浅谈悬浮聚合型墨粉.doc

悬浮聚合型墨粉墨粉技术 2009-12-19 22:25:46 阅读77 评论0 字号：大中小订阅 Grahan JGalliford 格拉汉美国 第一种用化学方法开发并商品化的墨粉已经用悬浮聚合法制成了。 悬浮聚合型墨粉与常规墨粉相比有许多优点。首先这种用化学方法制备的墨粉比常规研磨制成的墨粉生产工艺简单。其次，它可以达到非常小的颗粒尺寸分布范围，实际上能够制成平均颗粒尺寸(d50)达到5个微米的超细墨粉。完全取消了对颗粒大小的分类，这对墨粉生产商很有吸引力，而且生产起来也更为经济。另外用这种方法还可以对颗粒尺寸分布进行更精确的控制。这种类型墨粉的流动性很好，这在超细墨粉的使用中起着很重要的作用，它可以明显地改善打印图像和打印质量。这种用化学方法制备的墨粉有较高的转印效率，可以设计成无清洁器打印机，而目前的打印机都是采用刮板清洁法。更重要的是，通过压缩悬浮聚合墨粉进行低温定影可以大大提高定影效率，降低功率消耗并可以设计出体积较小的打印机。悬浮聚合过程 悬浮聚合法是树脂生产中常用的工艺过程，已有几十年的历史了。这个过程通常被称为自由基聚合过程。自由基反应是个非常快的过程，在几分之一秒内即可完成。在自由基聚合过程中，要求先生成一个聚合物分子，然后迅速扩大数千倍。通过打破引发剂产生第一个自由基。扩大是自由基与单体反应，引起单体分子组合实现的。在达到要求的聚合度时，反应结束。根据产品的用途，有许多方法可以使反应终止。 悬浮聚合这个名字的由来是基于链式反应过程是在悬浮状态下进行的这个事实。它的某些特性与溶剂和乳剂聚合的过程相同，但是这些反应的输入材料状态不同。 在悬浮聚合中，有两种不同的混合输入材料，也称为水相和有机相。它们在反应过程中混合，形成有机相在水相中悬浮。这种相混合的起始点可能是10份水相和1份有机相。过程中用的引发剂通常溶解在有机相中。组成有机相的单体用机械搅拌的方法分散到水相中，富含有机相液滴的单体聚合成液滴的形状。在液滴内部发生开始、扩大和结束全过程。液滴保持在悬浮状态，在悬浮液中所用的混合剂和表面活性剂的共同作用下，使它们不能聚结在一起。混合状态和表面活性剂影响着颗粒的平均尺寸(d50)和颗粒尺寸的分布(PSD)。在墨粉生产中，最重要的是要能够预测和控制PSD。到此为止我们所讲的过程还只是树脂生产的过程，至于墨粉生产还需要在混合液中加入其它原料，以便形成墨粉的液滴。非聚合墨粉成分的化学特性，特别是使用的颜料，对过程的影响很大。实际上，同一类的不同颜料对过程的影响也不同，颜料选择不正确将导致制成的墨粉性能不好。 用悬浮聚合工艺生产墨粉 人们在这里可以看到两相，一个是有机相，它几乎含有墨粉颗粒的所有原料，另一个是水相，有机相悬浮其中。在生产车间，定量供料泵控制着两相的供料，按控制的比例将它们送入分散机，并控制进料速率，以达到最佳的悬浮状态，并在分散机中形成有机相液滴。聚合在升高的温度下进行，并在分散机中以规定速率搅拌规定的时间。这些条件都要根据成分和所生产墨粉的技术要求变化。一旦聚合完成了，将材料从反应器中取出，送入过程的清洗、绝缘和干燥各工序。然后将干燥的CPT与额外的颗粒添加剂，如二氧化硅，混合起来。见图解过程图。 |J$)o,JEql 制造双结构/核壳墨粉 在双结构/核壳墨粉，也称微密封墨粉的结构中，生成的颗粒有一个被一个或多个壳包围着的核。目的是为了分别从核和壳上得到一些颗粒的特性。从壳上得到的特性是机械强度和热稳定性，以适当地防止墨粉在灌注、运输、储存或在打印机中使用时的磨损。壳也在很大程度上控制了墨粉的摩擦特性，控制壳可以调节这个特性。粉末的流动性也与壳结构和成分上的特性有关。 从核上得到的特性有熔化和固定特性。这些特性是由构成核的材料的熔化流变学特性决定的，可通过控制核材料成分和分子量来调节。微密封墨粉的核通常含有颜料。这种墨粉的价格也在很大程度上受材料选择，尤其是核结构中所用单体的影响。因此可以通过在核中使用比较便宜的单体来降低墨粉的原料成本。在生产过程中可以改变一些壳或所有壳的厚度。有许多方法可以用来制作这种墨粉，其中一种是先用未聚合的壳混合物包覆未聚合的核混合物。壳先在界面间聚合，然后通过在提高温度下的处理过程使核聚合。 商用产品 市场上已经有了供Oki用的单色悬浮聚合型墨粉，Zeon生产了供东芝/TEC传真机用的墨粉。这些全是用化学方法制成的单结构悬浮型墨粉。Zeon也生产出了供其他Oki打印机用的墨粉，而且是双结构/核壳型产品。下表汇总了一些机型和墨粉，对商用悬浮聚合型墨粉做了详细说明。(见表一) 使用悬浮聚合法生产墨粉的两个厂商是Zeon和佳能公司。 Zeon公司 : Zeon公司，一般人们熟悉的名字是Nippon Zeon，是用化学方法制造墨粉并投入市场的第一家公司。它1993年在Tokuyama(山口县)建立了世界上第一个用化学方法生产墨粉的商业化工厂，并开始了小规模的生产。1995年它的大规模工厂投产，生产能力1000吨。它为Oki和TEC生产墨粉，开始时生产的是用于无清洁器打印机的球形黑色单组份墨粉。1999年它把这个厂的生产能力提高到年产1500吨，并在2001年在原厂地投入了新设备，使总生产能力达到年产2500吨。Zeon在2004年4月投资了一个用化学法生产全彩色墨粉的工厂，预计2005年开始向市场投放彩色墨粉。 下面是生产的第一代墨粉的一个墨粉颗粒的电子显微照片，直径约7.5微米。这是种悬浮聚合型球形磁性单组份墨粉。 正如我们能够看到的，化学法生产的墨粉(CPT)完全成球形，这在某些方面是有优越性的，但也存在一些问题。球形墨粉有着非常一致的形状，因而在充电、显影和转印方面可以提供非常一致的性能。但是，正如我们所知道的，若用常规的清洁方法，如用刮板清洁掉转印后残留在鼓表面的墨粉颗粒，就会出现问题。 如果按报道所说的转印效率(TE%)非常高，接近100%，就可以将它成功地用于无清洁器打印机。绝对必要的是必须将TE%提高到所谓的无清洁器结构的使用要求。由于清洁性是使用这种球形墨粉的主要问题，而悬浮聚合技术生产的就是这种球形墨粉，所以许多墨粉生产商的研究机构和硬件设计者都把目光集中在改进这种墨粉清洁性上也就不难理解了。 一些研究从材料的观点入手，希望通过改进表面和结构来解决问题。 双层/核壳 Zeon开发出了用化学法生产的双层/核壳型低温定影墨粉，并为兄弟和Oki公司生产这种墨粉。这种墨粉的定影温度约为140，它比研磨型聚酯基墨粉有更宽的熔化窗。 这种墨粉的平均颗粒尺寸为8.6，具有悬浮聚合型低熔点的核和较高Tg的壳。是一种低温定影墨粉，定影温度比单结构墨粉约低20。因此可以采用低功率消耗的定影器，功率消耗比以前的定影器能减少30%。 这种墨粉的生产方法是，首先用常规方法使核聚合，与Zeon的单结构墨粉类似。核中不仅含有单体，也含有颜料、CCA和大量的附加材料，如石蜡。在第二次反应中聚合成壳。完成聚合后，接下来进行冲洗、绝缘、干燥和与额外粒子添加剂混合等工序。 Zeon正在开发下一代微密封墨粉。在同样条件下，定影温度比第一代产品还要低20-30，又不会严重影响抗阻塞性。它们也在开发具有类似技术的彩色墨粉，并朝着他们认为最 理想的单分散颗粒尺寸努力。 双结构技术是改善墨粉定影特性最有效的方法。在壳与核之间建立清晰的边界很重要。降低壳用树脂与核用树脂间的兼容性可以达到这个要求。控制这个兼容性很重要。在使用中，墨粉受到显影器中各种辊的机械力和刮片产生的摩擦力。如果壳与核的边界太明显(即树脂的兼容性太低)，则壳有从核上脱落的趋势。所以必须适当定义壳与核间的边界，以保证壳与核发挥各自的功能，同时还要靠兼容性保持它们间的粘接力，以保证能承受打印机中的机械力。 2000年Zeon还完成了悬浮聚合型彩色墨粉的研制。正在从试验室规模扩大到能生产5-6种微粒子尺寸的大规模生产，他们还同准备使用这种墨粉的硬件厂商一起攻关。 佳能 佳能把这项悬浮聚合技术用在他们的彩色激光打印机墨粉上。墨粉颗粒为球形，核为富蜡型，该墨粉是为打印无光泽彩色硬考贝设计的。这种墨粉可以用于采用无油定影系统的打印机上，由于有富蜡的核，所以很容易与定影辊分离。 开始时佳能把他们的第一代墨粉用于佳能LBP 2140/HP 4500打印机上。这种打印机使用化学方法制成的黄色、品红、青色墨粉和普通的黑色墨粉。2000年11月他们把悬浮聚合法引进到黑色墨粉的生产中。第一次把这种黑色墨粉用在每分钟打印21页的双组份打印机上。 佳能化学法生产墨粉的设备装在Toride工厂，从2000年秋天起开始在Oita佳能材料厂生产。 佳能S墨粉技术 化学法生产墨粉的材料最开始被用在佳能Pixel L CP660彩色打印机上。下面是这种墨粉的剖面图。 墨粉为微密封，平均颗粒尺寸7.5微米，高Tg，标称熔化温度为74的聚合物保护壳。核含有浓度非常高的低熔点聚乙烯蜡，从而加强了墨粉与无油定影系统间的兼容性。定影后的墨粉生成许多人希望的无光泽、不透明的印品。最新一代的这种墨粉在这方面有所改进，透明性越来越被人们所接受了。下面是近距离观察这种墨粉的电子显微照片。 佳能称这种墨粉为他们的S墨粉。电子显微照片清楚地表明他们的化学法制成的墨粉为球形。这种墨粉的特性是可以达到更好的边缘锐度，填充得更实，线拖拉更小。 从技术角度上看，CLJ4500把聚合物的壳推到了几个第一的位置上。佳能是第一个使用化学方法制成的墨粉的。这时Okidata也第一次在它的单色打印机上用化学法制成的墨粉做OEM。佳能第一台不用硅油润滑定影辊的彩色激光打印机开发成功，它的定影器完全不用加油，这就是佳能在通讯稿中所说的降低了印品的光泽，更精确地重制图形。 惠普的机器家族中又增加了HP4500，佳能也从单色发展到了彩色。从1997年11月起，在所有新的佳能打印机上，惠普和佳能都是相互排斥的。后来这种情况扩展到了佳能 LaserJet系列的新彩色打印机上。在供应单色佳能打印机的那几年里，惠普建立起了高级商标识别系统。并用自己的彩色喷墨技术制成了HP4500彩色激光打印机，在世界市场内占据了很大的份额。1999年，HP4500和HP8500一起把1999年在美国装船的彩色激光打印机中的35%划到自己的名下。惠普的市场份额几乎超过了40%。从那以后，惠普彩色激光打印机的市场份额明显下降。尽管惠普没有能像他们控制单色机市场那样控制彩色机市场，但HP4500仍是当前彩色打印机中的姣姣者。 佳能墨粉能在市场上取得成功的一个重要原因是它与惠普公司的联合。惠普Color LaserJet 4500彩色激光打印机是彩色激光打印机市场的一个重要里程碑。自从这种型号的打印机采用了青、品红、黄色化学方法制成的墨