СПОСОБ НЕПРЕРЫВНОГО ПРОИЗВОДСТВА ТОНКОДИСПЕРСНОГО ТОНЕРА
METHOD OF CONTINUOUS PRODUCTION OF FINE TONER

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к способу непрерывного производства тонкодисперсного тонера.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Промышленное производство тонера обычно осуществляется посредством периодических превращений. Например, оно происходит по схеме эмульсия/агрегация (ЕА), когда могут использоваться два реактора, при этом в одном происходит формирование частиц и их агрегация, и затем суспензия переносится во второй реактор для окончательной обработки продукта посредством коалесценции. Время пребывания реакционной смеси в любом реакторе может быть примерно одинаковым, и может различаться до 8 часов или более.
Непрерывный процесс, по возможности, может обеспечить преимущества по сравнению с периодическим процессом агрегации и коалесценции (А/К) путем обеспечения одного или более факторов, включающих более быстрое и/или эффективное перемешивание, более высокий выход готового продукта, снижение примесей, более гибкие условия А/К, экономию времени и затрат и увеличенное отношение площади поверхности к объему, что приводит к хорошему массо- и теплообмену.
Непрерывный процесс, однако, имеет некоторые недостатки. Например, из-за необходимости применения устройств для подачи реагентов и продуктов, существует риск блокирования таких трубопроводов реагентами, компонентами и/или продуктами, такими как твердые частицы, такие как частицы тонера.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Изобретение обеспечивает способ непрерывного производства тонера в двухшнековом экструдере по технологии эмульсия/агрегация с размером частиц не более чем около 4 мкм. Двухшнековый экструдер имеет несколько портов для введения реагентов в реактор, например, для регулирования pH с помощью кислоты или основания, или, например, замораживающего агента, для замораживания или остановки дальнейшего роста агрегированных частиц; для мониторинга смеси в рамках, например, рН или ее температуры, размера частиц на участке реактора, например, агрегации и коалесценции, и так далее. Мониторинг в режиме реального времени образования тонера позволяет регулировать условия А/К, чтобы обеспечить возможность агрегации частиц тонера, необязательного формирования оболочки, замораживания агрегации, необязательно, добавления поверхностно-активного вещества или других реагентов, и коалесценции частиц.
Компоненты тонера подаются в смеситель и/или гомогенизатор, чтобы образовать смесь для формирования тонера. Эта смесь вводится в экструдер/реактор непрерывно или дозируется с управляемой скоростью и в контролируемых количествах. Значение pH смеси устанавливается около 4 заранее, в процессе или сразу после введения смеси в экструдер. Агент агрегирования может быть добавлен в контролируемых количествах и форме, и температура смеси поднимается до 45°C, чтобы активизировать агрегацию. Необязательная смола добавляется для формирования оболочки. Когда частицы достигают желаемого размера, процесс агрегации останавливается, например, путем повышения pH до около 7.5, и затем температура реакционной смеси может быть повышена до около 85°C, чтобы обеспечить возможность коалесценции. Когда достигается окончательный размер частиц около 4 мкм, частицы выгружаются из экструдера, например, в теплообменник для охлаждения или остановки коалесценции, в частности, путем воздействия на частицы пониженной температурой. Частицы затем могут быть отделены от жидкости, например, путем откачивания в устройство для мокрого просеивания для удаления крупных частиц, затем промыты и высушены. Частицы могут быть смешаны с другими добавками, с носителем и так далее, как известно в данной области, чтобы образовать девелопер.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Если не указано иное, то все показатели, выражающие количества и условия и т.д., используемые в описании и Формуле изобретения, следует понимать как видоизмененные во всех случаях посредством термина "около". Термин "около", предназначен для того, чтобы указать отклонение не более чем на 20% от заявленного значения. Таким же образом в настоящем документе используются термины "эквивалентный", "подобный", "по существу", "существенно", "приблизительный" или "соответствующий", или их грамматические вариации, которые обычно имеют приемлемые определения, или, по меньшей мере, подразумевается, что имеют такое же значение, как "около".
Термин "соединение", или "система передачи", или их грамматические формы использованы здесь, чтобы охватить средства или устройства для связывания, транспортировки, соединения и так далее двух или более устройств, таких как сосуды или реакторы. Эти средства могут представлять собой, например, трубу, трубку, шланг, рукав, технологический провод, трубочку и так далее, любое устройство, которое позволяет движение текучей среды в нем из одного устройства или реактора в другое, например, из одного сосуда в другой. Так, примером соединения устройств является шланг, который может быть изготовлен из пластика, металла и так далее. Термины "стандартная температура" и "стандартное давление" относятся, например, к стандартным условиям, используемым в качестве основы, в случае если свойства меняются в зависимости от температуры и/или давления. Стандартная температура представляет собой 0°C; стандартное давление представляет собой 101,325 Па или 760.0 мм Hg. Термин "комнатная температура (RT)" относится, например, к температурам в диапазоне от около 20°C до около 25°C.
Частицы тонера, представляющие интерес, могут представлять собой любую композицию до тех пор, пока поддаются непрерывной реакции в двухшнековом экструдере. Таким образом, тонер может быть на основе сложного полиэфира, полистирола и т.д., как известно в данной области. Следующее обсуждение относится к сложноэфирному ЕА тонеру, однако способ и устройство могут применяться по существу к тонеру на любой основе, которая требует, например, температурной обработки и определенного pH режима для финишной обработки.
В вариантах осуществления изобретения, подходящие смолы или латексы (эти термины используются здесь взаимозаменяемо) для формирования тонера включают сложноэфирные смолы. Подходящие сложноэфирные смолы включают, например, кристаллические, аморфные смолы, их комбинации и тому подобное. Сложноэфирные смолы могут быть линейными, разветвленными, их комбинациями и тому подобное. Подходящие смолы также могут включать смесь аморфной сложноэфирной смолы и кристаллической сложноэфирной смолы.
В вариантах осуществления изобретения, смола может представлять собой сложноэфирную смолу, полученную путем реакции диола с дикислотой в присутствии необязательного катализатора. Для получения кристаллического сложного полиэфира, подходящие органические диолы включают алифатические диолы, имеющие от около 2 до около 36 атомов углерода. Алифатический диол может быть, например, выбран в количестве от около 40 до около 60 моль % (хотя может быть использовано количество за пределами этих диапазонов).
Примеры органических дикислот или сложных диэфиров, включая виниловые дикислоты или виниловые сложные диэфиры, выбранных для получения кристаллических смол, включают щавелевую кислоту, янтарную кислоту, глутаровую кислоту, адипиновую кислоту, пробковую кислоту, азелаиновую кислоту, себациновую кислоту, фумаровую кислоту, и так далее и их диэфир или ангидрид. Органическая дикислота может быть выбрана в количестве, например, в вариантах осуществления изобретения от около 40 до около 60 моль %, хотя может быть использовано количество за пределами этого диапазона.
Примеры кристаллических смол включают сложные полиэфиры, полиамиды, полиимиды, полиолефины, полиэтилен, полибутилен, полиизобутират, сополимеры этилена и пропилена, сополимеры этилена и винилацетата, полипропилен, их смеси и подобные полимеры, такие как поли(этилен-адипат), поли(пропилен-адипат), поли(бутилен-адипат), поли(пентилен-адипат), поли(гексилен-адипат), поли(октилен-адипат), поли(этилен-сукцинат), поли(пропилен-сукцинат), поли(бутилен-сукцинат), поли(пентилен-сукцинат), поли(гексилен-сукцинат), поли(октилен-сукцинат) и так далее. Примеры полиамидов включают поли(этилен-адипамид), поли(пропилен-адипамид), поли(бутилен-адипамид), поли(пентилен-адипамид), поли(гексилен-адипамид) и так далее. Примеры полиимидов включают поли(этилен-адипимид), поли(пропилен-адипимид), поли(бутилен-адипимид), поли(пентилен-адипимид), поли(гексилен-адипимид) и так далее.
В вариантах осуществления изобретения, подходящая кристаллическая смола может состоять из этиленгликоля и смеси сомономеров додекандикарбоновой кислоты и фумаровой кислоты.
Кристаллическая смола может присутствовать, например, в количестве от около 5 до около 50% по массе от компонентов тонера, но может быть использовано количество за пределами этого диапазона. Кристаллическая смола может обладать различными температурами плавления, например, от около 30°C до около 120°C. Кристаллическая смола может иметь среднечисленную молекулярную массу (Mn), согласно определению методом гель-проникающей хроматографии (GPC), например, от около 1,000 до около 50,000 и средневесовую молекулярную массу (Mw), например, от около 2,000 до около 100,000, как это определено посредством GPC. Молекулярно-массовое распределение (Mw/Mn) кристаллической смолы может составлять, например, от около 2 до около 6. Кристаллические сложные полиэфирные смолы могут иметь кислотное число менее чем 1 мЭкв KOH/г, от около 0.5 до около 0.65 мЭкв КОН/г.
При получении как кристаллических, так и аморфных сложных полиэфиров могут быть использованы катализаторы поликонденсации, которые включают тетраалкил титанаты, диалкилолова оксиды, гидроксиды тетраалкилолова и диалкилолова оксида. Такие катализаторы могут быть использованы в количествах, например, от около 0.01 моль % до около 5 моль %, от исходной дикислоты или сложного диэфира, используемых для получения сложной полиэфирной смолы.
Примеры дикислоты или диэфиров, выбранных для получения аморфных сложных полиэфиров, включают дикарбоновые кислоты или сложные диэфиры, выбранные из группы, состоящей из терефталевой кислоты, фталевой кислоты, изофталевой кислоты, фумаровой кислоты, малеиновой кислоты, итаконовой кислоты, янтарной кислоты, ангидрида янтарной кислоты и их смесей. Органическая дикислота или сложный диэфир могут быть выбраны, например, в количестве от около 45 до около 52 моль % от смолы, хотя может быть использовано количество за пределами этого диапазона. Примеры диолов, использованных для получения аморфного сложного полиэфира, включают 1,2-пропандиол, 1,3-пропандиол, 1,2-бутандиол, 1,3-бутандиол, 1,4-бутандиол, пентандиол, гександиол, 2,2-диметилпропандиол, 2,2,3-триметилгександиол, гептандиол, и их смеси. Количество выбранного органического диола может меняться и, более конкретно, составляет, например, от около 45 до около 52 моль % от смолы, хотя может быть использовано количество за пределами этого диапазона.
Подходящие аморфные сложные полиэфирные смолы включают, но не ограничиваются, поли(пропоксилированный бисфенол со-фумарат), поли(этоксилированный бисфенол со-фумарат), поли(бутилоксилированный бисфенол со-фумарат), поли(со-пропоксилированный бисфенол со-этоксилированный бисфенол со-фумарат), поли(1,2-пропиленфумарат), поли(пропоксилированный бисфенол со-малеат) и их комбинации. Пример смолы линейного пропоксилированного бисфенол А фумарата, которая может быть использована в качестве латексной смолы, доступен под торговой маркой SPARII от Resana S/A Industrias Quimicas, Sao Paulo, Бразилия. Другие сложноэфирные смолы пропоксилированного бисфенола, которые могут быть использованы и являются коммерчески доступными, включают ХР767, FXC-42 и FXC-56 от Као Corporation, Япония, ХР777 от Reichhold, Research Triangle Park, N.C. и тому подобное. В вариантах осуществления изобретения подходящая аморфная смола, используемая в тонере по настоящему изобретению, может представлять собой аморфную смолу с низкой молекулярной массой, которую иногда называют, в вариантах осуществления изобретения, как олигомер, имеющую Mw от около 500 дальтон до около 15,000 дальтон. Аморфная смола может обладать Tg от около 58,5°C до около 66°C. Низкомолекулярная аморфная смола может иметь температуру размягчения от около 105°C до около 118°C. Аморфные сложноэфирные смолы могут иметь кислотное число от около 8 до около 20 мЭкв KOH/г.
n
w
g
В других вариантах осуществления изобретения аморфная смола, используемая для образования тонера по настоящему изобретению, может представлять собой аморфную смолу с высокой молекулярной массой. Высокомолекулярная аморфная сложноэфирная смола может иметь М, например, от около 1,000 до около 10,000. M смолы может быть больше чем 45,000. Индекс полидисперсности (PD), эквивалент молекулярно массового распределения, составляет выше чем около 4. Высокомолекулярные аморфные сложноэфирные смолы, которые доступны из ряда источников, могут иметь различные температуры плавления, например, от около 30°C до около 140°C. Высокомолекулярные аморфные смолы могут иметь T от около 53°C до около 58°C.
Могут быть использованы одна, две или больше смол или латексов. В вариантах осуществления изобретения смола может представлять собой аморфную смолу или смесь аморфных смол, и температура может быть выше Tg смеси. В вариантах осуществления изобретения, когда используются две или больше смол, эти смолы могут находиться в любом подходящем соотношении (например, массовом соотношении), таком как, например, от около 1% (первая смола) / 99% (вторая смола), до около 99% (первая смола) / 1% (вторая смола), в вариантах осуществления изобретения, от около 4% (первая смола) / 96% (вторая смола) до около 96% (первая смола) / 4% (вторая смола).
Агенты разветвления, используемые для образования разветвленных сложных полиэфиров, включают, например, многовалентную поликислоту, кислотные ангидриды и их низшие алкильные сложные эфиры многовалентного полиола и тому подобное. Количество выбранного агента разветвления составляет, например, от около 0,1 до около 5 моль % от смолы. Используемые здесь термины "разветвленный" или "разветвление" включают разветвленные смолы и/или поперечно-сшитые смолы.
Линейные или разветвленные ненасыщенные полиэфиры, выбранные для реакций, имеют в своем составе как насыщенные, так и ненасыщенные дикислоты (или ангидриды) и двухатомные спирты (гликоли или диолы). Полученные в результате ненасыщенные сложные полиэфиры являются реакционно-способными (например, способными к сшиванию) на двух позициях: (i) ненасыщенных сайтах (двойные связи) вдоль полиэфирной цепи, и (ii) функциональных группах, таких как карбоксильные, гидроксильные и подобные группы, способные к реакции кислота-основание. Ненасыщенные сложные полиэфирные смолы могут быть получены путем поликонденсации в расплаве или путем других процессов полимеризации с использованием дикислот и/или ангидридов и диолов. Иллюстративные примеры ненасыщенных сложных полиэфиров могут включать в себя любой из различных полиэфиров, таких как SPAR™ (Dixie Chemicals), BECKOSOL™ (Reichhold Inc), ARAKOTE™ (Ciba-Geigy Corporation), HETRON™ (Ashland Chemical), PARAPLEX™ (Rohm & Hass), POLYLITE™ (Reichhold Inc), PLASTHALL™ (Rohm & Hass), их смеси и тому подобное. Смолы также могут быть функционализированными, такими как карбоксилированными, сульфированными или подобными, такими как, например, натросульфированными.
В вариантах осуществления изобретения красящие вещества могут быть добавлены в смесь смолы, чтобы скорректировать или изменить цвет полученного тонера. В вариантах осуществления изобретения красящие вещества, используемые для формирования тонерных композиций, могут быть в форме дисперсий. Различные известные подходящие красящие вещества, такие как красители, пигменты, смеси красителей, смеси пигментов, смеси красителей и пигментов и подобные, могут быть включены в тонер. Красящее вещество может быть добавлено в количествах от около 0,1 до около 35 масс. % или более от массы тонера.
Растворители могут быть добавлены при образовании латексов, например, для того, чтобы позволить переориентацию концов цепей, чтобы стабилизировать и сформировать частицы, что приводит к образованию устойчивых латексов без поверхностно-активного вещества. В вариантах осуществления изобретения растворители, которые иногда рассматриваются как агенты инверсии фазы, могут быть использованы для образования латекса. Растворители могут включать, например, ацетон, толуол, тетрагидрофуран, метилэтилкетон, дихлорметан, их комбинации и тому подобное.
В вариантах осуществления изобретения растворитель может быть использован в количестве, например, от около 1 масс.% до около 25 масс.% от массы смолы. В вариантах осуществления изобретения эмульсия, образованная в соответствии с настоящим изобретением, может также включать воду, в вариантах осуществления изобретения, деионизированную воду (DIW), в количествах от около 30% до около 95% при температурах, при которых плавится или размягчается смола, от около 20°C до около 120°C.
Размер частиц эмульсии может составлять от около 50 нм до около 300 нм. В вариантах осуществления изобретения поверхностно-активное вещество может быть добавлено к смоле и к необязательному красящему веществу при формировании эмульсий. Одно, два или более поверхностно-активных веществ могут быть использованы. Поверхностно-активные вещества могут быть выбраны из ионных поверхностно-активных веществ и неионных поверхностно-активных веществ. Анионные поверхностно-активные вещества и катионные поверхностно-активные вещества охватываются термином "ионные поверхностно-активные вещества". В вариантах осуществления изобретения поверхностно-активное вещество может быть добавлено в виде твердого вещества или в виде раствора с концентрацией от около 5% до около 100% (чистое поверхностно-активное вещество) по массе. В вариантах осуществления изобретения поверхностно-активное вещество может быть применено таким образом, что оно присутствует в количестве от около 0.01 масс.% до около 20 масс.% от смолы. Комбинации поверхностно-активных веществ могут применяться в вариантах осуществления изобретения.
Необязательно, воск может быть смешан со смолой при формировании частиц тонера. Воск может быть обеспечен в виде восковой дисперсии, которая может включать в себя один тип воска или смесь двух или более различных восков. Воск может быть добавлен к композициям тонера, например, для улучшения определенных свойств тонера, таких как форма частиц тонера, присутствие и количество воска на поверхности частиц тонера, заряд и/или характеристики слияния, блеск, отслоение, свойства печати с промежуточной поверхности и тому подобное. В качестве альтернативы, комбинация восков может быть добавлена для обеспечения некоторых свойств композиции тонера. В случае введения воска, он может присутствовать в количестве, например, от около 1 масс.% до около 25 масс.% от частиц тонера.
Необязательно, коагулянт или агент агрегации также может быть объединен со смолой, необязательным красящим веществом и воском при формировании частиц тонера. Такие коагулянты (агенты агрегации) могут быть введены в частицы тонера во время агрегации частиц. Коагулянт может присутствовать в частицах тонера, не считая поверхностных добавок и на основе сухой массы, в количестве, например, от около 0.01 масс.% до около 5 масс.% от частиц тонера.
Агент агрегации или коагулянт может быть добавлен к смеси, используемой для формирования тонера, в количестве, например, от около 0,1 до около 10 масс.% от смолы в смеси.
Как известно в данной области, частицы тонера могут также содержать другие необязательные добавки, по желанию или необходимости. Например, тонер может включать в себя регуляторы положительного или отрицательного заряда, например, в количестве от около 0,1 до около 10% от массы тонера. Примеры подходящих регуляторов заряда включают соединения четвертичного аммония, охватывающие алкилпиридиния галогениды; бисульфаты; алкилпиридиния соединения, их комбинации и тому подобное. Такие регуляторы заряда могут применяться одновременно со смолой для оболочки, описанной выше, или после нанесения смолы оболочки.
С частицами тонера после их образования также могут быть смешаны поверхностные добавки, в том числе, добавки, повышающие текучесть, которые могут присутствовать на поверхности частиц тонера. Примеры таких добавок включают оксиды металлов, такие как оксид титана, оксид кремния, оксиды алюминия, оксиды церия, оксид олова, их смеси и тому подобное; коллоидные и аморфные диоксиды кремния, такие как AEROSIL, соли металлов и металлические соли жирных кислот, включая стеарат цинка, стеарат кальция и тому подобное, длинноцепочечные спирты, такие как UNILIN 700 и их смеси.
Поверхностные добавки могут присутствовать в количестве от около 0.1% до около 5% от массы тонера. В вариантах осуществления изобретения тонеры могут включать в себя, например, от около 0.1 масс.% до около 5 масс.% титана, от около 0.1 масс.% до около 8 масс.% диоксида кремния, от около 0.1 масс.% до около 4 масс.% стеарата цинка.
Добавки могут применяться одновременно со смолой оболочки, описанной выше, или после нанесения смолы оболочки.
Таким образом, в вариантах осуществления изобретения способ по настоящему изобретению включает контактирование, по меньшей мере, одной смолы, например, с поверхностно-активным веществом с образованием смеси смолы, эмульсии или дисперсии (эти термины используются здесь взаимозаменяемо как описание частиц, суспендированных в жидкости), контактирование смеси смолы с дисперсией, эмульсией или раствором необязательного пигмента, необязательного поверхностно-активного вещества и воды для образования латексной эмульсии. В вариантах осуществления изобретения используется эмульсия аморфной смолы с низкой молекулярной массой, эмульсия аморфной смолы с высокой молекулярной массой и эмульсия кристаллической смолы.
Деионизированная вода может быть добавлена для формирования латексной эмульсии с содержанием твердых веществ от около 5% до около 50%. При том, что более высокие температуры воды могут ускорить процесс растворения, латексы могут быть образованы при низких температурах, таких как комнатные температуры (КТ). В вариантах осуществления изобретения температура воды может составлять от около 40°C до около 110°C.
Перемешивание, хотя и не является необходимым, может быть использовано для улучшения формирования латекса или смеси компонентов, составляющих тонер. Может быть использовано любое подходящее перемешивающее устройство. В вариантах осуществления изобретения перемешивание может осуществляться при скорости от около 10 оборотов в минуту до около 5,000 оборотов в минуту. Перемешивание не обязательно должно быть с постоянной скоростью, и скорость его может быть переменной.
В вариантах осуществления изобретения, гомогенизатор (то есть, устройство с высокой скоростью сдвига), может быть использован для формирования или оказания помощи в формировании эмульсии. Поэтому, например, необязательно, гомогенизатор может принимать смешанные ингредиенты тонера, чтобы в дальнейшем смешать реагенты для формирования частиц тонера. Гомогенизированная смесь затем может быть передана в соответствующий двухшнековый экструдер. Гомогенизатор может работать при скорости от около 3,000 оборотов в минуту до около 10,000 оборотов в минуту. Показатель pH смеси можно регулировать с помощью кислоты, такой как, например, уксусная кислота, серная кислота, соляная кислота, лимонная кислота, трифторуксусная кислота, янтарная кислота, салициловая кислота, азотная кислота и подобные. В вариантах осуществления изобретения pH смеси может быть скорректирован до около 3.8, около 3.9, около 4.0, около 4.2, около 4.4, от около 2 до около 5, от около 3 до около 4.5, от около 4 до около 4.4. В вариантах осуществления изобретения pH можно регулировать с использованием кислоты или основания в разбавленном виде от около 0,5 до около 10% от массы воды.
Частицам обеспечивают возможность агрегации до тех пор, пока не получится заранее заданный желаемый размер частиц. Образцы могут быть отобраны в процессе роста и проанализированы, например, с помощью счетчика Культера для определения среднего размера частиц. Агрегация может осуществляться путем линейного изменения и поддерживания температуры, например, от около 35°C до около 55°C, от около 37°C до около 50°C, от около 38°C до около 49°C. В вариантах осуществления изобретения, температура, чтобы обеспечить агрегацию, составляет не более чем около 47°C, не более чем около 48°C, не более чем около 49°C.
Добавление коагулянта или агента агрегации при определенных температурах смеси может иметь прямое отношение к размеру частиц, по существу, чем ниже температура реакции, тем меньше частицы.
Как только достигнут желаемый размер частиц тонера, показатель pH смеси может быть скорректирован с помощью основания от около 3 до около 10, от около 5 до около 9, от около 6 до около 8, чтобы остановить или заморозить агрегацию. Основание, используемое для остановки роста тонера, может включать любое подходящее основание, такое как, например, гидроксиды щелочных металлов, такие как, например, гидроксид натрия, гидроксид калия, гидроксид аммония, их комбинации и тому подобное.
В вариантах осуществления изобретения после агрегации, но до замораживания, на агрегированных частицах может быть сформирована оболочка. Любая смола, описанная выше, как пригодная для получения смолы ядра, может быть использована для формирования оболочки. В вариантах осуществления изобретения аморфная полиэфирная смола, как описано выше, может быть включена для образования оболочки. Несколько смол могут быть использованы в любых подходящих количествах. В вариантах осуществления изобретения смолы, использованные для формирования оболочки, могут находиться в форме эмульсии, включающей любое поверхностно-активное вещество и/или красящее вещество, описанные выше. Эти смолы в форме эмульсии могут быть объединены с агрегированными частицами, описанными выше, таким образом, что оболочка образуется поверх агрегированных частиц. Формирование оболочки на агрегированных частицах может происходить при нагревании до температуры от около 35°C до около 50°C, от около 37°C до около 47°C, от около 40°C до около 46°C.
Агент замораживания может быть добавлен, чтобы остановить дальнейший рост частиц до или после необязательного добавления смолы оболочки и ее образования. Примеры агентов замораживания включают основание, как указано выше, этилендиаминтетрауксусную кислоту (EDTA) и так далее. Так, например, pH суспензии может быть отрегулирован до около 7.5, около 7.7, около 7.9, чтобы заморозить дальнейшее агрегирование.
Коалесценция до желаемой конечной формы может быть обеспечена, например, путем нагревания смеси до температуры от около 70°C до около 95°C, от около 75°C до около 90°C, от около 75°C до около 85°C, которая может быть на уровне или выше Tg смол, используемых для формирования частиц тонера. У коалесцированных частиц могут определяться коэффициент формы или округлость, например, с помощью анализатора Sysmex FPIA 2100 или Sysmex 3000, пока не будет достигнута желаемая форма. Округлость частиц может составлять, по меньшей мере, около 0.965, по меньшей мере, около 0.970, по меньшей мере, около 0.975 или больше.
После коалесценции, смесь может быть охлаждена до комнатной температуры, например, от около 20°C до около 25°C, чтобы погасить или остановить дальнейшее изменение размеров частиц. Охлаждение может быть быстрым или медленным, по желанию. Подходящий способ охлаждения может включать введение холодной воды в рубашку вокруг сегмента экструдера, расположенного вниз по потоку, или в резервуар для частиц, выходящих из экструдера. В вариантах осуществления изобретения непрерывный выходной поток из реактора может быть направлен или распределен в теплообменник, чтобы охладить коалесцирующие частицы тонера, которые могут быть охлаждены при температуре, близкой к комнатной, например. В вариантах осуществления изобретения суспензия тонера разгружается в ванну с охлажденной водой.
После охлаждения частицы тонера, необязательно, могут быть отсортированы по размеру, или частицы нужного размера могут быть выбраны, например, путем отсеивания грубых и/или мелких частиц из суспензии. Полученные в результате частицы могут быть промыты водой, а затем высушены. Сушка может быть выполнена любым подходящим способом, включая, например, сублимационную сушку, флэш-сушку или тороидальную сушку.
Содержание грубых частиц латекса по настоящему изобретению может составлять от около 0.01 масс.% до около 5 масс.%, от около 0.02 масс.% до около 4.5 масс.%, от около 0.05 масс.% до около 4.0 масс.%. Содержание твердых веществ в латексе по настоящему изобретению может составлять от около 5 масс.% до около 50 масс.%. В вариантах осуществления изобретения молекулярная масса частиц эмульсии смолы по настоящему изобретению может составлять от около 18,000 г/моль до около 26,000 г/моль. Для целей настоящего изобретения, "крупная частица", представляет собой частицу, размер которой больше чем около 4.5 мкм, больше чем около 4.3 мкм, больше чем около 4.1 мкм.
Агрегат или устройство, которое может применяться для изготовления тонера, как правило, содержит части и компоненты, известные в данной области, и может быть сделана ссылка на данные патентов США. U.S. No 7,459,258 и 7,572,567, а также U.S. Publ. No 2008/0138738, описания которых включены сюда посредством отсылки в полном объеме. Вместе с тем, на практике может применяться любая конструкция двухшнекового экструдера реактора. Пример коммерчески доступных устройств представляет собой двухшнековый экструдер, доступный, например, от Farrel Corporation, Ansonia, СТ; Century Inc., Traverse City, MI; Coperion Corp., Ramsey, NJ. Оба шнека могут вращаться в одном направлении, в обратном направлении, зацепляться (intermesh) или нет.
Устройство по настоящему изобретению может состоять из одного двухшнекового экструдера, например, содержащего различные функциональные зоны, как показано здесь, например, зону для агрегации частиц тонера, зону для замораживания агрегации, зону для коалесценции агрегированных частиц, зону для гашения коалесценции и так далее. В других вариантах осуществления изобретения устройство по настоящему изобретению включает в себя несколько двухшнековых экструдеров, соединенных последовательно, чтобы обеспечить непрерывный однонаправленный поток текучей среды через несколько устройств, в которых одна или несколько функциональных зон распределяются последовательно между или среди нескольких двухшнековых экструдеров. Например, агрегация может происходить в первом экструдере, а коалесценция может происходить во втором экструдере.
По длине экструдера располагаются порты или места для добавления реагентов, например, добавления кислоты или основания, чтобы изменить pH, добавления смолы, чтобы сформировать оболочку, добавления агрегирующего агента, добавления агента замораживания, добавления поверхностно-активного вещества и т.д., для доступа детектирующего или контролирующего устройства в суспензию, содержащуюся внутри экструдера, а также нагревательных и охлаждающих элементов, например, для термопар или других устройств для измерения температуры, устройств для определения pH, устройств для определения округлости частиц, устройств для получения образца тонера и тому подобное и так далее. Координированные операции мониторинга и действий, например, добавления реагента, нагревания или охлаждения, в режиме реального времени с помощью встроенного устройства или устройств обеспечивают соответствующие реагенты и условия реакции по длине двухшнекового экструдера(ов), чтобы осуществить различные этапы получения тонерных частиц.
Трубы, линии, трубопроводы и другие соединения, транспортирующие устройства или устройства связи, используемые для транспортировки реагентов в экструдер и тонера из экструдера, являются стандартными и коммерчески доступными.
Непрерывная реакция может быть проведена в атмосфере инертного газа (такого как азот или аргон), для того, чтобы свести к минимуму или избежать деградации реагентов, поддержать целостность частиц тонера или проконтролировать условия реакции. Входной порт в экструдер может быть использован для введения инертного газа, и также порт может быть использован для размещения измерительного элемента или датчика давления.
Реагенты могут быть введены в реактор непрерывного действия с использованием, например, насосов, кранов и подобных устройств, удобно установленных около портов, расположенных вдоль пути потока в экструдере. Они позволяют оценивать или измерять введение реагентов и поддерживать реакционную среду, такую как подходящий или желаемый поток текучей среды, на всем протяжении в реакторе непрерывного действия, чтобы дать возможность образоваться тонеру.
Устройство для получения тонера может включать шнековый экструдер, имеющий функциональные зоны, где осуществляются различные операции создания тонера, например, зону, где происходит агрегация и зону, где происходит коалесценция, или содержать последовательно расположенные экструдеры, где один экструдер предназначен для агрегации, добавления оболочки и замораживания частиц, и другой экструдер, например, для коалесценции частиц. Каждая зона может включать, например, измеритель pH, термопару или измерительное устройство для температуры и один или несколько портов для добавления буфера, кислоты или основания для контроля pH, для добавления одного или нескольких реагентов и так далее. Материал внутри экструдера движется от места впуска, где смесь тонера добавляется в устройство, к разгрузочному концу последовательно через зоны по длине или пути потока экструдера(ов), в конечном итоге переходя из экструдера к месту для сбора, необязательно, сортировки по размеру, промывания и/или сушки частиц тонера.
Шнеки могут быть модульными, составленными из частей элементов, что дает возможность создавать конфигурации шнека с различными транспортирующими элементами и перемешивающими элементами, имеющими соответствующие длины, углы профиля резьбы и тому подобное. Таким образом обеспечиваются оптимальная транспортировка, смешивание, диспергирование, разгрузка и насосные функции, например, для каждой функциональной зоны или каждого отдельного компонента или экструдера. Вследствие этого, форма резьбы, глубина резьбы, угол резьбы и т.п. могут иметь конфигурации согласно проектному решению.
Временем местного нахождения в зоне можно управлять посредством дизайна шнека, скорости вращения шнека, скорости подачи материала, температуры и давления. Время местного нахождения, подходящее для агрегации/коалесценции, может варьироваться в зависимости от ряда факторов, включая, например, конкретно используемый латекс, температуру внутри цилиндра и конкретный агент агрегации, скорость потока текучей среды или суспензии и так далее.
Термин "время нахождения", относится к внутреннему объему реакционной зоны в аппарате, занимаемому реагирующей текучей средой, протекающей через пространство, разделенному на среднюю объемную скорость потока текучей среды, протекающей через пространство, при используемых температуре и давлении.
Как показано здесь, температура жидкости на пути потока находится под управлением различных датчиков температуры и устройств управления, таких как термопара, нагревательный элемент, нагревательная рубашка и так далее, чтобы создавать управляемый температурный режим вдоль пути потока. Несколько устройств управления температурой могут быть размещены вдоль пути потока, так, что определяемые профили температуры обеспечиваются вдоль пути потока. Таким образом, температура может оставаться непрерывно постоянной на протяжении всего пути потока, увеличиваться по длине пути потока, увеличиваться на входе смеси в реактор, но только в отношении той части реактора, которая может включать одну половину пути потока, одну треть пути потока и так далее, по проектному решению, оставаться без какого-либо дополнительного подогрева, для того, чтобы дать возможность содержимому текучей среды охладиться при определенной скорости температурной эрозии в течение оставшейся части пути потока. Может быть предусмотрено увеличение до определенной температуры, пребывание при этой температуре в течение определенной длины пути потока, и затем дальнейшее нагревание или охлаждение до определенной более низкой температуры, чтобы обеспечить, в частности, проектный температурный профиль по длине пути потока, и так далее.
Аналогично, pH профиль по длине экструдера поддерживается и регулируется таким же образом, путем количественного определения и добавления кислоты, основания или буфера, которые необходимы для получения желаемого значения pH в конкретном месте пути потока.
Компоненты для изготовления тонера доставляются из отдельных резервуаров в автоматическом режиме, например, с использованием дозирующего устройства или насоса, в общую емкость и там тщательно перемешиваются и, необязательно, гомогенизируются до образования однородной смеси, суспензии, эмульсии, раствора и т.д. Реагенты представляют собой компоненты, из которых будут формироваться первичные частицы тонера, такие как, одна или несколько смол, воск(и), необязательное красящее вещество(а), необязательное поверхностно-активное вещество(а) и так далее. Значение pH смеси перед добавлением в экструдер или сразу после того, как эта смесь добавлена в экструдер, доводится до около 4.0, около 4.1, около 3.9, около 4.2, около 3.8, чтобы вызвать рост частиц.
Как только происходит агрегация, смесь транспортируется вниз по пути потока внутри экструдера, pH контролируется, чтобы обеспечить pH около 4. 0, и соответствующая кислота, основание или буфер добавляется при необходимости отрегулировать pH. Температура на входе смеси в экструдер повышается не более чем до около 48°, не более чем до около 47°, не более чем до около 46°, не более чем до около 45°. Когда частицы достигают желаемого размера, может быть добавлена необязательная смола оболочки.
Может быть введено необязательное поверхностно-активное вещество. Коалесценция вызывается повышением pH до около 7.4, около 7.5, около 7.6, около 7.7, около 7.8, около 7.9. Температура реакции увеличивается до около 82°C, около 83°C, около 84°C, около 85°C, около 86°C, около 87°C.
После завершения коалесценции, целевые частицы выводятся из экструдера в емкость, где коалесценция может быть остановлена, обычно путем снижения температуры, таким образом как в приемном устройстве с охлаждающей рубашкой, с использованием теплообменника, посредством диспергирования тонера в объеме воды и так далее. Частицы тонера могут быть пропущены через фильтр или сито для отделения частиц нежелательного размера, например, пропуская суспензию через мокрое просеивающее устройство для отделения нежелательных, например, грубых частиц, из суспензии тонерных частиц.
Отсортированные по размеру частицы суспензии тонера затем могут быть переданы в систему промывки, такую как непрерывное барабанное фильтрующее устройство жидкостной или поперечно-токовой системы фильтрации, для отделения маточной жидкости или текучей среды от твердых частиц, а также для промывания частиц. Частицы тонера могут быть промыты, например, деионизированной водой. Система промывания может уменьшить объем текучей среды.
Промытая суспензия частиц тонера затем может быть высушена посредством используемых на практике способов, известных в данной области. Промытые частицы могут быть направлены, например, в распылительную сушилку. Необязательно, частично высушенные частицы могут быть переданы для другой формы сушки, например, в тороидальную сушилку.
Полученные частицы тонера являются не более чем около 3.8 мкм в диаметре, не более чем около 3.9 мкм в диаметре, не более чем около 4.0 мкм в диаметре, не более чем около 4.1 мкм в диаметре.
Высушенные частицы, затем могут быть смешаны с различными поверхностными и подобными добавками, чтобы образовать девелопер, как известно в данной области. Частицы тонера также могут быть смешаны с носителем, как известно в данной области.