Anatomía de una partícula de toner

Aclaración previa: El siguiente artículo no posee ni pretende tener rigor científico, no obstante, se basa en información cuidadosamente recopilada y estudiada a partir de patentes, publicaciones y datos de los fabricantes. Se intenta transmitir información que clarifique temas muchas veces abordados de manera incompleta o errónea. El destinatario final de este artículo es el técnico de fotocopiadoras (de campo o de taller), quien considero, debe poseer información del estado de la tecnología que complementen y enriquezcan sus conocimientos además de conocimientos y herramientas de resolución de problemas.
 

A lo largo de todos los años en los que he trabajado como técnico de fotocopiadoras he oído frases tales como: “la fórmula del toner, es secreta”. Debe decirse que esto no es completamente cierto, es decir, es verdad que hay detalles tanto de la composición como del proceso de producción que son confidenciales y
que lógicamente sólo los conocen los fabricantes, pero también es cierto que hay aspectos generales de la composición del toner que son dados a conocer y que tienen que ver justamente con tipos de componentes y su rol dentro el proceso de copiado. A continuación se presenta un análisis en un lenguaje sencillo de las características constitutivas del toner, su función dentro el ciclo de copiado y los aspectos generales del proceso de fabricación.

A más de 70 años de la invención de la fotocopiadora, los avances tecnológicos ocurridos han permitido conseguir toners con dimensiones cada vez menores, mejor fluencia y condiciones de almacenamiento, y por supuesto una mejora sustancial en la fusión y revelado de imagen. Estos cambios han dado lugar a copias más nítidas y limpias, permitieron el uso de cilindros fotoconductores menos costos y más seguros y condujeron a posibilitar el diseño de máquinas más veloces y limpias.

Desde el punto de vista del usuario, estos cambios le han conferido mayor confiabilidad a las máquinas y por lo tanto menores tiempos de salida de servicio, lo cual tiene un impacto directo en la reducción de costos de mantenimiento. También le han permitido lograr copias de mayor calidad con resolución de textos y líneas finas como así también tonalidades (en grises y colores) más diferenciables. Por otra parte, la reducción en la temperatura de fusión de los toners modernos reducen el consumo de energía de las máquinas a la vez que permiten reducir los tiempos de precalentamiento.

Para entrar en tema hagámonos la siguiente pregunta: ¿Cuál es la interacción del toner con los diferentes componentes del proceso de copiado?

Dentro del cartucho, o botella, que oficia de reservorio para asegurar una determinada autonomía, se espera que el toner tenga la capacidad de fluir y ser suministrado según vaya siendo requerido. Es importante remarcar que los alojamientos de los cartuchos deben proveer la suficiente hermeticidad para evitar humedecimiento y apelmazamiento del toner y con ello garantizar la adecuada fluencia.

Desde el instante mismo en el cual el toner se extrae del cartucho/botella, entra en contacto con diferentes partes de la fotocopiadora para cumplir con determinados propósitos. Un vez que sale del cartucho, según la máquina de la que se trate, puede ingresar directamente a la unidad de revelado o bien a una tolva que se desempeñe como depósito intermedio en la cual se mantiene a un cierto nivel. Independientemente del sistema del que se trate, la unidad de revelado recibe una determinada dosificación de toner según vaya siendo necesario.

Una vez que se encuentra dentro de la unidad de revelado, el toner se carga electrostáticamente por agitación y roce con las partículas de carrier del revelador (carga triboeléctrica). Esta carga le permitirá ser transportado dentro de la unidad de revelado adherida a partículas de carrier (cada una con carga apuesta) y además le permitirá la transferencia en primer lugar hacia el cilindro y en segundo lugar desde el cilindro hacia el papel, siempre dentro de un campo eléctrico que lo guía y conduce adecuadamente de un punto a otro.

Una vez depositado en el papel, debe fundirse y adherirse definitivamente al mismo por efecto del calor y presión dentro del fusor (proceso de sinterización).

No debe olvidarse que además de la función que se acaba de describir, el toner es utilizado por el mismo control de proceso, a través de los sensores ID y TD, para determinar la dosificación de toner requerida copia a copia y para controlar la calidad de la imagen a través de la variaciones de parámetros tales como corriente de carga, potencial de revelado, etc.

 

Continuando, surge una segunda pregunta: ¿Cuáles son las características o propiedades que debe tener el toner para cumplir la función que se acaba de describir dentro del proceso de copiado?

En primer lugar, si bien pueda parecer una obviedad, el toner debe tener la coloración adecuada. Esto no sólo aplica a toners de color cian, magenta o amarillo como los usados en fotocopiadoras e impresoras a color, sino también a toner de color negro. Es muy importante que el toner, del color que se trate, posea la tonalidad e intensidad cromática adecuada. PROPIEDAD #1: “Coloración adecuada”.

En segundo lugar se sabe que el toner debe poder adquirir y conservar una determinada carga electrostática por agitación con partículas de carrier contenidas en el revelador. Esto lleva a una segunda conclusión: el toner debe poder tener capacidad de adquirir y conservar carga eléctrica y además debe hacerlo con la polaridad adecuada (positiva o negativa). Esta propiedad debe buscarse dentro de la serie triboeléctrica en materiales dielétricos. Es importante que cada partícula de toner adquiera una carga bien determinada y no cualquier otra. Esto tiene un considerable impacto no sólo en la calidad de copia sino en algunos de los mecanismos de detección y aporte de toner que se mencionaron anteriormente. Esta carga debe tener la propiedad de conservarse aun luego de que la partícula se transfiera al cilindro y de allí al papel. PROPIEDAD #2: “Capacidad adecuada de carga”.

En tercer lugar, es importante remarcar que en principio, el toner no debe tener propiedades magnéticas. Existen toners con atributos magnéticos si bien esto se remite a casos muy puntuales (algunas impresoras monocomponentes) que escapan al alcance de este artículo.  PROPIEDAD #3: “Composición no ferrosa”.

El último proceso con el que interactúa el toner es el proceso de fusión y adherencia al papel. Allí es deseable que el toner no sólo presente características fundentes a determinada temperatura sino que además ofrezca la mayor anti-adherencia posible al rodillo que lo funde y una marcada adherencia al papel. Por otra parte, dada la velocidad de copiado, se requiere que el toner alcance la temperatura de fusión requerida en tiempos relativamente breves (acorde a la velocidad con que pasa el papel por el fusor). PROPIEDAD #4: “Fusibilidad y adherencia adecuada en tiempos cortos”.

Existe una serie de propiedades adicionales, no menos importantes, como por ejemplo el tamaño de partícula, molturabilidad, higroscopicidad, etc que deben ser cuidadosamente tratadas durante el proceso de fabricación.

 

Se verá a continuación la manera en la que cada uno de los componentes del toner hacen su aporte a las propiedades mencionadas. Se puede decir que el toner es un polvo pigmentado seco de composición compleja de aproximadamente 5 a 10 micrómetros de diámetro. El mismo está compuesto por los siguientes componentes básicos:

-       Resinas poliméricas (70 al 95%): Estas poseen dos funciones: la primera es el aporte que las resinas hacen a la capacidad de carga del toner (Propiedad #2) y la segunda tiene que ver con la fusión del toner (Propiedad #4). La capacidad de carga es un aspecto extremadamente importante dentro del proceso de formación de la imagen. Esta se ve fuertemente influenciada por el tipo de polímero empleado y el tamaño y forma de la partícula. Por otra parte, las resinas poliméricas le dan la fragilidad adecuada requerida por el proceso de fabricación de las partículas y un punto de fusión adecuado (del orden de los 180°C). Son también estas resinas las que le deben conferir los breves tiempos de fusión requeridos en compatibilidad con la velocidad de copiado. El hecho de tratarse de polímeros le otorga el carácter dieléctrico requerido.

-       Pigmentos colorantes (15 al 20%): en toners color negro el colorante se basa principalmente en negro de humo y oxidos de hierro, mientras que en otros colores (cian, magenta y amarillo) se basa en colorantes tanto orgánicos como inorgánicos de composición algo más compleja. En cualquier caso, el propósito es aportar el tono de color adecuado (Propiedad #1). Los últimos adelantos en materia de pigmentos son tendientes a incrementar el tinte o potencia colorante de manera tal de reducir el consumo de toner, es decir, se busca lograr la misma cobertura a través de pigmentos de mayor tonalidad o intensidad empleando una fracción menor de toner.

-       Agentes de control de carga o CCA Charge Control Agents (0,2 a 5%): como su nombre lo indica estos componentes le proporcionan una adecuada cargabilidad al toner de manera de regular la carga , a través de un ajuste fino, que puede adquirir cada partícula. (Propiedad #2).

-       Cera (0 a 3%): se trata de un antiadherente que evita que el toner quede adherido a la superficie de los rodillos del fusor al someterlo a alta temperatura (Propiedad #4).

-       Aditivos de control de fluencia (0 a 3%): este aditivo evita el apelmazamiento del toner ya que posee una baja densidad aparente y alta superficie específica.

 

Es importante comprender que cada tipo de toner es formulado para alcanzar características propias de cada modelo de máquina tales como: velocidad de copiado, método de revelado de imagen, mecanismos de transferencia y técnicas de fusión. Es por ello que más allá del tamaño y forma  propia del cartucho de toner, el compuesto empleado para cada modelo es único a menos que el fabricante indique compatibilidad.

Es por ello también que cada modelo está especificado para emplear un tipo determinado de revelador. No debe perderse de vista que el revelador opera en conjunto con el toner dentro de la unidad de revelado adquiriendo igual carga que este pero de signo contrario. Ello hace que, tan importante como el tipo de toner a emplear, sea el revelador compatible con el mismo.

Vale recordar que el revelador posee 3 funciones básicas en el proceso de copiado. La primera es la que se acaba de mencionar, esto es, trabajar en conjunto con las partículas de toner de manera de propiciar el mecanismo carga de cada partícula. La segunda es como medio de transporte o fluencia dentro de la unidad de revelado para transportar el toner desde la desembocadura del cartucho hasta enfrentarlo con el cilindro. Esto se ve favorecido por la atracción dada por la carga opuesta que adquieren las partículas de carrier y de toner. La tercer función es la de aportar información para la detección de la cantidad de toner que debe suministrarse en cada ciclo de copiado y los ajustes de parámetros del control de proceso de copia.

Procesos de fabricación del toner

Los procesos de fabricación están bien diferenciados según el tipo de toner que se quiera producir. Existen dos tipos de toners en la actualidad. Los pulverizados y los poliméricos (o toner químico) de más reciente introducción.

El proceso de producción de toner pulverizado lleva este nombre debido a que el toner luego de conformar una masa fundida en la cual se han aportado las resinas, los pigmentos, los agentes de control de carga, ceras, etc. se extruda y muele en pequeñas partículas al ser enfriado. En esta etapa se alcanzan una granulometría de unos 3 a 5mm de diámetro. Este material granulado, es triturado por segunda vez a través de un chorro de aire de alta velocidad. A continuación pasa por una unidad clasificadora que asegura un control del tamaño de partícula entre los 8 y los 12 micrones.

Es característica la forma irregular de la partícula propia del proceso de molienda mecánica.

 

El toner polimerizado, desarrollado más recientemente, conlleva un proceso químico de producción a través de uno de los dos métodos: 1) por polimerización en emulsión, o bien, 2) por polimerización en suspensión sin necesidad de incorporar ningún mecanismo de molido mecánico. Los detalles de estos métodos están fuera del alcance de este artículo.

El proceso químico permite obtener partículas de menor tamaño (5 a 6 micrones) y de geometría más regular (aproximadamente esférica) y de dimensiones con baja dispersión, es decir, se consiguen partículas con tamaño y forma más uniformes que con el proceso de pulverización, con lo cual, se consigue principalmente una mejora notoria en la resolución de la copia.

 

Toner PxP de Ricoh

A finales del año 2007, Ricoh lanza en Japón la línea Aficio MP C7500/C6000 que emplea un nuevo toner color denominado PxP (que significa "Polyester x Polymerization").

Se trata de un toner del tipo polimerizado que se fabrica en base a una recientemente desarrollada resina de poliéster, que se funde a una temperatura de unos 20 ºC menos que sus predecesores al mismo tiempo que logra una imagen de mayor calidad con partículas uniformes y de precisión.

Hoy en día, Ricoh utiliza una segunda generación de toner PxP tanto en fotocopiadoras blanco y negro como color que bajan aun más la temperatura de fusión y con un tamaño de partícula de un 10% menos que el primer toner PxP producido.