|
|
"Świat Druku" - miesięcznik
Archiwum
Rok 2003
Kwiecień
Tonery w druku elektrostatycznym - proces barwienia, właściwości i wpływ na jakość druku. Część I
|
Wprowadzenie
Cyfrowy druk elektrostatyczny znajduje szerokie zastosowanie zarówno w monochromatycznych drukarkach biurowych (drukarki laserowe i LED używane przez indywidualnych użytkowników i w biurach, np. szereg drukarek Hewlett-Pack-ard, Oki, Kyocera Mita itd.), w mocno obciążalnych barwnych drukarkach stronicowych (stosowanych w sieciach komputerowych i agencjach reklamowych, np. Phaser 6200 firmy Xerox Tektronix, Hewlett-Packard HP 4600, Oki C7000, QMS Magi Color 3100, Ricoh Afficio 3800C, Epson AcuLaser C4000, Kyocera FS 8000C, w drukarko-kopiarkach i kopiarkach, np. Xerox DC12, Ricoh Afficio 6110, Canon CLC 1150, Sharp AR-C150, jak i w cyfrowych urządzeniach drukujących wielkonakładowych, np. Xerox, Xeikon, HP Indigo 9100.
|
Rozwój elektrostatycznych urządzeń drukujących wyraża się obecnie szczególnie poprzez zwiększenie rozdzielczości i szybkości druku pełnokolorowego, zmniejszenie kosztów druku. Rozwój ten jest realizowany w dużej mierze wskutek polepszenia właściwości stosowanych barwników - tonerów.
Zestawienie podstawowych właściwości drukarek elektrostatycznych podaje tablica 1.
Szereg czołowych producentów urządzeń druku elektrostatycznego wprowadziło ostatnio nowe tonery, o zmodyfikowanych właściwościach umożliwiających druk o znacznie lepszych niż poprzednio parametrach technicznych. Są to przede wszystkim firmy: Xerox, HP, Oki, Epson oraz wiele innych, korzystających z najnowszych mechanizmów drukujących Fuji-Xerox.
Większość etapów druku elektrostatycznego (rys. 1): ładowanie półprzewodnikowej powierzchni bębna drukującego, wprowadzanie informacji przez naświetlanie zmodulowaną wiązką świetlną, barwienie, przekazywanie barwnika na papier, naświetlanie i czyszczenie bębna, jest bezpośrednio związana z tonerem.[4] Dlatego właściwości tonera decydują o całym procesie druku.
W kolorowym druku elektrostatycznym zdecydowaną większość stanowią drukarki wykorzystujące cztery podstawowe barwy CMYK. W prostszych rozwiązaniach drukarek i kopiarek (szczególnie biurowych) stosowany jest powszechnie druk monochromatyczny (czarno-biały).
Wśród urządzeń druku elektrostatycznego zasadniczo występują urządzenia z laserowym wprowadzaniem danych (stosuje je większość producentów) oraz urządzenia z wprowadzaniem informacji poprzez matryce elementów LED (czołowym producentem jest tu firma Oki w odniesieniu do drukarek biurowych oraz firmy Agfa i Xeikon - w odniesieniu do dużych urządzeń wielkonakładowych).
Pojawia się coraz to więcej różnych rozwiązań konstrukcyjnych mechanizmów drukujących stosowanych w tej technologii druku. Obok wieloprzebiegowych urządzeń drukujących (rys. 2) coraz częściej stosowane są drukarki i duże urządzenia jednoprzebiegowe.
W urządzeniach wieloprzebiegowych jeden zespół drukujący wykonuje po jednym cyklu roboczym na każdą barwę podstawową. Urządzenia są wyposażone w pośredni zbiorczy nośnik cząstek tonerów poszczególnych barw (bęben lub taśma zbiorcza). Mają one jeden światłoczuły bęben drukujący i wiele (tyle, ile stosują barw podstawowych) zespołów barwiących, rozwiązanych na zasadzie przesuwu liniowego lub obrotu, jako zespoły karuzelowe (rys. 3).
Urządzenia jednoprzebiegowe zawierają oddzielne zespoły drukujące dla każdej barwy podstawowej, a barwnik jest przekazywany na medium (zwykle papier) w jednym cyklu przekazywania tonera. (rys. 4 i 5).
Duża liczba zespołów drukujących podwyższa co prawda koszt urządzenia, ale są to zespoły powtarzalne, różnią się tylko barwą stosowanych tonerów. Jako nośnik pośredni tonera w drukarkach jednoprzebiegowych może być użyty bęben (rys. 4b) lub taśma pośrednia (rys. 4c). Barwnik może być w nich przenoszony bezpośrednio na papier - rys. 4a, lub na taśmę - rys. 4c, albo na bęben zbiorczy - rys. 4d.
W systemie druku jednoprzebiegowego jeden, zwykle prostoliniowy przesuw papieru umożliwia znaczne (np. czterokrotne) zwiększenie szybkości drukowania. Dlatego systemy te są rozwiązaniami bardziej nowoczesnymi, zapewniają dużą szybkość drukowania, wymagania dokładności ich zespołów transportu papieru są znacznie mniejsze niż w systemach wieloprzebiegowych. Jednocześnie przy pionowym prowadzeniu papieru (rys. 5a, b, c) umożliwia to realizację bardzo korzystnej dla użytkownika cechy - otworzenie klapy frontowej drukarki umożliwia bardzo łatwy dostęp operatora do papieru, jak i do wszystkich podzespołów drukarki, co jest, np. przy wymianie części eksploatacyjnych, dużą zaletą konstrukcji - ułatwia wymianę elementów eksploatacyjnych i skraca czas wymiany.
Analiza procesu barwienia w druku elektrostatycznym
Poszczególne etapy procesu technologicznego druku elektrostatycznego są nierozerwalnie związane z tonerem. Umieszczanie tonera na fotorezystywnym bębnie lub taśmie drukującej drukarki, przekazywanie barwnika na nośnik pośredni i w końcowym efekcie na papier - decydują o jakości druku, mają decydujący wpływ na szybkość drukowania.
Pozostałe funkcje - naświetlanie i czyszczenie bębna drukującego - przygotowują jego powierzchnię do dobrego przyjęcia tonera. Jedynie zespół naświetlania, wprowadzania informacji działa niezależnie od tonera, ale i on przygotowuje naładowaną powierzchnię bębna drukującego do dobrego przyjęcia tonera.
Podstawowymi funkcjami drukarki związanymi z tonerem, realizowanymi przez elektrostatyczne urządzenie drukujące, są:
• elektrostatyczne ładowanie cząstek tonera (realizowane na drodze tarcia między przemieszczanymi cząstkami tonera)
• przekazywanie naładowanych cząstek na fotorezystywną powierzchnię poprzednio naelektryzowanego nośnika drukującego (bęben lub taśma drukująca), rozładowanego częściowo podczas naświetlania wprowadzającego obraz do drukowania
• przekazywanie cząstek tonera poszczególnych barw podstawowych na nośnik pośredni (bęben lub pośrednią taśmę zbiorczą)
• przekazywanie tonera na papier lub inne medium
• utrwalanie cząstek tonera na papierze (lub innym medium, np. folii transparentnej).
Przekazywanie barwnika z kartridża na bęben drukujący realizowane jest elektrostatycznie, czasami za pomocą tzw. szczotki magnetycznej (kiedy cząstki tonera jednoskładnikowego lub cząstki nośnika barwnika - w tonerze dwuskładnikowym - mają własności magnetyczne). Podczas przemieszczania tonera jest on poprzez tarcie ładowany ładunkiem elektrycznym. Wartość tego ładunku charakteryzuje ważny parametr tonera: stosunek ładunku elektrostatycznego do masy cząstki tonera q/m. Zależy on od rodzaju materiału, z jakiego jest wykonany toner (od jego właściwości chemicznych i fizycznych), i od mechanicznych cech cząstek, przede wszystkim od ich masy.[8]
Wartość parametru q/m warunkuje przyczepność tonera do naładowanego elektrycznie bębna, koncentrację cząstek tonera na bębnie i potem - na papierze, wpływa na jakość druku.
Cząstki tonera są często modyfikowane poprzez liczne dodatki chemiczne zmieniające ich właściwości. Zmiany te zachodzą w procesie wytwarzania tonera; przykładowo polegają na nitryfikacji tonera przez nasycanie go cząstkami azotu, nasycanie dwutlenkiem krzemu SiO2.[5, 11]
Poszczególni producenci tonerów opracowali własne czynniki aktywizujące cząstki tonera, w postaci tzw. odczynników CCA (Charge Control Agent). Zmieniają one własności tonera charakteryzujące wydajność ładowania elektrostatycznego, szybkość ładowania i stabilność własności tonera.[6, 7] Jak wykazały najnowsze badania,[6, 8] stabilizują one proces ładowania elektrostatycznego tonera, umożliwiają określenie polaryzacji i otrzymanie żądanej wartości ładunku na cząsteczkach tonera. (rys. 6) W tonerach ładowanych ładunkiem dodatnim stosunek q/m jest liniowo zależny od ilości domieszkowanego odczynnika CCA. Dla tonerów ładowanych ujemnie zależność ta nie jest liniowa.
Przy podawaniu własności tonera firma Clariant podaje: rodzaj stosowanego CCA, wielkość cząsteczki tonera, oporność właściwą i odporność na działanie światła.
Cząstki tonera mogą być ładowane ładunkiem dodatnim lub ujemnym odpowiednio dla danej technologii druku i sposobu ładowania powierzchni bębna drukującego.
W nowych rozwiązaniach drukarek zastosowano automatyczny sterowany mikroprocesorowo pomiar zarówno ilości tonera, jak i jego ładunku[19] elektrostatycznego, oraz regulację napięcia zasilającego urządzenie ładujące bęben drukujący (OPC) i auto-matyczne dostosowanie wartości napięcia do własności tonera i samego bębna.19) Daje to w efekcie praktycznie jednakowy wydruk w czasie całej eksploatacji tonera. Drukarka sygnalizuje też operatorowi, ile formatów może jeszcze zadrukować i kiedy powinien wymienić toner. W sieciowych zastosowaniach drukarek możliwy jest zdalny monitoring stanu pracy drukarki (prowadzony np. przez zbiorczy punkt serwisowy) i ciągła kontrola pracy drukarki.
W procesie przekazywania barwnika między bębnem fotorezystywnym a nośnikiem pośrednim i następnie z niego na papier ważna jest przede wszystkim siła adhezji cząstek tonera. Zachodzą tu dwa zjawiska: oddziaływanie międzycząsteczkowych sił van der Wallsa między cząstkami tonera, a także między tonerem a cząstkami podłoża, na którym jest on umieszczony, oraz oddziaływanie sił pola elektrostatycznego między tonerem a powierzchnią, na którą powinien być on przeniesiony.
Adhezja tonera jest przedmiotem bardzo licznych prac naukowych[8, 10, 13, 14, 15] i w zależności od zróżnicowanych warunków prowadzonej analizy (zmienne w bardzo dużych granicach własności stosowanych tonerów: kształtów i masy ich cząsteczek, ich materiału zróżnicowanego ze względu na składy chemiczne, występujących w nich odczynników CCA, zmiennych wartości i polaryzacji pola elektrostatycznego, zmiennych materiałów, między którymi przenoszony jest toner) zdania poszczególnych badaczy co do dominacji poszczególnych sił są podzielone. Podstawowym problemem jest określenie udziału wpływu sił międzycząsteczkowych van der Wallsa i sił elektrostatycznych. Najnowsze badania wskazują, że zależą one bardzo mocno od wymiarów cząsteczek tonera i im cząstki są mniejsze, tym bardziej rośnie wpływ sił van der Wallsa. Duże znaczenie ma też wartość parametru q/m cząstek tonera. Ogólnie przyjęto, że dla tonerów o wymiarach cząstek mniejszych od 13 µm w odrywaniu cząstek tonera i przemieszczaniu ich na kolejną powierzchnię (nośnika pośredniego lub potem papieru) decydujące znaczenie mają siły międzycząsteczkowe, dla tonerów o cząstkach większych - siły elektrostatyczne. Przykładowo wartość sił van der Wallsa (teoria Johnsona, Kendalla i Robertsa) określa zależność[8]
Fp = -3/2 wA p R
gdzie:
Fp - siła oddziaływania międzycząsteczkowego
wA - praca termodynamiczna tonera i podłoża wA = gp + gs - gps
(gp, gs, gps) - odpowiednie napięcia powierzchniowe)
R - promień cząstki tonera.
Siła oddziaływania pola elektrostatycznego określana jest według Scheina[10] zależnością:
Fe = 1/4 peo × q2 / 4 r2
gdzie:
Fe - siła adhezji pochodząca od pola elektrostatycznego
eo - stała dielektryczna powietrza
q - ładunek elektrostatyczny cząstki
r - promień cząstki tonera
Powyższe zależności wskazują, że najważniejszymi parametrami procesu przekazywania tonera są wymiary cząsteczki tonera, jej ładunek elektrostatyczny, parametry powierzchni podłoża, na którym umieszczony jest toner.
Po przeniesieniu tonera na papier jest on utrwalany w warunkach podwyższonej temperatury i zgniotu (rys. 7). Zespół utrwalający (fuser) stanowią dwie dociskane do siebie rolki, pomiędzy którymi przechodzi papier z tonerem. Jedna z nich jest ogrzewana.
Konieczność ogrzania rolki do określonej temperatury utrwalania na początku działania drukarki elektrostatycznej znacznie opóźnia czas uzyskania pierwszej kopii, pierwszego wydruku.
W procesie utrwalania następuje topienie tonera, jego penetracja w pory papieru i układanie się jego cząstek w warstwie na papierze. Głębokość wnikania tonera zależy od lepkości tonera, ciśnienia w strefie utrwalania, grubości warstwy tonera na papierze[12] (rys. 8).
Wysoka temperatura w strefie utrwalania jest powodem odkształceń papieru, na którym utrwalany jest toner. W zależności od budowy papieru (powlekany czy nie) oraz od jego wilgotności wygięcie papieru po utrwaleniu może być dodatnie lub ujemne.[12]
Analizy teoretyczne i próby doświadczalne[12] wskazują, że proces utrwalania zachodzi przy temperaturze około 200oC rolki ogrzewanej i 130oC tonera, przy ciśnieniu w strefie utrwalania około 1 MPa.
Analiza poszczególnych faz barwienia obrazu w druku elektrostatycznym wskazuje, że najistotniejszymi właściwościami tonerów są wymiary ich cząsteczek (im są one mniejsze, tym lepiej można prze-nosić cząstki tonera), własności tryboelektryczne (w tym przede wszystkim stosunek q/m ładunku cząsteczki do jej masy). Ważne są także parametry materiałów foto-rezystywnych i papieru biorących udział w procesie druku.
Analiza funkcji realizowanych przez elektrostatyczne mechanizmy drukujące umożliwia zrozumienie działania ich zespołów i ocenę ich wpływu na jakość i szybkość druku. Bieżące badania zachowania się tonerów wskazują na trendy rozwojowe technologii druku elektrostatycznego, na właściwości i kierunki rozwoju produkcji i zastosowania tonerów. Obecnie ukierunkowane są one na ujednolicenie kształtów, wymiarów i właściwości stosowanych tonerów, przede wszystkim poprzez zastosowanie tzw. agregacji emulsyjnej tonerów. Jest to chemiczna metoda wytwarzania cząstek tonera z kontrolowanym narastaniem wielkości, kształtu i parametrów tryboelektrycznych cząsteczek polimerowych o wielkości od 3 do 5 µm. Metoda ta oprócz polepszenia właściwości tonera daje znaczne zwiększenie jakości druku i zmniejszenie kosztów produkcji i ilości stosowanego tonera.[9, 16]
Dzięki zastosowaniu nowej technologii wytwarzania tonera druk elektrostatyczny szybko się rozwija. Oprócz konstruowania nowych modeli urządzeń drukujących prowadzone są bardzo liczne prace podstawowe, mające na celu dalszy rozwój technologii druku elektrostatycznego. Wyniki tych prac są pozytywne. Przykładem może być tu wprowadzana przez firmę Océ technologia druku oparta na bezpośrednim wprowadzaniu tonera na bęben drukujący (zespoły elektryzowania elementów bębna drukującego i wprowadzania informacji są w niej zawarte wewnątrz bębna).[18] Bezpośrednie nanoszenie tonera przez rolkę podającą toner, która toczy się po bębnie drukującym (rys. 9) zastosowała też firma Hewlett Packard w drukarce HP 4600 i HP 5500.[16, 19] Takie rozwiązanie jest tańsze od tradycyjnie stosowanej do przenoszenia tonera szczotki magnetycznej.
Jakość wydruków z urządzeń druku elektrostatycznego jest bardzo dobra. W dużej mierze zależy od stosowanego tonera i dlatego podjęto próbę analizy tonerów i ich właściwości.
dr inż. Ludwik Buczyński
Instytut Fotoniki i Mikromechaniki
Politechniki Warszawskiej
Literatura
1. H. Kipphan, Handbook of Print Media, Berlin Heidelberg New York, 2001, s. 658-664; 676-700.
2. R. Socha, Jednoprzebiegowe technologie cyfrowego druku kolorowego, Warszawa 2002.
3. H. Yamamoto, H. Terada, N. Katakabe, Y. Urata, Color Laser Printer Using All-in-One Cartridges, „Journal of Imaging Science and Technology" 2000, z. 5, s. 466-470; oraz NIP 15, International Conference on Digital Printing Technologies, Orlando 1999, s. 474.
4. L. Buczyński, Technologie kolorowego druku laserowego, „Świat Druku”, 2000, z. 5, s. 28.
5. W. Lee, Y. Takahashi, Dependence of Triboelectric Charging Cahacteristics of Two-Component Developers on External Additives, NIP 13, Triboelectrification, „Journal...”, 1997, z. 2, s. 144.
6. N. Mitsui, Molecular Structure od Charge Control Agents (CCA) and Toner Triboelectrification, „Journal...”, 2000, z. 1, s. 36.
7. Clariant, Products for Electrophotograspfic Toners, 1999, s. 3.
8. R. Nash, M. Grande, R. Muller, The Effect of Toner and Carrier Composition on the Average and Distributed Toner Charge Values, NIP 14, International Conference of Digital Printing Technologies, Toronto 1998, s. 332.
9. M. Edwards, G. Ellis, D. Morris, .../... Chemical Toners from a Latex Aggregation Process, NIP 14, International..., Toronto 1998, s. 378.
10. L. Schein, Electric Field Theory of Toner Charging, „Journal...”, 2000, z. 6, s. 475.
11. B. Gady, D. Quesnel, D. Rimal,... Effects of Silica Additive Concentration on Toner Adhesion, Cohesion, Transfer and Image Quality, „Journal...”, 1999, z. 3, s. 288.
12. S. Hwang, Toner Penetration into Paper at Fusing, „Journal...”, 2000, z. 1, s. 26.
13. R. Nash, M. Grande, R. Muller, CCA Effects on the Triboelectric Charging Properties of a Two-Component Xerographic Developer, „Journal...”, 2002, z. 4, s. 313.
14. I. Song, J. Shin, K. No, Characteristic Analysis for Color Development Process Using Liquid Toner, NIP 15, International..., Orlando 1999, s. 380.
15. Innowacje firmy Xerox - informacja, „Świat Druku” 9/2002, s. 5.
16. Jednoprzebiegowa kolorowa drukarka laserowa HP 4600 - notatka „Świat Druku”.
17. Y. Matsumura, P. Burns, T. Fuchiwaki, Encapsulated Emulsiaon Aggregation Toner for High Quality Color Printing, NIP 17, International Conference of Digital Printing Technologies, Fort Lauderdale, 2001, s. 341.
18. M. Slot, R. Meer, Smart Print-head Electronics Control s Print Quality in Océ’s Direct Imaging Process, NIP 17, International Conference of Digital Printing Technologies, Fort Lauderdale, 2001, s. 690.
19. Patenty USA nr. 66451495, 6448990, 6447971, 6447970, 6447969, 6444389, 6444388.
20. Norma ISO/IEC 13660 „Measurement of image quality attributes for hardcopy output”, 2001.
|
|
|
|
