KR20080049391A - 코어-쉘 구조의 중합 토너 - Google Patents

Abstract

본 발명은 바인더 수지 단량체, 왁스, 분산제, 분자량 조절제, 전하 조절제 및 안료를 포함하여 이루어지는 중합 토너에 관한 것으로, 본 발명의 중합 토너는 선형 에스테르기를 가진 왁스와 가지형 에스테르기를 가진 왁스를 모두 포함하여 이루어지고, 상기 가지형 에스테르기를 가진 왁스는 토너 입자의 중심부에, 상기 선형 에스테르기를 가진 왁스는 토너 입자의 표면부에 각각 배치되어, 코어- 쉘 구조를 형성하는 것을 그 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 토너는 외부와 접촉하는 쉘 부분에는 용융 온도가 높은 왁스가, 코어 부분에는 용융 온도가 낮은 왁스가 위치하도록 함으로써, 보관시 블록킹이 형성되는 것을 방지하고, 정착시 토너 내부의 왁스가 빠르게 침출될 수 있도록 하여 토너의 정착 온도를 낮추는 효과를 가져왔다.

토너, 코어-쉘, 왁스

Description

코어-쉘 구조의 중합 토너{CORE-SHELL POLYMERIZED TONER}

도 1은 본 발명의 코어-쉘 구조의 중합 토너를 개략적으로 나타낸 도면이고,

도 2는 실시예 1 내지 3에서 제조된 토너 입자의 형상 및 단면을 주사 현미경을 사용하여 나타낸 도면이다.

본 발명은 전자 사진용 중합 토너에 관한 것으로, 보다 상세하게는 저온 정착성과 보존성이 모두 우수한 코어-쉘 구조의 중합 토너에 관한 것이다.

일반적으로 토너란, 고분자 수지에 색채를 형성하는 안료, 토너의 대전 능력을 향상시키기 위한 전하 조절제 등을 분산시키고, 토너의 이형성을 향상시키기 위해 왁스 등의 내첨제를 첨가하고, 토너의 유동성을 확보하기 위해 실리카 등의 외첨제를 첨가하여 제조되는 기능성 미립자를 말하는 것으로, 전자 사진 현상 및 정전기적 프린터, 복사기 등에 현상제로 사용된다.

최근 컴퓨터를 이용한 문서 작성 등이 일반화됨에 따라 프린터와 같은 화상 형성 장치에 대한 수요가 급증하였으며, 화상 구현 성능에 대한 기대수준도 높아져, 대량의 자료를 빠르게 인쇄할 수 있고, 고해상도 컬러 화상을 구현하면서도, 에너지를 적게 소비하는 화상 형성 장치에 대한 요구가 높아지고 있다. 이와 같은 화상형성 장치에 대한 수요증가와 함께, 화상 형성 장치에 사용되는 토너 역시 그 수요가 크게 증가하였으며, 품질에 대한 기대 수준도 높아지고 있는 실정이다. 이와 같은 시장의 요구에 부응하기 위해 토너 제조사들은 토너의 품질을 개선하기 위한 연구를 계속하고 있다.

종래에 토너 제조에 주로 사용되었던 방법은, 중합 반응에 의해 제조된 바인더 수지에 안료, 전하조절제, 왁스 등의 첨가제를 넣고 용융-혼합한 후, 이를 기계적으로 분쇄하는 분쇄법이었다.

그러나 분쇄법으로 토너를 제조하는 경우, 중합, 용융-혼합, 분쇄 등 여러 단계를 거쳐야 하기 때문에 제조 공정이 복잡하고, 에너지 소비가 많으며, 기계적 분쇄를 이용해 토너 입자의 크기를 조절하기 때문에, 입경 분포가 넓고, 뾰족한 모서리를 가지는 등 토너 입자의 형상이 불규칙하여 인쇄 화질에 문제가 발생하기 쉽고, 토너입자의 크기를 줄이는데 한계가 있어 고화질 화상을 형성이 어렵다는 등 여러 가지 문제점이 존재한다.

이와 같은 문제점을 극복하기 위해, 현재 토너 시장은 분쇄법 대신 중합법을 이용하여 토너를 제조하는 방향으로 그 흐름이 바뀌고 있다. 중합법이란, 기계적 분쇄를 이용하지 않고 중합 반응을 이용하여 토너 입자를 제조하는 방법을 말하는 것으로, 중합법에 의해 토너를 제조하면, 소입경화와 입자 형상 제어가 용이하다는 장점이 있다.

중합법은 다시 유화 중합법과 현탁 중합법으로 구분되는데, 이 중 유화 중합법은 안료, 왁스, 전하 조절제 등의 첨가제를 미리 유화시킨 후, 이를 수중에서 단량체와 함께 분산시켜 중합하는 방법으로, 중합시의 온도, 시간 등의 조건을 조절하여 토너 입자의 구조와 크기를 제어할 수 있다는 장점이 있다. 그러나, 유화 중합법은 제조되는 토너 입자의 크기가 수 나노미터로 매우 미세하게 형성되어 인체에 흡입될 위험이 있고, 유화제로 사용되는 계면 활성제 제거가 까다롭다는 단점이 있다.

반면 현탁 중합법은 단량체와 안료, 왁스, 전하 조절제 등 각종 첨가제를 균일하게 용해 또는 분산시켜 단량체 혼합물을 제조하고, 이를 분산제가 함유된 수계 분산액에 넣고 전단력을 부여하여 중합하는 방법으로, 제조 공정이 간단하고, 입자의 크기가 10 마이크로미터 정도로 형성되어 사용하기에 적합하고, 균일한 대전성을 보이는 구형의 토너 입자를 제조할 수 있다는 장점이 있다.

그러나 중합 토너 역시 전사 후 정착시키기 위해 통상 150℃ 이상의 고온이 요구되기 때문에, 에너지 소모량이 높고, 가열을 위한 시간이 길어져 복사와 인쇄의 고속화 요구에 부응할 수 없다는 문제점이 있었다. 따라서, 인쇄의 고속화와 에너지 사용량 절감이라는 요구에 부응하기 위해서는 무엇보다 토너의 정착 온도를 낮추는 것이 중요하다.

단순히 토너의 정착 온도를 낮추기 위한 것이라면, 토너를 구성하는 바인더 수지를 유리전이온도가 낮은 저분자량의 단량체로 구성하면 된다. 그러나 이처럼 저분자량의 단량체로 토너를 형성할 경우 정착 온도는 낮아지지만, 오프셋이 발생하기 쉽고, 보관 중이나 수송 중 또는 화상 형성 장치 내부에서 토너 입자들끼리 블록킹을 일으켜 응집체가 되기 쉽다는 문제점이 발생한다.

일본 공개특허공보 평3-136065호에는 정착성이 우수한 토너를 제조하는 방법으로, 안료 및 전하 조절제를 함유한 중합성 단량체를 매크로 단량체의 존재하에 현탁 중합하는 방법이 제안되어 있다. 매크로 단량체는 분자쇄 말단에 중합 가능한 작용기, 이를 테면 탄소-탄소 이중결합과 같은 불포화기를 갖는 비교적 긴 선상 분자를 말한다. 이 방법에 의하면, 매크로 단량체가 생성 중합체의 분자쇄 중에 단량체 단위로 편입되게 되고, 매크로 단량체의 긴 선상 분자로 인해 분지가 발생하게 된다. 상기 분지들이 얽혀서 중합체 사이에 물리적인 가교가 생기게 되는데, 물리적 가교는 디비닐벤젠과 같은 가교성 단량체를 이용한 화학적 단량체와는 달리, 느슨한 가교 구조이기 때문에 가열에 의해 쉽게 끊어지게 된다.

따라서, 상기와 같은 방법으로 제조된 토너는 정착시 쉽게 용융되기 때문에, 정착 온도가 낮고, 정착성이 우수하다. 그러나 이 역시 보관 중에 토너끼리 응집이 발생하기 쉬워 저장 안정성에 문제가 있다.

이처럼 종래의 방법에 의할 경우 정착성은 개선되지만, 보존성이 떨어져 인쇄 품질이 저하되고, 제품의 수명이 짧아지는 등의 문제점이 발생한다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 본 발명은 에스테르계 작용기를 구비하고, 구조가 상이한 이성분계 왁스를 사용하여 토너를 제조함으로써, 저온 정착성과 내블록킹성이 모두 우수한 토너를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 바인더 수지 단량체, 왁스, 분산제, 분자량 조절제, 전하 조절제 및 안료를 포함하여 이루어지는 중합 토너에 있어서, 상기 왁스로 선형 에스테르기를 가진 왁스와 가지형 에스테르기를 가진 왁스를 함께 사용하고, 상기 가지형 에스테르기를 가진 왁스가 토너의 중심부에 위치하고, 상기 선형 에스테르기를 가진 왁스가 토너의 표면부에 위치하는 코어- 쉘 구조의 토너를 제공하는 것을 그 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 쉘 부분에 상대적으로 용융온도가 높은 왁스가 위치하도록 하고, 코어 부분에 상대적으로 용융온도가 낮은 왁스가 위치하도록 함으로써, 토너의 저온 정착성과 보존성이 모두 향상될 수 있도록 하였다.

또한 본 발명은 상기 선형 에스테르기를 가진 왁스와 가지형 에스테르기를 가진 왁스의 함량은 단량체 혼합물 전체에 대하여, 5 내지 50 중량% 이고, 그 비율은 50 : 50 내지 20 : 80 인 것을 그 특징으로 한다.

이하에서는 본 발명의 토너에 대하여 좀 더 구체적으로 살펴보기로 한다.

상기에서 언급한 바와 같이, 본 발명은 바인더 수지 단량체, 왁스, 분산제, 분자량 조절제, 전하 조절제 및 안료를 포함하여 이루어진 중합 토너에 있어서, 상기 왁스로 선형 에스테르기를 가진 왁스와 가지형 에스테르기를 가진 왁스를 포함하는 이성분계 왁스를 사용하는 것을 그 특징으로 한다. 본 발명과 같이 선형 에스테르기를 가진 왁스와 가지형 에스테르기를 가진 왁스를 함께 사용하면, 토너 중합 시 그 구조상의 차이점으로 인하여 상 분리가 발생하게 된다.

이에 대해 좀더 구체적으로 살펴보면, 상기 선형 에스테르기를 지닌 왁스는 에스테르 작용기가 외부로 그대로 드러나 있기 때문에 약한 극성을 띄는 반면, 상기 가지형 에스테르기를 지닌 왁스의 경우에는 에스테르 작용기를 중심으로 대칭형 구조로 형성되어 있기 때문에 비극성을 띄게 된다. 한편, 토너 입자를 이루는 또 다른 구성요소인 전하 조절제, 안료, 단량체 등은 약한 극성을 띄고 있기 때문에, 토너 중합시 극성을 띄는 선형 에스테르기를 지닌 왁스는 상기 구성요소들과 결합을 형성하게 된다. 그러나 비극성인 가지형 에스테르기를 지닌 왁스는 상기 구성요소들과 결합하지 않기 때문에, 토너 중합시 가지형 에스테르기를 지닌 왁스와 다른 구성요소들 사이에 상 분리가 일어나게 된다. 그 결과, 비극성인 가지형 에스테르기를 지닌 왁스는 토너 입자의 중심부에, 선형 에스테르기를 지닌 왁스, 단량체, 전하 조절제, 안료 등은 토너 입자의 표면부에 위치하는, 이른바 코어-쉘 구조의 토너 입자를 형성하게 된다.

도 1에는 본 발명에 의한 코어-쉘 구조의 토너가 도시되어 있다. 상기 도 1에 도시된 바와 같이, 가지형 에스테르기를 지닌 왁스는 토너 내부에 위치하여 코어를 형성하게 되고, 선형 에스테르기를 지닌 왁스와 단량체, 안료, 전하 조절제 등은 토너 표면에 위치하여 쉘을 형성하게 된다.

이때 선형 에스테르기를 지닌 왁스에 의해, 코어 부분의 가지형 에스테르기를 지닌 왁스와 쉘 부분의 단량체 혼합물 사이에 물리적 가교가 형성되게 된다. 이미 언급한 바와 같이 물리적 가교는 화학적 가교에 비해 느슨해 쉽게 끊어지기 때문에, 정착시 코어에 위치한 왁스가 표면으로 쉽게 침출되고, 그 결과 토너의 저온 정착성이 향상되게 된다.

한편, 본 발명에서는 쉘 부분에 위치하는 선형 에스테르기를 지닌 왁스의 용융 온도가 코어 부분에 위치하는 가지형 에스테르기를 지닌 왁스의 용융 온도보다 높게 구성되는 것이 바람직하다. 외부와 접촉되는 쉘 부분의 용융 온도가 높으면, 토너 입자들끼리 뭉치는 블록킹 현상이 현저히 줄어들어 토너의 보존성을 향상시킬 수 있기 때문이다. 그러나, 왁스의 용융 온도가 높아지면 토너의 저온 정착성이 나빠진다는 문제점이 있다. 이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해, 코어 부분에 상대적으로 용융 온도가 낮은 왁스를 사용함으로써, 저온에서도 빠르게 침출되어, 토너의 정착성을 향상시킬 수 있게 하였다. 이처럼 본 발명은 쉘 부분에 상대적으로 높은 용융 온도를 갖는 왁스를, 코어 부분에 상대적으로 낮은 용융 온도를 갖는 왁스를 각각 배치함으로써, 낮은 정착 온도를 가지면서도, 보존 또는 저장시에 블록킹 발생이 적은 보존성이 우수한 토너를 제공할 수 있도록 하였다.

이하에서는 본 발명의 코어-쉘 구조의 토너를 구성하는 구성 성분에 대하여 좀 더 구체적으로 살펴보기로 한다.

본 발명의 코어- 쉘 구조의 토너는 바인더 수지 단량체, 분산제, 분자량 조절제, 전하 조절제, 안료 및 선형 에스테르기를 갖는 왁스와 가지형 에스테르기를 갖는 왁스로 이루어진 이성분계 왁스를 포함하여 이루어지는 것을 그 특징으로 한다.

상기 바인더 수지 단량체는 방향족 비닐계, 아크릴레이트계, 메타크릴레이트계, 디엔계, 산성 올레핀계 및 염기성 올레핀계 단량체로 이루어진 군으로부터 1종 이상을 선택하여 사용할 수 있다.

상기 방향족 비닐계 단량체는 스티렌, 모노클로로스티렌, 메틸스티렌, 디메틸스티렌 등으로 이루어진 군으로부터 1종 이상을 선택하여 사용할 수 있다. 방향족 비닐계 단량체의 함량은 단량체 혼합물 전체 중량에 대하여 30 내지 90 중량%인 것이 바람직하다. 방향족 비닐계 단량체의 함량을 30 내지 90 중량%로 한정하는 이유는 토너의 유리전이온도를 맞추기 위한 것으로, 함량이 30 중량% 미만인 경우에는 토너의 유리 전이 온도가 너무 낮아져, 프린팅시 토너가 퓨징 롤러(fusing roller)에 달라붙는 오프셋 현상이 발생할 수 있으며, 함량이 90 중량%를 초과하는 경우에는 토너의 유리 전이 온도가 너무 높아져 정착성이 나빠지기 때문이다.

상기 아크릴레이트계 단량체에는 메틸아크릴레이트, 에틸 아크릴레이트, n-부틸 아크릴레이트, 이소부틸 아크릴레이트, 도데실 아크릴레이트, 옥틸 아크릴레이트, 2-에틸헥실 아크릴레이트, 페닐 아크릴레이트 등이 포함되며, 상기 메타크릴레이트계 단량체에는 메틸 메타크릴레이트, 에틸 메타크릴레이트, n-부틸 메타크릴 레이트, 이소부틸 메타크릴레이트, 도데실 메타크릴레이트, 옥틸 메타크릴레이트, 2-에틸헥실 메타크릴레이트 등이 포함되고, 상기 디엔계 단량체에는 부타디엔, 이소프렌 등이 포함된다. 상기 아크릴레이트계, 메타크릴레이트계, 디엔계 단량체는 단독으로 또는 1종 이상을 혼합하여 사용할 수 있으며, 그 함량은 단량체 혼합물 전체 중량에 대하여 5 내지 70 중량%인 것이 바람직하다. 이처럼 함량을 한정하는 것은 방향족 비닐계 단량체의 경우와 마찬가지로 토너의 유리 전이 온도를 적정 수준으로 맞추기 위함이다.

한편, 상기 산성 올리핀계 단량체에는 카르복실기를 가진 α, β-에틸렌 화합물 등이 포함되며, 상기 염기성 올리핀계 단량체로는 아민기나 4차 암모늄기를 가진 지방족 알콜의 메타크릴산 에스테르계, 메타크릴 아미드계, 비닐 아민계, 디아릴 아민계, 그의 암모늄염 등이 포함된다. 상기 산성 올리핀계 단량체와 염기성 올리핀계 단량체는 단독으로 또는 1종 이상 혼합하여 사용할 수 있으며, 그 함량은 단량체 혼합물 전체 중량을 기준으로 0.1 내지 20 중량%인 것이 바람직하다. 산성 올리핀계 단량체와 염기성 올리핀계 단량체는 표면의 대전 특성을 향상시키기 위해 첨가되는 것으로 20 중량%를 넘어서게 되면 토너 중합시 반응 안정성이 나빠져 토너 입자들이 서로 응집하는 현상이 발생할 수 있다.

상기 안료는 금속 분말형, 금속물 산화형, 카본형, 황화물형, 크롬염형 및 페로 시아니드형 등으로 이루어진 군으로부터 1종 이상 선택되는 무기 염료; 또는 아조형, 산성 염료형, 염기성 염료형, 모단트 염료형, 프탈로시아니, 퀴나크리돈형 및 디옥산형 등으로 이루어진 군으로부터 1종 이상 선택되는 유기 염료; 중에서 1종 이상 선택하여 단독 또는 1종이상 혼합하여 사용할 수 있다. 안료의 함량은 단량체 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 20 중량% 인 것이 바람직하다. 안료가 1 중량% 미만인 경우에는 원하는 색을 충분히 구현할 수 없고, 20 중량%를 초과하는 경우에는 단량체와 안료 사이의 분산에 어려움이 있기 때문이다.

상기 분산제는 인산 칼슘염, 마그네슘염, 친수성 실리카, 소수성 실리카 및 콜로이달 실리카로 이루어지는 군으로부터 1종 이상 선택되는 무기 분산제: 폴리옥시에틸렌 알킬에테르, 폴리옥시알킬렌 알킬페놀에테르, 소비탄지방산 에스테르, 폴리옥시알킬렌 지방산 에스테르, 글리세린 지방산 에스테르, 폴리비닐 알코올, 알킬 셀룰로오스 및 폴리 비닐 피롤리돈으로 이루어지는 군으로부터 1종 이상 선택되는 비이온성 고분자 분산제; 또는 폴리아크릴 아미드, 폴리비닐 아민, 폴리비닐 아민 N-옥사이드, 폴리비닐 암모늄염, 폴리디알킬디알릴 암모늄염, 폴리아크릴산, 폴리스티렌 설폰산, 폴리아크릴산염, 폴리스티렌 설폰산염 및 폴리아미노알킬 아크릴산염으로 이루어지는 군으로부터 1종 이상 선택되는 이온성 고분자 분산제; 로 이루어지는 군으로부터 1종 이상 선택되는 수용성 유기 고분자 분산제: 중에서 1종 이상 선택하여 단독 또는 1종이상 혼합하여 사용할 수 있으며, 그 함량은 단량체 혼합물 전체 중량에 대하여, 0.01 내지 10 중량%인 것이 바람직하다. 분산제의 함량이 0.01 중량% 미만인 경우에는 현탁 중합시 반응 안정성이 깨지며, 10 중량%를 초과하는 경우에는 부반응물(에멀젼 입자)의 형성이 증가하고, 토너입자 크기가 우리 가 원하는 것보다 작게 형성될 수 있기 때문이다.

상기 분자량 조절제는 메르캅탄계 화합물로서, t-도데실 메르캅탄 및 n-도데실 메르캅탄으로 이루어진 군으로부터 1종 이상 선택하여 사용할 수 있으며, 함량은 단량체 혼합물 전체 중량에 대하여 0.1 내지 8중량% 인 것이 바람직하다. 분자량 조절제는 분자량을 낮춤으로써 저온 토너의 정착성을 향상시키기 위한 것으로 경우에 따라 넣지 않아도 무관하다. 그러나 함량이 8중량%를 초과하면 분자량이 너무 낮아져 오프셋이 발생할 수 있다.

상기 전하 조절제는 전하 니그로신형의 전자 받개 염료, 고지방족의 금속염, 알콕시 아민, 킬레이트, 4차 암모늄염, 알킬아미드, 불소 처리 활성제 및 나프탈렌산의 금속염으로 이루어진 군으로부터 1종 이상 선택되는 양이온성 전하 조절제; 또는 전자 받개 유기착물, 염소화된 파라핀, 염소화된 폴리에스테르, 과량의 산을 함유한 폴리에스테르, 구리 프탈로시아닌의 설포닐아민 및 설폰산기를 포함한 스티렌-아크릴계 고분자로 이루어진 군으로부터 1종 이상 선택하여 사용할 수 있으며, 그 함량은 단량체 혼합물 전체 중량에 대하여 0.01 내지 20 중량%인 것이 바람직하다. 함량이 0.01 중량% 미만인 경우에는 프린팅시 필요한 충분한 전하 밀도를 갖지 못하며, 20 중량%를 초과하는 경우에는 필요 이상으로 높은 전하 밀도를 가지게 되어 프리팅시 오히려 화상이 저하되는 현상이 발생하기 때문이다.

한편, 상기 선형 에스테르기를 지닌 왁스로는 선형 지방산 에스테르 폴리올을, 가지형 에스테르기를 지닌 왁스로는 가지형 지방산 알킬 에스테르를 사용하는 것이 바람직하다. 이때 상기 선형 에스테르기를 지닌 왁스의 용융 온도는 60 내지 80℃이고, 상기 가지형 에스테르기를 지닌 왁스의 용융 온도는 50 내지 70℃인 것이 바람직하며, 그 비율은 50 대 50 내지 20 대 80인 것이 바람직하다. 실험 결과 가지형 지방산 에스테르기를 가진 왁스의 함량이 선형 지방산 에스테르기를 가진 왁스의 함량보다 많을 때 좀더 우수한 성능을 보이는 것으로 나타났기 때문이다.

한편, 본 발명의 토너는 가교제 등의 보조제를 더 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다. 가교제는 고분자 사슬을 가지 달린 사슬(그라프팅)이나 망사구조로 만들어, 고분자 간의 결합을 견고하게 하기 위한 것으로, 본 발명에서는 상기 가교제 중에서도 극성을 띄는 가교제를 사용하는 것이 바람직하다. 이 경우 극성 차이로 인한 상 분리가 발생하여, 토너 표면의 쉘 구조만이 선택적으로 가교된다.

상기 가교제는 디비닐벤젠, 에틸렌 디메타크릴레이트, 에틸렌글리콜 디메타크릴레이트, 디에틸렌글리콜 디아크릴레이트, 1,6-헥사 메틸렌 디아크릴레이트, 아릴 메타크릴레이트, 1,1,1-트리메틸올프로판 트리아크릴레이트, 트릴아릴아민 및 테트라알릴옥시메탄으로 이루어지는 군으로부터 1종 이상을 선택하여 사용할 수 있다. 상기 가교제의 함량은 단량체 혼합물 전체 중량에 대하여 0.001 내지 10 중량%인 것이 바람직하다. 함량이 0.001 중량% 미만인 경우에는 토너 표면에 단단한 쉘을 형성할 수 없으며, 10중량%를 초과하는 경우에는 토너 중심 부분까지 가교가 진 행되어 토너의 정착성이 저하될 우려가 있기 때문이다.

한편, 본 발명의 토너는 현탁 중합 방법으로 제조되는 것을 그 특징으로 한다. 현탁 중합법을 이용하여 토너를 제조할 경우, 제조 공정이 간단하고, 구형의 토너 입자를 얻을 수 있다는 장점이 있다. 이하에서는 본 발명의 코어-쉘 구조의 토너를 제조하는 방법에 대하여 좀더 구체적으로 살펴보기로 한다.

(1) 제1 단계 : 수계 분산액 준비 단계

증류수에 분산제를 녹여 수계 분산액을 준비한다. 상기 분산제는 무기 분산제 또는 수용성 유기 분산제 중에서 1종 이상 선택하여 사용할 수 있으며, 선택적으로 음이온성 계면 활성제를 첨가할 수도 있다.

무기 분산제와 수용성 유기 분산제의 구체적인 예와 함량은 상기에 기재된 것과 동일하다. 음이온 계면 활성제로는 지방산염, 알킬 황산 에스테르염, 알킬아릴 황산 에스테르염, 디알킬 설포숙신산염, 알킬 인산염 등을 사용할 수 있으며, 그 함량은 단량체 혼합물 전체 중량에 대하여, 0.01 내지 10 중량%인 것이 바람직하다. 계면 활성제의 함량이 0.01 중량부 미만일 경우에는 현탁 중합시 반응 안정성이 좋지 않은 영향을 미칠 수 있으며, 10 중량부 이상일 경우에는 부반응물(에멀젼 입자)의 형성이 증가하고, 토너입자 크기가 우리가 원하는 것보다 작게 형성될 수 있기 때문이다.

(2) 제 2단계 : 단량체 혼합물 준비 단계

바인더 수지 단량체, 안료, 전하 조절제, 가교제, 선형 에스테르기를 가진 왁스 및 가지형 에스테르기를 가진 왁스를 혼합하여 중합 원료가 되는 단량체 혼합물을 준비하도록 한다. 이때 투입되는 구성 성분들의 구체적인 종류 및 함량은 상기에 기재된 것과 동일하다.

(3) 제 3 단계: 현탁 중합 단계

상기 제2단계에서 준비한 단량체 혼합물에 중합 개시제를 넣고, 상기 단량체 혼합물을 상기 제1단계에서 준비한 수계 분산액에 투입한 후, 단량체 혼합물을 포함하는 수계 분산액에 전단력을 부여하여 현탁 중합시킨다.

상기 중합 개시제로는 아조비스이소부티로니트릴, 아조비스디메틸발레로니트릴 등의 아조계 개시제, 벤조일퍼록사이드, 라우로일퍼록사이드 등의 유기 퍼록사이드, 과황산칼슘, 과황산 암모늄 등의 수용성 개시제가 사용될 수 있으며, 그 함량은 단량체 혼합물 전체에 대하여 0.01 내지 5 중량%인 것이 바람직하다. 함량이 0.01 중량% 이하인 경우에는 미반응 물질이 발생할 수 있으며, 5 중량%를 초과하는 경우에는 반응 속도가 너무 빨라 반응 안정성이 저하되는 문제가 발생할 수 있기 때문이다.

(4) 제 4 단계 : 분산제 분리 단계

중합이 완료되면, 제조된 토너 조성물을 물로 세정하고 필터링하여 분산제를 분리한다. 분산제가 완전히 분리될 때까지 상기 과정을 반복한다.

(5) 제 5 단계 : 건조 단계

분산제가 토너와 완전히 분리되면, 토너 입자를 진공 오븐 넣어 건조시켜 최종 토너 입자를 얻는다.

상기와 같은 과정을 거쳐 제조된 토너는 가지형 에스테르기를 가진 왁스와 그 이외 성분의 극성 차이로 인해 상 분리가 일어나고, 그 결과 가지형 에스테르기를 가진 왁스는 중심부에 위치하고, 다른 구성요소들은 표면에 위치하는 코어-쉘 구조를 형성하게 된다. 본 발명에서는 쉘 부분에 용융 온도가 높은 왁스를 사용하여 보관이나 이동 시에 토너 입자들이 쉽게 응집되지 않도록 하고, 코어에 용융 온도가 낮은 왁스를 사용하여 정착 과정에서 빨리 침출될 수 있도록 함으로써, 보존성과 저온 정착성이 모두 우수한 토너를 제공할 수 있도록 하였다.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 통하여 본 발명에 의해 제조된 토너와 종래의 토너의 성능을 시험하여 우수성을 증명하도록 한다. 하기 실시예는 본 발명의 일실시예에 해당할 뿐, 본 발명을 한정하는 것은 아니다.

본 발명의 바람직한 실시예

[실시예 1]

내용적 1L의 반응기에 콜로이달 실리카 20g과 도데실벤젠 황산 에스테르 나트륨염 1g을 증류수 650g으로 녹인 수계 분산 수용액을 준비하고, 온도를 반응 온도인 60℃로 높인다.

단량체로 스티렌 160g, 부틸 아크릴레이트 40g, 가교제로 알릴 메타크릴레이트 2g, 전하 조절제로 설폰산기를 포함한 스티렌-아크릴계 고분자 전하 조절제 7.5g, 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합 고분자 10g을 충분히 녹인 후, 카본 블랙 15g을 넣고, 비드밀로 1100rpm의 속도로 1시간 동안 교반한 후 비드를 제거한다.

상기 혼합물을 물 중탕으로 60℃로 온도를 높인 후, 지방산 에스테르 폴리올 왁스 10g과 지방산 알킬 에스테르 왁스를 10g, 즉 1 : 1 비율로 넣고 30분 동안 교반하여 충분히 녹여 단량체 혼합물을 제조한다.

상기 단량체 혼합물에 중합 개시제인 아조비스디메틸발레로니트릴 3g과 아조비스사이클헥산카보니트릴 0.8g을 넣고 1분 20초 동안 교반하여, 반응물을 준비한다. 상기 반응물을 상기 수계 분산 수용액에 투입하고, 호모게나이저로 11,000rpm의 속도로 15분간 교반하면서 반응시킨다. 15 분 후에 일반 교반기로 90rpm의 속도로 60℃에서 10시간, 90℃에서 10시간 교반하여 코어-쉘 구조를 가진 중합 토너를 만든다.

상기 중합 토너에 NaOH 수용액을 투입하고, NaOH 의 농도를 2.2N로 맞추어 실리카를 토너 표면에서 제거한 후, 원심 분리 장치를 사용하여 1500rpm 에서 10분간 증류수로 세척하여 실리카와 에멀젼 입자를 제거한다. 최종적으로 필터링을 통 해 수분을 제거한 후, 토너를 진공 오븐에 넣고 48시간동안 35℃로 진공 건조한다.

[실시예 2]

지방산 에스테르 폴리올 왁스를 5g과 지방산 알킬 에스테르 왁스를 15g, 즉 1:3 비율로 넣은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 토너를 제조하였다.

[실시예 3]

지방산 에스테르 폴리올 왁스를 15g과 지방산 알킬 에스테르 왁스를 5g, 즉 3:1 비율로 넣은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 토너를 제조하였다.

[비교예 1]

지방산 에스테르 폴리올 왁스를 10g과 지방산 알킬 에스테르 왁스를 10g을 넣는 대신 지방산 에스테르 폴리올 왁스만 20g을 넣은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 토너를 제조하였다.

[비교예 2]

지방산 에스테르 폴리올 왁스를 10g과 지방산 알킬 에스테르 왁스를 10g을 넣는 대신 지방산 알킬 에스테르 왁스만 20g을 넣은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 토너를 제조하였다.

[비교예 3]

지방산 에스테르 폴리올 왁스를 10g과 지방산 알킬 에스테르 왁스를 10g 을 넣는 대신 융점 60 ℃의 파라핀 왁스를 20g 넣은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 토너를 제조하였다.

[비교예 4]

지방산 에스테르 폴리올 왁스를 10g과 지방산 알킬 에스테르 왁스를 10g 을 넣는 대신 융점 80 ℃의 폴리프로필렌계 왁스 20g 넣은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 토너를 제조하였다.

[시험예]

상기 실시예 1 내지 3, 비교예 1 내지 4에서 제조된 토너에 표면 처리한 실리카 R805를 2중량부로 첨가하여 Henschel 블렌더에서 4000rpm으로 7분간 혼합하여 표면 처리한 후, 시판되는 복사기의 정착부를 개조한 열 롤러 정착 장치를 사용하여 성능 평가를 실시하였다. 성능 측정 및 평가 방법은 다음과 같다.

(1) 토너의 정착 온도

시판되는 비자성 1성분 형상 방식의 프린터를 개조하여 정착롤부의 온도를 변화시킬 수 있도록 한다. 이 개조 프린터로 토너의 황상 평가를 실시한다. 정착율 80%의 온도를 정착 온도로 평가한다. 정착 시험은 프린터의 정착롤 온도를 변화시 켜 각각의 온도에서의 정착률을 측정하여 온도-정착률 관계를 구함으로써 실시한다.

정착률은 개조 프린터로 인쇄한 시험용지에 있어서의 흑베타 영역의 테이프 박리 조작 전후의 화상 농도 비율로 계산한다. 테이프 박리 전의 화상 농도를 ID 전, 테이프 박리 후의 화상 농도를 ID 후라 하면 정착률은 다음식으로 구해진다.

정착률(%)=(ID 전/ID 후)×100

이때 흑베타 영역이란 그 영역 내의 도트 전부에 토너를 부착시키도록 제어한 영역을 말하며, 테이프 박리 조작이란 시험 용지의 측정 부분에 점착 테이프(스미모도 3M사 제조, 스카치 멘딩 테이프 810-3-18)를 붙이고, 일정한 압력으로 압출하여 부착시킨 후, 일정 속도로 종이 방향으로 점착 테이프를 박리하는 일련의 조작을 말한다. 한편, 화상 농도는 McBeth 사의 화상 농도 측정기를 사용하였다.

토너의 정착성은 다음의 4단계로 평가한다.

◎ : 150℃ 이하

○ : 150 ~ 160 ℃

△ : 160 ~ 170 ℃

× : 170℃ 초과

(2) 토너의 보존성(내블록킹성)

토너 시료를 밀폐한 용기에 넣고, 밀폐한 후 50℃로 온도를 제어한 오븐에 넣고 5시간 경과 후 꺼내어 응집한 토너의 질량을 측정한다. 용기에서 꺼낸 시료를 42 메시의 체 위에 가급적 구조를 파괴하지 않도록 옮기고, 분체로 거른 후 체 위에 남아 있는 토너의 중량을 응집한 토너의 중량으로 하였다.

응집한 토너의 중량과 시료의 중량으로 토너의 응집율(중량%)을 산출한다.

◎ : 응집률이 5중량% 미만

○ : 응집률이 5 ~ 10중량% 미만

△ : 응집률이 10 ~ 50중량% 미만

× : 응집률이 50중량% 이상

(3) 화질 평가

초기부터 연속 인자를 실시하여 인자 농도가 반사 농도계(마스베크 제조)로 1.3 이상이면서 비화상부의 흐림이 백색도계(닛뽕덴쇼쿠 제조)로 10% 이하를 유지한 인자 매수를 세어 다음의 기준으로 화질을 평가를 실시하였다.

○ : 상기 인자 매수가 5천장 이상인 경우

△ : 상기 인자 매수가 2천장 ~ 5천장 미만인 경우

× : 상기 인자 매수가 2천장 미만인 경우

샘플 번호	정착성	보존성(내블록킹성)	화질 평가
실시예 1	◎	◎	◎
실시예 2	○	△	◎
실시예 3	◎	◎	◎
비교예 1	◎	△	○
비교예 2	○	△	○
비교예 3	◎	×	◎
비교예 4	×	◎	×

상기 표 1에서 알 수 있듯이, 본 발명에 의해 제조된 실시예1 내지 3의 토너들은 정착성과 보존성이 종래 토너에 비해 우수한 것을 알 수 있다. 또한, 가지형 지방산 에스테르기를 가진 왁스의 함량이 선형 지방산 에스테르기를 가진 왁스의 함량보다 많을 때 좀더 우수한 성능을 보이는 것을 알 수 있다.

한편, 도 2에는 주사 현미경(Scanning Electron Microscope, SEM)으로 촬영한 실시예 1 내지 3의 토너 입자의 형상과 단면이 도시되어 있다. 도 2에 의하여, 상기 실시예 1 내지 3의 방법으로 토너를 제조할 경우, 코어-쉘 구조의 토너 입자가 형성된다는 것을 확인할 수 있다.

본 발명은 에스테르기를 포함하지만 구조가 상이한 이성분계의 토너 왁스를 사용하여 토너를 제조함으로써, 정착성과 보존성이 우수한 토너를 제공할 수 있도록 하였다.

또한, 본 발명은 토너가 외부와 접촉하는 쉘 부분에 용융온도가 높은 왁스를 사용하고, 코어 부분에 용융온도가 낮은 왁스를 사용함으로써, 보관시 블록킹이 형성되는 것을 방지하고, 정착시 토너 내부의 왁스가 빠르게 침출될 수 있도록 함으로써 토너의 정착 온도를 낮출 수 있도록 하였다.

또한, 본 발명은 현탁 중합법을 이용하여 토너를 제조함으로써, 제조 공정이 간단하고, 대전성이 우수한 구형의 토너 입자를 얻을 수 있도록 하였다.

또한,본 발명은 가지형 에스테르기를 가진 왁스의 함량을 상기 선형 에스테르기를 갖은 왁스의 함량보다 높게 구성함으로써, 토너의 품질을 한층 향상시키는 효과를 가져왔다.

Claims (10)

1. 바인더 수지 단량체, 왁스, 분산제, 분자량 조절제, 전하 조절제 및 안료를 포함하여 이루어지는 중합 토너에 있어서,

   상기 왁스로 선형 에스테르기를 가진 왁스와 가지형 에스테르기를 가진 왁스로 이루어진 이성분계 왁스를 사용하고,

   상기 토너의 중심부에는 가지형 에스테르기를 가진 왁스가, 표면부에는 선형 에스테르기를 가진 왁스가 각각 위치하는 것을 특징으로 하는 코어- 쉘 구조의 중합 토너.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 선형 에스테르기를 가진 왁스와 가지형 에스테르기를 가진 왁스의 함량은 단량체 혼합물 전체에 대하여, 5 내지 50 중량% 이고, 그 비율은 50 : 50 내지 20 : 80 인 것을 특징으로 하는 코어- 쉘 구조의 중합 토너.
3. 제1항에 있어서,

   상기 선형 에스테르기를 가진 왁스의 용융 온도는 60 내지 80℃이고,

   상기 가지형 에스테르기를 가진 왁스의 용융 온도는 50 내지 70℃인 것을 특 징으로 하는 코어- 쉘 구조의 중합 토너.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 선형 에스테르기를 가진 왁스는 선형 지방산 에스테르 폴리올이고,

   상기 가지형 에스테르기를 가진 왁스는 가지형 지방산 알킬 에스테르인 것을 특징으로 하는 코어-쉘 구조의 중합 토너.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 바인더 수지 단량체는, 방향족 비닐계, 아크릴레이트계, 메타크릴레이트계, 디엔계, 산성 올레핀계 및 염기성 올레핀계 단량체로 이루어진 군으로부터 1종 이상 선택되는 것을 특징으로 하는 코어-쉘 구조의 중합 토너.
6. 제 1항에 있어서,

   상기 안료는, 금속 분말형, 금속물 산화형, 카본형, 황화물형, 크롬염형 및 페로 시아니드형 등으로 이루어진 군으로부터 1종 이상 선택되는 무기 염료; 또는

   아조형, 산성 염료형, 염기성 염료형, 모단트 염료형, 프탈로시아니, 퀴나크리돈형 및 디옥산형 등으로 이루어진 군으로부터 1종 이상 선택되는 유기 염료; 중 에서 1종 이상 선택되며,

   그 함량이 단량체 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 20 중량%인 것을 특징으로 하는 코어-쉘 구조의 중합 토너.
7. 제1항에 있어서,

   상기 분산제는, 인산 칼슘염, 마그네슘염, 친수성 실리카, 소수성 실리카 및 콜로이달 실리카로 이루어지는 군으로부터 1종 이상 선택되는 무기 분산제:

   폴리옥시에틸렌 알킬에테르, 폴리옥시알킬렌 알킬페놀에테르, 소비탄지방산 에스테르, 폴리옥시알킬렌 지방산 에스테르, 글리세린 지방산 에스테르, 폴리비닐 알코올, 알킬 셀룰로오스 및 폴리 비닐 피롤리돈으로 이루어지는 군으로부터 1종 이상 선택되는 비이온성 고분자 분산제; 또는 폴리아크릴 아미드, 폴리비닐 아민, 폴리비닐 아민 N-옥사이드, 폴리비닐 암모늄염, 폴리디알킬디알릴 암모늄염, 폴리아크릴산, 폴리스티렌 설폰산, 폴리아크릴산염, 폴리스티렌 설폰산염 및 폴리아미노알킬 아크릴산염으로 이루어지는 군으로부터 1종 이상 선택되는 이온성 고분자 분산제; 로 이루어지는 군으로부터 1종 이상 선택되는 수용성 유기 고분자 분산제: 중에서 1종 이상 선택되며,

   그 함량은 단량체 혼합물 전체 중량에 대하여, 0.01 내지 10 중량%인 것을 특징으로 하는 코어-쉘 구조의 중합 토너.
8. 제 1항에 있어서,

   상기 분자량 조절제는, 메르캅탄계 화합물로서, t-도데실 메르캅탄 및 n-도데실 메르캅탄으로 이루어진 군으로부터 1종 이상 선택되며,

   그 함량은 단량체 혼합물 전체 중량에 대하여 0.1 내지 8중량% 인 것을 특징으로 하는 코어-쉘 구조의 중합 토너.
9. 제1항에 있어서,

   상기 전하 조절제는, 니그로신형의 전자 받개 염료, 고지방족의 금속염, 알콕시 아민, 킬레이트, 4차 암모늄염, 알킬아미드, 불소 처리 활성제 및 나프탈렌산의 금속염으로 이루어진 군으로부터 1종 이상 선택되는 양이온성 전하 조절제; 또는 전자 받개 유기착물, 염소화된 파라핀, 염소화된 폴리에스테르, 과량의 산을 함유한 폴리에스테르, 구리 프탈로시아닌의 설포닐아민 및 설폰산기를 포함한 스티렌-아크릴계 고분자로 이루어진 군으로부터 1종 이상 선택되는 음이온성 전하 조절제; 중에서 1종 이상 선택되고, 함량이 단량체 혼합물 전체 중량을 기준으로 0.01 내지 20 중량%인 이루어지는 것을 특징으로 하는 코어-쉘 구조의 중합 토너.
10. 제 1항에 있어서,

    상기 중합 토너는, 디비닐벤젠, 에틸렌 디메타크릴레이트, 에틸렌글리콜 디메타크릴레이트, 디에틸렌글리콜 디아크릴레이트, 1,6-헥사 메틸렌 디아크릴레이트, 아릴 메타크릴레이트, 1,1,1-트리메틸올프로판 트리아크릴레이트, 트릴아릴아민 및 테트라알릴옥시메탄으로 이루어지는 군으로부터 1종 이상 선택되는 가교제를 더 포함하여 이루어지며, 상기 가교제의 함량은 단량체 혼합물 전체 중량에 대하여 0.001 내지 10 중량%인 것을 특징으로 하는 코어-쉘 구조의 중합 토너.

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