KR20080019932A - 토너 조성물 제조방법 - Google Patents

Abstract

유화중합법을 이용하여 응집제의 사용량을 감소시키고, 응집온도를 낮추면서, 응집효율은 높고 미사용 단량체의 제거가 용이하도록 토너 조성물을 제조할 수 있어서, 친환경적으로 고품질의 토너조성물을 보다 효율적이면서 친환경적으로 제조할 수 있는 토너 조성물 제조방법이 제안된다. 본 발명에 따른 토너조성물 제조방법은 단량체, 중합개시제, 및 용매를 포함하는 토너입자의 코어조성물을 제조하는 단계, 거대단량체 및 용매를 포함하는 용액에 왁스를 분산시켜 왁스 분산액을 제조하는 단계, 제조된 토너입자의 코어조성물에 왁스 분산액을 첨가하여 코어-쉘 구조의 토너라텍스 입자를 포함하는 토너라텍스 조성물을 제조하는 단계, 및 토너 라텍스 조성물에 착색제 및 반응성 유화제를 첨가하여 착색제를 분산시키고, 유기용매를 이용하여 응집시키는 단계를 포함한다.

거대단량체, 유기용매, 왁스

Description

토너 조성물 제조방법{Preparing method for toner composition}

도 1a 내지 도 1c는 종래의 제조방법에 따라 제조된 토너조성물의 입자 및 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 토너조성물의 입자의 크기분포를 나타내는 도표이고,

도 2a 내지 도 2b는 종래의 제조방법에 따라 제조된 토너 조성물의 입자 및 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 토너조성물의 입자의 크기분포를 나타내는 도표이다.

본 발명은 토너조성물 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 유화중합법을 이용하여 응집제의 사용량을 감소시키고, 응집온도를 낮추면서, 응집효율은 높고 미사용 단량체의 제거가 용이하도록 토너 조성물을 제조할 수 있어서, 친환경적으로 고품질의 토너조성물을 보다 효율적이면서 친환경적으로 제조할 수 있는 토너 조성물 제조방법을 제공하는 것이다.

토너는 화상형성장치에서 기록매체에 화상을 형성하기 위하여 사용되는 기록제 분말을 의미한다. 토너는 흑백 화상을 형성하기 위한 흑색 토너와 컬러 화상을 형성하기 위한 여러가지 색채를 갖는 토너가 있다.

토너를 포함하는 조성물을 제조하는 방법에는, 여러 가지 토너 제조법들이 알려져 있으며 개략적으로, 통상 사용되는 토너 제조방법은 다음과 같이 결합제 수지, 착색제, 왁스 등을 혼합하고 미분 절차를 거쳐 입자크기를 분류하기 위한 분급단계를 포함한다.

1) 혼련 또는 압출: 결합제 수지, 착색제, 왁스를 포함하는 혼련 단계

2) 미분 또는 분쇄

3) 분급: 입자 크기에 따른 분리

4) 외첨가제 처리: 토너 입자의 유동성, 대전안정성 부여를 위한 외첨 공정

전자사진 방식 화상형성이나, 정전 잠상 기록 방식에 적합한 토너 입자 제조 시, 종래의 미분 공정에서는 토너입자 크기 및 입도 분포(geometric size distribution)의 정밀제어가 어렵고, 토너모양 조절에 제한이 있었다. 그리고, 소입경 토너(입경이 약 5 ~ 8 ㎛인 토너) 제조 시 분급공정에 따른 토너 제조 수율이 현저히 낮아진다. 즉, 분쇄토너의 경우 토너입자의 크기를 조절하기 위하여는 분급공정이 반드시 필요하나 소입경 토너의 경우에는 그 수율이 현저히 낮으며 그 모양 조절 또한 용이하지 않다.

그에 따라, 이러한 방식에 따라 제조된 토너는 저온정착이나 순간정착 등 정착특성 향상을 위한 토너 설계의 변경/조절이 제한된다는 문제점이 있었다.

이러한 단점들을 극복하기 위해 현탁 또는 유화응집 방식의 중합토너 제조방식이 제안되었다. 특히 이중에서 유화응집방식에 따르면, 토너 입자의 크기와 모양 조절이 용이하여, 화상형성 시 토너의 전사효율이 높은 장점이 나타난다.

중합토너 공정의 경우 분쇄토너제조공정에 필수적인 분급절차 없이 원하는 토너 입자의 크기를 얻을 수 있으며, 입자모양을 자유롭게 조절하고 좁은 입도 분포의 토너를 쉽게 얻을 수 있다.

유화-응집(Emulsion-Aggregation) 중합토너 제조방법에서는 이온성 계면활성제(일반적으로 음이온성 계면활성제)를 사용하여 왁스와 착색제 분산액을 따로 준비하고, 계면활성제를 사용하여 제조된 고분자 라텍스를 왁스 분산액과 착색제 분산액과 함께 혼합 분산한 다음, 응집공정을 통하여 토너입자를 제조한다.

이와 다른 방법의 유화응집 토너제조방법에서는 먼저, 고분자 라텍스(또는 씨드)를 중합하고 2단계에서 그 씨드를 왁스-모노머 유화분산액과 유화 중합한 다음, 응집공정에서 계면활성제를 사용하여 분산된 착색제분산액과 응집시켜서 토너입자를 제조한다.

그러나, 유화응집 토너 제조방법은 공정이 복잡하고 사용된 계면활성제의 제거가 어려우며 잔존 계면활성제로 인한 문제점들이 발생하였다. 따라서, 보다 효율적으로 유화응집 토너 제조방법을 수행하기 위하여 응집과정에서의 개선이 요청되게 되었다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 유화중합법을 이용하여 응집제의 사용량을 감소시키고, 응집온도를 낮추면서, 응집효율은 높고 미사용 단량체의 제거가 용이하도록 토너 조성물을 제조할 수 있어서, 친환경 적으로 고품질의 토너조성물을 보다 효율적이면서 친환경적으로 제조할 수 있는 토너 조성물 제조방법을 제공하는 것이다.

이상과 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 토너조성물 제조방법은 단량체, 중합개시제, 및 용매를 포함하는 토너입자의 코어조성물을 제조하는 단계; 거대단량체 및 용매를 포함하는 용액에 왁스를 분산시켜 왁스 분산액을 제조하는 단계; 제조된 토너입자의 코어조성물에 왁스 분산액을 첨가하여 코어-쉘 구조의 토너라텍스 입자를 포함하는 토너라텍스 조성물을 제조하는 단계; 및 토너 라텍스 조성물에 착색제 및 반응성 유화제를 첨가하여 착색제를 분산시키고, 유기용매를 이용하여 응집시키는 단계;를 포함한다.

바람직하게, 단량체는 스티렌, 디비닐 벤젠, n-부틸 아크릴레이트, 메타크릴레이트, 및 (메타)아크릴산으로 구성된 군으로부터 선택되고, 거대단량체는 양쪽 친매성 분자이며, 유기용매는 메탄올, 에탄올, n-프로필 알코올, iso-프로필 알코올, 및 아세토니트릴로 구성된 군으로부터 선택된 하나 또는 그 이상의 혼합물이다.

또한, 토너라텍스 조성물의 유리전이온도(Tg)는 55℃를 초과하는 것이 바람직하다.

이하에서, 본 발명에 따른 실시예를 참조하여 본 발명에 대하여 자세하게 설명한다.

본 발명에 따른 토너 조성물의 제조공정은 다음과 같은 단계를 포함한다.

(1) 왁스를 포함하는 코어-쉘구조의 라텍스 제조

(2) 왁스화된 라텍스와 소량의 반응성 유화제를 이용한 착색제의 분산

(3) 유기용매를 이용한 응집

(4) 분리 및 세척

(5) 건조

(1)단계에서는 단량체, 중합개시제, 및 용매를 포함하는 토너입자의 코어조성물을 제조하고, 거대단량체 및 용매를 포함하는 용액에 왁스를 분산시켜 왁스 분산액을 제조하여, 마지막으로 제조된 토너입자의 코어조성물에 왁스 분산액을 첨가하여 코어-쉘 구조의 토너라텍스 입자를 포함하는 코어-쉘 구조의 토너라텍스 조성물을 제조한다.

단량체로는, 토너조성물의 유화중합에 사용될 수 있는 단량체라면 어떤 것이든 사용될 수 있다. 단량체는 예를 들면, 스티렌, 디비닐 벤젠, n-부틸 아크릴레이트, 메타크릴레이트, 및 (메타)아크릴산을 들 수 있으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 단량체는 하나 또는 그 이상의 종류를 선택하여 사용될 수 있다.

중합개시제는 단량체의 중합을 개시하는 화합물이다. 중합개시제는 토너조성물의 유화중합을 개시하는 화합물이면 어떤 것이든 사용될 수 있다. 특히 중합개시제로는 과황산 칼륨을 사용하는 것이 바람직하다.

용매로는 물 또는 유기용매가 사용될 수 있는데, 물은 탈이온수인 것이 바람직하다. 유기용매의 예로는 메탄올, 에탄올, n-프로필 알코올, iso-프로필 알코올, 및 아세토니트릴이 있으나, 반드시 이에 한정되는 것이 아니다. 본 발명의 코어-쉘 구조의 토너 라텍스 조성물을 제조하는 데에는 탈이온수가 사용되는 것이 바람직하다.

거대단량체(macromonomer)는 양쪽 친매성(친수성/소수성)인 특성을 가지고 있으며, 말단에 중합 가능한 관능기를 갖는 고분자나 올리고머 형태이다. 거대단량체의 입자표면에 화학적으로 결합된 친수성 부분은 입체 안정화(steric stabilization)에 의해 입자의 장기저장안정성(long-term stability)을 높여 준다. 또한, 친수성 부분은 투입된 거대단량체의 양이나 그 분자량에 따라 토너라텍스의 입자크기를 조절할 수 있다.

이와 함께 거대단량체는 라텍스 중합 시 라디칼 중합에 참가할 수 있다. 결과적으로 기존의 유화제보다 소량의 유화제를 사용할 수 있어서, 유화제의 세척에 필요한 세척공정을 단순화할 수 있다. 이로 인해 중합토너의 제조원가가 낮아지며, 배출되는 오폐수의 양을 줄임으로써 친환경적인 제조방법을 가능하게 한다. 또한, 유화제 때문에 발생하는 문제점들, 즉 습도에 대한 민감성, 낮은 마찰대전, 유전율 감소, 토너 노화 및 토너 유동성 감소 등의 문제점이 제거될 수 있으며 토너의 저장성이 향상된다.

왁스는 토너 오프셋을 방지하기 위한 이형제로서 사용된다. 왁스의 예로서, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에스테르, 및 카나우바 왁스 등이 있으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 바람직하게는 에스테르 왁스를 사용할 수 있다.

토너 라텍스 조성물이 제조되면, 이 조성물에 착색제 및 반응성 유화제를 첨가하여 착색제를 분산시키고, 유기용매를 이용하여 응집시켜 본 발명의 토너조성물 을 제조할 수 있다.

착색제는 토너입자의 색을 구현하기 위한 것으로 염료 또는 안료가 사용될 수 있다.

착색제는 토너 입자의 색을 구현하는 물질로서 염료계 착색제와 안료계 착색제가 있으며, 일반적으로 널리 사용되고 있는 착색제는 어느 것이라도 본 발명의 착색제에 사용될 수 있다. 열안정성 및 내광성의 관점에서 우수성을 보이는 안료계 착색제가 더 바람직하다.

본 발명의 토너 조성물에 사용할 수 있는 안료계 착색제로는 아조계 안료, 프탈로시아닌계 안료, 염기성 염료계 안료, 퀴나트리돈계 안료, 디옥사신계 안료 및 축합 아조계 안료, 크롬산염, 페로시안화물, 산화물, 황화물 셀렌화물, 항산염, 규산염, 탄산염, 인산염, 금속 분말, 및 카본 블랙 등을 예로 들 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

유화제는 착색제의 수분산제 역할 및 단량체를 분산시키는 역할을 하는 반응성 유화제이며 불포화 반응성 관능기에 의해 단량체에 화학적으로 고정된다. 전술한 바와 같이 본 발명에서는 거대단량체를 사용하므로 유화제는 통상의 유화중합법에서 사용되는 유화제의 양보다 더 적은 양을 사용한다.

유기용매는 토너 라텍스 조성물 제조에 사용된 탈이온수 이외에, 응집공정에 추가로 사용되는 용매이다. 유기용매는 토너조성물에 사용되는 유기용매는 어떤 것이든 사용될 수 있다. 유기용매의 예로는 메탄올, 에탄올, n-프로필 알코올, iso-프로필 알코올, 및 아세토니트릴을 들 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니 다. 바람직하게, 메탄올 및 에탄올이 사용될 수 있다.

유기용매는 물에 대한 용해도가 매우 높아 응집공정이 수행될 용액에 첨가되면, 용액의 극성을 변화(감소시킴)시켜 입자 사이의 반발력을 감소시킨다. 또한, 입자의 용해도를 증가시켜 표면 전하 밀도를 감소시켜 응집성을 향상시킨다.

유기용매는 이와 함께, 중합체 미립자를 팽창시켜 응집이 보다 용이하게 일어나게 하여, 기존의 높은 유리전이온도(Tg)를 갖는 라텍스에서 응집이 용이하지 않은 단점을 제거하고, 응집제의 양이 적은 경우에도 효과적으로 응집과정에 사용될 수 있다. 따라서, 토너 라텍스 조성물의 유리전이온도(Tg)는 55℃를 초과하는 경우, 종래의 토너제조방법에서는 응집이 용이하지 않았으나, 본 발명에 따른 토너조성물 제조방법에서는 이러한 높은 유리전이온도를 갖는 토너 라텍스 조성물의 응집도 비교적 용이하게 수행할 수 있다.

따라서, 유화제 세척에 필요한 세척제의 양 및 세척된 용액의 폐수처리 등에 더욱 적은 양의 유화제 사용은 유리한 효과를 나타내고 있다. 또한, 반응하지 않고 잔존하는 단량체가 유기용매에 혼합가능하여 이러한 단량체 제거를 보다 효율적으로 수행할 수 있다.

실시예

이하에서는, 실시예 1 및 2에서 본 발명에 따른 토너 조성물 제조방법에 따라 토너를 제조하고, 이와 달리 비교예 1에서 유기용매를 첨가하지 않고 토너 조성물을 제조하였다. 본 실시예에서는 상세한 예를 들어 토너조성물의 제조를 설명하 나, 본 발명이 이러한 방식으로 수행된 토너조성물 제조방법에 한정되지 않음은 명백히 이해되어야 할 것이다.

실시예 1

반응기 (1L) 내부를 질소가스로 퍼징하면서 증류된 탈이온수 470g과 폴리 (에틸렌 글리콜)-에틸 에테르 메타크릴레이트 (상표명 'PEG-EEM', Aldrich사제) 2.95g 혼합액을 넣고 250rpm으로 교반시키면서 가열한다. 반응기 내부온도가 82 ℃에 다다르면 반응 개시제(수용해성 자유 라디칼 개시제)로서 과황산칼륨(potassium persulfate, KPS) 2.06g을 탈이온수 50g에 용해시켜 반응기 내부에 투입하고, 스티렌, n-부틸 아크릴레이트, 및 메타크릴산 등의 단량체 혼합물 (78:20:2의 비율, 100g)과 사슬이동제인 1-도데칸티올 1.27g을 소량 주입(starved-feeding) 방식으로 반응기내에 첨가하여 2시간 이상 반응시킨다. 에스테르 왁스 15g을 스티렌, n-부틸 아크릴레이트, 및 메타크릴산 등의 단량체 혼합물 (78:20:2의 비율, 28.1g)과 1-도데칸티올 1.1g 혼합액에 가열하여 천천히 녹이고, 증류수 190g과 반응성 유화제로서 HS-10(상표명, DAI-ICHI KOGYO SEIYAHKU사제) 1.45g 혼합액에 분산시켜 왁스 분산액을 준비한다.

준비된 왁스 분산액을 반응기내에 투입하고 KPS 1.00g을 탈이온수 40g에 녹여서 반응기에 첨가하여 2-3시간 반응시킨다. 다시 KPS 1.7g을 탈이온수 60g에 녹여 반응기에 투입하고, 스티렌, n-부틸 아크릴레이트, 및 메타크릴산의 단량체 혼합물(78:20:2의 비율, 80g)과 1-도데칸티올 1.07g을 소량주입 방식으로 반응기 내 에 첨가한 후 4시간 이상 반응시킨 후 자연 냉각시킨다. 반응 후 획득한 토너 라텍스 입자의 크기는 650nm 였으며, 라텍스의 Tg는 65℃이며, 전환율은 약 98.8 %였다.

제조된 왁스화된 라텍스 200g, 착색제로서 카본 블랙 (상표명 'Mogul L', Cabot Corp사제) 4g, 탈이온수 106g, 반응성 유화제인 HS-10(DAI-ICH KOGYO사제) 0.2g 을 분산기에 넣고 45℃에서 RPM 7,000으로 2시간 분산시켜 분산액을 얻었고, 분산액 입자 크기는 325nm 였다. 착색제 분산액을 반응기로 옮겨 냉각 후 응집제로서 MgCl₂ 7g을 탈이온수 20g에 녹여 첨가하고, 응집제로서 유기용매인 에탄올을 20 g 첨가한 뒤, 90 ℃로 가열을 하여 토너 부피평균 입자크기가 8.1㎛ 정도로 커지면 냉각 여과하여 토너 입자를 얻었다. 이때 가열하는 온도는 종래 가열온도인 95℃보다 낮은데, 이는 순수한 물보다 물과 유기용매와의 혼합물에서는 유기용매로 인한 끓는점 내림 현상으로 끓는점이 낮아지기 때문이다.

획득한 토너조성물의 입자의 형상을 확인하고, 입자크기의 분포를 확인하였다. 도 1a 및 도 2a에 본 실시예에서 얻은 토너조성물의 입자 크기의 분포와 형상이 나타나 있다.

본 실시예에서 얻은 토너조성물의 형상은 감자와 같은 형상을 나타내면서 전체적으로 균일한 형상을 갖는 것을 알 수 있었다. 또한, 토너조성물의 부피평균 입자 크기는 8.1㎛이고, 그 분포는 좁은 것을 알 수 있었다.

그에 따라 본 발명에 따라 제조된 토너조성물은 그입자의 형상이 균일하고 입자크기의 분포가 좁아 보다 균일한 크기의 입자의 토너조성물을 얻을 수 있어 보다 향상된 품질의 화상형성이 가능하다.

실시예 2

에탄올을 40g을 첨가한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 토너조성물을 제조하였다. 제조된 토너조성물의 입자크기의 분포를 확인하였는데, 그 결과는 도 1b에 나타나 있다. 토너조성물의 부피평균 입자크기는 10 ㎛이었고, 실시예 1에서와 같이 그 분포는 좁은 것을 알 수 있다. 에탄올의 첨가량을 2배로 증가시킨 결과 응집된 토너조성물의 부피평균입자크기가 더욱 증가된 것을 알 수 있었다.

비교예 1

응집제로 MgCl₂ 30g만을 탈이온수 30g에 녹여 첨가하고 유기용매는 첨가하지 않고 제조를 수행하였으며 또한, 응집온도는 90℃가 아닌 95℃까지 상승시켜 수행한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 토너 조성물을 제조하였다.

획득한 토너조성물의 입자의 형상을 확인하고, 입자크기의 분포를 확인하였다. 도 1c 및 도 2b에 본 비교예에서 얻은 토너조성물의 입자 크기의 분포와 형상이 나타나 있다.

본 실시예에서 얻은 토너조성물의 형상은 균일하지 않은 형상을 나타내는 것 을 알 수 있었다. 또한, 토너조성물의 부피평균 입자 크기는 5.5㎛이고, 그 분포는 실시예 1 및 2보다 넓은 것을 알 수 있었다. 즉, 유기용매는 첨가하지 않았으나, 응집제의 양을 실시예 1에서보다 증가시키면서 응집온도도 상승시켰으나 이러한 방법만으로는 토너입자의 크기를 키울 수 없었음을 알 수 있었다.

따라서, 비교예에 따른 제조방법으로 제조된 토너조성물은 토너입자크기 및 형상이 균일하지 않아 화상형성시 화상의 품질을 보장할 수 없을 것으로 예상된다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 유화중합법을 이용하면서 응집제의 사용량을 감소시키고, 응집온도를 낮추면서, 응집효율은 높고 미사용 단량체의 제거가 용이하도록 토너 조성물을 제조할 수 있어서, 친환경적으로 고품질의 토너조성물을 보다 효율적이면서 친환경적으로 제조할 수 있는 토너 조성물 제조방법을 제공하는 것이다.

또한, 토너제조방법의 공정이 단순화되고 토너에 포함되는 착색제의 분산성 및 내구성이 향상되며 소입경 토너입자를 포함하는 조성물의 제조가 용이하고 균일한 입자크기 분포를 갖는 토너조성물의 제조하여 보다 고품질의 화상형성이 가능한 효과가 있다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명 의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.

Claims (5)

1. 단량체, 중합개시제, 및 용매를 포함하는 토너입자의 코어조성물을 제조하는 단계;

   거대단량체 및 용매를 포함하는 용액에 왁스를 분산시켜 왁스 분산액을 제조하는 단계;

   상기 제조된 토너입자의 코어조성물에 상기 왁스 분산액을 첨가하여 코어-쉘 구조의 토너라텍스 입자를 포함하는 토너라텍스 조성물을 제조하는 단계; 및

   상기 토너 라텍스 조성물에 착색제 및 반응성 유화제를 첨가하여 착색제를 분산시키고, 유기용매를 이용하여 응집시키는 단계;를 포함하는 토너조성물 제조방법.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 단량체는 스티렌, 디비닐 벤젠, n-부틸 아크릴레이트, 메타크릴레이트, 및 (메타)아크릴산으로 구성된 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 토너 조성물 제조방법.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 거대단량체는 양쪽 친매성 분자인 것을 특징으로 하는 토너 조성물 제조방법.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 토너라텍스 조성물의 유리전이온도(Tg)는 55℃를 초과하는 것을 특징으로 하는 토너 조성물 제조방법.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 유기용매는 메탄올, 에탄올, n-프로필 알코올, iso-프로필 알코올, 및 아세토니트릴로 구성된 군으로부터 선택된 하나 또는 그 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 토너 조성물 제조방법.

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