|
|
"Świat Druku" - miesięcznik
Archiwum
Rok 2003
Maj
Tonery w druku elektrostatycznym - proces barwienia, właściwości i wpływ na jakość druku. Część II
|
Rodzaje tonerów i główne ich właściwości
Tonery są stosowane do barwienia drukowanych obrazów (tekstów, grafiki) w procesach druku elektrostatycznego, jonowego i magnetograficznego. Są to barwniki stałe, stanowiące proszek (tonery proszkowe, stanowiące ogromną większość tonerów) lub zawiesinę dyspersyjną proszkowego, pigmentowego barwnika w cieczy (tonery ciekłe, stosowane w niektórych urządzeniach drukujących wielkonakładowych - np. E-Print 1000, Indigo - rys. 10).
|
Ciekłe tonery dostarczane są przewodami do zespołu barwiącego przy bębnie drukującym. Znalazły one zastosowanie jedynie w dużych wielkonakładowych urządzeniach drukujących, ponieważ wymagają skomplikowanego systemu dostarczania barwnika. Nie można go zminiaturyzować i dlatego ta metoda barwienia nie może być stosowana w drukarkach biurowych. Jakość druku urządzeń drukujących z zastosowaniem tonera ciekłego jest bardzo dobra, zbliżona do jakości druków offsetowych.
Tonery proszkowe mogą być jedno-składnikowe - rys. 11ab, lub dwuskładnikowe - rys. 11c, gdzie cząstki barwnika (o wymiarach 1-2 µm) są transportowane na znacznie większych cząstkach nośnika (o wymiarach około 100 µm).
Tonery jednoskładnikowe są otrzymywane poprzez mielenie i segregowanie cząstek otrzymanych na drodze chemicznej (wtedy mogą mieć kształty zwykle wielościenne: sześcienne,[5] ośmiościenne,[5] rzadziej sferyczne[5]) lub ostatnio poprzez agregację emulsyjną[15, 16] polegającą na kontrolowanym narastaniu cząsteczek aż do określonego, zwykle kulistego kształtu i wymiarów rzędu kilku (3-5) µm.[16]
Proces agregacji emulsyjnej[15, 16] (rys. 12a) polega na kontrolowanym przebiegu wytwarzania podstawowych składników: lateksu (spolimeryzowanych cząstek estrów akrylowych i styrenowych z dodatkiem odczynników tworzących łańcuchy cząsteczkowe aż do wymiarów około 200 nm cząsteczek), dyspersyjnej zawiesiny cząsteczek barwników w zdejonizowanej wodzie oraz podobnej zawiesiny wosku polietylenowego. Te składniki podstawowe w obecności dodatków metalicznych jako koagulanta podlegają homogenizacji, w wyniku której powstają cząsteczki około 2,5-mikronowe, które następnie podlegają agregacji (skupianiu) w specjalnym reaktorze z podwyższoną temperaturą, gdzie cząsteczki rosną do wymiarów 4,8 mikrometra. Po dodaniu lateksu cząstki osiągają wymiary 5,5 mikrometrów. Następnie po wygrzaniu w temperaturze do 90oC i po ostudzeniu połączone (koalescencja) cząstki są myte w zdejonizowanej wodzie i suszone. Otrzymane cząstki mają bardzo jednorodne wymiary (rozkład wymiarów i porównanie z cząstkami otrzymywanymi poprzednio przedstawia rys. 12b).
Technologia agregacji emulsyjnej jest bardzo korzystną metodą otrzymywania tonerów - oprócz zapewnienia jednorodności budowy i właściwości tryboelektrycznych cząstek tonera jest ona mniej energochłonna, zapewnia mniejsze zużycie tonera (o około 40% w stosunku do tonerów o wymiarach 9 µm).[15] Obrazy wykonane takimi tonerami są bardziej ostre, a drukarki je stosujące są bardziej niezawodne. Brak jest szczegółowych informacji co do ewentualnych kłopotów ze stosowaniem tonerów o bardzo małych wymiarach ze względu na konieczność znacznie lepszego uszczelniania kartridży i ergonomicznych aspektów ich stosowania.
Tonery dwuskładnikowe składają się z dużych cząsteczek nośnika (o wymiarach rzędu 100 µm) z umieszczonymi na nich małymi cząstkami barwnika (o wymiarach rzędu pojedynczych µm - rys. 11c i 13b). W mechanizmach barwiących ze szczotką magnetyczną - rys. 13a - nośnikiem są cząstki materiału magnetycznego. Jako pigmenty używane są różne związki chemiczne, często: jako barwnik czarny - cząstki węgla, jako barwniki CMY - związki chemiczne na bazie nitro oraz sulfidy i cyjaniny. Ważną częścią barwnika są żywice, które spełniają funkcje kleju przylepiającego barwnik do papieru.
W rozwiązaniu na rys. 13a szczotka magnetyczna składa się z wewnętrznego magnesu trwałego i obracającej się na nim tulei z tonerem. Magnetyczne cząstki nośnika przylegają do obracającej się tulei i transportują go wraz z barwnikiem do bębna drukującego. Barwnik jest przenoszony na bęben drukujący, a cząstki nośnika wracają z tuleją do zbiornika tonera. Naładowane cząstki barwnika przylegają do naświetlonych elementów bębna drukującego (o innym niż cząstki nienaświetlone bębna drukującego potencjale) i są na nim przenoszone do udziału w dalszych etapach druku. Cząstki nośnika wracają do zbiornika kartridża i zostają w nim wzbogacone barwnikiem. Oprócz nośników magnetycznych stosowane są także inne, np. na bazie żywic poliestrowych, w obecności często skomplikowanych komponentów chemicznych (różnych w zależności od stosowanego tonera). Skład i produkcja tonerów jest przedmiotem wielu patentów; najnowsze z nich zostały zgłoszone we wrześniu 2002 r.[19] Tonery w nich opisane są wykonywane z reguły na bazie żywic poliestrowych, z dodatkami wosków, nieorganicznych cząstek (np. aluminium - patent US 6447970) i barwników poszczególnych barw podstawowych CMYK. Patenty podają składy tonerów i przykładowe ich własności fizykochemiczne (stosunek mas poszczególnych składników, ich składy chemiczne, dodatkowe domieszki, np. wodorotlenku potasu KOH itd.).
Produkcja tonerów dwuskładnikowych polega na umieszczaniu cząstek barwnika na cząstkach nośnika i realizowana jest w skomplikowanych procesach fizykochemicznych.
Właściwości tonerów wpływają na jakość druków realizowanych w technologiach elektrostatycznych. Przykładowo: zastosowanie tonerów wykonanych poprzez agregację emulsyjną zwiększa wielkość gamutu barwnego otrzymanych obrazów (rys. 14a), umożliwia odtworzenie większej liczby odcieni obrazu w stosunku do obrazów wykonanych tonerem konwencjonalnym. Jest to możliwe dzięki mniejszym wymiarom cząsteczek barwnika i dużej ich jednorodności.
Każda zmienność wymiarów cząstek barwnika na bębnie drukującym i w konsekwencji na papierze znacznie zmienia odległości cząstek między elementami, pomiędzy którymi przenoszony jest toner, a także między papierem a rolkami utrwalającymi. Powoduje to zmiany sił elektrostatycznych i powierzchniowych w strefie przenoszenia barwnika i jego utrwalania i pogorszenie jakości obrazu.
Charakterystycznym dla druków wykonanych w technologii zapisu elektrostatycznego jest to, że przy zróżnicowanych wymiarach cząsteczek barwnika powstają na obrazach, szczególnie widoczne na dużych powierzchniach zabarwionych, smugi (tzw. banding).[20] Gdy cząstki tonera są mało zróżnicowane, smużenie nie występuje.
Smużenie może także być powodowane biciem promieniowym bębna drukującego, zmianami prędkości obrotowej bębna, brakiem synchronizacji mechanicznych zespołów drukarki. Japończycy17) opracowali specjalny program automatycznej regulacji parametrów pracy drukarki laserowej zapobiegający tym niekorzystnym zjawiskom.
W wydrukach ze starszych typów drukarek laserowych i starszych kopiarek można zauważyć także, że większe powierzchnie zabarwione mają w środku obrazu znacznie mniejsze zabarwienie, a nawet mają przerwy w zabarwieniu. Skutki tego zjawiska definiuje parametr jakości druku - tzw. ubytki (voids) (rys. 14b).[20] Jest to stosunek sumy pól wewnętrznych powierzchni obrazu nie zabarwionych do całkowitej powierzchni badanej próbki.
W bardziej nowoczesnych rozwiązaniach elektrostatycznych mechanizmów piszących dzięki mniejszemu zróżnicowaniu cząstek tonera oraz bardziej precyzyjnemu rozkładowi ładunków pola elektrostatycznego ubytki nie występują lub są bardzo ograniczone.
Innym błędem obniżającym jakość druków elektrostatycznych (przy braku ścisłej synchronizacji etapów druku, a szczególnie dokładnego zrównania szybkości obwodowej bębna przekazującego toner na papier i szybkości przesuwu papieru) jest rozmazanie krawędziowe zapisywanych znaków pisarskich, linii i innych obrazów.
Ogólnie jakość druków elektrostatycznych jest bardzo dobra. Inne wydruki są do nich porównywane. Wymaga to jednak bardzo starannego przestrzegania parametrów procesów druku.
Posumowanie
Z przeprowadzonej analizy można wyciągnąć kilka wniosków ogólnych:
• Tonery odgrywają decydującą rolę w procesach druku elektrostatycznego.
• Nowa technologia produkcji tonerów (agregacja emulsyjna) umożliwia kontrolowane wytwarzanie cząstek tonerów o małych wymiarach (rzędu 5 µm) i jednorodnych właściwościach fizykochemicznych. Jest ona podstawą obecnego rozwoju druku elektrostatycznego.
• Zastosowanie nowych tonerów i jednoprzebiegowych urządzeń drukujących prowadzi do znacznego (nawet czterokrotnego) zwiększenia szybkości druku i polepszenia jakości otrzymywanych wydruków.
• Technologia druku elektrostatycznego (laserowego i elementami LED) ma zastosowanie w znaczącej części urządzeń drukujących (zarówno drukarek komputerowych, jak kopiarek i drukujących urządzeń wielkonakładowych) i szybko się rozwija.
Literatura
1. H. Kipphan, Handbook of Print Media, Springer Verlag, Berlin Heidelberg New York, 2001 (rozdz. 5, Printing technologies without a Printing Plate, s. 676-700; rozdz. 4.5.1, Printing systems based on electrophotography, s. 658-664).
2. R. Socha, Jednoprzebiegowe technologie cyfrowego druku kolorowego, prezentacja ACS, 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, Internationale 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 of Imaging Science and Technology Seattle”, 1997, z. 2, s. 144.
6. N. Mitsui, Molecular Structure od Charge Control Agents (CCA) and Toner Triboelectrification, „Journal of Imaging Science and Technology”, 2000, z.1, s. 36.
7. Clariant, Products for Electrophotographic 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 Conference of Digital Printing Technologies, Toronto 1998, s. 378.
10. L. Schein, Electric Field Theory of Toner Charging, „Journal of Imaging Science and Technology”, 2000, z. 6, s. 475.
11. B. Gady, D. Quesnel, D. Rimal,... Effects of Silica Additive Concentration on Toner Adhesion, Cohesion, Transfer and Iamge Quality, „Journal of Imaging Science and Technology”, 1999, z. 3, s. 288.
12. S. Hwang, Toner Penetration into Paper at Fusing, „Journal of Imaging Science and Technology”, 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 of Imaging Science and Technology”, 2002, z. 4, s. 313.
14. I. Song, J. Shin, K. No, Characteristic Analysis for Color Development Process Using Liquid Toner, NIP 15, International Conference of Digital Printing Technologies, Orlando 1999, s. 380.
15. Innowacje firmy Xerox - informacja, „Świat Druku”, 2002, z. 9, 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 Oce’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 „Mea-surement of image quality attributes for hardcopy output”, 2001.
|
|
|
|
