DE19932112A1 - Verfahren zum Optimieren der Konzentration von Partikeln in Oberflächen elektrostatografischer Bilder unter Verwendung eines elektrostatografischen Geräts mit einem nachgiebigen Zwischenübertragungselement - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Bildern und insbesondere zum Erzeugen eines latenten, elektrostatischen Bildes auf einem primären bilderzeugenden Element. Auf diesem Element wird ein Tonerbild unter Verwendung eines Trockentonerpartikel aufweisenden Entwicklers entwickelt. Dabei haben die Trockentonerpartikel einen mittleren volumengewichtigen Durchmesser D von 5 mum bis 10 mum und umfassen Zusätze in einer Konzentration von (3,2/D)% bis (5,6/D)%. Das Tonerbild wird vom primären bilderzeugenden Element auf ein eine nachgiebige Schicht aufweisendes Zwischenübertragungselement und dann vom Zwischenübertragungselement auf ein Empfangselement elektrostatisch übertragen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft den Bereich der Elektrostatografie im allgemei­ nen und insbesondere die Elektrografie und Elektrofotografie. Im besonderen betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen hochwertiger elektrostatografischer Bilder unter Verwendung kleiner Trockentonerpartikel und eines Geräts mit einem nachgiebigen Zwischenübertragungselement.

Ein elektrostatografisches Bild wird hergestellt, indem auf einem primären bilder­ zeugenden Element ein elektrostatisches Latentbild erzeugt wird. Anschließend wird ein sichtbares Bild erzeugt indem das elektrostatische Latentbild nahe an einen entsprechenden Entwickler herangeführt wird. Das Bild wird dann auf ein Empfangselement übertragen und auf diesem Empfangselement durch einen geeigneten Prozeß, beispielsweise durch Schmelzfixierung, dauerhaft fixiert. Wenn es sich bei dem elektrostatografischen Verfahren um ein elektrofotogra­ fisches Verfahren handelt, umfaßt das primäre bilderzeugende Element ein foto­ leitfähiges Element. Das fotoleitfähige Element ist zu Anfang gleichmäßig gela­ den. Das elektrostatische Latentbild wird hergestellt, indem das geladene fotoleit­ fähige Element bildmäßig mit einer Belichtungsquelle belichtet wird, beispiels­ weise einem optischen Belichtungsmittel, einer LED-Anordnung, einem Laser­ abtaster oder anderen elektrooptischen Belichtungseinrichtungen. Das Latentbild wird dann entwickelt, indem das latentbildtragende, fotoleitfähige Element dicht an einen entsprechenden Entwickler herangeführt wird, der elektrisch geladene Farbstoff- oder Tonerpartikel umfaßt. Das Bild wird dann von dem Fotoleiter auf ein entsprechendes Empfangselement übertragen, etwa Papier oder Transpa­ rentfolie. Zwar kann die Übertragung anhand verschiedener Mittel erfolgen, aber im allgemeinen erfolgt sie durch Beaufschlagen mit einem elektrostatischen Potential derart, daß die Tonerpartikel von dem fotoleitenden Element auf das Empfangselement übertragen werden. Alternativ hierzu ist das Bild auch zunächst auf ein Zwischenübertragungselement und anschließend auf das Empfangsele­ ment übertragbar. Das Bild wird dann dauerhaft mit Hilfe geeigneter Mittel auf dem Empfangselement fixiert, beispielsweise durch Beaufschlagen mit Wärme und Druck derart, daß der Toner in einem als Schmelzfixierung bekannten Verfah­ ren schmilzt. Das fotoleitende Element wird dann gesäubert und für die Herstel­ lung nachfolgender Bilder vorbereitet.

Es ist bekannt, daß die adhäsiven und kohäsiven Eigenschaften von Tonerpar­ tikeln die Übertragung beeinträchtigen können. Der Begriff "adhäsiv" bezeichnet die Anziehungskräfte zwischen Partikeln und einer Empfangsfläche. Der Begriff "kohäsiv" bezeichnet die Anziehungskräfte zwischen gleichen Partikeln. Mit kleiner werdendem Tonerdurchmesser dominieren die Kräfte, die die Tonerpartikel an den Flächen festhalten, beispielsweise an dem primären bilderzeugenden Element, gegenüber der beaufschlagten elektrostatischen Übertragungskraft. In der Praxis gilt dies für alle Tonerpartikel ohne Partikelzusätze, wenn der Toner­ durchmesser kleiner als ca. 12 µm (Mikrometer) ist.

Es wurden zahlreiche Verfahren eingesetzt, um die Übertragung von Tonerpar­ tikeln mit einem Durchmesser von weniger als 12 µm zu erleichtern. Beispiels­ weise wurden getonerte Bilder thermisch übertragen. Dies setzt jedoch häufig spezielle Empfangselemente voraus und kann die primären bilderzeugenden Elemente einer starken Belastung aussetzen, insbesondere die Fotoleiter. Primäre bilderzeugende Elemente wurden auch mit Ablösemitteln beaufschlagt, beispielsweise mit Zinkstearat, doch diese beeinträchtigen oft die Ladeeigen­ schaften der Tonerpartikel nachteilig. Zudem verbleiben sie nicht auf dem primä­ ren bilderzeugenden Element und müssen nachgefüllt werden. Dies macht oft komplexe Subsysteme und eine komplexe Prozeßsteuerung erforderlich. Bei anderen Verfahren zum Reduzieren der Adhäsion des Toners an dem primären bilderzeugenden Element wird die Oberfläche des Toners mit Partikelzusätzen von unter einem Mikrometer Durchmesser beschichtet, beispielsweise mit Silici­ umdioxidpartikeln (Silica-Partikel). Diese Zusätze bilden auf den Tonerpartikeln häufig keine gleichmäßige Schicht, sondern ballen sich mit einem Durchmesser im Bereich von einigen Zehnteln Nanometern zusammen, wie mit Rasterelektronen­ mikroskopen (REM) feststellbar ist. Mit dieser Technologie ist es möglich gewor­ den, den volumengewichteten Tonerdurchmesser zu reduzieren, wobei die den Toner an dem primären bilderzeugenden Element festhaltenden Adhäsionskräfte gegenüber der angelegten elektrostatischen Übertragungskraft dominieren, und zwar von ca. 12 µm bis ca. 8,5 µm. Es ist jedoch unwahrscheinlich, daß eine weitere Verkleinerung der Tonerpartikelgröße mit Hilfe dieser Technologie allein möglich ist.

Bei einem anderen Verfahren elektrostatisch übertragener Tonerpartikel wurde in US-A-4,737,433 gezeigt, daß es durch Verwenden monodispergierter, kugelför­ miger Tonerpartikel und glatter Empfangselemente möglich ist, die Oberflächen­ kräfte auszugleichen, womit die elektrostatische Übertragung von Tonerpartikeln mit Durchmessern von nur 2 µm möglich ist. Partikelverunreinigungen, wie Staub, Trägerpartikel usw. trennen jedoch das Empfangselement von dem primären bilderzeugenden Element und erzeugen in dem Bild Artefakte. Zudem wird die Verwertung dieser Technik durch die Notwendigkeit eingeschränkt, sehr glatte Empfangselemente verwenden zu müssen.

Ein weiteres Übertragungsverfahren nutzt ein nachgiebiges Zwischenübertra­ gungselement. Das getonerte Bild wird bei diesem Übertragungsverfahren zunächst von dem primären bilderzeugenden Element auf das nachgiebige Zwischenübertragungselement übertragen. Dann wird das Bild von dem Zwischenübertragungselement auf das Empfangselement übertragen. In einer bevorzugten Betriebsart und mit bezug auf WO 98/04961 werden Farbbilder durch paßgenaues Übertragen der getonerten Farbauszugsbilder von dem primären bilderzeugenden Element auf das nachgiebige Zwischenelement und anschlie­ ßendes Übertragen des gesamten Bildes auf das Empfangselement hergestellt. In einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel sind Farbauszugsbilder in jeweils getrennten Farbmodulen herstellbar, in denen jedes Farbauszugsbild auf ein jeweils getrenntes, nachgiebiges Zwischenelement übertragen wird. Die Bilder werden dann von den jeweiligen Zwischenübertragungselementen paßgenau auf das Empfangselement übertragen. In einem weniger bevorzugten Ausführungs­ beispiel könnten die verschiedenen Farbauszugsbilder nacheinander auf ein einzelnes nachgiebiges Zwischenübertragungselement übertragen werden und alternativ hierzu paßgenau auf die endgültige Empfangselementfläche.

Die Verwendung eines nachgiebigen Zwischenübertragungselements kann Ober­ flächenkräfte möglicherweise ausgleichen. US-A-5,370,961 zeigt, daß es möglich ist, Bilder mit siliciumdioxidbeschichteten Tonerpartikeln mit einem Durchmesser von 3,5 µm unter Verwendung nachgiebiger Zwischenübertragungselemente zu übertragen.

Die Verwendung von derart kleinen Tonerpartikeln, wie den in US-A-5,370,961 beschriebenen, ist oft nicht wünschenswert, weil die Entwicklungsgeschwindigkeit abnimmt, je kleiner die Tonerpartikel werden. Für viele Anwendungen, beispiels­ weise in der Binärbilderzeugung, bei der das Bild aus Rasterpunkten, Mehr­ bit-Punkten, alphanumerischen Ziffern, Linien und Text usw. besteht, ergeben sehr kleine Partikel (d. h. mit einem Durchmesser von unter 5 µm) möglicherweise keine spürbare Verbesserung der Bildqualität. Dennoch ist es oft wünschenswert, Tonerpartikel mit Durchmessern von weniger als 10 µm zu verwenden und am besten Tonerpartikel mit Durchmessern zwischen 5 µm und 9 µm. Hierzu ist es erforderlich, derartige Bilder mit hoher Effizienz, jedoch ohne spürbare Ver­ schlechterung des getonerten Bildes zu übertragen.

Die Übertragungsverschlechterung tritt häufig deswegen auf, weil die elektrosta­ tisch geladenen Tonerpartikel dazu neigen, einander abzustoßen. Die Kohäsiv­ kräfte zwischen den Partikeln tragen jedoch zu einer Stabilisierung der Struktur des getonerten Bildes bei. Indem die Adhäsion durch Zugabe von Partikelzusät­ zen verringert wird, wird auch die Kohäsion vermindert, so daß es verstärkt zu einer Bildunterbrechung und zu einer Gruppierung von Tonerpartikeln auf dem Bild kommen kann. Dies führt zu einem störenden Hintergrund und anderen Arte­ fakten, wie beispielsweise einer Verschlechterung von Auflösung und Schärfe.

Durch die Verringerung der Kohäsion zwischen den Tonerpartikeln können neue Probleme während der Übertragung entstehen. Während die sich aus Ansamm­ lungen geladener Tonerpartikel zusammensetzenden Bilder auf das Empfangs­ element übertragen werden, können die elektrostatischen Abstoßkräfte zwischen Tonerpartikeln ein Auseinanderfliehen der Bilder bewirken. Dieser Effekt tritt am deutlichsten in Rasterbildern auf, in denen die Rasterpunkte förmlich explodieren können. Zwar können derartige Punktexplosionen auch in unbehandelten Toner­ systemen auftreten, aber es wurde beobachtet, daß die Verwendung von Partikel­ zusätzen im Submikrometerbereich das Problem der Punktexplosion verstärken kann. Das ist wahrscheinlich auf ein Nachlassen der Kohäsion zwischen Toner­ partikeln zurückzuführen, wodurch die elektrostatischen Abstoßkräfte zwischen diesen Partikeln stärker zur Wirkung gelangen. Wenn die Übertragung unter Verwendung eines elektrisch vorgespannten Übertragungsspaltes erfolgt ist es andererseits möglich, daß die Punktexplosion dadurch verursacht wird, daß einige oberflächenbehandelte Tonerpartikel und Rasterpunkte über den Luftspalt in dem Bereich vor dem Spalt aufgrund starker elektrostatischer Felder übertragen werden. In diesem dem Spalt vorgelagerten Bereich erzeugte, ausreichend große elektrostatische Felder können die empfindlichen Punkte destabilisieren, die von den Oberflächenkräften zusammengehalten werden. Die Kohäsivkräfte müssen die elektrostatischen Abstoßkräfte zwischen gleich geladenen Tonerpartikeln überwinden, um die Punkte an einer Explosion zu hindern. Wenn die Übertragung nur dann stattfindet, nachdem der Fotoleiter in physischem Kontakt mit dem Empfangselement gelangt ist, ist die Wirkung der Punktexplosion minimierbar, weil sich die Tonerpartikel, einschließlich der, die ansonsten Satelliten bilden würden, nicht sehr weit von der vorgesehenen Lage verschieben können.

Im Bereich der Elektrostatographie stellt die Verbesserung der Übertragungseffi­ zienz bei minimaler Bildunterbrechung ein ernsthaftes Problem dar.

Die Erfindung betrifft Verfahren zum Verbessern der Übertragung von Bildern derart, daß Bildunterbrechung reduziert wird. Insbesondere wird nach einem ersten Aspekt der Erfindung ein Verfahren zum Herstellen von Bildern bereitge­ stellt, das das Erzeugen eines elektrostatischen Latentbildes auf einem primären bilderzeugenden Element umfaßt wobei auf dem primären bilderzeugenden Element ein Tonerbild durch Entwickeln des elektrostatischen Latentbildes unter Verwendung eines Trockentonerpartikel enthaltenden Entwicklers erzeugt wird, und wobei die Trockentonerpartikel einen mittleren volumengewichteten Durch­ messer D zwischen 5 µm und 10 µm aufweisen und die Tonerpartikel Zusätze in einer Konzentration von (3,2/D)% und (5,6/D)% umfassen. Das Tonerbild wird vom primären bilderzeugenden Element auf ein eine nachgiebige Schicht aufwei­ sendes Zwischenübertragungselement und dann vom Zwischenübertragungs­ element auf ein Empfangselement elektrostatisch übertragen.

Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen von Bildern bereitgestellt, das folgende Schritte umfaßt: auf einem primären bild­ erzeugenden Element Erzeugen eines Tonerbildes mit Trockentonerpartikeln, die einen mittleren volumengewichteten Durchmesser D von 5 µm bis 10 µm aufwei­ sen, und die einen Partikelzusatz in einer Konzentration von (3,2/D)% und (5,6/D)% umfassen; elektrostatisches Übertragen des Tonerbildes von dem primä­ ren bilderzeugenden Element auf ein Zwischenübertragungselement mit einer nachgiebigen Schicht und elektrostatisches Übertragen des Tonerbildes von dem Zwischenübertragungselement auf ein Empfangselement.

Die Erfindung wird im folgenden anhand in der Zeichnung dargestellter Ausfüh­ rungsbeispiele näher erläutert

Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht einer bevorzugten Vorrichtung, in der die Erfindung verwertbar ist.

Fig. 2 eine Kurve zur Darstellung der Beziehung der mittleren Spannung für eine 90%ige Übertragung, abgetragen gegenüber dem prozentualen Anteil an Siliciumdioxidzusatz mit und ohne Silicon.

Fig. 3 Kurven zur Darstellung der Beziehung der normierten Übertragungseffi­ zienz, integriert über die für eine 80%ige Übertragung erforderliche Span­ nung bis zur Obergrenze von 2500 Volt mit und ohne Siliconablösezusatz als Funktion des Siliciumdioxidzusatzes. Die Normierung erfolgt in bezug auf die integrierte dichtegemittelte Übertragungseffizienz für den Toner ohne Siliciumdioxidzusatz und ohne Siliconablösezusatz.

Fig. 4A, B und C elektronenmikroskopische Abbildungen zur Darstellung der Rasterpunktmuster nach Übertragung für einen silicondotierten Toner mit 0%, 0,5% und 2,0% Siliciumdioxidanteil bei einer Rasterdichte von 150 (d. h. 150 Linien pro Zoll).

Fig. 5 Kurven zur Darstellung der Beziehung der Auflösung als Funktion der Sili­ ciumdioxidkonzentration für den Toner mit und ohne Siliconadhäsions­ zusatz.

Fig. 6 Kurven zur Darstellung des prozentual von dem Fotoleiter bei 70 000 U/min entfernten Toners als Funktion der Siliciumdioxidkonzentration mit und ohne Siliconadhäsionszusatz.

Fig. 7 Kurven zur Darstellung des prozentual durch Zentrifugalkraft entfernten Toners als Funktion der Ablösekraft für drei Siliciumdioxidanteile: 0%, 1% und 2% für Toner ohne Siliconadhäsionszusatz.

Fig. 1 zeigt eine elektrostatografische Vorrichtung, insbesondere eine elektrofo­ tografische Vorrichtung. Die bilderzeugende Vorrichtung 10 umfaßt ein primäres bilderzeugendes Element, beispielsweise eine Fotoleittrommel 11, auf der eine Reihe verschiedenfarbiger Tonerbilder erzeugbar ist. Anstatt einer Trommel ist auch ein fotoleitfähiges Band verwendbar. Eine Fläche 13 der fotoleitfähigen Schicht oder Schichten 12 wird zu Anfang gleichmäßig von einer Ladevorrichtung geladen, etwa eine Corona-Ladevorrichtung 14. Ein Walzen- oder Bürstenlader ist ebenfalls verwendbar. Das geladene fotoleitfähige Element wird bildmäßig von einer entsprechenden Belichtungsquelle belichtet, beispielsweise einer LED-An­ ordnung 15, um elektrostatische Bilder zu erzeugen. Andere Belichtungsquel­ len, wie etwa ein Laser oder andere elektrooptische Vorrichtungen sind ebenfalls verwendbar. Auch optische Belichtung ist möglich. Ein sichtbares Bild wird erzeugt, indem das fotoleitfähige Element nahe an einen geeigneten Entwickler herangeführt wird, der an einem Bereich 16 einer Entwicklungsstation 16 vorge­ sehen ist. Um Farbbilder zu erzeugen, werden Toner mit geeigneten Farben ausgewählt. Um beispielsweise ein Vollfarbenbild herzustellen, werden die elek­ trostatischen Bilder mit verschiedenfarbigen Tonern in schwarz, gelb, magenta und cyan entwickelt, die nach der subtraktiven Farbmischung den Primärfarben an den jeweiligen Farbentwicklungsstationen 16K, 16Y, 16M und 16C entsprechen. Die Erfindung ist nicht auf Farbvorrichtungen beschränkt, und es ist auch möglich, eine Entwicklungsstation mit nur einer Farbe vorzusehen.

Die einzelnen Farbtonerbilder werden paßgenau auf die Außenfläche eines Zwischenübertragungselementes (ITM/Intermediate Transfer Member) übertra­ gen, beispielsweise an eine nachgiebige Zwischenelementtrommel 20, um ein zusammengesetztes Mehrfarbentonerbild zu erzeugen. Nachgiebige Zwischen­ übertragungselemente sind bekannt, siehe US-A-5,370,961. Sie können die Form eines Bandes oder einer Walze aufweisen. Wie in Fig. 1 gezeigt, umfaßt die Trommel 20 einen metallisch leitenden Kern 21 und eine dünne Halbleiterschicht (zwischen 1 mm und 20 mm, vorzugsweise um 10 mm) aus Polyurethan, dotiert mit einer entsprechenden Menge antistatischem Material, um einen Widerstand zwischen ca. 1 × 10⁷ Ohm-cm und ca. 1 × 10¹¹ Ohm-cm und vorzugsweise von ca. 10⁸ Ohm-cm zu erzielen. Die nachgiebige Schicht weist ein Elastizitätsmodul im Bereich von 0,1 MPa bis ca. 10 MPa auf und vorzugsweise zwischen 1 MPa und 5 MPa auf. Die Oberfläche des Zwischenübertragungselements ist mit einer ausreichend harten und dünnen Überschicht 23 bezogen, beispielsweise von einer Dicke zwischen ca. 2 µm und ca. 30 µm und vorzugsweise zwischen 5 und 10 µm Keramikwerkstoff mit einem Elastizitätsmodul von größer 100 MPa, wie anhand einer Materialprobe des Überschichtmaterials in einer Instron-Zugprüfein­ richtung anhand üblicher Techniken meßbar ist. Wenn es nicht möglich ist, eine diskrete Materialprobe des Überschichtmaterials herzustellen, läßt sich das Elastizitätsmodul auch auf bekannte Weise mit einer Hertzschen Eindruckprüfvor­ richtung ermitteln. Beispiele für Polyurethan-Halbleiterschichtmaterialien werden in US-A-5,212,032 genannt. Das mehrfarbige Bild wird an dem Spalt 26 auf das nachgiebige Zwischenübertragungselement übertragen, und zwar durch Beauf­ schlagen mit einem ausreichenden elektrischen Potential, beispielsweise von 600 V, das von einer mit dem leitfähigen Kern 21 verbundenen Stromquelle 28 ange­ legt wird.

Das auf dem nachgiebigen Zwischenübertragungselement erzeugte mehrfarbige Bild wird in einem einzelnen Schritt auf ein Empfangselement S übertragen, das elektrostatisch an einer Fläche 34A des Transportgurtes 34 von einer Corona-La­ devorrichtung 39a fixiert wird. Der Transportgurt 34 ist jeweils um die Rolle 36 und 37 geführt. Einzelheiten zu dem Transportgurt 34 werden in WO 98/04961 beschrieben. Die in diesem Ausführungsbeispiel beschriebenen Übertragungen erfolgen elektrostatisch, d. h. daß zur Übertragung keine erhöhten Temperaturen eingesetzt werden, die ein Erweichen des Toners bewirken. Das Empfangsblatt S tritt durch den von der Zwischenübertragungselement-Trommel 20 und einer Übertragungsgegenrolle 33 gebildeten Spalt 30. Das mehrfarbige Bild wird durch Beaufschlagen mit einem ausreichenden elektrischen Potential übertragen, beispielsweise von 2000 Volt, das von einer Stromquelle 29 an die Übertragungs­ gegenrolle 33 angelegt wird. Der Transportgurt 34 wird aus dem Eingriff mit dem Zwischenübertragungselement 20 bewegt, während das mehrfarbige Bild auf dem Zwischenübertragungselement erzeugt wird. Der Transportgurt bildet am Spalt­ bereich 30 um das Zwischenübertragungselement eine Umschlingung von 6 mm, wenn das mehrfarbige Tonerbild auf dem Zwischenübertragungselement zum Empfangsblatt übertragen wird.

Sobald ein Bild auf das Empfangselement übertragen ist, transportiert der Trans­ portgurt das Empfangsblatt an eine Fixiervorrichtung, beispielsweise einen Schmelzfixierer 56, der das Empfangsblatt mit Wärme und Druck beaufschlagt, um das Tonerbild auf dem Empfangsblatt zu fixieren. Das Empfangsblatt wird dann von dem Transportgurt 34 mit Hilfe einer Corona-Ladeeinrichtung 39 abge­ löst.

Eine Reinigungsbürste oder Lamelle 19 entfernt auf der Oberfläche 13 der Trom­ mel 11 verbliebenen, nicht übertragenen Toner. Auf ähnliche Weise wird eine Bürste oder Lamelle 17 verwendet, um das Zwischenübertragungselement 20 vor erneuter Verwendung zu säubern. Die Bürste 17 wird aus dem Eingriff mit dem Zwischenübertragungselement verfahren, während das mehrfarbige Bild auf dem Zwischenübertragungselement erzeugt wird. Um das Beseitigen nicht übertrage­ nen Toners durch die Bürste 17 zu erleichtern, kann die Trommel 20 von der Ladevorrichtung 50 zur Vorreinigung mit einer Ladung beaufschlagt werden, um die Adhäsion des nicht übertragenen Toners auf dem Zwischenübertragungsele­ ment 20 zu verringern.

Ein alternatives Verfahren zum Erzeugen eines mehrfarbigen Bildes besteht darin, einzelne elektrostatografische Module für jeden Farbtoner vorzusehen. Es würden dann für jede Farbe jeweils Auszugsbilder geschrieben, getonert und in dem entsprechenden Modul auf das Zwischenübertragungselement übertragen und anschließend nacheinander und paßgenau auf das Empfangselement übertragen. Ein Beispiel für ein derartiges Verfahren wird in WO 98/04961 beschrieben.

In Hinsicht auf die physikalischen Aspekte der Adhäsion wird die Adhäsion von Partikeln auf einem nachgiebigen Träger, etwa einem Polyurethanträger, durch die JKR-Adhäsionstheorie gut beschrieben. Gemäß dieser Theorie wird die Kraft F_s, die zum Entfernen eines Partikels mit dem Radius R von einem Träger erfor­ derlich ist, durch die Gleichung

F_s = -3/2W_AπR (1)

gegeben, wobei W_A die thermodynamische Adhäsionsarbeit ist und mit der Flächenenergie y_P und y_S des Partikels bzw. des Substrats sowie mit der Berüh­ rungsflächenenergie y_PS durch folgende Gleichung in Beziehung steht

W_A = γ_P + γ_S - γ_PS (2).

Aus Gleichung 1 geht hervor, daß die JKR-Theorie davon ausgeht, daß die zum Entfernen eines Partikels von einem Träger erforderliche Kraft unabhängig von dem Elastizitätsmodul des Trägers ist. Wie Versuche belegen, hängen die Kräfte aber durchaus von den Elastizitätsmodulen des Trägers ab. Die Rolle des Elasti­ zitätsmoduls auf die Partikeladhäsion läßt sich verstehen, wenn man weiß, daß Partikel keine perfekten Kugeln bilden, wie dies die JKR-Theorie voraussetzt. Statt dessen weisen sie Abweichungen von der Kugelform auf, wie von Fuller und Tabor in Proceedings Royal Society of London, Folge A, Band 345, Seite 327 (1975) und jüngst durch Schaefer et al., Journal of Adhesion Science & Techno­ logie, Band 9, Seite 1049 (1995) nachgewiesen, wobei die Einbettung der Kugel­ formabweichung in den Träger die Ablösekraft von dem Träger bestimmt. Weiche Fotoleiter behindern die Übertragung, weil sie die Einbettung fördern, wie von Mastrangelo, Photographic Science & Engineering, Band 22, Seite 232 (1978) beschrieben. Dies mindert die fördernde Wirkung der Siliciumdioxidpartikel. Die Siliciumdioxidmenge, die auf der Fläche eines Tonerpartikels eine Abweichung von der idealen Kugelform bewirkt, sollte sich spürbar auf die Größe der Ablöse­ kraft auswirken, insbesondere für Fotoleiter, die keine wesentliche Partikeleinbet­ tung aufweisen. Das Zusetzen von Siliciumdioxid sollte also grundsätzlich die Übertragung erleichtern. Wie zuvor gezeigt kann das Hinzufügen von Zusätzen im Submikrometerbereich die Punktexplosion begünstigen. Punktexplosion kann aufgrund der verringerten Adhäsion auftreten, die ein Übertragen von Tonerpar­ tikeln bereits im Bereich vor dem Spalt ermöglicht, oder aufgrund der verminder­ ten Kohäsion zwischen den Partikeln. Es ist nachvollziehbar, daß bei nachgiebi­ gen Zwischenübertragungselementen die Tonerpartikel in einer derartigen Tiefe eingebettet würden, daß das Siliciumdioxid wenig nützte und durch Vergrößerung des Berührungsbereichs sogar die Übertragung behinderte.

Im Zusammenhang mit der Übertragung unter Verwendung nachgiebiger Zwischenübertragungselemente sind in bezug auf die vorliegende Erfindung verschiedene Aspekte zu berücksichtigen, nämlich:

• 1. Ist der Einsatz von Partikelzusätzen tatsächlich erforderlich, wenn dies in Verbindung mit einem nachgiebigen Zwischenübertragungselement erfolgt?
• 2. Beeinträchtigt das Hinzufügen von Partikelzusätzen tatsächlich die Übertra­ gungseffizienz?
• 3. Wie beeinträchtigt die dem Toner zugesetzte Menge die Bildqualität nach der Übertragung?
• 4. Beeinträchtigt der Tonerzusatz die Auflösung oder die Punktintegrität, wenn ein nachgiebiges Zwischenübertragungselement verwendet wird?

Um diese Fragen zu beantworten, wurden verschiedene Versuche durchgeführt und anhand der folgenden Beispiele beschrieben. Die Erfindung betrifft das Opti­ mieren der Konzentration von Zusätzen für Tonerpartikel mit Durchmessern zwischen 5 µm und 10 µm, vorzugsweise zwischen 5 µm und 9 µm, wenn elek­ trostatografische Bilder, vorzugsweise elektrofotografische Bilder mit einer Vorrichtung unter Verwendung eines nachgiebigen Zwischenübertragungsele­ ments erzeugt werden.

Beispiel 1 und 2

In diesen Beispielen wurden die Übertragungseffizienz, die Punktstruktur und die Auflösung der elektrostatisch übertragenen Bilder für eine Reihe von gemahlenen Tonerpartikeln mit einem mittleren Nenndurchmesser von 8,5 µm ermittelt. Die zum Beseitigen der Partikel von einem Fotoleiter erforderliche Kraft wurde mit einer Ultrazentrifuge des Typs Beckman LM 70 gemessen.

Es wurden zwei Tonerserien verwendet. Die erste umfaßt Tonerpartikel, die unter Verwendung eines gemahlenen Polyesterbinders zwischen 0% und 2% Aerosil R972 erzeugt wurden (hergestellt von DeGussa Inc.) sowie mit Siliciumdioxidpar­ tikeln, die nach Gewicht der Tonerpartikelfläche hinzugefügt wurden. Diese Sili­ ciumdioxidpartikel neigen dazu, sich zu Gruppen oder Klumpen von Silicium­ dioxidpartikeln zu verbinden, die an den Oberflächen der Tonerpartikel haften. Nach Angaben von DeGussa haben die Siliciumdioxidpartikel einen mittleren Durchmesser von ca. 16 nm (Nanometer), wobei Bilder von Rasterelektronen­ mikroskopen Gruppendurchmesser im Bereich von 60 nm zeigen. Diese Gruppen oder Klumpen von Siliciumdioxidpartikeln können mittlere Durchmesser von 5 nm bis 100 nm annehmen. Um einen mittleren Gruppendurchmesser zu ermitteln, wird eine Rasterelektronenmikroskopaufnahme angefertigt vorzugsweise unter Verwendung eines Feldemissionsmikroskops, und zwar mit einer Vergrößerung, die ausreicht, um mehrere Cluster aufzulösen. Von der Rasterelektronenmikros­ kopaufnahme wird ein mittlerer Durchmesser jedes Clusters in dem Zusatz ermit­ telt, d. h. die Durchmesser der Cluster werden in drei verschiedenen Richtungen bestimmt und gemittelt. Der Mittelwert der mittleren Durchmesser von mindestens 10 Clustern wird dann verwendet, um einen mittleren Gruppendurchmesser zu bestimmen. Die zweite Versuchsreihe war relativ einfach, mit der Ausnahme, daß die Tonerpartikel auch einen Siliconablösezusatz von 2 pph (Teilchen je Hun­ dert/Parts per Hundred nach Gewicht) enthielten, was durch das Gewicht des Silicons auf je 100 g des in der Rezeptur der Tonerpartikel verwendeten Polymerbinders bestimmt wird. Das Silicon wird der Polymermatrix jedes Tonerpartikels zuge­ mischt. Der mittlere, volumengewichtete Durchmesser der Tonerpartikel betrug ca. 8,6 µm für den Toner ohne Siliconzusatz und ca. 8,1 µm für den Toner mit Sili­ conzusatz. Wenn hier auf die Tonerpartikelgröße oder den Tonerpartikeldurch­ messer Bezug genommen wird, ist, soweit nicht anders angegeben, der mittlere, volumengewichtete Durchmesser gemeint, wie anhand herkömmlicher Durch­ messer-Meßvorrichtungen ermittelt, beispielsweise durch einen Coulter Multisizer, vertrieben von Coulter, Inc. Der mittlere, volumengewichtete Durchmesser (MVW) ist die Summe der Massenprodukte jedes Partikels mal dem Durchmesser eines kugelförmigen Partikels gleicher Masse und Dichte, geteilt durch die gesamte Partikelmasse. Die Messung des MVW-Durchmessers der Tonerpartikel erfolgt vor dem Einfüllen des Toners in die Entwicklungsvorrichtung.

Ein elektrofotografischer Entwickler wurde durch Mischen des Toners mit einem harte Ferritpartikel enthaltenden Entwickler hergestellt. Die Trägerpartikel wiesen einen volumengewichteten Durchmesser von ca. 30 µm auf. Die Tonerladung wurde unter Verwendung einer Vorrichtung mit zwei ca. 1 cm zueinander beab­ standeten Planarelektroden bestimmt. Ungefähr 0,1 g Entwickler wurden auf der unteren der beiden Elektroden aufgebracht. Die untere Elektrode wurde oberhalb aber in enger Nähe zu einer krapfenförmig segmentierten Reihe von Magneten mit wechselnder Polarität angeordnet. Ein Elektrometer wurde an der oberen Elektrode der beiden Elektroden angeschlossen. Die Elektroden wurden derart vorgespannt, daß sie während der Drehung der Magneten den Toner auf der oberen Elektrode anzogen und damit eine elektrofotografische Entwicklung simu­ lierten. Nachdem der gesamte Toner von dem Entwickler abgezogen worden war, wurde die Ladung auf der oberen Elektrode ermittelt, und die Masse des diese Ladung bedingenden Toners wurde gemessen. Diese Technik wird detaillierter an anderer Stelle beschrieben. Das Verhältnis von Tonerladung zu Masse wurde für jeden Toner mit ca. 37±3 µC/g festgestellt.

Zwölf Gramm Entwickler wurden in eine Entwicklungsstation ohne Vorratsbehält­ nis geladen, die aus einem rotierenden Kern von Wechselpolmagneten und einem konzentrischen Edelstahlgehäuse bestand. Diese Art der Station wurde deshalb gewählt, weil sie die Verwendung kleiner Entwicklermengen zuließ und Abwei­ chungen in der Tonerkonzentration und dem Ladungs-/Masse-Verhältnis verhin­ derte, das bei größeren, gängigeren Stationen zu beobachten ist. Die Entwicklung erfolgte mit Hilfe der sogenannten "SPD-Technik", wie von Miskinis in Procedures Sixth International Congress on Advances in Non-impact Printing Technologies, IS, 1990, Seite 101-110, beschrieben. Bei der "SPD-Technik" werden Träger­ partikel mit einer magnetischen Feldstärke von mehr als 15960 A/m (200 Oersted) eingesetzt. Ein kommerziell verfügbarer, organischer Fotoleiter wurde zunächst mit einem vorbestimmten Potential unter Verwendung eines gittergesteuerten Gleichspannungs-Coronaladers geladen; ein elektrostatisches Latentbild wurde durch Kontaktbelichten des Fotoleiters mit einem Testkeil hergestellt. Der Testkeil enthielt eine Reihe von Halbton-Neutraldichtestufen, ein 30%iges Punktraster­ muster mit einer Rasterweite von 150 Linien und eine Auflösungskarte. Der Foto­ leiter wurde dann über die Entwicklungsstation geführt, an der Toner auf dem Fotoleiter bildmäßig aufgetragen wurde. Das Tonerbild wurde elektrostatisch auf eine vorgespannte, nachgiebige Zwischenübertragungselementwalze mit einem Widerstand im Bereich von 10⁹ Ohm-cm übertragen. Das Elastizitätsmodul der nachgiebigen Schicht des Zwischenübertragungselements betrug 3,82 MPa (Megapascal) mit einer Schichtdicke von ca. 5 mm. Die nachgiebige Zwischen­ übertragungselementwalze oder -trommel besaß eine Beschichtung aus 5 µm Permuthane (Warenzeichen von Stahl Finish) mit einem Elastizitätsmodul von größer 10⁸ Pa.

Der Fotoleiter arbeitete während des Übertragungsprozesses mit einer Geschwin­ digkeit von ca. 2,5 cm/s. Die Breite des zwischen der Zwischenübertragungsele­ mentwalze und dem Fotoleiter gebildeten Spaltes (in Bewegungsrichtung des Fotoleiters) betrug ca. 6 mm. Die Übertragungsspannungen betrugen zwischen 500 und 2500 Volt. Die Übertragungseffizienz der zweiten Übertragung (von der Zwischenübertragungselementwalze auf das Empfangselement) war sehr hoch (nahe eins). Daher werden hier nur die Effizienzwerte der ersten Übertragung gezeigt. Auflösung und Punktstruktur wurden auf dem Fotoleiter vor der Übertra­ gung und auf dem Empfangselement nach beiden Übertragungen gemessen. Auf dem Fotoleiter war die Auflösung des Bildes sehr gut, und zwar besser als die Grenze der verwendeten Meßskala (16 Linienpaare/mm). Die Punkte auf dem Fotoleiter waren recht kreisförmig mit einer minimalen Zahl von Tonersatelliten. Meßbare Artefakte in den fertigen Bildern traten während der Übertragungs­ schritte nicht auf.

Mit Hilfe der Transmissionsdensitometrie für getonerte optische Dichten wurde auf dem Fotoleiter eine Übertragungseffizienz zwischen 0,1 und 1,0 gemessen. Bei dem Empfangselement handelte es sich um ein Papier des Typs Potlatch Vintage Gloss. Die mittlere Transmissionseffizienz über den Bereich der optischen Dichten wurde als Funktion einer an die Übertragungswalze angelegten Spannung ermittelt. Die Leitschicht des Fotoleiters war geerdet; es wurde eine Übertra­ gungsspannung von maximal 2500 Volt angelegt. Die Übertragungseffizienz stieg mit der angelegten Übertragungsspannung über den gesamten Bereich von 500-2500 Volt an. Die Spannung V_90%, bei der die mittlere Übertragungseffizienz 90% überstieg, wurde dann für jede Tonerreihe mit den genannten verschiedenen Sili­ ciumdioxidanteilen bestimmt. Die mittlere Übertragungseffizienz über den Bereich der getonerten optischen Dichten und dem Bereich von Spannungen zwischen V₈₀% und 2500 Volt wurde ebenfalls bestimmt. Dieses Verfahren zur Mittelwerts­ findung wurde durch numerische Polynomkurvenintegration für die Daten über den zuvor genannten Bereich ausgeführt. Dieses Verfahren zur Mittelwertsfindung weist ein Maß für die "Stabilität" des Toners gegenüber Übertragungsabweichun­ gen aus. Abschließend wurden Auflösung und Punktintegrität vor und nach Übertragung bei einer angelegten Übertragungsspannung von 1500 Volt bestimmt. Jede dieser Messungen wurde mit und ohne Zusatz des Toners mit Siliconablösemittel zur besseren Ablösung von dem Fotoleiter durchgeführt.

Die Adhäsion der Tonerpartikel an dem Fotoleiter wurde durch Entwickeln von Feldern niedriger Dichte und Entfernen des Toners in einer Ultrazentrifuge mit 70 000 U/min bestimmt. Das Verfahren wird nachfolgend beschrieben. Zunächst wurde die Partikelzahl auf dem Fotoleiter durch Zählung bestimmt, und zwar mit einem leistungsstarken Mikroskop, das mit einer CCD-Kamera ausgestattet war, und einer geeigneten Bildanalysesoftware. Als nächstes wurde der Fotoleiter in eine Zentrifuge gegeben und mit der gewünschten Drehzahl gedreht. Das Muster wurde dann entfernt, und die verbleibenden Partikel auf dem Fotoleiter wurden gezählt. Dieses Verfahren wurde für eine Reihe von Drehzahlen wiederholt. Das Zentrifugieren wurde in einem niedrigen Vakuum von ca. 0,000133 hPa (10^-3 Torr) durchgeführt. Die anfängliche Bedeckung wies eine Dichte von 0,5 auf, wie in Transmission gegen eine 50-60%ige Flächendeckung durch Partikel gemessen.

Beispiele 3-6

Es wurden Experimente durchgeführt, um die Auswirkung der Tonergrößenver­ teilung auf die Übertragungseffizienz zu ermitteln. Eine Reihe von Oberflächen­ behandlungsmittel-Konzentrationen wurde auf Muster mit Tonerpartikeln unter­ schiedlicher Tonergrößenverteilung angewandt, derart, daß der Deckungsgrad des Oberflächenbehandlungsmittels in jedem Muster gleich war. Die Tonerpartikel­ größen der untersuchten Muster betrugen 5, 6.2, 7, 8.2 µm im Durchmesser. Die Übertragungsexperimente wurden erneut mit Hilfe der in den Beispielen 1 und 2 verwendeten nachgiebigen Zwischenübertragungselemente durchgeführt. In allen Fällen verbesserte sich die Übertragungseffizienz von dem fotoleitenden Element zur nachgiebigen Zwischenübertragungselementwalze um bis zu 14% bei zuneh­ mendem Anteil an Oberflächenbehandlungsmittel. Die auf die Tonermuster aufgebrachten Tonerbehandlungsmittel oder unterschiedlich große Verteilungen führten tendenziell zu einer Verringerung der Auflösung im Vergleich mit unbe­ handeltem Toner. Die Auflösung lag jedoch auf einem annehmbaren Niveau (größer als 8 Linien/mm) für Flächenbehandlungsmittel von weniger als 0,7% nach Gewicht, bei einem gewichtsnormierten Tonerdurchmesser von 8 µm. Die Ergebnisse der Größenverteilungsuntersuchung mit wechselnden Konzentratio­ nen von Oberflächenbehandlungsmitteln stimmten also mit den früheren Versu­ chen überein, bei denen nur Toner von 8 µm verwendet wurde.

Die angelegte Spannung V_90%, für die die Effizienz der ersten Übertragung als Funktion der Siliciumdioxidkonzentration den Wert von 90% überstieg, wird in Fig. 2 für die Toner mit und ohne Siliconzusatz gezeigt. Wie zu erkennen ist, fällt die für 90% Übertragung notwendige Spannung schnell bei ansteigender Silicium­ dioxidkonzentration für beide Toner ab. Die Wirkung flacht aber bei Siliciumdi­ oxidkonzentrationen von über 0,5% ab, wobei die Wirkung für Siliciumdioxidkon­ zentrationen von 1% und 2% nur geringfügig größer als bei 0,5% ist. Es ist zudem deutlich zu erkennen, daß der Einsatz eines Toners mit einem Siliconzusatz in Verbindung mit Siliciumdioxidkonzentrationen von über 0,5% nicht nur zu einer weiteren Verringerung der für eine 90% Übertragung erforderlichen Spannung führt, sondern auch zu etwas geringeren Übertragungswerten im Vergleich zu einem Tonermuster mit Siliciumdioxidbehandlung, jedoch ohne Siliconzusatz. Überraschenderweise kann der Siliconzusatz als Flüssigbrücke wirken, die die Effizienz des Siliciumdioxides zur Trennung des Toners von der fotoleitfähigen Schicht mindert. Die Verwendung eines Siliconzusatzes ist jedoch weiterhin wünschenswert, um die Bildung von Zusammenballungen auf den bildtragenden Flächen der Vorrichtung zu reduzieren.

Fig. 3 zeigt die integrierte, mittlere Übertragungseffizienz oberhalb von 80% für jede der beiden siliciumdioxidbehandelten Tonerreihen, und zwar normiert zur Leistung des Toners ohne Siliciumdioxid- oder Siliconzusatz. Die durchgezogene Linie zeigt die Ergebnisse ohne Siliconzusatz, die Strichlinie zeigt die Ergebnisse mit Siliconzusatz. Die integrierte, mittlere Übertragungseffizienz wird bestimmt, indem zunächst die gemessene Übertragungseffizienz über einen Bereich von 10 Dichteschritten von 0,1 bis 1,0 für jede Spannung von 0 bis 2500 Volt in Schritten von ca. 200 Volt gemessen wird. Eine glatte Kurve wird dann an die mittlere Übertragungseffizienz als Funktion der Spannung angepaßt, und diese Kurve wird von der kleinsten Spannung, die eine 80%ige mittlere Übertragungseffizienz erzeugt, bis zur höchsten untersuchten Spannung von 2500 Volt integriert. Auf diese Weise weisen Systeme mit einem kleineren Fenster von Übertragungseffi­ zienz zu angelegter Übertragungsspannung einen niedrigeren spannungsinte­ grierten Mittelwert auf und sind von robusteren Systemen mit einem breiten Maximum unterscheidbar. Aus Fig. 3 ist ersichtlich, daß sich die integrierte mittlere Übertragungseffizienz - ein Maß der Übertragungsrobustheit - trotz eines anfänglichen Abfalls im allgemeinen mit zunehmender Siliciumdioxidkonzentration verbessert, jedoch mit fallender Tendenz, sobald die Siliciumdioxidkonzentration 0,5% nach Tonergewicht übersteigt. Diese Ergebnisse stimmen mit den Spannungsergebnissen aus Fig. 2 überein. Ebenfalls in Übereinstimmung mit Fig. 2 zeigen die Daten, daß das Vorhandensein eines Siliconzusatzes die integrierte mittlere Übertragung für alle Bedingungen reduziert.

Aus den soweit vorgestellten Daten ließe sich schließen, daß das Verfahren zum Übertragen von Toner stabilisiert werden könnte, indem man einfach die Silicium­ dioxidkonzentration auf den Tonerpartikeln erhöhte, wenn auch die Wirkung ab einem gewissen Punkt geringer wird. Dies ist jedoch nicht ganz richtig. Bei der Übertragung geht es nicht nur darum, Toner von einem Fotoleiter zu entfernen und auf ein Empfangselement aufzubringen. Dieser Prozeß unterliegt nämlich auch noch der Anforderung, eine mögliche Bildunterbrechung zu minimieren. Die Bildunterbrechung wurde durch mikroskopische Untersuchungen des Raster­ punktmusters und der Auflösungskarte vor und nach der Übertragung geprüft.

Die Wirkung der Siliconkonzentration auf die Bildunterbrechung wurde bestimmt, indem die Struktur der Rasterpunkte qualitativ untersucht und die Auflösung in Linienpaaren pro Millimeter vor und nach dem Übertragen des Bildes mit einer Übertragungsvorspannung von 1500 Volt gemessen wurde. Vor dem Übertragen wurde eine Auflösung zwischen 14 und 16 Linienpaaren pro Millimeter erzielt. Die Punkte waren gut geformt, wiesen eine minimale Satellitenbildung auf und schie­ nen im allgemeinen den Testkeil genau zu reproduzieren. Nach dem Übertragen unter Verwendung eines nachgiebigen Zwischenübertragungselements wurde jedoch festgestellt, daß die Punkte unterbrochen waren, wobei das Maß der Unterbrechung und die Anzahl der Satelliten stetig mit zunehmenden Silicium­ dioxidkonzentrationen anstieg. Diese Wirkung wird in Fig. 4A-4C für siliconhal­ tigen Toner mit 0, 0.5 bzw. 2.0 Siliciumdioxidanteil gezeigt. Wie in Fig. 4A zu sehen ist, sind die Rasterpunkte ohne Siliciumdioxidzusatz nach der Übertragung noch relativ gut ausgebildet, obwohl die Unterbrechung und die Bildung von Tonerpartikelsatelliten deutlich erkennbar ist. Mit dem Anstieg des Siliciumdioxid­ anteils auf 0,5% geht eine deutlich erkennbare Punktunterbrechung und Satelli­ tenbildung einher, wie in Fig. 4B gezeigt. Wenn die Siliciumdioxidmenge weiter auf 2,0% gesteigert wird, ist die Punktstruktur durch die Unterbrechung der Punkte während der Übertragung nahezu zerstört, wie in Fig. 4C dargestellt. Die Auflö­ sung nimmt zudem bei steigenden Siliciumdioxidkonzentrationen ab. Dieser Effekt wird in Fig. 5 für Toner mit und ohne Siliconzusatz gezeigt. Die Verminderung der Auflösung ist für das Tonersystem mit Siliconablösezusatz deutlicher.

Wie bereits besprochen, wurde eine Ultrazentrifuge benutzt, um die Adhäsion zwischen Toner und Fotoleiter als Funktion des prozentualen Gewichtsanteils von Siliciumdioxid zu prüfen. Fig. 6 zeigt die Prozentsätze des Toners mit Silicon (Strichlinie) und ohne Silicon (durchgehende Linie), der von dem Fotoleiter bei 70 000 U/min für die fünf unterschiedlichen geprüften Tonersiliciumdioxidzusätze entfernt wurde. Mit Ausnahme einer anfänglichen Steigerung bei 0,25% Silicium­ dioxid stiegt der prozentual entfernte Anteil stetig bei steigendem Siliciumdioxid­ gehalt an und erreichte asymptotisch 100% Beseitigung bei oder um einen Sili­ ciumdioxidgewichtsanteil von 2%. Der anfängliche Anstieg bei 0,25% Silicium­ dioxidanteil wird als anomaler Punkt betrachtet, der mit einer atypisch glatten Oberflächenmorphologie dieser besonderen Tonermischung korreliert, wie mit einem Rasterelektronenmikroskop (REM) feststellbar ist. Das Vorhandensein von Silicon in den Tonermischungen ergab keine weitere Verminderung der Adhä­ sionskraft, sogar bei Fehlen von Siliciumdioxid. Die Ergebnisse lassen darauf schließen, daß zwar Siliciumdioxid die Adhäsionskräfte deutlich reduziert, das Vorhandensein von Silicon jedoch nicht. Das durch mechanische Messungen in der Ultrazentrifuge ermittelte Verhalten der Toner-Siliciumdioxid-Mischungen bleibt im wesentlichen durch Vorhandensein von Silicon unverändert, im Gegen­ satz zu den systematischen Änderungen im Adhäsionsverhalten, das aus den zuvor erwähnten Übertragungsmessungen abgeleitet werden kann.

Fig. 7 zeigt den Prozentsatz von Toner (ohne Silicon), der von dem Fotoleiter als Funktion der bei den unterschiedlichen Zentrifugendrehzahlen erzeugten mittleren angewandten Kraft in Nanonewton (nN) entfernt wurde. Es werden die Daten für drei Siliciumdioxidkonzentrationen von 0%, 1% und 2% gezeigt. Die größte Kraft tritt bei 70 000 U/min auf, so daß die Endpunkte der Kurven in Fig. 7 die 1., 3., und 5. Datenpunkte aus Fig. 6 sind. Wie zu sehen ist, ändern sich die allgemeinen Kurvenformen graduell bei ansteigenden Siliciumdioxidkonzentrationen. Ohne Siliciumdioxid verläuft der entfernte Prozentsatz nahezu linear zu der mittleren angewandten Kraft über den untersuchten Bereich. Es ist keine Tendenz hinsichtlich einer Asymptote erkennbar. Bei 2% Siliciumdioxid steigt die Kurve steil an und erreicht dann bei Erhöhen der mittleren angewandten Kraft symptotisch 100% Partikelbeseitigung. Das Ergebnis für 1% Siliciumdioxidanteil ist ein Zwischenergebnis, das dem Ergebnis von 0% zu Anfang folgt und dann bei stei­ gender Zentrifugaldrehzahl und somit steigender Kraft ansteigt. Da in jeder Tonerprobe eine gewisse Tonergrößenstreuung auftritt, werden die größeren Partikel zuerst entfernt. Wenn 1% ausreicht, um alle Partikel vollständig zu bedec­ ken, dann wäre dies eine Erklärung für das bei einem Siliciumdioxidanteil von 1% zu beobachtende Verhalten.

Die zuvor genannten mittleren angewandten Kräfte wurden unter der Annahme berechnet, daß die Partikel kugelförmige Polyestertonerpartikel mit einem Radius von 4 µm und einer Massedichte von 1,2 g/cm³ sind. Die Entfernungskraft Ps, geschätzt bei einer Beseitigung von 50%, wurde mit 970 nN, 580 nN und 39 nN für Tonerpartikel mit 0%, 1% bzw. 2% Siliciumdioxidbeschichtung ermittelt.

Wie zuvor angegeben, verbessert sich die Übertragungseffizienz mit steigender Siliciumdioxidkonzentration, während sich die Punktintegrität sowie die Auflösung verschlechterten. Die zum Ablösen des Toners von dem Fotoleiter erforderliche Kraft nimmt bei steigender Siliciumdioxidkonzentration zudem ab.

Die zu beobachtenden Verluste an Punktintegrität und Auflösung lassen sich auch durch die abnehmende Kohäsion erklären. Wie zuvor besprochen, würden die hoch geladenen Tonerpartikel dazu tendieren, sich gegenseitig abzustoßen, anstatt weiterhin eine kohärente Masse zu bilden, wie dies zur Bildung eines Punktes oder eines alphanumerischen Zeichens erforderlich ist. Bei kurzen Entfernungen, d. h. bei weniger als 30 nm (Nanometer) dominieren die van der Waalsschen Anziehungskräfte gegenüber der Coulombschen Abstoßung, was die Bilder während der Übertragung stabilisiert. Während das Vorhandensein von Siliciumdioxidpartikeln in Nanometer-Größenbereich sich durch Reduzieren der Toner-/Fotoleiter-Adhäsion vorteilhaft auf die Übertragung auswirkt, wird dadurch jedoch auch die Kohäsion zwischen den Partikeln reduziert, wodurch die Toner­ partikel-Cluster, aus denen die Bilder bestehen, dazu neigen, während der Über­ tragung auseinanderzufliehen. Ein mit der Alterung einhergehender Anstieg der Tonerkohäsion, der darauf zurückzuführen ist, daß Siliciumdioxid von den Toner­ partikeln eingebettet wird und dadurch seine Abstandswirkung verliert, wurde von M. L. Ott, Procedures 19th Annual Meeting of the Adhesion Society, T. C. Ward (Herausgeber) Adhesion Society, Blacksburg, VA, 1996, Seite 70-73, beschrie­ ben.

Es wurde also festgestellt, daß die Übertragungseffizienz eines elektrostatogra­ fischen Toners mit zunehmender Konzentration von Siliciumdioxidpartikeln von einer Größe im Nanometerbereich auf der Oberfläche des Toners zunimmt. Mit der Verbesserung der Übertragungseffizienz erfolgt jedoch ein Verlust an Auflö­ sung und eine Abnahme der Punktintegrität. Die Ergebnisse gehen mit einer Abnahme der Kohäsion des Toners am Fotoleiter einher, wie mit einer Ultrazen­ trifuge gemessen wurde. Die Größe der gemessenen Beseitigungskräfte stimmt offenbar mit den Schätzungen überein, die auf den van der Waalsschen Wech­ selwirkungskräften basieren. Im allgemeinen erscheinen sie jedoch zu groß zu sein, um ausschließlich auf Wechselwirkungskräfte zurückgeführt werden zu können. Wenn die Konzentration von Silicon 2% erreicht, wird der Beitrag der van der Waalsschen Kräfte und der elektrostatischen Kräfte größenmäßig vergleich­ bar.

Die optimale Konzentration von Partikelzusätzen auf der Oberfläche eines Toner­ partikels wird durch das Bestreben bestimmt, die Übertragungseffizienz zu opti­ mieren und gleichzeitig die Bildstruktur zu erhalten. Durch Abnahme der die Tonerpartikel an einem bilderzeugenden Element festhaltenden Adhäsionskräfte kann die Übertragungseffizienz verbessert werden. Mit der verbesserten Übertra­ gungseffizienz gehen bildqualitätsbezogene Verbesserungen einher, wie gerin­ gere Fleckenbildung, geringere Lichthofbildung (die fehlerhafte Übertragung des Toners von dem bilderzeugenden Element neben Bereichen hoher Dichte oder neben alphanumerischen Zeichen) sowie bessere Bewahrung der Farbbalance über den gewünschten Dichtebereich. Andererseits wird durch Reduzieren der Adhäsion zwischen Toner und bilderzeugendem Element durch Zugabe eines Partikelzusatzes aus dritten Komponenten die Tonerpartikelkohäsion reduziert. Die hochgeladenen Tonerpartikel neigen dazu, sich gegenseitig abzustoßen, was zu einer Bildunterbrechung führt, die sich in einem Zuwachs an Rasterpunkten, in einem Auftreten von Tonersatelliten neben den getonerten Bereichen, im Auflö­ sungsverlust und in der höheren Körnigkeit manifestiert. Der Verlust an Adhäsion zwischen Toner und bilderzeugendem Element ermöglicht es den Tonerpartikeln zudem, den Feldlinien im Übertragungsbereich leichter zu folgen. Bei abnehmen­ der Adhäsion kann die Übertragung bei schwächeren, stärker divergierenden Feldern, wie diese im Bereich vor dem Übertragungsspalt anzutreffen sind, erfol­ gen, wodurch sich die Problematik der Satellitenbildung und des Auflösungsver­ lustes verstärkt. Um die Bildqualität zu optimieren, muß eine Konzentration eines Tonerpartikelzusatzes aus dritten Komponenten gefunden werden, der die kolli­ dierenden Forderungen dieser Kriterien in ein Gleichgewicht bringt.

Die Situation wird dadurch komplizierter, daß die Tonereigenschaften, wie Adhä­ sionskräfte und Tonerladung, von der Tonergröße abhängen. Das Vorhandensein eines Partikelzusatzes aus dritten Komponenten macht die Beziehung zwischen diesen Eigenschaften und den Tonerpartikeln noch komplizierter. Die optimale Konzentration von Partikelzusätzen aus dritten Komponenten hängt demnach von der Größe der Tonerpartikel ab.

Die optimale Konzentration von Zusätzen aus dritten Komponenten wurde für eine Vielzahl von Tonerpartikeln mit Durchmessern zwischen ca. 5 µm und ca. 10 µm bestimmt. Beispielsweise zeigen Fig. 2 und 3 jeweils die Spannung, an denen die Übertragungseffizienz 90% überschreitet sowie die normalisierte Übertragungs­ effizienz als eine Funktion der Konzentration von Zusätzen aus dritten Kompo­ nenten für einen Toner mit 8 µm Durchmesser. Wie zu erkennen ist, verbesserten sich diese beiden Parameter mit steigender Siliciumdioxidkonzentration, allerdings mit geringerem Anstieg, nachdem die Konzentration einen Wert von ca. 0,7% erreicht hatte, was auf den normierten Durchmesser des Toners bezogen einem Konzentrationswert von 5,6/D Prozent entspricht. Wenn dagegen für denselben Toner die Konzentration des Partikelzusatzes aus dritten Komponenten niedriger als ca. 0,4% ist, was auf den normierten Durchmesser des Toners bezogen einem Konzentrationswert von 3,2/D Prozent entspricht, wird die Übertragungseffizienz gegenüber einem Zusatz von 0% nicht wesentlich verbessert. Wie in den Figuren zur Darstellung der Punktstruktur gezeigt (Fig. 4A-4C) verschlechtert sich aller­ dings die Punktstruktur bei zunehmenden Konzentrationen von Partikelzusätzen aus dritten Komponenten. Wie in Fig. 5 gezeigt, verschlechtert sich zudem die Auflösung bei Partikelzusätzen in einer Konzentration von mehr als 0,7%. In Versuchen wurde festgestellt, daß die optimale Konzentration in Gewichtsprozent für eine effektive Übertragung bei minimaler Bildverschlechterung unter Verwen­ dung eines nachgiebigen Zwischenübertragungselements, normiert auf die Tonerpartikelgröße, im Bereich zwischen 3,2/D und 5,6/D liegt, wobei der Toner­ partikeldurchmesser D in Mikrometer gemessen und anhand des mittleren, volu­ mengewichteten Durchmessers der in die Entwicklungsstation eingegebenen Tonerpartikel bestimmt wurde.

In der vorausgehenden Beschreibung ist die Konzentration von Partikelzusätzen das prozentuale Gewichtsverhältnis des Partikelzusatzes zu dem Bruttogewicht der Tonerpartikel einschließlich des Partikelzusatzes. Statt Siliciumdioxid sind andere Partikelzusätze verwendbar, beispielsweise Strontiumtitanat, Bariumti­ tanat, Latexpartikel usw. Die Tonerpartikel werden jeweils aus einer Mischung verschiedener Stoffe gebildet, einschließlich Polymerbinder, Ladungskontroll­ mittel, Pigmente und, wie in den vorausgehenden Beispielen genannt, wahlweise Silicon. Bekanntermaßen wird der Partikelzusatz den Tonerpartikeln zugegeben und gemischt, nachdem die Tonerpartikel gebildet worden sind, wobei die jewei­ ligen Partikel eine Mischung aus Polymerbinder, Pigment und wahlweise Silicon enthalten, so daß Cluster-Zusätze auf den Oberflächen jedes pigmentierten Tonerpartikels erzeugt werden.

Unter einem weiter gefaßten Aspekt ist es für die Erfindung nicht wesentlich, daß das primäre bilderzeugende Element ein Fotoleiter ist. Es kann sich statt dessen um jede Oberfläche handeln, die ein Tonerbild zur Übertragung auf ein nachgie­ biges Zwischenübertragungselement enthält. Der zuvor genannte Siliconzusatz ist ein mehrphasiger Polyorganosiloxanblock oder ein Graftkondensationscopolymer, das mit dem Bindeharz des Toners gemischt ist, wodurch Polyorgano­ siloxandomänen mit einem maximalen Durchmesser von ca. 10 bis 3000 nm bereitgestellt werden.

Der Siliconzusatz besteht aus ca. 10 bis ca. 80 Gewichtsprozent des Polyorgano­ siloxansegments, bei dem es sich um ein Polydimethylsiloxan handeln kann. Das Kondensationssegment kann ein Polyester, ein Polyurethan oder ein Polyether sein. Der Zusatz wird von ca. 0,5% bis ca. 12% des Bindeharzes verwendet. Eine ausführlichere Beschreibung dieses Zusatzes gibt US-A-4,758,491. Bei dem in den zuvor beschriebenen Versuchen verwendeten Zusatz handelt es sich um ein Kondensationsprodukt aus Azelainsäurechlorid, Bisphenol A und 40 Gewichts­ prozent eines Bis(aminopropyl)-terminierten Polydimethylsiloxanpolymers.

Es wurde ein verbessertes Verfahren zum Herstellen von Bildern beschrieben, mit dem eine Optimierung der Übertragungseffizienz bei minimaler Unterbrechung des übertragenen Tonerbildes erzielt wird.

Die vorliegende Erfindung wurde detailliert unter besonderem Bezug auf bevor­ zugte Ausführungsbeispiele beschrieben, wobei die Erfindung aber selbstver­ ständlich Abwandlungen und Modifikationen unterzogen werden kann, ohne vom Gegenstand und Geltungsbereich der Erfindung abzuweichen.

Claims (10)

1. Verfahren zum Herstellen von Bildern mit folgenden Schritten:

• - Erzeugen eines elektrostatischen Latentbildes auf einem primären bilder­ zeugenden Element;
• - Erzeugen eines Tonerbildes auf dem primären bilderzeugenden Element durch Entwickeln des elektrostatischen Latentbildes unter Verwendung eines Entwicklers aus Trockentonerpartikeln mit einem mittleren volumen­ gewichteten Durchmesser von 5 µm bis 10 µm, wobei die Tonerpartikel Partikelzusätze in einer Konzentration von (3,2/D)% und (5,6/D)% umfas­ sen.
• - elektrostatisches Übertragen des Tonerbildes von dem primären bilderzeu­ genden Element auf ein eine nachgiebige Schicht aufweisendes Zwischen­ übertragungselement; und
• - elektrostatisches Übertragen des Tonerbildes von dem Zwischenübertra­ gungselement auf ein Empfangselement.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das primäre bilder­ zeugende Element ein Fotoleiter ist, und daß das elektrostatische Latentbild elektrofotografisch erzeugbar ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß getrennte, verschiedenen Farben entsprechende elektrostatische Latentbilder mit ge­ trennten Entwicklungsstationen entwickelbar sind, die Trockenentwickler mit Tonerpartikeln in einer Größe von 5 bis 9 Mikrometer und Partikelzusätze im Konzentrationsbereich von (3,2/D)% und (5,6/D)% umfassen.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzpartikel wesentlich kleiner als die Tonerpartikel sind und an den Ober­ flächen der Tonerpartikel haften.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatz­ partikel Siliciumdioxidpartikel sind.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die nachgie­ bige Schicht ein Elastizitätsmodul im Bereich von 0,1 MPa bis 10 MPa aufweist.

7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere volumengewichtete Durchmesser D der Tonerpartikel zwischen 5 µm und 9 µm beträgt.

8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Toner­ partikel ein Bindeharz umfassen, das mit einem mehrphasigen Polyorga­ nosiloxanblock oder einem Graftkondensationscopolymer gemischt ist.

9. Verfahren nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Tonerbild ein Rasterbild ist.

10. Verfahren zum Herstellen von Bildern mit folgenden Schritten:

• - Erzeugen eines Tonerbildes auf dem primären bilderzeugenden Element aus Trockentonerpartikeln mit einem mittleren volumengewichteten Durch­ messer D von 5 µm bis 10 µm, wobei die Tonerpartikel Partikelzusätze in einer Konzentration zwischen (3,2/D)% und (5,6/D)% umfassen.
• - elektrostatisches Übertragen des Tonerbildes von dem primären bilderzeu­ genden Element auf ein eine nachgiebige Schicht aufweisendes Zwischen­ übertragungselement; und
• - elektrostatisches Übertragen des Tonerbildes von dem Zwischenübertra­ gungselement auf ein Empfangselement.