Модифицирование тонеров для получения электропроводящих покрытий в электрофотографическом цифровом печатном процессе

На правах рукописиМЕНЬШИКОВА ЕЛИЗАВЕТА АЛЕКСАНДРОВНАМОДИФИЦИРОВАНИЕ ТОНЕРОВ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩИХ ПОКРЫТИЙ ВЭЛЕКТРОФОТОГРАФИЧЕСКОМ ЦИФРОВОМПЕЧАТНОМ ПРОЦЕССЕСпециальность 05.02.13 – «Машины, агрегаты и процессы(печатные средства информации)»АВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква - 20152Работавыполненавфедеральномгосударственномбюджетномобразовательном учреждении высшего профессионального образования«Московский государственный университет печати имени Ивана Федорова»(МГУП имени Ивана Федорова) на кафедре «Инновационные технологии вполиграфическом и упаковочном производстве».Научный руководитель:Ванников Анатолий Вениаминовичдоктор химических наук, профессорОфициальные оппоненты:Проскуряков Николай Евгеньевичдоктор технических наук, профессоркафедры «Технология полиграфическогопроизводства и защиты информации»ФГОУ ВПО «Тульский государственныйуниверситет»Гнатюк Сергей Павловичкандидат химических наук, доцентакафедры «Технология полиграфическогопроизводства» Северо–Западногоинститута печати ФГБОУ ВПО «Санкт–Петербургского государственногоуниверситета технологии и дизайна»Ведущая организация:ФГБОУ ВПО «Омский государственныйтехнический университет»Защита состоится «24» сентября 2015 г.

в 13:00 на заседании диссертационногосовета Д 212.147.01 МГУП имени Ивана Федорова по адресу 127550, г. Москва,ул. Прянишникова, д. 2а.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГУП имени ИванаФедорова и на сайте http://mgup.ruАвтореферат разослан «___» _____________ 2015 г.Ученый секретарьдиссертационного совета Д 212.147.01доктор технических наук, профессорКлимова Е.Д.3Общая характеристика работыАктуальность темы диссертационного исследования. Печатнаятехнология в настоящее время становится все более востребованной в областиэлектроникиимикроэлектроники,гдеширокоприменяютсяэлектропроводящиепокрытия.Разработкавысокотехнологичныхиодновременно простых и недорогих методов нанесения электропроводящихпокрытий является актуальной проблемой.

Применение бытовых принтеров впечати микросхем выглядит выгодным и технологичным способом, одно изосновных преимуществ которого состоит в возможности применения гибкойподложки. Также можно сказать, что такой способ изготовленияэлектропроводящих покрытий более экономичный, быстрый и менееэнергозатратный, чем традиционный метод напыления, вакуумная технология,литография.Уже существуют работы по созданию электропроводящих покрытийспособомструйнойпечати.Однакопечатьмикросхемметодомэлектрофотографии еще никто не рассматривал, что подтверждается патентнымпоиском (отсутствуют патенты на изготовление электропроводящих покрытий,отвечающих омическому закону, в частности радиочастотных меток,идентификаторов,атакжерезисторов).Следуетотметить,чтоэлектрофотография является более экономичным способом, нежели струйнаяпечать.

Методами печати можно создавать активные элементы различныхэлектронных устройств (маркеры, идентификаторы, гибкие электропроводящиеконтуры, RFID-метки).В работе рассмотрена возможность создания электропроводящихпленочныхпокрытийнаосновесухихтонеровметодомэлектрофотографической печати. Низкая электрическая проводимостьпокрытий, как предполагается, связана с влиянием диэлектрической оболочкиуглеродных пигментов тонера, которая служит барьером для переносаносителей заряда. Предложены способы уменьшения влияния диэлектрическойоболочки на электрическую проводимость тонерных покрытий.Этого можно добиться тремя способами: изменить состав тонера,использовать механическую обработку или дополнительную обработку.В качестве подложки будем использовать полимерную пленку.Необходимая проводимость будет лежать в пределах проводимости углерода(черной краски).Цель работы – модификация электрофотографических тонеров,позволяющих получать электропроводящие покрытия.Решенная научная задача заключается в существенном увеличенииэлектрической проводимости напечатанных тонером покрытий за счет введенияразличных электропроводящих добавок в состав тонера, а также с помощьюобработки смесей и последующей обработки напечатанных тонерных покрытий.4Научная новизна данной работы заключается в теоретическомобосновании увеличения электрической проводимости тонера за счетвзаимодействия электропроводящих добавок с диэлектрической полимернойоболочкой и за счет влияния дальнейшей обработки на готовые тонерныепокрытия.Установленаомическаязависимостьвзаимодействияэлектропроводящих добавок с тонером и влияния дальнейшей обработкитонера на повышение электрической проводимости слоя.Практическая значимость работы:– установлены типы добавок, их оптимальная концентрация дляувеличения электрической проводимости покрытия;– определены способы обработки тонерных покрытий для увеличения ихэлектрической проводимости;– экспериментально установлены режимы обработки тонерных покрытий,обеспечивающие повышение электрической проводимости;– показана возможность использования изготовленной тонерной смеси вэлектрофотографическом цифровом печатном процессе.Степень достоверности результатов исследования.Достоверность и обоснованность научных результатов и выводовисследования обеспечивается обоснованностью методологических подходов ипринципов, использованием высокопрецизионного научного оборудования,применением статистических методов обработки экспериментальныхрезультатов.Обоснованностьнаучныхположений,полученныхавтором,рекомендаций и выводов обеспечивается также достаточным количествомиспользованных библиографических источников.Объектами исследования являются готовые тонеры с их изначальнымсоставом и подложки, на которые наносились тонерные покрытия.

Основныехарактеристики объектов исследования представлены в таблицах 1, 2, 3.В качестве метода исследования был использован методчетырехзондового измерения электрической проводимости.Апробация работы происходила в виде докладов и обсуждений назаседании кафедры ИТПиУП МГУП им. Ивана Федорова, а также на научнойконференции аспирантов и молодых ученых МГУП имени Ивана Федорова(2014 год). По теме диссертационной работы опубликовано 4 научные статьи.На защиту выносятся следующие положения:– основные этапы технологии приготовления тонерной смеси сразличными добавками, дающими увеличенную электрическую проводимостьтонерного покрытия за счет их взаимодействия с диэлектрической полимернойоболочкой частиц;– определение величины электрической проводимости покрытий изтонерных смесей для оценки их пригодности в качестве электропроводящихпокрытий;5– определение возможности использования изготовленной тонернойсмеси для печати на коммерчески доступном электрофотографическомоборудовании.Структура и объем диссертации.

Диссертационная работа состоит извведения, трех глав, выводов и библиографического списка использованныхисточников. Общий объем работы составляет 131 страницу, включая 38рисунков, 14 таблиц и 5 уравнений.Личный вклад соискателя. Основные результаты и положения,выносимые на защиту, получены лично автором.Содержание работыВо введении отражена актуальность исследования, проведенного врамках диссертационной работы, определена новизна и практическаязначимость работы, сформулированы ее цели и задачи, а также определеныположения, выносимые на защиту.В первой главе приводится анализ работ, посвященных печатнойтехнологии электрофотографии, а также нанотехнолгии. Кроме того, показанаактуальность использования углеродных нанотрубок в технологииэлектрофотографии.

На основании известных уже работ выделены вопросы,исследование которых в рамках данной работы представляет наибольшийинтерес.Во второй главе рассматриваются объекты исследования (таблицы 1, 2,3), а также описывается методика измерение электрической проводимоститонерных покрытий четырехзондовым методом.

Значение электрическойпроводимости рассчитывали на основании результатов измеренийвольтампернойхарактеристики(ВАХ).Схематическоеизображениеэксперимента показано на рис. 1.Таблица 1. ТонерыТонерфирмыXeroxHPСостав тонера- сополимер стирол-акрилата,- закись железа,- пигменты- акриловая смола,- магнетит,- органические пигменты,- полипропиленОборудование, пригодноедля печати данным тонеромXerox Phaser/WC 3045B,Epson AcuLaser M1400/MX14HP LJ 5L/6L/1100, HP LJAX/11006Таблица 2. ПодложкиПодложкиБумагаПолипропилен (ПП)Полипропилен (ПП)Поливинилхлорид (ПВХ)Полиэтилентерефталат(ПЭТФ)СтеклоТолщина, мкм Температура плавления, ºC160–40160–170200140150–220402601500>300Таблица 3.

Основные характеристики используемых полимерныхподложек.НаименованиепоказателяПлотность, г/см3Температураплавления, ºCТемпературастеклования, ºCТемператураразмягчения, ºCУдельнаятеплоемкость,Дж/(кг·К)Теплопроводность,Вт/(м·К)ПолипропиленПоливинилхлорид Полиэтилентерефталат0,90-0,93160-1701,35-1,43150-2201,37-1,455260-20 до -1075-807014075-7724519201050-214010000,150,1590,15-0,247Рис.1. Схема линейного расположения 4-х электродов для измеренияэлектрической проводимости (удельного сопротивления) нанесенногопокрытия толщиной a на подложке.При измерении ВАХ на внешние электроды подавали ток I от источникатока Keithley 2400, а падение напряжения между внутренними электродамирегистрировали с помощью измерителя Keithley 236.