BRPI0602882B1 - Método de fabricação de partículas de toner - Google Patents

Abstract

"processos para o preparo de toner". a presente invenção refere-se a um método de fabricação de partículas de toner inclui: mistura de uma emulsão de látex, uma emulsão de colorante, uma emulsão de cera opcional e aditivos opcionais em um primeiro reator para formar uma pasta fluida; descarga da pasta fluida do primeiro reator para um segundo reator através de um homogeneizador; aquecimento da pasta fluida no segundo reator para formar partículas agregadas na referida pasta fluida; descarga das partículas agregadas e da pasta fluida do segundo reator para um terceiro reator; aquecimento das partículas agregadas e da pasta fluida no terceiro reator para coalescer as partículas agregadas em partículas de toner; descarga das partículas de toner e da pasta fluida do terceiro reator para um quarto reator; resfriamento das partículas de toner; opcionalmente classificação das referidas partículas de toner para remover partículas grossas; e opcionalmente lavagem e secagem das referidas partículas de toner, em que o primeiro reator, segundo reator, terceiro reator e quarto reator são pelo menos dois reatores diferentes.

Description

(54) Título: MÉTODO DE FABRICAÇÃO DE PARTÍCULAS DE TONER (51) Int.CI.: G03G 9/08 (30) Prioridade Unionista: 22/07/2005 US 11/187,030 (73) Titular(es): XEROX CORPORATION (72) Inventor(es): VINCENZO G. MARCELLO; STEVEN M. MALACHOWSKI; TIE HWEE NG; CHIEHMIN CHENG

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para MÉTODO DE FABRICAÇÃO DE PARTÍCULAS DE TONER.

ANTECEDENTES

A presente invenção refere-se a processos para a fabricação de composições de toner e, mais especificamente, refere-se a processos de emulsão/agregação para a fabricação de composições de toner compreendendo uma resina e um colorante e outros aditivos opcionais.

Toners de agregação emulsão são toners excelentes para uso na formação de imagens de impressão ou xerográficas pelo fato de que os toners podem ser feitos para terem tamanhos uniformes e os toners não serem prejudiciais ao ambiente. Patentes U.S. descrevendo toners de agregação emulsão incluem, por exemplo, Patentes U.S. N^os. 5.370.963; 5.418.108;

5.290.654, 5,346,797, 5.585.215, 5.763.133, 5.840.462 e

5.278.020,

5.348.832,

5.650.255,

5.766.818,

5.308.734,

5.405,728,

5.650.256,

5.747.215,

5.344.738,

5.366.841,

5.501.935,

5.827.633,

5.403.693,

5.496.676,

5.723.253,

5.853.944,

5,364,729,

5.527.658,

5.744.520,

5.804.349,

5.869.212, as divulgações dessas patentes são também totalmente incorporadas aqui por referência.

Dois principais tipos de toner de agregação emulsão são conhecidos. Primeiro é um processo de agregação emulsão que forma partículas de toner baseadas em acrilato, por exemplo, acrilato de estire, partículas de toner. Veja por exemplo, Patente U.S. N°. 6.120.967, incorporada aqui por referência em sua totalidade, como um exemplo de tal processo. Segundo é um processo de agregação emulsão que forma poliéster, por exemplo, poliéster sulfonado de sódio. Veja, por exemplo, Patente U.S. 5.916.725, incorporada aqui por referência em sua totalidade, como um exemplo de tal processo.

Técnicas de agregação emulsão envolvem, tipicamente, a formação de um látex em emulsão das partículas de resina, partículas as quais têm um pequeno tamanho, por exemplo, de cerca de 5 a cerca de 500 nanômetros de diâmetro, através de aquecimento da resina, opcionalmente com um solvente se necessário, em água, ou fazendo-se um látex em água usando uma polimerização em emulsão. Uma dispersão de colorante, por exemplo um pigmento dispersado em água, opcionalmente também com resina adicional é separadamente formada. A dispersão de colorante é adicionada à mistura de látex em emulsão e um agente de agregação ou agente de formação de complexo é, então, adicionado para formar partículas de toner agregadas. As partículas de toner agregadas são aquecidas para permitir coalescência/fusão, desse modo, obtendo partículas de toner agregadas fundidas.

A Patente U.S. N°. 5.462.828 descreve uma composição de toner que inclui uma resina de copolímero de acrilato de estireno/n-butila tendo uma série de pesos moleculares numéricos médios de menos do que 5.000, um peso molecular gravimétrico médio de cerca de 10.000 a cerca de 40.000 e uma distribuição de peso molecular de mais do que 6 que proporciona excelentes propriedades de brilho e fixação em uma baixa temperatura de fusão.

Conforme descrito acima e nas patentes citadas, processos de toner por agregação emulsão incluem, tipicamente, cinco etapas. Essas etapas incluem (1) polimerização em emulsão para preparar partículas poliméricas primárias, (2) agregação/coalescência na qual as partículas poliméricas primárias e outras partículas, tais como colorante, são agregadas juntas em partículas com tamanho de toner, (3) peneiramento a úmido no qual as partículas com tamanho de toner são classificadas para remover as partículas grossas, (4) lavagem e (5) secagem. Durante esse processo, as duas etapas que mais consomem tempo e, assim, as etapas limitativas de taxa no processo, são as etapas de agregação/coalescência e peneiramento a úmido.

A etapa de agregação/coalescência é uma das três subetapas que consomem tempo particularmente realizadas no mesmo reator. A primeira é homogeneização. Durante a homogeneização, floculante ou coagulante é adicionado e altas quantidades de cisalhamento são proporcionadas para começar os estágios iniciais de formação de partícula. A segunda é uma primeira etapa de aquecimento, na qual os conteúdos do reator são aquecidos para cerca de 35 a cerca de 50 ou cerca de 60°C e a agregação do polímero prossegue. A terceira é uma segunda etapa de aquecimento, na qual os conteúdos do reator são aquecidos para cerca de 70 a cerca de 100 ou cerca de 120°C e as partículas agregadas são coalescidas em partículas de toner finais.

A despeito dos vários processos de emulsão/agregação que são conhecidos e usados na técnica, continua a existir uma necessidade de processos novos e aperfeiçoados. Por exemplo, embora os processos de agregação/emulsão possam proporcionar partícula de toner tendo um tamanho de partícula desejado em particular com uma distribuição de tamanho de partícula limitada, continua a existir a necessidade de um processo que evite a geração de partículas grossas que devam ser removidas em uma operação de peneiramento subseqüente. Também continua a existir uma necessidade de processos de produção mais eficiente, que permitam um maior rendimento no processo de emulsão/agregação.

SUMÁRIO

A presente invenção atende a essas e outras necessidades, em modalidades, proporcionando um processo de emulsão/agregação aperfeiçoado. Em particular, a presente invenção proporciona um procedimento e um aparelho de agregação/coalescência aperfeiçoados que permitem maior rendimento do processo, causa menos interrupções e proporciona uma formação reduzida de partículas grossas, assim, permitindo a remoção opcional de uma etapa de peneiramento a úmido do processo global. A invenção atende a pelo menos várias deficiências com a etapa convencional de agregação/coalescência, as quais são abrangidas pela presente exposição.

Durante a etapa de homogeneização, floculante ou coagulante é adicionado e elevadas quantidades de cisalhamento são proporcionadas para começar os estágios iniciais de formação de partícula. Em teoria, todos os conteúdos do reator seriam expostos à quantidade elevada de microcisaIhamento proporcionada pelo homogeneizador, de forma a fragmentar quaisquer agregados grandes existentes que possam se formar antes que a agregação comece. Contudo, em ajustes de reator convencional atuais, foi observado que todos os conteúdos dentro do reator não são expostos à ho4 mogeneização, assim, proporcionando grandes agregados que podem, por fim, contribuir para um maior teor de partículas grossas no produto final. Assim, se a homogeneização pode ser aperfeiçoada, a produção de partículas grossas pode ser reduzida.

Durante a primeira etapa de aquecimento, os conteúdos do reator são aquecidos para cerca de 35 a cerca de 50 ou cerca de 60°C e a agregação do polímero prossegue. Contudo, em unidades de fabricação em larga escala, esse aquecimento pode levar várias horas para terminar, em virtude do fato de que a camisa do reator não pode ser aquecida acima da temperatura de transição de vidro dos conteúdos em pasta fluida e em virtude do baixo coeficiente de transferência de calor da pasta fluida durante pontos de elevado limite de escoamento. Como um resultado, os conteúdos do reator não são aquecidos à temperatura desejada de até cerca de 60°C durante um período de tempo estabelecido, mas, ao contrário, são aquecidos em uma temperatura variada entre cerca de 21 e cerca de 50 ou cerca de 60°C até durante várias horas, antes que a temperatura de agregação desejada seja obtida. Além disso, sabe-se que os elevados limites de escoamento da pasta fluida aumentam durante a agregação à medida que a temperatura da carga aumenta. Se a taxa de agregação não for alta o bastante para produzir um perfil de cisalhamento que supere o limite de escoamento da pasta fluida, então, uma deposição pode ocorrer sobre as paredes do reator. Também, deposição pode ocorrer na parede do reator a partir de uma queda no nível da pasta fluida, em virtude de liberação de ar que foi previamente consumido durante homogeneização. Se essa deposição de partículas agregadas sobre a parede do reator não for removida durante a etapa de agregação, então, ela poderá contribuir para a formação de partícula grossas durante a segunda etapa de aquecimento. Fusão de grandes agregados ocorrerá acima da temperatura de transição de vidro da resina na segunda etapa de aquecimento. Assim, quaisquer agregados grandes deixados sobre a parede do reator durante a primeira etapa de aquecimento cairão na carga durante a segunda etapa de aquecimento, causando a formação de partículas grossas.

Além disso, essas partículas fundidas contribuem para aumentar a incrustação sobre as paredes do reator. À medida que a incrustação aumenta, tempo, esforço e materiais aumentados são requeridos para limpar o reator. Por exemplo, se o arranjo do reator tem de ser usado para produzir um material de toner diferente ou material de toner colorido diferente, o tempo de transferência requerido para limpar o reator incrustado pode ser tão longo quanto um dia inteiro, requerendo o uso de solventes abrasivos, tal como tolueno, em temperaturas extremas.

Durante a segunda etapa de aquecimento, os conteúdos do reator são ainda aquecidos para cerca de 60 a cerca de 100 ou cerca de 120°C e a coalescência do polímero prossegue. Contudo, conforme acima, em unidades de fabricação em larga escala, esse aquecimento pode levar várias horas para terminar. Como um resultado, os conteúdos do reator não são aquecidos em uma temperatura desejada de cerca de 90-100°C durante um período de tempo estabelecido, mas, ao contrário, são aquecidos em uma temperatura variada entre cerca de 50 ou cerca de 60 e cerca de 100 ou cerca de 120°C durante até várias horas, antes que a temperatura de coalescência desejada seja obtida.

Finalmente, após a coalescência estar completa, a reação é resfriada através de resfriamento dos conteúdos do reator para pelo menos cerca de 50 a cerca de 65°C ou abaixo de um ponto de fusão da cera contida nas partículas de toner. Esse resfriamento é conduzido para limitar a quantidade de saliências de cera que são criadas durante o período de resfriamento à medida que a cera cristaliza. Contudo, conforme com o aquecimento descrito acima, em unidades de fabricação em larga escala, esse resfriamento pode levar uma hora para terminar, mesmo na menor temperatura de resfriamento da camisa do reator. Como um resultado, os conteúdos do reator não são esfriados imediatamente para a temperatura desejada, mas, ao contrário, são lentamente esfriados durante até cerca de uma hora, desse modo, limitando desejavelmente a geração de saliências de cera.

Para superar esses e outros problemas, a presente invenção proporciona um esquema de reator modificado. De acordo com a invenção, o processo convencional com um único reator é substituído por um processo com reatores múltiplos, o qual permite uma homogeneização mais eficaz e tempos de aquecimento e resfriamento mais rápidos. O processo proporcionado, por sua vez, permite a redução de partículas grossas, a eliminação opcional de uma etapa de peneiramento a úmido e/ou menos incrustação do reator e resultantes transferências mais rápidas entre as cargas.

Em uma modalidade, a presente invenção proporciona um método de fabricação de partículas de toner compreendendo:

mistura de uma emulsão de látex, uma emulsão de colorante, uma emulsão de cera opcional e aditivos opcionais em um primeiro reator para formar uma pasta fluida;

descarga da pasta fluida do primeiro reator para um segundo reator através de um homogeneizador;

aquecimento da pasta fluida no segundo reator para formar partículas agregadas na referida pasta fluida;

descarga das partículas agregadas e da pasta fluida do segundo reator para um terceiro reator;

aquecimento das partículas agregadas e da pasta fluida no terceiro reator para coalescer as partículas agregadas em partículas de toner;

resfriamento das partículas de toner;

opcionalmente, classificação das referidas partículas de toner para remover as partículas grossas; e opcionalmente lavagem e secagem das referidas partículas de toner;

em que o primeiro reator, segundo reator, terceiro reator e quarto reator compreendem pelo menos dois reatores diferentes.

Em outra modalidade, a presente invenção proporciona um método de fabricação de partículas de toner compreendendo:

fornecimento de uma pasta fluida compreendendo uma emulsão de látex, uma emulsão de colorante, uma emulsão de cera e aditivos opcionais em uma primeira reação;

homogeneização da referida pasta fluida;

descarga da pasta fluida do primeiro reator para um segundo reator pré-aquecido uma temperatura de agregação;

agregação de partículas na referida pasta fluida no segundo reator para formar partículas agregadas na referida pasta fluida;

descarga das partículas agregadas e da pasta fluida do segundo reator para um terceiro reator através de um meio de aquecimento, em que o referido meio de aquecimento aquece as partículas agregadas e a pasta fluida até uma temperatura de coalescência;

coalescência das partículas agregadas na referida pasta fluida no terceiro reator para formar partículas de toner;

descarga das partículas de toner e da pasta fluida do terceiro reator para um quarto reator através de um meio de aquecimento, em que o referido meio de aquecimento esfria as partículas de toner e a pasta fluida uma temperatura abaixo de um ponto de fusão da cera;

opcionalmente classificação das referidas partículas de toner para remover as partículas grossas; e opcionalmente lavagem e secagem das referidas partículas de toner.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

Uma compreensão mais completa da presente invenção pode ser obtida através de referência aos desenhos em anexo, em que:

A figura ilustra uma modalidade de um arranjo de reatores múltiplos para um processo de emulsão/agregação.

DESCRIÇÃO DETALHADA DE MODALIDADES EXEMPLIFICATIVAS

Emulsão/agregação de partículas de toner geralmente é compreendida de pelo menos uma resina polimérica em emulsão e uma dispersão de colorante. As partículas de toner também incluem, de preferência, pelo menos uma dispersão de cera, um coagulante e outros aditivos opcionais.

Exemplos ilustrativos de látex para resina, polímero ou polímeros selecionados para o toner podem ser monômeros baseados em estireno, monômeros baseados em acrilato, monômeros baseados em poliéster, polí8 meros de cera e poliolefinas. Assim, por exemplo, exemplos de monômeros baseados em estireno e monômeros baseados em acrilato incluem, por exemplo, (poli)estireno alquil acrilato, (poli)estireno 1,3-dieno, (poli)estireno alquil metacrilato, (poli)estireno alquil acrilato ácido acrílico, (poli)estireno 1,3-dieno ácido acrílico, (poli)estireno alquil metacrilato ácido acrílico, (poli)alquil metacrilato alquil acrilato, (poli)alquil metacrilato aril acrilato, (poli)aril metacrilato alquil acrilato, (poli)alquil metacrilato ácido acrílico, (poli)estireno alquil acrilato acrilonitrila ácido acrílico, (poli)estireno 1,3-dieno acrilonitrila ácido acrílico, (poli)alquil acrilato acrilonitrila ácido acrílico, (poli)estireno butadieno, (poli)metilestireno butadieno, (poli)metil metacrilato butadieno, (poli)etil metacrilato butadieno, (poli)propil metacrilato butadieno, (poli)butil metacrilato butadieno, (poli)metil acrilato butadieno, (poli)etil acrilato butadieno, (poli)propil acrilato butadieno, (poli)butil acrilato butadieno, (poli)estireno isopreno, (poli)metilestireno isopreno, (poli)metil metacrilato isopreno, (poli)etil metacrilato isopreno, (poli)propil metacrilato isopreno, (poli)butil metacrilato isopreno, (poli)metil acrilato isopreno, (poli)etil acrilato isopreno, (poli)propil acrilato isopreno e (poli)butil acrilato isopreno, (poli)estireno propil acrilato, (poli)estireno butil acrilato, (poli)estireno butadieno ácido acrílico, (poli)estireno butadieno ácido metacrílico, (poli)estireno butadieno acrilonitrila ácido acrílico, (poli)estireno butil acrilato ácido acrílico, (poli)estireno butil acrilato ácido metacrílico, (poli)estireno butil acrilato acrilonitrila, (poliestireno butil acrilato acrilonitrila ácido acrílico e outros polímeros similares.

Exemplos ilustrativos de resinas baseadas em poliéster selecionadas para o processo e partículas da presente divulgação incluem qualquer um dos vários poliésteres conhecidos na técnica, tais como tereftalato de polietileno, tereftalato de polipropileno, tereftalato de polibutileno, tereftalato de polipentileno, tereftalato de polihexaleno, tereftalato de poliheptadeno, tereftalato de polioctaleno, sebacato de polietileno, sebacato de polipropileno, sebacato de polibutileno, adipato de polietileno, adipato de polipropileno, adipato de polibutileno, adipato de polipentileno, adipato de polihexaleno, adipato de poliheptadeno, adipato de polioctaleno, glutarato de polietileno, glutarato de polipropileno, glutarato de polibutileno, glutarato de polipentile9 no, glutarato de polihexaleno, glutarato de poliheptadeno, glutarato de polioctaleno, pimelato de polietileno, pimelato de polipropileno, pimelato de polibutileno, pimelato de polipentileno, pimelato de polihexaleno, pimelato de poliheptadeno, fumarato de bisfenol (poli)propoxiiado, succinato de bisfenol (poli)propoxilado, adipato de bisfenol (poli)propoxilado, glutarato de bisfenol (poli)propoxilado, SPAR® (Dixie Chemicals), BECKSOL® (Reichhold Chemical Inc.), ARAKOTE® (Ciba Geigy Corporation), HETRON® (Ashland Chemical), PARAPLEX® (Rohm & Hass), POLYLITE® (Reichhold Chemical Inc.), PLASTHALL® (Rohm & Hass), CYGAL (American Cyanamide), ARMCO® (Armco Composites), ARPOL® (Ashland Chemical), CELANEX® (Celanese Eng), RYNITE® (DuPont), STYPOL® (Freeman Chemical Corporation), misturas dos mesmos e semelhantes. As resinas também podem ser funcionalizadas, tal como sulfonadas, e particularmente tal como sulfonadas com sódio, se desejado.

Outros exemplos de resinas baseadas em polímero selecionadas para o processo e partículas da presente invenção incluem ceras de poliolefinas, tais como polietileno, polipropileno, polipenteno, polideceno, polideodeceno, politetradeceno, polihexadeceno, polioctadeno e policiclodeceno, copolímeros de poliolefina, misturas de poliolefinas, poliolefinas de peso molecular bimodal, poliolefinas funcionais, poliolefinas ácidas, poliolefinas de hidroxila, poliolefinas ramificadas, por exemplo, tais como aquelas disponíveis da Sanyo Chemicals of Japan como VISCOL 550P® e VISCOL 660P®, Mitsui Hi Wax NP055 e NP105 ou misturas de ceras, tais como MicroPowders, Micropro 440 e 440w.

Misturas de dois ou mais dos polímeros acima também podem ser usadas, se desejado.

Como o polímero de emulsão de látex do toner da invenção, de preferência um alquil acrilato-estireno ou um poliéster, tal como um poliéster sulfonado, é usado.

O polímero de látex está, de preferência, presente em uma quantidade de cerca de 70 a cerca de 95% em peso das partículas de toner (isto é, partículas de toner excluindo aditivos externos) em uma base de sóli10 dos, de preferência de cerca de 75 a cerca de 85% em peso do toner.

Os monômeros usados na fabricação do polímero selecionado não estão limitados, e os monômeros utilizados podem incluir qualquer um ou mais de, por exemplo, estireno, acrilatos, tais como metacrilatos, butilacrilatos, β-carbóxi etil acrilato (β-CEA), etc., butadieno, isopreno, ácido acrílico, ácido metacrílico, ácido itacônico, acrilonitrila, benzenos, tal como divinilbenzeno, etc. e semelhantes. Agentes de transferência de cadeia conhecidos, por exemplo, dodecanotiol ou tetrabrometo de carbono, podem ser utilizados para controlar as propriedades de peso molecular do polímero. Qualquer método adequado para formação do polímero de látex a partir dos monômeros pode ser usado sem restrição.

Vários colorantes podem ser empregados nos toners, incluindo pigmentos coloridos adequados, corantes e misturas dos mesmos, incluindo negro-de-fumo, tal como negro-de-fumo REGAL 330, negro-de-acetileno, negro-de-breu, negro-de-anilina, Chrome Yellow, Zinc Yellow, SICOFAST Yellow, SUNBRITE Yellow, LUNA Yellow, NOVAPERM Yellow, Chrome Orange, BAYPLAST Orange, Cadmium Red, LITHOL Scarlet, HOSTAPERM Red, FANAL PINK, HOSTAPERM Pink, LUPRETON Pink, LITHOL Red, RHODAMINE Lake B, Brilliant Carmine, HELIOGEN Blue, HOSTAPERM Blue, NEOPAN Blue, PV Fast Blue, CINQUASSI Green, HOSTAPERM Green, dióxido de titânio, cobalto, níquel, pó de ferro, SICOPUR 4068 F e óxidos de ferro, tais como MAPICO Black (Columbia) NP608 e NP604 (Northern Pigment), BAYFERROX 8610 (Bayer), M08699 (Mobay), TMB 100 (Magnox), misturas dos mesmos e semelhantes.

O colorante, de preferência colorante de negro-de-fumo, ciano, magenta e/ou amarelo é incorporado em uma quantidade suficiente para conferir a cor desejada ao toner. Em geral, o pigmento ou corante é empregado em uma quantidade oscilando de cerca de 2% a cerca de 35% em peso das partículas de toner em uma base de sólidos, de preferência de cerca de 5% a cerca de 25% em peso e, mais preferivelmente, de cerca de 5 a cerca de 15% em peso.

Naturalmente, como os colorantes para cada cor são diferentes, a quantidade de colorante presente em cada tipo de toner colorido é, tipicamente, diferente. Por exemplo, em modalidades preferidas, um toner ciano pode incluir cerca de 3 a cerca de 11 % em peso de colorante (de preferência, Pigment Blue 15:3 da SUN), um toner magenta pode incluir cerca de 3 a cerca de 15% em peso de colorante (de preferência Pigment Red 122, Pigment Red 185 e/ou misturas dos mesmos), um toner amarelo pode incluir cerca de 3 a cerca de 10% em peso de colorante (de preferência Pigment Yellow 74) e um toner preto pode incluir cerca de 3 a cerca de 10% em peso de colorante (de preferência negro-de-fumo).

Além do aglutinante polimérico de látex e do colorante, os toners da presente invenção também podem, opcionalmente, conter uma cera, tipicamente proporcionada em uma dispersão de cera, dispersão de cera a qual pode ser de um único tipo de cera ou uma mistura de duas ou mais ceras diferentes. Uma única cera pode ser adicionada às formulações de toner, por exemplo, para melhorar propriedades do toner em particular, tais como formato das partículas de toner, presença e quantidade de cera sobre a superfície das partículas de toner, carga e/ou características de fusão, brilho, extração, propriedades de offset e semelhantes. Alternativamente, uma combinação de ceras pode ser adicionada para proporcionar propriedades múltiplas à composição de toner.

Quando uma dispersão de cera é usada, a dispersão de cera pode incluir qualquer uma das ceras convencionalmente usadas em composições de toner por agregação. Exemplos de ceras adequadas incluem, mas não estão limitadas a, polietileno, polipropileno, polietileno/amida, polietilenotetrafluoroetileno e polietilenotetrafluoroetileno/amida. Outros exemplos incluem, por exemplo, ceras de poliolefina, tais como ceras de polietileno, incluindo ceras de polietileno lineares e ceras de polietileno ramificadas e ceras de polipropileno, incluindo ceras de polipropileno lineares e ceras de polipropileno ramificadas: ceras de parafina; ceras de Fischer Tropsch; ceras de amina; ceras de silicone; ceras de mercapto; ceras de poliéster; ceras de uretano; ceras de poliolefina modificadas (por exemplo, uma cera de polietileno terminado em ácido carboxílico ou uma cera de polipropileno terminada em ácido carboxilico); ceras de amida, tais como ceras funcionalizadas de amida polar alifática; ceras alifáticas consistindo em ésteres de ácidos graxos insaturados hidroxilados; ceras com elevado teor de ácido, tais como ceras montana com elevado teor de ácido; ceras microcristalinas, tais como ceras derivadas da destilação de óleo bruto; e semelhantes. Por ceras com elevado teor de ácido entenda-se um material de cera que tem um elevado teor de ácido. As ceras podem ser cristalinas ou não-cristalinas, conforme desejado, embora ceras cristalinas sejam preferidas nas modalidades. Por ceras poliméricas cristalinas entenda-se que um material contendo cera contém uma série ordenada de cadeias poliméricas dentro de uma matriz polimérica que pode ser caracterizada por uma temperatura de transição de ponto de fusão cristalina, Tm. A temperatura de fusão cristalina é a temperatura de fusão dos domínios cristalinos de uma amostra de polímero. Esta está em contraste com a temperatura de transição de vidro, Tg, a qual caracteriza a temperatura na qual a cadeia polimérica começa a fluir das regiões amorfas dentro de um polímero.

Para incorporar a cera no toner, é preferível que a cera esteja na forma de uma ou mais emulsões aquosas ou dispersões de cera sólida em água, onde o tamanho de partícula da cera sólida usualmente está na faixa de cerca de 100 a cerca de 500 nm.

Os toners podem conter a cera em qualquer quantidade, por exemplo, de cerca de 3 a cerca de 15% em peso do toner, em uma base seca. Por exemplo, os toners podem conter de cerca de 5 a cerca de 11% em peso da cera.

Além disso, os toners também podem, opcionalmente, conter um coagulante e um agente de fluxo, tal como sílica coloidal. Coagulantes opcionais adequados incluem qualquer coagulante conhecido ou usado na técnica, incluindo os coagulantes bem conhecidos cloreto de polialumínio (PAC), sulfossilicato de polialumínio (PASS), sulfato de alumínio, sulfato de zinco, alume, cloreto dialquila benzenoalquil amônio, pequenas aminas orgânicas, tais como 2-metil-1,5-pentanodiamina, cloreto de alumínio, sulfato de magnésio, cloreto de magnésio, sulfato de potássio-alumínio, acetato de zinco, misturas dos mesmos e semelhantes. O coagulante está presente nas partículas de toner, excluindo os aditivos externos e em uma base em peso seco, em quantidades de 0 a cerca de 3% em peso das partículas de toner, de preferência de cerca de mais de 0 a cerca de 2% em peso das partículas de toner. O agente de fluxo, se presente, pode ser qualquer sílica coloidal, tal como sílica coloidal SNOWTEX OL/OS. A sílica coloidal está presente nas partículas de toner, excluindo os aditivos externos e em uma base em peso seco, em quantidades de 0 a cerca de 15% em peso das partículas de toner, de preferência de cerca de mais de 0 a cerca de 10% em peso das partículas de toner.

O toner também pode incluir aditivos de carga positiva ou negativa conhecidos adicionais em quantidades adequadas eficazes, por exemplo, de cerca de 0,1 a cerca de 5% em peso do toner, tal como compostos de amônio quaternário, incluindo de haletos de alquil piridínio, bissulfatos, sulfato orgânico e composições de sulfonato, tal como divulgado na Patente U.S. N°. 4.338.390, tetrafluoroboratos de cetil piridínio, metil sulfato de diestearil dimetil amônio, sais ou complexos de alumínio e semelhantes.

Também, no preparo do toner por meio do procedimento de emulsão/agregação, um ou mais tensoativos podem ser usados no processo. Tensoativos adequados incluem tensoativos catiônicos, aniônicos e nãoiônicos.

Tensoativos aniônicos incluem dodecil-sulfato de sódio (SDS), dodecil benzeno sulfonato de sódio, dodecilnaftaleno sulfato de sódio, dialquil benzenoalquila sulfatos e sulfonatos, ácido abítico e a marca NEOGEN de tensoativos aniônicos. Um exemplo de um tensoativo aniônico preferido é NEOGEN RK disponível da Daiichi Kogyo Seiyaku Co. Ltda. (Japão) ou Tayca Power BN2060 da Tayca Corporation (Japão), que consistem primariamente em dodecil benzeno sulfonato de sódio.

Exemplos de tensoativos catiônicos incluem cloreto de dialquilbenzeno alquil amônio, cloreto de lauril trimetila amônio, cloreto de alquilbenzeno metil amônio, brometo de alquil benzil dimetil amônio, cloreto de benzalcônio, brometo de cetil piridínio, brometos de C₁₂, C15, C17 trimetil a14 mônio, sais de haleto de polioxietilalquilaminas quaternizadas, cloreto de dodecil benzil trietil amônio, MIRAPOL e ALKAQUAT, disponíveis da Alkaril Chemical Company, SANISOL (cloreto de benzalcônio), disponível da Kao Chemicals e semelhantes. Um exemplo de um tensoativo catiônico é SANISOL B50, disponível da Kao Corp., o qual consiste primariamente em cloreto de benzil dimetil alcônio.

Exemplos de tensoativos não-iônicos incluem álcool polivinílico, ácido poliacrílico, metalose, metil celulose, etil celulose, propil celulose, hidróxi etil celulose, carbóxi metil celulose, polioxietileno cetil éter, polioxietileno lauril éter, polioxietileno octil éter, polioxietileno octilfenil éter, polioxietileno oleil éter, monolaurato de polioxietileno sorbitano, polioxietileno estearil éter, polioxietileno nonilfenil éter, dialquilfenóxi (poli)etileno etanol, disponível da Rhone Poulenc Inc. como IGEPAL CA 210, IGEPAL CA 520, IGEPAL CA 720, IGEPAL CO 890, IGEPAL CO 720, IGEPAL CO 290, IGEPAL CA 210, ANTAROX 890 e ANTAROX 897. Um exemplo de um tensoativo não-iônico preferido é ANTAROX 897 disponível da Rhone Poulenc Inc., o qual consiste primariamente em etoxilato de alquil fenol.

Qualquer procedimento de emulsão agregação adequado pode ser usado na formação das partículas de toner por emulsão/agregação, sem restrição. Esses procedimentos incluem, tipicamente, as etapas básicas de processo de pelo menos agregação de uma emulsão contendo aglutinante, um ou mais colorantes, opcionalmente um ou mais tensoativos, opcionalmente uma emulsão de cera, opcionalmente um coagulante e um ou mais aditivos opcionais adicionais para formar agregados, subseqüentemente coalescência ou fusão dos agregados e, então, recuperação, classificação, opcionalmente lavagem e opcionalmente secagem das partículas de toner obtidas por emulsão agregação.

Um exemplo de um processo de emulsão/agregação/coalescência inclui, de preferência, formação de uma mistura do aglutinante de látex, dispersão de colorante, emulsão de cera, coagulante opcional e água desionizada em um vaso. A mistura é, então, agitada usando um homogeneizador até homogeneizada e, então, transferida para um reator (ou manti15 da no mesmo reator) onde a mistura homogeneizada é aquecida para uma temperatura, por exemplo, de cerca de 50°C e mantida nessa temperatura durante um período de tempo suficiente para permitir agregação das partículas de toner para o tamanho desejado. Uma vez que o tamanho desejado das partículas de toner agregadas seja obtido, o pH da mistura é ajustado de forma a inibir agregação adicional do toner. As partículas de toner são ainda aquecidas para uma temperatura, por exemplo, de cerca de 90°C e o pH diminuído de forma a permitir as partículas a coalescer e esferoidizar. O aquecedor é, então, desligado e a mistura no reator deixada esfriar até a temperatura ambiente, ponto no qual as partículas de toner agregadas e coalescidas são recuperadas e opcionalmente lavadas e secas.

Mais preferivelmente, após coalescência e agregação, as partículas são peneiradas a úmido através de um orifício de tamanho desejado de forma a remover as partículas de um tamanho muito grande, lavadas e tratadas para um pH desejado e, então, secas para um teor de umidade, por exemplo, de menos de 1% em peso.

Contudo, de acordo com a presente invenção, tais processos de emulsão/agregação convencionais e equipamento relacionado são modificados para proporcionar um método de produção e aparelho mais eficientes. Especificamente, o único reator convencionalmente utilizado para homogeneizar e subseqüentemente conduzir as primeira e segunda etapas de aquecimento e etapa de reagente, é substituído por um sistema com reatores múltiplos, opcionalmente com meios de aquecimento, resfriamento e/ou mistura interpostos entre os mesmos.

Conforme descrito acima, a etapa de agregação/coalescência em processos convencionais de emulsão/agregação geralmente inclui pelo menos quatro etapas, isto é, homogeneização, uma primeira etapa de aquecimento para agregação, uma segunda etapa de aquecimento para coalescência e uma etapa de resfriamento. Em tais processos de emulsão/agregação convencionais, todas essas etapas são conduzidas no mesmo reator, levando aos problemas acima descritos de elevada incrustação do reator, formação de partículas grossas e semelhantes.

Contudo, esses problemas podem ser abordados e minimizados através de uso de reatores múltiplos ao invés de um único reator para conduzir o processo de agregação/coalescência. Entre os reatores, meios de mistura, aquecimento e/ou resfriamento adequados podem ser proporcionados, para conduzir ou auxiliar nas operações reais de homogeneização, aquecimento e resfriamento, de modo que as condições de pasta fluida desejadas (mistura, temperatura) possam ser mais rapidamente proporcionadas no preparo das etapas reais de agregação e coalescência.

Em modalidades, pelo menos dois reatores são usados para conduzir o processo de agregação/coalescência. Em outras modalidades, pelo menos três ou mesmo pelo menos quatro reatores podem ser usados para conduzir o processo de agregação/coalescência. Onde dois reatores são usados, a pasta fluida de reação pode ser passada para frente e para trás entre os dois reatores, simulando eficazmente o uso de três ou quatro reatores. Alternativamente, três reatores podem ser usados para minimizar a passagem para frente e para trás entre dois reatores e, assim, liberando os reatores anteriores no processo para rendimento aumentado do processo. Nessa modalidade, pelo menos um dos reatores é usado duas vezes, tal como usando, em seqüência, o primeiro reator, o segundo reator, o terceiro reator e, então, reutilizando o primeiro reator. Uma outra alternativa é usar quatro reatores, onde nenhum reator é reutilizado no processo. Essas diferentes modalidades podem, assim, proporcionar alternativas ao projeto de processo, por exemplo, para maximizar o rendimento do processo, maximizar o espaço disponível e semelhantes.

O processo será agora descrito em maiores detalhes com referência à figura, embora deva ser compreendido que a figura representa apenas uma única modalidade e que a divulgação não está limitada à mesma. A figura ilustra uma modalidade de um arranjo com reatores múltiplos (três reatores) para as etapas de agregação/coalescência de um processo de emulsão/agregação.

Em uma primeira etapa, conduzida em um primeiro reator ou vaso de mistura 1, os vários componentes e aditivos opcionais são providos.

Assim, por exemplo, no primeiro reator podem ser providos, por exemplo, a emulsão ou dispersão de látex de partículas poliméricas primárias, uma dispersão ou emulsão de colorante, água desionizada ou outro solvente ou meio líquido, uma dispersão ou emulsão de cera opcional e quaisquer outros aditivos opcionais desejados, tais como tensoativos e semelhantes. Nessa modalidade, a quantidade de água desionizada adicionada para formar a pasta fluida pode ser qualquer quantidade convencionalmente usada em processos de emulsão/agregação. Alternativamente, a quantidade de água desionizada adicionada para formar a pasta fluida pode ser menor do que a quantidade normal, na medida em que ela seja suficiente para proporcionar um meio líquido suficiente para conduzir as etapas de mistura e homogeneização. A quantidade restante de água desionizada pode ser adicionada diretamente ao segundo reator e pré-aquecida, conforme descrito em detalhes abaixo.

De preferência, o primeiro reator 1 é mantido em torno da temperatura ambiente, tal como de cerca de 20 a cerca de 30°C ou é mantido em torno de 35°C ou menos. Essa temperatura pode ser mantida, por exemplo, através de controle adequado da atmosfera ambiente ou através de uso de qualquer dispositivo de aquecimento ou resfriamento adequado proporcionado com o reator 1, tal como uma camisa de aquecimento ou resfriamento (não mostrada). Uma vez que a mistura geralmente não cria grandes quantidades de calor, a operação de mistura conduzida no reator 1 geralmente não gera calor que requeira controle de temperatura adicional.

Uma vez adicionados ou fornecidos os componentes ao primeiro reator 1, os componentes são misturados ou agitados sob uma força cisaIhante elevada. Por exemplo, a agitação pode ser conduzida em qualquer dispositivo adequado, inclusive um Polytron. Naturalmente, os componentes acima podem ser adicionados ou fornecidos e misturados juntos tudo de uma vez, ou em diferente ordem, conforme desejado.

Após mistura ou agitação desejada e formação de uma pasta fluida ou durante tal mistura ou agitação, uma quantidade adequada de floculante ou coagulante é adicionada e misturada com a pasta fluida restante.

A pasta fluida é, então, descarregada do primeiro reator 1 para um segundo reator 2, através de um homogeneizador 5. Conforme usado aqui, o homogeneizador é qualquer equipamento adequado que permite a fragmentação mecânica de uma dispersão sólida fina (pasta fluida de toner) através de cisalhamento mecânico e hidráulico em elevada velocidade e qualquer equipamento semelhante que produza resultados similares. Muitas configurações de instrumentos diferentes podem ser especificadas para proporcionar níveis variados de mistura, cisalhamento e redução de tamanho de partícula, conforme é conhecido na técnica.

Em uma modalidade alternativa, o primeiro reator 1 e o homogeneizador 5 podem ser combinados em uma única unidade de processo. Nessa modalidade, os componentes da pasta fluida serão proporcionados, misturados e homogeneizados na mesma unidade de processo, antes de serem descarregados no segundo reator 2.

O segundo reator 2 é usado para conduzir a agregação das partículas poliméricas primárias, partículas colorantes e semelhantes na pasta fluida, em partículas agregadas com tamanho de toner. Esta agregação é, geralmente, conduzida em uma temperatura abaixo da temperatura de transição de vidro da resina polimérica. Em modalidades, o segundo reator 2 é aquecido a uma temperatura de cerca de 35 a cerca de 60°C para conduzir o processo de agregação. De preferência, no interesse de atingir objetivos tais como rendimento aumentado, menos geração de partículas grossas, menos incrustação no reator e semelhantes, o segundo reator 2 é préaquecido à temperatura de agregação desejada. Esse pré-aquecimento pode ser conduzido, por exemplo, através de pré-aquecimento do vaso do reator em si para a temperatura desejada, por exemplo, através de uso de qualquer dispositivo de aquecimento adequado, tal como uma camisa de aquecimento disposta em torno do reator (não mostrado). Esse pré-aquecimento pode ser conduzido, por exemplo, antes que a pasta fluida seja introduzida no segundo reator 2, tal como durante as operações que estão sendo conduzidas no primeiro reator 1. Além disso, o segundo reator 2 pode ser provido para incluir uma quantidade de água desionizada ou solvente (tal como a quantidade restante de água desionizada ou solvente mencionada acima) que normalmente seria incluída na mistura de reação em pasta fluida. Essa quantidade de água desionizada ou solvente contida no segundo reator 2 também pode ser pré-aquecida à temperatura de agregação desejada. Assim, quando a pasta fluida for carregada ao segundo reator 2 a partir do homogeneizador 5, a pasta fluida combinada terá uma temperatura maior e o aquecimento da pasta fluida combinada para a temperatura de agregação desejada será muito mais rápido.

Qualquer ajuste da temperatura, tal como aquecimento da pasta fluida combinada para a temperatura de agregação desejada, pode ser conduzido por qualquer meio adequado tal como, por exemplo, o aquecimento restante pode ser conduzido através de uma camisa de aquecimento convencional ou em torno do reator. Alternativamente, um meio de aquecimento, tal como um trocador de calor, pode ser interposto entre o homogeneizador e o segundo reator 2, para aumentar a temperatura da pasta fluida antes de sua introdução no segundo reator 2. Ainda, através de tal pré-aquecimento do segundo reator 2, o aquecimento de substancial da temperatura ambiente para a temperatura de agregação pode ser conduzido nessa modalidade em questão de minutos ou instantaneamente, ao invés de ao longo de um período de uma hora ou mais, conforme requerido nos processos convencionais.

Esse pré-aquecimento do segundo reator 2 permite uma operação de processo aperfeiçoada. Por exemplo, através de obtenção mais rápida da temperatura de agregação desejada, o desenvolvimento de partículas agregadas ocorre mais rapidamente e em uma taxa mais uniforme, ao invés de começar em uma taxa lenta e aumentando com a taxa de desenvolvimento de partícula à medida que a temperatura é aumentada.

Após agregação desejada das partículas primárias, o processo de agregação é cessado e o processo de coalescência é iniciado. Esse pode ser conduzido através de descarga da pasta fluida do segundo reator 2 para o terceiro reator 3, de preferência através de um meio de aquecimento 6.

O terceiro reator 3 é usado para conduzir a coalescência das partículas com tamanho de toner agregadas formadas em partículas de to20 ner finais. Essa coalescência é geralmente conduzida em uma temperatura acima da temperatura de transição de vidro da resina polimérica. Em modalidades, o terceiro reator 3 é aquecido a uma temperatura de cerca de 60 a cerca de 120°C ou mais para conduzir o processo de coalescência. De preferência, no interesse de atingir objetivos tais como rendimento aumentado, menos geração de partículas grossas, menos incrustação do reator e semelhantes, o terceiro reator 3 também é pré-aquecido à temperatura de coalescência desejada. Esse pré-aquecimento pode ser conduzido, por exemplo, através de pré-aquecimento do vaso de reação em si para a temperatura desejada, por exemplo, através de uso de qualquer dispositivo de aquecimento adequado, tal como uma camisa de aquecimento disposta em torno do reator (não mostrada). Esse pré-aquecimento pode ser conduzido, por exemplo, antes que a pasta fluida seja introduzida no terceiro reator 3, tal como durante as operações que estão sendo conduzidas no primeiro reator 1 e/ou no segundo reator 2.

Ainda, para ajudar a minimizar o tempo requerido para aquecer a pasta fluida da temperatura de agregação à temperatura de coalescência, um meio de aquecimento pode ser interposto entre o segundo reator 2 e o terceiro reator 3. Esse meio de aquecimento pode ser usado, por exemplo, para elevar total ou parcialmente a temperatura da pasta fluida da temperatura de agregação para a temperatura de coalescência durante seu transporte entre o segundo reator 2 e o terceiro reator 3. De preferência, o meio de aquecimento eleva a temperatura da pasta fluida para a temperatura de coalescência ou dentro de cerca de 5 ou cerca de 10 graus da temperatura de coalescência mas, de preferência, sem exceder a temperatura de coalescência. Assim, quando a pasta fluida é carregada ao terceiro reator 3 a partir do segundo reator 2, a pasta fluida resultante terá uma temperatura maior e qualquer aquecimento adicional da pasta fluida combinada para a temperatura de coalescência desejada será muito mais rápido.

Nessa modalidade, qualquer meio de aquecimento adequado pode ser usado. Por exemplo, meios de aquecimento adequados incluem um trocador de calor, um aquecedor em linha e semelhantes.

Qualquer ajuste subseqüente da temperatura, tal como aquecimento da pasta fluida combinada para a temperatura de coalescência desejada, se necessário, pode ser conduzido através de qualquer meio adequado. Por exemplo, o aquecimento restante pode ser conduzido através de uma camisa de aquecimento convencional em torno do reator.

Este pré-aquecimento do terceiro reator 3 permite operação de processo aperfeiçoada. Por exemplo, para mais rapidamente alcançar a temperatura de coalescência desejada, a partícula de coalescência ocorre mais rapidamente e em uma taxa mais uniforme ao invés de partir de uma taxa lenta e aumentar a taxa de coalescência à medida que a temperatura aumenta a partir da temperatura de agregação até a temperatura de coalescência. Por exemplo, o aquecimento da temperatura de agregação até a temperatura de coalescência pode ser conduzida nesta modalidade em minutos, ou instantaneamente, ao invés de períodos de muitas horas como exigido nos processos convencionais.

A vantagem do uso de um segundo reator distinto 2 e um terceiro reator 3 é que a formação de partículas grossas e incrustação do reator são diminuídas. Em virtude do fato de um reator separado ser usado, as partículas agregadas que aderem à parede do segundo reator não são introduzidas na etapa de coalescência. Isto é, as partículas agregadas não estão presentes e, então, caem da parede na pasta fluida no terceiro reator e, assim, não são coalescidas junto com as partículas com tamanho de toner desejadas na pasta fluida. Ainda, em virtude do fato de as temperaturas de agregação e coalescência serem mais rapidamente obtidas, o desenvolvimento e coalescência das partículas são mais uniformes, resultando em partículas com um tamanho mais uniforme e também em menos partículas grossas.

Além disso, a incrustação do reator é significativamente reduzida. Em virtude do fato de as partículas agregadas que estão aderidas à parede no segundo reator ainda não serem aquecidas (tal como para a temperatura de coalescência), a incrustação pode ser muito mais facilmente removida da parede do reator. Por exemplo, ao invés de requerer tratamento prolongado com produtos químicos rigorosos, tal como tolueno, em temperatu22 ras extremas, a limpeza do reator pode ser conduzida usando um único enxágüe com água desionizada. A interrupção do processo, assim, é significativamente reduzida com um resultante aumento na produtividade de processo.

Após a coalescência desejada das partículas com tamanho de toner nas partículas de toner finais, o processo de coalescência é cessado. Esse processo pode ser cessado, por exemplo, através de diminuição da temperatura da pasta fluida para abaixo da temperatura de transição de vidro da resina polimérica. Isso pode ser conduzido através de descarga da pasta fluida do terceiro reator 3 para um quarto reator, mostrado na figura como reutilizando o primeiro reator 1, de preferência através de um meio de resfriamento 7.

O quarto reator (mostrado como primeiro reator 1) é usado para conduzir resfriamento das partículas de toner da temperatura de coalescência para substancialmente a temperatura ambiente. De preferência, o resfriamento compreendendo pelo menos redução rápida da temperatura da pasta fluida para abaixo de um ponto de fusão de qualquer cera contida nas partículas de toner, seguido por resfriamento adicional para a temperatura ambiente ou, de outro modo, para subseqüente processamento. Esfriar rapidamente ou temperar é desejado porque até a temperatura ser diminuída abaixo de um ponto de fusão de qualquer cera contida nas partículas de toner, a cera pode continuar a se mover dentro das partículas de toner à medida que a cera se cristaliza para formar saliências de cera sobre a superfície da partícula. Isso geralmente é indesejável e é, de preferência, minimizado para proporcionar partículas de toner de alta qualidade.

Geralmente, o resfriamento rápido reduz a temperatura da pasta fluida para cerca de 65°C ou abaixo ou cerca de 60°C ou abaixo e, de preferência, abaixo de um ponto de fusão de qualquer cera contida nas partículas de toner.

Para ajudar a minimizar o tempo requerido para esfriar ou resfriar a pasta fluida da temperatura de coalescência para a temperatura de resfriamento desejada, um meio de resfriamento 7 pode ser interposto entre o terceiro reator 3 e o quarto reator (mostrado como um primeiro reator 1). Esse meio de resfriamento pode ser usado, por exemplo, para diminuir total ou completamente a temperatura da pasta fluida da temperatura de coalescência para a temperatura de resfriamento desejada durante seu transporte entre o terceiro reator 3 e o quarto reator (mostrado como o primeiro reator 1). De preferência, o meio de resfriamento diminui a temperatura da pasta fluida da temperatura de coalescência para abaixo de um ponto de fusão de qualquer cera contida nas partículas de toner, tal como para cerca de 65°C ou menor. Contudo, em modalidades, o meio de resfriamento pode ser usado para reduzir a temperatura da pasta fluida adicionalmente, tal como da temperatura de coalescência para cerca de 50°C ou menos, tal como para cerca de 40°C ou menos ou mesmo para cerca de 30°C ou menos.

Nessa modalidade, qualquer resfriamento adequado pode ser usado. Por exemplo, resfriamento adequado inclui um trocador de calor, um refrigerador de tubulação e semelhantes.

Qualquer ajuste subseqüente da temperatura, tal como resfriamento adicional da pasta fluida para abaixo da temperatura ambiente, se necessário, pode ser conduzido por qualquer meio adequado. Por exemplo o resfriamento restante pode ser conduzido através de uma camisa de resfriamento convencional em torno do reator.

Esse resfriamento rápido ou quase que instantâneo da pasta fluida da temperatura de coalescência para abaixo de um ponto de fusão de qualquer cera contida nas partículas de toner permite operação aperfeiçoada do processo. Por exemplo, através de obtenção mais rápida da temperatura de resfriamento desejada, a coalescência da partícula é mais uniformemente cessada, ao invés de diminuição durante um período de tempo à medida que a temperatura é lentamente diminuída. Isso, por sua vez, proporciona um processo mais rápido, com um controle de tamanho de partícula mais preciso e uniforme. Adicionalmente, o resfriamento rápido impede ou minimiza a formação de saliências de cera sobre as superfícies das partículas de toner. Por exemplo, o resfriamento da temperatura de coalescência para abaixo de um ponto de fusão de qualquer cera contida nas partículas de toner pode ser conduzido nessa modalidade em questão de minutos, ou instantaneamente, ao invés de durante um período de cerca de uma hora, conforme requerido em processos convencionais.

Uma outra vantagem dos processos e sistemas da presente descrição é que a geração de partículas grosserias é evitada ou substancialmente impedida. Conseqüentemente, em modalidades, pode não ser necessário conduzir qualquer etapa de classificação subseqüente, tal como uma operação de peneiramento a úmido, para remover as partículas grossas.

Embora o processo e aparelho sejam descritos com relação à modalidade da figura em particular, será evidente e compreendido que a descrição não está limitada à modalidade da figura. Por exemplo, conforme descrito acima, modificações são abrangidas que incluem um número diferente de reatores separados. Da mesma forma, será evidente e compreendido que componentes adicionais não mostrados na figura podem ser prontamente usados, tais como, por exemplo, bombas, válvulas, orifícios de entrada e saída, aparelhos para monitoramento e controle de temperatura, misturadores e semelhantes. Tais modificações são, da mesma forma, abrangidas aqui.

Além disso, conforme será evidente e compreendido, qualquer uma ou todas as unidades do reator descritas acima podem incluir meios de mistura adequados, para manter a mistura apropriada dos componentes do reator. Embora não especificamente descrito acima, qualquer um ou todos dos primeiro, segundo, terceiro e/ou quarto reatores podem ainda incluir um misturador, conforme desejado.

Além disso, outras modificações no processo acima serão evidentes e compreendidas baseado em processos convencionais de emulsão/agregação. Assim, por exemplo, o processo acima pode ser prontamente modificado para permitir a adição de agentes para o controle de pH, usados em suas quantidades conhecidas para fins conhecidos, tal como controlar o pH para fins de controle das etapas de agregação e coalescência. Da mesma forma, o processo pode ser prontamente modificado, por exemplo, para permitir a adição de uma segunda quantidade de material monomérico, tal como na forma de uma emulsão de látex entre as etapas de agregação e coalescência, monômero adicional o qual, de outro modo, proporcionaria um envoltório em torno do exterior das partículas agregadas. Outras modificações também são consideradas e podem ser prontamente implementadas no presente processo.

As partículas de toner são, de preferência, feitas para terem as seguintes propriedades físicas quando nenhum aditivo externo está presente sobre as partículas de toner.

As partículas de toner têm, de preferência, uma área de superfície, conforme medido por meio do método BET conhecido, de cerca de 1,3 a cerca de 6,5 m²/g. Mais preferivelmente, para partículas de toner ciano, amarelo e preto, a área de superfície BET é menor do que 2 m²/g, de preferência de cerca de 1,4 a cerca de 1,8 m²/g e para toner magenta, de cerca de 1,4 a cerca de 6,3 m²/g.

Também é desejável controlar o tamanho da partícula de toner e limitar a quantidade de partículas de toner finas e grossas no toner. Em uma modalidade preferida, as partículas de toner têm uma distribuição de tamanho de partícula muito limitada com um menor desvio padrão geométrico da proporção numérica (GSD) de aproximadamente 1,15 a aproximadamente 1,30, mais preferivelmente aproximadamente menos de 1,25. As partículas de toner também têm, de preferência, um tamanho de modo que o desvio padrão geométrico máximo (GSD) em volume está na faixa de cerca de 1,15 a cerca de 1,30, de preferência de cerca de 1,18 a cerca de 1,22, mais preferivelmente menor do que 1,25. Esses valores de GSD para as partículas de toner de modalidades indica que as partículas de toner são feitas para terem uma distribuição limitada de tamanho de partícula. Também, em uma modalidade preferida, as partículas de toner têm um teor grosseiro, onde o volume% entre 12,00 e 50,00 mícrons é < 10%, de preferência < 5%.

O fator de forma também é um parâmetro de processo de controle importante associado ao toner sendo capaz de obter desempenho ótimo na máquina. As partículas de toner de modalidades têm, de preferência, um fator de forma de cerca de 105 a cerca de 170, mais preferivelmente de cerca de 110 a cerca de 160 SF1*a. Microscopia por exploração de elétrons (SEM) é usada para determinar a análise de fator de forma dos toners através de SEM e análise de imagem (IA) é testada. Os formatos médios de partícula são quantificados empregando a seguinte fórmula de fator de formato (SF1*a): SF1*a = 100 Kd²/(4A), onde A é a área da partícula e d é seu eixo principal. Uma partícula perfeitamente circular ou esférica tem um fator de forma de exatamente 100. O fator de forma SF1*a aumenta à medida que a forma se torna mais alongada ou semelhante à agulha.

As partículas de toner de modalidades têm, de preferência, uma circularidade de cerca de 0,930 a cerca de 0,990, mais preferivelmente de cerca de 0,950 a cerca de 0,980. Um sistema de medição denominado SYSMEX FPIA 2100 mede a circularidade, onde Circularidade da partícula = (perímetro de um círculo tendo a mesma área que a partícula/perímetro da partícula).

As partículas de toner de modalidades também têm, de preferência, um índice de Fluxo de Fundido de cerca de 12 g/10 minutos a cerca de 50 g/10 minutos, mais preferivelmente de cerca de 15 g/10 minutos a cerca de 35 g/10 minutos. Um indexador de Fundido é usado para determinar o índice de Fluxo de Fundido das partículas de toner usando condições, incluindo uma temperatura de 130°C e uma carga total (incluindo peso do pistão) de 5,0 kg. O tempo de equilíbrio será de seis minutos.

Além do precedente, as partículas de toner de modalidades também têm as seguintes propriedades reológicas e de fluxo. Primeiro, as partículas de toner têm, de preferência, os seguintes valores de peso molecular, cada um determinado através de cromatografia por permeação de gel (GPC), conforme conhecido na técnica. O aglutinante das partículas de toner tem, de preferência, um peso molecular médio ponderai, Mw, de cerca de 15.000 dáltons a cerca de 90.000 dáltons.

No geral, as partículas de toner nas modalidades têm, de preferência, um peso molecular médio ponderai (Mw) na faixa de cerca de 17.000 a cerca de 60.000 dáltons, um peso molecular numérico médio (Mn) de cer27 ca de 9.000 a cerca de 18.000 dáltons e uma MWD de cerca de 2,1 a cerca de 10. MDW é a proporção do Mw para o Mn das partículas de toner e é uma medida da polidispersividade, ou largura, do polímero. Para toners ciano e amarelo, as partículas de toner exibem, de preferência, um peso molecular médio ponderal(Mw) de cerca de 22.000 a cerca de 38.000 dáltons, um peso molecular numérico médio (Mn) de cerca de 9.000 a cerca de 13.000 dáltons e uma MWD de cerca de 2,2 a cerca de 3,3. Para toners preto e magenta, as partículas de toner exibem, de preferência, um peso molecular médio ponderal(Mw) de cerca de 22.000 a cerca de 38.000 dáltons, um peso molecular numérico médio (Mn) de cerca de 9.000 a cerca de 13.000 dáltons e uma MWD de cerca de 2 a cerca de 10.

Ainda, os toners de modalidades têm, de preferência, uma relação específica entre o peso molecular do aglutinante de látex e o peso molecular das partículas de toner obtidas após o procedimento de emulsão agregação. Conforme compreendido na técnica, o aglutinante sofre ligação reticulada durante processamento e a extensão de ligação reticulada pode ser controlada durante o processo. A relação pode ser melhor observada com relação aos valores de pico de peso molecular para o aglutinante. O pico molecular é o valor que representa o maior pico de peso molecular médio ponderai. Em modalidades, o aglutinante tem, de preferência, um pico molecular (Mp) na faixa de cerca de 23.000 a cerca de 28.000, de preferência de cerca de 23.500 a cerca de 27.500 dáltons. As partículas de toner preparadas a partir de tal aglutinante também exibem um elevado pico molecular, por exemplo, de cerca de 25.000 a cerca de 30.000, de preferência cerca de 26.000 a cerca de 27.800 dáltons, indicando que o pico molecular é acionado pelas propriedades do aglutinante ao invés de outro componente, tal como o colorante.

Outra propriedade dos toners de modalidades é a coesividade das partículas antes de inclusão de quaisquer aditivos externos. Quanto maior a coesividade, menos as partículas de toner serão capazes de fluir. A coesividade das partículas de toner, antes de inclusão de quaisquer aditivos externos, pode ser, por exemplo, de cerca de 55 a cerca de 98% para todas as cores do toner. A coesividade foi medida colocando-se uma massa conhecida de toner, dois gramas, por cima de um conjunto de três telas, por exemplo, com malhas de tela de 53 mícrons, 45 mícrons e 38 mícrons de cima para baixo e vibração das telas e do toner durante um tempo fixo em uma amplitude de vibração fixa, por exemplo, durante 90 segundos em uma amplitude de vibração de 1 milímetro. Um dispositivo para realizar essa medição é um Hosokawa Powders Tester, disponível da Micron Powders Systems. O valor de coesão do toner está relacionado à quantidade de toner restante sobre cada uma das telas ao final do tempo e é calculado pela fórmula: coesão% = 50*A + 30*B + 10*C, onde A, B e C são, respectivamente, o peso do toner restante sobre as telas de 53 mícrons, 45 mícrons e 38 mícrons, respectivamente. Um valor de coesão de 100% corresponde a todo o toner restante na tela superior ao final da etapa de vibração e um valor de coesão de zero corresponde a todo toner passando através de todas as três telas, isto é, nenhum toner restando sobre qualquer uma das telas ao final da etapa de vibração. Quanto maior o valor de coesão, menos fluidez tem o toner.

Finalmente, as partículas de toner têm, de preferência, uma densidade aparente de cerca de 0,22 a cerca de 0,34 g/cc e uma compressibilidade de cerca de 33 a cerca de 51.

As partículas de toner de modalidades podem, opcionalmente, ser misturadas com aditivos externos após formação. Quaisquer aditivos de superfície adequados podem ser usados. Mais preferidos são um ou mais de SiO₂, óxidos de metal tais como, por exemplo, TiO₂ e óxido de alumínio, e um agente lubrificante, tal como, por exemplo, um sal de metal de um ácido graxo (por exemplo, estearato de zinco (ZnSt), estearato de cálcio) ou álcoois de cadeia longa, tal como UNILIN® 700, como aditivos de superfície externos. Em geral, sílica é aplicada à superfície do toner para fluxo do toner, tribo-intensificação, controle de mistura, desenvolvimento aperfeiçoado e estabilidade de transferência e maior temperatura de bloqueio do toner. TiO₂ é aplicado para estabilidade aperfeiçoada à umidade relativa (RH), tribocontrole e revelação aperfeiçoada e estabilidade de transferência. Estearato de zinco é, de preferência, também usado como um aditivo externo para os toners, o estearato de zinco proporcionando propriedades de lubrificação. O estearato de zinco proporciona condutividade do revelador e tribointensificação, ambos em virtude da natureza do lubrificante. Além disso, o estearato de zinco proporciona maior carga de toner e estabilidade de carga através de aumento do número de contatos entre o toner e as partículas veículo. Estearato de cálcio e estearato de magnésio proporcionam funções similares. Mais preferido é um estearato de zinco comercialmente disponível conhecido como Zinc Stearate L, obtido da Ferro Corporation. Os aditivos de superfície externos podem ser usados com ou sem um revestimento.

Mais preferivelmente, os toners contêm, por exemplo, cerca de 0,1 a cerca de 5 por cento em peso de titânia, cerca de 0,1 a cerca de 8 por cento em peso de sílica e cerca de 0,1 a cerca de 4 por cento em peso de estearato de zinco.

As partículas de toner podem, opcionalmente, ser formulados em uma composição reveladora através de combinação das partículas de toner com partículas veículo. Exemplos ilustrativos de partículas veículo que podem ser selecionadas para mistura com a composição de toner preparada de acordo com a presente descrição incluem aquelas partículas que são capazes de obter, triboeletricamente, uma carga de polaridade oposta àquela das partículas de toner. Conseqüentemente, em uma modalidade, as partículas veículo podem ser selecionadas de modo a serem de uma polaridade negativa, de modo que as partículas de toner que são positivamente carregadas irão aderir a e em torno das partículas veículo. Exemplos ilustrativos de tais partículas veículo incluem ferro, ligas de ferro, aço, níquel, ferritas, incluindo ferritas que incorporam estrôncio, magnésio, manganês, cobre, zinco e semelhantes, magnetitas e semelhantes. Adicionalmente, podem ser selecionadas, como partículas veículos, veículos de níquel, conforme descrito na Patente U.S. N°. 3.847.604, a descrição total da qual é totalmente incorporada aqui por referência, compreendida de contas veículo nodulares de níquel, caracterizados por superfícies de recessos recorrentes e saliências, desse modo, proporcionando partículas com uma área externa relativamente grande. Outros veículos são descritos nas Patentes U.S. N^os. 4.937.166 e 4.935.326, as descrições das quais são totalmente incorporadas aqui por referência.

As partículas veículo selecionadas podem ser usadas com ou sem um revestimento, o revestimento geralmente sendo compreendido de polímeros acrílicos e metacrílicos, tais como metil metacrilato, copolímeros acrílicos e metacrílicos, com fluoropolímeros ou com monoalquila ou dialquilaminas, fluoropolímeros, poliolefinas, poliestirenos, resinas de fluoreto de polivinilideno, terpolímeros de estireno e um silano, tal como trietóxi silano, tetrafluoroetilenos, outros revestimentos conhecidos e semelhantes.

As partículas veículo podem ser misturadas com as partículas de toner em várias combinações adequadas. A concentração de toner é usualmente cerca de 2% a cerca de 10% em peso do toner e cerca de 90% a cerca de 98% em peso de veículo. Contudo, aqueles versados na técnica reconhecerão que diferentes percentuais de toner e veículo podem ser usados para se obter uma composição reveladora com as características desejadas.

Os toners de modalidades podem ser usados em métodos de formação de imagem eletrostatográficos conhecidos. Assim, por exemplo, os toners ou reveladores de modalidades podem ser carregados, por exemplo, triboeletricamente e aplicados a uma imagem latente opostamente carregada sobre um elemento de formação de imagem, tal como um fotorreceptor ou um receptor ionográfico. A imagem de toner resultante pode, então, ser transferida, quer diretamente ou via um elemento de transporte intermediário, para um suporte, tal como papel ou uma folha de transparência. A imagem de toner pode, então, ser fundida ao suporte através de aplicação de calor e/ou pressão, por exemplo, com um rolo fusor aquecido.

Pretende-se que os toners da presente descrição possam ser usados em qualquer procedimento adequado para formação de uma imagem com um toner, incluindo em outras aplicações que não aplicações xerográficas.

Um exemplo é apresentado aqui a seguir e é ilustrativo de diferentes composições e condições que podem ser utilizadas na prática da descrição. Todas as proporções são em peso, a menos que de outro modo indicado. Será evidente, contudo, que a descrição pode ser praticada com muitos tipos de composições e pode ter muitos usos diferentes de acordo com a descrição acima e conforme destaca-se aqui a seguir.

EXEMPLOS

Exemplo 1

Uma emulsão de látex é proporcionada contendo estireno/n-butil acrilato (proporção de 79:21 em peso), água e tensoativos. Uma emulsão de cera é proporcionada contendo POLYWAX® 725 em água. Também separadamente proporcionada é uma dispersão de pigmento de uma dispersão aquosa de pigmento Blue 15.3, obtida da Sun Chemicals. A dispersão de pigmento contém um tensoativo aniônico. O teor da dispersão de pigmento é de 26,5 por cento de pigmento, 2 por cento de tensoativo e 71,5 por cento de água.

Em um primeiro reator de 18,92 limos (5 galões), equipado com um agitador superior, são misturadas 37,6 partes em peso de uma emulsão de látex tendo um teor de sólidos de 42,66 por cento em peso, 13,7 parte em peso de uma emulsão de cera tendo um teor de sólidos de 18,28 por cento,

8,6 partes em peso de uma dispersão de pigmento tendo um teor de sólidos de 26,5 por cento e 40,1 partes em peso de água desionizada. A água adicionada a esse primeiro reator representa metade da quantidade total de água desionizada que seria comumente adicionada para tal processo de emulsão/agregação; o equilíbrio sendo adicionado separadamente a um segundo reator, conforme descrito abaixo. Os componentes são misturados com agitação em cisalhamento elevado com um misturador superior. A essa mistura, são adicionadas 3,2 partes em peso (dos conteúdos totais do reator) de uma solução coagulante consistindo em 10 por cento em peso de cloreto de (poli)alumínio (PAC) e 90% em peso de solução de HNO₃ a 0,02M.

Os conteúdos no reator são imediatamente descarregados do primeiro reator, através de um homogeneizador sob cisalhamento elevado, em um segundo reator. O segundo reator é pré-aquecido para cerca de 47°C e inclui a quantidade restante de água desionizada omitida do primeiro reator acima, também pré-aquecida para cerca de 47°C. Os conteúdos do segundo reator são continuamente misturados com um misturador superior e o reator é mantido em torno de 47°C durante 75 minutos, produzindo partículas de aproximadamente 5,0 mícrons e GSD em volume = 1,21 e substancialmente nenhuma partícula grossa.

Uma vez que o tamanho médio de partícula de 5,0 mícrons seja obtido, material cáustico é adicionado para cessar o desenvolvimento de partículas e os conteúdos do reator são imediatamente descarregados do segundo reator, através de um trocador de calor, para um terceiro reator. O terceiro reator é pré-aquecido para cerca de 97°C e o permutador de calor, de modo substancialmente instantâneo, aquece a pasta fluida e as partículas agregadas para cerca de 97°C antes de introdução no terceiro reator. Os conteúdos do terceiro reator são continuamente misturados com um misturador superior e o reator é mantido em torno de 97°C e a mistura resultante é, então, deixada coalescer durante 5 horas em uma temperatura de 97°C. A morfologia das partículas é uniforme e em formato de batata.

Em seguida, as partículas coalescidas no terceiro reator são imediatamente descarregadas do terceiro reator, através de um trocador de calor, de volta para o primeiro reator. O primeiro reator é mantido em torno da temperatura ambiente e o trocador de calor, de modo substancialmente instantâneo, esfria a pasta fluida e as partículas agregadas para cerca de 61 °C, antes de introdução no primeiro reator. Os conteúdos do primeiro reator são, então, esfriados à temperatura ambiente por meio de uma camisa de resfriamento integral.

O tamanho de partícula final após resfriamento, mas antes de lavagem, é de 5,98 mícrons, com uma GSD_vde 1,21. As partículas são lavadas com água desionizada em temperatura ambiente. O tamanho médio de partícula final das partículas secas é de 6,06 mícrons, com uma GSD_V = 1,20 eGSD_n = 1.25.

Em virtude de substancialmente nenhuma partícula grossa ser produzida durante o processo, uma etapa de peneiramento a úmido não é requerida antes das etapas de lavagem.

Será apreciado que várias das características e funções descritas acima e outras, ou alternativas das mesmas, podem ser desejavelmente combinadas com muitos outros sistemas ou aplicações diferentes. Também, que várias alternativas, modificações, variações ou aperfeiçoamentos presentemente não mencionados ou não previstos podem ser subseqüentemente feitos por aqueles versados na técnica, os quais também se destinam a serem abrangidos pelas reivindicações a seguir.

Claims (13)

1. REIVINDICAÇÕES

   1. Método de fabricação de partículas de toner caracterizado pelo fato de que compreende as etapas de:

   misturar uma emulsão de látex, uma emulsão de colorante, uma emulsão de cera opcional e aditivos opcionais em um primeiro reator (1) para formar uma pasta fluida;

   descarregar a pasta fluida do primeiro reator (1) para um segundo reator (2) através de um homogeneizador (5);

   aquecer a pasta fluida no segundo reator (2) para formar partículas agregadas na pasta fluida;

   descarregar as partículas agregadas e a pasta fluida do segundo reator (2) para um terceiro reator (3);

   aquecer as partículas agregadas e a pasta fluida no terceiro reator (3) para coalescer as partículas agregadas em partículas de toner;

   descarregar as partículas de toner e pasta do terceiro reator (3) para o quarto reator (1); e resfriar as partículas de toner;

   em que pelo menos dois reatores diferentes dentre o primeiro reator (1), segundo reator (2), terceiro reator (3) e quarto reator (1) podem ser usados.
2. 2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende classificar as ditas partículas de toner para remover as partículas grossas.
3. 3. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende lavar e secar as ditas partículas de toner.
4. 4. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que compreende ainda a etapa de aquecer as partículas agregadas e a pasta fluida do segundo reator (2) para uma temperatura de coalescência antes da introdução no terceiro reator (3) usando um dispositivo de aquecimento localizado entre o segundo reator (2) e o terceiro reator (3).
5. 5. Método, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo

   12/01/2018, pág. 4/11 fato de que o dispositivo de aquecimento é um trocador de calor.
6. 6. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que compreende ainda a etapa de resfriar as partículas de toner e a pasta fluida do terceiro reator (3) abaixo de uma temperatura de coalescência antes da introdução no quarto reator (1) usando um recurso de resfriamento localizado entre o terceiro reator (3) e o quarto reator (1).
7. 7. Método, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que o recurso de resfriamento é um trocador de calor.
8. 8. Método, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que a pasta fluida ainda compreende emulsão de cera e o dispositivo de resfriamento esfria as partículas de toner e a pasta fluida abaixo de um ponto de fusão da cera e abaixo de uma temperatura de transição vítrea de uma resina da emulsão látex.
9. 9. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a pasta fluida compreende ainda um coagulante.
10. 10. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que:

    o primeiro reator (1) é mantido em uma temperatura menor do que 30°C;

    o segundo reator (2) é mantido em uma temperatura de 35° C a

    60°C;

    o terceiro reator (3) é mantido em uma temperatura de 60° C a

    120°C; e o quarto reator (1) é mantido em uma temperatura menor do que

    65°C.
11. 11. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende as etapas de:

    fornecer uma pasta fluida compreendendo uma emulsão de látex, uma emulsão de colorante, uma emulsão de cera e aditivos opcionais em um primeiro reator (1);

    homogeneizar a pasta fluida através de um homogeneizador (5)
12. 12/01/2018, pág. 5/11 no primeiro reator (1);

    descarregar a pasta fluida do primeiro reator (1) para um segundo reator (2) pré-aquecido a uma temperatura de agregação;

    agregar as partículas na pasta fluida no segundo reator (2) para formar partículas agregadas na pasta fluida;

    descarregar as partículas agregadas e a pasta fluida do segundo reator (2) para um terceiro reator (3) através de um meio de aquecimento (6), em que o meio de aquecimento (6) aquece as partículas agregadas e a pasta fluida para uma temperatura de coalescência;

    coalescer as partículas agregadas na pasta fluida no terceiro reator (3) para formar partículas de toner; e descarregar as partículas de toner e a pasta fluida do terceiro reator (3) para um quarto reator (1) através de um meio de resfriamento (7), em que o meio de resfriamento (7) esfria as partículas de toner e a pasta fluida para uma temperatura abaixo de um ponto de fusão da cera

    12. Método, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que compreende classificar as ditas partículas de toner para remover as partículas grossas.
13. 13. Método, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que compreende lavar e secar as ditas partículas de toner.

    Petição 870180002934, de 12/01/2018, pág. 6/11

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    FIG 1