• Сервисный центр ООО «Техносфера»: ремонт электронного оборудования любого уровня сложности

Химические тонеры против традиционных

toner-0

или Сравнение характеристик тонеров, произведенных способом полимеризации и дроблением

Передовые технологии, лучшее качество и доступные цены — девиз современного производителя офисной техники и расходных материалов. Последние несколько лет бурное развитие переживают тонерные технологии, в частности увеличивается доля рынка химических тонеров. В высоком качестве новых тонеров смогли убедиться уже многие пользователи и специалисты офисной техники, а вот разобраться в преимуществах этой новой технологии удалось не всем. Из этой статьи вы узнаете о различных способах производства тонера, об их особенностях.

История вопроса

По способу производства различают два типа тонеров: традиционный дробленый тонер и химический полимеризационный тонер.

Большая часть тонеров до середины 90-х годов производилась смешиванием в расплаве. При этом методе регуляторы заряда, красящие вещества, модификаторы, и другие добавки распределяются в расплавленном полимере (полимерной матрице). За смешиванием компонентов в расплаве следуют охлаждение, дробление, измельчение, классификация и введение внешних добавок для повышения сыпучести тонерного порошка. При использовании традиционного метода размер частиц тонера оказывает значительное влияние на общую стоимость производства тонера.

С момента появления тонера в середине 1950-х годов наблюдалась постоянная тенденция к снижению размеров частиц. Средний размер частиц к 1980 году был около 13 мкм. В 1990-х годах размер частиц снизился примерно до 11 мкм. Сегодня размеры частиц составляют от 5 до 8 мкм.

Уменьшение частиц до размеров, приведенных выше, вызвало резкое увеличение стоимости производства тонера. Причины резкого повышения стоимости заключаются в экспоненциальном увеличении энергии, требуемой для пульверизации, и в уменьшении полезного выхода продукции при классификации. При классификации таких тонеров получается пониженный выход частиц требуемых размеров. Так, при выделении частиц размером 15, 11 7 мкм получаются выходы годного продукта 85, 70 и 50°о соответственно. При этом получаются частицы с большим диапазоном размеров (от 5 до 20 мкм) и с широким распределением по размерам — 1,4 — 1,7.

Для высокоразрешающего процесса необходимы размеры частиц 2 — 7 мкм с узким распределением по размерам (от 1,16 до 1,30). Однако уменьшение размера частиц тонера ниже определенного размера обычно меньше 5 мкм) ухудшает способность тонера к трибоэлектризации и затрудняет его удаление с фоторецептора и частиц носителя. Кроме того, трудно при малом размере обеспечить настолько равномерное распределение добавок по частицам, чтобы все частицы имели одинаковые свойства. Поэтому доля частиц тонера меньше 5 мкм строго регламентируется. Однако перечисленные проблемы уменьшаются при использовании тонера с очень узким распределением по размерам использовании эффективного регулятора заряда и получении равномерной дисперсии добавок в полимерной матрице. Д\я традиционных тонеров это труднодостижимо по перечисленным выше причинам, поэтому оптимальным размером частиц считается 6 — 7 мкм.

В настоящее время большой интерес представляют альтернативные методы производства тонера позволяющие синтезировать тонеры с равномерными по составу мелкими частицами. Они используют — полимеризационную технику in situ (синтез тонера в процессе полимеризации), по которой получается так называемый polymerized toner (полимеризационный тонер). Этим методом легко получаются мелкие тонеры с узким распределением по размерам, так как для формирования тонерных частиц используются эмульсии или дисперсии Этим путем возможно при рецептуре, такой же как у традиционного тонера, смешиваемого в расплаве изготовить мелкий тонер с хорошим диспергированием пигмента и добавок.

Способы производства химического тонера

Для производства химических тонеров используются эмульсионная или суспензионная полимеризация. Методы имеют свои достоинства и свои недостатки, поэтому выбор тонера зависит от ожидаемых его характеристик.

toner-1

Тонеры, полученные полимеризацией в суспензии (Nippon Zeon, Canon)

В суспензионном методе компоненты распределяют в жидкой смеси мономеров. Полученную смесь при интенсивном перемешивании смешивают с пятипроцентной водной дисперсией СаЗ(Р04)2, после чего проводят полимеризацию. Тонеры формируются сразу в виде сферических частиц. После выделения частиц, промывки и сушки тонер обрабатывают агентом для повышения сыпучести. Способ обеспечивает маленький размер частиц (6 — 6,5 мкм) с довольно узким распределе-нием по размерам, термозакрепление без фьюзерного масла и вследствие маленькой адгезии к фоторецептору повышенный коэффициент переноса тонерного изображения. Очевидно, что сферическая форма частиц приводит к высокой сыпучести тонерного порошка. Процесс производства тонера может быть сложным, использующим несколько стадий полимеризации для заключения материала с низкой температурой плавления в более тугоплавкую твердую оболочку. Это значительно улучшает термозакрепление. Внутрь капсулы входят все компоненты тонера, кроме внешних добавок к числу которых при необходимости, может быть отнесен регулятор заряда. Поскольку трибоэлектрическая зарядка — поверхностное явление, пигмент, включаемый внутрь оболочки, не влияет на зарядку.

Однако существуют ограничения в выборе мономеров для суспензионной полимеризации по причине возможного загрязнения поверхности эмульгаторами. Сферическая форма частиц может создавать проблемы в системах очистки с ракельным ножом, что приводит к исключению его из системы очистки фоторецептора. Интересная система очистки используется в копировальном аппарате Canon CLC 3200, в котором использован химический тонер. В принтере HP LJ 4500 успешно использованы многие из преимуществ полимеризационного тонера. Маленькие размеры частиц с узким распределением в полноцветной печати уменьшают проблемы, связанные наложением тонерных слоев. Например, если производитель тонера уменьшает размер частиц с 8 до 6 мкм, толщина красочного слоя уменьшается с более чем 5 мкм до приблизительно 3 мкм. Высокая текучесть тонера из-за большого количества заключенного в оболочке воска также уменьшает толщину наложения и позволяет использовать фьюзерную систему без масла.

Технология эмульсионной полимеризации/агрегации
(Avecia, Fuji Xerox, Konica, Mitsubishi)

Этот способ включает два процесса. Это полимеризация мономера с образованием частиц субмикронных размеров. Второй процесс — получение тонерных частиц, содержащих помимо полимера внутренние твердые компоненты: пигмент, воск, регулятор заряда и другие необходимые добавки. Способы эмульсионной полимеризации/агрегации, используемые разными фирмами, имеют различные технологические схемы. Но все эти способы включают коагуляцию — агрегацию мелких частиц, полученных с использованием эмульсионной полимеризации, в более крупные, имеющие размер, характерный для тонера. Рассмотрим два способа, включающих эмульсионную полимеризацию и агрегацию, но сильно различающихся между собой.

В способе, запатентованном фирмой Konica, пигмент и внутренние добавки диспергируют в воде с помощью эмульгатора, адсорбирующегося на поверхности этих частиц и формирующего мицеллу. Жидкие мономеры с инициатором полимеризации вводят в водную дисперсию в виде эмульсии с очень мелкими капельками. Полимеризация происходит на поверхности мицелл таким образом, что полимерные молекулы включаются в состав мицеллы. Образуются полимерные частицы, содержащие внутри себя пигмент и добавки. Далее в строго контролируемых условиях производят коагуляцию, во время которой образовавшиеся при полимеризации частицы образуют агрегаты. С помощью этого способа возможно получать частицы заданных размеров и заданной формы, что немаловажно для электрофотографического процесса. Было найдено, что оптимальным является фактор формы, равный 1,2— 1,3. При более высоких его значениях частицы механически неустойчивы и будут разрушаться при использовании в оборудовании. В копировальном аппарате Konica 7035 применяется полимеризационный тонер, полученный способом эмульсионной агрегации. Фирма заявляет, что новый аппарат имеет более высокое разрешение, резкость и улучшенную градацию по сравнению с предшественником, работающим на традиционном тонере.

Во втором способе, запатентованном фирмой Xerox, отдельно готовятся полимерный латекс и дисперсия твердых частиц пигмента и добавок. Частицы твердых компонентов и полимерного латекса заряжаются разноименно за счет использования различных ПАВ. При смешивании дисперсии с полимерным латексом происходит гетерокоагуляция — слипание частиц с разноименными зарядами, которое можно регулировать. Добавив на стадии коагуляции жидкий мономер, можно произвести его полимеризацию с формированием полимерной оболочки.

Эмульсионная полимеризация позволяет получать тонеры с узким распределением частиц по размерам, не нуждающиеся в классификации. Это видно из рис. 1, где приведены кривые распределения по размерам для полимери-зационного и дробленого тонеров.

После фильтрования, промывки и сушки все полимеризационные тонеры подвергаются обработке внешними добавками для повышения их сыпучести и предотвращения слипания частиц.

Сравнительная характеристика полимеризационного тонера с дробленым

В табл. 1 сопоставлены свойства полимеризационного тонера с традиционным тонером, смешиваемым в расплаве. Средний размер частиц обычного тонера с помощью классификации доведен до 7 мкм. Рецептуры обоих тонеров одинаковы, но в имеет более высокую скорость течения, по-видимому, из-за сферической формы частиц.

Свойство Полимерный тонер Тонер,
смешанный в расплаве
Плотность, г/мл 0,398 0,359
Сыпучесть, г/5 мин 4,06 5,9
Электрическое сопротивление, 10″ Ом/см 4,88 5,9
Мол. вес, 104 104
Мп 0,9 0,6
Mw 3,6 3,1
Заряд, мкКл/г -25 -20
Закрепляемость, (допустимый ДТ, °С) 130 — 220 130 — 210
Размер частиц, мкм 6,8 7,2

Электронно-микроскопические фотографии полимеризованного тонера и тонера, смешанного в полимеризационном тонере содержатся в очень не-большом количестве такие компоненты, как инициатор и диспергатор. Оба метода производства тонера (полимеризация и смешивание в расплаве) не различаются по фундаментальным свойствам получаемых тонеров. Исключение составляет сыпучесть тонеров. Порошок полимеризационного тонера в расплаве, показаны на рис. 2. Формы частиц разных типов тонеров различны. Полимеризационный тонер имеет сферические частицы с гладкой поверхностью, а обычный тонер имеет частицы неправильной формы с грубой поверхностью. Сферическая форма тонеров и гладкая поверхность, помимо благоприятности в отношении сыпучести, увеличивают срок жизни носителя. Сферическая форма также благоприятна для вторичной обработки тонеров. Тонеры обрабатывают тонкими неорганическими порошками для улучшения сыпучести и других технологических свойств. Сферическая форма тонеров и гладкая поверхность полимеризационных тонерных частиц увеличивают эффективность этой вторичной обработки, по-видимому, за счет равномерного осаждения мелких частиц порошковых добавок на тонерной поверхности.

toner-2

Качество изображения при использовании обоих типов тонеров было изучено на копировальном аппарате. На рис. 3 показаны увеличенные изображения, полученные с этими тонерами. Сравнение образцов копий показало, что полимеризационный тонер воспроизводит тонкие линии и маленькие точки с гораздо меньшей неровностью края и с меньшим утолщением, чем обычный тонер. Разница репродукционных возможностей может быть объяснена узким распределением заряда по частицам. Значительно более узкое распределение по величине заряда в проявляющем устройстве можно объяснить более тесным контактом между сферическим тонером и частицей носителя. Положительное влияние на равномерность заряда может оказывать и равномерный состав композиции.

toner-3 toner-4

Поскольку двухкомпонентный тонер нуждается в носителе, он проверялся на прочность в составе проявителя. Тонер смешивался с носителем из магнетита с силиконовым покрытием (в количестве 5% по весу). Проявитель проверялся при печати 2000 копий на изменение плотности изображения, заряда тонера и на количество остаточного тонера на фоторецепторе (рис. 4). Эти основные параметры, отражающие стабильность свойств полимеризованного тонера, оказались хорошими после печати 2000 копий. Диаграммы распределения заряда частиц до печати и после печати 2000-й копии показаны на рис. 5. Судя по рисунку, изменений при печати не произошло. То же можно сказать и об обычном тонере. Судя по тестам на механическую прочность, полимеризационный тонер не вызывает проблем, которые бы проистекали из способа его производства.

Электронно-микроскопические изображения однокомпонентного полимеризационного тонера приведены на рис. 6. Форма частиц тонера сферическая, как и в двухкомпонентном типе тонера. Поверхность частиц гладкая, и не ней незаметно пигмента-магнетита. Это может предотвращать высвобождение частиц магнетита из частиц при перемещении тонерных масс. Свободный магнетит может загрязнять фоторецептор и проявитель. Свойства полимеризационного однокомпонентного тонера показаны в табл. 2 в сопоставлении со свойствами однокомпонентного тонера, полученного смешиванием в расплаве.

Магнитное насыщение 33,97 32.300
Остаточная намагниченность 3,34 2
Коэрцитивная сила, Э (эрстед) 87,08 64.700
Плотность, г/мл 0,613 0.518
Сыпучесть порошка, г/5 мин 5,03 4,63
Электрическое сопротивление, 10° Ом/см 0,52 6,3
Молекулярный вес (10-4) Мп 1,7 0,5
Mw 16,9 17,6
Заряд, мкКл/г 18,5 20,4
Размер, мкм 8,8 10,3

Магнитные свойства двух тонеров сопоставимы из-за одинакового общего содержания магнетита в обоих образцах. Электрическое сопротивление полимеризационного тонера почти в 10 раз меньше, чем у тонера, смешанного в расплаве. Различия могут возникать из-за разной степени диспергирования магнетита в двух образцах тонера. Типичная техника смешивания не может обеспечить тонкую дисперсию магнетита в полимерной матрице тонера. Частицы магнетита имеют тенденцию коагулировать и образовывать островки в полимерной матрице. При производстве полимеризационного тонера частицы магнетита хорошо диспергированы в жидкой мономерной системе. Магнетит образует электропроводящую сетку внутри полимерной матрицы, что выражается в пониженном электрическом сопротивлении тонера.

Сыпучесть порошка в случае однокомпонентного полимеризационного тонера значительно не улучшается, как это наблюдалось для двухкомпонентного тонера. Как правило, однокомпонентные тонерные частицы имеют тенденцию вести себя, как маленькие отдельные магниты и прилипать друг к другу. Это свойство резко выражено, и оно компенсирует любые небольшие выигрыши в сыпучести, обусловленные сферической формой частиц.

На рис. 7 показаны тонерные изображения на фоторецепторе электрофотографического устройства. При использовании тонера, смешанного в расплаве, заметны вуаль на фоне и рваные края изображения. Полимеризационный тонер фактически не имеет разрывов изображения. Однако после переноса на бумагу в качестве изображения почти незаметно разницы. Возможная причина заключается в том, что тонер, смешанный в расплаве, содержит частицы с низким зарядом. Эти мало заряженные частицы прилипают к фоторецептору, но не переносятся на бумагу электрическим полем. Полимеризационный тонер более эффективно и равномерно заряжается при трибоэлектризации, чем обычный тонер. Тонерные частицы заряжаются при перемешивании в магнитной щетке. Сферическая форма помогает перемешиванию тонерных частиц в магнитной кисти, поэтому этот процесс значительно более эффективен при сферической форме частиц.

Выводы и заключения

Полимеризационный способ позволяет уменьшить число этапов производственного процесса получения тонеров с мелкими частицами. Большим его преимуществом является понижение стоимости тонеров. Полимеризационный тонер имеет некоторые полезные свойства, что повышает его потенциал среди электрофотографических тонеров. Большие успехи, достигнутые в производстве полимеризационных тонеров, и успешное использование этих тонеров в принтерах и копировальном оборудовании показывает, что у них большие перспективы.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *