Однокомпонентный немагнитный тонер с поверхностной добавкой наночастиц оксида кремния Текст научной статьи по специальности «Прочие технологии»

Панин Дмитрий Вячеславович, магистрант, dmessiah@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Киселева Екатерина Константиновна, магистрант, katya-

belka.kiseleva@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

PROBLEMS AND PROSPECTS OF PRINT ON DEMAND N.E. Proskuryakov, D. V. Panin, E.K. Kiseleva

The history of development of the Print-on-Demand is considered, and also assumptions of changes which can happen to it in the next future are provided. Advantages and press shortcomings on demand are analysed. It is shown when economically to resort for Print-on-Demand, and when there is no.

Key words: press on demand, analysis, circulation, advantages, shortcomings.

Proskuryakov Nickolay Evgenievich, doctor of technical sciences, professor, tppzi@,tsu.tula.ru, Russia, Tula, Tula State University,

Panin Dmitry Vyacheslavovich, master, dmessiah@yandex.ru, Russia, Tula, Tula State University,

Kiseleva Ekaterina Konstantinovna, undergraduate, tppzi@tsu.tula.ru, katya-belka.kiseleva@yandex.ru, Russia, Tula, Tula State University

УДК 655.392

ОДНОКОМПОНЕНТНЫЙ НЕМАГНИТНЫЙ ТОНЕР С ПОВЕРХНОСТНОЙ ДОБАВКОЙ НАНОЧАСТИЦ ОКСИДА

КРЕМНИЯ

М. А. Соловьёва, А.В. Ванников, А.В. Чуркин

Рассматривается проблема снижения адгезии тонера к проявляющему валику в однокомпонентной системе проявления с зазором. Основываясь на том, что адгезия тонера определяется электростатической силой, был разработан тонер с более низкой адгезией и было предложено теоретическое объяснение с учетом экспериментальных данных.

Ключевые слова: однокомпонентная электрографическая система проявления, адгезия тонера, фоторецептор, проявляющий валик.

Из множества существующих и коммерчески доступных однокомпонентных электрографических систем проявления одна представляет осо-

бенный интерес: система проявления с зазором. В этой системе немагнитный тонер преодолевает зазор между проявляющим валиком и фоторецептором только под действием постоянного электрического поля от скрытого электрографического изображения (СЭИ). Но в настоящее время коммерчески доступные однокомпонентные системы проявления используют или непосредственный контакт проявляющего валика с фоторецептором или дополнительно подается переменное высокочастотное напряжение на проявляющий валик.

Причина, по которой однокомпонентная система проявления с зазором не имеет комерческого успеха и не выпускается производителями хорошо извества: Кулоновские силы скрытого электрографического изображения намного меньше силы адгезии тонера к проявляющему вали-ку[1]. В существующих сейчас в продаже однокомпонентных системах проявления адгезии не играет значительной роли, так как при применение непосредственного контакта сила адгезии направлена в обе стороны частицы тонера.

Основным препятствием, которое необходимо преодолеть, чтобы сделать однокомпонентную систему проявления с зазором жизнеспособной, является снижение адгезии тонера к проявляющему валику.

Эксперименты показали, что фактическая адгезия в 10 раз выше теоретически рассчитанной с использование простой теории, когда заряд помещают в центр тонерной частицы [2, 3, 4]. В последнее время были сделаны большие успехи в области тонерной адгезии как экспериментально, так и теоретически [5, 6]. Основываясь на том, что адгезия тонера определяется электростатической силой, был разработан тонер с более низкой адгезией и было предложено теоретическое объяснение с учетом экспериментальных данных.

Было предложено использовать добавку частиц SiO2, но значительно уменьшить размер частиц до размеров наночастиц с тем, чтобы эти частицы покрывали поверхность частиц тонера. Предполагается, что это уменьшит количество точек контакта поверхности тонера с проявляющим валиком, что в свою очередь уменьшит силы адгезии тонера к проявляющему валику и будет способствовать облегчению отрыва частиц тонера в зоне проявления.

Теоретическое обоснование снижения адгезии.

В однокомпонентной немагнитной системе проявления с зазором электрическое поле переносит тонер с поверхности проявляющего валика на поверхность фоторецептора. Так в данной проявляющей системе не используется дополнительное переменное поле для снижения адгезии, то необходимо обозначить условия функционирования данной системы.

Чтобы система была эффективной, кулоновкие силы скрытого электростатического изображения QE должны быть больше адгезии тонера Fа

QE = QVL >Еа,

где Q это заряд тонера и Е электрическое поле скрытого электростатического изображения. Для рассматриваемых условий Е эквивалентно V, где V - разность потенциалов между скрытым электростатическим изображением и проявляющим валиком, деленная на Ь, зазор между фоторецептором и проявляющим валиком. Обычно в промышленном оборудовании эти значения У=700 В и L=150...400 мкм. В используемом оборудовании L=150 мкм.

Так как адгезия является распределенным параметром (много частиц с разным диаметром и зарядом), то её можно охарактеризовать с помощью теории интервала напряжения [7,8]. Интервал напряжения характеризует перенос тонера в однокомпонентной системе проявления.

На графике (рис. 1) на вертикальной оси - количество осажденного тонера на фоторецептор (М/А), а на горизонтальной оси - напряжение V при фиксированном зазоре Ь. Кривая, универсальная для любой однокомпонентной системы проявления, имеет пороговое напряжение, при котором начинается процесс переноса тонера с проявляющего валика на фоторецептор, затем растет, достигая напряжения насыщения, при котором весь тонер перенесен с поверхности проявляющего валика на фоторецептор. Интервал напряжения Vw определяется как разница между напряжением насыщения и пороговым напряжением. Напряжение насыщения V.; представляет максимальную адгезию тонера (которое приблизительно равно V, если пороговое значение мало). Максимальная сила адгезии тонера Fa(max) равняется заряду тонера на напряжение насыщения, деленное на зазор ¥а (тах) = QVs /Ь = QVw /Ь при том, что пороговое напряжение равно нулю.

ЛЛлл

V

Рис.1. Зависимость количества осажденного тонера на фоторецептор М/А от напряжения V при фиксированном значении зазора Ь

Условием эффективной работы проявлющей системы является условие, когда интервал напряжения Vw меньше напряжения V, обычно равного 700 В. При выполнении этого условия весь тонер переносится с поверхности проявляющего валика на фоторецептор. Следовательно для ра-

84

боты оборудоваия необходимое значение Vw=400 В (с запасом в 200 В на нестабильность процесса за счет климатических условий: влажность и температура), такое значение сейчас возможно получить на большинстве коммерчески доступных органических фоторецепторах. Это значение можно увеличить, если сделать фоторецептор тоньше, тогда станет допустимым использовать тонер с большей адгезией.

Из данных приведенных в литературе [2, 3], известно, что измеряемая адгезия современных тонеров значительно больше теоретически рассчитываемой. Ранее считалось, что такая большая адгезия связана с неоднородностью распределения заряда на поверхности частицы тонера.

Рассматривается тонерная частица, контактирующая с электропроводящей поверхностью. Тонерная частица имеет суммарный заряд Q, который распределен на K точках поверхности частицы тонера. Обычно предполагают, что сферически симметричное зарядовое распределение может быть эквивалентно представлено как точечный заряд, находящийся в центре сферы. Однако в ситуации, когда сферически симметричное зарядовое распределение находится в контакте с проводящей поверхностью, возникает дополнительная сила притяжения между локальным зарядом на тонере вблизи поверхности и зарядом на поверхности, генерируемым силами изображения. Сферическая симметрия исчезает, так как заряд на частице, близкий к проводящей поверхности тонера, перемещается в направлении к заряженной поверхности. В результате взаимодействия зарядов возникает дополнительная сила, которую можно назвать силой близости (proximity force). Расчет показывает, что ближайшие к контакту заряды, расположенные на частице тонера, генерируют силу близости

F - 4 1 Q2

р р 4ке§ Л2’

где Л - диаметр тонерной частицы, е0 - диэлектрическая проницаемость вакуума, диэлектрическая проницаемость тонера принята равной 1. Подчеркнем, что Q является суммарным зарядом тонерной частицы, а заряд в отдельной точке равен Q/К. Хотя количество заряда в каждой зарядовой точке небольшое, большая величина силы близости возникает из-за того что заряды, формирующие силу близости, находятся вблизи проводящей поверхности и сильно взаимодействуют с зарядами, генерируемыми силами изображения на поверхности. Кроме того, так как зарядов в точках близости много меньше, чем остальных зарядов на частице тонера, последние могут рассматриваться как заряд, помещенный обычным образом в центр сферы и взаимодействующий с равным, но противоположным зарядом в проводящей поверхности. Это дает силу взаимодействия

1 Q2

^ =___-__—

4Щ) Л2 .

Если имеется пр контактных точек, то суммарная сила электростатического взаимодействия

1 е2 4 1 е2

Р =------+ пр---------------^г

4ж£0 Л2 р 4ж£0 Л2

или для одного локального заряда

F =

2

4peo d 2

'і+АЛ

V PJ

С учетом силы ван-дер-ваальского взаимодействия, которое существенно меньше электростатического, суммарная сила взаимодействия

1 Q2 4 1 Q2 3

F -------Ц^ + np---------Ц- + n- wApR.

4Ж£0 d2 Р p 4ро d 2

Очевидно, что для большого количества таких точек контакта значение адгезии, получаемой в экспериментальных измерениях, велико. Следовательно, для того чтобы уменьшить электростатическую адгезию, необходимо уменьшить количество точек контакта. Для достижения такого эффекта предлагается использовать монослой наночастиц оксида кремния в качестве поверхностной добавки. Оксид кремния в качестве добавки применяется уже давно, но в небольших количествах для повышения сыпучести тонера в процессе хранения и транспортировки.

Для проведения эксперимента был выбран стандартный по составу (полимерная основа 91 %, пигмент 5 %, регулятор заряда 3,5 %, полимерный воск 0,5%) тонер для однокомпонентного немагнитного проявления с зазором. При выборе конкретной рецептуры тонера учитывалась возможность использования изготовленного тонера в реально существующем оборудовании.

Изготовление тонера проходило в лабораторных условиях механическим способом: на первом этапе сухие компоненты перемешивались с помощью скоростного смесителя; далее производилась гомогенизация смеси в расплаве в 2-шнековом экструдере; затем производилось измельчение тонера в струйной мельнице за счет соударения частиц под действием сжатого воздуха (7 атмосфер), в процессе измельчения была получина фракция от 0 до 15 мкм; потом используя цинтрифугу «классификатор» с набором вибросит выделились из смеси частицы размером 4...8 мкм; на последнем этапе «постмикс» вводились поверхностные добавки, используя смеситель с высокой скоростью оборотов (1500 об./мин).

Для определения точного размера частиц полученного тонера был использован анализатор Beckman Coulter Multisizer 4. Благодаря использованию принципа Культера, также известного как «технология электрически чувствительной зоны», анализатор Multisizer 4 COULTER COUNTER® обеспечивает представление результатов в виде зависимости количества частиц от размера (рис. 2). Как видно из распредления, диаметр частиц то-

нера составляет 7±2 мкм.

Размер частиц, мкм

Рис.2. Зависимость количества частиц тонера от размера

Введение поверхностной добавки в состав тонера происходит на последней стадии изготовления тонера в смесителе с высокой скоростью оборотов (1500 об./мин). Поверхностная добавка позволяет внести изменение в конечное значение заряд/масса, а также повысить другие эксплуатационные характеристики готового тонера.

При нанесении внешних добавок существуют 3 варианта: в первом случае, когда процент добавки очень маленький, частички добавки попадают только в углубление поверхности и, соответственно, не оказывают достаточного эффекта; во втором случае, когда добавки слишком много, велика вероятность того, что частицы не будут удерживаться на поверхности тонера и, облетая, будут попадать в технологические узлы и на поверхность фоторецептора, что может привести к повреждению и преждевременному старению поверхности фоторецептора; и в третьем случае, концентрация оптимальна, частицы покрывают поверхность тонера равномерно и достигается заданный эффект.

Для установления оптимальной концентрации введения добавки выберем диапазон от 0 до 4,3 весовых процента.

Синтез наночастиц оксида кремния (IV).

Для проведения эксперимента были синтезированы наночастицы оксида кремния (IV), или кремнезема, методом Штобера [9], заключающимся в гидролизе тетраэтилового эфира кремниевой кислоты в водном растворе этилового спирта в присутствии аммиака. Синтез проводится при комнатной температуре, перемешивание раствора проводится при помощи магнитной мешалки. На начальном этапе синтеза образуются зародыши оксида кремния. В дальнейшем происходит равномерное увеличение слоя оксида кремния за счет высоких скоростей перемешивания. Суспензии наносфер центрифугируются и промываются водой не менее 5 раз. Более подробно способ получения частиц выглядит следующим образом. К 50 мл абсолютированного этанола при интенсивном перемешивании добавляют

сначала 2,5 мл 28 %-ного водного раствора гидроксида аммония, а затем 1,5 мл тетраэтоксисилана. Реакцию ведут при комнатной температуре в течение 17 ч [9]. Диаметр полученных таким образом частиц по данным АСМ (атомный силовой микроскоп) составил 79...93 нм (86±7 нм).

Соотношение объемов:

Si(C2H5O)4: КН3: С2Н5ОН : Н20 = 2,9 : 0,3 : 37 : 10 .

Si(C2H5O)4+ Н20 Ш 3® siO21 + 4С2Н5ОН.

pH > 7, спиртовая среда.

Таким образом, было получено 1280 мг кремнезема.

Эффективность процесса проявления обычно оценивается путем определения количества осожденных на фоторецептор частиц тонера М/А (где М-масса частиц, А-площадь осождения) или получаемой при этом оптической плотности изображения D.

Эффективность главным образом зависит от соотношения Q/M (где Q - заряд частиц тонера, М - масса этих частиц)

Соотношение Q/M существенно зависит от времени перемешивания тонера при введении поверхностных добавок. Так, для используемого в эксперименте тонера значение Q/M до введения добавки составило -13 мкКул/г. При введении добавки использовали диапазон времени от 0 до 60 сек. По полученным данным была построена зависимость Q/M от времени (рис. 3).

Рис. 3. График зависимости Q/M от времени перемешивания для разных весовых концентраций добавки наночастиц оксида кремния

Из рис. 3 видно, что введение добавки в размере 0,5 % весовой концентрации дает незначительное увеличение Q/M -14 мкКул/г, кроме того, такая небольшая концентрация добавки не дает стабильного результата, что видно из графика: уже после 44 секунд перемешивания значение заряд/масса снова начинает падать. При увеличении концентрации до 1,1 % значение становится -21 мкКул/г, а при 2,2 % становится -25 мкКул/г. Та-

кое значение считается оптимальным для однокомпонентной немагнитной системы проявления с зазором. Кроме того, на практике в процессе изготовления тонера концентрацию поверхностных добавок более 2,5 % не используют, так как это вызывает их чрезмерный расход. Но для получения более достоверных результатов была взята концентрация 4,3 %. Как видно из графика, увеличение значения заряд/масса увеличиваетя на 2 единицы, что с учетом значительного увелечения расхода добавки неэффективно.

Итак, время перемешивания выбирается равным 35 с., после которого устанавливается постоянное значение заряд/масса.

Для определения адгезии полученных частиц тонера использовалась ультрацентрифуга. Исследовалась зависимость необходимой силы отрыва тонера (в наноньютонах) от введенной в рецептуру тонера поверхностной нанодобавки оксида кремния (в интервале от 0 до 4,3 весовых %).

Из графика (рис. 4) видно, что введение наночастиц значительно снижает силу отрыва, что подтверждает гипотезу об уменьшении силы отрыва тонера при введении нанодабавок оксида кремния путем снижения количества точек контакта тонера с поверхностью проявляющего валика. Также можно сделать вывод о необходимой концентрации добавки. Значительное уменьшение адгезии достигается при введение в рецептуру тонера 2,2 % наночастиц оксида кремния. Введение увеличенного количества (4,3 %) не приводит к значительному снижению адгезии.

80 70

& 60

ф

| 50

п

(В

5 40

10 о

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5

% весовые

Рис. 4. График зависимости силы отрыва тонера от введенной концентрации наночастиц оксида кремния

Полученный тонер пригоден для использования в однокомпонентной системе проявления с зазором. Значительное снижение адгезии позволяет использовать для переноса тонера с проявляющего валика на фоторецептор только постоянное поле без применения дополнительных узлов генерации переменного высокочастотного напряжения.

Список литературы:

1. Schein L.B. Electrophotography and Development Physics. (Laplacian Press, Morgan Hill, CA, 1996).

2. Hays D. A., Toner adhesion // J. Adhes. 51, 41 (1995).

3. Effects of silica additive concentration on toner adhesion cohesion, transfer, and image qualitym / B. Gady [et al.] // J. Imaging Sci. Technol. 43. 288-294 (1999).

4. Rimai D. S., Alexandrovich P. and Quesnel D. J. Effects of silica on the adhesion of toner to a composite photoconductor. 47. 1 (2003).

5. Schein L. B. and Czarnecki W. S. Proximity theory of toner adhesion // J. Imaging Sci. Technol. 48, 412 (2004).

6. Experimental verification of the proximity theory of toner adhesion / L. B. Schein [et al.] // J.Imaging Sci. Technol. 48, 417 (2004).

7. Imaging Sci. Technol. Iimura H. B. Gady [et al.]. 44, 457 (2000).

8. Hirayama J., Nagao T., Ebisu O., Fugkuda H., Chen I. 47, 9 (2003).

9. Stober W., Fink A., Bohn E. Controlled Growth of Monodisperse Silica Spheres in the Micron Size Range // J. Colloid Interface Sci. 26, 62 (1968).

Ванников Анатолий Вениаминович, д-р хим. наук, проф., заведующий лабораторией, Россия, Москва, Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрум-кина РАН,

Чуркин Александр Владимирович, канд. техн. наук., доц., зав. кафедрой, Россия, Москва, Московский университет печати им. Ивана Федорова,

Соловьёва Мария Александровна, аспирантка, директор по производству, Россия, Москва, ООО «Издательство Александра Козловского»

MONOCOMPONENT, NONMAGNETIC TONER WITH SURFACE SILICON OXIDE

NONAPARTICLES ADDITION

A.V. Vannikov, A.V. Churkin, M.A. Solovieva

This article is devoted to the problem of reducing the adhesion of toner to the developing roller in one-component system displays a gap. Based on the concept that toner adhesion is determined by the electrostatic proximity force, toners have been designed with much lower adhesion than available before and a theoretical explanation has been suggested to account for these data.

Key words: monocomponent electrophotographic development system, the toner adhesion, the photoreceptor, the development roller.

Vannikov Anatoly Veniaminovich, doctor of sciences, professor, head of laboratory, Rbssia, Moscow, A.N. Frumkin Institute of Physical Chemistry and Electrochemistry,

Churkin Alexander Vladimirovich, candidate of technical sciences, docent, head of chair, Russia, Moscow, Moscow University of Printing arts named Ivan Fedorov,

Solovieva Maria Alexandrovna, postgraduate, production director, Russia, Moscow, Ltd. Alexander Kozlovsky PUBLISHING HOUSE

УДК 678.681

АНАЛИТИЧЕСКИЙ МЕТОД ПРОЕКТИРОВАНИЯ КРАСОЧНОГО АППАРАТА ОФСЕТНОЙ ПЕЧАТНОЙ МАШИНЫ

Ю.В. Щербина

Предложен аналитический метод проектирования краскопитающего узла офсетной печатной машины, основанный на использовании математического аппарата векторной алгебры, который позволяет описать его динамические свойства в классе линейных многосвязных систем. Данный метод дает возможность получить вектор передаточных функций красочного аппарата, рассчитать статические и переходные характеристики всех каналов передачи краски и провести их частотный анализ с учетом непропорционального деления краски на печатной форме. Это позволяет получить существенную экономию материальных, финансовых и временных ресурсов за счет применения современной технологии модельно ориентированного проектирования для разработки данного вида сложной полиграфической техники.

Ключевые слова: офсетный красочный аппарат, коэффициент раската краски, передаточная функция, амплитудно-частотная характеристика.

Красочный аппарат является важнейшим технологическим узлом, динамические и статические свойства которого определяют качество офсетной печати [1]. Высокие требования к допустимым колебаниям толщины красочного слоя, в пределах 0,05 мкм, требуют постоянно совершенствовать конструкцию этого технологического устройства.

Красочный аппарат офсетной печатной машины представляет собой многосвязную динамическую систему [2], которая содержит от 10-12 раскатывающих пар в машинах рулонной печати или 16-18 пар в листовых печатных машинах. Каждая точка раската генерирует два красочных слоя, которые перемещаются по поверхностям раскатывающей пары и взаимодействуют с другими элементами красочного аппарата. В результате возникает необходимость анализировать большое число взаимодействий красочных слоев, которое, например, для 12 точек раската составляет величи-12

ну N = 2 = 4096. Такое число переменных нужно учитывать в уравнении

динамики самого простого серийного красочного аппарата, которое можно найти и проанализировать только с применением современного математи-