie bei dem Littleford-Werkzeug, das in 3 gezeigt wird, sind die vertikalen aufragenden Elemente 52 und 53 in Bezug auf die Längsachse des Schenkels 51 angewinkelt oder abgeschrägt. Die Führungskanten 52A und 53A sind näher an der Mischbehälterwand als die Schleppkanten 52B und 53B. Das Ergebnis besteht darin, dass die Außenfläche (gezeigt als 55 in 6) des aufragenden Elements 52 einen Vorwärtsbereich (gezeigt als 56 in 6) nahe an der Führungskante 52A aufweist, der von der Achse des Mittelschenkels 51 nach außen gewinkelt ist. 5 zeigt diesen Effekt, wobei der Zwischenraum G zwischen der Führungskante 53A und der Wand des Behälters 10 ungefähr 5 Millimeter beträgt, wenn das Werkzeug 50 für einen 10-Liter Mischbehälter ausgelegt ist. Die Partikel, welche innerhalb des Zwischenraumes G durchgehen, bleiben ziemlich auf der Stelle in Bezug auf die Wand des Behälters 10. Wenn jedoch die Führungskante 53A über ein bestimmtes Partikel in dem Zwischenraum G gestrichen ist, wird dieses diesen Wirbeln unterworfen, die entlang der Außenfläche des aufragenden Elements 53 gebildet werden. Diese Wirbel entstehen, weil das aufragende Element 53 von der Wand des Behälters 10 abgewinkelt ist, wodurch teilweise ein Vakuum in dem Raum zwischen der Außenfläche des aufragenden Elements 53 und der Behälterwand 10 erzeugt wird. Einige Artikel bleiben innerhalb dieser Wirbel gefangen und werden mit Geschwindigkeiten annähernd der Geschwindigkeit des aufragenden Elements 53 selbst mitgerissen. Die höchsten Stossenergien zwischen den Partikeln treten auf, wenn diese mitgerissenen Partikel, die fast mit der Geschwindigkeit des aufragenden Elements 53 fliegen, auf nahezu stillstehende Partikel auftreffen, die durch den Zwischenraum G hindurchgelangt sind. Die Anzahl dieser Aufprallvorgänge wird durch den Winkel des aufragenden Elements 53 in Bezug auf den Schenkel 51 deutlich erhöht, da die hervorgerufenen Wirbel dazu neigen, die nahezu stehenden Partikel zu dem aufragenden Element 53 hinzuziehen.
Ein Vergleich der spezifischen Abmessungen des Werkzeugs 50 der vorliegenden Erfindung und des Littleford-Werkzeugs, das in 3 gezeigt wird, zeigt eine Reihe von Unterschieden, die sich aus den Verbesserungen unter der vorliegenden Erfindung ergeben. 6 zeigt eine vertikale Aufrissansicht auf den Grundflächenschnitt des Werkzeugs 50 und des Littleford-Werkzeugs, wie es von oben gesehen wird. In beiden Werkzeugen sind die aufragenden Elemente an den Enden, oder den Spitzen oder dem Werkzeug befestigt. Der Winkel zwischen der Achse des Schenkels und die Platzierung des aufragenden Elementes wird mit dem Winkel α gekennzeichnet. Die diagonale Abmessung jenseits des Werkzeugschenkels wird mit D_Tool gekennzeichnet. Der Zwischenraum G wird wie gezeigt gekennzeichnet. Die Außenfläche des aufragenden Elementes wird als 55 gezeigt, und der Vorwärtsbereich der Außenfläche wird als 56 gezeigt. Die lange Achse des Schenkel 51 wird als doppelköpfiger Pfeil L gezeigt.
Bezug nehmend auf 7 wird nachfolgend ein Vergleich zwischen der Abmessung des Werkzeugs 50 der vorliegenden Erfindung und des Littleford-Werkzeugs, das in 3 gezeigt wird, für Werkzeuge gezeigt, die für Standard 10-Liter Mischbehälter ausgelegt sind. Littleford stellt kein Werkzeug mit aufragenden Elementen her, so wie es zum Beispiel in 2 für einen 75-Liter-Behälter gezeigt wird, aber so eine Eigenschaft von aufragenden Elementen ist für einen 1200-Liter Bereich erhältlich. (Behälter von 75, 600, und 1200 Liter sind Produktionsbehältergrößen zum Mischen von Tonern.) Wie gezeigt wird, beträgt der Winkel α des Werkzeugs 50 15 Grad, wohingegen der Winkel α des Littleford-Werkzeugs 17 Grad beträgt. Die Wichtigkeit der Differenz wird nachstehend beschrieben werden. Die Abmessung D_tool unterscheidet sich auch: das Werkzeug 50 ist um 3 Millimeter länger als das Littleford-Werkzeug. Als Ergebnis dieser längeren diagonalen Abmessung erreichen die aufragenden Elemente 52 und 53 des Werkzeugs 50 größere Geschwindigkeiten an den Spitzen als vergleichbare aufragende Elemente des Littleford-Werkzeugs bei der derselben Rotationsgeschwindigkeit. Ebenfalls ein Ergebnis dieser längeren diagonalen Abmessung liegt darin, dass der Zwischenraum G für das Werkzeug 50 5 Millimeter beträgt, wohingegen der Zwischenraum G des Littleford-Werkzeugs 6,5 Millimeter beträgt. In 7 wird auch ein Vergleich des Unterschieds in der Höhe der aufragenden Elemente in dem Werkzeug 50 und dem Littleford-Werkzeug gezeigt: 63 Millimeter für das Werkzeug 50 gegenüber 40 Millimeter für das Littleford-Werkzeug. Das Verhältnis des H_Tool/D_Tool für das Werkzeug 50 ist 63/220, oder 0,286, wohingegen H_Tool/D_Tool für das Littleford-Werkzeug 40/217 oder 0,184 beträgt. Für die 75-Liter Konfiguration des Werkzeugs 50 ist dieses Verhältnis von H_Tool/D_Tool für ein Werkzeug der vorliegenden Erfindung, das so wie das Werkzeug 50 konfiguriert ist, dasselbe wie das 0,286 Verhältnis des 10-Liter-Werkzeugs.
Der Nettoeffekt der Unterschiede in D_Tool und α wird in den Vergleichskurven der Spezifischen Energie, die in 8 gezeigt werden, demonstriert. Diese Vergleichsdaten wurden unter Verwendung des 10-Liter Littleford-Werkzeugs und eines 10-Liter Werkzeugs der vorliegenden Erfindung mit ungefähr derselben Höhe wie der des Littleford-Werk zeugs erzeugt. (Ein größeres Littleford-Werkzeug mit aufragenden Elementen wird nicht hergestellt.) Das Experiment war so ausgelegt, den Effekt des sich verkleinernden Winkels α und des sich vergrößernden D_Tool zu messen. Die Y-Achse in dem Graph aus 8 listet eine Reihe vom Messungen Spezifischer Energie auf. Die X-Achse listet unterschiedliche Geschwindigkeiten der Spitze des Werkzeugs auf. Die Tonerpartikel, die gemischt werden, betrugen im Schnitt 4 bis 10 Mikrometer und die Oberflächenzusatzpartikel im Schnitt 30–50 Nanometer. Wie gezeigt wurde, übertrifft das Werkzeug 50 das Littleford-Werkzeug mit steigender Effizienz, wenn die Geschwindigkeit in den Spitzen steigt. Somit sind die Verkleinerung des Winkels α von 17 auf 15 Grad und die Erhöhung der diagonalen Abmessung des D_Tool signifikante Einflussfaktoren für das Leistungsverhalten von dem Werkzeug 50. Insbesondere nimmt man an, dass die Verkleinerung des Winkels α der signifikantere Einflussfaktor ist. Die optimale Vermischung findet statt, wenn α zwischen 10 und 16 Grad und, noch bevorzugter, zwischen 14 und 15,5 Grad beträgt.
Bezug nehmend auf 9 wird nachfolgend ein Gesamtvergleich der Spezifischen Energie des Werkzeugs 50 mit aufragenden Elementen von voller Höhe verglichen mit dem Standard-Henschel-Mischwerkzeug gezeigt, welches in Bezug auf 2 ebenso wie das Standard-Littleford-Werkzeug, das 3 gezeigt wurde, beschrieben wurde. Alle Werkzeuge waren für ein 10-Liter Mischbehälter ausgelegt, da das Littleford-Werkzeug nicht als größerer 75-Liter Behälter hergestellt wird. Wie 8 listet die Y-Achse in 9 eine Reihe von Messungen von Spezifischen Energie auf. Die X-Achse listet unterschiedliche Geschwindigkeiten der Spitzen des Werkzeugs. Die Tonerpartikel, die gemischt werden, betrugen im Schnitt 4 bis 10 Mikrometer und die Oberflächenzusatzpartikel im Schnitt 30–50 Nanometer. Wie gezeigt wurde, übertrifft das Werkzeug 50 der vorliegenden Erfindung bei weitem beide Standard-Werkzeuge nach dem Stand der Technik, besonders da die Geschwindigkeiten der Spitzen sich um 15 Meter/Sekunde erhöhen. In einem herkömmlichen Mischvorgang erreichen die Geschwindigkeiten der Spitzen gewöhnlich bis zu 40 Meter/Sekunde für einen 10 Liter-Behälter. Somit erhöhen die Verbesserungen der vorliegenden Erfindung gegenüber dem Stand der Technik die Mischintensität des Werkzeugs ganz signifikant. Diese Steigerung in der Intensität hat eine Reihe von positiven Effekten, einschließlich, ohne Begrenzung, eine Verringerung der Zeit, die notwendig ist, den Mischvorgang der Zeit, die notwendig ist, den Mischvorgang durchzuführen. Durch die Verwendung eines Werkzeugs der vorliegenden Erfindung erwartet man zum Beispiel, dass die Füllmengenzeit gegenüber dem herkömmlichen Henschel-Werkzeug, das in 2 gezeigt wird, in einem 75-Liter oder 600-Liter-Behälter um mindestens 50–75% sinkt. Zusätzlich verbessert die Mischintensität solche wichtigen Tonerparameter wie verringerte Kohäsion zwischen den Partikeln und verbesserte Vermengungs-und Durchladungseigenschaften, wie nachstehend erläutert wird.
Bezug nehmend auf 10 werden nachfolgend Kurven von Spezifischer Energie für das Werkzeug 50 der vorliegenden Erfindung und ein Standard Henschel-Werkzeug gezeigt, das so konfiguriert ist, wie in 2 gezeigt wird, und beide für ein 75-Liter-Behälter ausgelegt sind. Wie vorstehend erläutert wurde, wird ein Werkzeug der Littleford-Ausführung nicht für diese Behältergröße hergestellt. Wenn diese mit den Kurven in 9 verglichen wird, wird klar, dass die Kurven von Spezifischer Energie in ihrer Größe abnehmen, wenn sich die Behältergröße erhöht. Da, wie in dem 8 und 9 gezeigt wird, das 10-Liter Littleford-Werkzeug kaum die Spezifische Energie von 440 W/kg (200 Watt/lb.) erreicht, sogar bei Geschwindigkeiten der Spitzen von 40 Metern/Sekunde, zeigen die Kurven in 10 klar, dass ein 75-Liter Behälter, das auf dem Littleford-Werkzeug basiert, sogar wenn dieses erhältlich ist, nicht diese Spezifische Energie von 440 W/kg (200 Watt/lb) bei Geschwindigkeiten der Spitzen von annähernd 40 Metern/Sekunde erreichen würde. Im Gegensatz dazu erreicht ein 75-Liter Werkzeug 50 der vorliegenden Erfindung eine Messung für Spezifische Energie von 440 W/kg (200 Watt/lb) bei Geschwindigkeiten der Spitzen, bis zu 30 Meter/Sekunde herunter. Wie nachstehend beschrieben wird, scheint eine Spezifische Energie von 440 W/kg (200 Watt/lb) eine wichtige Schwellenmessung für eine Reihe von zu bevorzugenden Tonereigenschaften zu sein.
Wieder Bezug nehmend auf 5 ist ein weiteres Merkmal des Werkzeugs 50, wie es in 5 gezeigt wird, die Durchgangsloch-Flussöffnungen 52C und 52D auf dem aufragenden Element 52 und 53C und 53D auf dem aufragenden Element 53. Für ein Werkzeug, das für einen 75-Liter Mischbehälter ausgelegt ist, könnten die Flussöffnungen optimalerweise einen Durchmesser zwischen 1,5 und 3 cm oder vorzugsweise ca. 2 cm aufweisen. Wie gezeigt wird, sind die Flussöffnungen optimal zu den Schleppkanten des aufragenden Elementes 52 und 53 hin angebracht. Wie auch gezeigt wird, ermöglichen geformte Vertiefungen in der innenseitigen Oberfläche des aufragenden Elementes 52 und 53 den Partikeln, zu den Flussöffnungen hinzufließen, und der erhöhte Druck auf die Innenseite des aufragenden Elementes 52 und 53 kombiniert mit einem relativ niedrigen Druck zwischen den aufragenden Elementen und der Behälterwand 10 neigt dazu, die Partikel von der Innenseite der aufragenden Elemente in die Maximalmischzone zwischen den aufragenden Elementen und den Mischbehälterwänden zu treiben. Die Flussöffnungen haben den weiteren positiven Effekt, Partikel in die Mischzone zu leiten, die sich andernfalls an den Innenseiten der aufragenden Elemente anhaften könnten, besonders nahe der Verbindung der aufragenden Elemente und des Mittelschenkels 51. So ein Anhäufen von angehafteten Partikeln bewirkt ein Überrest von ungemischtem oder teilweise gemischten Material, was die Flussöffnungen verbessern. Diese Verringerung des Anhäufens hat des weiteren den positiven Effekt, die Vibration in dem Werkzeug zu verringern, da weniger Anhäufung dazu neigt, das Gleichgewicht des Werkzeugs aufrechtzuerhalten, welches oftmals durch unterschiedliche Partikelanhäufungen auf einem aufragenden Element gegenüber dem anderen aus dem Gleichgewicht kommt. Durch visuelle und Gewichtsvergleiche zwischen ähnlichen Werkzeugen mit und ohne die Flussöffnungen 52C, 52D, 53C, und 53D scheint es, dass die Flussöffnungen das Anhäufen in einem 75-Liter Behälter um ca. vierzig (40) Prozent verringern. Somit verbessert die Hinzufügung von Flussöffnungen weiter die Intensität und das Leistungsverhalten des Werkzeugs der vorliegenden Erfindung und ermöglicht somit ein gründlicheres Mischen von Toners und Zusätzen in dem Mischbehälter.
Wie ebenso in den 4 und 5 gezeigt wird, besteht ein offensichtlicher Unterschied zwischen dem Werkzeug 50 der vorliegenden Erfindung und dem Littleford-Werkzeug, welches als Werkzeug 16 in 3 gezeigt wird, darin, dass das Werkzeug 50 der vorliegenden Erfindung die beiden Blätter 54A und 54B einschließt, die im Allgemeinen von ihrer Sockel eher spitz zulaufen als dass sie schlägerförmige Endbereiche aufweisen. Diese Blätter 54A und 54B erhöhen durch Verleihung weiterer Geschwindigkeit auf die verflüssigten Partikeln in dem Mischbehälter die Durchschnittsgeschwindigkeit der Partikel innerhalb des Mischbehälters. Zusätzlich haben die Mittel- und die Endabschnitte der Blätter 54A und 54B „Rück-Mitreiß"-Führungskanten, so dass die Achse dieser Blätter nach hinten, weg von der Richtung der Rotation, angewinkelt ist. Diese „Rück-Mitreiß"- Eigenschaften ermöglichen Partikeln, durch nach außen Drehen entlang der Rück-Mitreiß"-Kanten für einen längeren Zeitraum in Kontakt oder in der Nähe der Blätter zu bleiben. Sogar ohne so ein Drehen verleiht der "Rück-Mitreiß"-Winkel den zusammengeprallten Partikeln einen gerichteten Vektor, was diese nach außen hin zu den Wänden des Behälters 10 befördert. Durch Erhöhung der Dichte von Partikel entlang der Wände des Behälters 10 erhöht diese „Rück-Mitreiß"-Eigenschaft in hohem Maße die Intensität, die durch die aufragenden Elemente 52 und 53 verliehen wird, da diese aufragenden Elemente in der Nähe der Behälterwände arbeiten. Ebenso im Gegensatz zu dem Littleford-Werkzeug erstrecken sich die Blätter 54A und 54B in naher Nähe zu den Mischbehälterwänden. Dieses Merkmal erhöht weiter die Dichte der Partikel entlang der Behälterwand, wo das Mischen wie vorstehend erläutert stattfindet. Zuletzt werden, wie in der Konfiguration gezeigt wird, die Blätter 54A und 54B eher direkt an die Seiten des Schenkels 51 angebracht, als dass sich diese auf einem separaten Bodenschaber wie in einem Standard Henschel Werkzeug befinden, so wie in der 2 gezeigt wird. Auf diese Art und Weise benötigen die Blätter 54A und 54B keinen vertikalen Raum der Welle 14 der Mischmaschine (Welle 14 wird in 1 gezeigt). Diese Sparen von vertikalem Raum wiederum ermöglicht dem Schenkel 51 und dem Bodenabschnitt 52 und 53 näher an dem Boden des Behälters 10 zu rotieren, wo sich die Dichte der Partikel aufgrund von Schwerkraft auf natürliche Weise erhöht. Natürlich könnten die Blätter 54A und 54B auf einem separaten Schenkel über oder unter dem Schenkel 51 befestigt werden, aber solch ein separates Werkzeug hat nicht die Vorzüge, alle Blätter so niedrig wie möglich innerhalb des Behälters anzuordnen.
Somit erhöhen die Blätter 54A und 54B, verglichen mit dem Stand der Technik, die Dichte der Partikel in der Nähe der Wände des Mischbehälters und, wenn diese an den Seiten des Schenkels 51 angebracht werden, stellen sie die Vorzüge eines separaten Bodenschaber-Werkzeugs bereit, ohne den nachteiligen Effekt, das Arbeitswerkzeug höher von dem Boden des Mischwerkzeugs anzuheben. Wenn dies wie vorstehend beschrieben, mit den erhöhten Effizienzen der aufragenden Elemente 52 und 53, gepaart wird, erhöhen die Blätter 54A und 54B die Mischintensität des verbesserten Werkzeugs 50 ganz signifikant.
Noch ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein verbesserter Toner mit einer größeren Menge an Oberflächenzusätzen und mit einer größeren Kohäsion von diesen Partikeln an den Tonerpartikeln. Wie vorstehend beschrieben wurde, ist der nächste typische Schritt nach dem Prozessschritt der Einstufung in der Tonerherstellung ein Hochgeschwindigkeits-Mischprozess, in dem die Oberflächenzusatzpartikel mit den eingestuften Tonerpartikel innerhalb eines Hochgeschwindigkeits-Mischers vermischt werden. Diese Zusätze schließen ein, sind jedoch nicht begrenzt auf Stabilisierer, Wachse, Flussmittel, andere Toner und Zusätze für Ladungssteuerung. Spezifische Zusätze, die zur Verwendung in Tonern geeignet sind, schließen aufgedampftes Siliciumdioxid, Silikonderivate so wie zum Beispiel Aerosil^® R972, erhältlich von der Degussa Inc., Eisenoxide, Polyethylene mit endständiger Hydroxygruppe, wie etwa Unilin^®, Polyolefinwachse ein, welche vorzugsweise leichtmolekulare Materialien sind, einschließlich solche mit einem molekularen Gewicht von etwa 1,000 bis 20,000 und einschließlich Polyethylene, Polypropylene, Polymethylmetacrylat, Zinksterarat, Chromoxid, Aluminiumoxid, Titanoxid, Sterearoxid, und Polyvinylidenfluoride so wie zum Beispiel Kynar. Die am meisten bevorzugten SiO₂ und TiO₂ sind oberflächenbehandelt mit Verbindungen einschließlich DTMS (Dodecyltrimethoxysilan) oder HMDS (Hexamethyldisilazan). Beispiele für diese Zusätze sind: NA50HS Siliziumoxide, erhältlich von DeGussa/Nippon Aerosil Corporation, beschichtet mit einer Mischung von HMDS und Aminopropyltrietoxysilan; DTMS Siliziumoxide, erhalten von der Cabot Corporation; beinhaltet ein gedampftes Siliziumoxid, zum Beispiel ein Siliziumndioxidkern L90 beschichtet mit DTMS; H20050EP, erhalten von Wacker Chemie, beschichtet mit einer Amino-funktionalisiertes Organopolysiloxane; und SMT5103, erhältlich von der Tayca Corporation, umfasst von einem kristallinen Titandioxidkern MT500B, beschichtet mit DTMS.
Zinkstearat wird auch bevorzugt als ein externer Zusatz für die Toner der Erfindung verwendet, wobei das Zinkstearat Schmiermitteleigenschaften bereit stellt. Zinkstearat stellt eine Entwicklerleitfähigkeit und Triboverstärkung bereit, beides aufgrund seiner Schmiermitteleigenschaft. Zusätzlich ermöglicht Zinkstearat eine höhere Tonerladung und Ladungsstabilität durch Erhöhung der Anzahl von Kontakten zwischen dem Toner und den Trägerpartikeln. Kalziumstearat und Magnesiumstearat stellen ähnliche Funktionen bereit. Am meisten bevorzugt wird ein im Handel erhältliches Zinkstearat, bekannt als Zinkstearat L, erhältlich von der Ferro Corporation, welche einen durchschnittlichen Partikeldurchmesser von ca. 9 Mikrometern aufweist, wie in einem Coulter Counter gemessen wird.
Wie vorstehend erläutert wurde, sind neuere Farbtonerpartikel in dem Bereich zwischen 4–10 Mikrometer, was kleiner als die vorstehend genannte monochromen Tonerpartikel ist. Wonach Toner nach dem Stand der Technik üblicherweise Oberflächenzusätze von weniger als 1 Gewichtsprozent aufweisen, die an den Tonerpartikeln anhaften, erfordern neuere Toner zusätzlich robustere Flusshilfsmittel, Ladungssteuerung, und andere Eigenschaften, die von den Oberflächenzusätzen beigetragen werden. Dementsprechend ist es wünschenswert, dass die Größe der Oberflächenzusatzpartikel auf den Bereich zwischen 30 bis 50 Nanometer erhöht wird und die Menge der Oberflächenzusätze mehr als 5 Gewichtsprozent beträgt. Die Kombination von kleineren Tonerpartikeln und größeren Oberflächenzusatzpartikel macht das Anhaften der vergrößerten Menge der Zusätze schwieriger.
In einem Beispiel enthalten die Toner ca. zwischen 0,1 bis 5 Gewichtsprozent Titan, ungefähr 0,1 bis 8 Gewichtsprozent Silizium und ungefähr 0,1 bis 4 Gewichtsprozent Zinkstearat. Für ordentliches Anhaften und Funktionalität liegen die üblichen Größen der Partikelzusätze in einem Bereich von 5 bis 50 Nanometer. Einige neuere Toner erfordern eine größere Anzahl von Zusatzpartikeln als Toner nach dem Stand der Technik und einen größeren Anteil von Zusätze in dem 25–50 Nanometer Bereich. Das SiO₂ und TiO₂ könnten bevorzugt eine Primärpartikelgröße größer als ca. 30 Nanometer, vorzugsweise mindestens 40 nm aufweisen, wobei die Primärpartikelgröße zum Beispiel durch Transmissions-Elektronenmikroskopie (TEM) gemessen oder (unter der Annahmen von sphärischen Partikeln) aus der Messung der Gasadsorption oder BET, Oberfläche berechnet werden. Das TiO₂ wird als besonders hilfreich im Aufrechterhalten der Entwicklung und der Übertragung über einen breiten Bereich von Oberflächenbedeckung und Auftragslauflänge befunden. Das SiO₂ und TiO₂ werden vorzugsweise an Toneroberflächen mit der gänzlichen Deckung des Toners in einem Bereich von zum Beispiel von ungefähr 140 bis 200% theoretische Oberflächenbedeckung (surface area coverage: SAC) verwendet, wobei die theoretische SAC (im nachfolgenden immer als SAC bezeichnet) unter der Annahme berechnet wird, dass alle Tonerpartikel sphärisch sind und einen Durchmesser haben, der gleich dem Volumenmediandurchmesser des Toners ist, wie er in dem Standard COUNTER COUNTER-Verfahren gemessen wird, und dass die Zusatzpartikel als Primärpartikel auf der Toneroberfläche in einer hexagonal geschlossenen gepackten Struktur verteilt sind. Eine weiteres Maß, das sich auf die Menge und die Größe der Zusätze bezieht, ist die Summe der „SAC mal Größe" (Oberflächebedeckung multipliziert mit der Primärpartikelgröße des Zusatzes in Nanometern) für jedes der Siliziumoxide und Titanpartikel oder dergleichen, für welche alle der Zusätze vorzugsweise einen „SAC mal Größe"-Bereich von zum Beispiel zwischen 4500 bis 7200 aufweisen sollten. Das Verhältnis der Siliziumoxide zu Titanpartikel ist im Allgemeinen zwischen Siliziumoxide 50%/50% Titan und 85% Siliziumoxide/15% Titan (auf einer Gewichtsprozentbasis), obwohl das Verhältnis größer oder kleiner sein könnte als diese Werte, vorausgesetzt, dass die Ziele der Erfindung erreicht werden. Die Toner mit geringerer SAC mal Größe könnten potentiell angemessene Anfangsentwicklung und Übertragung in HSD Systemen bereitstellen, aber könnten vielleicht keine stabile Entwicklung und Übertragung während des verlängerten Laufs von niedriger Oberflächendeckung (niedriger Toner-Durchsatz) ergeben.
Um die Anhaftungskraft der Oberflächenzusätze an den Tonerpartikel zu messen, ist ein Messverfahren erforderlich. Solch ein Verfahren wird in dem US Patent No. 6,598,466B1 und US Patent No. 6,508,104B1 offenbart. Das Verfahren, das in diesen Anmeldungen gelehrt wird, ergibt einen Wert, der als Verteilung der Anhaftungskraft der Zusätze (AAFD: „Additive Adhesion Force Distribution") bekannt ist. In der Tat ist der AAFD-Wert ein Maß dafür, wie gut ein Oberflächenzusatz an dem Tonerpartikel haftet, sogar wenn dieser mit intensiver Schallenergie zersprengt wird. Wie spezifisch an den hierbei verbesserten Tonern angewendet wurde, umfasst das AAFD Messverfahren das folgende:
Stufe 1 – Rühren

1. Abwiegen von ca. 2,6 g Toner in 100 ml-Becher.
2. Zugeben von 40 ml 0,4% Triton-X Lösung.
3. Rühren für 5 min. in 4 automatischen Stationen-Rührer (Beginn bei ungefähr 20.000 rpm (rpm: revolutions per minute: Umdrehungen/min), langsames Erhöhen zu 30.000–40.000–50.000 rpm).
4. Überprüfen auf nicht benetzte Partikel, nochmals Rühren, wenn erforderlich.

Stufe 2 – Beschallung (4 Horn Aufbau)

1. Beschallen bei 0 kJ (das heißt, keine Beschallung), 3 kJ und 6 kJ in dem Beschallermodel Sonica Cell Model VCX 750, hergestellt von Sonics und Materials, Inc., unter Verwendung von vier (4) 5/8 inch Hupen bei einer Frequenz von 19,95 kHz.
2. Die Hupen sind abgestimmt und kalibriert für jeden Energiepegel. Für 0 kJ beträgt die Zeit 0 Minuten; für 3 kJ beträgt die Zeit 2,5 bis 3,0 Minuten; und für 6 kJ beträgt die Zeit 5,0–6,0 Minuten.
3. Die Hupe sollte ca. 2 mm von dem Becherboden entfernt sein.
4. Übertragung auf das gekennzeichnete abnehmbare 50 ml Zentrifugenrohr (Hineingießen der Hälfte, Verquirlen, Eingießen des Rests, Zugeben von destilliertem Wasser, um die Lösung auf 45 ml zu bringen.)
5. Sofort zentrifugieren.

Stufe 3 – Zentrifugieren

1. Zentrifugieren bei 2000 rpm für 3 Minuten.
2. Vorsichtiges Abgießen der aufschwemmenden Flüssigkeit, Zugeben von 40 ml destilliertem Wasser, gut Schütteln. (Zugeben von 10 ml Triton-X-Lösung wenn, erforderlich.)
3. Zentrifugieren bei 2000 rpm für 3 Minuten.
4. Vorsichtiges Abgießen der aufschwemmenden Flüssigkeit, zugeben von 40 ml DI, gut Schütteln.
5. Zentrifugieren bei 2000 rpm für 3 Minuten.
6. Vorsichtiges Abgießen der aufschwemmenden Flüssigkeit, Zugeben von einer ganz kleinen Menge an destilliertem Wasser, Wiederverteilen mit einem Spatel.

Stufe 4 – Filtern

1. Anschalten der Filtrationsmaschine mit dem nassen Whatman #5 Filter.
2. Abspülen des Spatels mit destilliertem Wasser auf die Filtermitte; Gießen der Spülung langsam in die Mitte des Filters; Mit einer Spritze mit destilliertem Wasser einmal oder zweimal Spülen; Spülung langsam auf den Filter Gießen. Spülung auf den Filter gießen.
3. Ausschalten der Filtrationsmaschine.
4. Entfernten des Filters und Trocknen auf einem Ofen in einer Abzugshaube über Nacht.

Stufe 5 – Mahlen/Schrotpresse

1. Übertragen des Toners auf Wiegepapier durch Umdrehen des Filters und Antippen des Filters mit dem Spatel ohne den Filter zu verkratzen.
2. Zusammenrollen des Wiegepapiers und Gießen der Probe in den Plastikmahlbehälter.
3. Mahlen für 4–5 min.
4. Pressen in Presslinge

Stufe 6 – Berechnen des AAFD-Werts
Analysieren durch wellenlängendispersive-Röntgenfluoreszenz-Spektroskopie (Wavelength Dispersive X-Ray Fluorescence Spectroskopy: WDXRF), um den Prozentsatz der verbleibenden Oberflächenzusätze (besonders SiO₂ und TiO₂) mit dem Prozentsatz der Zusätze in nicht-beschallten Steuerungspresslingen zu vergleichen. Das Verhältnis gleicht dem AAFD Wert, der als Prozent ausgedrückt wird. WDXRF funktioniert, weil jeder Zusatz so wie zum Beispiel das SiO₂ durch seine charakteristische Frequenz erfasst werden kann.
Eine Reihe von Pareto-Analysen bestätigt, dass wenn die AAFD-Werte für Schwankungen der Mischintensität, Geschwindigkeit des Werkzeugs, und der Menge der Zusätze berechnet werden, der Faktor, der die AAFD-Werte am meisten beeinflusst die Mischintensität ist. Der zweitrangige Faktor ist die Minimierung der Menge an vorhandenen Zusätzen. Jedoch ist, wie vorstehend erläutert wurde, sowohl eine Erhöhung der Anhaftung und auch eine Erhöhung in der Gesamtmenge der Zusätze ein Ziel des verbesserten Toners der vorliegenden Erfindung. Als solches ist ein verbessertes Mischwerkzeug, welches erhöhte Mischintensität bietet, ein Primärfaktor im Erreichen des verbesserten Toners der vorliegenden Erfindung.
Bezug nehmend auf 11 wird die Verbesserung der AAFD-Werte, die durch eine erhöhte Spezifische Energie während des Mischens bewirkt werden, durch die 3 Kurven demonstriert, welche AAFD-Werte für 3 Pegel von Spezifischer Energie bereitstellen. Die y-Achse des Diagramms in 12 zeigt den Prozentsatz der SiO₂ Oberflächenzusätze, die nach den AAFD-Vorgehensweisen bleiben, wie vorstehend wurde. Die x-Achse zeigt 3 Pegel von Beschallung einschließlich keiner Beschallung und Beschallung bei 3 kJoules und 6 kJoules. Jede Kurve wurde unter Verwendung von identischen Tonern erzeugt, die eine Oberflächebedeckung von 160% aufweisen, was 6,7 Gewichtsprozent der Gesamtzusätze von SiO₂ und TiO₂ in einem Oberflächenbedeckungsverhältnis von SiO₂ zu TiO₂ von 3,0 entspricht, und ein Gewichtsprozent von Zinkstearat von 0,5%. Der einzige Unterschied ist der Betrag der Spezifischen Energie, welche wiederum ein direktes Ergebnis der unterschiedlichen Werkzeuge ist, die während des Mischprozesses verwendet werden.
Die niedrigste Kurve mit den schlechtesten AAFD-Messungen wurde mit der Verwendung des Standard-Henschel-Mischwerkzeugs der Bauweise, wie in 2 gezeigt wird, erhalten. Nach 6 kJoules Beschallungsenergie, die auf Toner angewendet wurde, die mit diesem Werkzeug hergestellt wurden, wurde fast alle SiO₂ Oberflächenzusätze entfernt, was einen geringen Grad an Oberflächezusatzhaftung anzeigt. Die mittlere Kurve wurde für Toner erzeugt, die mit einer Spezifischen Energie von 506 W/kg (230 Watt/lb.) hergestellt wurden. Diese Spezifische Energie kann mit dem Littleford-Werkzeug nur in einer nicht-handelsüblichen 10-Liter-Ausführung und nur bei extrem hohen Werkzeuggeschwindigkeiten erzeugt werden, wie in 9 gezeigt wird. Wie vorstehend in Bezug auf 10 beschrieben wurde, wird das Littleford-Werkzeug nicht für einen 75-Liter Behälter hergestellt, und wenn es für ein 75-Liter Behälter hergestellt werden würde, würde es weit weniger als 506 W/kg (230 Watt/lb.) Spezifischer Energie erzeugen. Für einen Toner, der mit einer Spezifischen Energie von 506 W/kg (230 Watt/lb.) hergestellt wurde, zeigt die Kurve in 11 an, dass nach Mischen und vor der Beschallung über 60% der SiO₂ Oberflächenzusätze an den Tonerpartikel haften bleiben. Sogar nach einer Beschallungsenergie von 6 kJ bleiben über 40% der Oberflächenzusätze anhaften. Die Erfahrung zeigt, dass für die meisten Zwecke diese AAFD-Werte einen annehmbaren Pegel von Oberflächenzusätze anzeigen, welcher zu angemessener Vermischung und Durchladung, Kohäsion, und minimierten Drahtverschmutzungseffekten führt.
Angemessene Vermischung und Durchladung wird als Zustand festgelegt, in welchem frisch zugebener Toner rapide Ladung auf denselben Pegel wie die des obenliegenden Toners gewinnt (Toner, der in dem Entwickler vor der Zugabe des frischen Toners vorhanden ist) in den Entwickler. Wenn frisch zugegebener Toner versagt, sich rapide auf den Pegel des Toners aufzuladen, der sich bereits in dem Entwickler befindet, tritt ein Situation auf, die als langsame Vermischung bekannt ist, und zwei unterschiedliche Ladungspegel existieren Seite an Seite in dem Entwickler-Teilsystem. In extremen Fällen könnte frisch zugegebener Toner, der noch keine Ladung hat, für eine Entwicklung auf dem Fotoraufnehmer vorhanden sein. Wenn umgekehrt frisch zugegebener Toner sich auf einen Pegel auflädt, der höher ist als der des Toners, der sich bereits in dem Entwickler befindet, tritt ein Phänomen auf, das als Durchladung bekannt ist, in welchem der Toner mit niedriger Ladung oder Toner mit gegensätzlicher Polarität der oben liegende Toner ist.
Drahtverschmutzungseffekte treten auf, wenn eine Oberfläche des Drahtes, welche mit der Spenderwalze des HSD-Entwicklungssystems in Kontakt ist, mit einer Schicht von Toner oder Tonerbestandteilen beschichtet wird. Drahtverschmutzung ist ein besonderes Problem, wenn die Schicht von Tonerbestandteilen Tonerpartikel umfasst, die mit externen Tonerzusätzen hochangereichert sind, welche von den Tonerpartikel selbst vertrieben werden könnten.
Wieder Bezug nehmend auf 11 wird die höchste Kurve mit dem Werkzeug der vorliegenden Erfindung erzeugt, das eine Spezifische Energie von 858 W/kg (390 Watt/lb) erzeugt. Wie in den 9 und 10 gezeigt wird, sind die Werkzeuge der vorliegenden Erfindung die einzigen Werkzeuge, die dafür bekannt sind, dass sie solch eine Spezifische Energie erzeugen können. Mit einer Spezifischen Energie von 858 W/kg (390 Watt/lb) werden über 80% der Oberflächenzusätze nach Mischen angehaftet und fast 70% bleiben sogar anhaften, nachdem sie einer Beschallungsenergie von 6 kJoules ausgesetzt wurden. Somit demonstrieren die AAFD-Werte aus 11 sowohl verbesserte Oberflächenwertanhaftung des Toners, der mit einer neuen Mischwerkzeug der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde und die Tatsache, dass Toner, die mit Pegeln von höherer Spezifischer Energie hergestellt wurden, sowohl mit einem höheren Pegel von Oberflächenzusätzen beginnen und höhere Pegel von Anhaftung an diesen Zusatzpartikeln aufrechterhalten, sogar nachdem sie Kräften ausgesetzt wurden, die dazu neigen, die Tonerpartikeln von den Zusatzpartikel zu trennen.
Bezug nehmend auf 12 werden Verbesserungen in der Kohäsion und Tonerflusseigenschaften des Toners für Toner demonstriert, die zur Verwendung von Mischwerkzeugen der vorliegenden Erfindung hergestellt werden. Es ist wohl bekannt, dass Toner-Kohäsivität schädliche Auswirkungen auf die Tonerhandhabung und die Tonerabgabe haben kann. Toner mit übermäßig hoher Kohäsion können Brückenbildung zeigen, was verhindert, das frischer Toner zu dem Entwickler-Mischsystem zugegeben wird. Umgekehrt können Toner mit sehr niedriger Kohäsion zu Schwierigkeiten beim Steuern der Tonerabgabeeinheiten und Tonerkonzentration führen, wodurch übermäßiger Schmutz in der Druckvorrichtung hervorgerufen wird. Zusätzlich werden in einem HSD-System Tonerpartikel erst von einer magnetischen Bürste zu zwei Spenderwalzen entwickelt. Der Tonerfluss muss derart sein, dass die HSD-Drähte und elektrischen Entwicklerfelder ausreichend sind, um Toneranhaftung an der Spendenrwalze zu vermeiden und um angemessene Bildentwicklung auf dem Fotoaufnehmer zu ermöglichen. Auf die Entwicklung auf dem Fotoaufnehmer folgendend, müssen die Tonerpartikel vom dem Fotoaufnehmer auf dem Substrat übertragbar sein. Aus den vorstehend genannten Gründen ist es wünschendwert, die Tonerflussmerkmale so zu gestalten, um sowohl die Kohäsion von Partikeln untereinander und Anhaftung von Partikeln an Oberflächen so wie zum Beispiel den Spenderwalzen und dem Fotoaufnehmer zu minimieren. Solche bevorzugten Flusseigenschaften stellen aufgrund der hohen und stabilen Entwicklung und der hohen und gleichmäßigen Übertragungsraten eine verlässliche Bildleistung bereit.
Tonerflussmerkmale werden sehr bequem durch die Messung von Tonerkohäsion quantifiziert. Eine standardisierte Vorgehensweise folgt dem nachfolgenden Protokoll und könnte unter Verwendung eines Hosokawa Pulver Testers durchgeführt werden, der von Micron Powder Systems erhältlich ist.

1. Platzieren einer bekannten Menge an Toner, wie zum Beispiel zwei Gramm auf den Aufsatz einer Reihe von drei Sieben mit einer Siebmaschenweite von 53 Mikrometern, 45 Mikrometer, und 38 Mikrometern von oben nach unten;
2. Vibrieren der Siebe und des Toners für eine festgelegte Zeit bei einer festgelegten Vibrationsamplitude, zum Beispiel für 90 Sekunden bei 1 Millimeter Vibrationsamplitude;
3. Messen der Menge von Toner, der auf jedem der Siebe am Ende des Vibrationszeitraumes übrig bleibt.

Ein Kohäsionswert von 100% bedeutet, dass der gesamte Toner am Ende des Vibrationsschrittes auf dem Siebaufsatz bleibt. Ein Kohäsionswert von 0 bedeutet, dass der gesamte Toner durch all die Siebe durchgegangen ist, das heißt, dass kein Toner am Ende des Vibrationsschrittes auf einem der drei Siebe bleibt. Je höher der Kohäsionswert, desto geringer ist die Flussfähigkeit des Toners. Minimieren der Tonerkohäsion wird höhere Pegel und stabilere Entwicklung und höhere Pegel und gleichmäßigere Tonerübertragung bereit stellen.
12 stellt die Ergebnisse der vorstehenden Vorgehensweisen für 3 identische Toner graphisch dar, die mit drei unterschiedlichen Pegeln von Spezifischer Energie hergestellt wurden. Die Toner haben alle dieselben Rezepturen, wie sie verwendet wurden, um 11 erzeugen und die Werte Spezifischer Energie der Werkzeuge sind ebenso dieselben. Kurz gesagt entspricht die Spezifische Energie von 143 Watt/kg (65 Watt/lb) dem Standard Henschel Mischwerkzeug. Die Spezifische Energie von 506 W/kg (230 Watt/lb) ist einfach mit den Werkzeugen der vorliegenden Erfindung erreichbar, aber unter Verwendung des Standard Littleford-Werkzeugs nach dem Stand der Technik nur in nicht handelsüblichen für 10 Liter ausgelegte Behälter erreichbar. Die Spezifische Energie von 858 W/kg (390 Watt/lb) ist mit Werkzeugen der vorliegenden Erfindung nicht erreichbar. Wie in 12 gezeigt wird, korreliert der Prozentsatz der Kohäsion umgekehrt mit der Spezifischen Energie, die während des Mischens verwendet wird. Der beste oder niedrigste Leistungswert für die Kohäsion wurde bei dem höchsten Pegel von Spezifischer Energie von 858 W/kg (390 Watt/lb) erhalten. Somit führte eine höhere Spezifische Energie wie erwartet zur Anhaftung von mehr Oberflächenzusätzen mit mehr durch schnittlichen Anhaftungen pro Partikel. Dies wiederum führt zu verminderter Kohäsion zwischen den Tonerpartikel und zu optimierter Flussfähigkeit der Tonermischung.
Zusammenfassend hat diese Beschreibung der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Mischwerkzeug beschrieben, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von Tonern, und verbesserte Toner mit größeren Mengen an Oberflächenzusätzen, die an den Tonerpartikeln mit stärkerer Haftung anhaften. Das verbesserte Mischwerkzeug der vorliegenden Erfindung schließt erhöhte aufragende Elemente an den Enden des Mittelschenkels ein, wobei diese aufragenden Elemente in einem Winkel von weniger als 17 Grad zu der Achse des Schenkels angewinkelt sind. Das verbesserte Werkzeug könnte ebenso „Rück-Mitreiß"-Schabblätter aufweisen, die an dem Mittelabschnitt des Mittelschenkels fest angebracht sind. Verglichen mit bekannten Werkzeugen nach dem Stand der Technik ermöglicht ein Werkzeug der vorliegenden Erfindung eine höhere Mischintensität, als zuvor möglich war. Eine höhere Mischintensität erlaubt beträchtliche Kosteneinsparungen durch Verringern der Zeit, die zum Mischen erforderlich ist, wodurch die Produktivität erhöht wird. Ferner ergibt die höhere Mischintensität der vorliegenden Erfindung eine verbesserte Tonerzusammensetzung, welche größere Mengen von Oberflächenzusätzen als zuvor bekannt aufweist, die mit größerer Haftung zwischen den Oberflächenzusätzen und den Tonerpartikeln angebracht wurden, wodurch die Tonereigenschaften so wie zum Beispiel die Flussfähigkeit verbessert wurde.
Es ist deshalb offensichtlich, das hier in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ein Mischwerkzeug und Tonerpartikel bereit gestellt wurden, die den Zielen und Vorzügen genügen, die vorstehend dargelegt wurden. Wenngleich die Erfindung in Verbindung mit unterschiedlichen Ausführungsformen beschrieben worden ist, ist es ofensichtlich, dass viele Alternativen, Modifikationen, und Variationen für den Fachmann ersichtlich sein werden. Demgemäß ist es beabsichtigt alle derartigen Alternativen Modifikationen, und Variationen einzubeziehen, die in den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche fallen.

Claims

Ein Mischwerkzeug (50), welches zur Rotation auf einer Mischmaschinenwelle (14) bestimmt ist, wobei das Werkzeug umfasst: (a) einen Schenkel (51), welcher eine längsseitige Achse, wenigstens ein Ende, und einen Endbereich nahe an dem Ende aufweist; und (b) ein aufragendes Element (52, 53), welches fest an dem Endbereich des Schenkels angebracht ist, wobei das aufragende Element eine Außenfläche aufweist, die einer inneren Wand eines Behälters (10) zugewandt ist, wobei die Außenfläche (55) einen Vorwärtsbereich (56) nahe an einer Führungskante (52A, 53A) des aufragenden Elementes aufweist, wobei der Vorwärtsbereich (56) von der längsseitigen Achse des Schenkels (51) in einem Winkel zwischen 10 und 16 Grad nach außen angewinkelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das aufragende Element (52, 53) Durchgangsloch-Flussöffnungen (52C, 52D) umfasst.
Das Werkzeug nach Anspruch 1, wobei der Winkel zu der längsseitigen Achse des Schenkels (51) zwischen 14 und 15,5 Grad beträgt.
Das Werkzeug nach Anspruch 1, wobei die gesamte Außenfläche des aufragenden Elementes (53, 53) von der längsseitigen Achse des Schenkels in einem Winkel zwischen 10 und 16 Grad nach außen angewinkelt ist.
Das Werkzeug nach Anspruch 1, wobei das aufragende Element (52, 53) eine im Allgemeinen ebene Form aufweist.
Das Mischwerkzeug nach Anspruch 1, wobei der Schenkel (51) eine diagonale Abmessung aufweist, die durch den Abstand zwischen den entsprechenden Führungskanten (52A, 52A) der gegenüberliegenden aufragenden Elemente (52, 52) gegeben ist und das aufragende Element (52, 53) eine Höhenabmessung aufweist und wobei das Verhältnis der Höhenabmessung zu der diagonalen Abmessung größer als 0,20 ist.
Das Mischwerkzeug nach Anspruch 5, wobei das Verhältnis größer als 0,25 ist.
Eine Mischmaschine, die umfasst: (a) einen Behälter (10) zum Aufnehmen eines Mediums, das gemischt werden soll; (b) ein Mischwerkzeug (50), das innerhalb des Behälters angebracht ist, wobei das Mischwerkzeug sowohl (i) einen Schenkel (51), der eine längsseitige Achse, wenigstens ein Ende, und einen Endbereich nahe an dem Ende aufweist und (ii) ein aufragendes Element (52, 53) umfasst, welches fest an dem Endbereich des Schenkels (51) angebracht ist, wobei das aufragende Element eine Außenfläche (55) aufweist, die einer inneren Wand des Behälters (10) zugewandt ist, wobei die Außenfläche (55) einen Vorwärtsbereich (56) nahe an einer Führungskante (52A, 53A) des aufragenden Elementes aufweist, wobei der Vorwärtsbereich (56) von der längsseitigen Achse in einem Winkel zwischen 10 und 16 Grad nach außen angewinkelt ist; und (c) eine drehbare Antriebswelle (14), die mit dem Mischwerkzeug (50) im Inneren des Behälters (10) verbunden ist, zum Übertragen einer Drehbewegung auf das Mischwerkzeug, dadurch gekennzeichnet, dass das aufragende Element (52, 53) die Durchgangsloch-Flussöffnungen (52C, 52D) umfasst.
Ein Verfahren zum Mischen von Tonern, das umfasst: (a) Zugeben von Tonerpartikeln, welche eine Mischung von Tonerharz und Farbstoffen umfassen, zu einer Mischmaschine; (b) Zugeben von Oberflächen-Zusatzpartikeln zu der Mischung aus Tonerpartikeln; und (c) Mischen der Tonerpartikel und der Oberflächen-Zusatzpartikel in der Mischmaschine gemäß Anspruch 7.