KR970006283B1 - 전자사진용 정대전성 자성토너의 제조방법 - Google Patents

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Description

전자사진용 정대전성 자성토너의 제조방법

제1도는 실시예 1의 토너의 마찰 대전량 분포.

제2도는 화상농도가 저하된 경우의 마찰 대전량 분포.

본 발명은 토너의 제어방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 외첨제로 소수성 정대전 실리카 및 전도성 산화금속분말을 독특한 외첨방법을 사용하여 제조한 우수한 화상재현능력을 갖는 정대전성 일성분계 자성토너의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 복사기에 사용되는 토너들은 정대전 토너와 부대전 토너로 분류된다.

대전은 철 또는 표면처리된 철과의 마찰을 통하여 이루어지며, 대전된 토너는 전기적 힘에 의하여 정전상이 형성된 광전도성 드럼으로 이동하여 토너상을 형성한다.

토너상은 복사용지 뒤로 이동된 후 정착롤러에 의하여 복사용지상에 정착된다.

토너제조에 널리 사용되는 대부분의 수지들, 예를 들어 스티렌 또는 아크릴 계통의 수지들은 철과의 마찰시 부대전성을 띄기 때문에 부대전성 토너의 제조는 비교적 용이하다.

그러나 정대전성 토너의 경우에 있어서는 고유적으로 부대전성을 띄는 수지에 전기적으로 상층되는 정대전용 하전제어제(Charge control agent, CCA) 예를 들어 니그로신계 또는 쿼터너리 암모늄염계의 하전제어제를 사용하여 토너전체에 정대전성을 주어야 하므로 우수한 전기적 특성을 갖는 토너를 제조하기가 어렵다.

특히 위의 하전제어제들은 용융 고분자에서의 분산이 어려운 물질들이고, 수지의 특성에 따라 분산정도가 크게 달라질 수 있다.

따라서 하전제어제의 분산성과 토너입자 당의 대전분포는 수지와 하전제어제의 상용성에 크게 의존한다.

또한 토너입자의 흐름성을 향상시키기 위하여 사용되는 물질들, 예를 들어 실리카, 알루미나, 또는 그 외의 첨가제들의 마찰대전특성이 토너제조에 사용된 다른 물질들과 다를 경우 토너의 전기적 특성이 불균일해진다.

이와 같은 관점에서 볼때 정대전성 토너의 경우 균일한 마찰대전 분포도를 갖기가 어렵고 토너와 슬리브와의 마찰이 계속됨에 따라 역극성 토너가 생성될 가능성이 크다. 이러한 역극성 토너들은 자기슬리브에서 광점드럼으로 이동하기가 어려우므로 슬리브의 표면에 남게 되며 이동된 역극성 토너입자들은 드럼의 비화상 부분에 부착되어 소위 비화상 부분의 오염(Back Ground, BG)을 발생시킨다.

특히 장기 복사시 역극성 토너들이 계속 축적되어 토너를 보급하더라도 화상농도(Image Density, ID)가 회보되지 않으며 궁극적으로는 토너 컨터이너에 남은 토너들을 제거한 후 다시 토너를 보급하여야 하는 불편을 초래한다.

미합중국 특허 5,202,731에 의하여 복사진행에 따른 화상농도 저하현상은 역극성 토너외에 부적절한 토너입자 크기 분포도(Particle Size Distribution, PSD)에 의하여 발생할 수 있으며, 낮은 습도에서 특히 심한 것으로 보고되어 있다.

토너의 입자크기가 작을 경우 단위 질량당 마찰 대전량이 과도하게 크기 때문에 토너입자들이 드럼으로 이동하지 않고 슬리브 표면에 강하게 붙어 있으며 이 토너들이 공급되는 토너들의 마찰대전을 방지하기 때문에 복사의 진행에 따라 화상농도의 저하를 초래한다.

이 현상은 또한 토너의 하전량이 계속 증가할 경우에는 발생하는 것으로 알려져 있다.

한편 토너입자가 클 경우 단위 질량당 마찰 대전량이 작아지기 때문에 토너입자들이 드럼으로 이동하지 않고 슬리브 표면에 남는다.

이 잔여 토너들은 새로 공급되는 다른 토너들이 슬리브와 접촉하는 기회를 감소시키므로 결과적으로 화상농도를 감소시킨다.

이와 관련하여, 미합중국 특허 5,202,731는 토너입자들의 입자크기 분포도를 적절하게 조절할 경우 화상 농도 저하현상을 방지할 수 있다고 보고한다.

상기에서 언급한 역극성 토너의 형성방지 및 적정 마찰 대전량의 유지는 화상농도의 저하를 방지하기 위한 필수적인 사항들이며 토너입자의 표면상태에 따라 결정된다.

토너표면에 존재하는 하전제어제 및 자성체 외에 토너의 마찰대전특성은 외첨제 특허 흐름성을 향상시키기 위하여 사용되는 첨가제들의 특성에 의하여 크게 영향을 받는다.

즉, 외첨제들은 제2의 하전제어제라고 볼 수 있으며 정대전성 토너가 적절한 마찰대전특성을 유지하기 위해서는 정대전성 첨가제를 토너 표면으로부터 이탈하지 않도록 안정하게 그리고 균일하게 부착시키는 것이 매우 중요하다.

이에 본 발명은 상기의 문제점들을 해결하기 위하여 예의 연구한 결과 수지, 자성체, 하전제어제 및 왁슬 구성된 토너에 외첨제로서 소수성 정대전 실리카 및 전도성 산화금속분말을 함유하는 것으로서 소수성 정대전 실리카 및 전도성 산화금속분말을 토너대비 0.1~2.0중량%씩 5~60m/s의 선속도에서 0.5~10분산 연속적으로 각각 외첨함을 특징으로 하는 것으로서 흐름성 향상과 더불어 마찰대전시 적정하전량 및 하전분포도를 갖음에 따라 우수한 화상재현능력을 갖는 정대전성 일성분계 자성토너를 제조하는 방법에 관한 것이다.

이하, 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 우수한 화상재현능력을 지니며 장기복사시 높은 화상농도를 유지하는 정대전성 일성분계 토너를 제조하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 마찰대전시 역극성토너의 생성이 억제되는 토너를 제조하는 것이다.

제조된 토너는 수지 및 자성체로 구성되며 정대전성을 주기 위하여 정대전성 하전제어제를 함유한다.

토너제조에 사용되는 일반수지는 철과의 마찰대전시의 부대전성을 띄므로 10㎛정도의 작은 토너입자들에게 균일하게 분산시키는 것이 중요하다.

또한 토너의 전기적 특성은 내첨되는 전하제어제 외에 흐름성의 향상을 목적으로 사용하는 토너입자표면에 부착되는 외첨제들에 의하여 크게 영향을 받으므로 적절한 전기적 특성을 갖는 첨가제를 토너입자표면에 안정하게 외첨하는 것이 특히 중요하다.

본 발명 토너는 수지, 자성체, 하전제어제, 그리고 왁스로 구성되는 일성분계 토너로서 여러 첨가제들이 외첨되어 있으며 토너입자 크기는 4~20㎛이다.

본 토너제조에 사용가능한 수지들은 널리 알려진 모든 수지들을 포함하며 토너중 수지가 차지하는 비율은 40~80중량%이다.

수지의 함량이 80중량%보다 크면 비화상부의 오염발생 및 화상농도가 저하되며 40중량% 미만이 되면 정착불량현상이 발생한다.

대표적 수지들은 폴리에스터, 폴리아마이드, 폴리우레탄, 에폭시 그리고 비닐수지이다.

비닐수지는 폴리스티렌, 폴리-α-메틸스티렌, 폴리클로로스티렌, 비닐나프탈렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 이소부틸렌, 폴리염화비닐, 폴리불화비닐, 폴리비닐아세테이트, 폴리메틸 아크릴레이트, 폴리에틸 아크릴레이트, 폴리부틸 아크릴레이트, 폴리이소부틸 아크릴레이트, 폴리도데실 아크릴레이트, 폴리옥틸 아크릴레이트, 폴리페닐아크릴레이트, 폴리비닐에틸에테르, 스티렌-부타디엔 공중합체, 스티렌 부틸아크릴레이트, 스티렌 에틸헥실아크릴레이트, 그리고 스티렌 부틸메타크릴레이트이다.

공중합체중의 스티렌 함량은 60~95중량%이다.

스티렌함량이 95중량% 보다크면 정착온도의 상승문제가 발생하고 60중량% 미만이면 토너의 응집현상이 발생한다.

첨가제들이 토너입자의 표면에 붙어있는 상태는 교반속도 및 교반시간에 의하여 영향을 받을 뿐만 아니라 수지의 점탄성 성질에 의하여 결정되며 본 발명에 사용된 수지는 저장강도(G')와 손실강도(G)의 비율이 160℃ 그리고 0.1Hz의 속도에서 0.1~10의 값을 갖는다.

상기에서 10보다 큰 경우 수지의 탄성이 너무 높기 때문에 첨가제들이 토너표면에 부착하기가 어려우며 0.1미만일 경우에는 교반도중 토너가 용융될 위험이 있다.

본 발명 토너는 자성체를 18.9~60중량% 함유하며 산화철 또는 Fe, Co 그리고 Ni등을 포함한 산화철이 사용된다.

자성체의 함량이 20중량% 미만이 되면 자력의 약화로 인하여 토너의 공급이 감소되고 60중량% 보다 크면 화상농도의 저하 및 정착불량이 발생한다.

자성체는 항자력 20~200Oe, 포화자력 30~300emu/g, 잔류자력 1~30emu/g의 특성을 지녀야 한다.

마찰대전성을 향상시키기 위하여 입자크기 0.05~0.1㎛의 자성체가 사용 가능하며 입자분포도는 좁을수록 바람직하다.

본 발명에 사용된 하전제어제는 철과의 마찰대전시 정대전성을 띄게하는 물질, 예를들어 니그로신계 그리고 쿼터너리 암모늄염계의 화합물이 사용 가능하며 토너의 0.1~5.0중량%를 차지한다.

하전제어제는 내첨 또는 외첨을 하여 사용할 수 있다.

하전제어제의 양이 5중량% 보다 크면 화상농도가 저하되고 0.1중량% 미만이면 비화상부분의 오염이 발생한다.

본 발명 토너는 흐름성을 증가시키기 위하여 내첨 또는 외첨된 실리카를 함유한다.

안정된 마찰대전량을 유지하기 위하여 정대전 및 부대전성 실리카, 알루미나, 그외의 전도성 산화금속분말이 혼합되어 사용된다.

외첨은 분급된 토너입자들과 외첨제를 5~60m/s의 선속도에서 0.5~10분 혼합하여 이루어진다.

토너의 마찰대전특성은 외첨제가 토너표면에 부착되는 상태에 따라 크게 달라지므로 안정된 마찰대전특성을 유지하기 위하여 각각의 외첨제들을 분리하여 토너대비 0.1-2.0중량%씩 차례대로 코팅하는 것이 더욱 효과적이다.

특히 균일한 마찰대전 특성 및 적정 마찰대전량을 유지하기 위하여 BET면적 10~200m²/g, 전도도 10~200Ω·cm의 산화금속분말과 BET 면적 50-40m²/g의 소수성 정대전 실리카 또는 알루미나를 토너대비 0.1~2.0중량% 사용하는 것이 좋다.

실리카 또는 알루미나는 정대전성 그리고 소수성을 띄는 물질로 표면처리된 것들이 선호되며 적정마찰 대전량을 얻기 위한 목적으로 부대전성실리카 또는 알루미나의 혼합 사용이 가능하다.

그 외에 본 발명 토너는 고온정착 과정에서의 옵셋현상을 방지하기 위하여 1.0~5.0중량% 범위의 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌 왁스 등의 폴리올레핀계 왁스를 함유하여 균일한 마찰대전량 분포도를 얻기 위하여 전도성 카본블랙을 토너대비 5.0중량% 이하 내첨한다.

본 발명 토너는 일반적인 토너제조방법에 의거하여 구성성분들을 헨셀믹서로 혼합한 후 용융혼합, 냉각, 조분쇄, 분쇄 및 분급과정을 거쳐 제조된다.

용융혼합은 수지 및 왁스의 연화점을 고려하여 120~180℃에서 실시된다.

토너의 입자크기 분포도는 쿨터 TA II 입자크기 분석기로, 그리고 각 토너 입자들의 입자크기에 따른 마찰대전량의 분포를 나타내는 마찰대전 분포도는 에핑(R.H. Epping) Q/d 미터를 사용하여 측정하였다.

우수한 화상을 재현하기 위하여 Q/d값은 다음의 범위에 있어야 한다.

-0.5≤Q/d≤2.0

상기에서 Q/d의 단위는 fC/㎛이고, Q는 토너입자당 전하량(fC), d는 토너직경(㎛)이다.

Q/d값이 위의 범위를 벗어나 매우 넓어지거나 역극성 Q/d값을 갖는 (Q/d≤-0.5) 토너의 양이 증가할 경우 슬리브 표면에 토너들이 응집되어 화상농도를 저하시킨다.

한편 Q/d값이 2.0보다 크고 역극성 토너들의 양이 적을 경우에는 슬리브 표면상에 존재하는 토너들의 양이 부족하여 화상농도를 저하시킨다.

또한, 마찰대전 분포도에 대한 표준편차는 우수한 화상을 재현하기 위해서 0.5fC/㎛ 이하가 되어야 한다.

본 발명 토너의 우수성을 나타내기 위하여 다음의 실시예들을 통하여 구체적으로 기술하였다.

[실시예 1]

토너는 위의 구성 성분들을 트윈스크루 압출기를 사용하여 160℃에 용융 혼합하여 제조되었다.

토너는 d(10%)=7.0㎛, d(50％)=9.0㎛, d(90％)=12.0㎛의 입자분포를 지닌다.

분급된 토너에 정대전성 실리카(BET=300㎡/g)를 토너대비 1.0중량％ 사용하여 30m/s의 선속도에서 2분 외첨한 후 BET면적 50㎡/g, 전도도 50Ω·㎝의 산화금속분말을 토너대비 2.0중량％ 사용하여 30m/s의 선속도에서 2분간 혼합하였다.

캐논의 NP3000시리즈 복사기를 사용하여 목사 시험한 결과 계조성 및 해상도가 우수하였으며 10000매 이상 복사시 화상농도가 1.35 이상의 높은 상태를 유지되었다.

화상농도는 멕배드(Macbeth) 농도측정기를 사용하여 측정하였다.

Q/d미터를 사용하여 마찰대전량을 측정한 결과(제1도 참조)평균 Q/d값이 0.2fC/㎛이었으며, 표준편차 0.1fC/㎛의 좁은 분포도를 보였다.

생성된 역극성 토너의 비율은 제1도에서 보는 바와 같이 5％ 이내의 작은 값을 보였다.

[비교예 1]

실시예 1의 토너를 제조한 후 정대전성 실리카만을 외첨한 후 복사시험을 하였다.

초기의 화상은 우수하였으며 화상농도 또한 1.40으로서 높았다.

그러나 5000매 복사 이후 화상농도가 1.20 이하로 저하되었다.

Q/d 미터를 사용하여 대전분포도를 측정한 결과 초기의 평균 Q/d값은 0,20fC/㎛이며, 표준편차가 0.1fC/㎛로서 좁은 분포도를 보였으나 화상 농도가 저하되었을 때의 평균 Q/d값은 0.30fC/㎛이었으며 표준 편차는 0.2fC/㎛이고 역극성 토너의 양이 20％ 이상 차지하였다.(제2도 참조)

[비교예 2]

실시예 1의 토너제조후 부대전성 실리카인 R972를 외첨한 후 복사시험을 실시하였다.

초기 화상농도가 1.20로서 낮았으며 Q/d분포가 넓고 전체 토너중 역극성 토너의 양이 30％ 이상 차지하였다.

[비교예 3]

실시예 1에서 정대전성 실리카와 산화금속분말을 섞어서 동시에 외첨하였다.

처기화상농도가 실시예 1에 비하여 1.40 이상으로서 높았으나 10,000매 이상 복사시 화상농도가 1.30 이하로 저하되었다.

[비교예 4]

실시예 1과 동일하게 토너를 제조하되 외첨시간 12분으로 증가시켰다.

초기화상농도가 1.20으로서 낮았으며 1000매에서 화상농도가 1.30으로 상승하였다.

화상이 거칠었으며 약한 웨이브가 관찰되었다.

[실시예 2]

실시예 1의 구성성분에 전도성 카본블랙을 2％ 추가하여 토너를 제조하였다.

실시예 1의 방법을 사용하여 첨가제를 외첨한 후 복사시섬한 결과 화상이 양호하였으며 실시예 1의 결과와 비슷한 마찰대전 분포도를 갖는 것으로 측정되었다.

Claims (7)

1. 수지, 자성체, 전하제어제 및 왁스로 구성된 토너에 외첨제로서 소수성 정대전 실리카 및 전도성 산화금속분말을 함유하는 1성분계 자성토너를 제조하는 방법에 있어서, BET 면적 50-40㎡/g의 소수성 정대전 실리카 또는 알루미나를 토너 중량대비 0.1-2.0중량％를 5-60m/s의 선속도에서 0.5-10분간 혼합하고 연속적으로 전기전도도 10-200Ω·㎝이고 BET 면적 10-20㎡/g의 전도성 산화금속분말을 토너의 중량대비 0.1-2.0중량％를 5-60m/s의 선속도에서 0.5-10분간 혼합함을 특징으로 하는 토너의 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 제조된 토너가 평균 Q/d(Q는 토너입자당 전하량(fC)이고 d는 입자직경(㎛)임)값이 -0.5∼2.0fC/㎛이고 표준 Q/d 편차는 0.5fC/㎛ 이하임을 특징으로하는 토너의 제조방법.
3. 제1항에 있어서, 토너가 수지 40∼80중량％, 자성체 18.9∼60중량％, 정대전성 하전제어제 0.1∼5중량％, 폴리올레핀 왁스 1∼5중량％, 카본블랙 5중량％ 이하로 구성됨을 특징으로 하는 토너의 제조방법.
4. 제1항 또는 제3항에 있어서, 수지는 폴리에스테르, 폴리아마이드, 폴리우레탄, 에폭시 폴리스티렌, 폴리-α-메틸-스티렌, 폴리클로로스티렌, 비닐나프탈렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 이소부틸렌, 폴리염화비닐, 폴리불화비닐, 폴리비닐아세테이트, 폴리메틸 아크릴레이트, 폴리에틸 아크릴레이트, 폴리부틸 아크릴레이트, 폴리이소부틸 아크릴레이트, 폴리도데실, 아크릴레이트, 폴리옥틸 아크릴레이트, 폴리페닐 아크릴레이트, 폴리비닐에틸에테르, 스티렌-부타디엔 공중합체, 스티렌 부틸아크릴레이트, 스티렌 에틸헥실아크릴레이트, 스티렌 부틸메타크릴레이트 임을 특징으로 하는 토너의 제조방법.
5. 제1항 또는 제3항에 있어서, 자성체는 산화철 또는 Fe, Co, 그리고 Ni 포함한 산화철로서 항자격 20∼200Oe, 포화자력 30∼300emu/g, 잔류자력 1∼3emu/g을 갖고 입자크기가 0.05∼1.0㎛임을 특징으로 하는 토너의 제조방법.
6. 제1항 또는 제3항에 있어서, 하전제어제는 니그로신계 화합물, 쿼터너리 암모늄염계 화합물임을 특징으로 하는 토너의 제조방법.
7. 제1항 또는 제3항에 있어서, 폴리올레핀 왁스는 폴리에틸렌 왁스, 폴리프로필렌 왁스임을 특징으로 하는 토너의 제조방법.