Какие бывают тонеры

10.03.2015

Общее определение тонера приблизительно следующее — это мелкодисперсный порошок, который используется в сухом электрофотографическом процессе (ксерографии) для проявления скрытого изображения на фоторецепторе и формирования видимого изображения на бумаге (или другом материале).

Общее определение тонера приблизительно следующее — это мелкодисперсный порошок, который используется в сухом электрофотографическом процессе (ксерографии) для проявления скрытого изображения на фоторецепторе и формирования видимого изображения на бумаге (или другом материале).

Структура и химический состав тонеров, применяемых в современных копировальных аппаратах и лазерных принтерах, довольно сложны. Рассмотрим упрощенную структуру частицы «типичного» тонера.

• Основой тонера является полимер. Он связывает в единое целое все прочие составляющие и задает базовые характеристики по способности частиц тонера приобретать заряд и закрепляться на бумаге. В настоящее время широко применяются два основных типа полимеров – стирен-акриловый сополимер и полиэстер.
• Для того чтобы тонер имел возможность приобретать заряд нужного знака (положительный или отрицательный) и в нужном количестве, в полимерную основу внедряется добавка, регулирующая заряд (CCA – Charge Control Agent). Типичные CCA, используемые в настоящее время для отрицательного заряда тонера, это азокрасители и органические кислоты. Типичные CCA для положительного заряда – четвертичные соли и нигрозиновые красители.
• Магнитные свойства тонера обеспечиваются присутствием в его составе магнетита (окиси железа). Его наличие обязательно для тонеров, используемых в однокомпонентной магнитной системе проявки, т.к. магнитная составляющая силы, действующей на частицы тонера, необходима, для правильной работы системы. Для тонеров, используемых в однокомпонентной немагнитной системе проявки, наличие магнетита не является обязательным, но иногда он может присутствовать в качестве добавки, управляющей «пыльностью» тонера. Дополнительной функцией магнетита в составе тонера может являться распознавание напечатанных кодов магнитными считывателями информации – т.н. система MICR (Magnetic Ink Character Recognition). В целях улучшения стабильности работы считывающих устройств, тонеры MICR, как правило, имеют в своем составе повышенное содержание оксида железа по отношению к «обычным» магнитным тонерам.
• Используемые для тонеров полимеры бесцветны. Цвет тонера обеспечивается различными пигментами. В качестве пигмента для черных магнитных тонеров может быть использован упомянутый выше магнетит. Для немагнитных черных тонеров часто используется Carbon Black или, проще говоря, сажа. В цветных тонерах используются красители соответствующего цвета.
• Модификаторы используются для придания тонеру требуемых свойств по термическому закреплению – температуры размягчения, адгезии к валам блока закрепления, глянца закрепленного изображения. В их качестве могут использоваться воск, полипропилен, полиэтилен и др.
• Поверхностные добавки обеспечивают требуемые характеристики тонера по трению частиц между собой и о другие компоненты машины, т.е. с их помощью регулируются «текучесть» тонера, значение трибоэлектрического заряда, смазывающие свойства и способность к очистке. В качестве поверхностных добавок могут использоваться аморфный диоксид кремния (silica), полимеры и др.

Классификация тонеров.

Теперь, имея представление об «анатомии» тонера можно приступить к их классификации. Предлагаемая нами система не претендует на стопроцентную полноту, но даже она достаточно широка.

Первый и очевидный признак, по которому можно разделить тонеры, это их цвет, который определяется цветом пигмента-красителя.

Для монохромных машин обычно требуется тонер только черного цвета, для полноцветных, дополнительно к черному, необходимы тонеры трех основных цветов субстрактивного цветового синтеза (Cyan, Magenta, Yellow). Встречаются монохромные машины с возможностью выделения фрагментов изображения дополнительным цветом или печати всего изображения цветом, отличным от черного. Для этих машин производятся тонеры самых различных цветов – красного, синего, зеленого, коричневого и т.д.

Второй классифицирующий признак тонеров, это их магнитные свойства. Тонеры бывают магнитными и немагнитными.

Магнитные тонеры содержат в своем составе магнетит (оксид железа) и иногда называются «двухкомпонентными» тонерами, поскольку они являются одновременно и тонером и «носителем», т.е. готовым «проявителем» (девелопером).

Немагнитные тонеры либо не имеют в своем составе окиси железа, либо имеют его в очень небольшом количестве. Такие тонеры иногда называются «однокомпонентными» и используются как в двухкомпонентной системе проявки, где «проявителем» (девелопером) является смесь немагнитного тонера и магнитного «носителя», так и в однокомпонентной немагнитной системе проявки, где в качестве «проявителя» выступает только сам немагнитный тонер. Примером машин с двухкомпонентной проявкой является большинство копиров и МФУ Sharp, Ricoh и др. Однокомпонентная немагнитная проявка используется в принтерах и МФУ Samsung, Lexmark и др.

Далее, разделим тонеры по знаку их заряда в машине. Заряд может быть либо положительным, либо отрицательным и обеспечивается добавкой CCA, о которой было сказано выше.

Требуемый знак заряда тонера определяется, во-первых, знаком заряда поверхности фоторецептора (барабана), а во-вторых, используемой системой печати – «аналоговая», где начальный заряд фоторецептора соответствует темному изображению, а оптика засвечивает светлые участки; или «цифровая», где начальный заряд фоторецептора соответствует белому, а лазер засвечивает темные участки изображения. Несложно посчитать, что возможно четыре различных комбинации технологии печати и знака заряда фоторецептора — по паре для каждого типа тонера.

Также, можно разделить тонеры по типу использованного в них полимера на стирен-акриловые (styrene acrylic copolymer) и полиэстровые (polyester).

В настоящее время полиэстер приобретает все более широкое распространение, поскольку он имеет более низкую температуру размягчения, что позволяет получить хорошее закрепление изображения на бумаге при высоких скоростях печати и относительно невысоких температурах, а это экономит электроэнергию. Тем не менее, современные технологии производства стирен-акриловых тонеров с использованием различных модификаторов позволяют во многих случаях производить тонеры с хорошим закреплением, даже в тех случаях, когда печатающий механизм был изначально рассчитан на использование полиэстрового тонера.

Последним пунктом в нашей упрощенной классификации будет технология производства тонеров. Тонеры бывают «механическими» («обычными») и «химическими».

Вкратце, механический тонер (conventional, pulverizing) производится путем перемалывания твердой основы с последующим отсеиванием частиц с нужными размерами, а химический (chemical и много других синонимов) – «выращиванием» частиц тонера в реакторах. Основное физическое различие в их свойствах – «правильность» формы и размера частиц. В механических тонерах частицы бесформенные и имеют довольно широкий диапазон размеров отдельных частиц. В химических же тонерах большинство частиц имеет правильную форму (не обязательно сферическую) и узкое распределение их размеров.

Механический (обычный – conventional, пульверизационный – pulverized) тонер.

Производство состоит из нескольких основных этапов:

• Основные компоненты (полимер, CCA, пигмент, магнетит, модификаторы) механически смешиваются.
• Полученная смесь подается в экструдер, где при высокой температуре и давлении образуются твердые «брикеты» из смеси с относительно равномерным распределением перемешанных ранее компонентов.
• Далее «брикеты» проходят грубое предварительное измельчение и поступают в пульверизационную машину, где происходит их перемалывание «в пыль».
• Частицы на выходе пульверизационной машины имеют очень большой разброс размеров. Чтобы выделить из них частицы нужного размера, тонерная «пыль» поступает в аэродинамический классификатор частиц. Слишком крупные и слишком мелкие частицы здесь выделяются из общей массы и могут быть направлены обратно в экструдер для повторного использования.
• Далее, тонер смешивается с поверхностными добавками и просеивается и упаковывается.

Поскольку процесс производства механического тонера предполагает получение мелких частиц из более крупных путем их механического измельчения, то частицы тонера получаются бесформенными. А необходимость выделения из общей массы частиц определенного размера механическими средствами приводит к тому, что распределение размеров частиц в готовой продукции остается достаточно широким.

Разумеется, существуют вариации в этом процессе, и некоторые производители, совершенствуя каждый из технологических этапов, могут добиваться получения частиц тонера с формой, близкой к правильной, и относительно узким распределением размеров. Такие тонеры во многих случаях могут составлять конкуренцию химическим тонерам.

Химический тонер.

Более правильный термин – «химически изготовленный тонер» (Chemically Prepared Toner, CPT) – это тонер, изготовленный методом химического синтеза. Встречаются различные синонимы: полимеризированный, chemically produced toner, chemical toner, polymerized toner, polymer toner, in-situ polymerized toner, suspension polymerized toner, emulsion polymerized toner, emulsion aggregation toner, EA toner, controlled agglomeration, capsule toner, microcapsule toner, encapsulated toner, microencapsulation toner, microencapsulated toner и многие другие.

Высокое разрешение печати.

Теоретически, для качественного изображения с разрешением 600 dpi, размер частиц должен быть около 5 мкм, а для 1200 dpi – около 3 мкм. Существуют различные мнения насчет минимального экономически целесообразного размера частиц, произведенных механическим путем. В 2004 году большинство экспертов сходилось на цифре около 7 мкм. За последние 5 лет ситуация несколько изменилась, но преимущество по-прежнему остается за CPT.

Тонкий слой тонера.

Чем меньше средний размер частиц тонера, тем тоньше слой тонера, необходимый для формирования изображения, что означает меньшее количество тонера, перенесенного на материал для печати. Следствия:

1.    Потенциальное снижение стоимости отпечатка.

2.    Увеличение ресурса картриджа при том же весе тонера.

3.    Более низкая температура закрепления, приводящая к снижению затрат энергии, уменьшению времени выхода принтера на готовность, потенциально более долговечным блокам закрепления.

4.    Улучшение прозрачности изображения.

5.    Снижение отличие глянца разных участков изображения (differential gloss).

6.    Снижение «скручиваемости» страниц со сплошной заливкой.

7.    Изображение перестает ощущаться «на ощупь».

8.    Изображение становится более равномерным.

9.    Требуется большая концентрация пигментов.

Хорошая текучесть тонера.

Правильная форма частиц приводит к тому, что для обеспечения нужной текучести требуется меньшее количество поверхностных добавок. Следствия:

1.    Потенциальное снижение себестоимости тонера.

2.    Повышение глянца.

3.    Расширение диапазона воспроизводимых цветов с использованием тех же самых пигментов.

4.    Дополнительное снижение температуры закрепления с использованием тех же самых полимеров.

Хорошая эффективность переноса.

Маленькие частицы правильной формы легче переносятся с фоторецептора на материал для печати. Следствия:

1.    Меньшее количество отработки – дополнительное увеличение ресурса картриджа при том же весе тонера.

2.    Улучшение качества изображения. Частицы правильной формы и малого размера лучше заполняют неровности на поверхности бумаги, что снижает дефект «крапчатости» (mottle— осветление изображения по фактуре бумаги). Благодаря этому можно расширить диапазон используемых в принтере материалов для печати.

3.    В некоторых случаях, при эффективности переноса близкой к 100%, можно исключить из конструкции систему очистки.

Стабильность характеристик.

Равномерность формы, размера и внутреннего состава частиц обеспечивает равномерное распределение заряда и предсказуемое поведение тонера, что очень важно для полноцветных машин.

Низкая абразивность.

Частицы правильной формы, разумеется, менее абразивны, чем бесформенные частицы из того же материала. Из этого следует потенциальное увеличение ресурса компонентов картриджа и принтера.

На рынке производства химических тонеров существует столько технологий и предложений, сколько участников на рынке, но наиболее широкое распространение имеют полимеризация суспензии (Suspension Polymerization) и агрегация эмульсии/латекса (Emulsion/latex Aggregation) и различные их вариации.

Можно отметить, что данные технологии позволяют получить микрокапсулированный или капсулированный (microencapsulated, encapsulated) тонер, имеющие ядро и оболочку. Часть свойств таких тонеров обеспечиваются материалом оболочки, а часть – материалом ядра. Так можно получить тонер с большой концентрацией красителей и восковых добавок в ядре, что позволяет расширить диапазон воспроизводимых цветов и глянец изображения.

Итак, для достижения оптимального качества печати, тонер нужно улучшать несколькими путями. Необходимы: частицы малого размера, узкое распределение размеров частиц, узкое распределение значения заряда, низкая температура закрепления и предсказуемое «поведение» тонера.

Технологии производства химического тонера способствуют достижению этих целей поскольку:

1.    Позволяют производить частицы маленького размера.

2.    Позволяют управлять формой частицы, что способствует более узкому распределению их размеров.

3.    Позволяют получить однородный состав тонера, что способствует узкому распределению заряда частиц.

4.    Точная подстройка химического состава частиц улучшает температурные характеристики и позволяет получить безмасляное закрепление с низкими энергозатратами.

Однако, следует помнить, что все преимущества химических тонеров станут заметны потребителю только в том случае, если печатающий механизм имеет конструкцию, способную «извлечь» эти преимущества.

Есть ли у химических тонеров недостатки по отношению к обычным? Разумеется, есть.

В случаях, когда эффективность переноса заметно отличается от 100%, тонер необходимо очищать с поверхности фоторецептора. Частицы сферической формы маленького размера очистить ракелем сложнее, чем более крупные и бесформенные. По этой причине повышаются требования к системе очистки. Также, для улучшения очистки, широко применяются технологии, при которых частицам тонера намеренно придают форму отличную от сферы.

С производственной точки зрения можно отметить, как недостатки, большое количество воды, требуемой для производства, и проблемы с вторичным использованием «отбракованного» после производства тонера с частицами неподходящего размера и формы. Его нельзя, как в случае с механическими тонерами, направить обратно в экструдер и повторно перемолоть.