基于天然油的化学碳粉的制作方法

专利名称：基于天然油的化学碳粉的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种化学碳粉(CPT)与合成该化学碳粉的方法。更具体地说，本发明公开了一种用于激光打印机、复印机及其他类似应用的基于天然油的化学碳粉，以及一种合成环境友好的、基于天然油的不饱和聚酯树脂的方法。
背景技术：
墨粉是一种基于聚合物的细粉，带有电荷或具有磁性。其广泛用于基于超过三十五年前发明的电子照相复印技术的激光打印机、复印机和传真机中。墨粉最初是作为粉末穿过这些电子照相复印设备，受热融化后，随着冷却而最终牢固结合在打印纸上。传统的墨粉通过混合诸如树脂、颜料、磁性氧化铁、蜡和电荷控制剂(CCA)这些组份，融化混合以形成糊状物来制备。该混合物通过挤压到冷却带上形成薄片或薄板进行冷却。然后，原始的墨粉由喷射式磨机或风扫式锤磨粉碎机制成球状，磨成颗粒尺寸被控制在一定范围内的细小粉末。显微镜下可见该过程产生了不同大小、锯齿状的墨粉颗粒。过大或过小的墨粉颗粒被滤除。压成细粉的粉末与添加剂混合调整流量和静电性能。颗粒大小对墨粉的性能影响较大。较好的尺寸与均匀的形状可更为精确地复制色彩，更高效地使用墨粉。更小的激光束点和更小的墨粉颗粒可获得更好的打印质量。传统过程中更小颗粒生产的能耗随颗粒尺寸的减小而提高。以化学法制造的墨粉，化学碳粉(CPT)也称作聚合墨粉。与传统墨粉相比，它具有以下优点，例如其制造过程简单，制造成本较低，能够在资金投资较少的制造厂中生产。此夕卜，通过能够生产具有更好的固定与色彩性能的更小更均匀的墨粉颗粒而提高打印性能。特别是通过乳化聚合过程，很方便地用乳化聚合物制作化学碳粉(CPT)。化学碳粉(CPT)的颗粒大小受反应条件控制，例如搅拌速度、表面活性剂的浓度、温度、添加剂的类型和添加顺序、核壳的组成等。此外，化学碳粉色剂具有更为一致的形状，能够提供更为鲜明的图像，可用于单色和彩色应用。由于化学碳粉(CPT)所具有的优势，三十多年前就已经开始对化学碳粉(CPT)制造的研究。所涉及的化学过程曾是直接合成碳粉的主要成分，即聚合物粘合剂，或更具体地说是碳粉树脂。用于制造碳粉树脂的聚合方法可以包括悬浮、分散、乳化和核壳或微囊法。合成化学碳粉(CPT)最常用的工艺是乳化聚合(EA)工艺，首先经乳化聚合制备一种聚合物。进一步地，向产生的乳化液中添加呈非常细小悬浮液状的其他所需成分，例如电荷控制剂(CCA)、蜡和颜料，以及水溶性的凝结剂或絮凝剂，温度被调整到接近聚合物的玻璃转变温度(Tg)，从而引起聚合物颗粒与其他组分的聚合，形成预期大小的颗粒。当搅拌维持在一定的速度时，温度上升较高，通常高于Tg，从而引起聚合的颗粒聚集成规则形状的圆滑颗粒。随后，温度降低，促使颗粒的固化。这些颗粒经洗涤和干燥后成为原始的碳粉，通 过最后一步添加剂混合形成最终的碳粉颗粒。许多化学碳粉(CPT)的制造工艺是基于乳化聚合(EA)的理念，其产物在先有技术中已申请专利，每项专利都具有即兴的方法和特点。例如，施乐(Xerox)公司的美国专利US5405728公开了一种通过乳化聚合(EA)技术制造的碳粉，其中抗衡离子的表面活性剂用于促进聚合作用形成碳粉颗粒。美国专利US6251556公开的是富士施乐(Fuji Xerox)公司的一项发明，描述了一种由粘结剂树脂制成的碳粉，具有在115°C或更高的温度下，在具有或不具有链转移剂的情况下，通过不饱和单分子或单分子混合物的乳状聚合获得的低分子量聚合体。美国专利US6942954也公开了一种乳化聚合(EA)工艺，包括在凝结剂的存在下加热磁性分散体、着色剂分散体、蜡分散体、第一种含有交联树脂的乳液和第二种含有无交联的树脂的混合物，以提供聚合体，用溶于基质内的硅酸盐稳定该聚合体，并进一步加热聚合体，提供联合的碳粉颗粒。美国专利US7344819于2004年11月24日提出申请，隶属于兄弟工业株式会社(Brother Kogyo Kabushiki Kaisha),公开了一种生产碳粉的方法,包括以下步骤将聚合物树脂与有机溶剂结合，获得一种油基溶液；将分散稳定剂与水结合，获得一种水基溶液；将两亲型表面活性剂添加到该水基溶液；在水基溶液中乳化油基溶液形成乳状液；将有机溶剂从该乳状液中移除，用于经乳化聚合(EA)过程生产墨粉。由于先前技术公开的现有化学碳粉(CPT)完全是由来自非可再生资源的石油化学制品制成，所以是不可持续的，需要本发明提供一种基于天然原材料生产的碳粉，例如天然油，特别是棕榈油。更具体地说，与来自100%的石油化学制品生产的化学碳粉(CPT)相t匕，使用基于棕榈油的不饱和聚酯树脂的方法是一种更为环境友好的方法，因为基于棕榈油的不饱和聚酯树脂可更容易地与其他单体共聚合。还需要提供一种天然衍生的产物，其成本更低，品质相当，减少了石油化学制品或有毒化合物等添加剂的使用，例如在碳粉合成中的蜡和电荷控制剂(CCA)。

发明内容
本发明的目的是为了提供一种来自天然油的基于不饱和聚酯的墨粉树脂，例如植物油或动物脂肪，尤其是环境友好的棕榈油。本发明的另一个目的是提供一种基于天然油的低分子量不饱和聚酯，具有一个-C=C-双键，允许与特定单体共聚合进行化学修饰，以产生具有化学碳粉(CPT)树脂所需性能的最终产品，具有良好的定影和平版印刷特性。本发明还有一个目的是为了研发一种利用来自天然油的聚酯合成化学碳粉(CPT)的方法，减少或排除对使用蜡作为碳粉组成添加剂的需要，也能够提供具有高度光泽度的碳粉颗粒。本发明还要提供一种合成化学碳粉(CPT)的方法，其方法简单，生产成本低廉，工厂投资成本低。此外，本发明优化了天然油的使用，例如棕榈油，作为生产有用产品的原材料，提供了这种天然产品商品化的另一种途径。本发明至少完全或部分实现了上述目的中的一个目的，其中本发明的一个具体实施例描述了一种基于天然油的化学生产的微粒碳粉，用于显示电子照相图像，包括一种由不饱和聚酯树脂与乙烯基单分子的乳化聚合生产的共聚物乳液，该聚酯树脂的分子量在500至30000之间，由多元羧酸、天然油或其衍生物和多元醇缩聚获得；一种着色剂和电荷、控制剂，与上述共聚物乳液混合；其中该混合物经絮凝剂处理诱导聚集，在共聚物的玻璃转变温度Tg以上温度进行热处理结合，形成所需尺寸的颗粒。在本发明的一个最佳实施例中，多元羧酸是指邻苯二酸酐、己二酸、富马酸、苹果酸、苹果酐或任意两个或多个物质的组合。天然油最好是棕榈油或其衍生物，选自棕榈油精、棕榈硬脂、棕榈仁油、羊蜡酸、月桂酸、肉豆蘧酸、油酸、棕榈酸、棕榈油酸、硬脂酸、亚油酸、亚麻酸或其中任意两个或多个物质的组合。多元醇是具有两个或多个羟基的化合物，例如甘油。根据另一种优选实施例，电荷控制剂(CCA)是一种铬、锌或铝或酚醛树脂的金属 复合体。本发明的另一个优选实施例公开了絮凝剂是聚合氯化铝(PAC)。碳粉所需尺寸大小在4至12微米之间，最好是5至8微米。本发明的另一个实施例是还包括一种添加剂的碳粉树脂。优选地，添加剂选择二氧化硅、金属氧化物、金属硬脂酸盐或其中任意两种或更多物质的组合。本发明的另一种实施例公开了一种化学生产基于天然油碳粉的方法，包括多元羧酸、天然油或其衍生物，以及多元醇进行缩聚反应形成分子量在500至30000之间的不饱和聚酯树脂；上述聚酯与一个或多个乙烯基单体通过乳化聚合作用共聚形成一种共聚物的乳化液；将该乳化液与着色剂和电荷控制剂混合；用絮凝剂处理该混合物，诱导聚集形成所需尺寸的颗粒；将混合物加热到共聚物的Tg温度以上，聚结颗粒；降低温度以固化这些颗粒。优选地，该方法还包括通过冲洗和干燥来纯化原始碳粉颗粒的步骤。此外，还包括将纯化的原始碳粉与二氧化硅、金属氧化物、金属硬脂酸盐或任意两个或多个物质组合等添加剂混合的步骤。基于天然油的不饱和聚酯的共聚作用能保证苯乙烯单体占丙烯酸单体更高比例的使用，而且，由于基于棕榈油的不饱和聚酯与苯乙烯单体的价格较丙烯酸单体更为便宜，从而降低了最终产品的成本。基于棕榈油的不饱和聚酯与苯乙烯和丙烯酸单体的共聚作用可导致分子量的分布具有多个峰，这意味着共聚物由分子量范围宽广的混合物组成，其中低分子量的部分具有良好的定影特性，高分子量的部分具有良好的胶版特性。还有一部分介于两者之间，平衡定影与胶版特性，获得具有容易加工处理和良好的印刷性能的化学碳粉(CPT)树脂。基于棕榈油的不饱和聚酯的掺入有另一种优点。聚酯本身具有某种需要的类似蜡的特性。因此，在碳粉最终的配方中无需使用其他蜡。基于天然油的聚酯为碳粉添加了更高的光泽度，从而获得更好的印刷质量。掺入基于棕榈油的聚酯的另一个优点是该结构可被预设为携带某种极性基团，例如羟基-0H，羧基-COOH和硫酸基-SO3H,这些基团能够加强碳粉的带电性能，从而减少最终碳粉配方中电荷控制剂(CCA)的使用。本领域的技术人员深知本发明能实现这些目的，获得所述结果与优势，及其固有特性。这里所描述的具体实施例并不限制本发明的范围。


为了便于更好地理解本发明，结合以下描述对优选实施例用附图的方式进行了说明，很容易理解和领会本发明的结构、操作与其众多优点。图I是本发明一个优选实施例中所描述的ー个聚酯(大分子单体M4)的1H NMR谱图，其中k，d，c，f，g和s代表共聚物结构中不同化学环境中的不同质子。图2为本发明的一个优选实施例中所描述的ー个聚酯(大分子単体M4)可能的结构，其中k，d, c，f，g和s代表图I所示1H NMR谱图内不同化学环境中的不同质子。图3是本发明的一个优选实施例中所述的ー个聚酯(大分子単体M2) (A)，苯こ烯与BA的共聚物⑶，以及M2、苯こ烯与BA的共聚物(C)的傅里叶变换红外光谱(FTIR)谱图。图4是本发明的一个优选实施例中所述的ー个聚酯(大分子単体M4) (A)，苯こ烯与BA的共聚物⑶，以及M4、苯こ烯和BA的共聚物(C)的傅里叶变换红外光谱(FTIR)谱图。
具体实施例方式本发明涉及ー种化学碳粉(CPT)及其合成方法。更具体地说，本发明公开了ー种基于天然油的化学碳粉(CPT)，用于激光打印机、复印机和其他类似设备，以及ー种合成该环境友好的基于天然油的不饱和聚酯树脂的方法。下文将根据本发明的具体实施例，并參考附图及其描述对本发明进行阐述。然而，可以想到，将描述局限于本发明的优选实施例和附图只是为了便于描述讨论，本领域的技术人员可以想到多种修改，这些修改仍在所附权利要求的范围内。本发明公开了ー种基于天然油的化学颗粒碳粉，用于发展电子照相成像，包括通过乳化聚合产生的不饱和聚酯树脂与こ烯基单体的共聚体的乳化液，其中聚酯树脂的分子量大概在500至30000之间，是由多元羧酸、天然油及其衍生物和多元醇之间的缩聚得到的；ー种着色剂和ー种电荷控制剂，与该乳化液混合；用絮凝剂处理该混合液，以诱导聚集，并通过在高于共聚物Tg以上的温度热处理而结合，从而形成所需尺寸的颗粒。本发明的特点是利用天然油合成聚酯，并入碳粉颗粒的合成。本发明用于缩聚的多元醇是ー种具有两个或多个羟基的化合物，尤其是来自植物油或动物脂肪的丙三醇。与优选实施例一致，多元羧酸是邻苯ニ酸酐、己ニ酸、富马酸、苹果酸、苹果酐或任意两个或多个物质的组合。优选地，天然油或其衍生物最好来源于棕榈油精、棕榈硬脂、棕榈仁油、羊蜡酸、月桂酸、肉豆蘧酸、油酸、棕榈酸、棕榈油酸、硬脂酸、亚油酸、亚麻酸或任意两个或多个物质的组合。在本发明的最佳实施例中，作为主要原料使用的天然油优选棕桐油及其衍生物。棕榈油或其衍生物包括棕榈油精、棕榈硬脂、棕榈仁油、羊蜡酸、月桂酸、肉豆蘧酸、油酸、棕榈酸、棕榈油酸、硬脂酸、亚油酸、亚麻酸。同样，其他天然油可包括油及其所有的游离脂肪酸衍生物。
在本发明中，使用高含量的天然材料合成环境友好的基于天然油的不饱和聚酯树月旨，借此天然原料的使用量占最终产品重量的40%至100%。虽然以使用棕榈油及其衍生物为例进行描述，但在总体组分中，基于棕榈油的聚酯树脂仍含有20%至80%以上重量的棕榈油及其衍生物。聚酯是在融合中缩聚制成，因此产物不含溶剂，并以液体的形式存在。基于棕榈油的聚酯可能结构的一个实施例可用以下反应式表示，其中聚酯树脂可由邻苯二酸酐、丙三醇、棕榈油和富马酸制成。
权利要求
1.一种基于天然油的化学碳粉，用于发展电子照相成像，其特征在于，该化学碳粉包括一种由不饱和聚酯树脂与こ烯基单体共聚形成的共聚物乳液；其中，该聚酯树脂分子量为500 30000，是通过多元酸、天然油或其衍生物及多元醇缩聚制得；与上述乳液混合的着色剂和电荷控制剂；向上述混合物中加入絮凝剂以诱导聚集，并通过在高于共聚物的玻璃转变温度以上的温度热处理结合，形成所需尺寸的颗粒。
2.根据权利要求I所述的碳粉，其特征在于，所述多元酸是指邻苯ニ酸酐、己ニ酸、富马酸、苹果酸、苹果酐或其中任意两个或多个物质的组合。
3.根据权利要求I所述的碳粉，其特征在于，所述天然油或其衍生物选择棕桐油精、棕榈硬脂、棕榈仁油、羊蜡酸、月桂酸、肉豆蘧酸、油酸、棕榈酸、棕榈油酸、硬脂酸、亚油酸、亚麻酸或其中任意两个或多个物质的组合。
4.根据权利要求1，其特征在于，所述多元醇是选择棕榈油、椰油、豆油、麻风子油、亚麻籽油、蓖麻油、油菜籽油、动物脂油、鱼油或其中任意两个或多个物质的组合。
5.根据权利要求I所述的碳粉，其特征在于，所述こ烯基单体是指苯こ烯、甲基丙烯酸甲酷、丙烯酸丁酷、丙烯酸、甲基丙烯酸或任意两个或多个组分组成。
6.根据权利要求I所述的碳粉，其特征在于，所述电荷控制剂是ー种铬、锌或铝或酚醛树脂的金属复合物。
7.根据权利要求I所述的碳粉，其特征在于，所述絮凝剂是指聚合氯化铝。
8.根据权利要求I所述的碳粉，其特征在于，所述的所需尺寸在4至12微米之间。
9.根据权利要求I所述的碳粉，其特征在于，所述的碳粉还包含ニ氧化硅，金属氧化物，金属硬脂酸盐或其中任意两种或多种物质的组合。
10.ー种化学合成基于天然油的碳粉的方法，其特征在于，该方法包括多元羧酸、天然油或其衍生物和多元醇缩聚形成分子量在500至30000之间的不饱和聚酯树脂；上述聚酯与一种或多种こ烯基単体共聚形成一种共聚物乳化液；将上述共聚物乳化液与着色剂、电荷控制剂混合；将絮凝剂添加至该乳化液混合物中， 以诱导聚集，形成所需尺寸的颗粒；将上述乳化液混合物的温度提高到共聚物的玻璃转变温度以上以结合粒子；降低温度以固化颗粒。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在干，所述多元羧酸是指邻苯ニ酸酐、己ニ 酸、富马酸、苹果酸、苹果酐或其中任意两个或多个物质的组合。
12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述天然油或其衍生物选择棕桐油精、 棕榈硬脂、棕榈仁油、羊蜡酸、月桂酸、肉豆蘧酸、油酸、棕榈酸、棕榈油酸、硬脂酸、亚油酸、 亚麻酸或其中任意两个或多个物质的组合。
13.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述多元醇是选择棕榈油、椰油、豆油、 麻风子油、亚麻籽油、蓖麻油、油菜籽油、动物脂油、鱼油或其中任意两个或多个物质的组ムロ o
14.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述こ烯基単体是指苯こ烯、甲基丙烯酸甲酷、BA、丙烯酸、甲基丙烯酸或其中任意两个或多个物质的组合。
15.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述电荷控制剂是指ー种铬、锌或铝或酚醛树脂的金属复合物。
16.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述絮凝剂是指聚合氯化铝。
17.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述的方法还包含纯化碳粉颗粒的步骤。
18.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述的方法还包含将纯化了的碳粉与 ニ氧化硅、金属氧化物、金属硬脂酸盐或其中任意两个或多个物质的组合混合的步骤。
全文摘要
一种基于天然油的化学碳粉，用于发展电子照相成像，该化学碳粉包括一种由不饱和聚酯树脂与乙烯基单体共聚形成的共聚物；其中，该聚酯树脂分子量为500～30000，是通过多元酸、天然油或其衍生物及多元醇缩聚制得。该碳粉树脂以乳化液形式与着色剂和电荷控制剂细悬浮液或乳化液混合，然后，加入絮凝剂诱导聚集，以形成所需尺寸的颗粒，然后，将温度提高到能产生结合以制备具有规则形状和圆滑表面的原始碳粉颗粒。该原始碳粉颗粒经水洗和干燥，加入适当的添加剂，制得化学碳粉的最终产品。
文档编号G03G9/08GK102640060SQ201080043185
公开日2012年8月15日 申请日期2010年6月1日 优先权日2009年9月24日
发明者颜醒农 申请人:加迪影像科技有限公司, 马来亚大学