KR20100090960A - 토너 건조 시스템 및 토너 건조 방법 - Google Patents

Abstract

토너의 건조 시스템이 제공된다. 본 발명의 토너 건조 시스템은 건조 토너 입자 회수를 위한 사이클론에 이오나이저를 부착하여 건조 수율이 향상된 토너 입자를 제조할 수 있다.

Description

토너 건조 시스템 및 토너 건조 방법{Drying system for toner and method of drying toner}

본 발명은 습윤 상태의 토너를 건조시키는 토너 건조 시스템 및 토너 건조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 토너의 물성에 영향을 미치지 않으면서도 건조 수율이 향상된 토너 건조 시스템 및 이를 이용한 토너 건조 방법에 관한 것이다.

토너 현상 방식은 토너와 캐리어를 사용하는 2성분 현상 방식과 토너만을 사용하는 1성분 현상 방식으로 크게 구분된다. 근래, 정보통신 미디어의 발달로 퍼스널 컴퓨터의 저가화가 진행되고, 보급율이 증대됨에 따라 오피스 및 개인용 잉크 젯 프린터와 함께 레이저 프린터의 보급이 증가하고 있다. 이 때문에 레이저 프린터의 소형화와 저가화에 유리한 1성분 현상방식의 토너의 역할이 증대되고 있다.

일반적으로 토너는 결착 수지로 작용하는 열가소성 수지에 착색제, 대전제어제 또는 이형제 등을 첨가함으로써 제조된다. 또한, 토너에 유동성을 부여하거나 대전제어성 또는 클리닝성 등의 물성을 향상시키기 위하여, 실리카나 산화티탄 등의 무기 금속 미분말이 외첨제로서 토너에 첨가될 수 있다. 이러한 토너의 제조방 법으로는 분쇄법 등의 물리적인 방법과 현탁중합법 및 유화중합법 등의 화학적인 방법이 있다.

중합 토너 방식에서는 건조 공정이 필수적이며, 최종 제품의 수율 향상을 위해서 건조 수율 향상 또한 요구되고 있다.

이러한 건조 공정을 위한 건조기로는 기류식 건조기, 분무식 건조기, 밴드식 통기 건조기, 회전식 통기 건조기, 회전 건조기, 구형 교반 건조기, 유동층 건조기, 열풍 건조기, 적외선 건조기, 동결 건조기 등이 있는데, 연속 공정이 가능하고 건조후 제품의 표면 특성을 용이하게 변화시킬 수 있다는 점에서 기류식 건조기가 선호되고 있다.

일본공개특허 제2006-39123호에는, 백필터 내부의 엘레멘트(element)에 퇴적하는 토너 입자층의 두께 등을 측정하여 퇴적하는 토너 입자량을 줄임으로써 수율을 향상시키는 토너의 제조 방법을 개시하고 있으나, 원료 공급 속도, 펄스 에어의 간격 시간 등의 건조 조건의 변화를 통한 제품의 수율 향상에는 한계가 있다.

일본공개특허 제2006-343731호에서는 코어/쉘 구조의 토너에 있어서 쉘 부분에서의 열과 외력에 의한 손상에 따른 토너 성능 저하 현상을 방지하기 위하여 제1 및 제2 건조기를 포함하는 건조 시스템을 개시하고 있다. 여기서, 제1 건조기로는 유동층 건조기를, 제2 건조기로는 기류식 건조기를 설치하여 토너 표면에의 영향을 최소화할 수 있는 건조기술을 특징으로 하고 있으나 건조 공정의 수율은 더 저하될 수 있다.

일본공개특허 제2006-221040호에서는 토너 표면의 손상을 최소화하기 위하 여 기류식 건조기를 직렬로 2대 이상 설치하는 건조 시스템을 개시하고 있는데, 여기서는 복수 기류식 건조기를 설치함으로써 건조기 본체 내부의 공기 흐름을 최소화하여 토너 입자간의 충돌을 최소화하고 있으나, 역시 건조 수율은 더 저하될 수 있다.

따라서 본 발명은 건조 수율이 향상되면서도 토너의 물성에 악영향을 미치지 않는 토너 건조 시스템 및 토너 건조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 한 측면에서는,

건조 처리 장치;

상기 건조 처리 장치에 습윤 토너 입자를 공급하는 습윤 토너 입자 공급 장치;

상기 건조 처리 장치에 기류를 공급하는 기류 공급 장치; 및

상기 건조 처리 장치로부터 건조된 토너 입자를 회수하는 건조 토너 입자 회수 장치를 포함하는 토너 건조 시스템에 있어서, 상기 건조 토너 입자 회수 장치를 구성하는 사이클론 내벽에 이오나이저가 구비된 것을 특징으로 하는 토너 건조 시스템이 제공된다.

또한 본 발명의 다른 측면에서는

결착 수지와 착색제를 포함하는 습윤 토너 입자를 건조 처리 장치에 공급하고,

상기 기류 공급 장치로부터 상기 건조 처리 장치에 기류를 공급하고;

상기 건조처리 장치에서 기류의 순환에 의해 습윤 토너 입자를 건조하고;

상기 건조된 토너 입자를 건조 토너 입자 회수 장치에 공급하고;

상기 건조 토너 회수 장치를 통과시켜 건조 토너 입자를 회수하는 것을 포함하는 토너 건조 방법에 있어서, 상기 건조 토너 회수 장치를 구성하는 사이클론 내벽에 설치된 이오나이저에 의해 토너를 제전시키는 것을 특징으로 하는 토너 건조 방법이 제공된다.

본 발명의 토너 건조 시스템에 의하면, 건조 수율이 향상되면서도 토너의 다른 물성 변화가 없는 토너를 제조할 수 있다.

이하에서는 본 발명의 바람직한 구현예에 관하여 상세히 설명한다.

본 발명에서는 기류식 토너 건조 시스템의 사이클론 내벽에 이온 발생 장치인 이오나이저를 설치함으로써 토너 입자와 사이클론 내벽과의 정전기력에 의해 발생하는 토너의 부착력을 약화시켜, 최종 건조 토너의 수율을 향상시킬 수 있다. 정전기력을 약화시키기 위한 종래의 방법으로는 접지에 의한 방법, 가습에 의한 방법, 대전방지제나 대전용품을 사용하는 방법이 있으나, 접지하는 방법은 그 효과가 미미하고, 가습에 의한 방법은 토너의 분체 특성에 악영향을 줄 수 있으며, 대전방지제나 대전용품을 사용하는 방법은 토너 표면의 대전특성에 악영향을 줄 수 있어 부적당하다.

즉, 본 발명의 일 구현예에 따른 토너 건조 시스템은 건조 처리 장치;

상기 건조 처리 장치에 습윤 토너 입자를 공급하는 습윤 토너 입자 공급 장치; 상기 건조 처리 장치에 기류를 공급하는 기류 공급 장치; 및 상기 건조 처리 장치로부터 건조된 토너 입자를 회수하는 건조 토너 입자 회수 장치를 포함하는 토너 건조 시스템에 있어서, 상기 건조 토너 입자 회수 장치를 구성하는 사이클론 내벽에 이오나이저가 구비된 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 구현예에 따른 토너 건조 시스템을 개략적으로 나타낸 도 1을 참고로 하여 본 발명에 따른 토너 건조 시스템 및 토너 건조 방법을 보다 구체적으로 설명한다.

습윤 토너 입자 공급 장치(1)는 결착 수지와 착색제를 포함하는 습윤 토너 입자를, 예를 들어, 건조 고압 공기가 공급되는 분산 공기 공급장치 (미도시)를 통해 해쇄된 다음 건조 처리 장치(2)에 공급한다.

기류 공급 장치(5)는 압축 기류를 발생하고 가속시키는 공급 블로어(3), 및 기류를 일정온도로 가열하는 히터(4)를 포함할 수 있고, 기류를 상기 건조 처리 장치(2)에 공급한다.

건조 처리 장치(2)는 습윤 토너 입자를 기류의 순환에 의해 분산 및 선회시켜 토너 입자의 수분량이 소정 목표치에 이를 때까지 습윤 토너 입자를 건조시킨다.

그런 다음 상기 건조된 토너 입자는 건조 토너 회수 장치(9)를 구성하는 사이클론(6)에 공급된다.

상기 건조 토너 회수 장치(9)는 사이클론(6) 외에 사이클론(6)으로부터 건조 토너 입자를 회수하는 회수 용기(미도시)를 더 포함할 수 있다.

사이클론(6)으로 회수할 수 없는 초미립 토너는 백필터(7)에 회수되고, 배기 기류는 배출 블로어(8)에 의해 대기중으로 배출된다.

상기 사이클론(6) 내벽에 이오나이저(10)가 구비되어 있고, 상기 이오나이저(10)는 이온을 발생시켜 토너 입자와 사이클론 내벽과의 정전기력에 의해 내벽에 부착될 수 있는 토너 입자를 제전하여 토너 입자의 부착력을 약화시킴으로써 건조 토너 입자의 회수율을 향상시키게 된다.

건조 처리 장치의 작동 조건은, 유입 공기 온도는 60 내지 65℃, 유속은 1,200Nm³/m²·min 내지 2,000Nm³/m²·min이다.

또한 습윤 토너 입자의 함수율은 20-45%, 바람직하게는 25~40%이다. 건조 후 토너 입자의 함수율은 0.2~1.2%이다. 본 발명에 따른 토너 건조 시스템은 사이클론에 에어 노커(air knocker)를 추가로 구비할 수 있다. 에어 노커에 의해 사이클론 내벽에 붙은 토너 입자를 떼어내어 건조 토너 입자 회수율을 상승시킬 수 있다.

본 발명에 사용될 수 있는 이오나이저는 특별한 제한은 없으며, 토너의 대전 특성 등에 영향을 미치지 않는 것이면 어느 것이라도 좋다. 이오나이저는 코로나 방전을 이용하여 각 방전침에 걸리는 DC 전압이 5 내지 20kV인 것이 바람직하다. 5kV보다 작으면 제전 효과가 미미할 수 있고, 20kV보다 크면 토너의 대전 특성 등에 불리한 영향을 미칠 수 있다. 본 발명에서는 바람직하게는 1 내지 5개의 방전침 갯수, 더욱 바람직하게는 1 내지 4개의 방전침 갯수를 가진 이오나이저를 사용할 수 있다. 도 2a 및 도 2b는 토너 건조 장치 중 사이클론에 이오나이저의 설치 형태의 한 구현예를 도시한 것이다. 도 2a는 니들형 이오나이저의 방전침이 설치된 형태를 나타내는 정면도이고, 도 2b는 니들형 이오나이저의 방전침이 설치된 형태를 나타내는 평면도로서 이 경우 방전침 개수는 2개이다.

이오나이저의 방전침은 토너 입자와 동일 극성의 이온을 발생시키는 것이 바람직하다. 따라서 토너 입자가 양전하를 띠면 이오나이저의 방전침도 양이온을, 토너 입자가 음전하를 띠면 이오나이저의 방전침도 음이온을 발생시키는 것이 바람직하다.

본 발명의 토너 건조 장치에 사용될 수 있는 토너는 수계 매체중에서 입자 형성을 행하거나, 생성한 토너를 여과, 세척하는 등 그 제조 공정으로 토너가 습윤상태에 있는 것으로 중합 토너가 그 대표적인 것이다.

건조에 제공되는 습윤 토너 입자의 수분량은 20-45중량%가 바람직하고, 25-40중량%가 보다 바람직하다.

이하 실시예들을 들어 본 발명에 관하여 더욱 상세히 설명하지만, 본 발명이 이러한 실시예들에 한정되는 것은 아니다.

실시예

안료 분산액 제조

유기 안료(제품명: Cyan 15:3 제조사명: clariant) 50g, 유화제(Dowfax) 10g, 이온 교환수 260g 및 글래스 비즈(바이넥스 제품명: JM10) (평균 입경 600 ∼ 800μm) 400g을 혼합하고, 기계식 교반기(제조사명: IKA 모델명: Eurostar)를 사용하여 500rpm으로 1시간동안 운전하여 예비 분산하였다. 이후 이 예비 분산물을 디 스퍼맷(Dispermat; VMA-GETZMANN GMBH사) 실린더로 옮긴 후 분산하였다. 분산을 실시하는 동안 분산액의 온도상승을 제어하기 위하여 실린더는 자켓 형태의 실린더를 사용하였고, 써큘레어터(circulator)를 사용하여 냉각수를 공급해 주었다. 디스퍼맷의 분산 조건은 7,000 rpm으로 분산을 실시하였으며, 분산 시간은 유기안료의 평균 분산 입경이 100 ∼ 300nm을 보이고, 분산된 유기 안료 입자 분포가 단일한 분포를 보이는 시점까지 분산을 실시하였다. 유기 안료 분산 입자들의 크기 및 분포는 매스터사이저(Mastersizer 2000; Malvern 사)을 사용하여 측정하였다.

라텍스 입자 제조

산소를 제거한 초순도수 4.14kg에 음이온성 계면활성제인 다우팩스(Dowfax) 16.2g을 혼합하였다. 이 수용액을 반응조에 넣고 75℃까지 가열하였다. 75℃에 도달했을 때 과황산칼륨 92.8g을 초순도수 1.83kg에 용해시킨 개시제 용액을 넣었다. 10분 뒤에 스티렌, 아크릴산부틸 및 메타크릴산 각각 4.7kg, 1.23kg, 및 180g과, 초순도수 2.5kg, 및 다우팩스 116g 으로 제조한 에멀션을 상기 반응조에 180분에 걸쳐 적가하였다. 적가후 75℃에서 8시간 반응시킨 후 냉각시켰다.

습윤 토너 입자의 제조

상기 제조한 유기 안료 분산액, 라텍스를 사용하여 코어/쉘 형태의 토너 입자를 합성하였다. 우선, 상기에서 제조한 라텍스 코어와 유기 안료 분산액을 하기 표 1에 명시된 배합대로 계량 후, 코어용 입자들의 응집을 실시하였다. 코어용 입 자들의 응집을 위하여 별도의 응집제를 사용하였고, 응집제는 MgCl₂ (1차 응집제), 및 NaCl (2차 응집제)을 사용하였다. 라텍스 코어, 유기 안료 분산액 및 응집제를 첨가한 후, 기계식 교반기를 사용하여 400rpm으로 교반하였다. 이 때, 반응 온도는 95℃를 유지하였다. 반응 도중 반응물 표면에의 산소의 공격을 막기 위하여 질소 분위기를 유지하였고, 증발되는 휘발분을 응결시켜 반응기로 다시 떨어뜨리기 위하여 컨덴서를 설치하였다. 반응기 임펠러는 투 블레이드 타입(two blade type)의 임펠러를 사용하였다. 상기 방법으로 코어 입자의 합성을 완료하였고, 입도 측정 결과 6.0㎛의 입경을 보였다. 이어서, 상기 반응기에 상기 제조한 라텍스를 추가로 투입하여 상기 토너 코어부를 감싸도록 제어하였다. 쉘용 라텍스 첨가 후 95℃에서 2~5 시간 융합 공정을 진행하였다. 융합 공정을 진행하여 토너 표면을 매끄럽게 만들고, 토너 입자의 원형도를 향상시켰다. 융합 공정이 완료되면 반응시 사용한 계면활성제의 제거 및 미분의 제거를 위하여 여과 및 세정 공정을 진행하였다.

토너 입자의 건조

상기한 세정 공정후의 습윤 토너 입자를 기류식 건조기에 투입하여 건조 실험을 진행하였다. 습윤 토너 입자의 공급 속도는 9.0kg/hr, 기류식 건조기 본체 내부 온도는 49±1 ℃ 이었다.

기류식 건조기는 플래쉬 젯 드라이어(Flash Jet Dryer; FJD-4B, 세이신 기업)를 사용하였고, 사이클론 내벽에 이오나이저(이레테크, KIB-025, 방전침 : D16S)를 설치하거나(실시예), 이오나이저를 설치하지 않고(비교예) 건조시켰다. 이 때 이오나이저의 방전침의 개수를 변화시켜 실험하였다. 각 방전침의 DC 전압은 15kV이었다.

구 분		실시예 1	실시예 2	실시예 3	실시예 4	비교예 1	비교예 2
이오나이저	방전침 갯수	1	2	3	4	0	0
에어 노커	갯수	1	1	1	1	1	0

상기 표에서 각 성분의 함량은 라텍스 수지 100중량부 기준으로 나타낸 값이다.

상기 방법으로 제조된 토너를 이용하여 건조 공정 수율, 대전 특성, 응집성, 체적 평균 입경을 평가하였다.

건조 수율은 하기 계산식을 이용하여 계산하였다.

[수식 1]

(건조후 토너 회수 양(g) × (1 - 건조후 토너 함수율 × 0.01)) / (습윤 토너 입자 양(g) × (1 - 습윤케이크 함수율 × 0.01)) × 100

대전 특성은 토너 입자가 현상기 내에서 노광 및 전사가 되기 위한 가장 주요한 특성으로서, 대전량 측정기 (TB-203, Kyocera chemical corporation)를 사용하여 측정하였다. 여기서, 토너를 대전시키기 위해서 표준 캐리어 (N-01, Imaging society of Japan) 를 사용하였다. 표준 캐리어와 토너의 비율을 중량비로 95:5로 계량하여 20ml 바이알에 첨가한 후, 손으로 5~6 회 흔들어서 토너와 캐리어 간의 마찰을 통해서 대전을 시킴으로써 샘플을 제조하였다.

응집성은 토너 입자의 분체 흐름성을 의미하며, 현상기 내에서 토너의 이동 및 화상농도, 소모량에 영향을 줄 수 있는 주요한 특성이다. 응집성 측정은 파우더 테스터 (PTS, Hosokawa micron)를 사용하여 측정하였다.

체적 평균 입경은 체적 기준에 의한 입자의 평균 크기이고, 쿨터 카운터멀티사이저(Coulter counter multisizer 3, Beckman 사)를 이용하여 측정하였다. 어퍼처 (aperture)는 100㎛를 이용하고, 전해액인 ISOTON-Ⅱ (Beckman사) 50∼100ml에 계면활성제를 적정량 첨가하고, 여기에 측정 시료 10∼20mg을 첨가한 후 초음파 분산기에 30분간 분산처리함으로서 샘플을 제조하였다.

상기 실시예 및 비교예의 결과들을 종합하여 표 3에 나타내었다.

구분	수율 (%)	건조후 토너함수율 (%)	대전특성 (μC/g)	응집성 (%)	체적 평균 입경 (㎛)
실시예 1 실시예 2 실시예 3 실시예 4	92.2 94.3 94.9 94.8	0.45 0.51 0.44 0.47	-44 -42 -45 -49	75 74 80 83	6.5 6.7 6.8 6.6
비교예 1 비교예 2	89.1 90.2	0.48 0.50	-43 -45	77 75	6.8 6.5

상기 표에서 알 수 있듯이, 본 발명에 따른 토너 건조 장치를 이용하여 토너 입자를 건조시키면 토너 입자의 대전 특성, 응집성, 체적 평균 입경 및 건조 후 토너 함수율에는 변화가 없으면서도 건조 수율을 향상시킬 수 있다는 것을 알 수 있다.

이상에서 본 발명에 따른 바람직한 실시예가 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 토너 건조 장치의 개략도이다.

도 2a는 본 발명의 일 구현예에 따른 토너 건조 장치중 사이클론에 이오나이저의 설치 형태를 보여주는 정면도이다.

도 2b는 본 발명의 일 구현예에 따른 토너 건조 장치중 사이클론에 이오나이저의 설치 형태를 보여주는 평면도이다.

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1: 습윤 토너 입자 공급 장치

2: 건조 처리 장치

3: 공급 블로어

4: 히터

5: 기류 공급 장치

6: 사이클론

7: 백필터

8: 배출 블로어

9: 건조 토너 입자 회수 장치

10: 이오나이저

Claims (6)

1. 건조 처리 장치;

   상기 건조 처리 장치에 습윤 토너 입자를 공급하는 습윤 토너 입자 공급 장치;

   상기 건조 처리 장치에 기류를 공급하는 기류 공급 장치; 및

   상기 건조 처리 장치로부터 건조된 토너 입자를 회수하는 건조 토너 입자 회수 장치를 포함하는 토너 건조 시스템에 있어서, 상기 건조 토너 입자 회수 장치를 구성하는 사이클론 내벽에 이오나이저가 구비된 것을 특징으로 하는 토너 건조 시스템.
2. 제1항에 있어서,

   상기 건조 토너 입자 회수 장치에 에어 노커(air knocker)가 더 구비된 것을 특징으로 하는 토너 건조 시스템.
3. 제1항에 있어서,

   상기 이오나이저는 토너 입자와 동일 극성의 이온을 방출시키는 것을 특징으로 하는 토너 건조 시스템.
4. 제1항에 있어서,

   상기 이오나이저는 1 내지 4개의 방전침을 구비한 것을 특징으로 하는 토너건조 시스템.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 이오나이저의 각 방전침에는 5 내지 20kV의 DC 전압이 인가되는 것을 특징으로 하는 토너 건조 시스템.
6. 결착 수지와 착색제를 포함하는 습윤 토너 입자를 건조 처리 장치에 공급하고;

   기류 공급 장치로부터 상기 건조 처리 장치에 기류를 공급하고;

   상기 건조 처리 장치에서 기류의 순환에 의해 습윤 토너 입자를 건조하고;

   상기 건조된 토너 입자를 건조 토너 입자 회수 장치에 공급하고;

   상기 건조 토너 입자 회수 장치를 통과시켜 건조 토너 입자를 회수하는 것을 포함하는 토너 건조 방법에 있어서, 상기 건조 토너 입자 회수 장치를 구성하는 사이클론 내벽에 설치된 이오나이저에 의해 토너 입자를 제전시키는 것을 특징으로 하는 토너 건조 방법.

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