趣味靜電復印成像實驗

任樹榆

摘 要 本實驗模擬復印機成像過程，靜電發生器輸出高壓，電極在紙面移動而產生電暈放電，紙張吸附電荷后形成靜電潛像。利用瀑布顯影方式，帶電墨粉從上方流過紙面，被紙面電荷吸引沉積形成可見圖像，紅外加熱使墨粉融化而定影。

關鍵詞 靜電復印；靜電潛像；墨粉；成像實驗

中圖分類號：G642.423 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2018）14-0130-03

Interesting Electrostatic Photocopying Imaging Experiment//REN

Shuyu

Abstract This experiment simulated the imaging process of the co-

pier. The electrostatic generator output high voltage， and the elec-trode moved on the paper to generate corona discharge. After the charge was absorbed by the paper， an electrostatic latent image was formed. Using the waterfall development method， the charged toner flows over the paper from above and is attracted by the paper charge to form a visible image. The infrared heating causes the toner to melt and fuse.

Key words electrostatic photocopying； electrostatic latent image； ink powder； imaging experiment

1 引言

1938年，卡爾森首次發明靜電照相，奠定了復印機技術基礎[1]。1949年，他與同事創辦美國施樂公司，推出著名的“Xerox”系列復印機。如今靜電復印機已成為信息社會必備的辦公設施，它們分為模擬復印機和數碼復印機兩種類型，工作原理和成像過程基本類似，包括潛像形成（充電、曝光）、圖像形成（顯影、轉印、定影）、殘留圖像清理（清潔、消電）等階段[2]。

充電是使硒鼓表面均勻分布靜電荷，通過將6000 V直流高壓加到金屬絲充電極，電極附近的空氣電離，產生紫藍色輝光電暈放電，電荷（離子）沉積在光導體表面。曝光是在感光鼓形成表面電位隨圖像明暗變化的靜電潛像。顯影是用帶電的色粉使感光鼓上的靜電潛像轉變成可見的色粉圖像，當色粉被吸附在感光鼓上，靜電潛像電位越高的區域，吸附色粉的能力越強，形成不同灰度層次的色粉圖像。轉印是由于靜電力作用，帶相反電荷的色粉被吸引到復印紙，硒鼓表面的色粉圖像轉移到復印紙表面。分離是將緊貼在感光鼓表面的復印紙從感光鼓上剝落或者分離。定影是把復印紙表面的色粉圖像進行固著，加熱溫度的控制決定圖像定影質量好壞。清潔就是清除殘留在感光鼓表面色粉的過程，消電是消除感光鼓表面殘余電荷，進行下一次的復印過程。

商用復印機結構復雜，系統集成化程度高，普通人群無法觀察復印機的完整工作過程。以下設計靜電成像實驗裝置，直觀展示復印機的科學原理與工作過程，作為各級學校和科技場館的科教器材，通過調整紙張的大小，開展個性化的靜電圖像創作，耗材也可以循環使用。手持式靜電發生器采用可充電電池，設備體積小和重量輕，操作安全可靠，輸出電流微小，沒有人身危險。通過靜電發生器輸出高壓，電極在紙面移動而產生電暈放電，紙張吸附電荷后形成靜電潛像。利用瀑布顯影方式，帶電墨粉從上方流過紙面并且形成可見圖像，紅外加熱使墨粉融化而定影。

2 靜電發生器與電暈放電

靜電發生器用于對電子產品進行檢測，通稱靜電放電槍，包括手持式與分離式兩種類型。

1）手持式靜電發生器。控制機構、高壓發生機構、放電開關集中在放電槍里，槍內自帶電池，體積小且移動方便，如圖1所示。作為一款精密高壓儀器，內部設計有保護措施，氣隙放電正確操作順序為：設定空氣放電電壓，按住靜電槍的扳機將槍頭靠近被試品，發生氣隙放電后將槍頭離開被試品，同時松開扳機。

2）分離式靜電發生器。控制機構和高壓發生部分放置在主機內，槍內僅有阻容套件和放電開關，實現連續高速放電，最高輸出電壓達到30 kV，如圖2所示。分離式靜電發生器能消除外界的干擾，使得數據更為真實可靠[3]。《靜電放電模擬器校準規范》明確規定：“在校準過程中，靜電放電模擬器安裝在三腳架或者等效的非金屬的低損耗支持物上。”[4]

靜電發生器的主體結構是高壓裝置，電路板封裝在手持式塑料外殼內部，通過可充電電池，輸出6000～7000 V直流高壓，對金屬電暈絲形成電暈放電。由于高電壓使空氣電離，電離范圍限制電暈絲周圍空間，出現穩定的電暈放電。電暈絲的材料包括難以氧化的鎢絲或者不銹鋼絲，直徑為0.05～0.1毫米。電暈絲的直徑越小，所需電暈電壓也小，但是容易折斷。電暈絲直徑過粗，需要電壓也高，對電路性能要求也高。為了增強電暈絲的電離效果，在靜電槍口處設立防護罩。防護罩由金屬材料制作，罩殼內部涂有帶電阻的膜層。

在紙面創作文字或線條圖案時，選擇直徑0.5 cm的防護罩，將輸出電荷集中在較小的范圍內。創作大型圖案時，選擇直徑1～3 cm的防護罩，增加電荷吸附在紙張的面積。由于電暈絲的輸出電荷集中在罩殼開口面，將開口面對紙張表面，帶電粒子被紙張有效地吸附。將防護罩的長度設定為1～2 cm，可以保證電暈絲產生的電荷在空氣中運動較短距離后，能夠有效到達紙張表面；如果運動距離太長，電荷與空氣分子發生激烈碰撞，難以保證足夠數量的電荷到達紙張表面。罩殼的長度增加，需要較高的電暈電壓，要求電路板輸出更高的電壓，對靜電發生器顯然是不利的。靜電發生器操作時，空氣濕度越大則越容易電離，空氣也容易被擊穿，需要降低電暈電壓，保證電暈電流的大小恒定。

3 靜電復印成像實驗

墨粉也稱色調劑，是靜電成像的重要物質，與載體組成顯影劑，定影在紙面形成圖像。墨粉的分類方法很多，按照帶電極性分為正電粉和負電粉，按照磁性分為有磁粉和非磁粉，按照組分分為單組分墨粉和雙組分墨粉。針對不同復印機使用的感光體材料，載體和墨粉的性能存在差異。雙組分墨粉的主要成分包括樹脂、染料、電荷調節劑、輔助添加劑、載體等，其中樹脂所占比例為80%，熱熔性樹脂通過加熱或加壓而固定在紙面上。染料比例約為10%，黑色墨粉采用炭黑為著色材料，彩色墨粉添加各種顏料。載體以鐵磁粉、玻璃珠等原料制成，尤其鐵磁粉最為常用。雙組分墨粉里面的載體能夠使墨粉帶電，控制性好，廣泛用于高清畫質復印機。早期復印機使用的載體歷史顯示，1938年使用鐵粉載體，1959年開始使用玻璃珠載體，1972年使用球狀鐵粉載體，1976年使用樹脂覆膜鐵粉，1983年出現樹脂覆膜鐵氧體，近年來各項新型載體不斷出現。

當前干式雙組分負電性墨粉的使用比較普遍，本裝置以負電性墨粉為例，詳細說明載體的配置以及靜電成像過程。針對正電性墨粉，也將進行簡要說明。把載體和負電性墨粉按照一定比例倒入干燥潔凈的密封塑料容器內，密封容器后上下搖晃，使墨粉和載體相互摩擦而帶有不同電荷，顯影劑中的墨粉比例控制在3%～10%范圍。顯影劑要求墨粉顆粒帶有負電荷，載體帶有正電荷。常見載體包括玻璃珠、鐵粉、鋼珠、橡膠珠酚醛樹脂等。這些載體研磨成直徑0.2～0.8 mm的球體顆粒，與適量墨粉混合，成為所需的顯影劑。如果使用正電性墨粉，則載體顆粒材料包括甲基丙烯酸甲酯、苯二甲酸二烯丙酯顆粒，它們與墨粉摩擦后，載體表面帶有負電荷。

用靜電發生器創作文字或圖像時，金屬電暈絲輸出正電荷，把防護罩貼近紙面上方位置，移動電暈絲書寫文字或者描繪圖案，紙張表面吸附和積累正電荷，形成肉眼看不見的靜電潛像，然后用負電性墨粉進行顯影。如果靜電發生器輸出的電荷極性與墨粉的極性相同，由于同性電荷相互排斥，墨粉不會被吸附到紙面上，無法形成文字或圖案。復印機的顯影系統分為瀑布式顯影、磁刷式顯影、液體顯影等。瀑布式顯影是最早采用的方法，使用雙組分顯影劑，顯影劑的流動速度和流量對復印質量影響較大。它的工作原理是將顯影劑倒出，流過光導體表面，使得靜電潛像表面的正電荷吸附帶有負電荷的墨粉，顯影復印圖像。

實驗設計的顯影裝置基本結構如圖3所示，圖中：上擋板1，摩擦帶電墨粉2，復印紙張3，絕緣面板4，加熱器5，面板支架6，接地導線7，下擋板8，PVC隔離板9，塑料容器10，載體11，墨粉12。上擋板由絕緣塑料或木板等構成，在上擋板中均勻倒入摩擦帶電的墨粉，提起上擋板，使得墨粉緩慢均勻地流向底部。紙張平鋪在面板表面，面板由絕緣材料（塑料或木板等）構成，具有較好的硬度與平整度，用靜電槍電極在紙張表面電暈放電，形成肉眼看不見的靜電潛像。墨粉經過紙張表面時，異性電荷相互吸引，墨粉吸附在紙張表面而形成可見的圖案。

為了控制墨粉的流動速度，絕緣面板通過絕緣支架，與水平面之間形成一定的傾斜角度θ。面板傾斜角θ設計在40°～70°的范圍，墨粉在紙張表面滑動時受到摩擦力作用，考慮墨粉與紙張的摩擦系數u、空氣阻力對于墨粉下滑的阻礙作用，傾斜角θ不能太小，否則墨粉無法從紙張表面滑落到底部。傾斜角θ也不能太大，如墨粉垂直下落，運動速度過大，難以有效被紙張表面的異性電荷吸附而形成圖案。墨粉顆粒很小，直徑為5～15 μm。在面板上方，設計透明的PVC隔離板，使面板與外界環境隔離，避免墨粉飛散到周圍空間。操作者可以佩戴口罩，防止吸入墨粉顆粒。隔離面板還可以是其他透明的絕緣材料，如有機玻璃、PC板等。

通過以上裝置進行瀑布式顯影，墨粉在紙面形成的圖案不牢固，僅靠靜電作用而吸附在紙面。開啟位于底板的加熱裝置，紙面溫度升高到150～200 ℃，此時墨粉顆粒融化，滲透到紙面內部，形成清晰穩定的靜電圖案。本方案設計的加熱裝置包括多種形式，具體加熱功率需要根據面板大小和紙張規格確定，保證紙面升溫迅速，面板受熱均勻，例如：用紅外線燈直接加熱；用鎳絡絲或者鎢絲纏繞在細長的石英管內進行電熱絲加熱；用閃氙燈加熱；用攝影用閃光光源進行輻射加熱，光照時間很短，白色紙張部位不吸收發出的光，黑色部分吸收長波部分的光。

對于流失到面板底部的墨粉，利用下擋板收集后重新利用，加入墨粉盒中。下擋板采用絕緣塑料制作，強度高，耐磨性好。當創作大幅圖案時，尤其幾個靜電槍同時在紙張表面輸出電荷，如噴射正電荷集聚在紙面，會吸附周圍空間存在的負電荷，導致墨粉無法吸附到紙面。在紙面下方位置貼上具有導電功能的金屬箔條，如鋁條和錫紙等，通過接地處理，紙面積累的多余正電荷經過導線流入地面。

參考文獻

[1]周麗娟.光導體在靜電復印機中的應用效果分析[J].科技創新與應用，2016（2）：189-191.

[2]陳報春.實用靜電復印機維修技術[M].北京：國防工業出版社，2004：34-26.

[3]全國電磁兼容標準化技術委員會.GB/T 17626.2-2006

[S].北京：中國標準出版社，2007.

[4]施濱，蔡青.非接觸式支架與手持方式校驗靜電放電發生器之差異[J].上海計量測試，2010（4）：15-17，22.