Elektronik aus dem Laserdrucker: Studie zur Nutzbarkeit der Elektrofotografie zum Druck leitfähiger Strukturen

Textprobe:

Kapitel 2.2, Tonerdesign und -charakterisierung:

Toner ist ein feines, pigmentiertes Pulver, welches genutzt wird, um das auf dem OPC generierte Ladungsbild zu entwickeln [Marshall 00]. Ihm kommt als Träger des funktionellen Elements (im Grafikdruck das Farbpigment, für Leiterbahnen Silber o. ä.) ein besonderer Stellenwert zu. Bevor in Kapitel 3 die Beschreibung der Besonderheiten bei der Herstellung von Silbertoner erfolgt, sollen hier allgemein die grundlegenden Bestandteile von Toner sowie dessen Herstellung erläutert werden. Zusätzlich wird eine Methode zur Bestimmung der Aufladung eines Toners vorgestellt.
In einem hier betrachteten Zwei-Komponenten-Entwickler-System werden Toner- und Carrierpartikel genutzt, um eben durch Berührung diese Aufladung zu erzielen. Beim Carrier handelt es sich um sphärische oder irregulär geformte Metallpartikel, die aus einem magnetischen Material wie Stahl oder Eisen bestehen. Der mittlere Carrier-Durchmesser liegt üblicherweise in einem Bereich von 100 µm bis 300 µm [Goldmann 00]. Die Oberfläche dieser Partikel wird mit Zusatzstoffen behandelt, die die Aufladung des Gemisches beeinflussen.
Im Rahmen dieser Studie wird lediglich ein einziger, vom Druckerhersteller gelieferter Carrier verwendet. Da dieser nicht Gegenstand der Untersuchungen ist, wird auf dessen vertiefende Beschreibung verzichtet.
2.2.1, Komponenten / Inhaltsstoffe:

Im Folgenden sollen die üblichen Inhaltstoffe eines konventionellen Toners kurz vorgestellt werden. Die Angaben hierfür sowie beim folgenden Abschnitt über die Tonerherstellung stammen dabei sowohl aus öffentlich zugänglichen Quellen ([Marshall 00], [Goldmann 00], [Oittinen 98]), als auch vor allem aus den Angaben des Herstellers Zobrist Engineering and Consulting (ZEAC), durch den die Herstellung der später beschriebenen Toner erfolgte.
Polymer (Harz): Polymere bilden mit einem Anteil von bis zu 80%-90% am Gesamtvolumen die Basis für den Toner. Dabei bindet das Polymer die anderen Inhaltsstoffe in den Tonerpartikel sowie später das Pigment an das Substrat. Die Wahl des Polymers hat aufgrund seines hohen Anteils Einfluss auf nahezu alle Tonereigenschaften wie z. B. Ladung, Fließverhalten, Beständigkeit des Toners oder den Herstellungsprozess.
Pigment: Das Pigment sorgt im Grafikdruck für die Farbe des Druckbildes. Für Schwarztoner wird dafür hauptsächlich Ruß (carbon black) eingesetzt, bzw. entsprechende Farbpigmente für andersfarbige Toner. Der Anteil beträgt etwa 5%-15%.
Ladungsstabilisatoren: Diese sog. CCA (charge control agents) dienen der Steuerung der Polarität sowie der Geschwindigkeit, der Stabilität und der Höhe der Aufladung. Ihr Anteil beträgt ca. 1%-3%.
Additive: Unter dem Begriff Additive werden weitere Zusatzstoffe zusammengefasst, die zur Optimierung der Fließfähigkeit, der Qualität, der Reinigungseigenschaften oder anderer Tonereigenschaften dienen. Ein Beispiel dafür ist die Anwendung von Silica zur Gewährleistung der Rieselfähigkeit.
Wachs: Wachse dienen zur Verhinderung der Haftung bei bestimmten Fixierverfahren.
2.2.2, Tonerherstellung:

Die Vertonerung der Inhaltsstoffe wurde extern durch den Projektpartner Zobrist Engineering and Consulting durchgeführt. Um den Prozess einordnen zu können, wird das Verfahren hier anhand der angegebenen Quellen und den Angaben von ZEAC kurz vorgestellt. Hier ist nur das klassische Herstellungsverfahren relevant, chemische Tonerherstellungsverfahren werden nicht betrachtet. Der erste Schritt ist das Herstellen des Grundharzes mittels Polymerisation bzw. Polykondensation. Danach folgen das Mischen der Rohstoffe inklusive Extrusion, deren Zerkleinerung sowie das Sichten und somit das Klassifizieren, um anschließend das Endprodukt Toner zu gewinnen [Goldmann 00].
Zum Mischen werden die o. a. Bestandteile durch mechanische Kräfte miteinander vermengt. Dazu werden heutzutage hauptsächlich Fluidmischer genutzt. Dieser Schritt dient zur Vorbereitung auf die deutlich feinere Dispergierung der Inhaltsstoffe im Zuge der Extrusion.
Bei der nachfolgenden Extrusion (von lat. extrudere = hinaus stoßen, treiben) handelt es sich generell um ein Verfahren, bei dem Kunststoffe oder andere zähflüssige härtbare Materialien einem kontinuierlichen Verfahren durch eine speziell geformte Düse gepresst werden [Wiki 11a]. Im Rahmen der Tonerherstellung wird der bereits vorgemischte Toner in einem teigähnlichen Zustand mittels einer Welle mit Schneckenelementen durch den Extruder bewegt. Dabei wird das Tonerharz aufgeschmolzen und die Additive eingeknetet und zerkleinert. Die hohen Scherkräfte sorgen für eine gleichmäßige Dispergierung aller Inhaltsstoffe. Insgesamt handelt es sich hierbei um den entscheidenden Schritt für Leistungsfähigkeit des entstehenden Toners [Marshall 00].
Anschließend folgt das Mahlen und Sichten, wobei die Tonermasse zunächst mechanisch grobzerkleinert wird und anschließend in einer sog. Jet Mill (Strahlmühle) auf die gewünschte Partikelgröße gemahlen wird. Dabei findet ein ständiger Sichtungsprozess statt, der zu große Partikel herausfiltert und erneut dem Mahlprozess zuführt. Die gewünschte Korngröße sollte dabei etwa ein Fünftel der gewünschten Pixelgröße betragen, bei einer Auflösung von 600dpi entspräche das etwa 8µm [Oittinen 98].
Abschließend werden zum gemahlenen Toner die Oberflächenadditive in einem mechanischen Mischprozess zugegeben und durch einen Siebvorgang die gewünschte Tonerqualität sichergestellt, in dem zu große Tonerpartikel und Agglomerate eliminiert werden.