電子照相顯影用墨粉粉末特性的表征技術

侯曉旭，王雪輝，姚雪麗，陳輝輝，齊俊梅

(天津市合成材料工業研究所有限公司,天津300220）

本文梳理了近兩年來，關于墨粉物理性質表征的相關文獻，對最新的各種表征手段和表征結果分析進行了整理。所涉及的墨粉物理性質包括墨粉的流動性、附著力以及電性能。

1 墨粉流動性的評價方法

1.1 傳統流動性的測試方法

墨粉在顯影過程中會受到各種機械外力的作用，例如摩擦使墨粉帶電，以及刮刀使廢粉離開顯影輥，這就需要墨粉具有一定的流動性。此外，還要防止墨粉在硒鼓中發生團聚或結塊，因為這類情況而導致的機械故障可能會非常嚴重，因此流動性是墨粉一項關鍵的性能指標。

粉體流動性的測試方法也有很多，三星的專利[1]中利用粉末性能測試儀（Hosokawa micron公司產品）來測量墨粉的流動性。使用了三種不同空隙大小的篩子，由上至下固定在測試儀上。在最初測量時，量取2 g調色劑放到最上層的篩子上，在一定條件下進行振動，振動結束后測量三個篩子的重量，以測量殘留在篩子上面的調色劑的量，并后根據下式計算流動性。

上式中f為色調劑的流動性，m1、m2和m3分別為殘留在上層、中層和下層的篩網上的墨粉的量。該方法是對不同層篩上的墨粉的殘留量進行加權平均的結果，且殘留在中層篩的量越多，計算得到的流動性的數值越高。

2007 年，國內機械行業對墨粉流動性的測試標準進行了修正[2]，測試方法沒有改變，但簡化了計算方法，取三層篩網上殘留的墨粉的比例的平均值作為流動，由于墨粉的流動性大小與規定條件下振動篩的篩下量成正比，因此由篩下量可以直接計算不同墨粉的流動性。

1.2 新型流動性測試方法

為了能夠更加準確的評價墨粉在粉倉中的流動性，日本畫像學會則推薦采用粉體層剪切力的表征，來評估墨粉的流動性，就是評估堆積狀態的墨粉顆粒再流動的能力[3]。

粉體層剪切力的測定裝置分為上部單元線性運動型[4]、下部單元線性運動型[5,6]、平行板型[7]以及旋轉型[8]。Shimada[9]介紹了一種測試層剪切力的儀器，下部單元線性運動型粉體層剪切力測試裝置，NSS500（Nano-Seeds株式會社），構造如圖1中所示。根據2016年JIS修訂的相關標準[10]，該裝置可以用來測定內部摩擦角，即內部摩擦力。用來測量的圓筒分為上下兩個部分，上部單元進行固定，下部單元進行水平移動，直至粉體層發生剪切崩潰。

圖1 粉體層剪切力測試裝置NS-S500結構示意圖

對物理法和化學法（懸浮聚合、乳液聚合、聚酯伸長聚合）的CMKY四種顏色的墨粉進行了層剪切力的表征。結果如圖2，并由此計算得到個樣品的內摩擦角如圖3。計算結果表明，樣品A的內摩擦角最小，樣品C的內摩擦角的值是樣品A的3倍左右。也就是說，樣品A在壓實狀態下具有最佳的再流動性。顏色不同的同種類墨粉的表征結果區別不大，因此制造方法是流動性的主要決定因素。

圖2 粉體層剪切力測試結果

圖3 內摩擦角的計算結果

墨粉的流動性主要受到墨粉的形狀和外添加劑的影響，懸浮聚合的墨粉通常具有較高的球形度，因此相比較其他兩種墨粉，具有最好的流動性[11]。而物理法對墨粉的形狀的控制是最差的，墨粉球形度較低，因此流動性較差，計算得到的內摩擦角最大。

2 墨粉附著力的測試

2.1 離心法附著力測定裝置

離心法附著力測定裝置[12]由離心分離部分和畫像解析部分兩部分構成，其中離心分離裝置為hi-mac CT15E（日立工機株式會社），畫像解析部分為NS-C300-HK（Nano-Seeds株式會社）。離心設備由高速離心機和樣品室構成（見圖4），畫像解析部分由長焦鏡頭、畫像分析軟件及顯示器構成。

圖4 附著力測定離心分離裝置為himac CT15E

測試前，墨粉自由下落并分散附著在玻璃制的基板表面。測試時，將基板固定在樣品室內，用高速離心機在不同的旋轉速度下進行離心分離，記錄墨粉的分散狀態。可通過墨粉的密度、粒徑、離心機的轉速以及旋轉半徑計算得到墨粉受到的作用力。并據此時的附著量測定不同轉速下離心后的墨粉的殘留率，得到縱軸為殘留率、橫軸為分離作用力的分布圖，最后通過下述公式計算得到平均附著力:

其中ρ為墨粉的真密度，d為粒徑，r為旋轉半徑，ω為殘留率為50%時的旋轉角速度。

采用離心法在玻璃基板上對不同制造工藝的墨粉進行了附著力的測定，表征結果如表1中所示。A是懸浮聚合法，B是乳化聚合法，C為粉碎法墨粉。結果表明懸浮聚合墨粉具有更高的附著力，而粉碎法墨粉的附著力很低，這可能與墨粉顆粒的形狀及表面狀態有關。

表1 墨粉的附著力測試結果

2.2 施加機械應力時附著力的變化

如果考慮到墨粉在復印機或打印機內部受到的摩擦力以及機械應力[13,14]，還要測量當對墨粉施加了其顆粒強度約千分之一（約1 μN）的作用力時其附著力的變化。這一變化的測定裝置為微小粒子壓迫力的測定裝置，NS-A200（Nano-Seeds株式會社）。測試時，施加規定的推力后，向相反方向拉伸剝離，再測定受到應力后的粘合力。

考慮到施加了機械應力后的附著力的測量結果如圖5中所示，與表1的測試結果相比，附著力的數值都顯著升高了，但是三個樣品附著力的變化程度不同，其中樣品A的變化量相對樣品B、C的附著力的變化較小，而樣品B、C的測試結果，是采用離心法測試的附著力得到的結果的數百倍。也就是說懸浮聚合的墨粉顆粒的附著力受到外界機械應力的影響更低。

圖5 考慮到施加機械應力的附著力的測量結果

2.3 附著力和帶電量的二維分布圖

墨粉之間的附著力主要是由粒子間范德華力和靜電力構成的，其大小還與受到墨粉的帶電狀態的影響。帶電狀態不同，附著力就會不同，對墨粉的顯影和轉印過程產生影響。傳統的附著力和帶電量的測試方法有很多，但無法獲得墨粉的帶電量與附著力之間的對應關系，因此Inaba等[15]提出了一種測試方法，可以同時對墨粉的帶電量和附著力進行測量，并獲得二者的二維分布圖。

超音波振動法裝置結構如圖6中所示，采用了壓電設備的振動子與金屬制造的振幅放大器連接在一起，放大振動幅度來獲得能夠使墨粉脫離時的加速度。測試時，放大器的尖端是類似于轉印帶的薄膜物質，膜上附著有測試墨粉顆粒測試對象，對到達設定的加速度的振動而脫離的墨粉進行逐個的粒徑和帶電量的測量，通過粒子的粒徑、密度以及脫離時的加速度，計算得到粒子所受到的力，即可獲得粒子的附著力。

Inaba等采用這方法對比了兩種不同新舊程度的墨粉附著力-帶電量二維分布圖，結果如圖7所示。兩種墨粉的平均附著力為28.1 nN和29.1 nN，數值相差很小，但二維分布圖卻能看到顯著的差異。與新墨粉的分布圖及擬合曲線比較，用過的墨粉的分布圖和擬合曲線發生了向左上方向的移動，高帶電量樣品的比率顯著減低。也就是說，長期在粉倉中攪拌的墨粉不僅僅是附著力增加了，同時發生了帶電量的下降。此外，通過該二維分布圖，對帶電量每隔0.5 fc進行附著力平均值的計算，計算結果如圖8中所示。從該結果中看出，帶電量為-1 fc時，對新墨粉和用過的墨粉進行附著力的比較，二者大約相差了1.7倍。結合墨粉表面的觀察結果，表面被外添加劑覆蓋的狀態發生了變化，也就是說，長期攪拌改變了墨粉外添加劑的覆蓋狀態，使附著力發生了較大的變化。

圖6 二維分布圖測試裝置

圖7 附著力和帶電量分布圖

圖8 平均附著力和帶電量

3 墨粉的電性能

3.1 墨粉粒子帶電量的測試

墨粉帶電量的測量方法已經有幾種較為成熟，其中常規的是blow-off方法[16]，就是使用與靜電計相連的法拉第籠來評估墨粉電荷量，獲得墨粉的荷質比q/m。電子單粒子氣動弛豫時間分析儀（ESPART）也可用于測量碳粉電荷[17]，并且能夠實時測量亞微米顆粒的空氣動力學尺寸和靜電荷分布。

雖然這些測量技術已經被證明是實用的，但它們不能用于測量單個孤立的墨粉顆粒，例如發生起霧現象的墨粉顆粒。Yamaguchi[18]提出了一種用納米鑷子和AFM懸臂來測量單個碳粉顆粒的帶電量的方法，能夠在較短的時間內獲得制定墨粉顆粒的帶電量。

圖9 用于單個顆粒的圖像力測試的實驗裝置

該方法的實驗設備如圖9所示，該系統包括帶有接近感應器的納米鑷子，帶有懸臂的力測量模塊，一個光學顯微鏡以及兩個測試平臺（xy方向和z方向）。納米鑷子由硅制成，用于夾持和操縱亞微米團簇。測試時，壓電平臺以10 μm/s的速度向上移動懸臂支架，直到墨粉顆粒接觸到懸臂。一旦墨粉顆粒被充電，懸臂就會在靜電力的作用下吸引到墨粉顆粒上。通過確定懸臂的偏轉和壓電平臺的位移，可以獲得靜電力和位移的關系曲線。

實驗中制備了具有四種不同電荷水平的墨粉來驗證這一測量技術，且墨粉均為粉碎法制造的具有不規則顆粒形狀的墨粉顆粒，表面具有二氧化硅外添加劑。圖10是采用這一技術獲得的典型的靜電力-位移關系曲線，并且將鑷子為抓住墨粉顆粒時測得的力-位移曲線作為參照。當用納米鑷子夾持墨粉顆粒時觀察到了遠處的吸引力，而沒有夾持顆粒時則不會觀察到這一遠程吸引力。因此所獲得的靜電力-位移曲線僅顯示由于在墨粉顆粒上產生的靜電電荷引起的靜電力。計算得到隨機選擇的墨粉顆粒的帶電量為-33.2 μC/g。圖11是所選擇顆粒的光學纖維圖像，顆粒的主要和次要直徑分別為6.0和5.8 μm。

圖10 帶電墨粉的力-位移曲線

圖11 所測墨粉的顯微圖像

圖12說明了納米鑷子技術所測帶電量與采用blow-off法所測電荷量的對比。基于墨粉密度和平均直徑，可以將blow-off法獲得的荷質比被轉換成每個顆粒的電荷。圖12表明，使用納米鑷子技術測得的結果與使用blow-off法獲得的結果之間存在線性關系。因此采用這項技術可以用于闡明發生起霧或轉印灰塵墨粉的機理。

圖12 與blow-off法測試結果比較

3.2 靜電消散速度的測試

靜電消散速度的測試也是根據JIS的標準[19]進行的，測試目標是對最大表面電位、靜電消散速度以及偏移電壓進行定量表征。測試裝置為NSD100（Nano-Seeds株式會社），結構如圖13所示。

圖13 靜電消散速度測試裝置NS-D100結構示意圖

裝置包括負離子發生器、測試傳感器、溫濕度傳感器、測試平臺、儀器放大器以及控制用電腦。測試時離子發生器的針尖電壓保持為6 kV的固定電壓，根據在相同的釋放時間的釋放量，得到墨粉顆粒的最大表面電位，用以表示墨粉帶電的難易程度。

對幾種青色墨粉進行了靜電消散速度的測試，帶正電和帶負電的測試結果如圖14和圖15所示，當墨粉帶正電時，不同墨粉之間的表現差別更明顯。樣品E、K、I都發生了初期的大幅度衰減，而樣品G、H、N、O只在初期發生了輕微的衰減后，沒有觀察到后續有明顯的降低。而且不同墨粉的初始電壓變化很大，即使當離子發生器發射相同電荷量的離子時，每種墨粉顆粒保持電子的能力也大不相同。因此不同廠家制造的墨粉的靜電性質是有較大區別的，這也是造成打印質量有所不同的重要因素。

圖14 墨粉靜電消散過程對比（+）

圖15 墨粉靜電消散過程對比（-）

4 小結

在電子照相過程中，墨粉的物理性質具有重要的影響，例如顯影過程對墨粉帶電有著較高的要求，而轉印過程的關鍵則在于墨粉的流動性，定影過程則除了墨粉的熱熔性，還受到其附著力的影響，并且墨粉的各項物理性能并不是各自獨立的，例如帶電量產生的靜電力，就會影響墨粉的附著力的大小。對墨粉的各項物理性能的檢測可以用來對打印過程中的各種現象進行解釋，對提高墨粉圖像質量具有重要的意義。

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