KR100530844B1 - 초음파 바이브레이터를 이용한 토너의 제조방법 및 그호퍼 - Google Patents

초음파 바이브레이터를 이용한 토너의 제조방법 및 그호퍼 Download PDF

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Abstract

본 발명은 정전기 분체 원료(electronic charge powder material)의 뭉침(segregation) 현상을 억제하여 원료투입을 안정화할 수 있으며 균일한 색도 품질을 가지는 토너를 얻을 수 있는 토너의 제조방법에 관한 것으로, a) 수지, 자성체, 전하 제어제(CCA), 왁스, 및 첨가제를 포함하는 정전기 분체 원료를 예비혼합하는 단계 b) 상기 예비혼합된 분체원료를 초음파를 조사하면서 압출기로 공급하는 단계 c) 상기 압출기로 공급된 분체 원료를 용융혼련하여 배출하는 단계 및 d) 상기 배출된 원료를 분쇄 및 분급하는 단계를 포함하는 토너의 제조방법을 제공한다.

Description

초음파 바이브레이터를 이용한 토너의 제조방법 및 그 호퍼 {METHOD FOR PREPARING TONER USING ULTRA-SONIC VIBRATOR AND HOPPER THREEOF}
본 발명은 토너의 제조방법에 관한 것으로, 특히 정전기 분체 원료(electronic charge powder material)의 뭉침(segregation) 현상을 억제하여 원료투입을 안정화할 수 있으며 균일한 색도 품질을 가지는 토너를 얻을 수 있는 토너의 제조방법에 관한 것이다.
프린터 인쇄, 복사기 인쇄 등의 정전하상을 현상하는 데 사용되는 토너는 통상 토너입자가 종이 등에 착상이 되도록 하는 수지, 정전하상을 인식시키는 자성체(착색제), 복사 및 프린트가 되기 위해 필요한 토너의 전하량을 띄게 해 주는 전하 제어제(CCA), 왁스, 및 첨가제 등을 포함하는 약 1 내지 10 ㎚ 크기의 정전기 분체 원료를 균일 분산을 위한 예비혼합 공정, 수지와의 결착을 위한 압출기를 이용한 용융혼련 공정, 및 입자크기 및 분포결정을 위한 분쇄 및 분급 공정을 거쳐서 약 10 ㎛ 크기의 토너 입자로 제조한다.
이러한 토너 제조 공정에서 원료 입자들이 불균일하게 분산되면 과분쇄가 발생하고, 수율이 저하되며, 또한 최종 토너제품의 화상품질이 저하되고, 색도 품질의 균일성이 낮아지는 문제점이 발생한다.
상기 문제점을 해결하기 위하여 토너 제조자들은 토너를 제조할 때 원료 입자들이 균일하게 분산되어 압출기에서 용융혼련이 되도록 예비혼합 공정 후에 압출기에 연결되어 설비된 원료 호퍼에 에어 바이브레이터(air vibrator), 또는 에어 녹커(air knocker)와 같은 장치를 설치하고 호퍼에 진동 또는 충격을 공급하는 방법으로 원료 입자들이 호퍼에서 뭉쳐지지 않고 균일한 분산성을 가지고 압출기에 투입되도록 하였다.
그러나 상기와 같은 진동 또는 충격을 원료공급 호퍼에 공급하는 방법은 원료 호퍼로 충전되는 원료 입자들이 진동 또는 충격에 의해 다져지게 되므로 유동성이 악화되어 원료투입의 안정화가 어렵게 되는 문제점이 발생할 수 있고, 진동 또는 충격으로 인하여 원료 호퍼가 열화되기가 용이하고, 계량시스템에 오차를 제공하며, 원료공급 호퍼(2)에 투입된 원료(1)가 시간이 경화함에 따라서 도 2, 및 도 3에 나타낸 모식도와 같은 브릿지(3) 현상이 발생되어 도 1에 나타낸 모식도와 같이 정상적인 매스 흐름(mass flow)식 원료(1)의 배출이 아닌 비정상적인 펀넬 흐름(funnel flow)식 원료(1)의 배출이 이루어지게 되는 문제점이 발생한다.
상기 펀넬 흐름식 원료의 배출은 매스 흐름식 원료배출과 비교하여 호퍼의 용적밀도 변화가 크고, 배출량 변화가 크고, 배출순서에도 앞에서 투입된 원료가 뒤에서 투입된 원료보다 늦게 배출되는 문제점을 발생시켜서 원료 성분들의 뭉침(segregation) 현상을 더욱 가속화시키게 된다.
상기와 같은 원료호퍼에서 압출기로의 불안정한 원료 공급은 원료 분산성의 불균일을 초래하고, 원료투입량의 불균일을 초래한다. 또한 원료 분산성의 불균일과 원료투입량의 불균일은 용융혼련 공정을 수행하는 압출기에서 압출온도의 큰 변동과 압력 존(pressure zone)의 온도를 증가시켜서 낮은 분산성과 높은 겉보기 밀도를 가지는 토너를 제조하게 된다. 이와 같이 낮은 분산성과 높은 겉보기 밀도를 가지는 토너는 화상품질이 저하되고, 색도 품질의 균일성이 낮아지는 품질의 불안정으로 나타난다.
따라서 균일한 품질의 토너를 얻을 수 있도록 원료투입 방법의 개선이 필요하다.
본 발명은 상기 종래기술의 문제점을 고려하여, 색도 품질이 균일한 토너를 얻을 수 있는 토너의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은 예비혼합 공정을 거친 정전기 분체 원료를 안정적으로 용융혼련 공정을 수행하는 압출기에 공급할 수 있는 토너용 정전기 분체 원료의 투입방법을 개선한 토너의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 균일하고 낮은 겉보기 밀도를 가지는 토너를 얻을 수 있는 토너의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여,
a) 수지, 자성체, 전하 제어제(CCA), 왁스, 및 첨가제를 포함하는 정전기 분체 원료를 예비혼합하는 단계
b) 상기 예비혼합된 분체 원료를 초음파를 조사하면서 압출기로 공급하는 단계
c) 상기 압출기로 공급된 분체 원료를 용융혼련하여 배출하는 단계 및
d) 상기 배출된 용융혼련물을 분쇄 및 분급하는 단계
를 포함하는 토너의 제조방법을 제공한다.
이하에서 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명자들은 예비혼합 공정, 압출기를 이용한 용융혼련 공정, 분쇄 및 분급 공정을 실시하여 토너를 제조할 때, 예비혼합된 정전기 분체 원료(electronic charge powder material)를 초음파를 조사하여 압출기로 공급하면 원료의 뭉침(segregation) 현상을 억제하여 원료투입을 안정화할 수 있으며, 균일한 색도 품질을 가지는 토너를 얻을 수 있음을 발견하고 본 발명을 완성하게 되었다.
본 발명의 토너 제조방법은 예비혼합된 정전기 분체 원료를 각각의 원료가 수지와 결착이 되도록 하기 위하여 실시되는 용융혼련을 위한 압출기로 공급할 때 초음파를 조사함으로써 달성된다.
상기 초음파의 조사는 압출기에 연결된 원료 호퍼를 통하여 예비혼합된 정전기 분체 원료가 압출기로 공급되는 일반적인 공정이라면 원료 호퍼에 초음파 진동기를 장착하고 호퍼로 공급되는 예비혼합된 정전기 분체 원료에 초음파를 조사한다.
상기 초음파의 조사는 원료 호퍼에 공급되는 정전기 분체 원료에 진동(vibration)과 케비테이션(cavitation)을제공한다. 진동효과는 초음파가 금속, 액체, 기체 순으로 전달속도가 빠르고, 호퍼를 구성하는 재료가 대부분 금속이므로 금속을 통하여 설비 전체에 진동을 전달하여 정전기 분체 원료가 호퍼의 내벽에 고착되는 것을 방지, 즉 호퍼 내벽에서 발생하는 브릿지(bridge) 현상을 억제하게 한다. 또한 케비네이션 효과는 초음파가 금속표면을 통하여 호퍼 안에서 폭발하고, 이 폭발 에너지가 뭉쳐지는 정전기 분체 원료를 분쇄하여 뭉침(segregation)을 억제한다.
상기 원료 호퍼에서 정전기 분체 원료가 초음파 조사에 의해 브릿지 현상과 뭉침 현상이 억제되는 효과는 도 4a, 도 4b, 및 도 4c에 나타낸 원료호퍼에서 나타난 쥐구멍 현상(rathole phenomenon)이 초음파로 파괴되는 모습을 촬영한 사진들로부터 알 수 있다. 도 4a는 초음파 조사 전에 정전기 분체 원료가 충전된 원료 호퍼에 나타난 쥐구멍 현상을 원료 호퍼의 상부에서 촬영한 사진이며, 도4b는 초음파 조사시작 후 0.5 분이 경과한 때에 정전기 분체 원료가 충전된 원료 호퍼에 나타난 쥐구멍 현상이 감소하는 것을 원료 호퍼의 상부에서 촬영한 사진이며, 도 4c는 초음파 조사시작 후 1.0 분이 경과한 때에 정전기 분체 원료가 충전된 원료 호퍼에 나타난 쥐구멍 현상이 사라진 것을 원료 호퍼의 상부에서 촬영한 사진이다.
이와 같이 초음파의 조사에 따라서 원료 호퍼에 공급되는 정전기 분체 원료는 원료 호퍼에서 매스 흐름(mass flow)식으로 배출되고, 압출기는 높은 분산성을 갖는 원료를 공급받게 된다. 이와 같은 매스 흐름식으로 원료를 배출하면 종래의 원료 호퍼에 에어 바이브레이터(air vibrator), 또는 에어 녹커(air knocker)와 같은 장치를 설치하고 호퍼에 진동 또는 충격을 공급하는 방법에 비하여 불균일한 원료 분산성이 나타나지 않으며, 압출기에 공급되는 불균일한 원료투입량도 나타나지 않게 된다.
상기와 같이 높은 분산성을 갖는 정전기 분체 원료를 균일하게 공급받은 압출기는 압출온도의 편차가 크게 감소(압출온도의 변동이 감소)하게 되어 더욱 균일한 조성의 용융혼련물을 제조할 수 있게 된다. 또한 이와 같은 압출온도의 안정화로 얻게 되는 균일한 조성의 용융혼련물은 다음 공정인 분쇄(조분쇄 및 미분쇄) 공정에서 토너입자의 겉보기 밀도(bulk denstity)를 낮추고 균일화시키며, 평균입경을 보다 낮추게 된다. 이와 같이 평균입경이 낮게 얻어진 최종 토너는 흑색도(ID)를 개선시킨다.
상기 초음파 조사를 적용하여 얻은 조분쇄 토너입자(crushed toner particle)의 겉보기 밀도 감소는 도 5에 나타낸 초음파 적용 전 후의 조분쇄물의 겉보기 밀도 변화 그래프로부터 알 수 있다. 또한 평균입경이 낮은 토너입자가 보다 우수한 흑색도(ID)를 나타냄은 도 6의 토너의 평균입경과 흑색도와의 관계를 나타낸 그래프로부터 알 수 있다.
본 발명의 초음파 조사는 적어도 20 ㎑ 용량의 초음파를 조사할 수 있는 초음파 진동기를 원료 호퍼의 외벽에 설비하여 호퍼 내의 정전기 분체 원료에 조사하는 것이 바람직하다. 상기 초음파 진동기(힘 0.1 F)를 호퍼 외벽에 4 대를 장착하고, 1000 내지 1500 Hz/sec의 주파수로 정전기 분체 원료에 조사할 경우 총 충격량은 400 내지 600 F로 나타난다. 종래의 전기식 진동기(힘 1 F)를 설비한 호퍼가 정전기 분체 원료에 진동을 가할 경우에 나타내는 충격량이 5 F 인 것과 비교하여 본 발명의 초음파 조사는 그보다 80 내지 120 배의 충격을 가할 수 있어서 에너지 효율도 우수하다. 도7은 전기식 진동기(4)가 원료 호퍼(2)의 외벽에 장착되어 원료 호퍼(2)의 내부로 진동을 가하는 종래의 원료 호퍼(2)를 나타낸 모식도이며, 도 8은 초음파 진동기(5)가 원료 호퍼(2)의 외벽에 장착되어 원료 호퍼(2)의 내부로 초음파를 조사하는 본 발명의 원료 호퍼(2)를 나타낸 모식도이다.
본 발명의 초음파 조사는 연속적으로 조사하여 토너원료의 공진성을 크게 하는 것이 바람직하다.
이하의 실시예 및 비교예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 단, 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것이지 이들만으로 한정하는 것이 아니다.
(실시예)
실시예 1
(예비혼합 공정)
수지, 자성체, 전하 제어제(CCA), 왁스, 및 첨가제를 포함하는 정전기 분체 원료를 일반 혼합기에서 예비 혼합하였다.
(원료 호퍼)
상기 예비 혼합물(1)을 도 8과 같이 초음파 진동기(5)(20 khz 용량)가 호퍼 높이의 1/2 지점에 1기(1번 위치), 안식각 하부에 2기(180° 어긋나기 배치, 2번 위치, 3번 위치), 및 호퍼의 배출 목(neck)에 1기(4번 위치) 설비된 원료 호퍼)(2)로 이송시키고, 각각의 초음파 진동기(5)를 18.7 khz(1번 위치), 18.5 khz(2번 위치), 18.5 khz(3번 위치), 및 17.0 khz(4번 위치)의 주파수로 연속적으로 초음파를 호퍼(2) 내의 분체 원료(1)에 조사하였다.
(용융 혼련)
상기 원료 호퍼로(2)부터 원료(1)를 도 9와 같은 압출기(6)로 투입하면서 용용혼련하고 배출하였다.
압출기(6)의 토크, 회전속도 및 부위별 온도를 측정하고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
(조분쇄)
상기에서 용융혼련된 혼련물을 도 9와 같은 조분쇄기(7)에서 분쇄하였다. 조분쇄시의 토크와 회전속도를 하기 표 1에 나타내었다.
실시예 2
초음파 진동기(5)를 300 초 동안 가동한 후 100 초 동안 중단하고, 다시 300 초 동안 가동하는 과정을 반복하면서 초음파를 호퍼(2) 내의분체 원료(1)에 조사하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 압출혼련하고, 조분쇄하여 토너를 제조하였다.
실제는 초음파 진동기를 연속적으로 가동하는 것이 더 바람직하다.
비교예 1
도 7과 같이 전기식 진동기(4)(진동수 5 hz/sec, 힘 1 F, 총충격량 5 F) 1 대가 안식각 하부에 장착된 원료호퍼(2)를 사용하여 진동 및 충격을 호퍼 내의 분체 원료(1)에 가하면서 압출기(6)로 분체 원료(1)를 공급하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 압출혼련하고, 조분쇄하여 토너를 제조하였다.
구 분 비교예 1 실시예 1
평균 편차 σ수준 평균 편차 σ수준
압출기 토크 53.1 0.26 20.4 52.8 0.31 16.8
rpm 300.6 3.15 9.5 300.2 1.58 18.9
온도 1 155.8 2.82 5.51 154.1 2.97 5.19
온도 2 153.2 1.89 8.11 152.2 2.12 7.16
온도 3 138.3 9.61 1.44 156.5 2.23 7.02
온도 4 - - - - - -
온도 5 138.5 1.57 8.81 137.4 1.39 9.87
온도 6 137.3 2.37 5.79 136.5 2.42 5.63
온도 7 115.3 3.00 3.84 112.9 1.58 7.14
온도 8 118.0 1.50 7.43 116.9 1.01 11.53
온도 9 118.0 1.47 8.40 117.8 1.27 9.21
토크 292.8 53.5 0.55 273.6 31.5 0.86
조분쇄기 rpm 300.6 3.2 9.5 300.2 1.52 19.7
상기 표 1에서 압출기의 온도 1, 2, 3은 이동 존의 온도이고, 온도4, 5, 6은 니딩(kneading) 존의 온도이고, 온도 7, 8, 9는 압력 존의 온도이다.
도 5는 비교예 1의 전기진동식 충격기가 장착된 원료호퍼를 통하여 분체원료를 공급하다가 실시예 1과 같이 초음파 진동기가 장착된 원료호퍼로 변경하였을 때의 조분쇄물의 겉보기 밀도 변화 그래프이다.
도 10은 비교예 1의 전기진동식 충격기가 장착된 원료호퍼를 통하여 분체원료를 공급하다가 실시예 1과 같이 초음파 진동기가 장착된 원료호퍼로 변경하였을 때의 평균입경(D50)과 최종 토너의 흑색도(ID)의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 11은 비교예 1의 전기진동식 충격기가 장착된 원료호퍼를 통하여 분체원료를 공급하다가 실시예 1과 같이 초음파 진동기가 장착된 원료호퍼로 변경하였을 때의 최종 토너의 흑색도(ID)의 시그마 수준변화를 나타낸 그래프이다.
도 12는 비교예 1의 전기진동식 충격기가 장착된 원료호퍼를 통하여 분체원료를 공급하다가 실시예 1과 같이 초음파 진동기가 장착된 원료호퍼에서 연속적으로 초음파를 조사하여 분체원료를 공급하다가, 다시 실시예 2와 같이 초음파 진동기가 장착된 원료호퍼에서 단속적으로 초음파를 조사하여 분체원료를 공급하는 것으로 변경하였을 때의 압출기의 이동 존(transfer zone) 1, 2, 3의 온도변화와 압출기의 압력 존(pressure zone) 7, 8, 9 의 온도변화, 및 조분쇄기의 토크 변화를 나타낸 그래프이다.
도 13은 실시예 1 및 실시예 2를 통하여 얻은 균일한 조성의 토너 입자를 나타낸SEM 사진이다.
상기 결과들로부터 본 발명의 초음파 진동기에 의한 초음파 조사에 의해 압출기로의 원료투입이 안정화되며, 분산성이 우수한 토너원료를 얻을 수 잇고, 이로부터 안정된 조분쇄 밀도를 가진 토너를 제조할 수 있음을 알 수 있다. 또한 분산성이 우수한 토너원료를 사용함으로 압출공정 안정화가 이루어져 색품질이 우수한 토너를 제조할 수 있음을 알 수 있다.
본 발명의 토너의 제조방법은 정전기 분체 원료(electronic charge powder material)의 뭉침(segregation) 현상을 억제하여 원료투입을 안정화할 수 있으며 균일한 색도 품질을 가지는 토너를 얻을 수 있다.
도 1은 정상적인 매스 흐름식으로 원료가 배출되는 원료 호퍼를 나타낸 모식도이다.
도 2는 브릿지 현상이 발생되어 펀넬 흐름식으로 원료가 배출되는 원료 호퍼를 나타낸 모식도이다.
도 3은 원료가 투입된 후 시간이 경과되면서 브릿지 현상이 심화된 원료 호퍼의 원료 배출 형식을 나타낸 모식도이다.
도 4a는 초음파 조사 전에 정전기 분체 원료가 충전된 원료 호퍼에 나타난 쥐구멍 현상을 원료 호퍼의 상부에서 촬영한 사진이다.
도 4b는 초음파 조사시작 후 0.5 분이 경과한 때에 정전기 분체 원료가 충전된 원료 호퍼에 나타난 쥐구멍 현상이 감소하는 것을 원료 호퍼의 상부에서 촬영한 사진이다.
도 4c는 초음파 조사시작 후 1.0 분이 경과한 때에 정전기 분체 원료가 충전된 원료 호퍼에 나타난 쥐구멍 현상이 사라진 것을 원료 호퍼의 상부에서 촬영한 사진이다.
도 5는 비교예 1의 전기진동식 충격기가 장착된 원료호퍼를 통하여 분체원료를 공급하다가 실시예 1과 같이 초음파 진동기가 장착된 원료호퍼로 변경하였을 때의 조분쇄물의 겉보기 밀도 변화 그래프이다.
도 6은 토너의 평균입경과 흑색도와의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 7은 전기식 진동기가 원료 호퍼의 외벽에 장착되어 원료 호퍼의 내부로 진동을 가하는 종래의 원료 호퍼를 나타낸 모식도이다.
도 8은 초음파 진동기가 원료 호퍼의 외벽에 장착되어 원료 호퍼의 내부로 초음파를 조사하는 본 발명의 원료 호퍼를 나타낸 모식도이다.
도 9는 실시예 1 및 비교예 1에 사용된 원료 호퍼, 압출기, 및 조분쇄기의 모식도이다.
도 10은 비교예 1의 전기진동식 충격기가 장착된 원료호퍼를 통하여 분체원료를 공급하다가 실시예 1과 같이 초음파 진동기가 장착된 원료호퍼로 변경하였을 때의 평균입경(D50)과 흑색도(ID)의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 11은 비교예 1의 전기진동식 충격기가 장착된 원료호퍼를 통하여 분체원료를 공급하다가 실시예 1과 같이 초음파 진동기가 장착된 원료호퍼로 변경하였을 때의 최종 토너의 흑색도(ID)의 시그마 수준변화를 나타낸 그래프이다.
도 12는 비교예 1, 실시예 1, 및 실시예 2에서 실시한 압출기의 이동 존(transfer zone) 1, 2, 3의 온도변화와 압출기의 압력 존(pressure zone) 7, 8, 9 의 온도변화, 및 조분쇄기의 토크 변화를 나타낸 그래프이다.
도 13은 실시예 1 및 실시예 2를 통하여 얻은 균일한 조성의 토너 입자를 나타낸 SEM 사진이다.
도면부호 1은 분체 원료이고, 2는 호퍼이고, 3은 브릿지이고, 4는 전기식 진동기이고, 5는 초음파 진동기이고, 6은 압출기이고, 7은 조분쇄기이다.

Claims (8)

  1. a) 수지, 자성체, 전하 제어제, 왁스, 및 첨가제를 포함하는 정전기 분체 원료를 예비혼합하는 단계
    b) 상기 예비혼합된 분체 원료를 초음파를 조사하면서 압출기로 공급하는 단계
    c) 상기 압출기로 공급된 분체 원료를 용융혼련하여 배출하는 단계 및
    d) 상기 배출된 용융혼련물을 분쇄 및 분급하는 단계
    를 포함하는 토너의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 b)단계의 조사는 압출기에 연결설비된 원료 호퍼에서 실시되는 토너의 제조방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 b)단계의 조사는 연속적으로 실시되는 토너의 제조방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 b)단계의 조사는 단속적으로 실시되는 토너의 제조방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 b)단계의 초음파의 주파수가 1000 내지 1500 Hz/sec인 토너의 제조방법.
  6. 내장된 토너원료의 공진성을 크게 하는 초음파를 가하기 위하여 그 외벽에 다수의 초음파 진동기를 구비하고 있는 원료 호퍼.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 초음파 진동기는 호퍼 높이의 1/2지점에 1기, 안식각 하부에 2기, 및 배출 넥크 부위에 1기 장착되는 것을 특징으로 하는 원료 호퍼.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 안식각 하부에 장착되는 2기의 초음파 진동기는 180 °어긋나기 배치되는 것을 특징으로 하는 원료 호퍼.
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