KR20060055669A - 도전성 폴리우레탄 폼 토너공급롤러 - Google Patents

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KR20060055669A
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Abstract

본 발명은 도전성 폴리우레탄 폼 토너공급롤러에 관한 것으로, 수분산 폴리티오펜을 폴리우레탄 폼에 함침 건조시켜 도전성을 부여함으로써 저경도 및 저저항을 유지하여 균일한 화상을 얻을 수 있고, 종래의 카본블랙 사용에 따른 화상 오염도 방지할 수 있다.

Description

도전성 폴리우레탄 폼 토너공급롤러{Electroconductive polyurethane foam toner supply roller}
본 발명은 전자사진장치 및 정전기적 기록장치에 사용되는 도전성 토너 공급롤러에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 저경도, 저저항 특성을 가지며, 기존의 카본블랙을 도전성 물질로 사용시 카본블랙 유출로 인한 백그라운 화상 오염을 방지할 수 있는 도전성 토너 공급롤러에 관한 것이다.
프린터, 팩시밀리, 복사기 등과 같은 정전기적 화상기록장치에서 토너는 공급롤러에 의해 현상롤러 표면에 공급되어진다. 토너공급롤러는 일반적으로 한 개의 금속 축(shaft)과 그 축을 감싸고 있는 도전성 엘라스토머 폼으로 이루어져 있다. 일반적으로 엘라스토머 폼은 요구되는 특성에 따라 폴리우레탄 폼, 실리콘 폼, EPDM, 그리고 기타 고무 블렌드 형태로 사용되어 진다. 표면 전기저항이 1011-1017 (Ω/square)인 절연성 엘라스토머에 도전성을 부여하기 위하여 카본블랙, 금속분말 또는 금속섬유 등을 상기 절연성 엘라스토머 폼에 혼합, 침지하거나, 본질적으로 도전성을 갖는 고분자 재료를 첨가하여 도전성 복합체를 제조하게 된다.
도전성 복합체는 제법이 간단하여 이미 전기전자산업에 많이 사용되고 있으며, 일정한 전도도를 유지하면서 가공성 향상을 위한 연구도 진행되고 있다.
카본블랙은 부도체인 엘라스토머에 도전성을 부여하기 위해 가장 많이 사용되어 오고 있는 첨가제이나, 103 - 106 (Ω/square)의 범위의 저저항을 구현하기 위해서는 다량의 카본블랙이 요구되며, 이로 인한 경도 증가와 카본블랙 유출로 인한 백그라운드(Background) 화상의 오염과 같은 문제점이 있다. 이는 중ㆍ고속기 대역(25ppm이상) 적용 롤러에서 더욱 심하다. 특히 엘라스토머 폼 내의 오픈 셀(open cell)에 토너의 눈메꿈 현상으로 인한 경도 상승으로 토너 스트레스가 가속화되고 화질 열화가 발생하며, 현상롤러와의 접촉 압력 과다로 인한 토너 열화 역시 가속화되어 토너공급롤러의 수명을 단축시킨다.
한편, 최근까지 도전성 고분자 재료들에 대한 물성 연구가 괄목할 만하게 발전해 왔으며, 전기전도도가 높은 고분자 재료들이 발견됨으로써 고분자 재료에 대한 기존관념을 넘어서 금속을 대체할 수 있는 고분자 제품들의 출현이 가능해 졌다. 전기를 전도할 수 있는 성질은 금속만이 가질 수 있는 것으로 알려졌으나 1977년에 요오드가 도핑된 폴리아세틸렌의 전기전도도가 103 S/cm로 금속에 버금간다는 사실이 밝혀진 이후, 폴리아닐린(PANI), 폴리피롤(PPy), 폴리티오펜(PT) 등의 다양한 도전성 고분자가 존재한다는 사실이 밝혀졌다.
상기와 같은 도전성 고분자를 폴리우레탄 폼에 도전성을 부여하기 위해 사용하는 경우, 폴리아닐린(PANI)은 가격이 저렴하다는 장점은 있지만, 열 안정성이 낮으며 염기에 취약하고, 불용성에 낮은 전기전도도 등 단점을 가지고 있어서 그 응용분야가 한정되어 있다. 뿐만 아니라 제조시 발생하는 중간체가 발암물질로 규정되어 있으므로 생산하는데 어려움이 있다. 폴리피롤(PPy)은 폴리아닐린에 비해서 물성이 다소 우수하다. 그러나 열안정성과 내용제성은 역시 미흡하다. 이에 반해 폴리티오펜(PT)은 우수한 물성을 가지고 있다.
한편, 도전성 고분자를 폴리우레탄 폼 기포벽에 부착시키기 위해서는 도전성 고분자 단독으로는 결합력이 약하므로 유기 바인더를 사용하게 된다. 바인더로서 일반적으로 사용되는 유기 중합체를 유기 용매에 용해시킨 용액 상태로 사용하는 경우, 여분의 바인더 폐기에 따른 환경 오염 문제를 일으킬 수 있다.
따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 토너공급롤러의 저경도, 저저항 특성 구현으로 화상 품질의 균일성 확보와 실리콘 폼 롤러 대체 물질로 폴리우레탄 폼 재질을 사용하여 원가절감 효과를 얻을 수 있으며, 저저항 특성을 위해 기존의 카본블랙을 사용하지 않고 도전성 고분자 물질을 이용함으로써 카본블랙 첨가에 따른 토너공급롤러의 경도 증가 및 카본블랙 유출로 인한 화상품질의 저하 등의 문제점을 개선할 수 있는 도전성 폴리우레탄 폼 토너공급롤러를 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명에서는 심재와 심재 주위에 형성된 도전성 폴리우레탄 폼 층을 구비하고, 상기 도전성 폴리우레탄 폼층은 폴리우 레탄 폼에 수분산 폴리티오펜과 수분산 폴리우레탄 바인더를 함침 건조시켜 형성된 것을 특징으로 하는 도전성 폴리우레탄 폼 토너공급롤러가 제공된다.
본 발명의 일 구현예에 따르면 상기 수분산 폴리티오펜은 고형분 함량이 1.2 내지 2.2%, 점도가 10 내지 30mPa.s, pH가 3 내지 8, 밀도가 0.900 내지 0.928g/㎤일 수 있다.
본 발명의 다른 구현예에 따르면 상기 수분산 폴리우레탄 바인더는 폴리올과 디이소시아네이트의 공중합시 이온첨가제를 사용하여 제조될 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면 상기 디이소시아네이트가 이소포론 디이소시아네이트(IPDI)일 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면 상기 수분산 폴리티오펜은 고형분 함량 기준으로 폴리우레탄 폼 100중량부에 대하여 1.2 내지 2.2중량부의 양으로 사용될 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면 상기 수분산 폴리티오펜과 수분산 폴리우레탄은 고형분 함량 기준으로 1.2:40 내지 2.2:50의 중량비로 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 도전성 폴리우레탄 폼 토너공급롤러는 저저항 및 저경도이고 카본블랙 유출에 따른 백그라운드 화상 오염이 없다.
이하 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명에서는 카본블랙 또는 도전성 고분자 소재인 폴리아닐린(PANI), 폴리피롤(PPy)이 아닌 폴리티오펜(PT)을 사용하고, 바인더로 수분산 폴리우레탄을 사용하여 도전성 폴리우레탄 폼 토너공급롤러를 제조하게 된다.
즉, 본 발명의 도전성 폴리우레탄 폼 토너공급롤러는 심재와 심재 주위에 형성된 도전성 폴리우레탄 폼 층을 구비하고, 상기 폴리우레탄 폼 층은 폴리우레탄 폼에 수분산 폴리티오펜과 수분산 폴리우레탄 바인더를 함침 건조시켜 부착함으로써 형성된다.
본 발명에 사용되는 폴리티오펜은 수분산 상태의 것을 이용하며, 하기 화학식 1로 나타낼 수 있다:
[화학식 1]
Figure 112004053640118-PAT00001
상기 식에서
R1 및 R2는 각각 독립적으로 직쇄 또는 분자쇄 C1-C18 알킬 또는 C2-C18 알콕시 알킬, 또는 C1-C6 알킬, C1-C6 알콕시 또는 할로겐으로 치환 또는 비치환된 C3-C8 시클로알킬, 페닐 또는 벤질이거나, 함께 C1-C6 알킬, C1-C6 알콕시, 할로겐, C3-C8 시클로알킬, 페닐, 벤질, C1-C4 알콕시페닐, 할로페닐, C1-C4 알킬벤질, C1-C4 알콕시벤질 또는 할로벤질에 의해 치환되거나 비치환된 직쇄의 C1-C6 알킬렌이다.
상기 폴리티오펜 중 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)이 가장 바람직하다.
본 발명에 사용되는 수분산 폴리티오펜은 고형분 함량이 1.2 내지 2.2%, 점 도는 10-30 mPa.s이고 pH값은 3 내지 8, 밀도는 0.900 내지 0.926 g/cm3인 것이 바람직하다.
폴리티오펜은 수분산 상태로 사용함으로써 폴리우레탄 폼에 균일하게 분산시킬 수 있다는 점에서 유리하다.
수분산 폴리티오펜의 고형분 함량이 상기 범위를 벗어나 너무 적으면 도전성 구현이 힘들며, 너무 많으면 폴리우레탄 폼의 경도 증가 및 기계적 물성이 변화하게 된다.
상기 수분산 폴리티오펜의 점도가 상기 범위를 벗어나 너무 작거나 크면 균일한 분산에 문제가 있다.
상기 수분산 폴리티오펜의 pH값이 상기 범위를 벗어나 너무 적거나 크면 바인더로 사용되는 수분산 폴리우레탄과의 상용성에 문제가 발생할 수 있다.
또한 상기 수분산 폴리티오펜의 밀도가 상기 범위를 벗어나 너무 작거나 크면 103-106 ohm 범위의 전기저항 구현이 힘들다.
바인더로는 수분산 폴리우레탄이 사용된다.
도전성 고분자 단독으로는 폴리우레탄 폼의 기포벽에 단단하게 결합할 수 없지만 바인더를 배합하는 것에 의해 도전성 고분자는 폴리우레탄 폼의 기포벽에 단단히 부착되어 안정한 도전층을 폴리우레탄 폼 기포내에 형성한다.
폴리우레탄은 일반적으로 폴리올과 디이소시아네이트를 공중합하여 제조되는데, 수분산 폴리우레탄은 여기에 이온첨가제를 필수적으로 포함하게 된다. 즉 이 온첨가제는 자가 유화(self emulsification)가 가능하도록 고분자 주쇄에 이온화될 수 있는 COOH, NH2, SO3H와 같은 기능성 기를 도입하여 유화제 없이도 유화가능하여 수분산성을 갖도록 하는 것이다. 이러한 이온첨가제로는 디메틸올부탄산(Dimethylolbutanoic Acid; DMBA), 디메틸올프로피온산 또는 폴리올에 -COOH와 같은 기능성기를 도입한 첨가제 등을 들 수 있으며, 이중에서 디메틸올프로피온산이 가장 바람직하다. 상기 이온첨가제는 폴리우레탄의 수분산이 용이하도록 하는 외에, 수분산 폴리우레탄의 경질 세그먼트를 구성하며 경질 세그먼트의 규칙성을 감소시키는 결과를 초래하기도 한다.
수분산 폴리우레탄의 제조에 사용할 수 있는 폴리올로는 폴리(ε-카프로락톤)(PCL) 또는 폴리옥시테트라메틸렌글리콜(PTMG) 또는 폴리에틸렌글리콜(EG) 등이 있다.
수분산 폴리우레탄의 제조에 사용될 수 있는 디이소시아네이트로는 메틸 di-p-페닐렌 이소시아네이트(MDI), 시클로헥실 이소시아네이트(H-MDI), 이소포론 디이소시아네이트 등을 들 수 있으며, 이중에서 이소포론 디이소시아네이트(PDI)가 분산용이성에서 가장 바람직하다.
수분산 폴리우레탄은 상기한 폴리올과 디이시소시아네이트 및 이온첨가제 외에 사슬연장제, 촉매, 중화제 등을 더 포함하여 제조될 수 있다.
사슬연장제로는 에틸렌 디아민(EDA)이, 촉매로는 디부틸틴 디라우레이트(DBTDL)가, 중화제로는 트리에틸아민(TEA)이 바람직하다.
폴리우레탄 폼은 연속기포형이고 통상의 방법으로 2 개 이상의 활성 수소를 가진 화합물과 2개 이상의 이소시아네이트기를 가진 화합물을 촉매, 발포제, 정포제 등의 첨가제와 함께 교반 혼합하여 발포, 경화시켜 제조할 수 있다. 2 개 이상의 활성 수소를 가진 화합물로는 일반적으로 폴리우레탄 폼의 원료로 사용되는 폴리올, 예를 들면 말단에 히드록시기를 가진 폴리에테르폴리올, 폴리에스테르폴리올, 폴리에테르에스테르폴리올을 예로 들 수 있고, 또 폴리머폴리올도 사용할 수 있다. 2개 이상의 이소시아네이트기를 가진 화합물로는 마찬가지로 일반적으로 폴리우레탄 폼의 원료로 사용되는 폴리이소시아네이트, 예를 들면 트릴렌디이소시아네이트(TDI), 4,4-디페닐메탄디이소시아네이트(MDI), 및 이것의 폴리이소시아네이트의 혼합물이나 변성물을 사용할 수 있다. 폴리우레탄 폼의 밀도나 경도는 사용상황에 따라 임의로 설정할 수 있다. 또한 폴리우레탄 폼은 50 내지 600 ㎛의 평균 기포입경을 가지는 것이 바람직하고, 도전성 폴리우레탄 폼 층의 두께는 2 내지 3㎜인 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 도전성 토너공급롤러는 심재와 상기 심재를 둘러싼 도전성 폴리우레탄 폼층으로 이루어진다. 즉, 원통상의 심재와 상기 심재의 양단부를 제외하고 상기 심재의 둘레에 형성된 도전성 폴리우레탄 폼 층을 구비하게 된다.
본 발명에서 심재로는 금속 재질의 것이 주로 사용되며, 종래에 토너공급롤러 제조시에 사용되는 것이라면 어느 것이라도 제한없이 사용할 수 있다.
상기 도전성 폴리우레탄 폼 층은 폴리우레탄 폼에 도전성 고분자인 수분산 폴리티오펜과 수분산 폴리아크릴 바인더를 함침 건조시켜 부착시킨 것이다.
폴리우레탄 폼의 기포내에 도전성 고분자와 바인더를 함침시키기 위해서는 예를 들면 수분산 폴리티오펜과 수분산 폴리아크릴 바인더와, 필요에 따라 다른 첨가제가 첨가된 함침액을 준비하고, 이 함침액에 블록상의 폴리우레탄 폼을 침지시켜 함침액을 기포내에 함침시킬 수 있다. 그런 다음 폴리우레탄 폼을 함침액으로부터 꺼내어 압축하여 여분의 함침액을 제거한 후, 가열 건조시켜 수분 등을 제거함으로써 폴리티오펜은 폴리우레탄 바인더와 함께 폴리우레탄 폼의 기포내에 고착된다. 이 때 수분산된 폴리우레탄 바인더에 수분산 폴리티오펜을 첨가함으로써 함침액을 알맞게 조제할 수 있게 된다.
상기와 같이 하여 폴리티오펜과 폴리우레탄 바인더를 함침시킨 폴리우레탄 폼의 블록에 심재를 끼울 구멍을 뚫은 후 접착제를 도포한 심재를 폴리우레탄 폼의 구멍에 삽입한 다음, 폴리우레탄 폼의 블록을 연마하여 균일한 두께의 도전성 폴리우레탄 폼 층을 형성할 수 있다.
본 발명에 따른 도전성 폴리우레탄 폼 층은 표면저항이 103 내지 106 로 낮아 우수한 화상 균일성을 얻을 수 있다.
본 발명에 있어서, 폴리우레탄 폼에 함침되는 폴리티오펜에 대한 바인더의 중량비는 고형분 함량 기준으로 5 내지 30: 5 내지 10인 것이 바람직하다.
상기 범위를 벗어나 바인더가 너무 적으면 폴리우레탄 폼에 대한 폴리티오펜의 접착성이 불충분한 경향이 있고, 상기 범위를 벗어나 바인더가 너무 많으면 얻은 도전성 폴리우레탄 폼 층의 표면 저항이 안정적이지 못하다.
또한 본 발명에서 폴리우레탄 폼에 대한 폴리티오펜의 함량은 폴리우레탄 폼 100중량부에 대하여 고형분 함량 기준으로 1.2 내지 2.2 중량부인 것이 바람직하다.
상기 범위를 벗어나 폴리티오펜 함량이 너무 적으면 충분한 도전성을 얻을 수가 없고, 상기 범위를 벗어나 폴리티오펜 함량이 너무 많으면 도전성 폴리우레탄 폼 층의 경도가 너무 높아져 바람직하지 못하다.
이하 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명할 것이나, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
폴리테트라메틸렌에테르글리콜(PTMEG) 1몰(2,000)g과 이소포론디이소시아네이트(IPDI) 1.15몰(333.42)g에 디부틸틴디라우레이트(DBTDL) 0.12g, 디메틸올프로피온산(DMPA) 93g 및 트리에틸아민(TEA) 70g을 첨가하여 40oC에서 약 3시간 정도 반응시켜 폴리우레탄 프리폴리머를 만들었다. 상기 프리폴리머를 5,834g의 물에 분산시킨 후, 에틸렌디아민(EDA) 30.05g을 첨가하여 분자량 50,000의 수분산 폴리우레탄을 제조하였다.
경도가 18±2 이하(ILD, 25% 압축)인 연질 폴리우레탄 폼(세림TTC, SEW-I) 100중량부를 진공 오븐에서 50oC 조건으로 만 하루정도 진공 건조시켜 수분을 제거하였다. 수분이 제거된 폴리우레탄 폼을 수분산시킨 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)(고형분 함량 2,2%, 점도 10nPa.s, pH 8, 밀도 0.928g/㎤) 2.2 중량부(고형분 함 량 기준)와 상기에서 제조한 수분산 폴리우레탄 바인더 40 중량부(고형분 함량 기준)로 1초 - 5분동안 침지시킨 다음 2개의 롤러 사이에서 압축하여 함침액을 폴리우레탄 폼에 함침시켰다. 이것을 함침욕에서 꺼낸 다음 닙롤러에 통과시켜 여분의 함침액을 제거한 다음 약 100oC에서 건조시켜 도전성 폴리우레탄 폼을 얻었다.
상기에서 얻은 블록 형태의 도전성 폴리우레탄 폼에 심재(재질:니켈이나 크롬을 합금한 철합금 예: SUS, SUM)를 삽입할 구멍을 뚫고, 접착제를 도포한 심재를 그 구멍에 삽입한 후 블록상 폴리우레탄 폼을 연마하여 균일한 두께(2 mm)를 갖는 도전성 폴리우레탄 폼 층을 형성하여 토너공급롤러를 제작하였다.
제작한 각 토너공급롤러의 도전성 폴리우레탄 폼 층의 경도와 표면저항을 측정하여 하기 표 1에 나타내었다.
실시예 2
수분산 폴리우레탄 바인더를 30중량부 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 토너공급롤러를 제조하였으며, 제조한 토너공급롤러의 경도 및 표면저항을 측정하여 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
실시예 3
폴리티오펜으로 폴리(3,4-에틸렌 디옥시티오펜)(고형분 함량 1.2%,점도 30mPas, pH 2.8, 밀도 0.900g/㎤)를 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 토너공급롤러를 제조하였으며, 제조한 토너공급롤러의 경도 및 표면저항을 측정하여 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
실시예 4
수분산 폴리우레탄 바인더를 30중량부 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 3과 동일한 방법으로 토너공급롤러를 제조하였으며, 제조한 토너공급롤러의 경도 및 표면저항을 측정하여 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
경도는 ILD(Indentation Load Deflection) 측정 방법으로 도전성 폴리우레탄 폼을 25% 압축할 때 가해지는 힘으로 측정하였다.
표면저항은 23 OC/55 % 기준으로 (저항Jig)로 측정하였다.
[표 1]
실시예 1 실시예 2 실시예 3 실시예 4
경도(kgf/314㎠) 16±2 18±2 16±2 18±2
표면저항(ohms/sqaure) 106 105 104 105
본 발명에서와 같이 수분산 폴리티오펜을 폴리우레탄 폼에 함침 건조시켜 부착함으로써 저경도, 저저항 특성을 구현할 수 있어 화상품질의 균일성 확보가 가능하고, 수분산 폴리우레탄을 바인더로 사용함으로써 환경 오염문제를 해결할 수 있으며, 도전성 물질로 카본블랙을 사용하는 경우보다 훨씬 적은 양으로 저저항을 효과적으로 구현할 수 있으며, 카본블랙의 유출로 인한 화상품질 저하 문제를 해소할 수 있다.

Claims (5)

  1. 심재와 상기 심재 주위에 형성된 도전성 폴리우레탄 폼 층을 구비하고, 상기 도전성 폴리우레탄 폼 층은 폴리우레탄 폼에 수분산 폴리티오펜과 수분산 폴리우레탄 바인더를 함침 건조시켜 형성된 것을 특징으로 하는 도전성 폴리우레탄 폼 토너공급롤러.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 수분산 폴리티오펜은 고형분 함량이 1.2 내지 2.2%, 점도가 10 내지 30mPa.s, pH가 3 내지 8, 밀도가 0.900 내지 0.928g/cm3 인 것을 특징으로 하는 도전성 폴리우레탄 폼 토너공급롤러.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 수분산 폴리우레탄 바인더가 폴리올과 디이소시아네이트의 공중합시 이온첨가제를 사용하여 제조되는 것을 특징으로 하는 도전성 폴리우레탄 폼 토너공급롤러.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 디이소시아네이트가 이소포론 디이소시아네이트(IPDI)인 것을 특징으로 하는 도전성 폴리우레탄 폼 토너공급롤러.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 폴리올레핀 폼 100중량부에 대하여 수분산 폴리티오펜이 고형분 함량 기준으로 1.2 내지 2.2 중량부인 것을 특징으로 하는 도전성 폴리우레탄 폼 토너공급롤러.
KR1020040094586A 2004-11-18 2004-11-18 도전성 폴리우레탄 폼 토너공급롤러 KR20060055669A (ko)

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