DE2608239C3

DE2608239C3 - Bildempfangsmaterial für elektrophotographische Verfahren und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE2608239C3
Application number: DE19762608239
Authority: DE
Inventors: Guido Dipl.-Phys. Dr. 4000 Duesseldorf Dessauer
Original assignee: Feldmuehle AG
Current assignee: Feldmuehle AG
Priority date: 1976-02-28
Filing date: 1976-02-28
Publication date: 1979-08-02
Also published as: FR2342514A1; GB1522287A; AT355913B; DE2608239B2; BE851899A; IT1117667B; JPS52105827A; ATA78677A; DE2608239A1; NL7701917A; FR2342514B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Bildempfangsmaterial für ein elektrophotographisches Kopierverfahren und das Verfahren zu seiner Herstellung.

Indirekte elektrophotographische Verfahren wie z. B. das in der US-PS 22 97 691 beschriebene Xerographieverfahren sind seit langem bekannt. Dabei wird ein aufgeladener Fotohalbleiter — z. B. aus Metall bestehend — nach dem in der Fototechnik üblichen Verfahren belichtet. Die Ladung fließt an den durch Belichtung leitend gewordenen Stellen ab und nur die nicht belichteten Stellen behalten ihre Ladung.

Wird nun ein elektrostatisch entgegengesetzt aufgeladenes — meist aus thermoplastischen Harzen bestehendes — feines Pulver, üblicherweise Toner genannt, über die stellenweise belichtete und geladene Halbleiterschicht gestreut, haften die Tonerpartikelchen an den entgegengesetzte Ladungen tragenden Stellen der Fotohalbleiterschicht und erzeugen hier ein spiegelyerkehrtes Pulverbild.

Zur Übertragung dieses Pulverbildes auf ein blattförmiges — meist aus Papier bestehendes — Bildempfangsmaterial wird ein Blatt über das Pulverbild gelegt und an das Blatt eine dem Toner entgegengesetzte Ladung angelegt. Hierdurch werden die Tonerpartikel auf das Blatt herübergezogen, bedürfen aber noch einer ausreichenden Fixierung, um fest auf dem Blatt zu haften. Die Fixierung wird in einfacher Weise dadurch herbeigeführt, daß die thermoplastischen Harzteilchen durch Kontakt- oder Strahlungswärme entweicht und anschließend dauerhaft auf dem Bildempfangsmaterial aufgeschmolzen werden.

photographische Verfahren werden in der Regel einfach aufgebaute Papiere eingesetzt, wie sie auch als Schreibmaschinenpapiere und Vervielfältigungspapiere z. B. für den Klein-Offsetdruck Verwendung finden. Sie unterscheiden sich somit erheblich von solchen Papieren, die für die direkten elektrophotographischen Verfahren benutzt werden und die als wichtigste Eigenschaft eine gute elektrische Leitfähigkeit besitzen müssen. Ein solches Papier wird in der DE-AS 22 04 107 beschrieben.

Eine unabdingbare Forderung an Papiere mit sogenannter Xerographie-Eignung besteht jedoch darin, daß sie bei Erhitzung keine wasserdampfextrahierbaren Bestandteile absondern dürfen.

Da jedes Papier einen gewissen Prozentsatz Wasser aus dem es umgebenden Klima adsorbiert und akkludiert, sind Feuchtigkeitsgehalte in der Größenordnung von 5—8% für diese Papiere üblich, wobei der Feuchtigkeitsgehalt unter anderem von der Faserstoffzusammensetzung des Papieres, dem Mahlgrad und vor allem dem Feuchtigkeitsgehalt der Umgebungsluft abhängt

Zur Extrahierung von Schadstoffen, zu denen in diesem Sinn die in harzreichen Faserstoffen, vor allem im Holzschliff vorkommenden Harze gerechnet werden müssen, kommt es bei der Fixierung des Toners auf dem Bildempfangsmaterial, wenn durch die zum Aufschmelzen des Tonerpulvers angewandte Wärmeenergie das im Papier enthaltene Wasser verdampft und mit dem entweichenden Wasserdampf dem Papier auch die wasserdampfextrahierbaren Bestandteile entzogen werden. Die Extrahierung der in den Faserstoffen enthaltenen Harze ist deshalb besonders unerwünscht, weil sie sich an den kälteren Teilen der Kopiergeräte niederschlagen und die reibungslose Funktion der

Geräte beeinträchtigen. So kann durch Harzabschei-

dung an der Halbleitertrommel oder -platte eine verminderte Bildqualität entstehen.

Für die Herstellung von Papieren, die in Kopiergerä-

ten eingesetzt werden, bei denen die Fixierung des Toners durch einen Thermoschock erfolgt, gelten deshalb ganz besondere Kriterien bei der Auswahl der einzusetzenden Rohstoffe, wobei der Nachteil insbesondere darin besteht, daß aus den oben angeführten Gründen nur harzfreie Zellstoffe oder solche mit einem niedrigen Restharzgehalt eingesetzt werden.

Um nach Möglichkeit jede Betriebsstörung auszuschließen, schreiben Gerätehersteller, wie z. B. die Firma Rank Xerox in ihren Liefervorschriften

so EPD 3, für Kopierpapiere eine Faserstoffzusammensetzung aus 100% Zellstoff vor. Holzschliffasern, die im Vergleich zu Zellstoff wesentlich höhere Anteile an wasserdampfdestillierbaren organischen Substanzen wie beispielsweise Holzgums enthalten, schieden bisher für die Herstellung von Bildempfangsmaterialien für die obengenannten Verfahren aus. Auch Zusätze von Harzleim zur Papiermasse stießen bisher aus den gleichen Gründen auf erhebliche Bedenken. Es besteht jedoch ein großes Interesse daran, für ein solches Massenprodukt, wie es insbesondere Papiere für xerographische Kopierverfahren darstellen, statt Zellstoff weniger wertvolle Rohstoffe einsetzen zu können.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, diese Schwierigkeiten zu beseitigen und für die Herstellung von Bildempfangsmaterialien, die in elekirophotographischen Verfahren eingesetzt werden können, eine breitere und billigere Rohstoffbasis zu schaffen. Insbesondere sollen geeignete Papiere auch mit solchen

Faserstoffen hergestellt werden können, die harzartige Bestandteile und andere mit Wasserdampf extrahierbare bzw. destillierbare und in der Wärme entweichende Substanzen enthalten. Gedacht ist dabei in erster linie an übliche Holzschliffasern, aber auch an die unter den Begriffen Refinerschliff, Thermorefinerschliff, Chemieschliff bekanntgewordenen Variationen sowie Halbzellstoffe und harzreiche Zellstoffe, wie sie z. B. aus tropischen Hölzern hergestellt werden.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Entwicklung eines einfach und rationell durchzuführenden Verfahrens für die Herstellung eines solchen Bildempfangsmaterial.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Bildempfangsmaterial gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, daß es einen harzhaltigen Faserstoff enthält, dessen Fasern mit einem Film aus einem Ton umhüllt sind.

Durch die Umhüllung von harzhaltigen Faserstoffen mit einem Film aus Ton wird es überraschenderweise ermöglicht, diese Faserstoffe für die Herstellung solcher Papiere einzusetzen, die als Bildempfangsmaterial in Geräten verwendet werden, die nach dem indirekten elektrophotographischen Verfahren arbeiten und bei denen die Fixierung des Toners durch Wärmeenergie erfolgt

Die Erfindung beseitigt also die Beschränkung auf bestimmte Faserstoffe, die für die Herstellung dieser Papiere bisher bestand, und ermöglicht den Einsatz billiger und in großem Umfang zur Verfugung stehender Rohstoffe.

Unter zur Filmbildung und Umhüllung der Faserstoffe geeigneten Tonen werden im Sinne der Erfindung solche hydratisierbaren, kolloidalen Tonmineralien verstanden, deren gemeinsame Eigenschaft in Schichtgittern besteht, die innerkristallin in Wasser quellen können, wobei der Abstand der Kristallamellen bzw. der Silikatschichten unendlich groß wird, diese bis zu den einzelnen Silikatschichten aufgetrennt werden und wodurch diese beim Trocknen auf den Faserstoffen einen Film zu bilden vermögen.

Es ist dabei vorteilhaft, daß ein derartiger filmbildender, hydratisierter kolloidaler Ton durch Wasserstoffbrückenbildung vorzüglich auf der Faser haftet und deshalb nicht nur keinen zusätzlichen Binder benötigt, sondern auch bei höheren Zugaben die Festigkeit des Papierblattes nicht in nennenswertem Umfang beeinträchtigt.

Wenn auch im einzelnen die Zusammenhänge noch nicht erforscht sind, die zu der überraschenden Wirkung der Tone führen, so kann man sich die eigentliche Funktion der Umhüllung wahrscheinlich so erklären, daß der die Fasern umhüllende Film aus Ton an der Außenwand der Faser als Adsorber für die austretenden Wasserdämpfe und die in diesen enthaltenden Schadstoffe wirkt. Dazu sind die hydratisierbaren, kolloidalen Tone deshalb geeignet, weil sie über ein hervorragendes Quellvermögen verfügen, das sie in die Lage versetzt, die aus dem Faserinneren entweichenden Stoffe zu adsorbieren.

Tone, die, ohne die Fasern mit einem Film zu umhüllen, der Papiermasse als Füllstoffe zugegeben werden, können nur eine geringe Adsorberwirkung entwickeln. Auch wenn Tone gemäß der bereits erwähnten DE-AS 22 04 107 zusammen mit einem Bindemittel als Strichmassenkomponente aufgebracht werden, können sie keine bei der Thermofixierung freiwerdenden flüchtigen Schadstoffe adsorbieren.

Nachteilig an der gleichzeitigen Verwendung eines Bindemittels ist, daß die Tone von Bindemittel umhüllt sind und deshalb als Adsorber nicht wirksam werden können. Ein weiterer Nachteil liegt darin, daß eine Streichmassenbeschichtung gewöhnlich nur die Oberfläche eines Papierblattes abdeckt, so daß im Inneren des Blattes noch Fasern sind, die keinen direkten Kontakt zu den adsorbierenden Substanzen aufweisen.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung

ίο der Erfindung enthält ein Bildempfangsmaterial als harzhaltigen Faserstoff Holzschliff. In der Papierindustrie ist Holzschliff ein wichtiger Rohstoff, der aber für die beschriebenen Bildempfangsmaterialien wegen seines hohen Harzgehaltes bisher nicht eingesetzt werden konnte. Durch diese Ausgestaltung wird ein Rohstoffengpaß beseitigt und die Herstellung von erheblich kostengünstigeren Bildempfangsmaiterialien ermöglicht, wobei ein weiterer besonderer Vorteil darin besteht, daß auf an sich vertraute und bewährte Technologien und vorhandene maschinelle Einrichtungen zurückgegriffen werden kann.

Außer der Umhüllung der Holzschliffasern mit einem Film aus Τοώ wird man häufig auch die übrigen Faserstoffe nach der technischen Lehre der Erfindung mit einem Ton umhüllen, insbesondere dann, wenn der

Anteil an Holzschliffasern ohnedies hoch ist und Zellstoffe mit größeren Restharzanteilen eingesetzt

werden, was durch die Erfindung möglich wird.

Der Anteil der Holzschliffasern in der Papiermasse

kann dabei in einem Bereich von 15—80Gew.%, bezogen auf das Trockengewicht der Papiermasse, liegen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung besteht der die Fasern umhüllende Film aus einem hydratisierbaren Bentonit. Bentonite weisen keine Verfärbungen auf und gestatten daher die Herstellung von besonders weißen Bildempfangsmaterialien. Die Hydratisierung und Überführung in die kolloidale Form geschieht meist durch eine Vorbehandlung mit Alkali. Es ist dabei notwendig, diesen Prozeß hinreichend lange vor der Verarbeitung der Tone durchzuführe:), da der Quellvorgang zeitabhängig ist Es gibt jedoch auch natürliche Vorkommen solcher hydratisierbaren, kolloidalen Tone, die dieser zusätzlichen Behandlung nicht bedürfen und bei Lagerung in Wasser quellen und in die einzelnen Silikatschichten aufgetrennt werden. So kommen als filmbildende und die Fasern umhüllende Tone die natürlichen Natrium- und Calciumbentonite in Betracht, wobei sich aufgeschlossener kolloidaler Natriumbentonit als besonders geeignet erwiesen hat. Die wesentlichen Tonmineralien sind dabei Montmorillonit, Hectorit und Beidellit. Auch aufgeschlossener Natriumattapulgit ist geeignet. Die Tone sollen dabei weitgehend frei von nicht kolloidalen Verunreinigungen wie Grit, d. h. harten Quarz- und Feldspatverunreinigungen sein.

Von den üblicherweise in der Papierindustrie als Füllstoffe eingesetzten Tonen unterscheiden sich diese filmbildenden, hydratisierbaren, kolloidalen Tone durch

ihre geringe Teilchengröße. Übliche Clay's weisen eine Partikelgröße von ca. 2 μπι auf, während hochquellfähige Attapulgite in ihrer durchschnittlichen Teilchengröße bei ca. 0,15 μπι liegen. Sie liegen mit dieser Teilchengröße schon im kolloidalen Bereich. Beim Aufquellen in Wasser erfolgt dann durch die Aufspaltung in die einzelnen Silikatschichten eine noch wesentlich stärkere Herabsetzung der Teilchengröße bis in den Bereich von 15 bis 100 A herab. Durch diese

geringe Teilchengröße verfügen die kolloidalen Tone über eine wesentlich höhere Oberfläche, die mitbestimmend für das außerordentliche Adsorptionsvermögen ist, eine Eigenschaft, die den üblichen Füllstoffen fehlt

Vorteilhaft ist dabei, daß durch die geringe Teilchengröße und die filmbildende Eigenschaft des kolloidalen Tones die Struktur der Papierfasern und somit auch die Blattstruktur nicht wesentlich verändert wird. Es resultiert jedoch eine höhere Glätte, ein niedrigerer Reibungskoeffizient und ein weicherer Griff des erfindungsgemäßen Bildempfangsmaterials. Nachteilig an den üblicherweise als Füllstoffe eingesetzten Tonen ist dagegen, daß sie nicht in der Lage sind, die Fasern in der erfindungsgemäßen Form zu umhüllen.

Es steht nicht im Widerspruch zu dieser Erfindung und kann sogar vorteilhaft sein, zur Verbesserung von Weiße und Opazität sowie zur weiteren Verbilligung der Papiermasse noch übliche Füllstoffe zuzusetzen, und zwar in einer Menge von ca. 1—20%, bezogen auf das Trockengewicht der Papiermasse. Dabei soll aber die Gesamtmasse an filmbildendem Ton und üblichen Füllstoffen eine Menge von 25%, bezogen auf das Trockengewicht der Papiermasse, nicht überschreiten. So läßt sich beispielsweise durch Zugabe von wenigen Prozent Titandioxid die Weiße noch ganz beträchtlich steigern.

Das erfindungsgemäße Bildempfangsmaterial kann beidseitig noch mit einer Oberflächenpräparation z. B. in Form einer üblichen Leimpressenbehandlung versehen sein, um noch besondere Eigenschaften zu erzielen, wie beispielsweise Staubfreiheit des Papiers. Als Substanzen für eine derartige Oberflächenpräparation kommen z. B. in Betracht Stärke, modifizierte Stärke, wie verätherte Stärke oder oxidativ abgebaute Stärke, Carboxymethylcellulose, Alginate, Kasein, Proteine, j Gelatine, Polyvinylalkohol sowie Kunststoffdispersionen, insbesondere auf der Basis von Acrylsäure.

Zur Herstellung des erfindungsgemäßen Bildempfangsmaterials wird in einer Stoffbütte oder Stoffzentrale eine Faserstoffsuspension, die einen harzhaltigen in Faserstoff enthält, mit einem hydratisierten, kolloidalen oder einem hydratisierbaren, jeweils filmbildenden Ton vermischt, auf einen pH-Wert von 3,8—7,8, vorzugsweise 4,0—5,0 eingestellt und dann das blattförmige Bildempfangsmaterial gebildet.

Zweckmäßig wird dabei der Papiermasse eine 2—6%ige, vorzugsweise 3—5%ige Lösung eines filmbildenden hydratisierten kolloidalen Tones zugesetzt. Um den gewünschten Umhüllungsgrad zu erreichen, hat sich der Zusatz einer Menge von so 3—25Gew.%, bezogen auf das Trockengewicht der Gesamtfaserstoffsuspension, eines filmbildenden hydratisierten, kolloidalen Tons als besonders zweckmäßig erwiesen. Der Mischung können dann noch gewisse übliche Additive, wie z. B. Harzleim hinzugefügt « werden. Um den pH-Wert der Gesamtmischung, der sich üblicherweise auf einen Wert von 7,8—8,5 einstellt, auf einen Wert von 4,0—5,0 zu bringen, kann Alaun gegebenenfalls noch unter zusätzlicher Verwendung von Schwefelsäure verwendet werden. Durch die Zugabe des Alauns werden die kolloidalen Tonteilchen aus der Lösung auf den Fasern niedergeschlagen und umhüllen diese als dünner Film. Bei holzhaltigen Papieren ist es zweckmäßig, den pH-Wert niedrig zu halten, beispielsweise auf pH-Wert 4—4,5, was auf wirtschaftliche Art und Weise durch Mitverwendung von Schwefelsäure erreicht wird.

Nach der Herstellung der Papierbahn nach der

üblichen Papiermachertechnik wird diese beidseitig mit einer Oberflächenpräparation aus einem kolloidalen Leimungsmittel versehen.

Der Niederschlag der kolloidalen Tonteüchen aus den Fasern kann durch Zugabe üblicher Retentionshilfsmittel vor der Zugabe der Lösung des kolloidalen Tons weiter verbessert werden und so eine weitere Entlastung des Siebwassers erreicht werden. Die Zugabe der Lösung des filmbildenden kolloidalen Tones kann auch in der Weise erfolgen, daß zunächst der Holzschliff mit der Lösung vermischt wird und der Niederschlag auf den Holzschliffasern erfolgt und erst anschließend die übrigen Faser- oder Füllstoffkomponenten zugefügt werden.

In der Trockenpartie der Papiermaschine nähern sich die Einzelgitter der Kristalle wieder so weit an, daß sie über jeweils ein Wassermolekül durch Wasserstoffbrükken fest aneinanderhaften und einen geschlossenen Film bilden, was sich durch geeignete Anfärbemethoden nachweisen läßt Da die Papierfasern zur Ausbildung von Wasserstoffbrücken ebenfalls befähigt sind, haftet der sich bildende Film ohne jedes weitere Bindemittel an den Fasern und umhüllt diese fest

Die erfindungsgemäß erhaltenen Bildempfangsmaterialien sind für die verschiedenen Kopierverfahren geeignet z. B. für die indirekten elektrophotographischen Kopierverfahren, für Telekopierverfahren, die nach dem Transferprinzip arbeiten oder für Computerausdruck, ganz besonders jedoch für xerographische Kopierverfahren.

Die Erfindung wird mit nachfolgenden Beispielen noch näher erläutert:

Beispiel 1

In einer Stoffzentrale werden 70Gew.-% von mit Natriumhypochlorit gebleichtem Holzschliff von 78° SR, 10 Gew.% an wieder aufgelösten Papierabfällen und 20 Gew.% gebleichter Nadelkraftzellstoff von 30° SR gemischt. Darauf wird in Form einer 5%igen kolloidalen Lösung natürlicher, hochquellfähiger Natriumbentonit zugesetzt, so daß im fertigen Papierstoff 15 Gew.% an Natriumbentonit, bezogen auf die Faserstoffmischung, resultieren. Diesem Ganzstoff werden dann 1,5 Gew.% Harzleim, bezogen auf Faserstoff, hinzugefügt und die Gesamtmischung zuerst mit Alaun auf einen pH-Wert von 4,6 eingestellt Vor der Herstellung der Papierbahn wird der pH-Wert der Mischung mittels Schwefelsäure und einen pH-Wert von 4,2 herabgesetzt und die Papierbahn in üblicher Weise hergestellt Die Papierbahn wird noch in einer Leimpresse beidseitig mit einer 7,5%igen Lösung ar oxidierter Stärke behandelt, wobei 2 g/m² und Seite aufgetragen werden, und anschließend wie üblich getrocknet.

Es wird ein Papier mit einem Flächengewicht von 80 g/m² erhalten.

Beispiel 2

In einer Stoffbütte werden 40 Gew.% von mit Natriumhypochlorit gebleichtem Holzschliff von 8I⁰SR, 30 Gew.% langfaseriger gebleichter Nadelkraftzellstoff von 27° SR und 30 Gew.% gebleichter Sulfat-Birkenzellstoff von 36° SR gemischt. Dazu wird eine 3%ige Lösung vor kolloidalem aufgeschlossenem Natriumattapulgit zugegeben, so daß 4 Gew.% in Attapulgit, bezogen auf die Papiermasse, in der Faserstoffmischung enthalten sind. Die Mischung wird zuerst mit Alaun auf einen DH-Wert von 4.6 eingestellt.

7 8

zur Herstellung der Papierbahn wird dann dieser 30 g/l eines synthetischen Oberflächenleimungs

pH-Wert mit Schwefelsäure auf einen pH-Wert von 4,2 auf der Basis von Acrylsäure behandelt. Die aufgei

herabgesetzt. Die Papierbahn wird schließlich beidseitig te Leimung beträgt 3 g/m² und Seite,

in einer Leimpresse mit einer Leimpressenpräparalion, Das fertige Papier weist ein Flächengewich

besteh'nd aus 70 g/! oxidativ abgebauter Stärke und 5 80g/m²auf.

Claims

Patentansprüche:

1. Bildempfangsmaterial für ein elektrophotographisches Verfahren mit einem Faserstoff, dadurch gekennzeichnet, daß es einen harzhaltigen Faserstoff enthält, dessen Fasern mit einem Film aus einem Ton umhüllt sind.

2. Bildempfangsmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es als harzhaltigen Faserstoff einen Holzschliff enthält

3. Bildempfangsmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Film aus einem hydratisierbaren Bentonit besteht

4. Verfahren zur Herstellung eines Bildempfangsmaterials fQr ein elektrophotographisches Verfahren, bei dem aus einer Faserstoffsuspension ein blattförmiges Bildempfangsmaterial hergestellt wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine Faserstoffsuspension, die einen harzhaltigen Faserstoff enthält, mit einem hydratisierten, kolloidalen oder einem hydratisierbaren, jeweils filmbildenden Ton vermischt, auf einen pH-Wert von 3,8—7,8, vorzugsweise 4,0—5,0 eingestellt und dann das blattförmige Bildempfangsmaterial gebildet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserstoffsuspension mit 3—25Gew.% — bezogen auf das Trockengewicht der Gesamtfaserstoffsuspension — eines filmbildenden hydratisierten kolloidalen Tons vermischt wird.