打印机碳粉知识.doc

、墨粉的组成和分类树 脂 ：起固着作用（定影） 磁性材料：颜料（黑色） C C A ：摩擦带电作用 石 蜡：助剂（工艺需要） 气相二氧化硅：增加流动性、增强稳定性二、墨粉的分类 复印机墨粉的分类方法很多，大致如下： 按带电的极性可以分为：正电粉（模拟复印机碳粉）和负电粉（数码复印机碳粉）； 按磁性能可以分为：有磁粉（佳能复印机）和非磁粉（东芝碳粉）； 按组份可以分为：单组份（佳能、施乐）和双组分（东芝、理光、柯尼卡美能达）。三、评价墨粉品质的几大要素 决定一种型号的碳粉的综合品质主要考虑以下六个因素： 黑度、底灰、定着度、分辨率、废粉率、鬼影 。这些因素相互关联，又相互影响，下面就影响这些因素的原因作相关阐述。 黑度 黑度值的计算是黑度值测试器先发射一定数量强光束，射到待测图形，再反射回到黑度值测试器，计算其被吸收的光束，再通过固定的计算程式得出的值。碳粉的黑度值不是越高打印效果越好的，国际的黑度值标准（即原装 OEM ）为 1.3 。为了达到各种行业的不同需要，公司碳粉的平均黑度值一般控制在 1.4 左右。 底灰 底灰是用黑度测试器测试复印样张中没有字样的空白处的黑度值。在一般情况下，原装 OEM 碳粉的底灰值为 0.001-0.03 ，大于 0.006 时，目测的结果就会感觉复印样张有点脏。影响底灰值的原因主要是碳粉的电性能和磁性能。不同型号的复印机要求碳粉的电磁性一般不一样的。这也是我们强调专粉专用的一个原因。另外，由于复印机其它因素也会造成底灰。正品墨粉的底灰控制在 0.005 以下。 定影牢固度 定影牢固度指的是附着在纸张表面的碳粉熔化后渗透到纤维的能力。树脂的优劣是影响墨粉定影牢固度的一个主要因素。 分辨率 分辨率是指每英寸所能打印的点（ DPI ）。碳粉颗粒的粗细会直接影响到分辨率。目前，碳粉的分辨率主要有 300DPI 、 600DPI 、 1200DPI ，而分辨率在 1200DPI 的 HP1200 、 HP4100 两种型号打印机对碳粉的要求是相当高的。 废粉率 废粉率是指一定量碳粉在正常复印中产生的废粉所占的比例。废粉率直接影响到一定量的碳粉所复印的张数。标准要求墨粉的废粉率小于 10% 。 重影 就是在文字（或其他图案）的正下方（走纸方向）出现一个与其一样的文字（或图案），但是密度值（黑度）要比其低很多。一般在定影过程或转印过程时形成。 1 、当墨粉的主要原材料之一树脂的分子量分布不好时，墨粉进入定影系统时，部分会粘在定影辊上，当定影辊再次与介质相遇时，会将这些墨粉转移到介质上面，并定影形成鬼影； 2 、大家知道， OPC 感光鼓上的墨粉不会 100% 的被转移到介质上面，残留的粉将被刮粉刀收集到废粉仓内，而当刮粉刀老化或磨损时，残留的粉不会被刮干净，这样，当再次与介质接触时又会被转移到介质上形成重影。以上谈的是影响打印质量的 6 个因素，如果从打印样张美观的角度出发，我们还得考虑碳粉的光亮度，即打印样张字样黑的同时也发亮。 碳粉的生产工艺碳粉（ TONER ）是静电复印机和激光打印机的主要耗材之一。由树脂、颜料、添加剂等成份组成。其加工与制造涉及到超细加工、化工、复合材料等学科的内容，是世界上公认的高科技产品。 自静电复印技术问世以来，随着信息技术和办公自动化的快速发展，激光打印机、静电复印机的大量使用，要求影印品有更高的分辨率、更适宜的显影密度。需要碳粉具有好的粒形、较细的粒径、窄的粒度分布、以及合适的摩擦带电性能。 湿法显影因其耗材保存性繁锁而被淘汰，干法显影获得广泛应用，其显影系统分为单组份和双组份显影。双组份显影具有高的分辨率、耐环境能力，在工程复印、彩色复印、高速复印上应用普遍。单组份显影近年来发展迅猛，许多大公司也推出了一系列应用单组分技术的产品，如数码复印机、激光打印机以及多功能复合机。彩色复印机随着成本的降低，正逐步被客户所接受。碳粉有一定的通用性，给批量生产，提高碳粉质量，降低碳粉制造成本提供了条件。真对不同的需求，碳粉生产向精细化、彩色化、高速化方向发展。 目前碳粉制造主要采用 粉碎法 和 聚合法 聚合法 聚合法是一种精细化学碳粉技术，它包括 ( 悬浮聚合、乳液聚合、装入微胶囊、分散聚合、压缩聚合、化学粉碎)。聚合碳粉技术已经存在多年，其主要发展的历程： 1972 年出现首例聚合碳粉专利权。在 70 年代和 80 年代获得广泛提高。1993 年出现首例商业单色碳粉。1998 年出现首例商业彩色碳粉。聚合法在液相中完成，可制造出具有较低的熔融温度的碳粉，可满足现代技术对节能和环保的要求。通过调节分散剂的用量、搅拌速度 、聚合时间和溶液的浓度来控制碳粉粒子粒径，达到成分均一、颜色好、透明度高。聚合法制造出来的碳粉具有完好的粒形、较细的粒径、较窄的粒度分布和较好的流动性。可满足高速、高分辨率、彩色等现代化印刷技术的要求。 聚合碳粉的工艺流程： 树脂单体、颜料、分散剂、其它试剂 超声分散 水、分散剂 充分搅拌 聚合 洗涤 过滤分离 干燥 后处理 成品 聚合碳粉应用广泛，因成本高，目前主要集中应用在彩色碳粉生产上。 聚合碳粉因其投资大，一般投资额在几亿元左右。目前只有少数国际大公司拥有生产能力：日本的 CANON 公司、 KONICA MINOLTA 公司，美国的 FUJI-XEROX 公司等企业都有生产能力，但彩色碳粉的需求低于预期，目前各大公司都没有满负荷生产。 粉碎法 目前碳粉加工行业大量采用的是粉碎法制作碳粉，粉碎法可以生产适用干式静电复印的碳粉：包括双组份碳粉和单组份碳粉（含磁性、非磁性两种）。因其显影过程、带电机理不同，其成分配料比例也不尽相同。 粉碎法整个生产过程流程 材料选用 材料检 验 配料 预混 混炼挤出 粉碎分级 后处理 成品 检验 分装 粉碎法生产碳粉的注意事项 防止杂质污染碳粉，静电显影过程对碳粉的要求很高，碳粉中混有杂质会直接损坏影印品质量。碳粉颗粒之间以及颗粒和器壁之间的碰撞和摩擦会产生极强的静电效应，静电现象严重时会影响安全操作，甚至造成更严重的后果，应考虑必要的防静电措施。碳粉会粘附积聚器壁，长期的积聚必将影响流畅的正常作业，甚至导致通道的狭窄乃至阻塞，要有必要的清理措施。碳粉中主要是有机物质，存在粉尘爆炸的可能和隐患，不可掉以轻心。碳粉的主要指标参数及其检测方法碳粉的主要指标参数 带电量（色调剂荷质比） 色调剂与载体饱和磨擦所带的电量。以色调剂的荷质比表示，单位为 c/g 。一般其公称值由色调剂生产企业规定，极限偏差为 30% 。与载体匹配成显影剂后带电量应符合显影剂的要求。而其公称值的确定，目前常用的作法是测 OEM 样板，但因为样板的限制，和测试载体的选用，往往较难确定，进而也较难准确定出可以满足使用要求的带电量范围，只能总结出一个参考范围。所以，包括有些色调剂生产厂家和使用企业，都采用实际上机使用，再根据影印品的品质来做最终判断。 软化点 在规定条件下，等速升温加热定量的色调剂，使之熔化从喷嘴流出，当色调剂流出量为二分之一时的温度为软化点，单位为 C 。一般由色调剂生产企业规定公称值，其极限偏差为 6 。影响软化点的主要是色调剂中的树脂原料。而其对产品的使用则主要影响定影性能。 熔融指数在规定的条件下，每秒流出喷嘴的碳粉量。与软化点所表征的同一种色调剂性能。单位为 ML/S 。 粒度体积分布 色调剂各级粒度范围的体积百分数分布。粒度中径是指色调剂粒度体积百分数累计分布中其累计值一半所对应的粒径。单位为 M 。粒度体积分布的要求为： 5M 以下 R5.0% ； 20M 以上 R7.5% 。而中径值通常由色调剂生产企业确定，其极限偏差为 1.0M. 这是因为粒径太小的色调剂带电量高 , 吸附在载体上的力偏大 , 基本不参与显影 , 而粒径偏大的色调剂又会产生影印缺陷 , 如黑板中出现较明显的白点 . 这两方面都应控制在合适的范围。 复印品品质 主要包括图像密度、底灰、分辨率、层次及定影牢固度等。所使用的标准版包括综合板、全黑板、全白板、感色板、倍率板、网线及密度不均匀性板、漏印版、感光体表面缺陷板。常用的为前四种。一般，图像密度取最低值， 1.00, 而底灰取最大值 0.02, 分辨率 3.6L/mm ，层次 4 级，定影牢固度（经磨擦后复印品图像密度下降率）在温度 15 时 10% ，在温度 15 时 20% 。在物性指标不完善的情况下，对色调剂通过采用复印品品质作为判定依据的方法最可 * ，也最常用。 松装密度 指在松装状态下，以单位体积色调剂的质量表示色调剂的松装密度。一般由生产企业规定公称值，其极限偏差为 10% 。该指标的偏差大小可从另一个角度考核色粉的粒径分布。 流动性 指在规定条件下色调剂颗粒间可分散程度。以通过振动筛的色调剂重量百分比（ % ）表示。一般由生产企业规定公称值，其极限偏差为 20% 。 结块温度 在控制温度下，经过规定时间后，对色调剂是否产生结块进行评价。国标规定必须在 45 ，保湿 24 小时不结块。 碳粉的检测方法 带电量 测试原理： 色调剂与载体磨擦时，各自产生量值相等、极性相反的电荷。采用吹气分离法将色调剂从载体上分离，然后通过测量载体上的带电量，即可得出色调剂的带电量，色粉带电量数值与载体相同但极性相反。 测试仪器： 吹气法带电量测试仪、压缩氮气或干燥净化的压缩空气、卧式滚动混合器、感量高于或等于 0.001g 的天平、金属网。 软化点 测试原理： 选用流量测定法。即在规定条件下，等速升温加热一定量的色调剂试样，使试样熔融并在柱塞的压力下从喷嘴流出，根据测试仪绘制的时间柱塞行程曲线，选定柱塞下降高度为 1/2 时，测试仪指示的温度，为该试样的软化点。 测试仪器： 流量测试仪（主要由加热体、自动测量控制装置、记录装置等组成）、成型机（压力为 9.819.6Mpa ） 、 天平（感量 0.01g ）。 粒度分布 测试原理： 采用电感应方法（库尔特原理）。将试样均匀分散在电导液中，借助真空作用，使其通过微孔管管壁上特有的一个微孔。在微孔管内外的电导液中浸放一对电极，接通电路，使微孔周围形成一个电感应区域。当每个粒子通过微孔时，电路便产生与之相应的电脉冲信号。该信号的大小取决于通过粒子体积的大小，而与其它因素无关。将不规则形状的试样粒子理想化为相同体积的球状粒子，由此近似地计算出试样粒子的粒径。对通过微孔的试样粒子逐个计数，同时根据体积信号的大小，区分出试样粒子在各级中的分布，显示和计算出试样的个数、个数粒度分布、体积粒度分布及其他参数。 测试仪器： 电感应方法的粒度分析仪、超声波分散器 松装密度 测试原理： 色调剂通过滤网按一定高度自由落下并弃满一个已知容积的量杯，在松装状态下，一单位体积色调剂的质量表示色调剂的松装密度。 测试仪器： 松装密度测试仪、天平（感量 0.01g ） 流动性 测试原理： 色调剂流动性的大小与规定条件下振动筛的筛下量成正比，由筛下量可直接计算色流动性。 测试仪器： 试验筛、电磁振筛机。 结块温度 测试原理： 在控制温度下，经过规定时间检查色调剂有无结块。考核在运输储存中，或局部处理条件下，或装入机器粉盒中，色调剂因周围温度上升而发生结块时的温度。 测试仪器： 电热鼓风恒温箱、温度计、称量皿、天平 激光打印机用墨粉的研究进展1 引言 墨粉又称色粉、碳粉、色调剂，英文名称 toner ，是用于静电复印和激光打印等电摄影显影过程中的主要耗材，它是以树脂、颜料、荷电添加剂等成分为主要原料的高技术复合产物 , 其生产制备涉及到超细粉体加工、复合材料、化工等领域的内容 , 是世界上公认的高技术产品。 随着信息技术和办公自动化的发展，静电复印机、激光打印机和传真机等设备已经成为信息传播的主要工具，因而对于墨粉的需求量也越来越大。 1999 年激光打印机和静电复印机所使用的墨粉总值就达 24 亿元 3 ， 2003 年国内墨粉年需求量约 6600 吨， 2005 年需求量将达 9223 吨（数据来源：日本三井化学），并且随着社会向信息化和网络化的发展，其市场需求将越来越大。 目前世界上广泛应用的制备方法主要有两种 , 即熔融粉碎法和直接聚合法。根据电摄影过程的要求 , 不管采用哪种方法进行制备 , 合格墨粉都必须进行以下四个方面的性能测试： 1) 粒度特性：粒度大小、粒度分布； 2) 荷电特性：电性、荷电量、荷电分布和电阻等； 3) 热学特性：玻璃化转变温度 Tg 、软化温度和熔化指数等； 4) 色调剂色度。 合成聚合方法在彩色墨粉生产有巨大的优势，在业界引起研究者和商业人士的高度的注意，本文将介绍熔融法和化学聚合法生产墨粉的进展和今后发展的趋势。 2 墨粉的分类 目前使用最普遍的墨粉大致可分为两类：一是双组分墨粉；二是单组分墨粉。 2.1 双组分墨粉 构成双组分墨粉的主要成分有：树脂、染料、电荷调节剂、辅助添加剂、载体等，是用微小的墨粉颗粒与较大颗粒的载体配合而成的。 （ 1 ）树脂：树脂在墨粉中所占比例约为 80% ，实际上墨粉就是一种被染了色的热熔性树脂 , 它的作用是在图像定影的过程中 , 将墨粉中的各种成分通过加热、加压固定在纸上。因此树脂的性能对墨粉的质量和稳定性是至关重要的 , 通常用于制作墨粉的树脂是选用粘合性能和热熔性能好、化学稳定性的合成树脂 , 如丙烯酸类 , 苯乙烯类 , 酚醛树脂等等。 （ 2 ）染料：染料在墨粉中所占比例约为 10%, 主要起着色作用。一般在黑色墨粉中常采用碳黑作为着色材料 , 其化学性能也比较稳定。 （ 3 ）电荷调节剂：电荷调节剂是一种用于控制墨粉带电性能的添加剂 , 所占比例约为 5% 。 （ 4 ）载体：载体是以磁铁粉、塑料珠和玻璃珠为原料制成的，其中以铁磁粉最为常用。 （ 5 ）辅助添加剂：在墨粉中加入辅助添加剂是为了提高墨粉的流动性、易清洁性、易转印性和防止结块等，一般在墨粉中所占比例为 5% 。 2.2 单组分墨粉 构成单组分墨粉的主要成分有：树脂、磁粉、染料、电荷调节剂、辅助添加剂。 （ 1 ）树脂：与双组分采用的树脂种类和作用相同，在墨粉中所占的比例约为 60% 。 （ 2 ）磁粉：由于单组分墨粉不使用载体，所以在墨粉中加入了大量的磁粉。在黑色墨粉中加入黑色的磁铁矿粉末或用化学方法生成的磁性粉末，既运载了墨粉粒子又起着染色作用。磁粉一般在墨粉中所占比例约为 2530% 。 （ 3 ）染料、电荷调节剂和辅助添加剂：在单组分中所起作用与双组分墨粉中相同，分别起着色、控制墨粉带电性能及改善使用性能的作用。在墨粉中所占比例约为 1015% 。 2.3 双组分与单组分墨粉的比较 双组分墨粉使用载体，而单组分墨粉中使用磁粉；二者的显影机理不同，双组分是瀑布显影机理，而单组分是跳动显影机理 7 ；单组分墨粉使用简便，没有载体劣化、载体和墨粉混合比变动带来的显影质量差等问题。 3 墨粉的主要生产工艺 墨粉的生产工艺大致可以分为：溶剂法（湿法）、熔融粉碎法（干法）、聚合法、复合法等。本文主要对常用方法熔融法和聚合法两种生产工艺进行论述。 3.1 熔融法 熔融法 12 是将已合成好的树脂与颜料及荷电调节剂等添加剂混合均匀后高温混融，然后挤出、冷却、破碎、超细粉碎、分级，最后再加入一些能改变其流动性的外部添加剂研磨而得到制成品。熔融法的工艺流程如下： 树脂、颜料等混合 高温融炼 锤式破碎机 气流粉碎机 分级 成品 该制备方法过程复杂、能耗大、成本高，所得产品的粒径较大，粒径分布较宽、粒子的形状极不规则、各组分的分布不均匀等，都影响了墨粉的打印效果。这主要是由于对产品进行了大量的粉碎造成的，且各组分再墨粉中的分布不易均匀，所得的墨粉中颜料粒子、电荷调节剂等添加剂与树脂基体之间是以使其寿命减少、性能变差 ; 粒子通过挤压、粉碎、研磨等工序，因此表现粗糙、流动性差，更有可能造成颜料粒子、电荷调节剂等暴露再树脂表面而使得荷电不均匀。该法得工艺成熟，操作参数相对稳定，是当前已经产业化的传统方法，目前仍是我国工业化生产墨粉的主要方法。 熔融法制粉的关键是制得具有特定性能的树脂基体，因为墨粉的热学性能主要是由树脂的性能决定的，粒度特性是由粉碎和分级的工艺决定的。因此，有关这方面的研究主要集中于如何制得性能优良的树脂。 3.2 聚合法 聚合法是指将单体原料、颜料等添加剂一起混合加入到反应器中，采用聚合的方法直接制得墨粉的颗粒状成品。由于它是在颜料颗粒的表面直接进行树脂的聚合，使得颜料与树脂之间可能以价键力结合在一起或使粒子能镶嵌在树脂基体中而更牢靠。同时，墨粉颗粒的大小及外形的控制使通过化学反应来调节的，所以无需粉碎工序便可以得到制成品。该法的优点是成本低、寿命长、性能好等。聚合法生产墨粉主要有悬浮聚合法和乳液聚合法，还有界面/自由基聚合法、分散聚合法。 3.2.1 悬浮聚合法悬浮聚合是高分子合成工业中应用极为广泛的一种聚合方法，该法具有产品纯度高、成本低、聚合热容易除去而回收问题、随分子量增大体系的粘度变化小、温度容易控制、颗粒大小可以控制在较小的幅度范围等优点。普通的悬浮聚合法所制得树脂颗粒的粒度范围是 500 2000um, 远大于墨粉颗粒所要求的范围，因此采用悬浮聚合法制备的墨粉的关键技术是在于控制颗粒粒径的大小及其分布。 悬浮聚合法所制备墨粉粒子的大小决定于混合单体在含有分散剂的水相中液滴的大小，而单体小液滴的大小又决定于流体所受的剪切力的大小及分散剂的种类核用量。早期的悬浮聚合法制备墨粉是先制成粒径在数毫米的较大的粒子，再采用分级的方法制成合格的墨粉。该法虽比原来的熔融粉碎法进步不少，如其能耗减少，生产周期缩短，但还是经过了粉碎处理而使墨粉的表面性能有所降低。针对传统悬浮聚合法的不足，可以通过添加表面活性剂等助分散剂及加大剪切力的方法以制备出粒径在 10um 左右的窄分布的墨粉。悬浮聚合法制备墨粉的工艺流程如下： 单体、颜料等 分散混合均匀的单体相 悬浮聚合 分离洗涤 干燥 外添处理 墨粉 该制备方法所得产物的粒度特征主要是由分散液滴的大小决定的，热学性能主要是由单体树脂的化学组成决定的，其荷电性能则主要是由荷电添加剂决定的。 3.2.2 乳液聚合法乳液聚合与悬浮聚合有许多共同之处，它是单体在水介质中由乳化剂分散成乳液状进行的共聚合反应。乳化剂一般是兼有亲水的极性基团和疏水的非极性基团的物质。体系中乳化剂达到某一浓度后，乳化剂分子形成胶束，胶束大致呈球形，中间为有机相，外边为水相，聚合反应首先生成乳胶粒。着色剂，磁粉和荷电添加剂等组合在水中进入乳胶粒，胶粒进一步反应，并聚集生成墨粉粒子。由于乳化剂使界面张力显著降低，因此乳液液滴直径很小，可达 0.5-10um 。所以容易制成小尺寸墨粉 20 。 3.2.3 界面/自由基聚合法界面/自由基聚合法所得的墨粉具有 “ 核壳 ” 结构即指微胶囊结构，它是具有软芯的核被比其硬的壳所包覆，这种技术被广泛应用于医药制造。但是墨粉的这种包覆技术与一般的包覆不同之处在于：它是采用界面聚合自由基聚合的方法，首先由界面缩聚成壳，再由热引发壳内的核发生自由基聚合；而普通的胶囊包覆一般是先使核聚合，再在其表面聚合成包覆膜。墨粉的这种制备方法的关键是要制得具有一定强度和较低熔点的壳及具有与颜料颗粒有充分相容性的核。 3.2.4 分散聚合法分散聚合 22 是将单体分散于能溶解单体和引发剂的有机溶剂中，用油溶性引发剂引发聚合，该有机还是聚合物的沉淀剂，加入的分散剂可控制颗粒的大小并阻止聚合物的凝聚。这种制备方法的关键是在于获得具有特定性能的分散剂。 3.3 两种制备工艺的比较 传统的熔融粉碎法制备工艺流程过程复杂、工艺繁琐、流程周期长、能耗大、成本高，所得的墨粉中颜料粒子与树脂之间是以物理机械作用力结合，会产生颜料粒子的脱落，而且产品不易混合均匀，造成个体粒子之间形状、混合状况、机械强度等性能差异很大；而聚合法制墨粉时具有工艺过程简单、流程短、生产设备投资成本低，与熔融法产品相比，还具有个体粒子性能差别小，粉末形状规则，表面光滑以及在生产彩色墨粉具有优势等。 4 展望 近年来 , 随着信息技术和办公自动化的发展 , 激光打印机和静电复印机的大量使用 , 要求显影剂具有更高的分辨率、更适宜的固结温度和节能 . 因此 , 较低的玻璃化温度的墨粉已成为发展趋势。生产工艺已从传统的熔融粉碎法向化学聚合法发展，可以预见，由于化学聚合法的优势，有取代熔融法的趋势，但化学聚合法制备工艺还需在进一步完善成熟。目前，化学聚合法制备墨粉技术是研究的热点。 打印机碳粉的成份及作用打印机碳粉的成份及作用 打印件的好坏，主要是由打印机性能，感光鼓的灵敏度，载体的物理性能以及打印机碳粉的质量这几方面所决定的，这里我们主要介绍打印机碳粉的组成和作用。 打印机碳粉的主要组成部分 树脂：主要成像物质，构成碳粉的主体组成部分：碳黑：主要成像物质，具有调整颜色深浅的功能，即能通常所说的黑度；磁性氧化铁：在磁辊的磁力吸引下，可携带碳粉吸附在磁辊上；电荷控制微粒：控制碳粉的带电量 , 使碳粉带电均匀；润滑剂（硅粒）：起润滑作用，同时控制摩擦电荷；热融塑料（增塑剂）：控制碳粉熔点，携带碳粉在熔化状态下渗入纸张纤维，形成最终牢固的图像。碳粉对打印质量的影响 质量不好的碳粉，在潮湿及温度变化大的使用环境中，存储时间稍长，便会产生结块现象，使用过程中会对显影