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복합기는、복사, 프린터(인쇄), 스캐너, 팩스 등의 다기능을 갖춘 기기에서、제한된 공간에서 복잡한 동작을 빠르게 수행、고정밀 문서를 단시간에 완료했습니다。이것을 가능하게 하는 것、전자 사진 공정이라고 하는 화상 형성 방법。

시장 문서에 대한 요구는 1990년대의 디지털화에 최첨단、컬러화、고화질화、온디맨드로 전환 중。근래는、세계적인 환경 의식이 증가함에 따라、복사기 및 프린터 분야에서도、CO₂배출 감소와 같은 환경 대응에 대한 요구가 점점 커지고 있습니다。

본고에서는、그 요구에 부응하기 위해 환경 대응형 토너용으로 개발한 「리사이클 폴리에틸렌테레프탈레이트(리사이클 PET) 함유 토너 바인더」의 기술 개요를 소개한다。

전자 사진 프로세스 및 토너

전자 사진 프로세스는 그림 1과 같이 ①대전→②노광→③현상→④전사→⑤정착→⑥클리닝이라는 공정으로 이루어져 있다。감광 드럼에 균일하게 전하를 부여한 후、이미지가 되는 부분에 빛을 조사하여 잠상을 형성、하전된 토너는 전기적으로 잠상에 부착、종이로 전사된 토너는、히트 롤러로 가열 및 가압됨으로써 용융、종이에 침투한 후、차가워서 고화하여 종이에 정착。모든 단계에서 토너 적합성이 요구됨。

토너는、대전 기능을 가진 수 μm 직경의 매우 작은 입자、그림 2와 같은 여러 성분으로 구성됨。

그 중에서도、토너 구성 성분의 80~90%는 토너 바인더(수지)、토너에서 바인더가 수행하는 역할은 크다。그 주요 역할은、종이에 정착성、대전성、첨가제(안료、왁스、하전 제어제 등)의 분산성、보존성、내구성 부여 등을 들 수 있다。복사기, 복사기 등의 고속화、고화질 등에 대응하기 위해、토너 바인더의 고기능화가 진행 중。

그 외의 구성 성분으로서、발색 성분으로서의 안료、정착 롤러에 녹지 않도록 왁스、토너의 안정적인 대전을 위한 하전제어제、토너의 분말 유동성과 세정성을 향상시키는 외첨제 등이 있다。

토너 바인더

토너 바인더、기본적으로 열가소성 수지라면 사용할 수 있습니다。그러나、종이에 정착성、수송시 보존성의 관점에서 연화점이 90~160℃、유리 전이점이 50~70℃인 것이 바람직하다。또、토너는 다양한 특성을 요구하기 때문에、그들을 만족할 수 있는 수지는 한정됨、현재는、스티렌 아크릴계 수지、폴리에스테르계 수지가 시장의 90% 이상을 차지한다고 합니다。

스티렌 아크릴계 수지는 왁스 분산성이나 분쇄성이 우수、대전 시 환경 의존성이 작다는 특징이 있습니다。한쪽、폴리에스테르계 수지는、스티렌 아크릴계 수지에 비해 보다 저온 정착이 가능、높은 경도、종이에 고정된 이미지의 긁기 강도면에서 우수함。또、극성이 높고 안료 분산성이 우수、광택도 나오기 쉽다는 특징도 있다、토너에 고화질 품위나 저온 정착이 요구되는 가운데 로투스 바카라에의 사용 비율은 해마다 증가하고 있다。

대표적인 폴리에스테르 수지의 구조 및 단량체를 도 3에 나타낸다。폴리에스테르 수지 중에서도、토너 바인더의 경우、대전 유지성이 높은 비정질 폴리에스테르 수지가 사용됨。

토너 환경 대응

에너지 절약에 대한 노력이 점차 중요시되고 있는 오늘、에너지 소비가 큰 토너 정착에、저온 정착화가 요구됨。전통、저온 정착을 달성하는 기술로서、토너 바인더의 유리 전이점과 연화점을 낮추는 검토가 이루어졌습니다。그러나、유리 전이점이나 연화점을 너무 낮추면、토너의 보존성이 악화되기 때문에、본 기술에 의한 저온 정착화에는 한계가 있었다。

이후、이러한 트레이드오프(과제)를 극복하는 기술로서 결정성 폴리에스테르 수지와의 병용 기술이 개발되었다。결정성 폴리에스테르 수지、그 융점에서 급격히 용융하여 저점도화(샤프 멜트화)하기、열 에너지가 적은 수지의 점도를 낮출 수 있습니다、정착 보조제로서 저온 정착성과 보존성을 보다 높은 수준으로 양립시킬 수 있게 했다。

또、추가 저온 정착을 실현하는 기술로서、코어에 저융점 수지를 사용하여 저온 정착성을 만족、그 외측을 고융점의 수지로 덮음으로써 보존성을 확보하는 캡슐 구조의 코어 쉘 토너가 개발되었다。이렇게、완전한 기능 분리 제어 기술에 의해 저온 정착성과 보존성의 양립이 이루어졌다。

근년、SDGs 달성、지구 온난화를 방지하기 위해 노력하는 기운이 높아지고 있음。토너에서도、추가 저온 정착에 추가、토너 바인더의 원료를 화석 연료 유래에서 전분과 같은 식물 유래 바이오 매스 원료 및 재활용 플라스틱 원료로 전환하는 등、추가 CO₂배출량 감소를 위한 개발이 각 제조업체에서 진행되고 있음。

우리도、재활용 플라스틱 활용(업사이클)、토너 성능과 환경 부하 저감을 양립시키기 위해 새로운 토너 바인더를 개발하고 있습니다。

재활용 PET를 이용한 토너 바인더 개발

우리가、토너 바인더용 원료로 주목한 재활용 플라스틱、사용한 PET。재활용 PET에 주목한 이유는、회수량이 안정적임、로투스 바카라와 동일한 폴리에스테르이기 때문에 에스테르 교환으로 수지 골격에 편입하기 쉬운 것을 들 수 있다。

재활용 PET를 토너 바인더로 업사이클하기 위한 포인트는、비정성화。재활용 PET는 융점이 약 260℃인 결정성 수지이다。그러나、결정질 폴리에스테르 수지、체적 저항값이 낮기 때문에 대전 유지력이 약하고 대전량이 시간에 따라 저하되기 쉽다。그런 수지를 토너 바인더에 사용하면 연속 인쇄시의 화질 안정성이 나빠지는 등의 문제가 있기 때문에、토너 바인더에는 대전 유지성이 높은 비정질 폴리에스테르 수지가 사용된다。게다가、분자량은 토너 바인더용 폴리에스테르 수지가 수천~수만 정도의 올리고머체인 것에 대하여、재활용 PET는 분자량이 수십만 내지 수백만 이상의 초고분자량체와 크게 다르다。이 재활용 PET를 무정형화하여 수지 골격에 통합하는 것이 중요합니다。

비정성화를 위해서는 결정화된 중합체 분자 사슬의 규칙적인 서열을 억제하는 성분(비결정성 성분)을 도입할 필요가 있다。도입할 비결정성 성분으로는、산성 성분 단량체와 알코올 성분 단량체 모두가 좋다、목적 및 용도에 따라 구분됨。일반적으로 도입되는 비결정성 성분을 늘리면 비정성화하기 쉬워지지만、토너 바인더 중 재활용 PET 비율이 낮아짐。재활용 PET 비율이 높아지도록、도입할 비결정성 성분의 종류를 선택하고 양을 조정해야 함。

그림 4와 같이、재활용 PET 함유 토너 바인더의 제조 공정、원료를 첨가하여 중합 및 에스테르 교환을 수행하지만、분자량 제어 및 기능 부여 등은 일반 토너 바인더와 유사하다。그 외에、재활용 PET의 업사이클에서、재활용 PET의 비결정화 및 이에 적합한 반응 조건(반응 온도)、반응 시간 등) 최적화 등을 수행 중。이러한 여러 요인을 동시에 제어하는 ​​기술은、우리가 지금까지 토너 바인더 개발에서 오랫동안 축적해온 많은 지식이 활용되고 있습니다。

이렇게 개발된 재활용 PET 함유 토너 바인더는、재활용 PET 비율을 50% 이상으로 설정할 수 있음。그 점탄성은 당사의 로투스 바카라와 거의 동등한 거동을 보였다(그림 5)。또、실제로 당사에서 토너화하여 평가한 결과、당사의 로투스 바카라를 사용하여 토너화한 경우와 동등한 저온 정착성을 확인할 수 있었다(그림 6)。

향후 일정

당사는、재활용 PET를 토너 바인더로 업사이클하는 기술 개발、50% 이상의 높은 재생재 비율과 저온 정착성의 양립을 달성할 수 있었다。본 개발 제품의 일반적인 수지 물성(유리 전이점、산가、분자량 등)은 일반 토너 바인더와 마찬가지로 제어 가능、사용자의 요구에 맞는 등급을 보유할 계획。복사기 제조업체 각 회사는 지구 환경 부하 저감을 위한 다양한 개발을 진행하고 있습니다、당사는 재활용 플라스틱이나 바이오매스 원료 등을 토너 바인더용 원료로 전환하는 기술 개발 등을 통해 각사의 환경 대응 노력에 공헌해 나가겠습니다。