トナー産業の概要

直接静電印刷

複写機コピー、レーザー印刷、業務用デジタル印刷はすべて、30年前に発明された電子写真術に端を発しています。以来、AGFA-Gevaert、 Xerox、Lexmark、シャープ、Hewlett Packardなどの企業がプリンタに電子写真テクノロジーを搭載してきました。

直接静電印刷はいたってシンプルな原則に基づいています。トナー源が送り出した帯電したトナー粒子が印刷ヘッド機構（開口と少なくとも1組の制御電極を持つ重合基板で構成）を通り、後部電極の前にある画像レシーバ（例えば1枚の紙など）へ到達します。トナー源と後部電極の間にある推進フィールドは、負の電荷を帯びたトナー粒子が後部電極のレシーバに引き寄せられ、紙上に画像を作成していることを意味します。

トナー製造プロセス

トナー粒子製造の従来技法である粉砕では、樹脂の混合、電荷剤制御、ワックス、カーボンブラック、酸化鉄などを使用します。次にこれが加熱され、高圧の下で溶解し、打ち抜き型から押し出され、粒状化されます。

このようにして生成されたフレークはエアジェット粉砕されます。エアジェット粉砕機は熱を発生せずにミクロンサイズの粒子を生成します。他の方法で同じ工程を実行するとトナー製品を変性させてしまいます。上部にあるスピニング分級機の車輪が、分級機のカットサイズ未満になる前に粉砕機から抜け出るのを阻止します。未粉砕の粒子は内部粉砕機サイクルで床に戻ります。カットサイズは分級機の速度の変化によって制御されます（回転が速いほどカットサイズは低くなります）。超微粒子（多くの場合、その存在は粉砕プロセスの無駄）は取り除かれ、袋詰めの前にトナーに添加物が混合されます。

平均粒子径は8 µmですが、トナーの粒子径は±0.3～0.5 µm内に制御されます。粒度分布も制御できます。仕様要件によって異なりますが、粒度分布の標準偏差は1.0 µm前後です。

現在では、オンライン粒度分布測定は、粒度分布を連続的にモニタリングする目的で多くのトナー製造者によって使用されています。プロセス中の複数の測定器を複数の工程に利用することにより、リアルタイムでオペレーション単位の生産力が測定できます。

なぜトナーの粒子径が重要なのか

印刷ヘッド設計とトナー移行を改善するために多くのR&D努力が払われてきました。目標は、少ないコンポーネントで画像を改良しながら、シンプルにかつ精度が高まっていくシステムを製造することです。すなわち幅広い範囲の消費者と業務用デジタル印刷アプリケーションにも適したシステムということです。しかし、最終的な画像品質はトナーの品質によって左右されます。

そのため、トナーメーカーはトナー粒子を改善する必要性に迫られています。各メーカーではそれぞれ独自の組成を持っていますが、その殆どが熱プラスティックが約90%で、これが10％のカーボンブラック顔料で染色され、赤外線で処理されて紙面に移行します。従来、ドライトナー粒子の製造は、混合、小球状化、粒状化、粉砕、分級、ふるい処理で構成されていました。この結果、粒度分布が厳密な仕様に準拠した微粒子が生成されます。しかし、この手法には、粒子形状の変動、電荷/質量比、粉じん粒子の生成という欠点があります。これらの欠点によって、粒子がプリントヘッドの細かい孔を通り抜けると問題が発生します。大きく、不規則形状の粒子は詰まってしまい、粉じんはプリントヘッドの表面に付着し、細かすぎるために制御できるほどの電荷を帯びることができません。

静電力･電気力学的力の効果をコントロールする能力は、トナーの準備方法によって異なります。準備は粒子形状、粒子径、粒度分布、電荷、表面処理に影響を与えます。トレンドは、小さく幅の狭い粒子径と、高解像度画像製造に必要な粒度分布要件です。

従来、トナー製造では、エレクトロゾーンカウント法が粒子径測定の標準でした。現在ではこの技法の代わりに、製造プロセスを操作･制御できるオンラインのリアルタイム粒度分布測定が使用されています。

なぜトナーの粒子形状が重要なのか

近年、粉砕や分級の工程が必要なく、トナー粒子の粒度分布、形状、材料特性がより自由に制御できるという利点を持つ懸濁液の重合化やエマルションの重合化などの湿式化学トナープロセスの開発が行われてきました。その形状は、粉砕トナーよりも安定しています。現在では、多くの会社が湿式重合プロセスを使用してモノクロームとカラートナーを製造しています。このプロセスを使用して製造されたトナーは、粒度分布も粒子形状分布も幅が狭い製品です。これにより、パウダーのフロー性、光伝導体から紙への移行速度、画像品質が改善されます。

多くの企業が、厳密に定義された形状のトナー粒子を作る科学プロセスで特許を取得しています。より正確な形状とサイズを持つトナーを製造する能力を得ると、材料をそれに適合するように特性判定する必要が出てきます。ほとんどの粒子径測定機は形状を測定できませんが、Sysmex FPIA-3000だけは例外です。この装置は、トナー産業で幅広く使用されており、粒子形状の最適化に基づいて多くの特許が取得されています。様々なメソッドが真円度を主要パラメータとして開発されてきました。真円度の最適値は0.95～0.96です。これよりも低いトナー粒子は研磨剤として機能し、高いトナー粒子は潤滑剤として機能します。

Sysmex FPIA-3000は、すばやい粒子径と形状の判定にシースフローと、特許取得済みの高速画像分析を採用しています。通常、顕微鏡法などの従来技法では2～3時間かかるところを、Sysmex FPIA-3000は5分しかかかりません。

トナーメーカーは、高真円度を持つ粒子の比率を高めるプロセスを開発するために画期的な製造技法に巨額を投資しています。

昔も今も、主要な課題は、このパラメータの簡単なモニタリング法を見つけることです。Sysmex FPIA-3000は、定期的な形状特性判定の方法を提供します。粒子径データの他に、粒子の画像や真円度図などが表示でき、分析担当者は必要なデータがすべて取得でき、情報に基づいた正しい決断を下すことができます。