KR101236573B1 - 토너의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고속, 고해상도 화상 형성에 적합한 토너의 제조방법에 관한 것으로, 토너 제조용 원료를 용융 혼련하는 압출기의 선단 다이 측 배럴 온도를 최대한 낮게 설정하여 압출기로부터 토출되는 혼련물의 냉각 효과를 높이고, 냉각된 혼련물을 펠렛화한 다음, 분쇄/분급하여 토너를 제조한다. 본 발명에 따라 제조된 토너는 정착성 및 광택이 우수하고 넓은 비오프셋(anti-offset) 범위에서 양질의 화상을 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 미분 발생이 최소화됨으로써 토너 제조의 경제성을 제고할 수 있는 장점을 갖는다.
토너, 용융 혼련, 펠렛, 분쇄/분급, 냉각

Description

토너의 제조방법{Process for Producing Toner}
본 발명은 고속, 고해상도 화상 형성에 적합한 토너의 제조방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 토너 제조용 원료를 용융 혼련하는 압출기의 선단 다이 측 배럴 온도를 최대한 낮게 설정하여 압출기로부터 토출되는 혼련물의 냉각 효과를 높이고, 냉각된 혼련물을 펠렛화한 다음, 분쇄/분급하여 입경이 균일하고 정착성 및 광택이 우수한 토너의 제조방법에 관한 것이다.
최근 프린트 기술의 동향을 살펴보면, 디지털화와 함께 칼라화가 급속하게 진행되고 있다. 특히, 디지털 기기의 보급에 따라 고화질의 화상을 구현하기 위한 화상 형성 방법 및 이에 사용되는 토너에 대한 연구가 활발히 수행되고 있다.
이와 관련하여, 전자사진법에 의한 화상 형성 방법은, 광학적 수단에 의하여 감광체 상에 형성된 정전 잠상이 현상 공정을 통하여 현상된 후, 전사 공정에서 기록지 등의 기록 매체에 전사되고, 이어지는 정착 공정에서 열과 압력 등에 의해 기록 매체에 정착되어 화상을 얻는 방법이다.
정전 잠상을 가시화하여 현상하기 위하여는 착색 안료 등을 수지 중에 혼련(혼합)하고 분쇄하여 얻어지는 토너(toner) 분체를 사용하는데, 이러한 토너는 일 반적으로 원재료 혼합 단계, 용융 혼련(melt-kneading) 단계, 분쇄/분급 단계, 및 외첨 단계를 거쳐 제조된다.
일반적으로 토너는 정착성, 내오프셋성, 대전 안정성 등이 요구되며 최근에는 고화질의 화상을 얻기 위해 정착된 토너의 광택도, 내구성, 저장 안정성 등에 있어서 개선된 물성을 갖출 것이 요구되고 있다.
특히, 토너용 결착 수지는 토너의 물성에 큰 영향을 미치는 성분으로 알려져 있는 바, 용융 특성 및 분쇄특성이 우수한 폴리에스테르 수지를 사용하는 다양한 제조 기술이 개발되었다.
통상적으로, 분자량이 작고 연화온도가 낮은 결착 수지는 토너의 광택성을 향상시키는데 유리하나, 내오프셋성 및 내구성의 저하를 가져오는 단점을 갖는다. 반면, 분자량이 크고 높은 연화 온도를 갖는 결착 수지는 토너의 용융 점도 특성을 향상시키고 내오프셋성을 향상시키는데 유리하나, 광택성과 저온 정착성을 저하시키는 문제점을 갖고 있다. 상기의 문제점을 보완하고 넓은 온도 범위에서의 향상된 정착성 및 내오프셋성 등을 충족하기 위해 분자량이 다른 2종 이상의 결착 수지를 사용하는 방법 등이 제안되고 있다(국내특허공개번호 제2006-74092호 및 일본특허공개번호 제2007-148085호).
한편, 토너 제조 시 발생되는 미분(fine toner)은 인체에 유해할 뿐 아니라, 토너를 이용한 화상 형성 시 인쇄 품질을 저하시키기 때문에 반드시 분급 공정을 통하여 분리/제거해 주어야 하는데, 이때 분리되는 미분은 결국에는 토너의 생산 단가를 상승시키는 요인이 된다. 따라서, 최근에는 이러한 미분을 재생하여 토너 제조 과정에 다시 투입하는 기술에 관한 연구가 진행되고 있다.
이와 관련한 선행기술로서, 일본특개평 6-266157호는 분급 미분을 중량평균입경 500 마이크론 내지 5mm로 조립화함으로써 제조 공정 중 발생된 미분을 재활용하는 기술을 개시하고 있다.
일본특개평 8-69126호는 토너 미분을 혼련한 후에 토너 제조 공정에 리사이클하는 기술을 개시하고 있는 바, 토너 미분은 연속식 압출기 내에서 혼련되며, 상기 연속식 압출기의 배럴 내경 D와 원료 공급구에서 출구까지의 길이 L은 L/D≤35의 관계를 만족한다.
상술한 기술의 경우, 발생된 토너 미분을 재활용하는데 중점을 두고 있으나, 토너의 안정적인 물성을 고려했을 때 미분 재생의 효율성에 한계가 있을 수 밖에 없다. 또한, 제조된 토너 입자의 크기가 불균일할 경우, 프린팅 공정 시 용융 불균형으로 인하여 토너의 정착성, 비오프셋 특성, 광택성 등의 저하를 초래하게 된다.
따라서, 단순히 발생된 토너 미분의 재활용에 머무는 것이 아니라, 토너 제조 과정에서 원하는 입자 크기 범위 내에서 균일한 토너를 제조함으로써, 미분 발생에 따른 각종 문제점을 근본적으로 해결하는 방안이 절실히 요구되고 있다.
본 발명자들은 지속적으로 연구를 수행한 결과, 토너 원료의 용융 혼련용 압출기로부터 토출되는 혼련물을 분쇄/분급하기에 앞서 펠렛화하는 단계를 부가하고, 압출기의 선단 다이 측 배럴의 온도를 특정 범위로 설정하여 압출기로부터 토출되는 혼련물의 냉각 효과를 높임으로써 입경이 균일하고 정착성, 비오프셋 특성 및 광택성 면에서 우수한 토너를 제조할 수 있음을 발견하였다.
따라서, 본 발명의 목적은 균일한 입자 크기를 나타내어 프린팅 공정 시 용융 불균일로 인한 토너의 정착성, 비오프셋 특성 및 광택성의 저하를 최소화할 수 있는 토너의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 제조된 토너 입자의 크기를 원하는 범위 내에서 균일화하여 미분의 발생을 최소화함으로써 제조 원가를 낮출 수 있는 토너의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 구체예에 따르면,
(a) 1 또는 2 이상의 결착수지를 함유하는 토너 제조용 원료를 압출기의 선단 다이 측 배럴의 온도를 Tm-50℃ 내지 Tm (Tm은 연화 온도가 가장 높은 결착수지의 연화 온도를 의미함)으로 유지하면서 압출기 내에서 용융 혼련하는 단계;
(b) 상기 단계 (a)로부터 얻어진 혼련물을 냉각하는 단계;
(c) 상기 냉각된 혼련물을 1 내지 5㎜ 입경 범위로 펠렛화하는 단계; 및
(d) 상기 펠렛을 분쇄 및 분급하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 토너의 제조방법이 제공된다.
본 발명에 따른 토너의 제조방법은 압출기의 선단 다이 측 배럴의 온도를 최대한 낮게 제어하여 용융 혼련하고, 압출기에서 토출된 혼련물을 적절한 온도에서 냉각시킨 후 일정 크기로 펠렛화한 다음, 이를 분쇄/분급하여 입경 분포가 균일한 토너를 제조함으로써 정착성 및 광택이 우수하고 넓은 비오프셋(anti-offset) 범위에서 양질의 화상을 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 미분 발생을 최소화함으로써 토너 제조의 경제성을 제고할 수 있는 장점을 갖는다. 따라서, 향후 광범위한 상용화가 기대된다.
본 발명은 하기의 설명에 의하여 모두 달성될 수 있다. 이는 본 발명의 바람직한 구체예를 기술하는 것으로 이해되어야 하며, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 따르면, 당업계에서 알려진 토너 제조용 원료를 사용할 수 있는 바, 전형적으로는 1종 또는 2종 이상의 결착 수지(바인더 수지)와 함께 착색제, 대전 제어제, 이형제 등을 포함할 수 있다. 이하에서는 이러한 토너 제조용 원료의 구체적인 예를 설명한다.
결착 수지
본 발명에 있어서, 토너의 주요 구성성분에 해당하는 결착 수지로서 폴리에스테르 수지, 스티렌계 수지, 아크릴계 수지, 스티렌-아크릴계 수지, 폴리올레핀계 수지, 폴리아미드계 수지, 폴리우레탄계 수지, 폴리카보네이트 수지 등과 그 공중합체로부터 단독 또는 2 이상의 조합을 사용할 수 있다. 바람직하게는, 폴리에스테르 수지를 사용한다. 본 발명의 구체예에 따르면, 상기 결착 수지의 연화점은, 바람직하게는 약 80 내지 200℃, 보다 바람직하게는 약 100 내지 190℃ 범위이다.
폴리에스테르 수지의 경우, 구체적으로 약 1,000 내지 200,000 보다 바람직하게는 약 5,000 내지 150,000의 중량 평균 분자량(Mw), 바람직하게는 약 80 내지 200℃, 보다 바람직하게는 약 100 내지 190℃의 연화점, 그리고 바람직하게는 약 40 내지 80℃, 보다 바람직하게는 약 55 내지 75℃의 유리전이온도를 나타내는 것이 바람직하며, 단독으로 또는 2 이상 조합하여 사용할 수 있다. 본 발명의 바람직한 태양에 따르면, 연화점이 상이한 2종 이상의 폴리에스테르계 수지를 선정하여 결착 수지로서 사용하는데, 상기 고연화점 영역의 수지와 저연화점 영역의 수지 사이의 연화점 차이를 바람직하게는 약 5 내지 100℃, 보다 바람직하게는 약 10 내지 80℃로 조절한다. 예를 들면, 상기 고연화점 영역의 수지는 50,000 내지 200,000의 중량 평균 분자량(Mw), 120 내지 200℃의 연화온도 및 50 내지 80℃의 유리전이온도를 나타내며, 상기 저연화점 영역의 수지는 1,000 내지 100,000의 중량 평균 분자량(Mw), 80 내지 130℃의 연화온도 및 40 내지 70℃의 유리전이온도를 나타낸다. 또한, 저연화점 수지에 대한 고연화점 수지의 혼합비(중량기준)를 약 0.1 내지 9, 보다 바람직하게는 약 0.5 내지 5로 조절할 수 있다.
스티렌계 수지의 경우, 스티렌 또는 스티렌 치환체(substituent)의 단일중합체 또는 공중합체로서 폴리스티렌, 폴리클로로스티렌, 폴리비닐톨루엔, 스티렌-p-클로로스티렌 공중합체, 스티렌-프로필렌 공중합체, 스티렌-비닐톨루엔 공중합체, 스티렌-비닐나프탈렌 공중합체 등이 있다.
스티렌-아크릴계 수지의 경우, 스티렌-메틸 (메타)아크릴레이트 공중합체, 스티렌-에틸 (메타)아크릴레이트 공중합체, 스티렌-옥틸 (메타)아크릴레이트 공중합체, 스티렌-페닐 (메타)아크릴레이트 공중합체 등이 있다.
폴리올레핀계 수지로서, 미국특허번호 제5,106,715호 등에서 개시된 수지를 사용할 수 있는 바, 예를 들면 에틸렌, 프로필렌, 부틸렌, 시클로헥실프로필 에틸렌, 데실 에틸렌, 도데실 에틸렌, 1-에틸 에틸렌, 1-에틸-1-메틸-테트라메틸렌, 에틸-2-프로필렌, 헵틸 에틸렌, 헥실 에틸렌, 이소펜틸 에틸렌, 1,1-디메틸 에틸렌 등의 단일중합체 또는 공중합체일 수 있다. 상기 특허는 본 발명의 참고문헌으로 포함된다.
폴리아미드 수지의 경우, 대표적으로 다가 카르복실산과 다가 아민의 축합반응을 통하여 얻어질 수 있으며, 미국특허번호 제4,770,969호 등에 개시되어 있다. 상기 다가 카르복실산으로서 1,2,4-벤젠트리카르복시산, 1,2,4-시클로헥산트리카르복시산, 1,2,4-부탄트리카르복시산, 1,2,5-헥산트리카르복시산, 이들의 산 무수물 등이 있으며, 상기 다가 아민으로서 에틸렌디아민, 헥사메틸렌디아민, 자일렌디아민, 트리에틸렌테트라아민 등이 있다.
본 발명의 구체예에 따르면, 토너 내에 함유되는 결착 수지의 총 함량이 지나치게 적은 경우에는 토너의 정착성에 문제가 있을 수 있는 반면, 지나치게 많은 경우에는 오프셋의 문제가 발생할 수 있다. 이점을 고려하여, 결착 수지의 총 함량은 토너 100 중량부를 기준으로, 바람직하게는 약 68 내지 98 중량%, 보다 바람직하게는 약 80 내지 95 중량% 범위이다.
착색제
본 발명에서 사용 가능한 착색제로서, 당업계에 알려진 것을 특별한 제한이 없이 사용할 수 있는 바, 구체적으로 무기 또는 유기의 각종 안료 및/또는 염료 등을 사용할 수 있다. 이의 대표적인 예로서, 카본 블랙, 프탈로시아닌 블루(phthalocyanine blue), 퍼머넌트 브라운(permanent brown) FG, 브릴리언트 퍼스트 스칼렛(brilliant first scarlet), 안료 그린(pigment green) B, 로다민(rhodamine)-B 베이스(bass), 흡수제 레드(sorbent red) 49, 흡수제 레드(sorbent red) 146, 흡수제 블루(sorbent blue) 35, 퀴나크리돈(quinacridone), 카민 6B, 디스아조 에로 등을 들 수 있다. 상기 착색제는 단독으로 또는 2종 이상을 조합하여 사용할 수 있다.
착색제의 함량이 지나치게 적은 경우에는 투광도에 문제가 있을 수 있는 반면, 지나치게 많은 경우에는 분산성에 문제가 있을 수 있다. 이를 고려하여, 토너 100 중량부를 기준으로 바람직하게는 약 1 내지 30 중량%, 보다 바람직하게는 약 2 내지 10 중량% 범위로 함유될 수 있다.
상기 착색제 성분은 용융 혼련 시 분산성을 고려하여 결착 수지 및 다른 첨가제 등과 함께 마스터 배치 형태로 도입될 수도 있다.
이형제
본 발명의 구체예에 있어서, 이형제로서 왁스(wax) 성분이 사용되며, 당업계에서 알려진 것을 특별한 제한 없이 사용할 수 있다. 특히, 저융점 왁스 및 고융점 왁스를 모두 사용할 수 있다. 비교적 낮은 점도를 갖는 저융점 왁스로는 카르나우바(carnauba) 왁스, 라이스(rice) 왁스, 몬탄(montan) 왁스 등의 자연계 식물 에스테르계 왁스, 파라핀 왁스 등이 있으며, 고융점 왁스로는 폴리에틸렌 왁스, 폴리프로필렌 왁스 등의 합성 탄화 수소계 왁스 등이 있다.
본 발명의 바람직한 구체예에 따르면, 왁스의 온도별 점도 특성에 따른 콜드오프셋(cold-offset) 및 핫오프셋(hot-offset)을 보완하고, 화상 형성 시 정착기에 종이 말림 현상(wrap jam)을 방지하지 하기 위하여 각기 다른 융점을 갖는 왁스를 조합하여 사용할 수도 있다. 이때, 저융점의 왁스의 융점은 약 50 내지 100℃인 것이 바람직하며, 고융점 왁스의 융점은 약 100 내지 170℃인 것이 바람직하다.
상기 이형제의 함량이 지나치게 적은 경우, 정착성이 저하될 수 있는 반면, 지나치게 많은 경우에는 내오프셋성을 저하시킬 수 있음을 고려하여, 토너 100 중량부를 기준으로, 바람직하게는 약 0.5 내지 10 중량%, 보다 바람직하게는 약 2 내지 5 중량% 범위에서 함유된다.
상기 왁스는 용융 혼련 시 분산성을 고려하여 결착 수지 및 다른 첨가제 등과 함께 마스터 배치 형태로 도입될 수 있다.
대전 제어제
본 발명의 구체예에 따르면, 토너의 대전 특성을 안정화시키고 화상 형성 시 잔량의 발생을 최소화하여 고화상을 얻을 수 있는 토너를 제조하기 위하여 대전 제어제를 첨가한다.
상기 대전 제어제로는 특별히 한정되지는 않지만, 4급 암모늄 염(salt)을 비롯해서 4급 암모늄 염 또는 아미노기를 함유한 수지, 아조 금속 화합물, 아세틸 아세톤 금속 화합물 및 그 착제, 벤질산계, 방향족 히드록시 카르본산계, 각종 흑인 신계, 살리실산계, 프탈로시아닌(phthalocyanine), 페릴렌, 퀴나 크리돈(quinacridone), 질소 화합물의 금속 염 또는 그 착체, 붕소 화합물 또는 그 착체, 카르복실기, 술포닐기를 함유하는 술폰산 염, 트리페닐 메탄계, 트리메틸 에탄계 및 니그로신계 염료 등을 사용할 수 있다.
대전 제어제의 함량이 지나치게 적은 경우에는 토너 입자의 하전량 조절을 기대하기 어려운 반면, 지나치게 많은 경우에는 안정된 대전 특성을 얻기 어려운 문제가 있다. 이점을 고려하여, 토너 입자 100 중량부를 기준으로, 바람직하게는 약 0.5 내지 5 중량%, 보다 바람직하게는 약 0.7 내지 2 중량% 범위에서 함유된다.
본 발명에서 사용되는 대전 제어제는 결착 수지 및 다른 첨가제 성분과 함께 마스터 배치화함으로써 향상된 상용성 및 분산성을 부여할 수도 있다.
또한, 상기 대전 제어제는 산화 티탄, 수지 파우더 등과 함께 토너 입자의 대전 안정성을 부여하기 위한 외첨 공정에서도 사용될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 구체예에 있어서, 용융 혼련 시 압출기로 투입되는 토너 제조용 원료의 바람직한 조성은 결착 수지를 기초로 하여 내첨제를 함유하며, 보다 구체적으로는 토너 100 중량부를 기준으로 결착 수지 약 68 내지 98 중량%, 착색제 약 1.0 내지 30 중량%, 이형제 약 0.5 내지 10 중량% 및 대전 제어제 약 0.5 내지 5 중량%를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 압출기 내에서 결착 수지, 및 착색제 등의 첨가제를 용융 혼련하여 얻어진 혼련물을 냉각, 펠렛화, 분쇄 및 분급의 순으로 가공하여 입자 형태의 토너(바람직하게는, 약 3 내지 15 마이크론의 평균입경을 가짐)를 제조한다. 이와 같은 입자형 토너의 표면에 각종 첨가제를 부착함으로써 유동 특성, 대전 특성 등을 향상시킬 수 있다. 하기에서는 이러한 외첨제에 대하여 설명한다. 다만, 본 명세서에서는 상기 성분을 토너 입자의 표면에 부착하기 위한 것으로 기술하고 있으나, 경우에 따라 적어도 1종은 착색제, 왁스, 대전 제어제 등과 함께 용융 혼련 단계에서 내첨제로서 사용될 수도 있다.
외첨제
전술한 바와 같이, 본 발명의 구체예에 따르면, 토너는 상술한 결착 수지, 착색제, 이형제 및 대전 제어제 이외에도 하나 이상의 외첨제를 포함하는 것이 바람직하다. 이러한 외첨제는 당업계에서 알려진 무기 충진제, 유동성 향상제 및 대전 안정제로부터 1종 또는 2종 이상을 선택하여 사용할 수 있다. 이에 대한 예는 하기와 같다:
상기 외첨제로서 평균 입경이 다른 2종 이상의 실리카인 것이 바람직한 바, 2종 이상의 실리카를 첨가하는 이유는, 흐름성 및 내구성을 양립시키기 위한 것이다. 이때, 실리카는 약 5 내지 50 nm의 평균 입경 범위 내에서 2종 이상이 선정되는 것이 바람직하다.
상기 실리카의 표면은 바람직하게는 소수화 처리될 수 있는 바, 이에 사용되는 대표적인 처리제는 실란 커플링(silane coupling)제, 실리콘 오일류, 또는 그 혼합물이다. 전술한 바와 같이, 실리카는 외첨제로서 첨가될 수도 있으나, 경우에 따라서는 원료 혼합 시 내첨제로서 첨가될 수도 있다. 상기 외첨제, 특히 실리카의 부착량은 토너 입자 100 중량부에 대하여 약 0.1 내지 3 중량부가 바람직하다
또한, 실리카 이외에도 소수화 처리된 산화 티탄, 여러 가지 금속 산화물(알루미나, 산화세륨, 티탄산바륨, 티탄산스트론튬 등), 스테아린산아연과 같은 금속 비누, 구상 수지 미립자(예를 들면, 약 0.1 내지 2 마이크론의 입경을 갖는 멜라민 포름알데히드 수지) 등이 단독으로 또는 2 이상 조합하여 사용될 수도 있다. 상기 실리카 성분 이외의 외첨제의 부착량은 토너 입자 100 중량부에 대하여 약 0.1 내지 1 중량부 범위가 바람직하다.
토너 제조 공정
종래부터 알려진 토너 제조 방법은 토너 제조용 원료를 헨셀믹서, 터빈형 교반기, 슈퍼믹서, 볼 밀 등의 혼합기를 이용하여 충분히 혼합한 후, 오픈 롤 형 니더(open roll-type kneader), 일축 또는 이축 압출기 등의 용융 혼련기를 사용하여 혼련하고, 이를 통해 얻어진 혼련물을 냉각한 후, 해머 밀 등의 충격식 분쇄기를 이용하여 기계적으로 조분쇄하고, 제트밀 등을 사용하여 미분쇄한 후, 분급하고 외첨하는 공정을 수반한다.
이에 대하여, 본 발명에서는 용융 혼련용 압출기의 선단 다이 측 배럴의 온도를 최대한 낮게 설정하여 다이에서 토출되는 혼련물의 냉각 효과를 높이고, 토너 원료의 혼련물을 일정 크기로 펠렛화하는 단계가 분쇄 및 분급에 앞서 수행되며, 이는 본 발명의 특징적 요소에 해당한다.
상기 토너 제조용 원료를 용융 혼련하는 압출기는, 바람직하게는 스크류 방식의 연속식 2축 압출기로서, 특히 바람직하게는 적어도 1개의 니딩부를 갖는다.
특히, 본 발명에 따르면, 상기 토너 제조용 원료 중 연화점이 가장 높은 결 착 수지의 연화점을 Tm으로 정하였을 때, 압출기의 선단 다이 측 배럴의 온도를 Tm-50 내지 Tm, 바람직하게는 Tm-40 내지 Tm-20℃로 유지하는 것이 중요하다. 만약, 상기 온도 범위에 미달할 경우에는 혼련물의 토출에 문제가 있을 수 있는 반면, 상기 온도 범위를 초과할 경우에는 토출된 용융 혼련물의 펠렛화(Pelletizing)가 불가능해질 수 있는 문제점이 야기된다. 이에 따라, 다이로부터 토출되는 혼련물의 온도가 Tm-70 내지 Tm, 바람직하게는 Tm-50 내지 Tm-20℃ 범위에 있도록 한다. 본 발명에 있어서, "압출기의 선단 다이 측 배럴"은 구체적으로 압출기에서 용융 혼련물의 토출구를 포함하는 배럴을 가리킨다.
그 다음, 상기와 같이 얻어진 혼련물은 펠렛화 단계에 앞서 냉각되는 바, 이때 냉각을 위하여 바람직하게는 냉각 벨트를 통과시키는 방식 등이 이용될 수 있다. 이를 구체적으로 설명하면, 상기 냉각 벨트는 냉각부와 연결되어 냉각부를 통과하는 압출물을 펠렛타이저(pelletizer)까지 이동시키면서 냉각 벨트 상에 부착된 블로워(blower)로부터 공급되는 냉기 또는 주변 온도에 접촉시키거나, 또는 수냉식 냉각조에서 냉각수와 접촉시킴으로써 냉각시킬 수 있다. 이때, 혼련물의 냉각 온도는, 바람직하게는 약 10 내지 80℃, 보다 바람직하게는 약 30 내지 70℃ 범위이다. 냉각 온도가 요구 수준보다 높은 경우에는 냉각 효과가 충분하지 않아 혼련물이 펠렛타이저의 회전 롤러(roller)에 늘어붙는 문제가 있을 수 있는 반면, 요구 수준보다 낮은 경우에는 혼련물의 온도가 지나치게 낮아져서 의도하는 크기로 절단(cutting)되지 않기 때문에 미분이 발생되는 문제가 있을 수 있다. 따라서, 전 술한 냉각온도 범위로 조절하는 것이 바람직하다.
한편, 상기와 같이 냉각된 혼련물은 입경이 약 1 내지 5mm, 바람직하게는 약 1 내지 3mm 범위로 펠렛화되는데, 상술한 입경 범위로 한정하는 이유는 이러한 입경 범위에서 미분쇄 공정에 이용되는 제트밀 등의 분쇄기에 적합하게 투입될 수 있기 때문이다. 실제, 상기 범위를 초과한 크기의 펠렛의 경우, 후속 분쇄 공정에 사용되는 제트밀 등의 분쇄기에 투입하기 곤란하다.
혼련물의 펠렛화 공정에는 원통형 커터나이프(cutter knife)를 포함하는 일반적인 펠렛타이저가 특별한 제한 없이 이용될 수 있고, 이를 통해 얻어진 펠렛의 형상은 일반적으로 단면 지름이 약 1 내지 3mm이고 길이가 약 1 내지 5mm인 원통형인 것이 바람직하다.
한편, 상기와 같이 얻어진 펠렛은 분쇄 및 분급 단계를 통하여, 바람직하게는 약 3 내지 15 μm, 보다 바람직하게는 약 5 내지 10μm의 평균 입경을 갖는 토너 입자로 제조된다. 상기 토너 입자는, 바람직하게는 입경의 표준 편차가 약 5μm 이하, 보다 바람직하게는 3 μm 이하이고, 또한 3μm 이하인 입자가 전체 입자의 약 10% 미만, 보다 바람직하게는 약 5% 미만이다.
본 발명은 하기의 실시예에 의하여 보다 명확히 이해될 수 있으며, 하기의 실시예는 본 발명의 예시 목적에 불과하며 발명의 영역을 제한하고자 하는 것은 아니다.
실시예 1
본 실시예에서는 연화점이 상이한 2종의 폴리에스테르 수지(A1 및 A2)를 사용하고 이축압출기(W&P사의 제품명 ZSK25; L/D=39)을 사용하여 하기와 같이 실시하였다.
이때, 토너 제조용 원료의 조성비는 결착수지(A1+A2) 93 중량%, 카본 블랙(Mogul-L, Cabot) 3.5 중량%, 4급 암모늄염(T-77, Hodogaya Chem.) 1.0 중량%, 카르나우바 왁스(Towax-143, Toa Kasei) 1.5중량% 및 저분자량 폴리프로필렌 왁스(Viscol 660P, Sanyo Chem.) 1.0 중량%로 하였으며, 결착 수지 중 A2에 대한 A1의 중량비(A1/A2)를 4로 조절하였다.
연화점이 145℃인 폴리에스테르 수지(A1), 연화온도가 115℃인 폴리에스테르 수지(A2), 착색제, 대전 제어제, 저융점 왁스, 및 고융점 왁스를 헨셀믹서를 사용하여 예비 혼합한 후, 상기 이축 압출기의 원료 투입구를 통해 결착 수지 기준 15 kg/hr의 공급 속도로 자유 낙하시켜 투입하고, 스크류 회전속도 200 rpm 하에서 용융 혼련하였다.
상기 용융 혼련용 압출기의 선단 다이 측 배럴의 온도는 약 110 내지 120℃로 유지하였다. 그 결과, 압출기로부터 토출된 혼련물의 온도는 약 100℃이었다.
상기 토출된 혼련물을 약 40℃로 유지되는 수냉식 냉각조를 통과시켜 약 70℃로 냉각시켰으며, 그 후, 펠렛타이저(한진산업, HJCD-75)를 이용하여 단면 지름이 약 1mm, 길이가 약 3mm인 원통형 펠렛으로 절단(cutting)하였다. 50℃에서 24시간 동안 건조시킨 후, 제트밀(Hosokawa Alpine사의 100AFG) 분쇄기를 이용하여 분 쇄하고, 분급기(Hosokawa Alpine사의 50ATP)를 이용하여 기류 분급하였다. 이렇게 얻어진 평균 입경 7 내지 10㎛ 의 토너 입자 100 중량부에 대하여 평균입경이 다른 2종의 소수성 실리카 RX300(Aerosil사) 및 H05TD(Wacker사)를 각각 1.0 중량부, 그리고 아크릴 스티렌계 수지 파우더(MP-1000, Soken chemical co.) 0.5 중량부를 헨셀 믹서 내에서 고속 혼합/부착하였다.
실시예 2
압출기에서 토출된 혼련물을 블로워(삼양사 자체 제작)가 부착된 냉각 벨트를 통과시키면서 상기 블로워로부터의 공급된 냉기와 접촉시켜 70℃로 냉각시킨 후 펠레화하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방식으로 토너를 제조하였다
비교예 1
압출기에서 토출된 혼련물을 블로워가 부착된 냉각벨트를 통과시킨 후, 펠렛화하지 않고 해머 밀 및 제트밀 방식의 100AFG(Hosokawa Alpine) 분쇄기를 사용하여 2단계로 분쇄(조분쇄/미분쇄)하고 분급한 것을 제외하고는 실시예 2와 동일한 방식으로 토너를 제조하였다.
상기 실시예와 비교예를 통하여 제조된 토너 입자 및 이에 사용된 결착 수지를 하기의 방법을 통하여 평가하였으며, 그 결과를 표 1 및 2에 나타내었다.
(1) 연화점(℃)
유동시험기(CFT-500D, Shimadzu)를 사용하였고, 지름 1mm, 높이 1mm의 노즐, 하중 20kgf, 그리고 승온 속도는 6℃/min로 하여 측정하였다. 온도-피스톤 스트로크 곡선으로부터, 유출 개시 온도와 종료 온도에 해당하는 피스톤 스트로크 값의 차이의 1/2을 구하고, 그 피스톤 스트로크 값에 해당하는 온도를 구하여 연화점으로 정하였다.
(2) 저온 정착성
온도 설정 및 변경이 가능한 프린터를 사용하여 실리콘 오일이 도포되지 않은 100mm/s 속도의 정착 롤러에 의해 토너가 종이에 정착될 수 있는 최저 온도를 측정하였다. 토너의 정착 여부를 판단하기 위하여, 정착된 화상의 응집 발생 여부를 육안으로 관찰하였으며, 하기 기준에 의하여 평가하였다.
◎(매우 양호): 정착 온도가 120℃ 미만
○(양호): 정착 온도가 120℃ 이상 130℃ 미만
△(사용가능): 정착 온도가 130℃ 이상 150℃ 미만
×(불량): 정착 온도가 150℃ 이상
(3) 내오프셋성
상기 프린터를 사용하여 정착 롤러의 설정 온도를 순차적, 반복적으로 상승시키면서 토너를 정착시켰을 때, 전사지 위의 토너 오염 발생 여부를 육안 관찰하 였고, 상기 토너에 의한 오염이 발생되는 최저 온도를 오프셋 발생 온도로 하였으며, 하기 기준에 의하여 평가하였다.
◎(매우 양호): 오프셋 발생 온도가 220℃ 이상
○(양호): 오프셋 발생 온도가 200℃ 이상 220℃ 미만
△(사용 가능): 오프셋 발생 온도가 180℃ 이상 200℃ 미만
×(불량): 오프셋 발생 온도가 180℃ 이하
(4) 입경 및 입경 분포 및 미분 함량
입자 분포 측정 장치(Beckman Coulter, Multisizer 3)를 이용하여 전체 토너 입자의 입경 중간값(D50, Median)을 구하였고, 또한 전체 토너 입자의 수 평균 입경을 구하여 표준편차(S.D.)를 구하였다.
또한, 3μm 이하의 입경을 갖는 입자 수를 계산하고 전체 토너 입자 수로 나누어 미분의 함량(%)를 계산하였다.
(5) 글로스(Gloss)
화질의 농도 및 광택성을 평가하기 위하여 종이 위의 토너 농도를 약 1.0g/㎠로 조정하고, 인쇄 속도 100mm/s 및 온도 150℃로 설정된 정착기를 이용하여 화상을 토너에 정착시킨 후, Suga사의 UGV-5D을 이용하여 입사각 60도인 경우의 측정값으로 나타내었다.
[표 1]
결착 수지 A1 A2
연화점(℃) 145 115
[표 2]
물성 실시예 비교예
1 2 1
저온 정착성 ◎ ◎ △
내오프셋성 ○ ◎ △
D50 (μm) 7.881 7.940 7.742
S.D. (μm) 2.263 2.309 3.419
미분 함량(%) 3.6 4.5 15.6
글로스(gloss) 26 23 17
상기 표 2에 나타낸 바와 같이, 실시예 1 및 2에 따라 이축 압출기의 선단 다이 측 배럴의 온도를 적절히 설정하고, 이축 압출기로부터 토출된 혼련물을 특정 온도에서 냉각시킨 후 펠렛화한 경우, 종래에 알려진 토너 제조 공정에 상당하는 비교예 1에 비하여 입경 분포가 균일할 뿐만 아니라, 저온 정착성 및 내오프셋성이 우수한 토너를 얻을 수 있었다.
특히, 물을 이용한 냉각조를 사용하여 혼련물을 냉각시킨 실시예 1의 경우, 펠렛타이징 단계에서 발생된 펠렛의 크기가 실시예 2에 비하여 보다 균일하여, 이후 제트 밀 방식의 100AFG(Hosokawa Alpine) 분쇄기 및 50ATP(Hosokawa Alpine) 분급기를 이용한 분쇄/분급 공정을 거친 최종 토너의 입자 크기가 가장 균일하고 미분 함량이 가장 적은 것으로 나타났다. 또한, 균일한 입자 크기를 나타내기 때문에 용융 불균일로 인한 글로스 저하가 적어 인쇄물의 광택성 면에서도 우수한 토너를 얻을 수 있었다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로, 본 발명의 구체적인 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.

Claims (11)

  1. 토너의 제조방법으로, 상기 방법은
    (a) 1 또는 2 이상의 결착수지를 함유하는 토너 제조용 원료를 압출기의 선단 다이 측 배럴의 온도를 Tm-50℃ 내지 Tm (Tm은 연화 온도가 가장 높은 결착 수지의 연화 온도를 의미함)으로 유지하면서 압출기 내에서 용융 혼련하는 단계;
    (b) 상기 단계 (a)로부터 얻어진 혼련물을 냉각하는 단계;
    (c) 상기 냉각된 혼련물을 1 내지 5㎜ 입경 범위로 펠렛화하는 단계; 및
    (d) 상기 펠렛을 분쇄 및 분급하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 토너는 전체 토너 입자 수 중에서 입경이 3μm 이하인 입자 수가 4.5% 이하인 것을 특징으로 하는 토너의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 압출기는 적어도 하나의 니딩부를 갖는 스크류 방식의 연속식 이축압출기인 것을 특징으로 하는 토너의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 단계 b)에서 상기 혼련물이 10 내지 80℃로 냉각되는 것을 특징으로 하는 토너의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 압출기로부터 토출되는 혼련물의 온도가 Tm-70 내지 Tm, 범위인 것을 특징으로 하는 토너의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 단계 b)는 블로워가 부착된 냉각 벨트, 또는 수냉식 냉각조를 이용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 토너의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 토너 제조용 원료는, 결착 수지 68 내지 98 중량%, 착색제 1.0 내지 30 중량%, 이형제 0.5 내지 10 중량% 및 대전 제어제 0.5 내지 5 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 토너의 제조방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 토너 제조용 원료가 무기 충진제, 유동성 향상제 및 대전 안정제로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 토너의 제조방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 결착 수지는 폴리에스테르 수지, 스티렌계 수지, 아크릴계 수지, 스티렌-아크릴계 수지, 폴리올레핀계 수지, 폴리아미드계 수지, 폴리우레탄계 수지, 폴리카보네이트 수지 및 이의 공중합체로 이루어진 군으로부터 1 또는 2 이상 선택되는 것을 특징으로 하는 토너의 제조방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 결착 수지는 1,000 내지 200,000의 중량 평균 분자량(Mw), 80 내지 200℃의 연화점, 그리고 40 내지 80℃의 유리전이온도를 갖는 폴리에스테르 수지인 것을 특징으로 하는 토너의 제조방법.
  10. 삭제
  11. 제6항에 있어서, 상기 토너에 무기 충진제, 유동성 향상제 및 대전 안정제로부터 선택되는 적어도 하나를 외첨하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 토너의 제조방법.
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