Тонер

Электростатические, электрофотографические и ксерографические печатающие устройства все используют электрический заряд, передаваемый на непроводящую поверхность, которая либо притягивает, либо отталкивает тонер. Существуют несколько типов электростатических процессов: прямая электростатическая печать, цветная и электронная ксерография.
Экспонируемый материал представляет собой термопластический материал (содержащий сажу), используемый для создания изображения. Первые тонеры были использованы в 1938 году, когда Честер Карлсон и Отто Корней провели эксперименты по электрофотографии, используя порошок для перенесения отпечатываемых изображений на лист бумаги. Данные эксперименты были проведены в периоде 1944 по 1948 год. В 1950 году компания Xerox представила продукт экспериментов — первое ксерогра-фическое копировальное оборудование. С момента представления данного оборудования тонер стал одним из наиболее популярных средств формирования изображения.
Существуют три основные группы тонеров:
двухкомпонентные;
однокомпонентные;
жидкие.
Двухкомпонентные тонеры — наиболее популярный тип среди используемых в настоящее время тонеров. Он состоит из двух отдельных частей — тонера и частиц-носителей. Существуют три основных способа проявки двухкомпонентных тонеров, наиболее распространенным из которых является каскадное проявление. Данный метод основывается на электрификации трением — процессе возбуждения частиц тонера при помощи электрического (статического) заряда посредством трения. Трибоэлектризация заставляет возбужденные частицы притягиваться к носителям. Размеры тонера колеблются от 3 до 30 рм, в зависимости от разрешения печатаемого изображения. Чем выше разрешение, тем меньшего размера требуются частицы тонера. Двухкомпонентный тонер используется в более чем 90% современных ксерографических копировальных устройств и цифровых печатных машин. В печатных машинах, таких как Xeikon и Xerox Docutech, для формирования изображений используются двухкомпо-нентные тонеры. В цветной ксерографии используется предварительно заряженный барабан либо лента, проводящие заряд только при световом воздействии.
Далее применяется сканирующий лазер, с помощью которого разряжается пояс или барабан, что приводит к созданию невидимого изображения.
Тонер, содержащий крошечные частицы железа притягивается магнитным полем к необходимым областям изображения и отталкивается ото всех прочих. Затем данное изображение переносится на валик, совмещающий все четыре цвета, после чего изображение электростатическим способом переносится на бумагу, где оно закрепляется благодаря высокой температуре и давлению. Одно-компонентные тонеры отличаются от двухкомпонентных тем, что для их проявки не требуется использовать частицы-носители. Существует несколько способов сообщения заряда однокомпонен-тным тонерам: с помощью индукции, контакта, коронного разряда, пучка ионов либо перемещающихся электрических полей. Наиболее простым и широко распространенным среди них является сообщение заряда посредством индукции. При этом проводящая частица, находящаяся на отрицательно заряженной поверхности, получает отрицательный заряд, а, поскольку одноименные заряды отталкиваются, отрицательно заряженная частица отталкивается от отрицательной пластины и притягивается к положительной. В ходе данного процесса частицы теряют отрицательный заряд и становятся положительно заряженными. После получения заряда частицы можно перенести на запечатываемый материал. В большинстве непрофессиональных принтеров используется один из вышеуказанных методов сообщения заряда однокомпонентному тонеру.
В принтерах, использующих прямой электростатический метод, заряд направляется непосредственно на бумагу с особым покрытием. Затем жидкие частицы
тонера распространяются по поверхности бумаги, где притягиваются к заряженным областям. Оттолкнутые частицы тонера удаляются со страницы до следующего цветопрогона (краскопрогона с тонером другого цвета). После нанесения всех цветов, тонер «вплавляется» в запечатываемый материал. Данную технологию можно легко адаптировать под крупноформатную печать. Преимущество применения жидкого тонера заключается в том, что он состоит из более мелких частиц, которые можно использовать для получения оттиска высокого разрешения. Жидкие тонеры состоят из красящего порошка и растворителя. Именно использование растворителя вместо проявителя делает их жидкими. Растворители, входящие в состав жидких тонеров, не проводят электрический ток и состоят главным образом из частиц термопластической смолы, взвешенных в насыщенном углеводороде. Во многих отношениях жидкостное проявление связано или рассматривается наряду с порошковой проявкой. В обоих случаях свободно перемещающийся заряженный тонер движется под воздействием электростатического поля.
Система Indigo Electro Ink является разновидностью ксерографии, в которой используется жидкий тонер. Жидкий тонер заряжается с помощью электростатического электричества и направляется на фоторезистор, где он либо притягивается, либо отталкивается. На офсетном полотне формируется полицветное изображение, композитные цвета которого переносятся на бумажный носитель. Преимуществом жидкого тонера является то, что при его использовании получаются мелкие точки, с помощью которых можно добиться очень высокого разрешения. На данной технологии основана работа системы Indigo E-Print 1000.
К устройствам термического переноса относятся термовосковые принтеры, а также принтеры с термической возгонкой красителя. В рамках технологий термического переноса используются трех-(CMY) или четырехцветные (CMYK) красящие ленты и специальная бумага, движущиеся одновременно под термоголовкой. В нагреваемых областях чернила вплавляются в бумагу. Данная технология требует 3—4 прогона через термоголовку (в зависимости от использования трех- или четырехцветной красящей ленты). В результате получаются однобитные точки основных цветов.
Примером термовоскового принтера является система QMS ColorScript 230.
При термической возгонке красителя используется аналогичная технология; особенность заключается в том, что используемые в процессе чернила переходят в газообразное состояние. В рамках данного метода термоголовка должна нагреться до гораздо большей температуры, однако это обеспечивает более точный контроль за печатью, а также более мелкие точки, что позволяет передавать многобитные цвета. В результате создается иллюзия непрерывного тона. Газ, передающий цвет и тон, полностью покрывает передаваемую точку. При меньшей подаче чернил изменяется тон точки. Что касается термовоска, то он, наоборот, закрывает только половину площади точки, при этом остальная часть ячейки остается белой. Использование для каждого изображения новых расходных материалов (в большинстве случаев, красящих лент) обеспечивает постоянную стоимость страницы, вне зависимости от числа используемых при печати цветов.
На протяжении нескольких десятилетий производители чернил искали новые виды сырья, которые бы отвечали экономическим и экологическим требованиям. Например, в некоторых составах вместо нефтяных масел стали использоваться масла растительного происхождения, такие как соевое и льняное, в других вода стала заменять летучие растворители, при этом пигменты стали проходить специальный отбор во избежание использования в чернилах тяжелых металлов, особенно в тех, что используются на упаковке игрушек и продуктов питания. Адаптация технологии под тот или иной процесс или продукт может быть достаточно сложной.
Для успешной разработки технологии электронной печати используются знания во многих научных дисциплинах. Взаимодействие чернил или тонера с печатным механизмом и запечатываемым материалом требует тщательного изучения. Кроме того, необходимо спрогнозировать и контролировать качество конечного оттиска. Принимая во внимание все варианты настроек печатной машины, тип запечатываемого материала, а также требования по эксплуатации продукции, становится очевидным, что перед производителями чернил стоит непростая задача. Будут ли печатная краска и тонер конкурентоспособны в коммерческом плане по отношению к краскам, используемым в офсетной печати? Несомненно, их использование кажется привлекательным, поскольку оно позволяет избавиться от валиков, системы увлажнения и печатных форм; кроме того, для него не требуется фотоформы (пленки). С другой стороны, у технологии есть и свои недостатки, среди которых выделяются цена оборудования, ограниченное разрешение популярных в настоящее время струйных принтеров, а также ограниченность в количестве чернил. В полиграфии прогнозируется дальнейшая модернизация струйных принтеров — как в аспекте технологии использования чернил, так и в отношении снижения цены.
С тех пор как в 1993 году были представлены печатные машины Indigo и Xeikon, цифровая печать становится все более популярной. Такие цифровые устройства используют тонер, принцип действия которого аналогичен тому, что используется в копировальном аппарате. Но каким образом порошок остается на странице? Дело в методике фотокопирования, изобретенной Честером Ф. Карлсоном. Он видел, что для получения копии материала, оригинал необходимо было либо переписать, либо сфотографировать, однако понимал, что должен существовать другой, более совершенный способ копирования. Карлсон обратился за ответом к фотопроводимости и понял, что, если изображение оригинала проецировать на фотопроводящую поверхность, ток будет течь только в области попадания света. В октябре 1937 года он получил первый патент на то, что он , назвал электрофотографией. В качестве ассистента Честер взял Отто Корнея. Отто взял цинковую пластину, нанес на нее светочувствительный слой из свежеприготовленной серы и написал на диапозитиве тушью слова «10-22-38 Asto-ria». Сере был сообщен заряд, а диапозитив был помещен поверх серы под лучи яркого света. Затем диапозитив удалили, а поверхность посыпали спорами плауна, после чего его сдули. На пластине осталось изображение практически идентичное надписи «10-22-38 Astoria».
Для сохранения изображения Карлсон взял восковую бумагу и нагрел ее над остатками порошка. Воск остудили и удалили, получив, таким образом, первую фотокопию. Однако при использовании данного метода изображение получалось расплывчатым. Это натолкнуло Карлсона на мысль использовать сухие чернила.
В качестве заменителя был применен порошок железа, смешанный с солью хлорида аммония и полимером. Хлорид аммония требовался для стирания изображения, а полимер предназначался для «впаивания» железа в бумагу. Это был первый тонер, при использовании которого для передачи различных цветов были использованы разные оттенки.
Тонеры состоят из пигментированных частиц пластика размером около десяти миллиметров. Производство тонера представляет собой многоступенчатый процесс, заключающийся в смешении пигментов и добавок с полимером-основой, в ходе которого окрашенный полимер разбивается на частицы необходимого размера. Здесь наиболее важным представляется смешение пигментов и других добавок со связующим полимером при определенной температуре таким образом, чтобы он мог течь, но при этом обладать высокой вязкостью. Кроме того, при слишком высокой температуре пигмент не сможет должным образом распространиться.
Термин «электрофотография» закреплен патентом класса 355, подкласс 200. Он определяется как «устройство, в котором электропроводимость, электрический заряд, магнитное состояние либо электрическая излучающая способность светочувствительной среды произвольно изменяется под воздействием света, отраженного от оригинала либо пропущенного через него, при этом видимое либо скрытое изображение формируется и закрепляется на носителе». Выражаясь проще, материал, обладающий фотопроводимостью, выступает в качестве диэлектрика, сохраняющего электрический заряд. Участки поверхности, на которые попадает свет, теряют заряд. Остальные участки, сохранив свой заряд, притягивают противоположно заряженные частицы тонера, который в дальнейшем переносится на бумагу. В большинстве принтеров, использующих данный метод, изображение на барабане изменяется для каждого листа, в отличие от литографии, где одно и то же изображение воспроизводится много раз.
В настоящее время на рынке представлены различные виды тонеров и проявочных систем. В принтерах с сухим тонером для переноса тонера/проявителя из резервуара в зону проявки используется магнитная щетка. В таких системах используются немагнитные тонеры, перемещаемые с помощью магнитной пластины, заряд которой сообщается посредством трения. Кроме того, находят применение магнитные тонеры, содержащие часть магнитного оксида. Сухие порошкообразные тонеры состоят из компонентов, приведенных в таблице.
Использование данных тонеров определяет важные для ксерографии температуры. Первая из них — температура, при которой изображение закрепляется на бумаге. Любая температура выше данного значения сделает тонер слишком жидким, что приведет к его разбрызгиванию. Разбрызгиваясь, тонер остается на термовалике, а также «прилипает» к следующей странице. Помимо прочего, у сухого тонера могут проявляться некоторые проблемы, несвойственные другим видам чернил. Размер частиц также вли-
яет на качество печати, которого можно достичь при использовании машины с сухим тонером. Как правило, размер частиц варьируется от 10 до 20 мкм в диаметре. Если размер частиц превышает данное значение, линии и точки будут иметь рваные края. Тонеры, печатающие с помощью мелких точек, печатают медленнее и отличаются более высокой ценой.
Другим типом тонера является жидкий тонер. Данные тонеры состоят из заряженных, цветных частиц в диэлектрической жидкости. Частицы жидкого тонера гораздо меньше по сравнению с частицами сухих тонеров, и могут достигать размера от 3 мкм до субмикронных размеров. Жидкие тонеры используются в копировальном оборудовании, цвето-пробных, электронных принтерах, а также электростатических принтерах-плоттерах. Жидкие тонеры получаются из дисперсантов, полимеров,добавок, контролирующих заряд, и пигментов. Дис-персанты не должны проводить электрический ток, для того чтобы не допустить разряжения скрытого изображения, а также не взаимодействовать с другими материалами, которые используются в процессе. Что касается полимеров, то они используются в качестве связующего для пигмента и красителей. Они придают тонеру стабильность, а также помогают закрепить окончательное изображение.

Контролирующие заряд вещества добавляются к тонерам для сообщения заряда частицам тонера. Часто в качестве контролирующей добавки используется металлическое мыло.
Наконец пигмент определяет цвет тонера. Среди критических для пигмента факторов можно выделить размер частиц, дисперсность, а также нерастворимость в дисперсанте тонера.
Жидкие тонеры являются скорее горючими, нежели легковоспламеняющимися, так как температура их воспламенения довольно высока. Его испарения, попадая на кожу, могут вызвать раздражение. Устройства, использующие жидкие тонеры, хорошо вентилируются, либо используют рециркуляцию углеводородов по внутренней системе.
Основная проблема формирования изображений заключается в том, что падение напряжения между периодами зарядки фотопроводника, экспозиции и проявления с помощью тонера может повлиять на оптическую плотность изображения и воспроизведение тона, т. к. количество переносимого тонера зависит от величины напряжения заряда на изображении в момент переноса тонера.
Вторая проблема связана с химическим составом тонера.
Поскольку состав тонера не регламентирован, различные поставки одного и того же тонера могут различаться. В жидких тонерах isopar, используемый для рассеивания тонера, является летучим органическим соединением, требующим вентиляции; кроме того, его применение регулируется постановлениями Управления по Охране Окружающей Среды.
Выбор чернил диктуется используемой технологией и выпускаемой продукцией.
Традиционная офсетная печатная машина, система струйной печати, а также
цифровое печатающее устройство не только имеют различные сферы применения, но и используют разные виды чернил и красок. Это отражается на качестве печати, а также других ее параметрах. Что касается электронных печатных машин, то в них расходные материалы (чернила) соответствуют только своему определенному устройству.