电子照相显影用墨粉粉末特性的表征技术

侯晓旭，王雪辉，姚雪丽，陈辉辉，齐俊梅

(天津市合成材料工业研究所有限公司,天津300220）

本文梳理了近两年来，关于墨粉物理性质表征的相关文献，对最新的各种表征手段和表征结果分析进行了整理。所涉及的墨粉物理性质包括墨粉的流动性、附着力以及电性能。

1 墨粉流动性的评价方法

1.1 传统流动性的测试方法

墨粉在显影过程中会受到各种机械外力的作用，例如摩擦使墨粉带电，以及刮刀使废粉离开显影辊，这就需要墨粉具有一定的流动性。此外，还要防止墨粉在硒鼓中发生团聚或结块，因为这类情况而导致的机械故障可能会非常严重，因此流动性是墨粉一项关键的性能指标。

粉体流动性的测试方法也有很多，三星的专利[1]中利用粉末性能测试仪（Hosokawa micron公司产品）来测量墨粉的流动性。使用了三种不同空隙大小的筛子，由上至下固定在测试仪上。在最初测量时，量取2 g调色剂放到最上层的筛子上，在一定条件下进行振动，振动结束后测量三个筛子的重量，以测量残留在筛子上面的调色剂的量，并后根据下式计算流动性。

上式中f为色调剂的流动性，m1、m2和m3分别为残留在上层、中层和下层的筛网上的墨粉的量。该方法是对不同层筛上的墨粉的残留量进行加权平均的结果，且残留在中层筛的量越多，计算得到的流动性的数值越高。

2007 年，国内机械行业对墨粉流动性的测试标准进行了修正[2]，测试方法没有改变，但简化了计算方法，取三层筛网上残留的墨粉的比例的平均值作为流动，由于墨粉的流动性大小与规定条件下振动筛的筛下量成正比，因此由筛下量可以直接计算不同墨粉的流动性。

1.2 新型流动性测试方法

为了能够更加准确的评价墨粉在粉仓中的流动性，日本画像学会则推荐采用粉体层剪切力的表征，来评估墨粉的流动性，就是评估堆积状态的墨粉颗粒再流动的能力[3]。

粉体层剪切力的测定装置分为上部单元线性运动型[4]、下部单元线性运动型[5,6]、平行板型[7]以及旋转型[8]。Shimada[9]介绍了一种测试层剪切力的仪器，下部单元线性运动型粉体层剪切力测试装置，NSS500（Nano-Seeds株式会社），构造如图1中所示。根据2016年JIS修订的相关标准[10]，该装置可以用来测定内部摩擦角，即内部摩擦力。用来测量的圆筒分为上下两个部分，上部单元进行固定，下部单元进行水平移动，直至粉体层发生剪切崩溃。

图1 粉体层剪切力测试装置NS-S500结构示意图

对物理法和化学法（悬浮聚合、乳液聚合、聚酯伸长聚合）的CMKY四种颜色的墨粉进行了层剪切力的表征。结果如图2，并由此计算得到个样品的内摩擦角如图3。计算结果表明，样品A的内摩擦角最小，样品C的内摩擦角的值是样品A的3倍左右。也就是说，样品A在压实状态下具有最佳的再流动性。颜色不同的同种类墨粉的表征结果区别不大，因此制造方法是流动性的主要决定因素。

图2 粉体层剪切力测试结果

图3 内摩擦角的计算结果

墨粉的流动性主要受到墨粉的形状和外添加剂的影响，悬浮聚合的墨粉通常具有较高的球形度，因此相比较其他两种墨粉，具有最好的流动性[11]。而物理法对墨粉的形状的控制是最差的，墨粉球形度较低，因此流动性较差，计算得到的内摩擦角最大。

2 墨粉附着力的测试

2.1 离心法附着力测定装置

离心法附着力测定装置[12]由离心分离部分和画像解析部分两部分构成，其中离心分离装置为hi-mac CT15E（日立工机株式会社），画像解析部分为NS-C300-HK（Nano-Seeds株式会社）。离心设备由高速离心机和样品室构成（见图4），画像解析部分由长焦镜头、画像分析软件及显示器构成。

图4 附着力测定离心分离装置为himac CT15E

测试前，墨粉自由下落并分散附着在玻璃制的基板表面。测试时，将基板固定在样品室内，用高速离心机在不同的旋转速度下进行离心分离，记录墨粉的分散状态。可通过墨粉的密度、粒径、离心机的转速以及旋转半径计算得到墨粉受到的作用力。并据此时的附着量测定不同转速下离心后的墨粉的残留率，得到纵轴为残留率、横轴为分离作用力的分布图，最后通过下述公式计算得到平均附着力:

其中ρ为墨粉的真密度，d为粒径，r为旋转半径，ω为残留率为50%时的旋转角速度。

采用离心法在玻璃基板上对不同制造工艺的墨粉进行了附着力的测定，表征结果如表1中所示。A是悬浮聚合法，B是乳化聚合法，C为粉碎法墨粉。结果表明悬浮聚合墨粉具有更高的附着力，而粉碎法墨粉的附着力很低，这可能与墨粉颗粒的形状及表面状态有关。

表1 墨粉的附着力测试结果

2.2 施加机械应力时附着力的变化

如果考虑到墨粉在复印机或打印机内部受到的摩擦力以及机械应力[13,14]，还要测量当对墨粉施加了其颗粒强度约千分之一（约1 μN）的作用力时其附着力的变化。这一变化的测定装置为微小粒子压迫力的测定装置，NS-A200（Nano-Seeds株式会社）。测试时，施加规定的推力后，向相反方向拉伸剥离，再测定受到应力后的粘合力。

考虑到施加了机械应力后的附着力的测量结果如图5中所示，与表1的测试结果相比，附着力的数值都显著升高了，但是三个样品附着力的变化程度不同，其中样品A的变化量相对样品B、C的附着力的变化较小，而样品B、C的测试结果，是采用离心法测试的附着力得到的结果的数百倍。也就是说悬浮聚合的墨粉颗粒的附着力受到外界机械应力的影响更低。

图5 考虑到施加机械应力的附着力的测量结果

2.3 附着力和带电量的二维分布图

墨粉之间的附着力主要是由粒子间范德华力和静电力构成的，其大小还与受到墨粉的带电状态的影响。带电状态不同，附着力就会不同，对墨粉的显影和转印过程产生影响。传统的附着力和带电量的测试方法有很多，但无法获得墨粉的带电量与附着力之间的对应关系，因此Inaba等[15]提出了一种测试方法，可以同时对墨粉的带电量和附着力进行测量，并获得二者的二维分布图。

超音波振动法装置结构如图6中所示，采用了压电设备的振动子与金属制造的振幅放大器连接在一起，放大振动幅度来获得能够使墨粉脱离时的加速度。测试时，放大器的尖端是类似于转印带的薄膜物质，膜上附着有测试墨粉颗粒测试对象，对到达设定的加速度的振动而脱离的墨粉进行逐个的粒径和带电量的测量，通过粒子的粒径、密度以及脱离时的加速度，计算得到粒子所受到的力，即可获得粒子的附着力。

Inaba等采用这方法对比了两种不同新旧程度的墨粉附着力-带电量二维分布图，结果如图7所示。两种墨粉的平均附着力为28.1 nN和29.1 nN，数值相差很小，但二维分布图却能看到显著的差异。与新墨粉的分布图及拟合曲线比较，用过的墨粉的分布图和拟合曲线发生了向左上方向的移动，高带电量样品的比率显著减低。也就是说，长期在粉仓中搅拌的墨粉不仅仅是附着力增加了，同时发生了带电量的下降。此外，通过该二维分布图，对带电量每隔0.5 fc进行附着力平均值的计算，计算结果如图8中所示。从该结果中看出，带电量为-1 fc时，对新墨粉和用过的墨粉进行附着力的比较，二者大约相差了1.7倍。结合墨粉表面的观察结果，表面被外添加剂覆盖的状态发生了变化，也就是说，长期搅拌改变了墨粉外添加剂的覆盖状态，使附着力发生了较大的变化。

图6 二维分布图测试装置

图7 附着力和带电量分布图

图8 平均附着力和带电量

3 墨粉的电性能

3.1 墨粉粒子带电量的测试

墨粉带电量的测量方法已经有几种较为成熟，其中常规的是blow-off方法[16]，就是使用与静电计相连的法拉第笼来评估墨粉电荷量，获得墨粉的荷质比q/m。电子单粒子气动弛豫时间分析仪（ESPART）也可用于测量碳粉电荷[17]，并且能够实时测量亚微米颗粒的空气动力学尺寸和静电荷分布。

虽然这些测量技术已经被证明是实用的，但它们不能用于测量单个孤立的墨粉颗粒，例如发生起雾现象的墨粉颗粒。Yamaguchi[18]提出了一种用纳米镊子和AFM悬臂来测量单个碳粉颗粒的带电量的方法，能够在较短的时间内获得制定墨粉颗粒的带电量。

图9 用于单个颗粒的图像力测试的实验装置

该方法的实验设备如图9所示，该系统包括带有接近感应器的纳米镊子，带有悬臂的力测量模块，一个光学显微镜以及两个测试平台（xy方向和z方向）。纳米镊子由硅制成，用于夹持和操纵亚微米团簇。测试时，压电平台以10 μm/s的速度向上移动悬臂支架，直到墨粉颗粒接触到悬臂。一旦墨粉颗粒被充电，悬臂就会在静电力的作用下吸引到墨粉颗粒上。通过确定悬臂的偏转和压电平台的位移，可以获得静电力和位移的关系曲线。

实验中制备了具有四种不同电荷水平的墨粉来验证这一测量技术，且墨粉均为粉碎法制造的具有不规则颗粒形状的墨粉颗粒，表面具有二氧化硅外添加剂。图10是采用这一技术获得的典型的静电力-位移关系曲线，并且将镊子为抓住墨粉颗粒时测得的力-位移曲线作为参照。当用纳米镊子夹持墨粉颗粒时观察到了远处的吸引力，而没有夹持颗粒时则不会观察到这一远程吸引力。因此所获得的静电力-位移曲线仅显示由于在墨粉颗粒上产生的静电电荷引起的静电力。计算得到随机选择的墨粉颗粒的带电量为-33.2 μC/g。图11是所选择颗粒的光学纤维图像，颗粒的主要和次要直径分别为6.0和5.8 μm。

图10 带电墨粉的力-位移曲线

图11 所测墨粉的显微图像

图12说明了纳米镊子技术所测带电量与采用blow-off法所测电荷量的对比。基于墨粉密度和平均直径，可以将blow-off法获得的荷质比被转换成每个颗粒的电荷。图12表明，使用纳米镊子技术测得的结果与使用blow-off法获得的结果之间存在线性关系。因此采用这项技术可以用于阐明发生起雾或转印灰尘墨粉的机理。

图12 与blow-off法测试结果比较

3.2 静电消散速度的测试

静电消散速度的测试也是根据JIS的标准[19]进行的，测试目标是对最大表面电位、静电消散速度以及偏移电压进行定量表征。测试装置为NSD100（Nano-Seeds株式会社），结构如图13所示。

图13 静电消散速度测试装置NS-D100结构示意图

装置包括负离子发生器、测试传感器、温湿度传感器、测试平台、仪器放大器以及控制用电脑。测试时离子发生器的针尖电压保持为6 kV的固定电压，根据在相同的释放时间的释放量，得到墨粉颗粒的最大表面电位，用以表示墨粉带电的难易程度。

对几种青色墨粉进行了静电消散速度的测试，带正电和带负电的测试结果如图14和图15所示，当墨粉带正电时，不同墨粉之间的表现差别更明显。样品E、K、I都发生了初期的大幅度衰减，而样品G、H、N、O只在初期发生了轻微的衰减后，没有观察到后续有明显的降低。而且不同墨粉的初始电压变化很大，即使当离子发生器发射相同电荷量的离子时，每种墨粉颗粒保持电子的能力也大不相同。因此不同厂家制造的墨粉的静电性质是有较大区别的，这也是造成打印质量有所不同的重要因素。

图14 墨粉静电消散过程对比（+）

图15 墨粉静电消散过程对比（-）

4 小结

在电子照相过程中，墨粉的物理性质具有重要的影响，例如显影过程对墨粉带电有着较高的要求，而转印过程的关键则在于墨粉的流动性，定影过程则除了墨粉的热熔性，还受到其附着力的影响，并且墨粉的各项物理性能并不是各自独立的，例如带电量产生的静电力，就会影响墨粉的附着力的大小。对墨粉的各项物理性能的检测可以用来对打印过程中的各种现象进行解释，对提高墨粉图像质量具有重要的意义。

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