KR20130053054A - 토너 및 그의 제조방법 - Google Patents

Abstract

토너 및 그의 제조방법이 개시된다. 개시된 토너는 결착수지, 착색제 및 왁스를 포함하는 코어부, 및 결착수지와 무기 입자를 포함하며 상기 코어부를 둘러싼 쉘부를 포함한다.

Description

토너 및 그의 제조방법{Toner and method of preparing the same}

토너 및 그의 제조방법이 개시된다. 보다 상세하게는, 무기 입자를 포함하는 쉘부를 갖는 코어-쉘 구조의 토너 및 그의 제조방법이 개시된다.

화상 구현에 사용되는 토너는 주로 분쇄법으로 제조된다. 이러한 분쇄법은 결착수지, 착색제, 대전제어제 및 왁스 등을 건식으로 혼합하여 혼합물을 형성하는 단계, 및 상기 혼합물을 용융혼합한 후 냉각하고 분쇄하는 단계를 포함한다. 그러나, 이와 같이 분쇄법으로 제조된 토너는 토너의 입도분포가 넓고 이에 따라 분급을 통하여 입자크기가 큰 조분을 폐기하여야 하므로 수율이 낮고 제조비용이 큰 단점이 있다. 또한, 대전제어제 및 착색제 등이 토너내에 잘 분산되지 않고 토너 입자의 형상을 제어할 수 없으므로 해상도가 저하되는 문제점이 있다.

상기와 같은 분쇄법의 문제점을 개선하기 위하여 중합에 의한 토너의 제조방법(이를 간단히 중합법이라고 함)이 개발되었다. 중합법의 대표적인 예로는 현탁중합법과 에멀젼중합법이 있다. 이러한 중합법에 의해 제조된 토너(이를 중합토너라고 함)는 입자크기나 형상제어 측면에서는 유리하지만, 전사 후에 카트리지내에 잔류하는 토너는 블레이드 등과 접촉하면서 형상이 변형되거나 부서지는 경우가 있다. 따라서, 토너의 강도를 보강하고 대전성을 향상시키기 위하여 토너 입자의 표면에 무기 입자를 외첨하는 방법이 제안되었다(JP 2009-092822). 그러나 이 경우, 토너 입자의 표면에 외첨된 무기 입자는 블레이드와의 접촉이나 토너 입자간의 충돌에 의해 토너 입자로부터 탈리되는 경향이 있어서 토너의 강도 보강 및 대전성 향상에 미흡한 문제점이 있다.

본 발명의 일 구현예는 무기 입자를 포함하는 쉘부를 갖는 코어-쉘 구조의 토너를 제공한다.

본 발명의 다른 구현예는 상기 토너를 제조하는 방법을 제공한다.

본 발명의 일 측면은,

결착수지, 착색제 및 왁스를 포함하는 코어부; 및

결착수지 및 무기 입자를 포함하며 상기 코어부를 둘러싼 쉘부를 포함하는 토너를 제공한다.

상기 코어부는 무기 입자를 포함하지 않고, 상기 쉘부는 착색제와 왁스를 포함하지 않을 수 있다.

상기 무기 입자는 5nm~300nm의 평균입경을 가질 수 있다.

상기 무기 입자는 실리카, 소수화 실리카(hydrophobilized silica), 콜로이드 실리카, 산화티탄, 알루미나, 탄산칼슘 및 탄산마그네슘으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.

상기 쉘부에 포함된 무기 입자의 함량은 상기 토너에 포함된 결착수지 총 중량 100중량부에 대하여 0.1~1중량부일 수 있다.

상기 토너에 포함된 결착수지는 상기 코어부 및 상기 쉘부에　각각 70~80중량부 및 30~20중량부의 비율로 포함될 수 있다.

상기 코어부 및 상기 쉘부에 포함된 각 결착수지는 서로 동일하거나 상이할 수 있다.

상기 코어부에 포함된 결착수지의 유리전이온도는 상기 쉘부에 포함된 결착수지의 유리전이온도 보다 낮을 수 있다.

본 발명의 다른 측면은,

반응기에 결착수지 분산액, 착색제 분산액, 왁스 분산액 및 응집제를 투입한 다음 반응기 내용물을 1차 승온시켜 토너 코어부를 형성하는 단계;

상기 토너 코어부를 함유하는 반응기 내용물에 결착수지 분산액 및 무기 입자 분산액을 추가로 첨가하여 상기 토너 코어부를 둘러싸며, 결착수지 및 무기 입자를 포함하는 쉘부를 형성하는 단계; 및

상기 쉘부 형성단계를 거친 반응기 내용물을 2차 승온시켜 합일된 토너 입자를 얻는 단계를 포함하는 토너의 제조방법을 제공한다.

상기 1차 승온은 상기 코어부 형성단계에 투입된 결착수지의 유리전이온도 보다 4~20℃ 낮은 온도까지 진행될 수 있다.

상기 2차 승온은 상기 쉘부 형성단계에 첨가된 결착수지의 유리전이온도 보다 10~40℃ 높은 온도까지 진행될 수 있다.

본 발명의 일 구현예에 따른 토너의 제조방법에 의하면, 토너의 대전성이 우수하고 토너의 내구성이 높아 우수한 화상 품질을 구현할 수 있는 토너를 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 토너의 모식도이다.

이하, 본 발명의 일 구현예에 따른 토너 및 그의 제조방법을 상세히 설명한다.

본 발명의 일 구현예에 따른 토너는 결착수지, 착색제 및 왁스를 포함하는 코어부, 및 결착수지와 무기 입자를 포함하며 상기 코어부를 둘러싼 쉘부를 포함한다. 본 명세서에서, “토너”는 문맥에 따라 1개의 토너 입자를 지칭할 수도 있고, 토너 입자들의 집합(즉, 토너 분말)을 지칭할 수도 있다.

상기 무기 입자는 후술하는 외첨제와 마찬가지로 토너에 대전성을 부여하고 토너의 내구성을 증가시키는 기능을 갖는다. 이에 따라, 상기 쉘부에 배치된 무기 입자는 외첨제의 기능을 보완할 수 있어서, 대전성이 높고 대전 안정성이 우수하며 내구성이 우수하여 화상형성장치에 사용될 경우 우수한 화상품질을 구현할 수 있는 토너를 제공할 수 있다. 구체적으로, 상기 무기 입자는 토너의 쉘부내에 위치하여 토너와 일체화되어 있기 때문에 프린팅 작업 중에 카트리지내에서 블레이드와의 접촉이나 토너 입자간의 충돌에 의해서도 토너로부터 탈리되지 않는다. 이와는 달리 외첨제는 프린팅 작업 중 토너로부터 탈리되는 경향이 있으며, 이로 인해 약화되는 외첨제의 기능을 상기 무기 입자가 보충할 수 있다.

본 명세서에서, “토너의 대전 안정성”이란 토너가 장기간 운반 및 보관되거나 카트리지에 투입된 후 프린팅 작업에 의해 사용될 때까지 높은 대전성을 유지하는 특성을 의미한다. 또한 본 명세서에서, “토너의 내구성”이란 토너를 장기간 운반 및 보관하거나 카트리지에 투입된 후 프린팅 작업에 의해 사용될 때까지 파손 등에 의해 변형되지 않고 원형을 유지하는 특성을 의미한다.

상기 코어부는 무기 입자를 포함하지 않고, 상기 쉘부는 착색제와 왁스를 포함하지 않을 수 있다. 상기 코어부가 무기 입자를 포함하는 경우에는 상기 무기 입자가 토너 입자의 표면과 상당 거리 이격되므로 외첨제의 기능을 보완하기 어려울뿐만 아니라 토너의 제조비용이 증가할 수 있다. 한편, 상기 쉘부가 착색제와 왁스를 포함하는 경우에는 정착성이나 화상농도(OD: optical density)가 나빠지며, 왁스 및/또는 착색제 입자들 간의 뭉침 현상으로 인해 토너 표면이 거칠어져서 정착성이 저하되거나 정착기를 오염시키는 문제점이 있다.

상기 무기 입자는 5nm~300nm의 평균입경을 가질 수 있다. 상기 무기 입자의 평균입경이 상기 범위이내이면, 토너 제조시 토너 조성물의 분산성 및 유동성이 좋고 토너의 쉘부에 무기 입자가 고르게 분산되어 토너의 내구성이 향상될 수 있다.

상기 무기 입자는 실리카, 소수화 실리카(hydrophobilized silica), 콜로이드 실리카, 산화티탄, 알루미나, 탄산칼슘 및 탄산마그네슘으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.

상기 쉘부에 포함된 무기 입자의 함량은 상기 토너에 포함된 결착수지 총 중량 100중량부에 대하여 0.1~1중량부일 수 있다. 상기 쉘부에 포함된 무기 입자의 함량이 상기 범위이내이면, 토너의 제조시 응집공정에서 토너의 회수가 용이하고 토너의 대전성, 대전 안정성 및 내구성이 향상될 수 있다.

상기 토너에 포함된 결착수지는 상기 코어부 및 상기 쉘부에　각각 70~80중량부 및 30~20중량부의 비율로 포함될 수 있다. 상기 각 결착수지의 함량비가 상기 범위이내이면, 상기 무기 입자가 상기 두개의 층에서 층간 이동없이 토너의 쉘부에만 안정적으로 분포될 수 있다.

상기 코어부 및 상기 쉘부에 포함된 각 결착수지는 서로 동일하거나 상이할 수 있다. 예를 들어, 상기 코어부 및 상기 쉘부에 포함된 각 결착수지가 상이한 경우, 상기 코어부에 포함된 결착수지의 유리전이온도가 상기 쉘부에 포함된 결착수지의 유리전이온도 보다 낮은 것이 토너의 내구성 측면에서 유리하다.

이하, 전술한 토너의 구성을 도 1을 참조하여 보다 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 토너의 모식도이다.

도 1을 참조하면, 상기 토너는 코어부(10) 및 이 코어부(10)를 둘러싼 쉘부(20)를 포함한다.

코어부(10)에는 결착수지(3)와 함께 착색제(1) 및 왁스(2)가 분포되고, 쉘부(20)에는 결착수지(3)와 함께 무기 입자(4)가 분포된다. 또한, 쉘부(20)의 표면에는 외첨제(5)가 추가로 부착될 수 있다. 이와 같이 쉘부(20)에는 무기 입자(4)가 분포되어 외첨제(5)의 기능을 보완할 수 있으므로, 전술한 바와 같이 외첨제(5)가 토너의 사용 중(즉, 프린팅 작업 중) 토너로부터 탈리되더라도 토너의 대전성, 대전 안정성 및 내구성이 높게 유지될 수 있다.

이하, 본 발명의 일 구현예에 따른 토너의 제조방법을 상세히 설명한다.

상기 토너의 제조방법은 반응기에 결착수지 분산액, 착색제 분산액, 왁스 분산액 및 응집제를 투입한 다음 반응기 내용물을 1차 승온시켜 토너 코어부를 형성하는 단계; 상기 토너 코어부를 함유하는 반응기 내용물에 결착수지 분산액 및 무기 입자 분산액(또는 결착수지와 무기 입자를 모두 포함하는 분산액)을 추가로 첨가하여 상기 토너 코어부를 둘러싸며, 결착수지 및 무기 입자를 포함하는 쉘부를 형성하는 단계; 및 상기 쉘부 형성단계를 거친 반응기 내용물을 2차 승온시켜 합일된 토너 입자를 얻는 단계를 포함한다. 상기 각 단계는 1개의 반응기에서 모두 진행될 수 있지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 4개의 단계 중 1개 이상의 단계 및 2개 이상의 단계가 2개 이상의 반응기에 나누어 진행될 수도 있다.

상기 반응기는 교반기, 가열수단(예를 들어, 히터), 가압수단 및/또는 감압수단(예를 들어, 진공배관 및 진공펌프)을 구비할 수 있다.

일 구현예에서, 상기 결착수지 분산액, 상기 착색제 분산액 및 상기 왁스 분산액은 각각 한국공개특허 제2010-0048071호에 개시된 라텍스 분산액, 착색제 분산액 및 왁스 분산액과 동일하거나 유사한 방법으로 제조된 것일 수 있다. 한국공개특허 제2010-0048071호는 인용에 의하여 전문이 본 명세서에 통합된다.

다른 구현예에서, 상기 결착수지 분산액, 상기 착색제 분산액 및 상기 왁스 분산액은 각각 한국공개특허 제2010-0115148호에 개시된 폴리에스테르 수지 분산액, 착색제 분산액 및 왁스 분산액과 동일하거나 유사한 방법으로 제조된 것일 수 있다. 한국공개특허 제2010-0115148호는 인용에 의하여 전문이 본 명세서에 통합된다.

상기 결착수지 분산액의 제조에 사용되는 결착수지의 중량평균분자량은 6,000 내지 130,000일 수 있다. 상기 결착수지의 중량평균분자량이 6,000 미만이면 토너의 보존성과 정착성에 좋지 않은 영향을 줄 수 있고, 130,000을 초과하면 정착성에 좋지 않은 영향을 줄 수 있다.

상기 결착수지의 PDI(Poly Dispersity Index)는 2 내지 10이고, 겔 투과 크로마토그래피로 측정한 피크분자량(Max peak position; Mp)은 1,000 내지 10,000일 수 있다. 본 명세서에서, 겔 투과 크로마토그래피(GPC)에서의 피크분자량(Mp)이란 GPC 측정으로 얻은 용출 곡선의 피크치로부터 구한 분자량을 의미한다. 또한, 용출 곡선의 피크치란, 용출 곡선의 극대치를 의미하며, 상기 극대치가 2개 이상 존재하는 경우에는, 그 중 최대치를 의미한다. GPC의 용리액으로는, 이에 제한되는 것은 아니지만, THF(tetrahydrofuran) 또는 결착수지를 용해시키는 용매, 예컨대, 클로로포름 등이 사용될 수 있다.

또한, 상기 결착수지의 유리전이온도는 40 내지 80℃, 예를 들어, 50 내지 75℃일 수 있다. 상기 결착수지의 유리전이온도가 40℃ 이상이면 결착수지 입자를 이용하여 형성한 토너는 보존 안정성에 문제가 없고, 80℃ 이하이면 특히 칼라 인쇄시에도 핫 오프셋(hot offset)이 발생하기 어렵다.

상기 착색제 분산액의 제조에 사용되는 착색제는 상업적으로 흔히 사용되는 안료인 블랙 안료, 시안 안료, 마젠타 안료, 옐로우 안료 또는 이들 중 2 이상의 혼합물일 수 있다.

상기 왁스 분산액의 제조에 사용되는 왁스는 공지의 왁스일 수 있다. 예를 들어, 카르나우바 왁스, 라이스 왁스 등의 천연 왁스; 폴리프로필렌 왁스, 폴리에틸렌 왁스 등의 합성 왁스; 몬탄 왁스 등의 석유계 왁스; 알코올계 왁스; 및 에스테르계 왁스 등이 사용될 수 있다. 상기 왁스는 1종이 단독으로 사용될 수도 있고, 2종 이상이 병용될 수도 있다.

상기 응집제는 상기 코어부 형성단계뿐만 아니라 상기 쉘부 형성단계에도 첨가될 수 있다. 이러한 응집제로는 NaCl, KCl 또는 PSI(Poly Silicato Iron)가 사용될 수 있다.

상기 무기 입자 분산액은 분산매(예를 들어, 증류수)에 염기성 물질(예를 들어, 암모니아수)를 첨가하여 pH가 10~14인 수용액을 제조하는 단계, 상기 수용액에 무기 미립자를 첨가하여 슬러리를 제조하는 단계, 상기 슬러리를 5000rpm으로 교반하는 단계, 및 상기 슬러리에 산(예를 들어, 포름산)을 첨가하여 pH가 6~8로 중화시키는 단계를 거쳐 제조될 수 있다. 다른 예로서, 상기 쉘부 형성시 결착수지 분산액과 무기 입자 분산액을 각각 제조하여 사용하는 대신에 결착수지와 무기 입자를 모두 포함하는 단일 분산액을 제조하여 사용할 수도 있다.

상기 쉘부에 첨가되는 무기 입자의 함량은 결착수지 총 첨가량 100중량부에 대하여 0.1~1중량부일 수 있다.

상기 1차 승온은 상기 코어부 형성단계에 투입된 결착수지의 유리전이온도(Tg) 보다 4~20℃ 낮은 온도까지 진행될 수 있다. 상기 1차 승온시의 온도가 상기 범위(Tg minus 4~20℃)이내이면, 입자별로 고른 응집이 일어난다.

상기 응집은 토너의 입경이 6.0~7.0㎛가 될 때까지 진행될 수 있다.

상기 2차 승온은 상기 쉘부에 첨가된 결착수지의 유리전이온도(Tg) 보다 10~40℃ 높은 온도까지 진행될 수 있다. 상기 2차 승온시의 온도가 상기 범위(Tg + 10~40℃)이내이면, 착색제 및 왁스 성분들이 서로 뭉쳐 덩어리를 형성한 후 상기 덩어리가 토너 표면(즉, 쉘부의 표면)으로 돌출되는 현상을 방지할 수 있다.

상기 합일은 토너의 입경이 7.0~8.0㎛가 될 때까지 진행될 수 있으며, 이에 의하여 입경 및 형상이 거의 균일한 토너 입자를 얻을 수 있다.

상기 각 단계에 사용되는 결착수지는 서로 동일하거나 상이할 수 있다. 예를들어, 토너의 내구성을 향상시키기 위하여, 상기 코어부 형성단계에 투입된 결착수지의 유리전이온도는 상기 쉘부 형성단계에 첨가된 결착수지의 유리전이온도 보다 낮을 수 있다.

상기 토너의 제조방법에 첨가되는 결착수지는 상기 코어부 형성단계 및 상기 쉘부 형성단계에　각각 70~80중량부 및 30~20중량부의 비율로 첨가될 수 있다. 상기 각 단계에서 사용되는 결착수지의 함량비가 상기 범위이내이면, 착색제 및 왁스가 토너의 표면에 노출되는 것을 방지할 수 있다.

상기 토너의 제조방법은 상기 합일 공정에서 얻은 토너 입자를 물로 세척하고 건조시키는 단계를 추가로 포함한다. 이 단계에서는 토너 입자를 포함하는 반응기 내용물을 실온까지 냉각한 후, 여과하고, 상기 여과액을 제거한 다음, 토너 입자를 물로 세척한다. 상기 세척에는 전도도가 10uS/cm 이하인 순수한 물이 사용될 수 있으며, 상기 세척은 토너를 세척한 여과액의 전도도가 50uS/cm 이하가 될 때까지 진행될 수 있다. 순수한 물을 이용한 토너의 세척은 배치식으로 진행될 수도 있고 연속적으로 진행될 수도 있다. 순수한 물을 이용한 토너의 세척은 토너의 대전성에 영향을 줄 수 있는 불순물 및 응집에 관여하지 않는 불필요한 응집제 등 토너 성분 이외의 불필요한 성분을 제거하기 위해 수행될 수 있다.

상기 세척 단계 후 얻어진 토너를 유동층 건조기, 플래시 젯 건조기 등을 이용하여 건조할 수 있다. 또한, 건조하여 얻어진 토너에 원하는 외첨제를 추가할 수 있다. 상기 외첨제는 토너의 유동성을 향상시키거나 대전특성을 조절하기 위한 것으로서, 이러한 외첨제로는 대입경 실리카(입경≥40nm), 소입경 실리카(7nm≤입경≤30nm), 폴리머 비즈 또는 이들 중 2 이상의 혼합물이 사용될 수 있다.

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

실시예

제조예 1-1: 코어용 폴리에스테르 수지의 합성

온도계 및 교반기가 설치된 오토클레이브에 디메틸 테레프탈레이트 137g, 디메틸 이소프탈레이트 55g, 에틸렌 글리콜 68g, 비스페놀 A의 에틸렌 옥사이드 부가물 175g 및 촉매로서 테트라부톡시 티타네이트 0.1g을 투입하고 150~220℃에서 180분간 가열하여 에스테르 교환 반응을 진행시켰다. 이어서, 240℃까지 승온시키고 반응기 압력을 서서히 줄여서 30분 후에 10mmHg로 낮추고, 70분간 반응을 계속 진행시켰다. 이후, 오토클레이브 내부를 질소 가스로 치환하여 대기압으로 되게 한 후, 온도를 200℃까지 내리고, 트리멜리트산 2.0g을 가하고 70분간 반응을 진행시켜 코어용 폴리에스테르 수지를 얻었다.

제조예 1-2: 쉘용 폴리에스테르 수지의 합성

교반기, 온도계, 콘덴서 및 질소 주입구가 설치된 3L 반응기를 오일조내에 설치하였다. 상기 반응기에 디메틸 테레프탈레이트 97g, 디메틸이소프탈레이트 96g, 디메틸 5-술포이소프탈레이트 나트륨염 0.15g, 1,2-프로필렌 글리콜 175g 및 트리멜리트산 4.0g을 투입하였다. 이어서, 중합 촉매로서 테트라부틸티타네이트를 단량체 총 중량에 대하여 500ppm의 양으로 투입하였다. 이어서, 반응기의 교반 속도를100rpm으로 유지하면서 온도를 150℃까지 상승시켰다. 이후, 약 5시간 동안 반응을 진행시켰다. 상기 에스테르 반응의 부산물인 메탄올이 더 이상 콘덴서에서 얻어지지 않으면, 반응온도를 다시 220℃까지 올리고 반응기의 압력을 0.1torr로 감압하여 15시간 동안 추가적으로 반응시켜 쉘용 폴리에스테르 수지를 얻었다.

유리전이온도( Tg , ℃) 측정

시차주사열량계(Netzsch사 제품)를 사용하여, 상기 제조예 1-1 및 1-2에서 제조된 각 폴리에스테르 수지 시료를 10℃/분의 가열 속도로 20℃에서 200℃까지 승온시킨 후, 20℃/분의 냉각 속도로 10℃까지 급랭시킨 다음, 다시 10℃/분의 가열 속도로 승온시켜 상기 시료의 유리전이온도를 측정하였다.

상기 제조예 1-1 및 제조예 1-2에서 제조된 폴리에스테르 수지의 유리전이온도(Tg)는 각각 66℃ 및 70℃이었다.

　

산가 측정

산가(mgKOH/g)는 상기 제조예 1-1 및 제조예 1-2에서 제조된 각 폴리에스테르 수지를 디클로로메탄에 용해시킨 후 냉각시켜, 0.1N KOH 메틸알코올 용액으로 적정함으로써 측정하였다.

상기 제조예 1-1 및 제조예 1-2에서 제조된 폴리에스테르 수지의 산가는 각각 11mgKOH/g 및 15mgKOH/g 이었다.

　

중량평균분자량 및 Mp 측정

폴리스티렌(Polystyrene) 기준시료를 사용한 검량선을 이용하여 GPC(gel permeation chromatography)에 의해 상기 제조예 1-1 및 제조예 1-2에서 제조된 각 폴리에스테르 수지의 중량평균분자량을 측정하였다.

또한, GPC법에 의해, 얻어진 용출 곡선의 피크치에 상당하는 유지 시간으로부터, 피크 분자량(Mp)을 표준 폴리스티렌 환산에 의해 구하였다. 여기서, 용출 곡선의 피크치란, 용출 곡선이 극대치를 나타내는 점을 의미하며, 극대치가 2개 이상 존재하는 경우는, 용출 곡선의 최대치를 부여하는 점이 피크치이다. 또한, 피크 분자량의 위치에 있어서의 GPC 곡선의 신호강도 I(Mp), 분자량 10만의 위치에 있어서의 GPC 곡선의 신호 강도 I(M100000)란, 각각, 피크 분자량의 위치에 있어서의 신호 강도와 베이스라인의 신호 강도의 차이, 분자량 10만의 위치에 있어서의 신호 강도와 베이스라인의 신호 강도의 차이이며, 전위(㎷)로 표시되는 값이다. GPC 측정 조건은 이하와 같았다.

- 장치: 도요소다공업(주) 제품, HLC8020

- 컬럼: 도요소다공업(주) 제품, TSKgelGMHXL(컬럼 사이즈: 7.8㎜(ID)×30.0㎝(L))을 3열 직렬로 연결한 것

- 오븐 온도: 40℃

- 용리액: THF

- 시료 농도: 4㎎/10㎖

- 여과 조건: 0.45㎛ 테프론(등록상표) 멤브레인 필터로 시료 용액을 여과

- 유속: 1㎖/분

- 주입량: 0.1㎖

- 검출기: RI(reflective index) 검출기

검량선 작성용 표준 폴리스티렌 시료: 도요소다공업(주) 제품 TSK standard, A-500(분자량 5.0×10²), A-2500(분자량 2.74×10³), F-2(분자량 1.96×10⁴), F-20(분자량 1.9×10⁵), F-40(분자량 3.55×10⁵), F-80(분자량 7.06×10⁵), F-128(분자량 1.09×10⁶), F-288(분자량 2.89×10⁶), F-700(분자량 6.77×10⁶), F-2000(분자량 2.0×10⁷).

상기 제조예 1-1 및 제조예 1-2에서 제조된 각 폴리에스테르 수지의 중량평균분자량은 각각 28,000 및 120,000이었고, Mp는 각각 7,800 및 8,000이었다.

제조예 2-1: 코어용 폴리에스테르 수지 분산액의 제조

온도계 및 임펠러형 교반기를 장착한 3L 반응기에 분산안정제인 4중량% 수산화나트륨 수용액을 46g(폴리에스테르 수지 산가 대비 2.5당량) 투입하고, 계면활성제(다우코닝사, Dowfax 2A1) 6.67g, 및 물 958g을 넣었다. 여기에, 상기 제조예 1-1에서 제조된 폴리에스테르 수지(A) 300g을 고체 상태로 투입하고, 메틸에틸케톤 500g을 투입한 다음 70℃에서 1시간 동안 환류시킨 후, 80℃에서 4시간 이상 질소 퍼지하면서 유기 용매를 제거하였다. 결과로서, 24중량%의 고형분 농도를 갖는 코어용 폴리에스테르 수지 분산액을 얻었다.

제조예 2-2: 쉘용 폴리에스테르 수지 분산액의 제조

상기 제조예 1-1에서 제조된 코어용 폴리에스테르 수지 대신에 상기 제조예 1-2에서 제조된 쉘용 폴리에스테르 수지를 사용한 것을 제외하고는, 상기 제조예 2-1과 동일한 방법으로 쉘용 폴리에스테르 수지 분산액을 제조하였다.

제조예 3-1: 코어용 라텍스 분산액의 제조

교반기, 온도계 및 콘덴서가 설치된 부피가 30 리터인 반응기를 오일조내에 설치하였다. 이와 같이 설치된 반응기 내에 증류수 및 계면활성제(Dowfax 2A1)를 각각 6,600g 및 32g씩 투입하여 반응기 온도를 70℃까지 증가시키고 100rpm의 교반속도로 교반시켰다. 이후, 모노머, 즉 스티렌 8,380g, 부틸 아크릴레이트 3,220g, 2-카르복시에틸 아크릴레이트 370g 및 1,10-데칸디올 디아크릴레이트 226g과, 증류수 5,076g, 계면활성제(Dowfax 2A1) 226g, 마크로모노머로서 폴리에틸렌글리콜 에틸에테르 메타크릴레이트 530g, 사슬이동제로서 1-도데칸티올 188g의 유화혼합물을 디스크 타입 임펠러로 450rpm으로 30분 동안 교반한 다음, 상기 반응기에 1시간 동안 천천히 투입하였다. 이후, 약 8시간 동안 반응을 진행시킨 다음 상온까지 천천히 냉각시켜 반응을 완료하였다. 결과로서, 코어용 라텍스 분산액을 얻었다.

반응 완료 후 시차주사열량계(DSC)를 이용하여 상기 코어용 라텍스 분산액에 포함된 결착수지의 유리전이온도(Tg)를 측정한 결과, 상기 온도는 57℃이었다. 또한, 폴리스티렌(Polystyrene) 기준 시료를 사용하여 GPC(gel permeation chromatography)에 의해 상기 결착수지의 중량평균분자량을 측정하였고, 그 결과 상기 중량평균분자량은 45,000이었다.

제조예 3-2: 쉘용 라텍스 분산액의 제조

스티렌 9,700g, 부틸 아크릴레이트 1,916g, 2-카르복시에틸 아크릴레이트 370g 및 1,10-데칸디올 디아크릴레이트 226g과, 증류수 5,075g, 계면활성제(Dowfax 2A1) 226g, 마크로모노머로서 폴리에틸렌글리콜 에틸에테르 메타크릴레이트 530g, 사슬이동제로서 1-도데칸티올 188g을 사용한 것을 제외하고는, 제조예 1-1과 동일한 방법으로 쉘용 라텍스 분산액을 제조하였다. 또한, 제조예 3-1과 동일한 방법으로 측정한, 상기 쉘용 라텍스 분산액 중의 결착수지의 유리전이온도(Tg) 및 중량평균분자량은 각각 65℃ 및 70,000이었다.

제조예 4: 착색제 분산액의 제조

교반기, 온도계 및 콘덴서가 설치된 부피 20리터인 반응기에 블랙 안료(Regal 330 R, Cabot사 제품) 3kg, 정제수 11.5kg 및 히드록시프로필메틸셀룰로오스 아세테이트 프탈레이트(AnyCoat-P, 삼성정밀화학주식회사 제품) 0.6kg을 넣은 후, 50rpm의 속도로 교반하였다. 이어서, 상기 반응기 내용물을 볼밀 타입 반응기로 옮겨 예비분산을 수행하였다. 예비분산 결과, 부피평균입경(D50(v))이 3.4㎛(Beckman Coulter사의 쿨터 멀티사이저를 사용하여 측정한 것)인, 분산된 블랙　안료 입자를 얻었다. 여기서, D50(v)은 부피평균입경을 기준으로 50%에 해당되는 입경, 즉 입경을 측정하여 작은 입자부터 부피를 누적할 경우 총부피의 50%에 해당하는 입경을 의미한다. 그 후, 반응기 내용물을 Ultimaizer system(Amstec Ltd., Model HJP25030)을 사용하여 1,500bar의 압력에서 고압 분산을 수행하였다. 결과로서, 착색제 분산액을 얻었다. 분산 완료후, Microtrac Inc의 Microtrac 252를 사용하여 상기 착색제 분산액에 함유된 블랙 안료 입자의 입도를 측정한 결과, 부피평균입경(D50(v))이 150nm이었다.

제조예 5: 왁스 분산액의 제조

교반기, 온도계 및 콘덴서가 설치된 부피 5 리터 반응기에 왁스(중경유지, P787) 50g, 음이온성 계면활성제 (Dowfax 2A1) 10g 및 이온교환수 160g을 투입한 후, 상기 혼합액을 95℃로 가열하면서 호모게나이저(Homogenizer, IKA사)를 사용하여 30분간 분산시킨후, 상기 혼합액을 압력 토출형 호모게나이저(Homogenizer, 일본 정밀기계)로 옮겨 90℃에서 20분간 분산시켰다. 결과로서, 왁스 분산액을 얻었다.

분산 완료 후, Microtrac Inc의 Microtrac 252를 사용하여 상기 왁스 분산액에 함유된 왁스 입자의 입도를 측정한 결과, D50(v)이 230nm이었다.

제조예 6: 무기 입자 분산액의 제조

교반기, 온도계 및 콘덴서가 설치된 부피 5 리터 반응기에 증류수 600mL를 투입하였다. 이어서, 상기 반응기에 암모니아수를 적가하여 반응기 내용물의 pH를 12로 조절하였다. 이후, 상기 반응기에 16nm의 평균입경을 갖는 소수화 실리카(R-972, Degussa 제품) 6g을 첨가한 다음 호모게나이저(Homogenizer, IKA사)를 사용하여 5000rpm의 속도로 10분간 교반하였다. 이어서, 상기 반응기에 포름산을 적가하여 반응기 내용물의 pH를 7로 조절하였다. 결과로서, 무기 입자 분산액을 얻었다.

실시예 1: 코어-쉘 구조의 토너 입자의 제조

70 리터 반응기에 상기 제조예 2-1에서 제조된 코어용 폴리에스테르 수지 분산액 1,800g, 상기 제조예 4에서 제조된 착색제 분산액 1,970g　및 상기 제조예 5에서 제조된 왁스 분산액 1,640g을 투입하였다. 이후, 반응기 내용물 중 총 고형분의 농도가 13중량%가 되도록 증류수를 상기 반응기에 더 첨가하였다. 이어서, 반응기 내용물을 25℃에서 약 15분간 80rpm의 교반속도로 교반하여 혼합하였다. 여기에, 응집제로서 10중량% 염화나트륨 수용액 3,700g 및 0.3 M 질산 수용액 840g을 첨가하고, 호모게나이저(IKA社, T-50)를 사용하여 25℃에서 11,000rpm의 교반속도로 10분간 반응기 내용물을 교반하여 균질화 공정을 진행시켰다. 이때, 상기 반응기 내용물의 pH는 6.2이었다. 이후, 반응기의 온도를 53℃로 승온시킨 다음, 150rpm으로 교반하여 토너 입자의 D50(v)이 6.4㎛가 될 때까지 응집을 계속한 후, 상기 제조예 2-2에서 제조된 쉘용 폴리에스테르 수지 분산액 600g 및 상기 제조예 6에서 제조된 무기 입자 분산액 400g을 약 20분에 걸쳐 투입하였다. 이후, 토너 입자의 평균 입경이 7.0㎛가 될 때까지 교반을 계속한 다음, 1N 수산화나트륨 수용액을 반응기에 투입하여 pH가 10이 될 때까지는 75rpm으로 교반시켰다. 이후, 상기 교반속도를 유지하면서 반응기의 온도를 96℃로 승온시켜 토너 입자가 합일되도록 하였다. 이후, FPIA-3000(sysmex사 제품, 일본 소재)을 이용하여 원형도를 측정하였을 때, 측정된 원형도가 0.985일 경우 반응기의 온도를 40℃로 냉각하고, 반응기 내용물의 pH를 9.0으로 조정하여 Nylon mesh (pore size: 16㎛)를 사용하여 토너 입자를 분리시킨 다음, 상기 분리된 토너 입자를 증류수로 4회 세척한 후, 1.88중량%의 질산 수용액을 증류수와 혼합하여 제조한 pH가 2.0인 혼합액으로 재세척하고, 이후 증류수로 4회 재세척하여 계면활성제 등을 모두 제거하였다. 이후, 세척이 완료된 토너 입자를 유동층 건조기에서 40℃의 온도에서 5시간 동안 건조하여 건조된 토너 입자를 얻었다.

비교예 1: 코어-쉘 구조의 토너 입자의 제조

상기 제조예 6에서 제조된 무기 입자 분산액을 사용하지 않은 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 토너 입자를 제조하였다.

실시예 2: 코어-쉘 구조의 토너 입자의 제조

70 리터 반응기에 상기 제조예 3-1에서 제조된 코어용 라텍스 분산액 12.5kg, 상기 제조예 4에서 제조된 착색제 분산액 2.04kg　및 상기 제조예 5에서 제조된 왁스 분산액 2.17kg을 투입하고, 25℃에서 약 15분간 80rpm의 교반속도로 교반하면서, 증류수 41.0kg를 더 첨가하여 고형분의 농도를 13.0중량%로 조절하였다. 여기에, 응집제로서 PSI(Poly Silicato Iron)와 질산 수용액(농도=1.88중량%)의 혼합 용액　(PSI/질산 수용액=1/2(중량비))을 4.96kg 첨가하고, Cavitron(Cavitron社)을 사용하여 25℃에서 3,500rpm의 교반속도로 30분간 반응기 내용물을 교반하여 균질화 공정을 진행시켰다. 이때, 상기 반응기 내용물의 pH는 1.6이었다. 이후, 반응기의 온도를 53℃로 승온시킨 다음, 100rpm으로 교반하여 토너 입자의 D50(v)이 6.4㎛가 될 때까지 응집을 계속한 후, 상기 제조예 3-2에서 제조된 쉘용 라텍스 분산액 4.8kg 및 상기 제조예 6에서 제조된 무기 입자 분산액 500g을 약 20분에 걸쳐 투입하였다. 이후, 토너 입자의 평균 입경이 7.0㎛가 될 때까지 교반을 계속한 다음, 1N 수산화나트륨 수용액을 반응기에 투입하여 pH가 7이 될 때까지 70rpm으로 교반시켰다. 이후, 상기 교반속도를 유지하면서 반응기의 온도를 96℃로 승온시켜 토너 입자가 합일되도록 하였다. 이후, FPIA-3000(sysmex사 제품, 일본 소재)을 이용하여 원형도를 측정하였을 때, 측정된 원형도가 0.980일 경우 반응기의 온도를 40℃로 냉각하고, 반응기 내용물의 pH를 9.0으로 조정하여 Nylon mesh (pore size: 16㎛)를 사용하여 토너 입자를 분리시킨 다음, 상기 분리된 토너 입자를 증류수로 4회 세척한 후, 1.88중량%의 질산 수용액을 증류수와 혼합하여 제조한 pH가 2.0인 혼합액으로 재세척하고, 이후 증류수로 4회 재세척하여 계면활성제 등을 모두 제거하였다. 이후, 세척이 완료된 토너 입자를 유동층 건조기에서 40℃의 온도에서 5시간 동안 건조하여 건조된 토너 입자를 얻었다.

비교예 2: 코어-쉘 구조의 토너 입자의 제조

상기 제조예 6에서 제조된 무기 입자 분산액을 사용하지 않은 것을 제외하고는, 상기 실시예 2와 동일한 방법으로 토너 입자를 제조하였다.

토너 입자의 원형도 측정

상기 실시예 1~2 및 비교예 1~2에서 토너 입자의 원형도(circularity)는 FPIA-3000(Sysmex사 제품, 일본 소재)을 이용하여 측정하였다. FPIA-3000을 이용한 원형도 측정에 있어서 측정 시료의 제조는 증류수 50~100ml에 계면활성제(Contaminon N, 일본)를 3방울 첨가하고, 여기에 토너 입자 10~20mg을 첨가한 후 초음파 분산기에서 5분간 분산 처리함으로써 이루어졌다.

원형도는 하기 수학식 1에 의해 FPIA-3000에서 자동으로 구해진다.

[수학식 1]

원형도(circularity) = 2×(면적×π)^1/2/페리미터

상기 식에서 면적(area)은 투영된 토너의 면적을 의미하고, 페리미터(perimeter)는 투영된 토너의 둘레 길이를 의미한다. 이 값은 0~1 값을 가질 수 있으며, 1에 가까울수록 구형을 의미하게 된다.

평가예

상기 실시예 1~2　및 비교예 1~2에서 제조된 토너에 대하여 부피평균입경, 입도분포, 대전성, 대전 안정성, 내구성 및 화상농도를 아래와 같이 평가하여, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.

　

부피평균입경 ( D50 (v)) 및 입도분포 평가

외첨前 토너 입자의 입도분포(GSDp 및 GSDv)는 벡크만사(Beckman Coulter Inc.)의 멀티사이저(Multisizer™ 3 Coulter Counter^®를 사용하여 평균입경을 측정한 다음, 하기 수학식 2 및 3에 의해 계산된다. 아울러, 부피평균입경(D50(v))도 측정하였다. 상기 멀티사이저에서 애퍼처(aperture)는 100㎛을 이용하고, 전해액인 ISOTON-II(Beckman Coulter사) 50~100ml에 계면활성제(Contaminon N, 일본)를 3방울 첨가하고, 여기에 측정 시료 10~15mg을 첨가한 후 초음파 분산기에 5분간 분산 처리함으로써 샘플을 제조하였다.

[수학식 2]

GSDp =

(p: 입자수)

상기 수학식 2에서, GSDp는 입자수 기준의 입도분포로서 이 값이 작을수록 입도분포가 좁은 것을 의미하고, D16p 및 D84p는 각각 토너 입자의 입경을 측정하여 작은 입자부터 입자수를 누적할 경우 총 입자수의 16% 및 84%에 해당하는 입경을 의미한다.

[수학식 3]

GSDv =

(v: 부피)

상기 수학식 3에서, GSDv는 부피 기준의 입도분포로서 이 값이 작을수록 입도분포가 좁은 것을 의미하고, D16v 및 D84v는 각각 토너 입자의 입경을 측정하여 작은 입자부터 부피를 누적할 경우 총 부피의 16% 및 84%에 해당하는 입경을 의미한다.

대전성 (대전량) 및 대전 안정성 평가

상기 각 실시예 및 비교예에서 제조된 각 토너 입자 200g, 실리카 (TG 810G; Cabot사 제품) 1.2g, 및 실리카 (RX50; Degussa사 제품) 1.0g을 혼합하여 제조한 외첨 토너의 마찰 대전량을 q/m meter (Epping社, 독일)를 사용하여 측정하였다. 상기 각 외첨 토너 0.7g, 및 캐리어(100㎛, 일본화상학회) 9.3g를 혼합한 현상제를 100mL 광구병에 투입한 다음 NN조건(20℃, RH 50%)에서 8시간 이상 방치하였다. 이어서, Turbula mixer(WAB社, 스위스)를 사용하여 96rpm으로 10분간 혼합하였다. 혼합이 끝나면 시료 1.0g을 q/m meter의 측정 cell에 넣고 2L/min 및 100 voltage의 조건하에서 스캔하여 NN조건에서의 대전량을 측정하였다. 이를 표 1에 대전량으로 기재하였다.

NN조건에서의 대전량 측정에 사용된 상기 현상제를 HH조건(30℃, RH 85%)에서 12시간 방치하였다. 이어서, 3차원 믹서(WAB사, 스위스)를 사용하여 10분간 혼합하였다. 혼합이 끝나면 시료 1.0g을 q/m meter의 측정 cell에 넣고 2L/min 및 100 voltage의 조건하에서 스캔하여 HH조건에서의 대전량을 측정하였다.

이어서, 대전 안정성을 하기 수학식 4에 의해 산출하였다.

[수학식 4]

대전 안정성(%) = (HH조건에서의 대전량)/(NN조건에서의 대전량) × 100

상기 대전 안정성이 100%에 가까울수록 대전 안정성이 좋은 것을 의미한다.

화상농도 및 내구성 평가

상기 각 실시예 및 비교예에서 제조된 각 토너 입자 200g, 실리카 (TG 810G; Cabot사 제품) 1.2g, 및 실리카 (RX50; Degussa사 제품) 1.0g을 혼합하여 제조한 외첨 토너를 사용하여 화상농도를 평가하였다. 화상농도 평가는 디지털 풀 컬러 프린터기인 HP2025(HP사)를 개조한 장치로 현상하여 실시하였다. 화상농도는 분광 측색 농도계인 spectroeye (GretagMacbeth 사)를 사용하여 측정하였다.

상기 각 외첨 토너를 사용하여 연속 베타 인쇄를 수행하고, 100장 인쇄후의화상농도와 1,000장 인쇄 후의 화상농도를 측정한 후, (i) 1,000장 인쇄 후의 화상농도를 하기 표 1에 화상농도로 기재하고, (ii) 100장 인쇄 후의 화상농도에 대한 1,000장 인쇄 후의 화상농도의 백분율을 구한 다음, 하기 기준에 따라 내구성을 평가하였다.

◎: 상기 화상농도의 백분율이 95%이상

○: 상기 화상농도의 백분율이 85%이상, 95% 미만

△: 상기 화상농도의 백분율이 75%이상, 85% 미만

×: 상기 화상농도의 백분율이 75% 미만

	실시예 1	비교예 1	실시예 2	비교예 2
D50(v)(㎛)	7.0	6.9	7.1	6.9
GSDp	1.265	1.257	1.271	1.280
GSDv	1.235	1.239	1.221	1.234
대전량(uC/g)	-87.3	-67.4	-73.6	-61.8
대전 안정성	85.6	72.4	83.4	60.5
내구성	96.4	90.3	95.5	86.4
화상농도	1.35	1.45	1.38	1.48

　　

상기 표 1을 참조하면, 실시예 1에서 제조된 토너는 비교예 1에서 제조된 토너에 비해 대전성, 대전 안정성, 내구성 및 화상농도가 높은 것으로 나타났다. 이와 마찬가지로, 실시예 2에서 제조된 토너는 비교예 2에서 제조된 토너에 비해 대전성, 대전 안정성, 내구성 및 화상농도가 높은 것으로 나타났다. 반면에, 부피평균입경과 입도분포는 실시예 1 및 비교예 1에서 모두 비슷한 수준인 것으로 나타났으며, 실시예 2 및 비교예 2에서도 모두 비슷한 수준인 것으로 나타났다.

본 발명은 도면 및 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 구현예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

1: 착색제 2: 왁스
3: 결착수지 4: 무기 입자
5: 외첨제 10: 코어부
20: 쉘부

Claims (15)

1. 결착수지, 착색제 및 왁스를 포함하는 코어부; 및
   결착수지 및 무기 입자를 포함하며 상기 코어부를 둘러싼 쉘부를 포함하는 토너.
2. 제1항에 있어서,
   상기 코어부는 무기 입자를 포함하지 않고, 상기 쉘부는 착색제와 왁스를 포함하지 않는 토너.
3. 제1항에 있어서,
   상기 무기 입자는 5nm~300nm의 평균입경을 갖는 토너.
4. 제1항에 있어서,
   상기 무기 입자는 실리카, 소수화 실리카(hydrophobilized silica), 콜로이드 실리카, 산화티탄, 알루미나, 탄산칼슘 및 탄산마그네슘으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 토너.
5. 제1항에 있어서,
   상기 쉘부에 포함된 무기 입자의 함량은 상기 토너에 포함된 결착수지 총 중량 100중량부에 대하여 0.1~1중량부인 토너.
6. 제1항에 있어서,
   상기 토너에 포함된 결착수지는 상기 코어부 및 상기 쉘부에　각각 70~80중량부 및 30~20중량부의 비율로 포함되는 토너.
7. 제1항에 있어서,
   상기 코어부 및 상기 쉘부에 포함된 각 결착수지는 서로 동일하거나 상이한 토너.
8. 제1항에 있어서,
   상기 코어부에 포함된 결착수지의 유리전이온도는 상기 쉘부에 포함된 결착수지의 유리전이온도 보다 낮은 토너.
9. 반응기에 결착수지 분산액, 착색제 분산액, 왁스 분산액 및 응집제를 투입한 다음 반응기 내용물을 1차 승온시켜 토너 코어부를 형성하는 단계;
   상기 토너 코어부를 함유하는 반응기 내용물에 결착수지 분산액 및 무기 입자 분산액을 추가로 첨가하여 상기 토너 코어부를 둘러싸며, 결착수지 및 무기 입자를 포함하는 쉘부를 형성하는 단계; 및
   상기 쉘부 형성단계를 거친 반응기 내용물을 2차 승온시켜 합일된 토너 입자를 얻는 단계를 포함하는 토너의 제조방법.
10. 제9항에 있어서,
    상기 쉘부에 첨가되는 무기 입자의 함량은 결착수지 총 첨가량 100중량부에 대하여 0.1~1중량부인 토너.
11. 제9항에 있어서,
    상기 1차 승온은 상기 코어부 형성단계에 투입된 결착수지의 유리전이온도 보다 4~20℃ 낮은 온도까지 진행되는 토너의 제조방법.
12. 제9항에 있어서,
    상기 2차 승온은 상기 쉘부에 첨가된 결착수지의 유리전이온도 보다 10~40℃ 높은 온도까지 진행되는 토너의 제조방법.
13. 제9항에 있어서,
    상기 각 단계에 사용되는 결착수지는 서로 동일하거나 상이한 토너의 제조방법.
14. 제9항에 있어서,
    상기 코어부 형성단계에 투입된 결착수지의 유리전이온도는 상기 쉘부 형성단계에 첨가된 결착수지의 유리전이온도 보다 낮은 토너의 제조방법.
15. 제9항에 있어서,
    상기 토너의 제조방법에 첨가되는 결착수지는 상기 코어부 형성단계 및 상기 쉘부 형성단계에　각각 70~80중량부 및 30~20중량부의 비율로 첨가되는 토너의 제조방법.

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