Résumé de l'industrie du toner

Impression électrostatique directe

Les photocopies, les impressions laser et les impressions numériques industrielles ont toutes leurs origines dans la technologie électrophotographique inventée il y a trente ans. Depuis cette époque les compagnies telles que Agfa-Gevaert, Xerox, Lexmark, Sharp, Hewlett Packard et les autres ont incorporé différentes formes de technologies électrophotographiques dans leurs imprimantes.

L'impression électrostatique directe est basée sur un principe très simple. Une source de toner fournit un toner chargé électriquement au travers d'une tête d'impression (consistant en un substrat polymérique avec les ouvertures et au moins un jeu d'électrodes de contrôle) jusqu'à un récepteur d'image (1 feuille de papier par exemple) en face d'une électrode. Le toner chargé négativement est attiré par le récepteur grâce à l'électrode arrière créant ainsi une image sur le papier.

Procédés de fabrication du toner

La technique traditionnelle de production du toner par « pulvérisation» implique le mélange de résine, de charges, de cire, de noir de carbone et d'oxyde de fer. L'ensemble est alors chauffé et mélangé sous pression puis extrudé dans une filière et enfin granulé.

Les paillettes sont broyées par jet d'air. Le broyage par jet de l'air peut produire des particules aux alentours du micron sans générer de chaleur, ce qui risquerait de dénaturer le toner. Des séparateurs dynamiques à la sortie du broyeur évitent que les particules quittent le lit du broyeur avant d'avoir atteint une certaine taille inférieure à la consigne imposée aux séparateurs dynamiques. Les imbroyées retournent dans le lit de broyage grâce à la circulation interne dans le broyeur. La coupe granulométrique est contrôlée en faisant varier la vitesse du séparateur (plus haute est la vitesse, plus petite sera la coupe). Les ultrafines (dont la présence représente une perte du procédé de broyage) sont soutirés dans les filtres. Des additifs peuvent être mélangés au toner avant l'ensachage.

La taille des particules peut-être contrôlée à + ou – 0,3 ou 0,5 micron, pour un diamètre moyen de 8 microns. La distribution de taille de particules peut aussi être contrôlée. En fonction des spécifications, l'écart type de la distribution de taille de particules peut se situer aux alentours de 1 micron.

La mesure en-ligne des particules est à présent utilisée chez plusieurs fabricants de toner pour contrôler de façon continue la distribution de taille des particules afin de mesurer la production en temps réel.

Pourquoi la taille est-elle si importante ?

Une grande partie des efforts de la R&D a été consacré à l'amélioration des têtes d'impression et du transfert du toner. Le but était de produire des systèmes plus simples et plus précis avec moins de composants tout en améliorant la qualité d'impression pour satisfaire le plus grand nombre et surtout les utilisateurs d'impression numérique. La qualité de l'image finale peut être compromise par la qualité du toner lui-même.

Les fabricants de toner ont pu faire face à l'amélioration des particules du toner. Chaque fabricant a à sa propre formule, la plupart du temps comprise dans 90 % de toner thermoplastiques colorés et 10 % de piments de noir de carbone fixé par infrarouge après leur transfert sur papier. Traditionnellement les poudres de toner sont obtenues à partir d'un compound qui est découpé, granulé, micronisé, classifié puis tamisé. Le résultat est une poudre fine possédant des spécifications très resserrées en terme de granulométrie. Malgré tout, la méthode à quelques défauts, principalement en ce qui concerne la forme des particules et le rapport de charge en fonction de la masse mais aussi la création de poussières. Cela peut poser le problème car les particules sont propulsées au travers des petites ouvertures de la tête d'impression. Les particules des plus larges ou de formes irrégulières peuvent provoquer des blocages. Quant aux particules de poussières, elles adhèrent à la tête d'impression et sont trop petites pour avoir suffisamment de charge pour être contrôlables.

La capacité à contrôler les effets des forces électrostatiques et électrodynamiques réside dans la façon dont le toner est préparé. La préparation influe sur la taille, la forme, la charge et le traitement de surface. La tendance est à une taille et une distribution de taille la plus petite et la plus étroite possible afin d'améliorer la résolution des images.

Traditionnellement, le compteur à variation d'impédance a été la technique traditionnelle utilisée dans l'industrie du toner. Cette technique est à présent remplacée par des granulomètres laser en ligne qui permettent le contrôle direct et en temps réel du procédé de fabrication.

Pourquoi la forme des particules est-elle importante ?

Ces dernières années ont vu le développement de procédés de fabrication humide du toner tels que la polymérisation en suspension et la polymérisation en émulsion qui n'impliquent pas les étapes de broyage et de classification et ont le mérite de permettre un plus grand contrôle de la distribution de taille, de la forme et des propriétés des matériaux produits. Comparé au toner pulvérisé la charge est beaucoup plus régulière. Plusieurs compagnies produisent déjà du toner monochrome et couleurs par polymérisation. Les toners produits par ce type de procédés ont des distributions de tailles et de formes plus reserrées. Cela permet une meilleure coulabilité qui se traduit par un meilleur transfert entre le photoconducteur et le papier.

Un certain nombre de sociétés ont breveté des procédés chimiques de fabrication de toner ayant des formes bien définies. Avec la capacité de produire des toners ayant des formes et des tailles plus précises apparaît le besoin de caractériser de telles particules. La plupart des granulomètres ne sont pas capables de mesurer la forme, sauf le FPIA 3000 de Sysmex. Cet appareil est largement utilisé dans l'industrie du toner et plusieurs brevets ont été déposés concernant l'optimisation de la forme des particules. Des méthodes ont été développées qui utilisent la circularité comme un paramètre clé. Une circularité de 0,95 à 0,96 est idéale. En dessous de cette valeur, les particules de toner se comporte comme des abrasifs. Au dessus de cette valeur, elle se comportent comme un lubrifiant.

Le FPIA-3000 de Sysmex utilise un fluide de canalisation dynamique et une acquisition à haute fréquence brevetés afin de caractériser rapidement la taille et la forme des particules. L'analyse prend typiquement cinq minutes comparées aux deux ou trois heures nécessaires quand on utilise des techniques traditionnelles telles que la microscopie.

Les fabricants de toner investissent lourdement dans de nouvelles techniques de production permettant ainsi de maximiser la proportion de particules ayant une grande circularité.

Le principal problème a toujours été de trouver une façon simple de contrôler la forme des particules. Le FPIA-3000 de Sysmex permet la caractérisation du paramètre de circularité en routine et de façon très simple. En plus des distributions de taille de particules, il affiche les images des particules elles-mêmes ainsi que leurs diagrammes de circularité pour que la personne chargée de l'analyse ait tous les éléments pour prendre la bonne décision.