автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Электрофотографические тонеры нового поколения с улучшенными характеристиками

а

На правах рукописи

""5059370

Соловьёва Мария Александровна

Электрофотографические тонеры нового поколения с улучшенными характеристиками

специальность 05.02.13 — Машины, агрегаты и процессы (печатные средства информации)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

1ВШ

й2Ш

Москва-2013

005059370

Работа выполнена на кафедре «Техника и технологии цифровой печати» федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный университет печати имени Ивана Федорова»

Научный руководитель: Ванников Анатолий Вениаминович

доктор химических наук, профессор

Официальные оппоненты: Кондратов Александр Петрович

доктор технических наук, профессор кафедры Материаловедения, Москва, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный

университет имени Ивана Федорова»

Фадейкина Ирина Николаевна

кандидат технических наук, доцент кафедры Химия, диохимия и космохимия, Дубна, ГБОУ ВПО Международный Университет природы, общества и человека «Дубна»

Ведущая организация:

ООО Научно-исследовательский фототехнический и технологический институт (ООО НИФТИ)

Защита диссертации состоится « 06 »_июня_2013 г. в _16_.00 на заседании

диссертационного совета Д 212.147.01 при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет печати имени Ивана Федорова» по адресу: 127550, г. Москва, ул. Прянишникова, 2а.

Автореферат разослан _алреля_ 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета .

Д 212.147.01 ур Л.

Д-р техн. наук, профессор Е- Д- Климова

Общая характеристика работы

Актуальность темы.

В последние годы цифровая печать переживает период бурного развития. Ежегодно на рынке появляются десятки новых принтеров и печатных машин. Современное состояние мировой экономики заставляет производителей цифрового оборудования заниматься вопросами снижение энергопотребления, при этом качество печати должно оставаться на высоком уровне, чтобы была возможность конкурировать с традиционными способами печати.

Одним из основных способов цифровой печати является электрофотография. Эта технология возникла в начале XX в. благодаря американскому изобретателю Ч. Карлсону, создавшему то, что сейчас называется классической электрофотографией - метод получения изображения, основанный на физических явлениях взаимодействия электростатических зарядов в полупроводниковых и диэлектрических материалах и средах. Процесс электрофотографической печати многостадийный. Стадия проявления очень важна, так как именно после неё скрытое электростатическое изображение становится видимым. Возможно применение различных технологий для проявления, однако, интерес представляет однокомпонентное немагнитное проявление с зазором.

В настоящее время в принтерах реализуется этот способ, но дополнительно применяется высокочастотное переменное электрическое поле для отрыва частиц тонера от проявляющего валика, что значительно усложняет систему вцелом. Например, в системе Xerox iGen3, ¡Gen4 на поверхности проявляющего валика находится тонкая проволока, на которую подается переменное электрическое напряжение для преодоления адгезии тонера.

Причина отсутствия принтеров, использующих для переноса только постоянное электрическое поле, хорошо известна: кулоновские силы постоянного электрического поля между скрытым электростатическим изображением и заряженными частицами тонера значительно меньше адгезии тонера к проявляющему валику, их недостаточно, чтобы оторвать тонер от поверхности проявляющего валика и перенести его на поверхность фоторецептора. Попытки создать такое оборудование существовали - Panasonic и система Moore, но они не были коммерчески успешными.

Основным препятствием, которое необходимо преодолеть, чтобы сделать жизнеспособной такую систему проявления, является снижение адгезии тонера к проявляющему валику. Эксперименты показали, что фактическая адгезия в 10 раз выше теоретически рассчитанной с использованием простой теории, когда

заряд помещают в центр тонерной частицы. В последнее время были достигнуты большие успехи в области уменьшения адгезии тонера, как экспериментально, так и теоретически [L. В. Schein, W. S. Czarnecki, В. Christensen, Т. Mu, and G. Galliford. Experimental verification of the proximity theory of toner adhesion. J.Imaging Sei. Technol. 2004. № 48. PP. 412-417].

Возможность исключить узлы, облегчающие отрыв тонера, позволит резко упростить строение электрофотографических (ЭФГ) устройств. Это является актуальной задачей для создания компактных и дешевых цветных электрофотографических принтеров.

Поэтому целью настоящей работы является установление возможности уменьшения адгезии тонера к проявляющему валику в однокмопонентной немагнитной проявляющей системе с зазором для последующего упрощения строения электрофотографического устройства и снижения его энергопотребления.

Решаемая научная задача заключается в создании на поверхности тонера монослоя наночастиц оксида кремния для уменьшения адгезии частиц тонера на поверхности проявляющего валика, что значительно упрощает конструкцию электрофотографического устройства и снижает его энергопотребление.

Для этого были решены следующие задачи:

• анализ опубликованных научных и патентных материалов в этой области;

• исследование адгезии тонера и возможности её снижения;

• анализ и выбор наноматериалов, пригодных для решения поставленной задачи;

• исследование свойств тонера и изучение его размерных характеристик;

• формирование тонерных смесей, пригодных для проведения экспериментов;

• изучение влияния времени введения нанодобавки в состав тонера;

• определение изменения адгезии при ипользовании тонера с разной концентрацией нанодобавки;

• изучение параметров отпечатков, полученных при использовании тонера с различными концентрациями добавки.

Научная новизна настоящей работы состоит в следующем:

• дано теоретическое объяснение снижения адгезии тонера на основании экспериментальных данных за счет уменьшения точек контакта тонера пр путем создания монослоя наночастиц оксида кремния на поверхности тонера;

• экспериментально установлена зависимость адгезионных свойств тонера на границе тонер-проявляющий валик от концентрации оксида кремния и условий его введения в состав тонера.

Практическая значимость заключается в том, что:

• определена необходимая концентрация наночастиц оксида кремния для снижения адгезии;

• установлены режимы введения добавки в тонер;

• доказана возможность использования разработанного тонера в системе проявления с зазором без дополнительного узла, генерирующего высокочастотное переменное электрическое поле.

Апробация работы проходила в виде докладов и обсуждений на зеседаниях кафедры ТиТЦП МГУП имени Ивана Федорова; научно-технических конференциях молодых ученых МГУП имени Ивана Федорова (2010 г., 2011 г.); на международной учебно-практической конференции в г. Каунас (Литва, 2010 г.).

Публикации.

По теме диссертационной работы опубликовано 4 научные статьи. В том числе две из них в изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объем диссертации.

Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, выводов и библиографического списка использованных источников. Общий объем работы составляет 136 страниц, включая 41 рисунок и 14 таблиц.

На защиту выносятся следующие положения:

• Определение режимных и рецептурных параметров ввода наночастиц оксида кремния в состав тонера как способа сокращения числа контактов тонера с проявляющим валиком и уменьшения адгезии тонера.

• Определение величины адгезии тонера к проявляющему валику для осуществления процесса проявления под действием кулоновких сил.

• Практическая реализация процесса печати в электрофотографическом оборудовании с отключенным узлом создания высокочастотного напряжения с использованием разработанного тонера и определение качества отпечатков

Личный вклад соискателя. Основные результаты и положения, выносимые на защиту, получены лично автором.

Содержание работы

Во введении дано обоснование актуальности работы, сформулированы ее цели и задачи, приведены положения, выносимые на защиту, определены научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе содержится литературный обзор по теме диссертации. Проведён анализ существующих способов проявления в электрофотографическом оборудовании. Однокомпонентное немагнитное проявление с зазором рассматривается как один из перспективных способов проявления для упрощения строения принтеров. Большое внимание уделено тонерам, использующимся в электрофотографическом оборудовании. Дан анализ способов производства тонера, их преимущества и недостатки, а также состав тонера и возможности его модификации. Перспективным направлением для модификации тонера является применение нанотехнологий, так как тонер является сложной многокомпонентной структурой и его размеры не привышают 10 мкм.

Во второй главе дано теоретическое обоснование возможности снижения адгезии тонера к проявляющему валику, а также приведены условия формирования тонерных смесей и изготовления наночастиц оксида кремния. Установлены оптимальные режимы введения добавки в тонер.

В однокомпонентной немагнитной системе проявления с зазором электрическое поле переносит тонер с поверхности проявляющего валика на поверхность фоторецептора. Чтобы система была эффективной, кулоновкие силы скрытого электростатического изображения £)Е должны быть больше адгезии тонера Ра:

0Е = 0^>Ра, (1)

где £? - 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, L - зазор между ФР и проявляющим валиком. Обычно в промышленном оборудовании эти значения соответствуют V=700B 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 интервала напряжения Vw(the voltage width). Интервал напряжения характеризует перенос тонера в однокомпонентной системе проявления.

Существует кривая зависимости количества осажденного тонера на фоторецептор (М/А) от напряжение V при фиксированном зазоре L. Эта кривая универсальна для любой однокомпонентной системы проявления, имеющей 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 Vw если пороговое значение мало. Максимальная адгезия тонера Fa(max) равняется Fa(max) = QVS/L = QVW/L, при этом пороговое напряжение равно нулю.

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

Установлено, что теоретически рассчитываемая адгезия современных тонеров значительно больше фактической адгезии. Для сравнения адгезии современных тонеров, в таблице 1 приведены данные, взятые из литературы (первые 4 столбца), и приведены расчетные интервалы напряжения. Проведено сравнение интервала напряжения для современных тонеров. Стоит обратить внимание, что интервал напряжения для разных тонеров, необходимый для отрыва и переноса тонера, составляет от 0 В до 4950 В и от 0 В до 14200 В. Такое напряжение невозможно получить ни на одном существующем в настоящее время фоторецепторе. Исходя из вышеизложенного, очевидно, что для того, чтобы однокомпонентная система проявления с зазором могла работать, необходимо снизить адгезию не менее чем на порядок. Также сделан вывод о необходимом интервале напряжения (0-400В) с учетом возможностей современных фоторецепторов.

Таблица 1 - Сравнение адгезии для современных тонеров и расчетных

интервалов напряжения

Диаметр Заряд/масса Адгезия Отношение адгезии vw

частиц, Q/M рассчитанная, измеренной к Интервал

рассчитанной напряжения

(мкм) (мкКул/г) (нН) (В)

10 12 6,6 45 0-14200

10 5 1,2 36 0-4950

7 21 68 29 0-10100

7 23 83 12 0-5160

Чтобы снизить адгезию, необходимо было выяснить, чем обусловлена такая большая разница между теоретически расчитанной и фактической адгезией.

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, которую можно назвать силой близости (proximity force) [L.B. Schein and W.S. Czamecki. J. Imaging Science and Technology. 2004 V. П48, N 5, PP. 417-44]. Расчет показывает, что ближайшие к контакту заряды, расположенные на частице тонера, генерируют силу близости Fp:

гр-г-4. о

к 4 xeq dz

где d - диаметр тонерной частицы, мкм, еа- диэлектрическая проницаемость вакуума, диэлектрическая проницаемость тонера принята, равной 1. 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. 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, генерируемым силами изображения.

Тогда суммарная сила взаимодействия будет складываться из силы взаимодействия и силы близости. Стоит отметить что, чем больше точек контакта пр, тем больше суммарная сила близости, и значение адгезии выражено как:

_ 1 (Я 4 1 Q2

F = ---Т + пр—л--Т (3)

dz я dL

Следовательно, для того чтобы уменьшить электростатическую адгезию, необходимо уменьшить количество точек контакта пр.

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 (до 0,1%) для повышения сыпучести тонера в процессе хранения и транспортировки.

Наночастицы были изготовлены методом Штобера, заключающимся в гидролизе тетраэтилового эфира кремниевой кислоты в водном растворе этилового спирта в присутствии аммиака. Диаметр полученных частиц по данным АСМ (атомно-силовой микроскопии) составил 86±7 им (рисунок 1).

Рисунок 1 - Распределение наночастиц оксида кремния по размеру (из данных

АСМ)

Для решения следующей задачи по формированию тонерных смесей был выбран стандартный по составу тонер для однокомпонентного немагнитного проявления с зазором. При выборе конкретной рецептуры тонера учитывалась возможность использования изготовленного тонера в реально существующем оборудовании.

Изготовление тонера происходило 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). Получена фракция с разбросом частиц от 0 до 15 мкм;

• потом были выделены из смеси частицы размером 4—8 мкм с использованием цинтрифуги классификатора с набором вибросит;

• на последнем этапе «postmix» были введены поверхностные добавки при помощи смесителя с частотой вращения 1500 об/мин.

Как видно на кривой распределения, которая была получена на анализаторе частиц Beckman Coulter Multisizer 4, диаметр частиц тонера составляет 7±2 мкм (рисунок 2). Размер полученных тонерных частиц удовлетворяет требованиям современной электрофотографической печати. Теоретически известно, что, чем меньше будет размер тонерной частицы, тем лучше будет воспроизведение штрихов на печати. Однако тонерные частицы размером меньше 5 мкм в процессе печати легко переходят в тонерное облако, которое, при попадании в организм человека, вызывает поражение легких. Существует возможность отфильтровывать воздух, но такие фильтры очень дороги и установка их в оборудование значительно повышает его цену.

1400 1200 1000

1800 I 600

и

§ 400 £

200 О

Применение тонерных частиц большего диаметра (больше 10 мкм) не позволяет получить отпечатки высокого качества и в настоящее время применяется только для создания специальных эффектов (имитация рельефного изображения).

Введение поверхностной добавки в состав тонера происходит на последней стадии его изготовления в смесителе с частотой вращения 1500 об/мин.

" ! Ж: i ¡Л ■eb 2013_10 -00_01 ТТ1С )2-1.#т 3

------у /

I- • — •

i

I jf----1

4 6 8 10 20 40

Размер частиц, мкм

Рисунок 2 - Кривая распределение частиц тонера по размеру

60

Эффективность процесса проявления обычно оценивается путем определения количества осажденных на ФР-частиц тонера, которое в свою очередь зависит от соотношения заряд/масса.

Было установлено, что на параметр заряд/масса влияет время перемешивания тонера, а также концентрация добавки. При введении добавки использовался диапазон времени от 0 до 60 с. Из данных, приведённых на графике (рисунок 3), видно, что введение добавки в размере 0,5% весовой концентрации дает незначительное увеличение заряд/масса (-14 мкКул/г) и не дает стабильного результата. Уже после 44 с перемешивания значение заряд/масса снова начинает падать.

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Ъс

Рисунок 3 - Зависимости С?/М от времени перемешивания для разных весовых концентраций добавки наночастиц оксида кремния

При увеличении концентрации до 1,1% значение становится -21 мкКул/г, а при 2,2% становится -25 мкКул/г. Такое значение сейчас применяется в электрофтографических принтерах с однокомпонентной немагнитной системой 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%.

Стоит отметить, что увеличение концентрации добавки почти в 2 раза (с 2,2 до 4,3%) дает лишь незначительное увеличение параметра заряд/масса на 2 единицы.

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

Для полученных частиц тонера была определена адгезия с помощью ультрацентрифуги. Исследовалась зависимость необходимой силы отрыва тонера от концентрации, введенной в рецептуру тонера поверхностной нанодобавки оксида кремния (рисунок 4).

80

70

К я 60

ее

& 50

к

о 40

н

ев

03

г 30

5 О 20

§

и 10

0

1.........г-..... —4— 1 —1„„ 1 ! — 1

— X 1 --- — —{—

--4..... V*! г — —

— — 1 1 > |

( ! г |

—^— ._!— V [ 1

>

— ( — --- --1--- ~Г™

Г~ ;

— - ..... — —

.....}-- .....; - .....[-•• | ....)..... ........ !

0,5

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

Концентрация, % весовые

4,5

Рисунок 4 - График зависимости силы отрыва тонера от введенной концентрации наночастиц оксида кремния

Из данных, приведённых на графике, видно, что введение наночастиц оксида кремния значительно снижает силу отрыва тонера, что подтверждает гипотезу об уменьшении адгезии тонера при введении нанодабавок оксида кремния.

В третьей главе описана методика стандарта КОЛЕС 13660:2001, разработанная для изучения качества черно-белых отпечатков, полученных

электрофотографическим способом. С помощью этой методики проведено сравнение качества отпечатков, полученных с различной концентрацией нанодобавки оксида кремния на принтере Xerox WorkCentre M15i с отключенным узлом создания дополнительного переменного высокочастотного напряжения, которое отвечает за отрыв тонера. Для печати был использован тонер с 3 концентрациями добавки наночастиц оксида кремния: 1,1%, 2,2% и 4,3%, что позволило подтвердить предыдущие выводы о необходимой концентрации добавки.

В соответсвии со стандартом ISO/IEC 13660 были определены следующие параметры отпечатков по предварительно отсканированным отпечаткам: величина размытия линий (таблица 2), величина геометрических искажений (таблица 3), наличие тонерной сыпи и пустот. С помощью программы Adobe Photoshop CS3 была измерена область меяеду 10% плотности и 90% плотности линии. Это расстояние было принято за область размытия. На тест-объекте были размещены линии известного размера. Изображение с помощью программы Photoshop было переведено в битовый формат с 50% порогом, после чего была измерена ширина линий, которая затем послужила для определения изменения геометрических размеров линий относительно оригинала. Тонерной сыпь считаются только частички размерем не менее 100 мкм находящиеся на расстоянии в 500 мкм от любого изображения на тест-объекте. Для подсчёта тонерной сыпи можно использовать или общую площадь всех частичек или отдельно количество частиц. Тонернай' сыпь представляет собой тонер, который по различным причинам оказался на незапечатанной поверхности. Наличие тонерной сыпи очень сильно ухудшает качество отпечатков.

Подсчёт ведётся в специальной области ROI (region of interest), которая по нормам, изложенным в стандарте ISO/IEC 13660, должна иметь площадь не менее 19,6 мм2 и минимальный размер по любой из сторон не менее 5 мм. Принимаем ROI размером 12,7 х12,7 мм. При проведении измерений таких областей выбирается не меньше трёх, что позволяет исключить погрешность, вызванную наличием на оттиске пыли или грязи, не связанных с печатным процессом.

Пустоты — это видимые белые пятна на сплошных запечатанных плашках. Пустотами считаются только пятна, имеющие размер не менее 100 мкм. Данные пустоты определяются на расстоянии 500 мкм от края изображения. Результаты представляются либо как сумма площадей всех пустот, либо как список пустот с площадями относительно ROI. Для точности измерения выбираются 3 области на плашках. Соответственно, чем больше будет пустот по количеству и по суммарной площади, тем хуже качество оттиска.

Таблица 2 - Величина размытия линий

1 2 3

Тип тонера Черная линия на белом фоне, мм Белая линия на черном фоне, мм

Печать с вкл. узлом 0,109 0,115

Тонерная смесь 1,1% 0,070 0,075

Тонерная смесь 2,2% 0,110 0,116

Тонерная смесь 4,3% 0,140 0,149

Из данных, приведённых в таблицах 1 и 2, видно, что тонерная смесь с концентрацией добавки 4,3% дает самое большое искажение как величины размытия, так и геометрических искажений.

Таблица 3 - Величина геометрических искажений

1 2 3 4 5 6 7

Оригинал Ширина штрихов, мм 0,36 0,71 1,07 1,44 1,80

Тонерная смесь 1,1% Ширина белого штриха, мм 0,38 0,74 1,11 1,45 1,82

Ширина чёрного штриха, мм 0,34 0,67 1,03 1,40 1,77

Тонерная смесь 2,2 % Ширина белого штриха, мм 0,35 0,70 1,06 1,43 1,79

Ширина чёрного штриха, мм 0,37 0,72 1,08 1,45 1,81

1 2 3 4 5 6 7

Тонерная смесь 4,3% Ширина белого штриха, мм 0,32 0,66 1,02 1,40 1,74

Ширина чёрного штриха, мм 0,40 0,77 1,13 1,49 1,86

Из этого можно заключить, что при концентрации добавки 4,3% тонера на отпечаток попадает много. Подтверждением также служит наличие тонерной сыпи (рисунок 5), которая визуально делает отпечаток «грязным» (таблица 4). Такие отпечатки не могут считаться качественными.

Таблица 4 - Тонерная сыпь

Тип тонера Кол-во, шт

Тонерная смесь 1,1% 0 0 1

Тонерная 1 1 0

смесь 2,2%

Тонерная 7 8 7

смесь 4,3%

Отпечатки, полученные с помощью тонера с концентрацией добавки наночастиц 1,1%, дали следующие результаты: наименьшее значение величины размытия в 70 мкм могло бы рассматриваться как положительный результат, но по величене геометрических искажений видно, что черные штрихи становятся уже, а белые - шире. Из этого можно сделать вывод, что тонера на отпечатке недостаточно. Это подтверждает наличие пустот на плашках (рисунок 6). Такие отпечатки воспринимаются как «затертые» и не могут считаться качественными (таблица 5).

Рисунок 5 - Тонерная сыпь на отпечатке, полученном с использованием тонерной смеси с концентрацией добавки наночастиц оксида кремния 4,3%

Рисунок 6 - Пустоты на отпечатке,

полученном с использованием тонерной смеси с концентрацией добавки наночастиц оксида кремния 1,1%

Таблица 5 - Количество пустот

Тонерная смесь 1,1% Тонерная смесь 2,2% Тонерная смесь 4,3%

№№ 1 2 3 1 2 3 1 2 3

Кол-во, шт 8 6 9 0 1 2 0 1 0

Площадь, мм2 2,40 2,90 3,10 0 0,05 0,12 0 0,01 0

Тонерная смесь 2,2% дает наилучший результат. Хотя искажения также присутствуют на отпечатках, но они незначительны. По принятым стандартам для цифровой печати такие искажения допустимы.

Эффективность процесса проявления обычно оценивается путем определения количества осажденных на ФР-частиц тонера М/А, где M - масса частиц, А - площадь осаждения, или получаемой при этом оптической плотности изображения D. Оптическая плотность показана на графике (рисунок

воспроизведения

Если рассматривать этот параметр отдельно, безусловно, чем больше значение оптической плотности, тем выше качество. Но, имея уже полученные результаты размытия линий, сведения о наличии тонерной сыпи и пустот, можно сделать вывод, что большое значение оптической плотности для

тонерной смеси с 4,3% ианодобавки является следствием избыточного перенесения тонер на отпечаток. Небольшое значение оптической плотности для тонерной смеси 1,1% согласуется с полученными выше данными о наличии пустот на плашках.

Полученное значение оптической плотности (2,0) для тонерной смеси 2,2% считается высоким для цифровой электрофотографической печати.

Для оцененки эффективности переноса проведено измерение количества осажденного тонера на фоторецептор в зависимости от значения заряд/масса (рисунок 8). Связь между результатом процесса проявления, оцениваемым по соотношению М/А и уровнем зарядки частиц тонера (Q/M), имеет прямую зависимость. Это объясняется тем, что сильно заряженные частицы тонера легче управляются электростатическим полем в зоне зазора и переносятся на фоторецептор.

Q/M, мкКул/г

Рисунок 8 - График зависимости количества осажденного тонера на фоторецептор (М/А) от значения заряд/масса (Q/M)

Также важным параметром при работе оборудования является процент тонера, который остается на поверхности фоторецептора после завершения цикла работы. Проводились замеры количества осажденного на фоторецептор

тонера и количества оставшегося тонера после цикла переноса на бумагу (таблица 6).

Таблица 6 - Количество тонера, оставшегося на поверхности фоторецептора

Тип тонера Тонерная смесь 1,1% Тонерная смесь 2,2% Тонерная смесь 4,3%

% на ф.р. 2 4 12

Хорошим показателем переноса считается 90% перенесенного тонера. В нашем случае в этот диапазон (100-90%) попадает тонерная смесь 1,1% и 2,2%. В случае тонерной смеси 4,3% количество перенесенного тонера составляет 88%. Использование в ходе эксперимента трех концентраций наночастиц позволило также подтвердить предположение, что для качественного результата необходимой концентрацией является 2,2%.

В работе показано, что добавка в тонер 2,2% наночастиц оксида кремния позволяет проводить проявление скрытого электростатического изображения с отключенным узлом создания дополнительного переменного высокочастотного напряжения и получить видимое изображение высокого качества. Этот результат позволяет исключить из электрофотографического устройства блок переменного напряжения, тем самым понизить стоимость изготавливаемых приборов, сократить их энергопотребление и существенно уменьшить размеры.

Основные результаты и выводы

В ходе выполнения диссертационной работы были решены задачи анализа и выбора наиболее востребованных способов проявления электрофотографического процесса; сформулированы условия эффективной работы системы проявления с зазором; исследованы свойства тонера и изучены его размерные характеристики; проведено сравнение адгезии для коммерчески доступных тонеров и выполнен расчет интервала напряжения; сформирован состав тонерных смесей, пригодных для проведения экспериментов; изучено влияние режимных параметров введения добавки на значение заряд/масса; в соответсвии со стандартом КОЛЕС 13660:2001 были изучены параметры отпечатков, полученных при использовании различных тонерных смесей; дано теоретическое обоснование снижения адгезии; получено подтверждение возможности использования разработанного тонера в промышленном оборудовании.

На основании полученных результатов были сделаны следующие выводы:

1. Для печатных машин с однокомпонентным немагнитным проявлением с зазором сформулировано условие эффективной работы, заключающееся в том, что кулоновкие силы скрытого электростатического изображения (2Е должны быть больше адгезии тонера

С*Е = (2^> Ра

2. Проведение сравнения адгезии современных тонеров и расчета интервала напряжения для них выявило, что измеряемая адгезия современных тонеров значительно больше теоретически рассчитываемой.

3. Установлен необходимый для проявления интервал напряжения, равный 0-400 В с учетом возможности современных фоторецепторов.

4. Экспериментально подтверждена гипотеза, что уменьшение точек контакта тонера с проявляющим валиком путем нанесения монослоя наночастиц оксида кремния приводит к снижению адгезии.

5. Даны рекомендации по режимным параметрам введения добавки (времени перемешивания - 35 с) для получения стабильного значения заряд/масса.

6. Установлена зависимость необходимой силы отрыва тонера от введенной в рецептуру тонера поверхностной нанодобавки оксида кремния (в интервале от 0 до 4,3 весовых %). Значительное уменьшение адгезии достигается при введение в рецептуру тонера до 2,2% наночастиц оксида

кремния, дальнейшее увеличение концентрации не приводит к заметному увеличению эффекта уменьшения адгезии.

7. Установлено, что разработанный тонер позволяет эффективно функционировать системе проявления с зазором без дополнительного узла генерации высокочастотного напряжения.

8. В соответсвии со стандартом ISO/IEC 13660:2001 было определено, что высокое качество печати дает тонер с концентрацией нанодобавки 2,2%.

9. Установлено, что при увеличении концентрации добавки наночастиц оксида кремния в составе тонера происходит увеличение оптической плотности отпечатков.

10. Выявлена зависимость количества осажденного тонера на фоторецептор (М/А) от значения зарад/масса (Q/M). Чем больше значение заряд/масса, тем больше тонера переносится на фоторецептор.

11. Установлена рекомендованная концентрация наночастиц оксида кремния в тонерной смеси, равная 2,2%, которая позволяет получить высокую оптическую плотность отпечатков (2,0), достаточное снижение адгезии для эффективного функционирования однокомпонентной системы проявления с зазором без узла высокочастотного переменного напряжения и минимальные искажения по параметрам, влияющим на качество отпечатков.

Публикации по теме диссертации

Перечень публикаций в изданиях, утверждённых ВАК:

1. Соловьёва М.А. Сравнительные характеристики электрофотографических тонеров / Соловьёва М.А., Уарова P.M., Меньшикова Е.А., Ванников А.В. // Известия высших учебных заведений. Проблемы полиграфии и издательского дела. - 2012. - №2, март-апрель. - С. 61 -71 (0,77/0,41)

2. Соловьёва М.А. Однокомпонентный немагнитный тонер с поверхностной добавкой наночастиц оксида кремния / Соловьёва М.А., Ванников А.В., Чуркин А.В. // Известия ТулГУ. Технические науки —Тула, 2013—№ 3 - С. 82-91 (0,62/0,41)

Другие публикации:

3. Соловьёва М.А. Использование наночастиц оксида кремния в новых электрографических тонерных системах / Соловьева М.А., Ванников А.В. // Scientific-practical conference «Innovations of publishing, printing and multimedia technologies 2010». - Kaunas, 2010 - C. 86-93 (0,45/0,35)

4. Соловьёва M.A. Направление развития современных тонеров / Уарова P.M., Соловьёва М.А., Меньшикова Е.А.// Полиграфия - 2011 - №10, декабрь. -С. 18-20(0,41/0,23)

Подписано в печать 25.04.2013.Формат 60x84/16. Бумага офсетная. Печать на ризографе. Усл. п. л. 1.34. Тираж 100 экз. Заказ № 116. Отпечатано в УПИПК МГУП имени Ивана Федорова 127550, Москва, ул. Прянишникова. 2а

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный университет печати имени Ивана Федорова»

На правах рукописи

04201356909

Соловьёва Мария Александровна

Электрофотографические тонеры нового поколения с улучшенными характеристиками

специальность 05.02.13 — Машины, агрегаты и процессы

(печатные средства информации)

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор химических наук, профессор

Ванников Анатолий Вениаминович

Москва-2013

Содержание

Введение.......................................................................................................................5

Глава 1...........................................................................................................................9

1.1 Стадии электрофотографического процесса и их влияние на процесс печати.......................................................................................................................9

1.1.1 Принципы зарядки фоторецептора и способы реализации в оборудовании...................................................................................................10

1.1.2 Формирование скрытого электростатического изображения на поверхности фоторецептора...........................................................................14

1.1.3 Современные способы проявления скрытого электростатического изображения и их анализ................................................................................18

1.1.3.1 Проявление однокомпонентным тонером и его особенности...........20

1.1.3.2 Проявление магнитной кистью из двухкомпонентного проявителя и его особенности...........................................................................................25

1.1.4 Принципы переноса изображения с фоторецептора на печатный материал............................................................................................................31

1.1.5 Анализ способов закрепления изображения и очистка фоторецептора..................................................................................................33

1.2 Анализ состава тонера и влияние компонентов на рабочие характеристики

тонера.....................................................................................................................39

1.2.1 Характеристики двухкомпонентного проявителя. Система тонер-

носитель...........................................................................................................43

1.3 Анализ способов изготовления тонеров.........................................................50

1.3.1 Традиционный способ изготовления тонера............................................50

1.3.2 Полимеризационный способ изготовления тонера..................................51

1.3.2.1 Получение тонера с использованием эмульсионной полимеризации..............................................................................................52

1.3.2.2 Изготовление тонера с использованием суспензионной полимеризации..............................................................................................55

1.3.3 Физико-механический способ

(пульверизация)...............................................................................................58

1.4 Нанотехнологии...............................................................................................60

1.4.1 Определение термина наночастица..........................................................60

1.4.2 Становление нанотехнологии....................................................................62

1.4.3 Особые свойства как результат наноразмерности...................................63

1.4.4 Технологии производства наночастиц......................................................65

1.4.4.1 Синтез неметаллических неорганических наночастиц.......................67

1.4.4.2 Методы выращивания кристаллов из расплава...................................68

1.4.4.3 Выращивание кристаллов из растворов................................................70

1.4.5 Структура наноматериалов.........................................................................74

1.4.5.1 Полиморфизм диоксида кремния..........................................................75

1.4.6 Применение наночастиц.............................................................................76

1.4.7 Методы определения показателей частиц.................................................77

1.4.7.1. Кристаллография....................................................................................77

1.4.7.2 Определение размеров частиц..............................................................77

1.4.7.3. Структура поверхности.........................................................................79

1.4.7.4. Просвечивающая электронная микроскопия......................................79

1.4.7.5. Ионно-полевая микроскопия................................................................80

1.4.7.6. Сканирующая микроскопия..................................................................81

1.4.7.7 Атомная-силовая микроскопия.............................................................81

1.4.7.8 Инфракрасная и рамановская спектроскопия.....................................83

1.4.7.9 Магнитный резонанс...............................................................................84

1.5. Заключение к Главе 1.......................................................................................85

Глава 2........................................................................................................................87

2.1 Теоретическое обоснование снижения адгезии.............................................87

2.2 Тонер. Состав. Основные характеристики.....................................................92

2.3 Поверхностная добавка....................................................................................96

2.3.1 Синтез наночастиц оксида кремния (IV)...................................................97

2.3.2 Время введения добавки.............................................................................99

2.4 Сила отрыва тонера.........................................................................................101

2.5 Заключение к Главе 2......................................................................................102

Глава 3......................................................................................................................104

3.1 Оборудование для печати...............................................................................104

3.2 Тест-объект......................................................................................................106

3.3 Измерительное оборудование и программное обеспечение.......................107

3.4 Методика по стандарту КОЛЕС 13660:2001................................................111

3.5 Результаты применения тонера с нанодобавкой оксида кремния.............116

3.6 Заключение к Главе 3......................................................................................128

Выводы.....................................................................................................................129

Литература................................................................................................................131

Введение.

Актуальность темы диссертационного исследования.

В последние годы цифровая печать переживает период бурного развития. Ежегодно на рынке появляются десятки новых принтеров и печатных машин. Современное состояние мировой экономики заставляет производителей цифрового оборудования заниматься вопросами снижения энергопотребления, при этом качество печати должно оставаться на высоком уровне, чтобы была возможность конкурировать с традиционными способами печати.

Одним из основных способов цифровой печати является электрофотография. Эта технология возникла в начале XX в. благодаря американскому изобретателю Ч. Карлсону, создавшему то, что сейчас называется классической электрофотографией - метод получения изображения, основанный на физических явлениях взаимодействия электростатических зарядов в полупроводниковых и диэлектрических материалах и средах [1,2,3]. Процесс электрофотографической печати многостадийный. Стадия проявления очень важна, так как именно после неё скрытое электростатическое изображение становится видимым. Возможно применение различных технологий для проявления, однако, интерес представляет однокомпонентное немагнитное проявление с зазором.

В настоящее время в принтерах реализуется этот способ, но дополнительно применяется высокочастотное переменное электрическое поле для отрыва частиц тонера от проявляющего валика, что значительно усложняет систему вцелом. Например, в системе Xerox iGen3, iGen4 на поверхности проявляющего валика находится тонкая проволока, на которую подается переменное электрическое напряжение для преодоления адгезии тонера.

Причина отсутствия принтеров, использующих для переноса только постоянное электрическое поле, хорошо известна: кулоновские силы постоянного электрического поля между скрытым электростатическим изображением и заряженными частицами тонера значительно меньше адгезии

тонера к проявляющему валику, их недостаточно, чтобы оторвать тонер от поверхности проявляющего валика и перенести его на поверхность фоторецептора [4]. Попытки создать такое оборудование существовали -Panasonic и система Moore, но они не были коммерчески успешными [5,6].

Основным препятствием, которое необходимо преодолеть, чтобы сделать жизнеспособной такую систему проявления, является снижение адгезии тонера к проявляющему валику. Эксперименты показали, что фактическая адгезия в 10 раз выше теоретически рассчитанной с использованием простой теории, когда заряд помещают в центр тонерной частицы [7,8,9]. В последнее время были сделаны большие успехи в области уменьшения адгезии тонера, как экспериментально, так и теоретически [10,11].

Возможность исключить узлы, облегчающие отрыв тонера, позволит резко упростить строение электрофотографических (ЭФГ) устройств. Это является актуальной задачей для создания компактных и дешевых цветных электрофотграфических принтеров.

Поэтому целью настоящей работы является установление возможности уменьшения адгезии тонера к проявляющему валику в однокмопонентной немагнитной проявляющей системе с зазором для последующего упрощения строения электрофотографического устройства и снижения его энергопотребления.

Решаемая научная задача заключается в создании на поверхности тонера монослоя наночастиц оксида кремния для уменьшения адгезии частиц тонера на поверхности проявляющего валика, что значительно упрощает конструкцию электрофотографического устройства и снижает его энергопотребление.

Для этого были решены следующие задачи:

в анализ опубликованных научных и патентных материалов в этой области;

• исследование адгезии тонера и возможности её снижения;

• анализ и выбор наноматериалов, пригодных для решения поставленной задачи;

• исследование свойств тонера и изучение его размерных характеристик;

• формирование тонерных смесей, пригодных для проведения экспериментов;

• изучение влияния времени введения нанодобавки в состав тонера;

• определение изменения адгезии при ипользовании тонера с разной концентрацией нанодобавки;

• изучение параметров отпечатков, полученных при использовании тонера с различными концентрациями добавки.

Научная новизна работы настоящей работы состоит в следующем:

• дано теоретическое объяснение снижения адгезии тонера на основании экспериментальных данных за счет уменьшения точек контакта тонера пр путем создания монослоя наночастиц оксида кремния на поверхности тонера;

• экспериментально установлена зависимость адгезионных свойств тонера на границе тонер-проявляющий валик от концентрации оксида кремния и условий его введения в состав тонера.

Практическая значимость заключается в том, что:

• определена необходимая концентрация наночастиц оксида кремния для снижения адгезии;

• установлены режимы введения добавки в тонер;

• доказана возможность использования разработанного тонера в системе проявления с зазором без дополнительного узла, генерирующего высокочастотное переменное электрическое поле.

Апробация работы проходила в виде докладов и обсуждений на зеседаниях кафедры ТиТЦП МГУП имени Ивана Федорова; научно-технических конференциях молодых ученых МГУП имени Ивана Федорова (2010 г., 2011 г.); на международной учебно-практической конференции в

г.Каунас (Литва, 2010 г.). По теме диссертационной работы опубликовано 4 научные статьи. В том числе две из них в изданиях, рекомендованных ВАК.

На защиту выносятся следующие положения:

• Определение режимных и рецептурных параметров ввода наночастиц оксида кремния в состав тонера как способа сокращения числа контактов тонера с проявляющим валиком и уменьшения адгезии тонера.

• Определение величины адгезии тонера к проявляющему валику для осуществления процесса проявления под действием кулоновких сил.

• Практическая реализация процесса печати в электрофотографическом оборудовании с отключенным узлом создания высокочастотного напряжения с использованием разработанного тонера и определение качества отпечатков.

Глава 1

1.1 Стадии электрофотографического процесса и их влияние на

процесс печати

Электрофотографический процесс состоит из шести стадий: зарядки, экспонирования, проявления, переноса тонерного изображения с фоторецептора на печатный материал, закрепления изображения на отпечатках и очистки фоторецептора [12]. Каждая стадия имеет свои особенности и накладывает определенные ограничения на процесс печати.

В электрофотографии запись изображения производится на фоторецепторе, состоящем из проводящей подложки и тонкого слоя высокоомного фотопроводника (рисунок 1.1). В темноте фотопроводник -изолятор, способный удерживать на своей поверхности заряд. При облучении актиничным светом он приобретает проводящие свойства, и заряд в освещенных участках стекает, оставаясь только там, где не падал свет. Для того чтобы на фоторецепторе можно было записывать изображение, подложка должна быть заземлена, а поверхность фотопроводника заряжена.

Рисунок 1.1 - Схема фоторецептора: 1 - заряженный фотопроводниковый слой;

2 - заземленная подложка [12].

Фоторецепторы различаются между собой фотопроводниковым слоем и конструкцией. В настоящее время в основном используют органические фотопроводники и гидрированный аморфный кремний а-БШ.

По конструкции различают цилиндрические и ленточные фоторецепторы (рисунок 1.2).

Рисунок 1.2 - Типы фоторецепторов: а - цилиндрический; б - ленточный; 1 -фотопроводниковый слой; 2 - цилиндрическая основа [12].

Вокруг фоторецептора располагаются функциональные узлы, выполняющие все операции электрофотографического процесса, за исключением закрепления копии.

1.1.1 Принципы зарядки фоторецептора и способы реализации в оборудовании

Первой стадией электрофотографического процесса является зарядка поверхности фоторецептора. На поверхность фоторецептора наносится равномерный заряд, в результате чего она приобретает некоторый электрический потенциал V (измеряется относительно земли). В заземленной подложке фоторецептора индуцируется заряд противоположного знака, и внутри тонкого слоя фотопроводника возникает электрическое поле. Сила поля (его напряженность Е) определяется разностью потенциалов поверхности фоторецептора и заземленной подложкой, численно равной V.

Величина V и Е зависят от поверхностной плотности заряда с, а также от диэлектрической проницаемости фотопроводникового материала £ф/р и толщины его слоя Ь. Связь между параметрами заряженного фоторецептора видна из приведенных ниже выражений [13]:

а

Е =

V =

£ф/р * £о

1-а

£ф/р ' £о

(1.1) (1.2)

где є0 - электрическая постоянная.

Фоторецептор обладает некоторой темновой проводимостью. В фотопроводниковом слое фоторецептора под воздействием тепла и электрического поля образуется небольшое количество отрицательных и положительных свободных зарядов, которые перемещаются полем к поверхности и подложке фоторецептора. Положительные заряды частично нейтрализуются отрицательно заряженную поверхность фоторецептора, снижая ее потенциал. Кроме того, происходит утечка части поверхностных зарядов в воздух, что увеличивает темновой спад потенциала.

Чтобы свести темновую утечку к минимуму, поверхность должна хорошо удерживать заряд. В фоторецепторах используются высокоомные фотопроводники. Кроме того, наличие темнового спада потенциала учитывается при выборе режимов электрофотографического процесса.

Знак заряда зависит от типа фоторецептора. Для практически используемых в современных аппаратах двухслойных органических фоторецепторов он отрицательный. Для гидрированного аморфного кремния поверхностный заряд может иметь и тот и другой знак [12].

Зарядка может производится коронным разрядом или с помощью зарядового валика. Первый способ является классическим. В настоящее время он используется, в основном, в аппаратуре профессионального применения. В

лазерных принтерах, предназначенных для дома и малых офисов, используются зарядные валики.

При зарядке коронным разрядом между тонкой коронной проволочкой, на которую подается потенциал, и заземленным фоторецептором возникает неравномерное электрическое поле. У проволочки (внутренняя область короны) оно настолько сильное, что образуется плазма, так как происходит ионизация воздуха. Ионы и электроны под действием поля движутся в противоположных направлениях. Во внешней области короны (вблизи фоторецептора) поле более слабое, там происходит не ионизация воздуха, а присоединение ионов и электронов к молекулам с образованием заряженных частиц. Заряженные частицы, попадающие на фоторецептор, захватываются поверхностными ловушками заряда и заряжают фоторецептор своим знаком заряда. Отрицательные ионы во внешней области короны присоединяются к молекулам воздуха. Эти ионы заряжают поверхность фоторецептора отрицательно. При положительной зарядке во внешнюю область короны попадают положительные ионы (І-Ґ и їчҐ). Соединяясь с молекулами воды, катионы образуют кластеры типа (НгО^ІҐ и (Н20)пН+. Скоротрон (рисунок 1.3) содержит тонкую проволочку 1, соединенную с высоковольтным источником питания, заземленный экран 2 и управляющую сетку 3.

б

Рисунок 1.3 - Схема зарядки фоторецептора скоротроном: а - схема зарядки; б -схема зарядного участка; 1 - ко