CC BY
41
Тонеры:
современное состояние и перспективы развития
Е.А. Меньшикова*,
магистр группы ДТпп (цп)-5-1
Качество электрофотографической печати в первую очередь зависит от свойств тонера. А свойства тонера в свою очередь определяются композицией тонера, его размерами, зарядом частиц и дисперсии по характеристикам. К основным компонентам тонера относятся: полимер, пигмент, регулятор заряда, полимерный воск, добавка, повышающая сыпучесть тонера, другие добавки.
Тонеры различаются по типу использованного в них полимера, наиболее часто используют стирол-акриловые и полиэфирные полимеры.
В настоящее время наилучшие результаты при производстве тонеров дают полиэфиры, хотя стирол-акриловые полимеры по-прежнему используются.
Способы изготовления тонера
Свойства тонера во многом зависят от способа его изготовления. В настоящее время способы изготовления тонера можно разделить на две группы: физико-механические и химические. К первой группе относятся традиционный и прямой пульверизационный способы, а во второй группе основными являются способы, использующие суспензионную полимеризацию и сочетание эмульсионной полимеризации и агрегации, позволяющей получать частицы нужных размеров и формы.
Традиционный способ был единственным до конца 90-х годов. Он заключается в приготовлении тонерных композиций путем введения компонентов в расплав полимера с последующим дроблением и измельчением частиц и их классификация по размерам. При этом способе образуются частицы неправильной формы и с большой дисперси-
* Руководители — Р.М. Уарова, М.А. Соловьева
ей по характеристикам. С 2000 года в промышленности начали появляться химические тонеры, в которых тонерные частицы образуются в суспензиях и эмульсиях тонерных композиций в воде. Эти способы открыли новые перспективы в развитии тонеров. Однако традиционный способ продолжает развиваться, улучшая свойства тонера в направлении уменьшения дисперсии характеристик тонера и уменьшения стоимости тонеров с малыми размерами частиц.
Другой физико-механический способ (пульверизация) основан на способе образования капельных струй жидкой тонерной композиции с пьезоэлектрической стимуляцией каплеобразования. Принципиальная схема способа представлена на рис. 1 [1]. Это достаточно быстрый способ, получаются мелкие равномерные частицы тонера. Практическое применение пока неизвестно, но нами был найден целый ряд патентов, посвященных не только разработке этого способа, но и улучшению технологических свойств.
Рис. 1. Получение тонера пульверизационным способом
Жидкая тонерная композиция 10 хранится в устройстве 7, откуда она поступает в элемент, формирующий капли 2 по трубке 8А при помощи насоса 9. Элемент 2 представляет собой пластину с множеством отверстий. Трубка 8В предназначена для циркуляции тонерной композиции. После формирования капель происходит удаление растворителя в элементе, формирующем частицы тонера 3, с помощью газа для сушки тонера 35. Тонер Т собирается в части 4 и по трубке 5 потоком воздуха 42 поступает в контейнер для хранения 6.
Этот новый способ интересен тем, что может обеспечить высокую равномерность частиц при заданном размере.
Химический способ, использующий эмульсионную полимеризацию и агрегацию, дает наилучшие результаты при производстве тонеров на полиэфирной основе. Тонеры получаются из латексов и дисперсии компонентов нанометрических размеров, из которых при помощи коагуляции образуются микрометрические частицы тонера. Помимо латекса композиция может содержать «пре-полимер», что позволяет в процессе изготовления тонера проводить дальнейшую полимеризацию полиэфира [2].
Способ суспензионной полимеризации разработан достаточно давно, его использует ряд фирм (Canon, Zeon Corp. и др.). Описание способа можно увидеть в патенте Canon [3].
Плюсы этой технологии в том, что частицы получаются достаточно равномерными (различие максимум в 2 раза). Но круглые частицы могут вызвать трудности при ракельной очистке. Для решения этой проблемы стремятся к картофелеобразной форме, что достигается включением в технологию элемента агрегации.
Пути развития тонерных композиций
Пути развития касаются как состава и свойств тонера, так и его использования в оборудовании.
Внедрение тонеров в оборудование происходило постепенно. Вначале это были черные тонеры, затем цветные. До настоящего времени в цветном оборудовании самого высокого уровня High End используются традиционные тонеры. Впервые цветные химические тонеры начинают использовать машины Xerox DocuColor 1000 [4].
Развитие самих тонеров происходит путем разработки тонерных композиций и методов формирования частиц тонера. Активно развиваются полиэфирные тонеры. В качестве примера рассмотрим ЕА-тонеры (например, Fuji Xerox). Большое внимание уделяется смесе-вым тонерам (EA toner, EA-Eco toner, EA-HG toner, Eco-LGK toner) [5]. Использованием смесевых тонеров можно тонко регулировать их рабочие свойства [6]. Значительного улучшения свойств тонера добились путем одновременного использования аморфных и кристаллических полиэфиров [7]. Аморфные полиэфиры обладают всеми необходимы-
ми свойствами, кроме возможности получения ровных и гладких пленок. Получается грубая неравномерная пленка, отражающая соединенные вместе слипшиеся частицы. Для получения гладких и ровных пленок необходимы очень высокие температуры. Кристаллические полиэфиры имеют узкий температурный диапазон плавления, при попадании в который происходит формирование более жидкой и ровной пленки (рис. 2). Это приводит к образованию более тонких и прозрачных тонерных слоев. В сочетании с новыми пигментами, это привело к значительному увеличению цветового охвата новых ЕА-тонеров.
Сопоставление рис. 2, а и 2, б показывает, что в ЕА-тонерах последнего поколения присутствуют кристаллические полиэфиры.
Вязкость
Нижним предел вязкости, допустимый для термозакрепления
Верхний предел вязкости, требуемый для термозакрепления
Температура
выше
температура стеклования
температура горячего офсета, при которой начинается загрязнение фьюзерного валика
а
1.0ММ1
о
га о.
«1ММ
60
юо
120
140
Температура °С
б
Рис. 2. Вязко-эластические свойства ЕА-тонера и традиционного тонера (а) [5] и аморфного и кристаллического полиэфиров (б) [7]
Рис. 2 также иллюстрирует тенденцию к уменьшению температуры фиксирования и, следовательно, энергосбережению (Есо-тонеры).
При разработке тонеров особое внимание обращают на внешние добавки. Изучается использование добавок с нанометрическими размерами (20-30 нм) [8].
Помимо сказанного следует отметить, что появилась возможность регулирования глянца тонерного изображения в соответствии с бумагой [5].
Также уделяется внимание экологической безопасности тонера, которая идет по двум направлениям: с помощью уменьшения энергетических затрат на термозакрепление и при помощи использования полимеров растительного происхождения.
Было проведено исследование патентной активности по разработке новых тонеров. Оказалось, что такая работа ведется весьма энергично.
В подтверждение данного факта были рассмотрены патенты за последние 3 года (после Drupa 2008) в количестве 90 штук.
За каждый год было рассмотрено по 30 патентов. Выборка осуществлялась по наиболее актуальным и применимым патентам [9].
li-.i-.
Рис. 3. Количество патентов различных фирм за 2008, 2009 и 2010 гг.
Как видно из рис. 3, наибольшее количество патентов было зарегистрировано фирмами Canon, Xerox, Konica Minolta, Samsung, Zeon Corp.
При рассмотрении патентной технической литературы можно сказать, что работа над тонерами продолжается.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Yoshihiro Norikane, Shinji Aoki, Tetsuya Sonoda et al, Method of manufacturing a toner, device of manufacturing a toner, and toner, US Patent 2010/0055600 A1, priority: Japan 2008-224063, pub. date: Mar. 4, 2010.
2. Toshiki Nanya, Fumihiro Sasaki, Shinichiro Yagi et al, Development of a new polyester-based polymerization toner, IS&T': 2004 International Conference on Digital Printing Technologies, p. 143-147.
3. Toshiyuki Ugai, Kazumi Yoshizaki, Canon Kabushiki Kaisha, EP 0869 398 B1, заявлен 31.03.1998, опубликован 20.06.2001.
4. Jim Hamilton, Fuji Xerox announces new high-speed cut-sheet color press, 15.12.2009.
5. www.fujixerox.com/eng/company/technology/ea_eco
6. E.-H. Ryu, S.-Y. Kim, I.H. Kim et al, Eco-friendly prepared chemical toner with mixed polyester resin, NIP26 and Digital Fabrication 2010, p. 73-76.
7. Takashi Kubo, Eiji Shirai, Katsutoshi Aoki, Crystalline polyester for high durability, IS&T': 2004 International Conference on Digital Printing Technologies, p. 73-76.
8. H. Zhang, W. Ding, C. Cetinkaya, Effects of nanoparticle coverage on the adhesion propeties of emulsion aggregation toner particles, Journal of imaging science and technology - March/April 2010 - volume 54, issue 2, pp. 020501-(7).
9. http://www.google.com/patents
