KR100341786B1 - 중합형 전자사진용 건식 토너 - Google Patents

Abstract

전자사진장치에서 피전사물에 화상을 형성하는 중합형 전자사진용 건식 토너가 개시된다. 본 발명의 전자사진용 건식 토너는 중합공정에서 하기의 구조식을 가지며 분자구조의 표면에 소수성 작용기를 포함하는 실리카계 화합물을 안정제로 사용하여 합성하는 것을 특징으로 한다.

Description

중합형 전자사진용 건식 토너{Dry toner for electro photography produced by polymerization}

본 발명은 전자사진용 건식 토너에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 중합공정에서 소수성 실리카계 화합물을 안정제로 적용하여 합성하는 중합형 건식 토너에 관한 것이다.

전자사진장치에 적용되는 건식 토너는 전사작업시 피전사물에 화상을 형성하는 도료이다. 일반적으로 건식 토너는 착색안료와, 피전사물에 착색안료를 결착시키는 고분자 수지와, 토너의 전하량을 조절하는 전하조절제와, 전사작업 종료후 전자사진장치의 감광기구로부터 피전사물을 분리시키는 이형제로 조성된다. 또한 토너 입자에 기능성을 부여하거나 물성을 향상시키기 위한 외첨제가 토너 입자의 표면에 형성된다.

이러한 전자사진용 건식 토너는 토너 입자의 크기를 조절하는 것이 용이해야 하고, 입자 크기의 균일성이 높아야 한다.

종래에는 이러한 목적을 달성하기 위하여, 고분자 수지와 착색안료인 카본 블랙과 전하조절제와 이형제를 혼합한 후, 강력한 기류를 사용하여 충돌판에 충돌시켜 미세하게 분쇄하고, 다시 기류 등을 사용하여 입자 크기를 선별하는 다단계 공정을 거쳐 형성되는 분쇄형 건식 토너가 개시됐다.

상기 분쇄형 건식 토너는 사용되는 수지의 종류에 제한이 없지만 분쇄 및 선별공정에 따른 설비투자 비용때문에 제조원가가 높다는 문제점이 있다. 또한, 토너 입자의 크기를 조절하는 것이 매우 곤란하여 제품성에 문제가 있고, 입자 크기의 균일성이 크게 떨어져서 피전사물의 화질이 저하된다는 문제점이 있다.

이에 따라, 범용 열가소성 수지의 단량체, 착색안료, 중합개시제, 안정제, 전하조절제 및 이형제 등을 사용하여 합성하는 중합형 건식 토너의 제조방법이 개시되었다. 중합형 토너는 분쇄형 토너와 달리 중합조건 즉, 안정제의 종류 및 농도, 중합개시제의 양, 교반 속도, 중합시간과 온도 등에 따라 토너 입자의 크기를 조절할 수 있는데, 그 중에서도 가장 큰 영향을 미치는 요소가 안정제의 종류와 농도이다.

안정제는 현탁중합시 용매에서 형성되는 미세한 구상 형태의 단량체의 분자 집합체들의 표면을 둘러싸서, 이들 분자 집합체간의 응집현상이 발생되지 않도록 분산성을 유지시킨다. 안정제로 둘러싸인 미세한 구상 형태의 분자 집합체 내부에서 중합이 일어난다.

그런데, 종래에 적용되는 안정제들은 친수성이므로 용매인 물에 대한 분산성이 우수하지만, 중합 종료후 토너 입자로부터 안정제를 제거하는 것이 곤란하며, 잔류되는 안정제가 피전사물의 화질을 저하시킨다는 문제점이 있다.

또한, 중합 종료후 용매로부터 안정제의 회수가 곤란하여 환경에 영향을 미치며, 특히, 안정제의 성분에 따라서는 그 영향이 더욱 심각하다.

건식 토너의 중합공정에 사용되는 안정제는 인산염계 화합물 또는 친수성 실리카계 화합물이 있고, 현탁중합의 일반적인 안정제인 젤라틴, 메틸셀룰로스, 폴리비닐알콜, 폴리메타크릴산 등도 적용 가능하다.

그러나, 인산염계 안정제는 토너 제조시 안정성과 재현성이 떨어지고 합성후 토너 입자와의 분리가 어려우며 인이 함유되어 있으므로 환경오염을 크게 일으킨다는 문제점이 있고, 친수성 실리카계 안정제는 입자가 지나치게 미세하여 토너 입자의 크기 조절이 곤란하며 친수성이 매우 강해서 중합 종료후 토너 입자와의 분리가 어렵다는 문제점이 있다. 또한, 젤라틴, 메틸셀룰로스, 폴리비닐알콜, 폴리메타크릴산 등도 역시 친수성이 강해서 중합 종료후 토너 입자와의 분리가 곤란하다는 문제점이 있다.

상기 문제점을 해결하기 위하여 많은 연구개발이 진행되어, 미국 특허공보 5,364,729에서는 단량체의 집합체를 정전기적으로 형성하여 합성되는 건식 토너가 개시되어 있고, 미국 특허공보 5,925,488에서는 트리칼슘 포스페이트 안정제를 사용하여 합성되는 건식 토너가 개시되어 있다.

그러나 '729특허의 단량체의 집합체를 정전기적으로 형성하는 경우는 재현성이 떨어지고 토너 입자의 크기를 조절하는 것이 곤란하며, '488특허의 트리칼슘 포스페이트 안정제를 사용하는 경우는 안정성이 떨어지고 환경에 영향을 미친다는 문제점이 있다.

본 발명의 목적은 전자사진용 건식 토너의 중합공정을 개선하여 토너 입자의 크기 조절이 자유롭고 입자 크기의 균일성이 높아서, 제품성이 우수하고 피전사물의 화질이 우수한 전자사진용 건식토너를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 토너 입자로부터 안정제의 분리율이 우수하고, 잔류되는 안정제는 피전사물의 화질에 영향을 미치지 않는 전자사진용 건식 토너를 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 환경에 영향을 미치지 않는 전자사진용 건식 토너를 제공하는데 있다.

본 발명에 따르면, 중합단계에서 소수성 작용기가 60% 이상의 비율로 존재하는 하기의 화학구조식을 가진 소수성 실리카계 화합물을 안정제로 사용하여 합성되는 전자사진용 건식 토너가 개시된다.

바람직하게, 상기 소수성 실리카계 안정제는 토너와의 분리성과 물에서의 분산성을 동시에 유지하기 위하여, 3차원 그물구조상의 분자구조의 표면에서 소수성 작용기와 친수성 작용기가 소정의 비율로 존재하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 소수성 실리카계 안정제는 중합조성물에서 0.1 ∼ 2중량부 포함한다. 0.1중량부 미만이면 토너 입자의 크기가 지나치게 크고 불균일하며, 2중량부를 초과하면 중합이 일어나기 어렵다.

상기 소수성 실리카계 안정제는 건식 토너를 합성한 후, 토너 입자끼리 엉켜붙는 것을 방지하여 유동성을 향상시키는 외첨제로서 토너 입자의 표면에 형성하는소수성 실리카계 화합물과 기본적인 분자구조가 같으므로, 중합과정 종료후 토너 입자로부터 제거되지 않고 잔류되어 있는 극소량의 안정제는 외첨제로서 적용 가능하여 전자사진장치에서 피전사물의 화질에 영향을 미치지 않는다.

또한, 상기 소수성 실리카계 안정제는 분자의 표면에 존재하는 소수성 작용기로 인해 중합 종료후 사용된 용매에서 회수가 용이하다.

단량체는 범용 열가소성 수지의 단량체를 적용하며, 바람직하게 중합조성물에서의 함량은 15 ∼ 30중량부이다.

용매로는 물을 사용하고, 바람직하게 중합조성물에서 51.5 ∼ 78.8중량부 포함한다. 또한, 물에서 상기 소수성 실리카계 안정제의 분산성을 향상시키기 위하여 산 또는 염기 용액을 물의 0.1 ∼ 10중량부 첨가하는 것을 특징으로 한다.

또한, 중합개시반응을 일으키기 위하여 일반적인 중합개시제를 중합조성물에서 0.1 ∼ 2중량부 포함한다.

또한, 토너에 색상을 부여하는 착색 안료를 중합조성물에서 5 ∼ 10중량부 포함한다.

또한, 토너의 전하량을 조절하기 위하여 일반적인 전하조절제를 중합조성물에서 1 ∼ 4중량부 포함한다.

또한, 화상 전사후 피전사체를 전자사진장치의 감광기구로부터 분리하기 위한 왁스계 이형제를 0.1 ∼ 0.5중량부 포함한다.

상기 화합물의 분자구조는 단량체간의 가교결합으로 인한 3차원 그물구조의 형태를 나타낸다. 상기 구조식중 x, y, z는 양의 정수이고, (x + y)가 표면의 60% 이상이며, R₁과 R₂는 독립적으로 다음 군에서 선택될 수 있다; C₁∼ C₃₀의 지방족 화합물, 또는 적어도 하나의 치환기(G)를 갖는 C₁∼ C₃₀의 지방족 화합물, C₁∼ C₃₀의 헤테로 지방족 화합물, 또는 적어도 하나의 치환기(G)를 갖는 C₁∼ C₃₀의 헤테로 지방족 화합물, C₁∼ C₃₀의 사이클로 지방족 화합물, 또는 적어도 하나의 치환기(G)를 갖는 C₁∼ C₃₀의 사이클로 지방족 화합물, C₁∼ C₃₀의 헤테로 사이클로 지방족 화합물, 또는 적어도 하나의 치환기(G)를 갖는 C₁∼ C₃₀의 헤테로 사이클로 지방족 화합물, C₁∼ C₃₀의 방향족 화합물, 또는 적어도 하나의 치환기(G)를 갖는 C₁∼ C₃₀의 방향족 화합물로 이루어진 군에서 선택되고, 여기에 치환기 G는 아미노기, 이민기, 아미디노기, 아민기, 하이드라진기, 하이드라존기, 할라이드기, 하이드록시기, 니트로기(NO₂), 시아노기(CN), 티오시아노기(SCN), 티올기(SH), 카르복실기(COOH), 카르복실산의 알칼리염(COO-M⁺, 여기서 M은 알칼리 금속임),황산기(SO₃H), 황산의 알칼리염(SO₃-M⁺), 인산기(H₃PO₄), 인산의 알칼리염(H₂PO₄-M⁺, 여기서 M은 알칼리 금속임)중 하나이다.

본 발명의 실시예는 다수개가 존재할 수 있으며, 이하에서 가장 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하기로 한다.

실시예

(1) 안정제의 분산

반응기 내의 증류수를 염기성을 띄도록 조절하고 하기 분자구조식의 안정제를 첨가하여 5000rpm의 속도로 5분간 교반시킨 후, 산성 용액을 첨가하여 중성으로 조정한다.

(2) 중합전 예비입자의 형성

상기 분산액에 스틸렌과 부틸 메타크릴레이트의 단량체 혼합물을 첨가하고 5000rpm의 속도로 5분간 교반하여 용매중에 분산시킨다.

(3) 첨가제 투입

상기 용액에 착색안료인 카본 블랙, 중합개시제인 준세이 케미컬사의 2,2-아조비스 이소브틸로니트릴, 전하조절제인 오리엔트 케미컬사의 본트론 S-54, 이형제인 폴리프로필렌 왁스를 투입한다.

(4) 중합

상기 용액을 질소 분위기하에 반응온도 50℃에서 300rpm의 속도로 교반하면서 중합한다.

(5) 중합후 토너 입자의 회수

중합후 생성된 토너 입자는 아스피레이터를 이용하여 분리한 후 건조한다.

* 상기 분자구조식에서 x : y = 7 : 3 이다.

물 질	실시예 1	실시예 2	실시예 3	실시예 4	실시예 5	실시예 6
스틸렌	140 ml	140 ml	140 ml	140 ml	140 ml	140 ml
부틸 메타크릴레이트	60 ml	60 ml	60 ml	60 ml	60 ml	60 ml
안정제	2 g	4 g	6 g	10 g	15 g	20 g
개시제	2 g	2 g	2 g	2 g	2 g	2 g
이형제	1.6 g	1.6 g	1.6 g	1.6 g	1.6 g	1.6 g
물 *	600 ml	600 ml	600 ml	600 ml	600 ml	600 ml

* 안정제의 분산을 위한 산 또는 염기 용액 포함

비교예

비교예에서 건식 토너의 제조는 실시예와 동일한 방법으로 실시한다. 용매중에서 단량체의 분자 집합체의 분산성을 유지시키는 안정제로서 폴리비닐알콜을 적용한다.

물 질	비교예 1	비교예 2	비교예 3
스틸렌	140 ml	140 ml	140 ml
부틸 메타크릴레이트	60 ml	60 ml	60 ml
안정제	1 g	2 g	4 g
개세제	2 g	2 g	2 g
이형제	1.6 g	1.6 g	1.6 g
물 *	600 ml	600 ml	600 ml

* 안정제의 분산을 위한 산 또는 염기용액 포함

평가결과

본 발명에서 제시하는 실시예와 비교예의 평가기준은 다음과 같다.

(1) 평균 입경 및 균일도 : 토너 입자의 평균 입경 및 균일도는 레이저 입자크기 분석기를 사용하여 측정한다. 물이나 알콜에 토너 입자를 분산시키고, 파장 632.8nm의 He-Ne 레이저빔을 조사하여 나타나는 회절각의 각도를 측정하여 입자의 평균 입경 및 균일도를 환산한다.

(2) 안정제 잔류 함량 : 중합 종료후 회수된 토너 입자에서 분리되는 용매에 함유된 안정제의 함량을 액체 크로마토그래피를 사용하여 측정하여, 토너 입자에 잔류되는 안정제의 함량을 환산한다.

구 분	실시예1	실시예2	실시예3	실시예4	실시예5	실시예6	비교예1	비교예2	비교예3
평균입경	96.24 μ	40.06 μ	23.35 μ	14.43 μ	14.98 μ	9.53 μ	16.27 μ	12.40 μ	11.97 μ
균일도 *	45.9 %	46.5 %	47.2 %	47.7 %	48.1 %	48.8 %	35.3 %	35.8 %	36.4 %
안정제 잔류량	0.5%	0.5%	0.5%	0.6%	0.7%	0.8%	1.9%	2.0%	2.2%

* 입경 분포도 중에서 평균입경 ±2.50 μ인 토너 입자의 비율

상기의 [표 3]과 같이 소수성 실리카계 안정제를 사용하여 합성한 전자사진용 건식 토너는 토너 입자의 크기를 자유롭게 조절할 수 있다. 또한, 토너 입자 크기의 균일도가 우수하며 토너 입자에 잔류되는 안정제의 함량이 낮아서, 피전사물의 화질이 우수하다.

반면, 친수성 안정제를 사용하여 합성한 전자사진용 건식 토너는 토너 입자의 크기를 조절하는 것이 곤란하여 제품성에 문제가 있다. 또한, 토너 입자 크기의 균일도가 낮으며 토너 입자에 잔류되는 안정제의 함량이 높아서 피전사물의 화질이 떨어진다.

본 발명의 전자사진용 건식 토너는 중합단계에서 소수성 실리카계 화합물을 안정제로 적용하기 때문에, 토너 입자의 크기를 자유롭게 조절할 수 있어서 제품성이 우수하다.

또한, 중합 종료후 토너 입자에서 안정제가 거의 완전히 제거되고, 잔류되는 안정제는 피전사물의 화질에 영향을 미치지 않으며, 토너 입자 크기의 균일도가 높아서 피전사물의 화질이 우수하다.

또한, 중합 종료후 사용된 물에서 회수가 용이하고, 유해성이 없는 소수성 실리카계 안정제를 적용함으로서 환경에 영향을 미치지 않는다.

Claims (7)

1. 전자사진장치에서 전사재료로 사용되는 건식 토너에 있어서,

   소수성 작용기가 60%이상의 비율로 존재하는 하기의 화학구조식을 가진 소수성 실리카계 화합물을 중합공정에서 안정제로 사용하여 합성되는 것을 특징으로 하는 전자사진용 건식 토너.

   화학식 1

   상기 화합물의 분자구조는 단량체간의 가교결합으로 인한 3차원 그물구조의 형태를 나타낸다. 상기 구조식중 x, y, z는 양의 정수이고, (x + y)가 표면의 60% 이상이며 R₁과 R₂는 독립적으로 다음 군에서 선택될 수 있다; C₁∼ C₃₀의 지방족 화합물, 또는 적어도 하나의 치환기(G)를 갖는 C₁∼ C₃₀의 지방족 화합물, C₁∼ C₃₀의 헤테로 지방족 화합물, 또는 적어도 하나의 치환기(G)를 갖는 C₁∼ C₃₀의 헤테로 지방족 화합물, C₁∼ C₃₀의 사이클로 지방족 화합물, 또는 적어도 하나의 치환기(G)를 갖는 C₁∼ C₃₀의 사이클로 지방족 화합물, C₁∼ C₃₀의 헤테로 사이클로 지방족 화합물, 또는 적어도 하나의 치환기(G)를 갖는 C₁∼ C₃₀의 헤테로 사이클로 지방족 화합물, C₁∼ C₃₀의 방향족 화합물, 또는 적어도 하나의 치환기(G)를 갖는 C₁∼ C₃₀의 방향족 화합물로 이루어진 군에서 선택되고, 여기에 치환기 G는 아미노기, 이민기, 아미디노기, 아민기, 하이드라진기, 하이드라존기, 할라이드기, 하이드록시기, 니트로기(NO₂), 시아노기(CN), 티오시아노기(SCN), 티올기(SH), 카르복실기(COOH), 카르복실산의 알칼리염(COO-M⁺, 여기서 M은 알칼리 금속임), 황산기(SO₃H), 황산의 알칼리염(SO₃-M⁺), 인산기(H₃PO₄), 인산의 알칼리염(H₂PO₄-M⁺, 여기서 M은 알칼리 금속임)중 하나이다.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서, 상기 소수성 실리카계 안정제의 중합조성물에서의 함량은 0.1 ∼ 2중량부인 것을 특징으로 하는 전자사진용 건식 토너.
4. 제 1 항에 있어서, 범용 열가소성 수지 단량체의 중합조성물에서의 함량은 15 ∼ 30중량부인 것을 특징으로 하는 전자사진용 건식 토너.
5. 제 1 항에 있어서, 용매의 중합조성물에서의 함량은 51.5 ∼ 78.8중량부인것을 특징으로 하는 전자사진용 건식 토너.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 용매는 물에 산 또는 염기 용액을 0.1 ∼ 10중량부 첨가하여 조성되는 것을 특징으로 하는 전자사진용 건식 토너.
7. 제 1 항에 있어서, 중합조성물에서 착색 안료 5 ∼ 10 중량부, 중합개시제 0.1 ∼ 2중량부, 전하조절제 1 ∼ 4중량부, 왁스계 이형제 0.1 ∼ 0.5중량부 함유하는 것을 특징으로 하는 전자사진용 건식 토너.