Сферизованный тонер что это

Обновлено: 07.07.2024

Частицы сферического тонера более округлые, их края более ровные по сравнению с обычным тонером, созданным механическим способом (перемалыванием). Все частицы примерно равны по размеру, что позволяет получить более четкое изображение на бумаге.

Его производят химическим способом, методом синтеза. Такой способ производства (его еще называют «выращиванием») позволяет лучше контролировать химические и физические свойства тонера.

В процессе производства, частицы красителя и полимеров соединяются, образуя частицы более крупного размера, около 3-5 микрон.

Сферическая форма частиц позволяет более равномерно получить электромагнитное воздействие в процессе лазерной печати. Свойства частиц будут одинаковыми, соответственно качество печати будет улучшенным.

Химический способ получения частиц тонера

Химический способ, или выращивание можно разделить на пять типов:

эмульсионная аггрегация (EA-Toner, Xerox). В 2001 году появился первый цветной принтер заправленный тонером, сделанным по технологии агрегации эмульсии (Emulsion Aggregation, EA) - Fuji Xerox DCC500.
суспензионная полимеризация (suspension polymerization, Nashua Co),
эмульсионная пульверизация (emulsion pulverization, LG Chemical),
полиэфирная полимеризация (polyester polymerization, PxP Toner, Ricoh) и
химическое перемалывание (chemically milled toner, CM-Toner, DPI Solutions)

Утверждение о том, что частицы химического тонера лучше по своим свойствам и качествам, теперь мы принимаем как аксиому, не требующую доказательств. Все-таки при выборе принтера или тонера, нельзя забывать об огромных усилиях корпораций, которые и привели к такому положению.

Производители провели широкие маркетинговые компании, рекламирующие химический тонер, как передовую технологию. Были выпущены целые серии печатающих устройств, для которых подходит только такой тонер – с круглыми и мелкими частицами. Хотя по-прежнему, остается немало принтеров работающих на «обычном» механическом тонере.

Если производитель заявляет, что данная модель принтера использует химический тонер, значит, такой расходный материал будет наиболее подходящим и использование другого тонера может повлечь поломку деталей принтера. Например, в химическом тонере hp полимер плавится при более низкой температуре, что позволит «разогреть» принтер быстрее для печати. Другой тонер будет плавится не так быстро, что приведет к некачественной печати и может испортить узел фиксации.

Корпорации настолько тщательно защитили свою интеллектуальную собственность, что задача повторить их продукт будет практически невыполнимой. Только Xerox разрабатывая тонер Xerox Emulsion Aggregation (EA-тонер) защитили 400 патентов. Помимо Xerox, химический тонер разработали:

HP - тонер HP ColorSphere
Konica Minolta - капсулированный тонер Simitri HD (HD – High Definition, высокое разрешение или высокая точность)
Тонер Epson AcuBrite со специальными цветными пигментами
Химический глянцевый тонер Uninet X-Generation от OKI (и тонер OKI Data)

Вице-президент отдела новых разработок в Katun Corporation - Роберт Мур заявляет, что новые технологии механического измельчения, не уступают химическому тонеру или даже превосходят его. На выходе физические и химические свойства частиц получаются одинаковыми. В итоге можно заметить, что способ производства не так уж важен, как свойства частиц и их поведение в определенных условиях. Все равно исходный материал во многих случаях совпадает и для химического и механического тонера.

Примеры использования химического тонера в лазерных картриджах:


Картридж XEROX 113R00668 для Phaser 5500 с химическим тонером	Картридж HP C8543Х для принтеров HP LaserJet с технологией интеллектуальной печати

Достоинства сферического тонера

У химического тонера есть очевидные плюсы. Поэтому все производители перешли на его использование в лазерных печатающих устройствах.

Технология выращивания тонера стоит не дороже обычной
Тонер позволяет получить более высокое разрешение и более мягкие переходы полутонов
Сферический тонер лучше обычного закрепляется на бумаге
Он оставляет меньше отходов, значит, его можно использовать более эффективно
Сферический тонер более экологичен. Вредные выбросы в воздух сокращены на 30-40%.

Ведущие мировые производители изучают химический способ получения тонера с 1960-х гг. В 1972 году в США был запатентован первый тонер, полученный химическим способом, точнее по технологии суспензии.

Только в 1998 году появились первые цветные принтеры (Canon CP660, HP CLJ4500, 8500) с химическим тонером, произведенным из суспензии.

Быстрому распространению инновационного расходного материала мешали технические проблемы с зарядом, очисткой, дисперсией, цветом тонера. А также защита интеллектуальной собственности.

Только в процессе разработки EA тонера (полученного методом эмульсионной аггрегации) было защищено свыше 400 патентов!

В настоящее время, сферический тонер полученным химический способом, используется в большинстве лазерных принтеров.

Если рассмотреть действие лазерного принтера, то можно увидеть, что все его составные элементы работают для качественного и точного переноса красящего состава на носитель изображения. Естественно, от характеристик тонера будет зависеть точность цветопередачи, воспроизведение контура рисунка и долговечность оттиска.

Рис 1 Емкости с цветным тонером

Компоненты тонера для цветной печати

Работы по созданию оптимального красящего состава не останавливаются. Эксплуатация принтеров требует эволюции красящего состава, требования к нему изменяются и иногда даже противоречат друг другу.

Требования, предъявляемые к цветному тонеру:

красящий порошок должен иметь заданные диэлектрические свойства, так как нанесение определенной полярности происходит за счет трибоэлектризации (электризации трением);
для качественного запекания на поверхности бумаги или других носителях
вязопластичные свойства тонера должны позволять его прочное закрепление при определенных температурах;
длительное время сохранять сыпучие свойства;
разброс по размерам частиц сухой смеси должен быть минимальным, от этого зависит прорисовка мелких деталей изображения;
цветной красящий порошок, необходимо изготавливать с точно заданным цветом и оптимальной прозрачностью для создания цветности определенного спектра (например, зеленого или фиолетового);
легко переносить повышенный температурный режим окружающей среды, чтобы отпечатанные изображения не плавились и не оставляли следов;
обладать заданной текучестью.

Компоненты

Концентрация,

в %

Воздействие на трибоэлектризацию

Функция

Добавка для сыпучести

Полимер. Длинная синтезированная молекула, легко удерживающая более мелкие молекулы других веществ. Распространено применение сополимеров стирола с акриловой кислотой или гликоля с эфирами янтарной и малеиновой кислот.

Пигмент. Искусственный или натуральный состав, придающий прозрачным молекулам полимера определенный цвет. Подбираются составы, не снижающие трибоэлектризацию порошка.

Добавка для сыпучести смеси. Снижает способность состава к излишней липучести. Используют стеарат цинка или окислы кремния. Способствует поляризации смеси.

Полимерный воск. Участвует в процессе термозакрепления и дополнительно служит смазкой для фьюзера. В основном это полипропилен или низкомолекулярный полиэтилен.

Регулятор заряда. Способствует обретению составом стабильного заряда нужной полярности и величины, необходимого для качественной трибоэлектризации. Используют соли кислот как органических, так и неорганических или четвертичные соли.

Рис 2 Геометрия гранулы тонера

Виды и классификация тонеров

Для ориентирования потребителей, тонеры классифицируют по следующим признакам:

цвет пигмента: черный или цветной;
магнитные свойства: имеются или отсутствуют;
приданная полярность: отрицательный заряд или положительный;
тип полимера, применяемый в синтезе: полиэстер или стирол-акрил;
технология производства: химическая или традиционная (обычная, механическая).

Обычный или традиционный тонер

До недавнего времени, изготовление порошкообразного красящего состава выполнялось путем измельчения основы до получения частиц определенных размеров. Последовательность изготовления:

в соответствии с рецептурой тонера, его компоненты смешиваются в определенных дозах;
смесь обрабатывается в экструдере, причем полимер расплавляется под действием высокой температуры, и, вследствие этого происходит гомогенизация состава (распределение компонентов в смеси становится равномерным);
остывший нитеобразный состав, проходит предварительное измельчение;
выполняется тонкий помол и разделение порошкообразной субстанции на фракции;
проводится обогащение измельченной краски поверхностными добавками.

Основными недостатками такого тонера считаются:

неоднородность пылеобразных частиц, разброс по размерам может быть значительным;
изломанная поверхностная форма, плохо поддерживающая четкость при печати.

Плюсом традиционного тонера считается его дешевизна.

Изготовление тонера химическим способом

Желание получить красящий состав с узким разбросом по основным характеристикам, привело научную мысль к формированию частиц с необходимыми данными в процессе полимеризации. Главным достоинством такого производства считается повышенный выход гранул с размерами 6-7 мкм.

Технологический цикл изготовления химического тонера объединяет процесс полимеризации и синтез полимерного связующего. Производители используют два распространенных способа полимеризации – эмульсионную или суспензионную. Результат в обоих случаях схожий, но различаются технологические приемы.

Ядро гранулы тонера состоит из легкоплавкого материала, парафина или низкомолекулярного полиэтилена.

Оболочкой служит синтезированный полимер, несущий в себе магнитные, пигментные и другие добавки, улучшающие перенос и закрепление тонера. В обязательном порядке включаются регуляторы заряда и различные модификаторы, улучшающие цветопередачу или придающие глянец отпечатку.

Добавление поверхностных агентов, на гранулы тонера, призвано улучшить реологические свойства смеси.

Гранулы изготовленного тонера имеют небольшой разброс по размерам, но могут быть разной формы, хотя и без острых углов. Полимерный красящий состав меньше травмирует светочувствительный барабан, более точно воспроизводит контуры изображения и отличается яркой, насыщенной цветопередачей.

Изготовленную смесь промывают и отфильтровывают, после сушки выполняют воздушную сортировку гранул.

Рис 3 Тонер различных производителей

Метод суспензии. Необходимые компоненты вносят в жидкую смесь мономеров. Интенсивно перемешиваемая взвесь соединяется с 5% раствором хлорида натрия и проводится полимеризация. Полученные частицы близки к шарообразной форме.

Метод эмульсионной агрегации. Технология подразумевает два этапа. В первом производится полимеризация мономера в тонкодисперсные гранулы. Во втором проводится коагуляция компонентов в гранулы с заданными характеристиками. Такая полимеризация производит частицы с минимально допустимым разбросом по размерам.

Химический тонер не имеет точной формулы, поэтому не всегда можно определить какие добавки имеются в гранулах и какие свойства заложил производитель в порошок. Ввиду этого рекомендуется придерживаться рекомендаций профессионалов при выборе тонеров для цветных принтеров.

Производство химического тонера дороже обычного. Но, больший выход частиц заданных параметров и соответственно более качественная печать дает химическому тонеру широкое распространение.

Сферизованный тонер

Гранулы шарообразной формы не только снижают износ барабанов и валов, но и позволяют получать отпечатки высокого качества при меньшем расходе тонера.

При обычной технологии изготовления тонера, для придания его гранулам шарообразной или овальной формы, прибегают к процессу «полировки» или оплавляют кратковременным термическим воздействием. Стоимость изготовления существенно повышается. К тому же гарантировать равномерное распределение добавок по частицам, при механическом дроблении сложно.

Рис 4 Сферизованный тонер

В химической технологии создание гранул близким к идеальной сфере и заданным размером, гораздо проще. Однородность распределения добавок при полимеризации намного лучше, чем у традиционного порошка.

Несмотря на его высокую стоимость, цветной сферизованный тонер находит широкое применение, особенно в светодиодных принтерах.

Улучшение свойств и качеств тонера привело к технологии изготовления капсулированных шарообразных гранул порошка. Когда более легкоплавкое ядро (1) заключено в тугоплавкую полимерную скорлупку (2).

Рис 5 Капсулированный тонер

Прочная оболочка капсулы повышает сыпучесть продукта и предохраняет внутренний состав от преждевременного размягчения при хранении. Такой тонер позволяет снизить температуру нагрева фьюзера, получить сочные и стойкие изображения. Габариты принтеров, использующих такой тонер, уменьшаются, а количество используемого порошка на один полноцветный отпечаток снижается почти на 30%.

Но, как и другие виды тонера, сферизованный красящий состав не избежал некоторых недостатков. Кроме повышенной стоимости тонера, к недостаткам можно отнести сложности с очисткой фоторецептора. Шарообразный тонер почти полностью переходит на бумагу, но все-таки некоторая его часть остается, и очистка ракелем тонкодисперсного сферического порошка не всегда достигает хороших результатов.

Выбирая тонер для принтера, приходится учитывать множество нюансов. Чтобы избежать неверного выбора и не подвергнуть детали печатающего устройства деформациям или преждевременному износу, обращайтесь за советом к специалистам.

В отличие от обыкновенного (механического) тонера, изготовленного путём дробления композиционной полимерной массы, химический тонер производится методом химического синтеза, что позволяет контролировать свойства конечного продукта, а также форму и размер частиц, что, в свою очередь, положительно сказывается на качестве печати. Тонер с меньшим размером частиц не только позволяет получать высокую чёткость изображения при печати с высоким разрешением, но и снижает уровень так называемого «блеска», даёт более мягкие переходы полутонов, лучше закрепляется на бумаге, а также уменьшает степень «скручиваемости страниц».

Существуют несколько способов производства химических тонеров (далее приведены некоторые из них).

1) Суспензионная полимеризация (полимерное гранулирование).

По сути, представляет собой процесс «окрашивания» частиц, подвергающихся полимеризации, необходимыми добавками.

2) Эмульсионная пульверизация.

Немного более сложный процесс, в котором частицы сначала смешиваются в специальном растворе, образуются частицы акрилового латекса, которые далее подвергаются окрашиванию.

3) Полиэфирная полимеризация.

Поскольку использование данного метода не позволяет контролировать размер частиц, то его часто используют в комбинации с другими методами, однако компании Ricoh удалось преодолеть данную проблему, используя специальные вещества «олигомеры» в процессе производства.

4) Химическое перемалывание.

Процесс, разработанный корейской компанией DPI Solutions, в ходе которого не применяется полимеризация. Этот метод также позволяет эффективно контролировать форму частиц.

За последние десятилетия в мире заметно выросла обеспокоенность экологической обстановкой, и поэтому следует заметить, что химический тонер существенно меньше загрязняет окружающую среду. При его производстве в воздух выбрасывается на 30-40% меньше углекислого газа и других веществ, нарушающих естественный природный баланс. Основным препятствием выбора в пользу химического тонера является более высокая цена последнего в сравнении с ценой механического тонера. Однако производством химического тонера уже активно занимаются такие компании, как Konica Minolta, Tomoegawa, Hitachi, Mitsubishi, Fuji Xerox и другие. Так что можно предположить, что через некоторое время химический тонер начнёт теснить на рынке своего механического собрата. Данная ситуация сравнима с заменой виниловых пластинок на лазерные диски.

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:

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.

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.

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.

Продолжение следует…

Читайте также: