[0001] Die Erfindung betrifft ein klassifiziertes elektrostatographisches Tonermaterial,
ein elektrostatographisches Entwicklergemisch und ein Entwicklungsverfahren unter
Verwendung dieses Gemisches.
[0002] In der Elektrophotographie wird ein Photoleiter geladen und dann bildmäßig belichtet.
In den Bereichen, in denen der Photoleiter belichtet wurde, wird die Ladung abgeleitet
oder es findet ein Ladungszerfall statt, während die dunklen Bereiche ihre elektrostatische
Ladung behalten.
[0003] Durch die unterschiedliche Aufladung in den belichteten und nicht belichteten Bereichen
des Photoleiters entstehen zwischen diesen elektrische Felder. Anschließend wird das
resultierende latente elektrostatische Bild auf dem Photoleiter entwickelt, indem
kleine gefärbte Teilchen; die als Toner bezeichnet werden und die eine Ladung aufweisen,
damit die elektrischen Felder sie auf die Bildbereiche des Photoleiters leiten, auf
dem Photoleiter abgelagert werden.
[0004] Es sind eine Anzahl von Verfahren zur Entwicklung latenter elektrostatischer Bilder
unter Verwendung von Tonerteilchen bekannt. Eines dieser Verfahren wird als Kaskadenentwicklung
bezeichnet und ist beispielsweise in der US-Patentschrift 2 638 552 beschrieben. Ein
anderes Verfahren ist als Magnetbürstenverfahren bekannt und ist in der US-Patentschrift
2 874 063 beschrieben.
[0005] Bei beiden, sowohl der Kaskaden- wie auch der Magnetbürstenentwicklung wird ein Zweikomponentenentwicklermaterial
verwendet. Das Entwicklermaterial besteht aus einer Mischung kleiner Tonerteilchen
und relativ großer Trägerteilchen. Die Tonerteilchen werden auf der Oberfläche der
relativ großen Trägerteilchen durch elektrostatische Kräfte festgehalten, die durch
den Kontakt zwischen Toner- und Trägerteilchen unter Ausbildung triboelektrischer
Ladungen mit entgegengesetzten Polaritäten auf Toner und Träger entstehen. Wenn das
Entwicklermaterial mit dem latenten elektrostatischen Bild auf dem Photoleiter in
Berührung gebracht wird, werden die Tonerteilchen durch das latente Bild angezogen.
[0006] Die Toner- und Trägerteilchen des Entwicklermaterials werden in der Weise hergestellt
und behandelt, daß die Tonerteilchen eine Ladung der gewünschten Polarität und Größe
erhalten, um sicherzustellen, daß die Tonerteilchen im wesentlichen von den gewünschten
Bildbereichen des Photoleiters angezogen werden. Die Tonerteilchen werden dann auf
elektrostatischem Wege auf ein gewünschtes Kopierblatt übertragen, und danach wird
das übertragene Bild der Tonerteilchen durch Hitze und/oder Druck fixiert unter Erhalt
der fixierten Kopie des gewünschten Bildes als Endprodukt.
[0007] Eines der Probleme bei der Herstellung des gewünschten Bildes auf dem Kopierblatt
ist, die bestmögliche Bildqualität zu liefern. Diese wird im allgemeinen als Kopierqualität
bezeichnet. Die Kopierqualität schließt Eigenschaften wie ein klares Bild, d.h. eine
klare Aufzeichnung von Linien; gleichmäßige Dunkelheit der Bildbereiche; Hintergrundqualität,
d.h., Grauwerte oder Fehlen dieser Werte in den Hintergrundbereichen und andere nicht
genau faßbare Eigenschaften ein, die alle für den Erhalt einer guten Kopierqualität
wesentlich sind.
[0008] Andere Faktoren bezüglich des Toners, die bei einem Entwicklungsprozeß Beachtung
verdienen, sind die Ausnutzung des Toners pro Kopie. Natürlich ist es von einem ökonomischen
Standpunkt aus um so besser, je weniger Toner für ein gegebenes Bild verbraucht wird..Auch
ist es in einem System, in dem unverbrauchter Toner aus der Luft unter Verwendung
eines Filters abgeführt wird, wesentlich, die Menge des unverbrauchten Toners so niedrig
wie möglich zu halten, um dadurch die Lebenszeit des Filters zu verlängern.
[0009] Wenn ein Heißfixierverfahren angewendet wird, ist es erwünscht, ein Bild zu liefern,
das die bestmögliche Hitzeübertragungscharakteristik aufweist, um die Wärmemenge,
die zur Fixierung des Bildes notwendig ist, auf einem Minimum zu halten. Dies ist
nicht nur wesentlich aus Gründen der Energieersparnis, sondern auch, weil bei einer
schnelleren Hitzeübertragung durch den Toner die Fixierzeit oder Temperatur reduziert
werden kann. Alle diese Faktoren spielen eine wesentliche Rolle bei der Konzipierung
optimaler Tonerteilchen.
[0010] Eine der wesentlichen Eigenschaften der Tonerteilchen, die zum Erhalt optimaler Ergebnisse
in den zuvor angeführten Bereichen führen, ist die Größe und die Größenverteilung
der Tonerteilchen. Diese Tatsache ist an sich bekannt, und es bestehen mehrere Vorschläge
für verschiedene Systeme der .Tonerteilchenklassifizierung.
[0011] US-Patent 3 674 736 betrifft pigmentierte Polymerteilchen, die zur Verwendung als
Toner und als Entwickler für elektrostatische Prozesse geeignet sind und ein Verfahren
zur Herstellung solcher Toner. In diesem Patent werden Materialien mit einem mittleren
Teilchendurchmesser in der Größenordnung von 1 bis 30 µm (NMD) und einer geometrischen
mittleren Abweichung der Teilchengrößenverteilung (GSD) von weniger als 1,5 µm beansprucht.
Durch Extrapolation und die Anwendung einer Gauß'schen Verteilung kann aus diesen
Werten eine bestimmten Teilchengrößenverteilung abgeleitet werden.
[0012] In der deutschen Offenlegungsschrift 2 522 771 werden Tonerteilchen beschrieben,
die im wesentlichen die gleiche Größenverteilung wie in der US-Patentschrift angegeben
aufweisen. In der deutschen Offenlegungsschrift wird ein Toner mit einer Größenverteilung
nach der Zahl oder Population beschrieben, der weniger als 30 % Teilchen mit einer
Größe unter 5 µm, etwa 25 % Teilchen mit einer Größe zwischen 8 und 12 µm und weniger
als 5 % Teilchen mit einer Größe über 20 µm aufweist. In der Offenlegungsschrift ist
auch ein Feinindexverhältnis kleiner 2,50 und ein Grobindexverhältnis kleiner 1,50
angegeben.
[0013] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung
' eines klassifizierten elektrostatographischen Tonermaterials, eines elektrostatographischen
Entwicklergemisches und eines Entwicklungsverfahrens unter Verwendung dieses Gemisches.
[0014] Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch ein Tonermaterial, das Teilchen mit nachfolgender
Größenverteilung enthält:
a) weniger als 15 Gew.% Teilchen größer 16 µm;
b) 7 bis 15 Gew.% Teilchen kleiner 5 µm;
c) Rest Teilchen mit einer Größe zwischen 5 und 16 µm
und das einen Medianwert der Teilchengröße nach der Gewichtsverteilung zwischen 8
und 12 µm aufweist.
[0015] Die Tonerteilchen werden mit Trägerteilchen gemischt unter Ausbildung eines Entwicklergemisches
zur Verwendung in einem elektrostatischen Kopierverfahren. In dem Toner, der in einem
Magnetbürstenentwicklungsverfahren in Gegenwart eines Trägers verwendet wird, wird,
während er auf die Photoleiteroberfläche trift, ein Gleichgewicht in der Größenverteilung
der Tonerteilchen erhalten, welches durch die nachfolgend angegebenen Werte charakterisiert
wird: Medianwert der Teilchengröße nach

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Größenverteilung der Tonerteilchen
durch folgende Werte charakterisiert:
a) weniger als 2 Gew.% Teilchen > 16 pm,
b) 9 bis 15 Gew.% Teilchen < 5 µm;
c) Rest Teilchen mit einer Größe zwischen 5 und 16 µm; Medianwert der Teilchengröße
nach der Gewichtsverteilung zwischen 8,5 und 9,5 pm.
[0016] Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Beschreibung und der Ausführungsbeispiele
näher erläutert.
[0017] Es wurde gefunden, daß durch Verwendung eines Toners, der erfindungsgemäß klassifiziert
wurde, wesentlich bessere Ergebnisse als mit bisher bekannten konventionellen Tonern
erhalten wurden im Hinblick auf die Kopierqualität, die Filterlebensdauer, die Tonerbrauchbarkeit
und die Fixierqualität. Ein üblicher Toner, der in Kopiergeräten der Anmelderin verwendet
wird, wird folgendermaßen klassifiziert:
0,8 + 0,4 Gew.% weisen eine Teilchengröße kleiner 5 pm, etwa 35 Gew.% eine Teilchengröße
größer 16 µm und weniger als 0,5 Gew.% eine Teilchengröße größer 32 µm auf, wobei
der Medianwert der Teilchengröße nach der Gewichtsverteilung bei 13,6 + 0,6 µm liegt.
Zur Messung der Größenverteilung wird ein Coulterzähler in an sich bekannter Weise
verwendet.
[0018] Um die Toner miteinander vergleichen zu können, wurden Proben verschiedener Toner
mit der in der nachfolgenden Tabelle I angegebenen Größenverteilung hergestellt.

Jeder der Toner wurde aus einem Mischharzsystem, welches für den Toner der Serie III
Kopiergeräte der Anmelderin verwendet wird, hergestellt. Beispiel I betrifft bekannte,
konventionelle Toner, und die Beispiele II und III betreffen Toner gemäß der vorliegenden
Erfindung.
[0019] Etwa ein Gewichtsteil des Toners jedes Bespiels wurde mit etwa 99 Gewichtsteilen
eines bekannten Trägermaterials, das aus Stahlkugeln, welche mit einem Polytetrafluoräthylenüberzug
versehen waren, bestand, gemischt. Trägermaterialien dieser Art sind in der US-Patentschrift
3 947 271 beschrieben. Jede Mischung wurde in einem handelsüblichen Kopiergerät der
Serie III der Anmelderin getestet, und Kopien wurden hergestellt. Zu jeder Mischung
wurde Toner zugegeben, um im wesentlichen eine konstante Tonerkonzentration aufrechtzuerhalten.
Mit der Toner/Trägermischung wurden 10 000 Kopien hergestellt, um ein Gleichgewicht
der Tonerteilchengröße in der Mischung zu erhalten. Dieses Gleichgewicht der Tonerteilchengröße
ergibt sich aus der Wechselwirkung des Toners, der Trägerteilchen und des Photoleiters
während des Kopierens, und tatsächlich ändert sich die Teilchengröße, bis ein Gleichgewichtspunkt
bei relativ konstanter Tonerkonzentration erreicht ist und die Größenverteilung danach
im wesentlichen konstant bleibt. Diese Gleichgewichtseinstellung ist erwünscht, weil
mit einem Toner dieser Art eine einheitlichere Kopierqualität erhalten wird als mit
einem Entwickler, der nur die anfänglich vorhandene Tonergrößenverteilung aufweist.
Weiterhin gestattet die Kopierqualität, die mit einer Entwicklermischung im Gleichgewicht
verglichen mit einer Entwicklermischung, die nicht ins Gleichgewicht gebracht wurde,
erhalten wird, repräsentativere Rückschlüsse auf die Wirkungsweise des Kopiergeräts.
Die Gleichgewichtswertt, jeder Probe sind in der nachfolgenden Tabelle II angegeben.

Im Anschluß an die Periode zur Einstellung des Gleichgewichts der Teilchengröße wurden
weitere Kopien hergestellt, um die Kopierqualität zu prüfen. Die folgenden Versuche
wurden durchgeführt, um die Kopierqualität und das Verhalten des Toners zu prüfen.
[0020] Hintergrundqualität: Die Qualität des Hintergrunds der Kopien wurde mit einem S-4
Leuchtkraftmeßgerät und Kolorimeter der Diano Corporation gemessen. Dieses Gerät wird
verwendet, um die Reflexionsstärke einer Oberfläche zu messen. Die Ergebnisse geben
die prozentuale Änderung der Reflexionsstärke des Papiers vor und nach der Erstellung
einer Kopie an. Im allgemeinen ist eine Hintergrundmessung, die von einer Änderung
der Reflexionsstärke des Papiers um mehr als 1,5 % herrührt, nicht mehr annehmbar,
und die Kopierqualität ist unzureichend wegen einer hohen Hintergrundbildung.
[0021] Rückführgeschwindigkeit: Das Kopiergerät ist mit einem Filter ausgerüstet, welches
den rückgeführten Toner reinigen soll. Dabei handelt es sich um eine physikalische
Reinigungsvorrichtung, und die Lebenszeit der Vorrichtung ist umgekehrt proportional
zur Rückführgeschwindigkeit. In anderen Worten, je niedriger die Rückführgeschwindigkeit
ist, desto besser ist das Tonerverhalten. Ein rückgeführter Toner ist derjenige, welcher
auf dem Photoleiter abgeschieden aber nicht auf das Kopierblatt übertragen wurde.
[0022] Tonerergiebigkeit: Die Tonerergiebigkeit ist die Anzahl der Kopien, die bei einer
gegebenen optischen Dichte pro Pfund (453,6 g) an verwendetem Toner erstellt werden
können.
[0023] Optische Dichte: Die optische Dichte ist das Maß für die Dichte oder die Ausfüllung
der Bildlinien auf einer Kopie nach dem Fixieren.
[0024] Fixierqualität auf einer Offsetdruckplatte: Papiere zur Herstellung einer Offsetdruckplatte
stellen eine Unterlage dar, auf der es schwierig ist, ein Tonerbild zu fixieren. Der
Fixierqualitätstest für Offsetpapiere dieser Art bestehen darin, daß eine Kopie auf
einem Papier für eine Offsetdruc
k- platte erstellt und dann die Adhäsion des Tonerbildes auf der Unterlage qualitativ
beurteilt wird.
[0025] In der nachfolgenden Tabelle III sind die Meßergebnisse hinsichtlich der optischen
Dichte, der Hintergrundqualität, der rückgeführten Menge, der Tonerergiebigkeit und
der Fixierqualität der Kopien, die unter Verwendung der Toner der zuvor angegebenen
drei Beispiele erstellt wurden, beschrieben.

[0026] Aus der Tabelle ist ersichtlich, daß der Toner des Beispiels III mit Abstand der
beste Toner ist, gefolgt von dem Toner des Beispiels II, und daß der Toner des Beispiels
I der schlechteste ist. Es ist ersichtlich, daß der Toner gemäß Beispiel II, der mit
seiner Zusammensetzung an der Grenze der Bereiche der vorliegenden Erfindung liegt,
eine erhebliche Verbesserung gegenüber dem Toner gemäß Beispiel I darstellt. Tatsächlich
ist die Hintergrundbildung wesentlich geringer, es wird wesentlich weniger Toner rückgeführt,
eine höhere Anzahl von Kopien pro Pfund Toner kann erstellt werden, und mit dem Toner
können brauchbare Offsetdruckplatten erstellt werden, was mit dem Toner gemäß Beispiel
I nicht der Fall ist. Diese Vorteile werden mit dem Toner gemäß Beispiel III noch
in viel stärkerem Maße erhalten.
[0027] Aus den Ergebnissen ist ersichtlich, daß der Toner, der anfänglich einer Entwicklermischung
zugesetzt oder in dieser verwendet wird eine Teilchengrößenverteilung haben sollte,
in der Teilchen größer 16 um in einer Menge unter 15 Gew.%, Teilchen kleiner 5 µm
in einer Menge zwischen 7 und 15 Gew.% vorliegen und der Rest eine Teilchengröße zwischen
5 und 16 µm haben sollte, und in der der Medianwert der Teilchengröße nach der Gewichtsverteilung
zwischen 8 und 12 µm liegen sollte. Vorzugsweise sollten die Teilchen größer 16 µm
in einer Menge unter 2 Gew.%, Teilchen kleiner 5 um in einer Menge zwischen 9 und
15 Gew.% und der Rest in einer Teilchengröße zwischen 5 und 16 um vorliegen, wobei
der Medianwert der Teilchengröße nach der Gewichtsverteilung zwischen 8,5 und 9,5
µm liegen sollte. Diese Größenverteilungen beziehen sich auf die Größenverteilung
in einem frischen, noch nicht gebrauchten Toner. Die Größenverteilung im Gleichgewicht,
nach einer Benutzung des Toners sollte, wie nachfolgend angegeben, aussehen:

Warum eine so erhebliche Verbesserung eintritt, ist nicht vollkommen klar, es wird
jedoch angenommen, daß die folgen Faktoren wesentlich zu dieser Verbesserung beitragen.
[0028] Die Reflexionsstärke ist ein Maß für die Hintergrundqualität, und mit dem bloßen
Auge können Teilchen auf dem Hintergrund wahrgenommen werden. Dadurch, daß die Zahl
der Teilchen größer 16 um herabgesetzt wird, wird die Zahl der Teilchen, die mit dem
bloßen Auge beobachtet werden können, erheblich herabgesetzt, wodurch eine bessere
Qualität des Hintergrunds erzeugt wird.
[0029] Es wird angenommen, daß die rückgeführte Menge wie nachfolgend angegeben herabgesetzt
werden kann. Da weniger große Teilchen vorliegen und die Teilchen in der Mehrzahl
gleichgroß sind, werden die Teilchen in verstärktem Maße etwa gleichgroße elektrostatische
Ladungen aufnehmen. Große Teilchen haben ein niedrigeres Ladungs-zu-Masseverhältnis
und sprechen weniger auf die Kraftfelder bei der Entwicklung und bei der Übertragung
an; daher neigen sie weniger leicht zur Adhäsion und werden deshalb leichter entfernt
und rückgeführt. Weiterhin ist bekannt, daß große Teilchen wegen ihres niedrigen Ladungs-zu-Masseverhältnisses
eine größere Neigung zur Staubbildung auf dem Bildhintergrund aufweisen. Deshalb wird
die rückgeführte Menge um so niedriger sein, je niedriger der Anteil der Teilchen
größer 16 pm ist.
[0030] Bezüglich der größeren Ergiebigkeit des Toners ist auszuführen, daß eine Kopie durch
das Aufbringen einer Schicht Tonerteilchen, welche durch elektrostatische Anziehung
festgehalten werden, "schwarz" gemacht wird. Die Dicke der Schicht spielt für die
Schwärze der Kopie keine Rolle, solange der Bereich der Unterlage, der bedeckt wird,
gleich groß ist. Daher kann eine Schicht mit "dünneren" Teilchen anstelle "dickeren"
Teilchen verwendet werden, und das Gewicht bzw.
[0031] das Volumen des Toners, das zur Bilderzeugung auf der Unter- , lage verwendet wird,
wird pro Teilchenschicht niedriger sein. Durch die Herabsetzung des Anteils der Teilchen
größer 16 um wird das Gewicht der Teilchen pro Schicht herabgesetzt werden, wodurch
eine größere Anzahl von Kopien pro Pfund Toner erhalten wird.
[0032] Mit dem erfindungsgemäßen Toner wird eine wesentlich verbesserte Fixierqualität auf
Papieren bei der Herstellung einer Offsetdruckplatte erhalten. Es wird angenommen,
daß dieses Ergebnis auf die bessere Wärmeübertragungscharakteristik zurückzuführen
ist. Rein theoretisch kann angenommen werden, daß die dünneren Teilchenschichten der
vorliegenden Erfindung einen kürzeren Weg zur Wärmeübertragung aufweisen als die dickeren
Teilchenschichten bisher verwendeter Toner. Dadurch wird die Fixierqualität des Toners
verbessert und eine bessere Adhäsion des Toners auf der Unterlage erhalten. Diese
Eigenschaft ist auch wesentlich bei Verwendung anderer Unterlagen, weil durch sie
eine schnellere Fixierung möglich ist als bei Verwendung dickerer Tonerteilchenschichten.
[0033] Es wurde gefunden, daß innerhalb der engen Grenzen der vorliegenden Erfindung eine
außergewöhnlich gute Kopienqualität erhalten wird, welche wesentlich besser ist als
bei Verwendung bisher bekannter Toner, und außerdem ist eine ausgezeichnete Ausnutzung
des Toners gewährleistet. Wenn jedoch die Grenzwerte angenähert werden, wenn insbesondere
die obere Grenze der Teilchenzahl größer 16 pm erreicht wird, ist die Verbesserung
der Kopienqualität im Vergleich mit konventioneller Teilchengrößenverteilung nicht
mehr so groß. Trotzdem wird innerhalb des großen Bereichs noch ein wesentlich verbesserter
Toner erhalten. Innerhalb der engen Grenzen, und insbesondere, wenn die Teilchenzahl
größer 16 pm unter 2 Gew.% liegt, wird eine außergewöhnlich gute Kopienqualität erhalten.
1. Klassifiziertes elektrostatographisches Tonermaterial, dadurch gekennzeichnet,
daß es Teilchen mit folgender Größenverteilung enthält:
a) weniger als 15 Gew.% Teilchen größer 16 µm;
b) 7 bis 15 Gew.% Teilchen kleiner 5 µm;
c) Rest Teilchen mit einer Größe zwischen 5 und 16 µm und daß es einen Medianwert
der Teilchengröße nach der Gewichtsverteilung zwischen 8 und 12 pm aufweist.
2. Tonermaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es Teilchen mit folgender
Größenverteilung enthält:
a) weniger als 2 Gew.% Teilchen größer 16 µm;
b) 9 bis 15 Gew.% Teilchen kleiner 5 µm;
c) Rest Teilchen mit einer Größe zwischen 5 und 16 µm und daß es einen Medianwert
der Teilchengröße nach der Gewichtsverteilung zwischen 8,5 und 9,5 µm aufweist.
3. Elektrostatographisches Entwicklergemisch, das Toner-und Trägerteilchen mit entgegengesetzten
triboelektrischen Ladungen enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Tonerteilchen
die in Anspruch 1 angegebenen Werte für die Größenverteilung und für den Medianwert
der Teilchengröße nach der Gewichtsverteilung aufweisen.
4. Elektrostatographisches Entwicklergemisch, das Toner-und Trägerteilchen mit entgegengesetzten
triboelektrischen Ladungen enthält, dadurch gekennzeichnet, ' daß die Tonerteilchen
die in Anspruch 2 angegebenen Werte für die Größenverteilung und für den Medianwert
t der Teilchengröße nach der Gewichtsverteilung aufweisen.
5. Elektrostatographisches Entwicklungsverfahren, bei dem ein Entwicklergemisch aus
Toner- und Trägerteilchen auf einen Photoleiter mit einem latenten elektrostatischen
Bild aufgetragen und das entwickelte Bild auf ein Kopierblatt übertragen wird, dadurch
gekennzeichnet, daß man das latente elektrostatische Bild mit einem Entwicklergemisch
gemäß Anspruch 3 in Berührung bringt.
6. Elektrostatographisches Entwicklungsverfahren, bei dem ein Entwicklergemisch aus
Toner- und Trägerteilchen auf einen Photoleiter mit einem latenten elektrostatischen
Bild aufgetragen und das entwickelte Bild auf ein Kopierblatt übertragen wird, dadurch
gekennzeichnet, daß man das latente elektrostatische Bild mit einem Entwicklergemisch
gemäß Anspruch 4 in Berührung bringt.
7. Elektrostatographisches Entwicklungsverfahren nach den Ansprüchen 5 und 6, dadurch
gekennzeichnet, daß ein Entwicklergemisch mit einem Gehalt an Toner, dessen Teilchengröße
in der Mischung im Gleichge7 wicht ist, verwendet wird.