ТОНЕРЫ: «АНАТОМИЯ», КЛАССИФИКАЦИЯ, ТЕХНОЛОГИИ, ЧАСТО ЗАДАВАЕМЫЕ ВОПРОСЫ. (ЧАСТЬ 2)

Схематическое представление разницы технологий производства механического (слева) и химического (справа) тонеров В первой части статьи мы привели упрощенную классификацию тонеров. Одним из классифицирующих признаков тонеров была указана технология их производства. Рассмотрим подробнее наиболее распространенные технологии и отличия в свойствах тонеров, связанные с ними. Механический (обычный — conventional, пульверизационный — pulverized) тонер. В упрощенном виде технология производства механического тонера показана на рисунке ниже. 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. Технология производства механического тонера 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. Немного истории. Технологии получения тонера методом химического синтеза не новы и являются предметом исследований на протяжении последних нескольких десятков лет: 1960-е, 1970-е годы — Компании Xerox, Fuji Xerox, Fuji Photo, Canon, KAO, Kodak проводят исследование базовых технологий — суспензии, дисперсия, инкапсуляция, сушка распылением. 1972 — Первый патент США на химический тонер, произведенный из суспензии. 1976 — Первый патент на инкапсулированный (encapsulated) тонер. 1993 — Первый монохромный принтер (Oki 400) с химическим тонером, произведенным из эмульсии по технологии от Nippon Zeon. 1994 — Первый монохромный принтер (Fujitsu PP4400) с химическим тонером, произведенным из суспензии по технологии от Nippon Carbide. 1998 — Первые цветные принтеры (Canon CP660, HP CLJ4500, 8500) с химическим тонером, произведенным из суспензии. 2001 — Первая цветная машина с тонером, произведенным по технологии агрегации эмульсии (Emulsion Aggregation, EA) — Fuji Xerox DCC500 2001 — Первая машина с химическим полиэстровым тонером. С 2002 по настоящее время — появление огромного количества монохромных и цветных машин с химическим тонером у разных производителей — Xerox, Konica-Minolta, Canon, HP, Ricoh, Kyocera, Lexmark, Oki и другие. Логичный вопрос — если технологии производства химических тонеров столь стары, что мешало их широкому применению до относительно недавнего времени? Вот несколько основных причин: Имелся ряд технических проблем, связанных с зарядом, очисткой, дисперсией, цветом. Патентная защита технологий и интеллектуальной собственности. Количество патентов, связанных с CPT огромно. В «индустрии тонера» значительная часть капиталовложений была выполнена в производство оборудования, производящего механический тонер. Это оборудование имеет большой остаточный ресурс, и далеко не все производители собирались (и не собираются) от него отказываться. И самый важный момент — поскольку требования рынка были относительно невысоки, большинство печатающих механизмов проектировалось без учета возможности использования преимуществ, которые дают химические тонеры, имеющие маленькие частицы правильной и однородной формы с узким распределением размеров. Рассмотрим эти преимущества более подробно. 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: Потенциальное снижение стоимости отпечатка. Увеличение ресурса картриджа при том же весе тонера. Более низкая температура закрепления, приводящая к снижению затрат энергии, уменьшению времени выхода принтера на готовность, потенциально более долговечным блокам закрепления. Улучшение прозрачности изображения. Снижение отличие глянца разных участков изображения (differential gloss). Снижение «скручиваемости» страниц со сплошной заливкой. Изображение перестает ощущаться «на ощупь». Изображение становится более равномерным. Требуется большая концентрация пигментов. Хорошая текучесть тонера. Правильная форма частиц приводит к тому, что для обеспечения нужной текучести требуется меньшее количество поверхностных добавок. Следствия: Потенциальное снижение себестоимости тонера. Повышение глянца. Расширение диапазона воспроизводимых цветов с использованием тех же самых пигментов. 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: Меньшее количество отработки — дополнительное увеличение ресурса картриджа при том же весе тонера. 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. 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 тонера 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. Полимеризация суспензии. Состоит из нескольких этапов: Механическая дисперсия всех компонентов. Формирование суспензии с частицами нужного размера. Полимеризация частиц. Проводится при повышенной температуре, определенное время и при определенной скорости смешивания. Фильтрация, промывка и сушка (удаление воды и стабилизаторов). Смешивание с поверхностными добавками. Подобной технологией пользуется, например, Zeon Corporation. Полимеризация суспензии Агрегация эмульсии. В отличие от полимеризации суспензии, здесь сначала раздельно формируются эмульсия (латекс) стирен-акрилового полимера, механически распыленные пигменты и добавки. Пигменты и добавки добавляются затем в среду стабилизированной эмульсии с размерами полимеризованных частиц 0,1?0,3 мкм. Далее происходит агломерация частиц, содержащих базовый полимер, пигменты и добавки, до размеров 1?4 мкм, после чего возможно дальнейшее образование составных частиц размером 5?13 мкм. На этом этапе частицы еще бесформенные. Затем происходит нагревание до температуры много выше температуры размягчения полимера (Tg). Последующей регулировкой температуры и времени перемешивания можно регулировать форму частиц от бесформенной (низкая температура, короткое время) до сферической (высокая температура, длительное время), тем самым добиваясь компромисса между эффективностью переноса (чем правильнее форма частиц, тем лучше перенос) и способностью частиц к очистке ракелем (частицы неправильной формы проще очищать). А увеличением скорости перемешивания можно получать частицы эллиптической формы. После формирования частиц происходит фильтрация, промывка и сушка, а затем смешивание с поверхностными добавками. Подобной технологии придерживаются Xerox, Fuji Xerox и Konica-Minolta. Агрегация эмульсии Можно отметить, что некоторые 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: Позволяют производить частицы маленького размера. Позволяют управлять формой частицы, что способствует более узкому распределению их размеров. Позволяют получить однородный состав тонера, что способствует узкому распределению заряда частиц. 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.