Hochpräzise aufs Papier - Wacker Chemie AG


Hochpräzise aufs Papier

Pyrogene Kieselsäure ist ein zentraler Bestandteil in Tonerpulvern von Laserdruckern und Kopierern. WACKER bietet zusammen mit seinem Vertriebspartner Clariant maßgeschneiderte Lösungen an.

Gute Druckqualität hängt von vielen Faktoren ab, bei Kopiergeräten und Laserdruckern ganz wesentlich vom Toner. Das mikroskopisch feine Pulver bringt Buchstaben und Bilder gestochen scharf auf das Papier. Der zugrundeliegende Prozess ist die sogenannte Elektrophotographie. Das Tonerpulver beziehungsweise die Tonerpartikel werden aufgeladen. Dazu kann ein triboelektrischer Effekt genutzt werden. Dieser reibungselektrische Effekt bezeichnet die Aufladung zweier Materialien durch Kontakt miteinander und das anschließende Trennen der Materialien. Die aufgeladenen Partikel werden in elektrischen Feldern transportiert und auf das Papier gebracht.

Untersuchung der Aufladbarkeit und Fließfähigkeit eines Tonerpulvers im Labor.

Die kontinuierliche Weiterentwicklung der Tonerpulver ermöglicht es, die Druckgeschwindigkeit zu steigern und die Energieeffizienz im Druckprozess zu erhöhen – zudem sorgt sie für ein störungsfreies Druckbild. Dabei muss das Tonerpulver perfekt auf den Prozess angepasst sein, denn nicht nur das Pulver, sondern auch die Kopierer und Drucker werden laufend optimiert. Große Hersteller in den wichtigen Märkten Japan und USA entwickeln nicht nur Toner, sondern auch die darauf abgestimmten Maschinen. Durch den Einsatz von pyrogener Kieselsäure HDK® von WACKER können die Hersteller wesentliche Toner-Eigenschaften wie Fließfähigkeit, triboelektrische Aufladbarkeit und Stabilität – bei Lagerung sowie im Einsatz – gezielt einstellen. Die hochinnovative Toner-Industrie greift dabei auf maßgeschneiderte Produkte und Services von WACKER und Clariant zurück.

Der Erfolg von HDK®, insbesondere in Japan und den USA, ist auch das Ergebnis dieser gewachsenen Partnerschaft zwischen WACKER und dem Schweizer Chemiekonzern, die bis in die 1980er-Jahre zurückreicht. Neben der von WACKER hergestellten HDK® produziert und vermarktet Clariant weitere Toneradditive wie Wachse, Pigmente und Ladungssteuerungsmittel.

Magnetisches Tonerpulver wird auf eine rotierende Walze dosiert, aufgeladen und künstlich gealtert, um eine bestimmte Anzahl von Kopien zu simulieren. Das Messgerät bestimmt die auf den Toner übertragene Ladung.

„Dieses umfangreiche anwendungsspezifische Produktportfolio sowie ein gewachsenes Verständnis für die Anwendung und das Zusammenspiel der einzelnen Tonerbestandteile haben entscheidend zum Erfolg der beiden Unternehmen in der Toner-Industrie beigetragen“, sagt Anna-Maria Biebl, Leiterin des Business Teams HDK® bei WACKER. Regionale Teams von Clariant arbeiten in enger Abstimmung mit der Wacker Chemie AG zusammen. So sei sichergestellt, dass Marktbedürfnisse erkannt und Innovationen zielgerichtet umgesetzt würden.

Produktion im Labormaßstab

„Unsere Kunden erwarten Versorgungssicherheit und Produktinnovation“, erklärt der Chemiker Dr. Ingmar Piglosiewicz, der das anwendungstechnische Labor für Toner bei WACKER in Burghausen leitet. Sein Team entwickelt maßgeschneiderte Kieselsäurespezialitäten in enger Abstimmung mit Clariant und dem Endkunden. Im Fokus stehen dabei immer die Kundenbedürfnisse und die langfristige Umsetzbarkeit. Entscheidend ist nach der Erfahrung von Dr. Piglosiewicz die Möglichkeit, Kieselsäuren im Labormaßstab herzustellen.

Zudem ziehen die WACKER Techniker alle in der Toner-Industrie etablierten analytischen Methoden heran, um die Kieselsäurespezialitäten an den Wünschen der Kunden auszurichten. „Zentrale Eigenschaften wie die triboelektrische Aufladbarkeit, Ladungsverteilung, Hydrophobizität und die mechanische Stabilität von Tonerpulvern müssen durch die Kieselsäureprodukte positiv beeinflusst werden“, unterstreicht Dr. Piglosiewicz. All diese Messgrößen sind bei der Elektrophotographie wichtig, weil die einige Mikrometer großen Tonerpartikel ihren vorbestimmten Weg auf das Papier hochpräzise zurücklegen müssen.

Tonerpulver bestehen im Wesentlichen aus einem Harz, das Pigmente, Wachse und Ladungssteuerungsmittel zusammenhält. Zunächst neutral, lädt es sich im Kontakt mit einem magnetischen Pulver triboelektrisch auf. Das Vermischen der beiden Pulver führt zu Reibung und einer resultierenden Ladungstrennung. Ein ähnliches Aufladungsphänomen lässt sich beobachten, wenn man einen Luftballon an einer rauen Oberfläche reibt.

Funktionsprinzip eines Laserdruckers

Das Verfahren der Elektrophotographie kommt in Kopierern und Druckern zum Einsatz: Mit Kieselsäure beschichtete Tonerpartikel werden durch elektrostatische Kräfte gesteuert und auf das Papier übertragen.
Laserdrucker im Einsatz: Die hohe Geschwindigkeit und die niedrigen Kosten eines Ausdrucks gehören zu den Vorteilen dieser Technologie.

Die aufgeladenen Tonerpartikel werden zunächst im elektrischen Feld auf eine mit einem Fotohalbleiter beschichtete Trommel übertragen. Durch vorherige Belichtung des Fotohalbleiters entsteht auf der Trommeloberfläche ein latentes Bild, also Bereiche mit unterschiedlicher Ladung. Zur Übertragung auf die Trommel werden die Tonerpartikel mittels einer magnetischen Bürste möglichst nah an den Fotohalbleiter herangeführt. Die Tonerpartikel von Zweikomponententonern befinden sich dabei auf den größeren Partikeln des magnetischen Pulvers, welches an der Bürste anhaftet. Das magnetische Pulver wird nicht übertragen. Der Prozess lässt sich so steuern, dass Tonerpartikel entweder ausschließlich auf die belichteten oder die unbelichteten Bereiche der Trommel transportiert werden. Es bildet sich das sichtbare Pulverbild, das „Powderimage“. Das Tonerpulver wird danach von einer weiteren, noch stärker geladenen Trommel, der Transfertrommel, abgezogen. Zwischen den beiden Walzen wird das Papier geführt, sodass sich das Tonerpulver zielgerichtet auf diesem absetzt. Das auf dem Papier befindliche Pulver wird typischer Weise bei erhöhter Temperatur und Druck fixiert. Dazu kommen wiederum Walzen zum Einsatz. Der fertige Ausdruck ist somit erzeugt.

Positiv und negativ aufgeladen

Auf dem Markt findet man positiv und negativ aufladbare Tonerpulver. Der zugrundeliegende Prozess in der Anwendung ist in beiden Fällen ähnlich. Die Übertragung des Tonerpulvers auf das Papier erfolgt berührungslos durch elektrische Felder. Der Vorgang wird daher als „Non Impact Printing“ bezeichnet.

Auf Tonerpulver wirken im Einsatz mechanische Belastungen. Das betrifft beispielsweise den Mischvorgang des Toners mit dem magnetischen Pulver im Aufladevorgang. Zudem werden Toner bei verschiedenen Temperaturen und Luftfeuchten gehandhabt. Über die Gesamtdauer der Anwendung und bei unterschiedlichen Umgebungsbedingungen behalten die Tonerpulver und -partikel idealerweise ihre klar definierte Form, ihre ausgezeichneten Fließeigenschaften und ihre reibungselektrischen Merkmale.

„Wir haben die Möglichkeit, durch Oberflächenbehandlung mit verschiedensten Silanen und Siloxanen Eigenschaften auf die Anwendung zuzuschneiden.“

Dr. Ingmar Piglosiewicz Leiter Technisches Marketing HDK®

Dabei übernehmen die Toneradditive verschiedene Funktionen. Die Kieselsäure als sogenanntes externes Additiv beeinflusst gleich mehrere Eigenschaften, wie Laborleiter Piglosiewicz erklärt: „Hydrophobe – also wasserabweisende – Kieselsäure reduziert die Feuchteaufnahme der Toner signifikant. Dadurch bleibt das Pulver bei jeder Luftfeuchtigkeit fließfähig und behält seine triboelektrische Aufladbarkeit. Der Druckprozess muss unabhängig von Druckdauer, Temperatur und Luftfeuchte funktionieren.“

Besuch in Burghausen: Takayoshi Miyatani (l.), Sales Director bei Clariant Japan, und Daisuke Harada (r.), Technical Sales Manager bei Clariant Japan, mit Dr. Ingmar Piglosiewicz, Leiter Technisches Marketing HDK® bei WACKER.

Kieselsäuren für die Toneranwendung müssen besonders gut auf die Oberfläche der Tonerpartikel verteilbar sein. Großtechnisch spricht man vom „Additive Blending Step“. In diesem Schritt wird – im Anschluss an die Herstellung des Rohtoners – Kieselsäure eingemischt. Die Kieselsäure muss sich dabei mit wenig Energieaufwand in kleinere Einheiten zerteilen lassen und die Tonerpartikel gleichmäßig umhüllen. Nur so wird später das gewünschte Eigenschaftsprofil erzielt. Damit das funktioniert, arbeiten Piglosiewicz und seine Mitarbeiter an der Dispergierbarkeit der Kieselsäure. Sie ist ein Maß dafür, wie leicht sich das Additiv auf die Trägerpartikel bringen lässt. „Nicht nur die Dispergierbarkeit können wir beeinflussen“, hebt Piglosiewicz hervor. „Wir haben die Möglichkeit, durch Oberflächenbehandlung mit verschiedensten Silanen und Siloxanen Eigenschaften auf die Anwendung zuzuschneiden. Wichtig ist auch die genaue Auswahl der richtigen Partikelgröße und die Einstellung der Partikelgrößenverteilung.“

„Man muss dem Markttrend folgen“, sagt Takayoshi Miyatani. Er ist Sales Director bei Clariant Japan und vermarktet zusammen mit seinem Team die pyrogene Kieselsäure von WACKER sowie weitere Toneradditive. Der japanische Markt fordert immer neue Lösungen, mit denen die Hersteller den Forderungen nach höheren Druckgeschwindigkeiten, gesteigerter Bildauflösung und auch Kostenund Nachhaltigkeitsaspekten begegnen können. Die Produzenten setzen zunehmend auf Toner mit niedrigen Glasübergangspunkten und kleiner, definierter Partikelgröße und -form. Solche Pulver lassen sich mit weniger Energie auf dem Papier fixieren. Der Prozess wird schneller und es lassen sich immer höhere Bildauflösungen erzielen. Wenn sich die Zusammensetzung des Toners verändert, kann es erforderlich werden, auch das Kieselsäureprodukt anzupassen. Darauf muss Piglosiewiczs Team in Burghausen reagieren – in enger Abstimmung mit Clariant und dem Tonerproduzenten.

Gewachsene Vertrauensbasis

„Regelmäßige Besuche vor Ort sind sehr wichtig in der japanischen Firmenkultur“, erklärt Clariant-Manager Takayoshi Miyatani. „Nur über die Kommunikation von Angesicht zu Angesicht lässt sich eine Vertrauensbasis aufbauen, auf der wir gemeinsam auf die Bedürfnisse unserer langjährigen Kunden eingehen und ihre Wünsche berücksichtigen können.“ Das Marktverständnis und die Präsenz von Clariant in den Regionen, zusammen mit der langjährigen Erfahrung von WACKER im Bereich der Kieselsäurespezialitäten, setzt Synergien frei, die von den Endkunden geschätzt werden. Oder wie es Takayoshi Miyatani formuliert: „Unsere jahrzehntelange Zusammenarbeit und das vertrauensvolle Verhältnis zu unserem Partner WACKER hat sich bestens bewährt.“