Электрофотографические тонеры нового поколения с улучшенными характеристиками

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 существовалиPanasonic 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 Федорованаучно-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.

Выводы

В ходе выполнения диссертационной работы были решены задачи анализа и выбора наиболее востребованных способов проявления электрофотографического процессасформулированы условия эффективной работы системы проявления с зазоромисследованы свойства тонера и изучены его размерные характеристикипроведено сравнение адгезии для коммерчески доступных тонеров и выполнен расчет интервала напряжениясформирован состав тонерных смесей, пригодных для проведения экспериментовизучено влияние режимных параметров введения добавки на значение заряд/массав соответсвии со стандартом 180/1ЕС 13 660:2001 были изучены параметры отпечатков, полученных при использовании различных тонерных смесейдано теоретическое обоснование снижения адгезииполучено 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 О^Е должны быть больше адгезии тонера Га

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 0⁴⁰⁰ 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 13 660:2001 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 заряд/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.