KR19980027719A - 정대전성 자성 토너 - Google Patents

Abstract

정대전성 커플링제로 처리한 평균 입경 0.5 내지 0.7㎛의 각형 자성체와 커플링처리하지 않은 평균 입경 0.1㎛ 미만의 구형 자성체의 혼합물 및 바인더 수지를 포함하는 정대전성 1성분계 자성 토너는 바인더 수지중에 자성체의 분산이 매우 우수하여 토너 입자간의 자력 편차에 기인하는 지면오염 및 분쇄 공정시 자성체의 응집부가 유리되어 발생하는 감광체 오염이 현저히 개선되고, 종이와의 친화성이 향상되어 정착성이 우수하므로 1성분계 현상방식에 유용하게 사용될 수 있다.

Description

정대전성 자성 토너

본 발명은 전자복사기, 레이저 빔 프린터 등의 전자사진 공정에 사용되는 토너에 관한 것으로, 특히 정대전성이 우수하여 장시간 사용시 온도, 습도의 변화에 의한 화상품질 변화가 적고, 전사효율과 화상농도가 높게 지속되며 전사 효율이 높은 정대전성 자성 토너에 관한 것이다.

일반적으로 전자사진 공정은 다음과 같은 과정으로 이루어진다. 우선 광도전체를 이용한 감광체 위에 코로나 방전이나 정전기 주입 롤러(charge roller) 등에 의해 전위를 띠게 하는 대전 공정을 수행한다. 이렇게 대전된 감광체 위에 광학렌즈를 통하여 원고 화상을 형성시키거나 레이저 빔을 이용하여 광신호로 화상을 형성시키면 조사되어진 광량에 따라 감광체 표면의 전위가 하강됨으로써 정전 잠상이 형성된다. 소위 이런 공정을 노광 공정이라고 하며 노광을 거친 후 여러가지 형태에 의해 대전된 토너를 정전 잠상과 접촉 또는 근접시켜 정전 잠상을 가시화시키는 것이 현상 공정이다. 이렇게 가시화된 토너상을 정전기적인 힘에 의해 종이에 전사시킨 후, 전사된 토너상을 열, 압력 또는 빛 등의 에너지를 이용하여 정착시킨다. 전사되지 않은 일부 토너는 클리닝(cleaning) 공정에 의해 제거한다.

이와 같은 전자사진 방식에 사용되는 토너는 크게 기계적 분쇄법, 중합법 등에 의해 제조되지만, 현재 경제성 및 생산성면에서 기계적 분쇄법이 상업적으로 널리 사용되고 있다. 기계적 분쇄법으로 토너를 제조하기 위해서는, 먼저 원료 및 부원료를 정해진 배합비에 따라 혼합한 후 재료들을 골고루 섞어 주기 위해 믹서 등으로 예비 혼련한다. 예비 혼련된 원료를 니더(kneader), 롤밀(roll mill) 또는 밴버리 믹서(Banbary mixer) 등을 이용하여 용융혼합시켜 각각의 원료들을 고르게 분산, 혼합시킨 상태의 용융혼합물을 얻는다. 이렇게 얻어진 용융혼합물을 냉각시킨 후 1-3mm의 크기로 조분쇄하고, 다시 제트밀(jet mill) 등을 이용하여 미분쇄한 후 분급 공정을 통하여 원하는 입도 분포를 갖는 토너를 얻게 된다. 분급된 토너는 그대로 사용하게 되면 작동성이 떨어져서 사용하기 곤란하므로 토너의 유동성을 높이기 위해서 첨가제를 따로 혼합함으로써 전자사진용 토너로 이용할 수 있다.

토너는 크게 두가지로 분류되는데, 예를 들면 일본국 공개특허 79-110839 호 등에서와 같이 토너와 캐리어를 적당한 비율로 혼합시킨 2성분계 현상용 토너와, 일본국 공개특허 79-134640 호 등에서와 같이 토너만으로 구성된 1성분계 현상용 토너로 크게 구분할 수 있다. 2성분계 현상방식은 토너 입자가 캐리어 표면에 부착되어 현상제가 악화되거나 토너의 소비가 많아지기 때문에 현상제 중의 토너의 농도를 일정하게 유지시키기 위해서 현상 장치가 대형화되는 문제점이 있다. 이에 반해 1성분계 현상방식은 이러한 문제가 없어서 현상장치를 소형화할 수 있기 때문에 주로 1성분계 현상방식이 이용되고 있다.

종래의 1성분계 현상용 토너는 원료간의 분산이 고르게 되지 않아서 우수한 화상을 얻기 힘든 경우가 많다. 특히 1성분계 현상용 토너는 자성체를 함유하므로 바인더 수지와의 분산이 매우 중요하다.

1성분계 토너에서는 바인더 수지중에 자성분의 분산이 불량하면 토너 입자들마다의 자성체 분산상태가 불균일하게 되어 토너 입자들 간에 자력 편차가 심하게 발생한다. 그 결과 저자력 토너가 화상의 배경부에 부착하여 지면 오염이 일어나는 문제가 생긴다. 또한 분쇄 공정시, 자성분의 응집체 부분에서 토너가 분쇄되어 결과적으로 자성분이 유리되기 쉬어져 현상할 때 감광체 표면으로 이동됨으로써 감광체를 오염시키는 원인이 되기도 한다. 따라서 1성분계 토너에서는 바인더 수지중에 자성체의 균일한 분산이 매우 중요하며, 분산성이 개선된 토너에 대한 요구가 급증하고 있다.

이에 본 발명자들은 상기 문제점들을 해결하고 수지중에 자성체 분산성이 우수한 토너를 개발하기 위해 거듭 연구한 결과, 특정 형상과 크기를 가지며 정대전성 커플링제로 처리된 자성체와 커플링처리되지 않은 자성체를 일정 비율로 혼합 사용함으로써 자성체의 분산성 및 토너의 정착성이 향상되는 것을 발견하여 본 발명을 완성하게 되었다.

따라서, 본 발명의 목적은 자성체 분산성, 대전 특성 및 정착성이 우수한 전자사진용 1성분계 토너를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는 정대전성 커플링제로 처리한 평균 입경 0.5 내지 0.7㎛의 각형 자성체와 커플링처리하지 않은 평균 입경 0.1㎛ 미만의 구형 자성체의 혼합물 및 바인더 수지를 포함하는 전자사진용 토너를 제공한다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명의 1성분계 토너에 사용된 자성체 혼합물에서 커플링처리한 각형 자성체와 커플링처리하지 않은 구형 자성체의 혼합 비율은 70 내지 90 : 30 내지 10으로 하는 것이 바람직하다.

본 발명의 토너에 포함되는 바인더 수지로는, 예를 들면, 폴리스티렌, 폴리-p-크롤스티렌, 폴리비닐톨루엔 등과 같은 스티렌 및 그의 치환체의 단독중합체; 스티렌-p-크롤스티렌 공중합체, 스티렌-비닐 톨루엔 공중합체, 스티렌-비닐나프탈렌 공중합체, 스티렌 아크릴산에스테르 공중합체, 스티렌 메타크릴산 에스테르 공중합체, 스티렌-α-크롤메타크릴산메틸 공중합체, 스티렌 아크릴로니트릴 공중합체, 스티렌 비닐 메틸 에테르 공중합체, 스티렌 비닐 에틸 에테르 공중합체, 스티렌 비닐 메틸 케톤 공중합체, 스티렌 부타디엔 공중합체, 스티렌 이소부틸렌 공중합체, 스티렌 아크릴로니트릴 인덴 공중합체 등과 같은 스티렌계 공중합체; 폴리염화비닐, 페놀 수지, 천연 변성 페놀 수지, 천연 수지 변성 말레산 수지, 아크릴 수지, 메타크릴 수지, 실리콘 수지, 폴리에스테르 수지, 폴리우레탄, 폴리아미드 수지, 에폭시 수지 등을 사용할 수 있다.

상기와 같은 바인더 수지에 커플링제를 처리한 각형 자성체와 커플링제를 처리하지 않은 구형 자성체의 혼합물을 용융혼합시켜 본 발명의 토너를 제조한다. 본 발명의 토너에 있어 자성체로는 공지의 자성체, 예를 들면 철, 코발트, 니켈 등의 금속 및 이들로부터 이루어진 합금, Fe₃O₄, γ-Fe₂CO₃, 코발트 첨가 산화철 등의 금속산화물, Mn·Zn 페라이트, Ni·Zn 페라이트, 마그네타이트, 헤마타이트 등을 사용할 수 있다.

상기 자성체 혼합물 중 커플링제를 처리하는 자성체는 0.5 내지 0.7㎛의 평균 입경을 가지며 구형이 아닌 각형이어야 한다. 상기 자성체의 커플링 처리에 사용되는 커플링제는 정대전성을 띠는 질소를 함유하는 것이다. 일반적으로 커플링제 처리에 의해 유기물인 바인더 수지와 무기물인 자성체 사이의 결합력이 증대되어 분쇄 공정시 자성체가 토너 입자들 각각에 고르게 분산될 수 있다. 본 발명에 사용될 수 있는 커플링제의 대표적인 예를 들면 다음과 같다: 아미노프로필트리메톡시실란, 아미노프로필트리에톡시실란, 디에틸아미노프로필트리메톡시실란, 트리메톡실-γ-프로필벤질아민, 트리메톡시실릴-γ-프로필피페리딘, 트리메톡시실릴-γ-프로필이미다졸, 디옥틸아미노프로필트리메톡시실란 등.

상기 커플링제는 각형 자성체에 대하여 0.2 내지 5중량%, 바람직하게는 0.5 내지 2.0중량%의 양으로 헨셀(Henschel) 타입 믹서를 이용하여 처리한다. 커플링제 처리되는 각형 자성체의 입경이 0.7㎛ 보다 큰 경우는 커플링제의 효과를 볼 수 없어서 바인더 수지에 대한 분산성 증대 효과가 없으며, 0.5㎛ 보다 작은 경우에는 구형의 자성체와 혼합시 분산되지 않고 자성체끼리 뭉치는 현상을 나타내는 문제가 야기된다. 또한 구형이 아닌 각형 자성체를 사용함으로써 바인더 수지와의 결합력이 높아져서 분쇄 공정시 자성체가 토너 입자들 각각에 고르게 분산되는 효과를 얻을 수 있다.

커플링처리된 각형 자성체를 단독 사용하면 분산성은 다소 향상되나 장시간 동안 복사 또는 인쇄할 경우 화상의 품질이 저하되는 경향이 있다. 이를 방지하기 위해 상기 각형 자성체에 0.1㎛ 미만의 평균 입경을 갖는 구형의 자성체를 혼합 사용하는데, 이로써 보다 미세한 구형 입자가 보다 큰 각형 자성체 입자들 사이에 분포하여 바인더 수지와의 분산성이 한층 더 증대되어 토너의 장기 안정성 및 우수한 화상 품질을 얻을 수 있다. 상기 커플링처리된 각형 자성체와 커플링처리 하지 않은 구형 자성체의 혼합 비율은 70 내지 90 : 30 내지 10으로 한다. 커플링처리된 각형 자성체의 비율이 70% 미만이면 커플링처리하지 않은 구형 자성체의 영향이 커져서 분산성이 오히려 저하되며, 90% 이상으로 혼합되면 구형 자성체의 효과를 볼 수 없다.

본 발명의 1성분계 토너는 전술한 바인더 수지를 상기 정대전성 커플링제로 미리 처리한 각형 자성체와 커플링처리하지 않은 구형 자성체의 혼합물과 용융혼합하여 냉각한 후 분쇄, 분급함으로써 수득된다.

혼합 자성체의 비율은 토너 입자에 대하여 25 내지 75중량%, 바람직하게는 35 내지 55중량%이다. 혼합 자성체의 비율이 25중량% 보다 적으면 해상력, 미세선 재현성 및 계조성이 나빠지며, 75중량% 보다 높으면 고온, 고습 환경하에서 전사 효율이 저하된다.

본 발명의 1성분계 토너에는 상기 바인더 수지와 혼합 자성체 이외에 정대전성을 부여하기 위해 하전제어제를 사용하는 것이 바람직하다. 정대전성 하전제어제로는 니그로신계 화합물, 4급 암모늄염계 화합물 등을 사용할 수 있다. 전하제어제는 바인더 수지 100중량부에 대하여 0.1 내지 5중량부, 바람직하게는 0.5 내지 4중량부의 양으로 첨가한다.

또한, 본 발명의 토너에는 필요에 따라 전기저항제, 착색제, 이형제 등과 같은 토너에 통상 사용되는 기타 첨가제를 첨가할 수도 있다. 이형제로는 저분자량 폴리프로필렌 등의 파라핀왁스, 미정질 왁스 등이 사용된다. 또한 토너의 내구성, 유동성 및 클리닝성 향상을 목적으로 실리카 등의 무기 미분말, 지방산 또는 그의 유도체 및 금속염 등의 유기 미분말, 불소 수지 미분말 등을 첨가할 수 있다.

상기와 같이 제조된 본 발명의 1성분계 정대전성 토너는 바인더 수지중에 자성체의 분산성이 매우 우수하여 토너 표면에 자성체 미립자가 이탈되지 않기 때문에, 토너 입자간에 자성체 함유량 차이가 없어서 자성체 함유량이 작은 토너 입자가 선택적으로 화상의 배경부에 부착하는 현상이 없을 뿐 아니라, 토너 입자로부터 자성체가 이탈되지 않으므로 감광체 표면에 부착되어 오염이나 손상을 야기하지 않는다.

이하, 하기 실시예에 의거하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 단, 이들 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명이 이들만으로 한정되는 것은 아니다.

하기 실시예 및 비교예에서 사용한 커플링제를 처리한 각형 자성체(I-A) 내지 (I-F)와 커플링제를 처리하지 않은 구형 자성체(II)는 다음과 같다:

·자성체 (I-A): 아미노프로필 트리에톡시실란 1중량부를 메탄올 10중량부와 미리 섞은 후 이 혼합물을 자성체(상품명:KBC 100L, 일본 칸토덴카사제; 평균입경 0.5㎛) 99중량부와 헨셀 믹서로 처리하고 50℃ 오븐에서 48시간 경과 후 얻은 정대전성 커플링제 처리된 자성체.

·자성체 (I-B): 아미노프로필 트리에톡시실란을 0.2중량부의 양으로 사용한 것을 제외하고는 자성체(I-A)와 동일함.

·자성체 (I-C): 아미노프로필 트리에톡시실란을 5.0중량부의 양으로 사용한 것을 제외하고는 자성체(I-A)와 동일함.

·자성체 (I-D): 아미노프로필 트리에톡시 실란을 6.0중량부의 양으로 사용한 것을 제외하고는 자성체(I-A)와 동일함.

·자성체 (I-E): 자성체의 평균 입경이 0.8㎛이고 이를 99중량부의 양으로 사용한 것을 제외하고는 자성체(I-A)와 동일함.

·자성체 (I-E): 자성체의 평균 입경이 0.2㎛이고 이를 99중량부의 양으로 사용한 것을 제외하고는 자성체(I-A)와 동일함.

·자성체 (II): 구형 자성체(상품명:TMB-114, 미국 마그녹스사제; 평균입경 0.4㎛)를 분급 과정을 통해 평균 입경이 0.1㎛ 미만이 되도록 하여 얻어진 자성체.

상기에서 얻어진 자성체(I-A) 내지 (I-F)와 자성체(II)를 일정비율로 혼합한 혼합 자성체는 다음과 같다:

(혼합자성체 A)

자성체 I-A : 자성체 II = 80 : 20의 비율로 배합된 혼합 자성체.

(혼합자성체 B)

자성체 I-B : 자성체 II = 80 : 20의 비율로 배합된 혼합 자성체.

(혼합자성체 C)

자성체 I-C : 자성체 II = 80 : 20의 비율로 배합된 혼합 자성체.

(혼합자성체 D)

자성체 I-D : 자성체 II = 80 : 20의 비율로 배합된 혼합 자성체.

(혼합자성체 E)

자성체 I-E : 자성체 II = 80 : 20의 비율로 배합된 혼합 자성체.

(혼합자성체 F)

자성체 I-F : 자성체 II = 80 : 20의 비율로 배합된 혼합 자성체.

(혼합자성체 G)

자성체 I-A : 자성체 II = 70 : 30의 비율로 배합된 혼합 자성체.

(혼합자성체 H)

자성체 I-A : 자성체 II = 90 : 10의 비율로 배합된 혼합 자성체.

(혼합자성체 I)

자성체 I-A : 자성체 II = 65 : 35의 비율로 배합된 혼합 자성체.

(혼합자성체 J)

자성체 I-A : 자성체 II = 95 : 5의 비율로 배합된 혼합 자성체.

실시예 1

스티렌/부틸 아크릴레이트(8:2) 공중합체 51중량%, 혼합 자성체 A 45중량%, 하전제어제(상품명 N-01, 일본 오리엔트사제) 2중량% 및 저분자량 폴리프로필렌왁스(상품명 Viscol 550P, 일본 산요화성사제) 2중량%를 트윈 스크류 압출기를 사용하여 165℃에서 용융혼합하고 냉각 고화시킨 후 분쇄 및 분급 공정을 통하여 1성분계 정대전성 토너를 얻었다. 얻어진 토너는 투과전자사진(TEM)과 유전정접(tanδ) 값을 측정하여 분산성을 평가하여 그 결과를 표 1에 나타내었다. 자성체의 분산성은 토너 입자의 투과 전자 현미경(TEM) 사진 및 유전정접(dissipation factor: tanδ) 값에 의해 판단할 수 있는데, 유전정접(tanδ) 값으로 판단할 경우 이 값이 작은 것이 분산성이 양호하다. 분산성이 좋으면 ○, 보통이면 △, 나쁘면 ×로 판정하였다.

분자량 측정은 중합체의 THF 가용분을 겔 투과 크로마토그라피(gel permeation chromatography, GPC)로 측정한 후 표준 폴리스티렌의 검량선을 이용하였다. 유전정접(tanδ)은 미국 휴렛펙커드사의 LCR 테스트메타(HP4275A)에 테스트 핏스처 16451B를 사용하여 측정하였다. 또한 투과전자사진(TEM)은 배율을 20,000배로 확대하여 평가하였다.

지면오염 평가는 유기 감광체를 사용한 캐논의 NP-3000 시리즈 복사기를 이용하여 실험용 차트로 10,000매 이상을 복사하는 동안 관찰된 것으로 판단하였으며 감광체 오염 정도도 육안으로 판단하였다. 화상 농도는 미국 맥베스사의 농도측정기를 사용하여 측정하였다.

지면오염에서 ○는 지면오염이 없다는 뜻이고, △는 약간 있지만 무시할 정도를 의미하며, ×는 지면오염이 심한 것을 말한다. 감광체 오염에서는 육안으로 보아서 감광체 표면에 부착물이 없는 상태를 ○로 표시하였고, 부착물이 있는 상태를 ×로 표시하였다.

실시예 2 내지 5

혼합 자성체 A 대신 각각 혼합 자성체 B, C, G 및 H를 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여 각각의 토너를 얻고 각 특성을 측정하여 그 결과를 표 1에 나타내었다.

비교예 1 내지 5

혼합 자성체 A 대신 각각 혼합 자성체 D, E, F, I 및 J를 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여 각각의 토너를 얻고 각 특성을 측정하여 그 결과를 표 1에 나타내었다.

	화상 농도(매수)	분산성	지면오염	감광체오염
	0				5,000	10,000	20,000
실시예	1	1.39	1.35	1.36	1.35	○	○	○
	2	1.40	1.41	1.40	1.39	○	△	○
	3	1.39	1.36	1.40	1.38	○	○	○
	4	1.37	1.36	1.40	1.39	○	△	○
	5	1.39	1.37	1.38	1.40	○	○	○
비교예	1	1.42	1.30	1.21	-	△	△	×
	2	1.38	1.07	-	-	△	△	×
	3	1.43	1.12	-	-	×	△	×
	4	1.43	1.21	-	-	×	×	×
	5	1.39	1.16	-	-	×	×	×

- : 화상 농도가 저하되면서 복사를 중단하였음.

상기 결과에서 보듯이, 커플링제 처리량이 0.2 내지 5.0 중량부 범위를 벗어나는 것은 분산성 향상을 기대할 수 없었으며, 자성체(I-A)내지 (I-F)의 평균 입경도 0.5 내지 0.7㎛ 범위를 벗어나는 것은 분산성 향상이 이루어지지 않았다. 또한 자성체(I-A) 내지 (I-F)와 자성체(II)의 배합 비율이 자성체 I : 자성체 II = 70 내지 90 : 30 내지 10의 범위에 속하는 것이 좋은 분산성을 보였다.

이상과 같이, 바인더 수지에 정대전성 커플링제로 처리한 평균 입경 0.5 내지 0.7㎛의 각형 자성체와 커플링처리하지 않은 평균 입경 0.1㎛ 미만의 구형 자성체의 혼합 자성체를 용융혼합하여 제조된 1성분계 정대전성 토너는, 바인더 수지중에 자성체의 분산이 매우 우수하여 토너 입자간의 자력 편차에 기인하는 지면오염 및 분쇄 공정시 자성체의 응집부가 유리되어 발생하는 감광체 오염이 현저히 개선되고, 종이와의 친화성이 향상되어 정착성이 우수하므로 1성분계 현상방식에 유용하게 사용될 수 있다.

Claims (6)

1. 정대전성 커플링제로 처리한 평균 입경 0.5 내지 0.7㎛의 각형 자성체와 커플링처리하지 않은 평균 입경 0.1㎛ 미만의 구형 자성체의 혼합물 및 바인더 수지를 포함하는 정대전성 자성 토너.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 자성체 혼합물이 커플링처리한 각형 자성체와 커플링처리하지 않은 구형 자성체가 70 내지 90 : 30 내지 10의 비율로 혼합된 것임을 특징으로 하는 토너.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 정대전성 커플링제가 아미노프로필트리메톡시실란, 아미노프로필트리에톡시실란, 디에틸아미노프로필트리메톡시실란, 트리메톡실-γ-프로필벤질아민, 트리메톡시실릴-γ-프로필피페리딘, 트리메톡시실릴-γ-프로필이미다졸 또는 디옥틸아미노프로필트리메톡시실란이고, 자성체에 대해 0.2 내지 5중량%의 양으로 사용되는 것을 특징으로 하는 토너.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 자성체 혼합물이 토너 입자에 대해 25 내지 75중량%의 양으로 첨가되는 것을 특징으로 하는 토너.
5. 제 1 항에 있어서, 하전제어제를 바인더 수지 100중량에 대하여 0.1 내지 10중량부의 양으로 포함하는 것을 특징으로 하는 토너.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 하전제어제가 니그로신계 화합물 또는 4급 암모늄염 화합물인 것을 특징으로 하는 토너.