DE2227285C3

DE2227285C3 - Elektrofotografischer Trockenentwickler

Info

Publication number: DE2227285C3
Application number: DE2227285A
Authority: DE
Inventors: S W Volkers
Original assignee: Xerox Corp
Current assignee: Xerox Corp
Priority date: 1971-06-10
Filing date: 1972-06-05
Publication date: 1984-01-19
Also published as: ES403665A1; FR2141298A5; AR203711A1; DE2227285A1; AU4330972A; AT321715B; BE784451A; CA984202A; DE2227285B2; AU460081B2; JPS5314223B1; BR7203719D0; GB1355485A; IT959792B; SE375864B; SE7207388L; NL7207840A; ZA723960B

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrofotografischen Trockenentwickler aus Tonerteilchen und einem Trägerteilchengemisch mit elektrisch leitenden und elektrisch isolierenden Teilchen.

Es ist bekannt zur Herstellung von elektrofotografischen Trockenentwicklern sowohl beschichtete als auch unbeschichtete Trägerteilchen zu verwenden. Beschichtete Trägerteilchen sind einer Zerstörung unterworfen, wenn sich der Oberzug von dem Trägarkern ablöst, wenn die Trägerteilchen wiederholt Stößen ausgesetzt werden und «venn sie gegen Maschinenteile und gegen die ander Teilchen gerieben werden. Der abgetrennte Über*" üildet Chips und Flocken, die eine schlechte Ko' Qualität bewirken. Sie bilden weiterhin Feinstoffe und Schnitzel, die dazu neigen, auf den Maschinenteilen unerwünschte Niederschläge zu: bilden.-Darüber hinaus variieren naturgemäß die triboelektrischen Eigenschaften des Trägermaterial bei einer Zerstörung des Oberzuges, was zu einem unwirksamen Verhalten des Trägers führt

In der DE-OS 22 17 S33 werden Entwickiergemische mit sowohl beschichteten als auch unbeschichteten Trägerteilchen beschrieben, die eine knotige Oberfläche mit wiederkehrenden Vorsprüngen und Einbuchtungen haben, wodurch Teilchen mit einer relativ großen äußeren Oberfläche erhalten werden, welche ausgezeichnete Eigenschaften für elektrofotografische Zwekke besitzen. Beispiele für diese knotigen Teilchen sind knotiges Nickel, knotiger Stahl und knotige Metalloxide. Im allgemeinen müssen die nicht-beschichteten Trägermaterialien, die zur Verwendung zusammen mit

κι üblicherweise verwendeten Fotoleitern, beispielsweise Selen, verwendet werden, metallisch sein, was auf Erfordernisse hinsichtlich der Dichte und der triboelektrischen Eigenschaften zurückzuführen ist Es können aber auch Materialien, die keine Metalle sind, verwendet

is werden, beispielsweise Metalloxide, um nicht-beschichtete Trägerteilchen zu bilden, die zur Entwicklung bestimmter fotcleitender Oberflächen verwendet werden können.
In < 'er US-PS 23 65 573 wird ein elekiröföiögrafiseher Trockenentwickler beschrieben, der kugelförmige elektrisch isolierende Teilchen und stäbchenförmig elektrisch leitende Teilchen enthält Die dort beschriebene Entwicklerzusammensetzung dient dem Zweck, die Entwicklung ausgedehnter großer Ladungsbereiche zu ermöglichen und den unerwünschten Haloettekt zu vermeiden.

Aus der US-PS 35 33 835 sind Trägerteilchen für elektrofotografische Entwickler bekannt, die auf einem Kern einen dünnen geschlossenen Überzug aus einem Matrixmaterial aufweisen, das in gleichmäßig dispergierter Form feste, feinteilige elektrisch leitfähige Teilchen, ζ. B. Ruß, enthält Die elektrisch leitfähigen Teilchen sind dabei entweder in einer Oberzugsmasse dispergiert oder suspendiert, die auf die Trägerteilchen aufgebracht wird, oder sie werden in eine weiche aber härtbare Oberfläche von beschichteten oder unbeschichteten Trägerteilchen eingedrückt Die Oberfläche der Trägerteilchen ist praktisch vollständig elektrisch leitend.

Aus der US-PS 29 i9 247 ist ein elektrofotografischer Trockenentwickler bekannt bei dem zu einem Gemisch aus Tonerteilchen und körnigen Trägerteilchen, die beschichtet sind, geringe Mengen eines elektrisch leitfähigen Pulvers einer Teilchengröße von 74 bis 590 μπι zu-

•»5 gegeben werden, wobei das Gewichtsverhältnis des zugegebenen elektrisch leitfähigen Pulvers zu dem Toner 1 :3 bis 10 beträgt Dadurch wird eine gleichmäßigere Bildtönung erzielt
Entwicklergemische mit unbeschichteten Trägerteilchen ergeben zwar zunächst Kopien mit ausgezeichneter Qualität jedoch nimmt mit der Abnahme der Tonerkonzentration die Hintergrundentwicklung zu. Dies tritt insbesondere bei der Magnetbürstenentwicklungstechnik auf. Da andererseits unbeschichtete Trägerteilchen sonst qualitativ gute Kopien ergeben, ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Trockenentwickler zur Verfügung zu stellen, welcher die Vorteile, nicht aber die Nachteile von unbeschichteten Träferteilchen aufweist

Aufgabe der Erfindung ist es, einen elektrofotografischen Trpckenentwiclder zur Verfügung zu stellen, der in seiner Wirksamkeit wehiger abhängig- von der Tonerkonzentration als die bekannten Entwickler ist, und der auch bei niedriger Tonerkonzentration, also bei verbrauchtem Entwickler, ausgezeichnete Kopien ohne Hintergrundschwärzung ergibt

Die Erfindung wird in den Patentansprüchen definiert

Das Trägerteilchengemisch hat sowohl elektrisch leitende als auch isolierende, also nichtleitende Oberflächenstellen- Beispiele für leitende Materialien sind Metalle, wie Eisen, Stahl, Nickel, Zink, Aluminium, Messing oder Kupfer sowie Verbindusgen ' solcher Metalle, beispielsweise deren Oxide. Nichtleitende Trägerteilchen können beispielsweise beliebige der obengenannten leitenden Materialien sein, die einen Oberflächenüberzug aus nichtleitenden Materialien besitzen, beispielsweise aus organischen Polymeren, die dazu imstande sind, dünne Filme zu bilden, oder aus organischen, nichtleitenden Materialien, wie z. B. Siliciumdioxid. Alternativ können die nichtleitenden Trägerteilchen auch aus nichtleitenden Materialien mit oder ohne einen nichtleitenden Oberflächenüberzug darauf hergestellt werden. Die leitenden und die nichtleitenden Trägerteilchen können in solchen Proportionen miteinander vermischt werden, daß ein Träger mit einer Gesamtoberflächenleitfähigkeit von 10 bis 9ö°/b der Oberfläche des Trägers erhalten wird.

Für die Zwecke der orliegenden Erfindung wird eine Oberfläche dann als leitend betrachtet, wenn sie einen spezifischen Widerstand von weniger als 10¹⁰ Ohm-cm, vorzugsweise weniger als 10 ~^J Ohm-cm, besitzt, und eine Oberfläche wird als nichtleitend erachtet, wenn sie einen spezifischen Widerstand von oberhalb JO¹⁰ Ohmcm, vorzugsweise oberhalb 10¹³ Ohm-cm, besitzt

Es können Trägermaterialien bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden, die den Toner positiv oder negativ triboelektrisch machen. Die Auswahl der Materialien hängt von dem Ladungscharakter des Photoleiters ab und davcn, ob eine positive oder eine Umkehrentwicklung gewünscht wird. Somit sollte zur Bildung einer positiven Kopie von Einern positiv bebilderten Aufzeichnungsmaterial irit selen als Fotoleiter ein Träger ausgewählt werden, des dem Toner eine negative Ladung verleiht, während bei der Umkehrentwicklung des gleichen Aufzeichnungsmaterials das Trägermaterial dem Toner eine positive Ladung verleihen sollte. Bei der Entwicklung von anderen fotoleitenden Oberflächen, die eine negative Ladung aufnehmen, beispielsweise von Polyvinylcarbazol) oder von Zinkoxid, gilt das Umgekehrte. Somit sollte für die positive Entwicklung von solchen Oberflächen das Trägermaterial dem Tonermaterial eine positive Ladung verleihen, während für' die Umkehrentwicklung das Trägermaterial dem Tonermaterial eine negative Ladung verleihen sollte. Beispiele von Trägermaterialien, die Tonermaterialien eine positive Ladung verleihen, sind Stahl, Messing und Kupfer.

Die Trägerteilchen der vorliegenden Erfindung haben einen mittleren Teilchendurchmesser von 30 bis 1000 μπι, vorzugsweise von 50 bis 300 μπι. Wenn sie bei Magnetbürstenentwicklungssystemen verwendet werffpn rlann müssen sie aus magnetischen Materialien, beispielsweise Eisen, Stahl, Nickel, Cobalt oder ferromagnetischen Oxiden hergestellt werden. Bei anderen Entwicklungsverfahren kann man beispielsweise Zink verwenden, das eine ausgezeichnete Triboelektrifizierung des Toners für die Entwicklung von Aufzeichnungsmaterialien mit Selen als Fotoleiter ergibt

Geeignete Toner werden beispielsweise in den US-Patentschriften 2659 670, 27 53 308, 3079 342, 27 88 288 und der re-issue US-Patentschrift 25136 beschrieben. Tonerteilchen haben im allgemeinen einen durchschnittlichen teüchendurchmesser zwischen 1 und 30 μπι. Ein Toner aus einem Styrol-n-Butyfoiethacrylat- Copolymerisat, Polyvinylbutyral und Ruß, hergestellt nach dem Verfahren des Beispiels 1 der US-PS 30 79 342, wird aufgrund der triboelektrischen Eigenschaften und der tiefschwarzen Farbe bevorzugt

Die elektrofotografischen Trockenentwickler der vorliegenden Erfindung können zusätzlich zu den Tonerteilchen und den Trägerteilchen andere Materialien, beispielsweise Extender oder ,Schmiermittel in geringen Mengen, z. B. von etwa 0 bis etwa 2 Gew.-%, bezogen auf das Entwicklergemisch, enthalten. Unttr diesen Additiven ist ein besonders wichtiger Zusatzstoff feinverteiltes Siliciumdioxyd-hydrogeL Es hat sich nämlich gezeigt, daß Siliciumdioxyd-hydrogel die Hintergrundentwicklung unterdrückt, ohne daß es nachteilig die Dichte der Bildstellen beeinflußt, was möglicherweise darauf zurückzuführen ist, daß die feinverteilten Siliciumdioxydteilchen an der Oberfläche der leitenden Trägerteilchen haften, wodurch darauf die Leitfähigkeit vermindert wird.

Die elektrofotografischen Trockenentwickler der vorliegenden Erfindung sind besonders geeignet für Reproduktionssysteme, die eine Entwicklerelektrode und Magnetbürstenentwicklungswalzen enthalten Beim praktischen Gebrauch haben Magnetwalzen mit einer Vorspannung die Funktion sowohl einer Magnetbürste als auch einer Entwicklungselektrode. Bei einer typischen Situation, bei welcher ein Aufzeichnungsmaterial mit Selen als Photok Her durch eine Vielzahl von Magnetwalzen entwickelt wird, die ein Entwicklerge misch mit etwa 0,75 bis 3% eines pigmentierten polymeren Toners (z. B. eine 10%ige Rußdispersion in einer Polymermatrix aus einem Gemisch aus einem Styrol-n-Butylacrylat-Copolymerisat mit Poiy-(vinylbutyral)) tragen, trägt der Photoleiter eine positive Ladung von etwa 800 V in Dunkeibildstellen und etwa 100 V in nicht-bebüderten Stellen. Die Entwicklungselektrode, d. h. die Magnetbürsten, wird mit einem Potential von etwa 200 V unter eine Vorspannung gesetzt Der Abstand zwischen der Entwicklungselektrode und der photoleitenden Oberfläche ist ausreichend, um einen Kurzschluß zwischen der Entwicklungselektrode und dem Aufzeichnungsmaterial zu verhindern, aber nicht so groß, daß das Entwicklergemisch außerhalb des entwicklungselektrischen Feldes des das latente elek trostatische Bild tragenden Aufeeichnungsmateriak liegt Im allgemeinen reichen Abstände zwischen der Entwicklungselektrode und dem Aufzeichnungsmaterial von 0,10 cm bis 0,3 cm aus, um eine Beschädigung der photoleitenden Oberfläche zu verhindern, während die

so Entwicklungselektrode in einen genügend engen Abstand zu der photoleitenden Oberfläche gebracht wird. Bei Verwendung des Trägerteilchengemisches gemäß der brfindung wird festgestellt daß die Dichte der entwickelten dunklen Bildsteilen im Hinblick auf die Hintergrunddichte erheblich größer ist als wenn nichtleitende Trägerteilrhen hei sonst tjleiphpn Bedingungen verwendet werden. Es wird angenommen, daß dies auf die Bildung von leitenden Wegen zurückzuführen ist, die die Entwicklungselektrode näher an die photoleitende Oberfläche heranführen, wodurch sowohl das Außenentwicldungs- als auch das Hintergrundunterdrückungsfeld wirksam verstärkt wird. Dieser Effekt fehlt, wenn bei sonst identischen Betriebsbedingungen nicht-leitende Trägerteilchen genommen werden. Wei terhin wird dieser Effekt kaum vermindert, wenn die Tonerkonzentration vom Anfangswert von etwa 2% auf Minimumwerte für eine annehmbare Druckdichte von etwa 0,75% des Entwicklergemisches absinkt Somit

" sind die Trägergemische der vorliegenden Erfindung dazu imstande, eine ausgezeichnete Kopierqualität, d. h. eine hohe Bilddichte und eine niedrige Hintergrundentwicklung, über weite Tonerkonzentrationsbereiche zu ergeben.

Im Gegensatz zu der relativ breiten Tonerkonzentrationsbreite der Trägergemische der vorliegenden Erfindung ergeben Entwicklergemische, die nur leitende Trägerteilchen, z.B. Nickelträgerteilchen, enthalten, Kopien mit stark variierender Qualität, was im Einzelfall davon abhängt, ob sich die Tonerkonzentration am oberen oder am unteren Ende des einsetzbaren Tonerkonzentrationsbereichs b?findet und ob die photoleitende Oberfläche Risse foesir durch die eine Kurzschließung zwischen d°.r Entwicklungselektrode und dem leitenden Hintergrand ü3"nnden kann. Bei idealen Bedingungen ist an. photc;-^:.iende Oberfläche von Unzulänglichkeiten fr ' Beim Betrieb werden jedoch die photoieiter-ds^ öLerfiächen häufig durch Reibungskontakt mi: ■·. a. chinenteilen des Entwicklermaterials angekratzt. Ein frisches Entwicklergemisch, das mindestens etwa 2% Toner und nu/ leitende Trägerteilchen nut einem mittleren Teilchendurchmesser von etwa 100 um enthält, ergibt Kopien mit ausgezeichneter Qualität Wenn jedoch die Tonerkonzentration abnimmt, dann beginnt die Dichte der entwickelten Stelle rasch abzunehmen, während der Wert der Hintergrundentwicklung scharf ansteigt Man nimmt an, daß dieser Effekt auf die Verlängerung der leitenden Wege und die folglich erhöhte Chance eines Kurzschlusses zwischen der Entwicklungselektrode and der leitenden Schicht des elektrostatographlschen Aufzeichnungsmaterials zurückzuführen ist, da der Toner, der normalerweise nichtleitend ist, als Isolator wirkt, um leitende Wege zu unterbrechen, wenn die Tonerkonzentration genügend hoch ist, was nicht der Fall ist, wenn die Tonerkonzentration abnimmt Somit kann in Entwicklergemischen, die sich auf leitenden Trägerteilchen aufbauen, die Tonerkonzentration eines gebrachten Entwicklergemisches genügend hoch sein, um eine annehmbare Bilddichte bei idealen Bedingungen zu ergeben, jedoch zu niedrig sein, um einen Kurzschluß zwischen der Entwicklungselektrode und der gemahlenen, photoleitenden Oberfläche zu vertun-μ£ΓΠ.

Die clektrophotographischen Trockenentwickler der vorliegenden Erfindung haben diesen Mangel nicht Durch Vermischen eines nicht-beschichteten, leitenden Trägers und eines Trägers, der mit einem isolierenden Material beschichtet ist das bezüglich des Toners eine gute TriboelsktrizitS* hat kann die Gesamtentwicklungsfähigkeit des Gemisches über diejenige des beschichteten Materials allein stark erhöht werden, und im Falle, wenn die photoleitende Oberfläche angekratzt oder sonstwie mangelhaft ist, über diejenige der

für diesen günstigen Effekt liegt darin, daß leitende Wege durch die leitenden Träger-zu-leitenden Träger-Kontakte gebildet werden. Wenn diese leitenden Wege lang genug und zahlreich genug sind, dann wird in der Gegend zwischen dem Photoleiter und der Entwicklungselektrode eine virtuelle Elektrode (mit dem

Abstand von der Photoleiteroberfläche zu der Entwicklungselektrode wirksam vermindert wird, werden die elektrischen Felder, die zu einem großen Ausmaß die Abscheidung des Toners kontrollieren, gesteigert Eine Steigerung des Entwicklungsfelds erhöht die Dichte des entwickelten Bilds. Eine Steigerung der Hintergrundunterdrückungsfelder vermindert die Entwicklung des Hintergrunds. Um diesen Effekt zu erreichen, muß das Verhältnis der leiterden Trägeroberfläche zu der nichtleitenden Trägeroberfläche groß genug sein, daß leitende Wege mit genügender Länge und Anzahl gebildet werden können, um das elektrische Feld zu erhöhen. Wenn jedoch nur leitende Träger verwende: werden und wenn die notwendigen Bedingungen für

ίο einen Kurzschluß vorliegen, dann schleift der leitende Träger die Entwicklungselektrode ab, und der resultierende Kurzschluß manifestiert sich durch eine schwere Abscheidung von Hintergrundtoner, der auf einen Verlust des Hintergrundunterdrückungs-Vorpotentiais auf der Entwicklungselektrode zurückzuführen ist Dieser Effekt wird katastrophal, wenn die Tonerkonzentration niedrig ist und der Träger leitfähig ist

Das optimale Verhältnis der leitenden zur nichtleitenden Trägeroberfiäche sollte so sein, daß, wenn der Träger mit der minimalen Tonermenge, die Kopien mit annehmbare! Dichte ergibt, vermischt wird, die maxim ·<* Länge der nicht unterbrochenen leitfähigen Wege geringer ist als der Abstand zwischen der Entwicklungselektrode und der photoleitenden Oberfläche. Solche Entwicklergemische sind dazu imstande, Bilder zu einer erlaubbaren Mi- imaldichte zu entwickeln, ohne daß die Gefahr eir^s Kurzschlusses zwischen der Entwicklungselektrode und der leitenden Rückseite der photoleitenden Oberfläche besteht In dem Fall, daß der Abstand Entwicklerelektrode zu Photoleiter sich im obengenannten Bereich befindet dann sollte die Konzentration des leitenden Trägers 40 bis 50% des Gesamtträgergehalts des Entwicklergemisches betragen.

Die Erfindung wird in dem Beispiel erläutert Darin sind sämtliche Teile und Prozentangaben auf das Gewicht bezogen, wenn nichts anderes angegeben ist

Beispiel

Ein Entwicklergemisch wird hergestellt in Jem 2 Teile eines Toners aus einem StyroI-n-Butylmethacrylat-Copolymerisat Polyvinylbutyral und Ruß, hergestellt nach Beispiel 1 der US-PS 30 79 342, mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von etwa 10 bis 20 μΐη mit 100 Teilen eines 50 :50-Gemisches von knotigen Nikkeiteilen, mit einer zahlendurchschnittlichen Größe von etwa 120μΐη und von Stahlperlen mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 100 μπι, überzogen mit einem Gemisch eines Tsrpolymerisats aus Styrol Methylmethacrylat und Vinyltriäthoxysilan, vermischt wird. Das Entwicklergemisch wird zur Entwicklung eines Aufzeichnungsmaterial mit Selen als Photoleiter verwendet das ein latentes elektrostatisches Bild trägt Dies geschieht nac'j der Magnetbürstenentwicklungsmethode, beschrieben in der US-PS 28 74 063. Das magnetische Feld des Magnets bewirkt eine Ausrichtung des Trägers und des Toners in einer bürstenartigen Konfiguration. Die Magnetbürste wird mit der das elektrostati^cche Bild tragenden Oberfläche in eine entwickelnde Konfiguration gebracht und die Tonerteilchen werden von den Trägerteilchen durch eine elektrostatische Anziehung zu dem latenten Bild gezogen. Die erhaltenen Bilder sind von ausgezeichneter Qualität

Das Entw'.cklergemisch wurde dazu verwendet, um ein mit einem latenten Bild versehenes Aufzeichnungsmaterial mit Selen als Phötöleiter zu entwickeln. Bei Tonerkonzentraticrnen, die

erforderlich waren, um eine entwickelte Bilddichte von 1,0 von einer Ursprungscingabedichte von 1,0 zu ergeben, waren die Hintergrundentwicklungswerte, gemessen nach einer Standardvergleichsskala, 0,0065.

Wird das oben verwendete Entwicklergemisch in der Weise modifiziert, daß es 1% feinverteiltes Siliciumdioxyd-hydrogel enthält und dazu verwendet ein mit einem Bild versehenes Aufzeichnungsmaterial mit Selen als Photoleiter zu entwickeln, so werden bei Verwendung von genügend Toner, um eine entwickelte Bilddichte von 1,0 von einer Ursprungseingabedichte von 1,0 zu erhalten, Hintergrundentwicklungswerte von 0,0025

gemessen.

Im Gegensatz zu dem Vorstehenden ergab ein Entwicklergemisch, das den Toner und die beschichteten Stahlperlen, aber keine nicht-beschichteten Trägerteilchen enthielt, Hintergrundentwicklungswerte von 0,012 bei den gleichen Bedingungen.

Dieses Beispiel zeigt, daß ein Gemisch von leitenden und nichtleitenden Trägerteilchen hinsichtlich der Entwicklungsfähigketten beschichteten Stahlträgerteilchen überlegen ist, die herkömrr.licherweise in elektrostatographischen Entwicklergemischen verwendet werden.

Claims

Patentansprüche:

1. Elektrofotografischen Trockenentwickler aus Tonerteilchen und einem Trägerteüchengemisch mit elektrisch leitenden und elektisch isolierenden Teilchen, wobei der Entwickler 03 bis 5,0% Tonerteilchen einer Größe von 5 bis 30 um und mindestens 95% Trägerteüchengemisch mit Teilchen der Größe von 30 bis 1000 um enthält, und sich die Prozentangaben auf das Gesamtgewicht des Entwicklers beziehen, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägerteilchengemisch eine elektrische Leitfähigkeit über 10—90% seiner gesamten Oberfläche aufweist

2. Elektrofotografischer Trockenentwickler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitenden Teilchen aus Nickel sind.

3. Elektrofotografischer Trockenentwickler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitenden Nickel-Teilchen eine knotige Oberfläche haben.

4. Elektrofotografischer Trockenentwickler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch isolierenden Teilchen aus Metall bestehen, das mit einem filmbildenden, nichtleitenden organischen Polymeren überzogen ist

5. Elektrofotografischer Trockenentwickler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall ferromagnetisch ist

6. Elektrofotografischer Trockenentwickler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall Stahl ist

7. Elektrofotografischer Trockenentwickler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der überzug aus einem Gemisch eines Terpolymeren aus Styrol, Methylmethacrylat und Vinyltriäthoxysilan besteht

8. Elektrofotografischer Trockenentwickler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der elektrisch isolierenden und der elektrisch leitenden Teilchen auf Gewichtsbasis 40:60 bis 60:40 ist