EP0197264B1 - Verfahren zum Erzeugen einer sphärischen Kornform bei Tonern für die Elektrophotographie - Google Patents

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Erzeugen einer sphärischen Kornform bei Tonern.
• Als Toner bezeichnet man feinkörnige, elektrisch aufladbare Pulver, die in der Elektrophotographie zur Entwicklung latenter Ladungsbilder verwendet werden. Sie bestehen im wesentlichen aus einer Mischung von Natur- und/oder Kunstharzen mit niedrigem Schmelzpunkt und in den Harzen löslichen oder dispergierbaren Farbstoffen, sowie Zusätzen zur Beeinflussung ihrer physikalischen Eigenschaften, z. B. ihres Ladungssinnes, ihrer Haftfähigkeit auf dem Aufzeichnungsmaterial, ihrer Agglomerationsneigung usw. Angestrebt wird ein leichtfliessendes Pulver, das nur eine geringe mechanische Abnutzung der elektrophotographischen Aufzeichnungselemente verursacht, das widerstandsfähig gegen eine Verschlechterung seiner physikalischen Eigenschaften ist und das schnell und vollständig vom Aufzeichnungsmaterial auf ein Bildempfangsmaterial übertragen werden kann. Es hat sich gezeigt, dass diese Forderungen am besten erfüllt werden können, wenn die Toner eine sphärische Kornform besitzen.
• Die bekannten, zur Herstellung von Tonern angewandten Verfahren, über die beispielsweise die DE-OS 2815093 und die DE-OS 3022333 einen guten Überblick geben, sehen daher auch Verfahrensschritte vor, in denen die bereits auf die gewünschte Korngrösse gebrachten Tonerteilchen eine sphärische Gestalt erhalten. Im einfachsten Fall wird das geschmolzene und mit den übrigen Bestandteilen vermischte Harz unmittelbar aus der Schmelze versprüht, was jedoch nur bei dünnflüssig aufschmelzenden Stoffen möglich ist. Auch ist es bekannt, die Tonermasse in einem (meist organischen) Lösungsmittel mit niedrigem Siedepunkt zu lösen und die Lösung bei einem Druck von 10 bis 50 bar zu versprühen und anschliessend das Lösungsmittel durch Wärmeeinwirkung abzutrennen. Wie im ersten Fall erhält man unmittelbar Tonerteilchen in gewünschter Grösse mit fast idealer Kugelform, jedoch ist dieses Verfahren sehr energieaufwendig und wegen der notwendigen Rückgewinnung des Lösungsmittels schwierig zu handhaben.
• In den meisten Fällen wird die nach dem Mischen abgekühlte und vorgebrochene Tonermasse in einer Feinmühle, z. B. einer Kugelmühle, auf die gewünschte Korngrösse zerkleinert, und die Tonerteilchen werden anschliessend einer Wärmebehandlung unterzogen, wobei das als Bindemittel dienende Harz zun Schmelzen gebracht wird, so dass die Tonerteilchen durch die dabei wirksam werdende Oberflächenspannung eine sphärische Gestalt annehmen können. Dies erfolgt entweder dadurch, dass aus den Tonerteilchen und Luft ein Aerosol gebildet wird, welches im Quer- oder Gegenstrom durch einen Heissluftstrom geführt wird (DE-AS 1937651), oder dadurch, dass die Tonerteilchen ein mit Heissluft fluidisiertes Gutbett bilden (DE-OS 2727070). Besonders nachteilig ist dabei, dass die verwendete Heissluft eine Temperatur von etwa 500°C haben muss, was dazu führt, dass sich die Tonerteilchen leicht zu untrennbaren Agglomeraten zusammenkleben, dass sich Schmelzansätze an den Wänden von Apparaten und Leitungen bilden und dass unerwünschte chemische Umformungen bei den Tonerbestandteilen auftreten.
• Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zum Erzeugen einer sphärischen Kornform bei feinkörnigen Tonern anzugeben, bei dem die Tonerteilchen in fester Form, d. h. unterhalb ihrer Schmelztemperatur bzw. ohne Anwendung von Lösungsmitteln und mit gegenüber den bekannten Verfahren erheblich geringerem Energieaufwand in einem fluidisierten Gutbett behandelt werden können, und das gleichzeitig das Korngrössenband der Tonerteilchen zu feinsten Korngrössen scharf abgrenzt.
• Diese Aufgabe wird durch das Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Es hat sich nämlich gezeigt, dass sich Tonerteilchen auch bei Temperaturen unterhalb der Schmelztemperaturen ihrer Bestandteile bleibend plastisch verformen, wenn man sie mit einer bestimmten kinetischen Energie aufeinanderprallen lässt. Durch die beim Zusammenprall frei werdende Energie werden die Tonerteilchen an ihrer Auftreffstelle kurzzeitig plastifiziert, wodurch eine Verformung, aber kein Zusammenkleben, aber auch keine Zerkleinerung erfolgt. Es handelt sich hierbei gewissermassen um einen Schmiedevorgang, wobei das eine zweier aufeinanderprallender Tonerteilchen jeweils als Hammer für das andere anzusehen ist. Da in einem durch gegeneinander gerichtete Gasstrahlen fluidisierten Gutbett dieser Vorgang an einem Tonerteilchen sehr häufig und dabei über seine Oberfläche statistisch verteilt stattfindet, erhält man eine sphärische Kornform, d. h. jedes Tonerteilchen hat schliesslich die Form eines der Kugel stark angenäherten Polyeders.
• Der sich dabei eventuell bildende Abrieb sowie die beim voraufgegangenen Zerkleinerungsprozess erzeugten Feinstanteile unter beispielsweise 5/-lm, die das Fliessverhalten des fertigen Toners ungünstig beeinflussen würden, werden durch eine anschliessende Fliehkraftsichtung von den verformten Tonerteilchen abgetrennt.
• Obwohl das beschriebene Verfahren bereits bei gewöhnlicher Raumtemperatur durchführbar ist, kann es von Vorteil sein, wenn die Tonerteilchen auf eine Temperatur erwärmt werden, die etwas unterhalb der Schmelztemperatur ihrer Bestandteile liegt.
• Optimale Ergebnisse werden erreicht, wenn die effektive Temperatur der Tonerteilchen mindestens fünf Kelvin unter der Schmelztemperatur bleibt. Diese Massnahme macht es möglich, die von den Gasstrahlen eingebrachte Energie erheblich zu reduzieren, so dass eine besonders schonende Behandlung der Tonerteilchen erfolgen kann.
• Als weiterer Vorteil des erfindungsgemässen Verfahrens hat sich ergeben, dass gleichzeitig mit der Verformung durch die gegenseitige Prall- und Reibbeanspruchung auf die Tonerteilchen oberflächenaktive Substanzen aufgebracht werden können, die dabei in die plastisch gewordene Masse der Tonerteilchen eingedrückt werden und nach deren Verfestigung mit ihr verhaftet bleiben. Bei den bekannten Verfahren werden die oberflächenaktiven Substanzen entweder nach einem thermischen Anschmelzen der bereits eine sphärische Form besitzenden Tonerteilchen in die Tonermasse eingebettet, was aber nur mit thermisch unempfindlichen Substanzen möglich ist, oder sie werden in einem Mischvorgang auf die Oberfläche der Tonerteilchen gebracht und dort allein durch Adhäsionskräfte gehalten, so dass sie durch mechanische Einwirkungen beim späteren bestimmungsgemässen Gebrauch des Toners leicht wieder abgerieben werden können und so die Tonerqualität verschlechtern.
• Als Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens wird eine an sich bekannte Fliessbett-Gegenstrahlmühle vorgeschlagen, wie sie beispielsweise in der Zeitschrift «Aufbereitungs-Technik», 1982, Nr. 5, S. 236 - 242 beschrieben worden ist. Eine solche Mühle besteht im wesentlichen aus einer zylindrischen Mahlkammer mit lotrechter Achse, in deren unterem Bereich am Umfang gleichmässig verteilte Düsen zur Einleitung der gegeneinander gerichteten Gasstrahlen einmünden, und in deren oberem Bereich ein Fliehkraftsichter in Form eines entgegen seiner Schleuderrichtung von der Sichtluft von aussen nach innen durchströmtem, rotierenden Korbsichters angeordnet ist. Einziges Betriebsmittel ist hierbei das durch die Düsen eingeleitete Gas, das nicht nur zur Erzeugung der Prall-und Reibbeanspruchung, sondern auch zum Transport des Gutes zum Sichter und dort als Sichtluft dient. Durch Anzahl und Grösse der Düsen, durch die Richtung der Düsenachsen sowie durch Betriebsdruck und Temperatur des den Düsen zugeführten Gases lässt sich die Intensität der gegeneinander gerichteten Gasstrahlen einfach und in weiten Grenzen variieren, so dass eine optimale Einstellung auf das jeweils zu behandelnde Produkt leicht möglich ist. Die Korngrösse, bis zu der aller Feinstanteil abgetrennt werden soll, wird durch Wahl der Drehzahl des Korbsichters bestimmt. Dabei gilt, dass diese Korngrösse umso kleiner wird, je höher die Drehzahl gewählt wird, und umgekehrt.
• Die Verfahrensschritte Erzeugen der sphärischen Kornform, Aufbringen oberflächenaktiver Substanzen und Abtrennen des Feinstanteils lassen sich mit einer solchen Fliessbett-Gegenstrahlmühle in einem Arbeitsgang durchführen, so dass sich eine sehr einfache Verfahrensführung ergibt.

Claims (4)

1. Verfahren zum Erzeugen einer sphärischen Kornform bei feinkörnigen Tonern durch Behandlung der Tonerteilchen in einem fluidisierten Gutbett, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidisierung des Gutbettes bei einer Temperatur, die unterhalb der Schmelztemperatur der Tonerteilchen liegt, durch gegeneinander gerichtete Gasstrahlen erfolgt und dabei die einzelnen Tonerteilchen einer gegenseitigen Prall- und Reibbeanspruchung unterzogen werden, deren Intensität durch Wahl von Betriebsdruck, Geschwindigkeit, Richtung und Temperatur der Gasstrahlen so eingestellt wird, dass die Oberfläche jedes Tonerteilchens bleibend verformt wird und dass im Anschluss daran die Tonerteilchen einer Fliehkraftsicherung ausgesetzt werden, durch die der bei der Prall-und Reibbeanspruchung durch Abrieb entstandene Feinstanteil von den verformten Tonerteilchen abgetrennt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenz zwischen Schmelztemperatur und effektiver Temperatur der Tonerteilchen mindestens fünf Kelvin beträgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch die gegenseitige Prall- und Reibbeanspruchung gleichzeitig oberflächenaktive Substanzen auf die Tonerteilchen aufgebracht werden.

4. Verwendung einer Fliessbett-Gegenstrahlmühle in Kombination mit einem oberhalb des Fliessbettes angeordneten Fliehkraftwindsichter zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3.