趣味静电复印成像实验

任树榆

摘 要 本实验模拟复印机成像过程，静电发生器输出高压，电极在纸面移动而产生电晕放电，纸张吸附电荷后形成静电潜像。利用瀑布显影方式，带电墨粉从上方流过纸面，被纸面电荷吸引沉积形成可见图像，红外加热使墨粉融化而定影。

关键词 静电复印；静电潜像；墨粉；成像实验

中图分类号：G642.423 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2018）14-0130-03

Interesting Electrostatic Photocopying Imaging Experiment//REN

Shuyu

Abstract This experiment simulated the imaging process of the co-

pier. The electrostatic generator output high voltage， and the elec-trode moved on the paper to generate corona discharge. After the charge was absorbed by the paper， an electrostatic latent image was formed. Using the waterfall development method， the charged toner flows over the paper from above and is attracted by the paper charge to form a visible image. The infrared heating causes the toner to melt and fuse.

Key words electrostatic photocopying； electrostatic latent image； ink powder； imaging experiment

1 引言

1938年，卡尔森首次发明静电照相，奠定了复印机技术基础[1]。1949年，他与同事创办美国施乐公司，推出著名的“Xerox”系列复印机。如今静电复印机已成为信息社会必备的办公设施，它们分为模拟复印机和数码复印机两种类型，工作原理和成像过程基本类似，包括潜像形成（充电、曝光）、图像形成（显影、转印、定影）、残留图像清理（清洁、消电）等阶段[2]。

充电是使硒鼓表面均匀分布静电荷，通过将6000 V直流高压加到金属丝充电极，电极附近的空气电离，产生紫蓝色辉光电晕放电，电荷（离子）沉积在光导体表面。曝光是在感光鼓形成表面电位随图像明暗变化的静电潜像。显影是用带电的色粉使感光鼓上的静电潜像转变成可见的色粉图像，当色粉被吸附在感光鼓上，静电潜像电位越高的区域，吸附色粉的能力越强，形成不同灰度层次的色粉图像。转印是由于静电力作用，带相反电荷的色粉被吸引到复印纸，硒鼓表面的色粉图像转移到复印纸表面。分离是将紧贴在感光鼓表面的复印纸从感光鼓上剥落或者分离。定影是把复印纸表面的色粉图像进行固着，加热温度的控制决定图像定影质量好坏。清洁就是清除残留在感光鼓表面色粉的过程，消电是消除感光鼓表面残余电荷，进行下一次的复印过程。

商用复印机结构复杂，系统集成化程度高，普通人群无法观察复印机的完整工作过程。以下设计静电成像实验装置，直观展示复印机的科学原理与工作过程，作为各级学校和科技场馆的科教器材，通过调整纸张的大小，开展个性化的静电图像创作，耗材也可以循环使用。手持式静电发生器采用可充电电池，设备体积小和重量轻，操作安全可靠，输出电流微小，没有人身危险。通过静电发生器输出高压，电极在纸面移动而产生电晕放电，纸张吸附电荷后形成静电潜像。利用瀑布显影方式，带电墨粉从上方流过纸面并且形成可见图像，红外加热使墨粉融化而定影。

2 静电发生器与电晕放电

静电发生器用于对电子产品进行检测，通称静电放电枪，包括手持式与分离式两种类型。

1）手持式静电发生器。控制机构、高压发生机构、放电开关集中在放电枪里，枪内自带电池，体积小且移动方便，如图1所示。作为一款精密高压仪器，内部设计有保护措施，气隙放电正确操作顺序为：设定空气放电电压，按住静电枪的扳机将枪头靠近被试品，发生气隙放电后将枪头离开被试品，同时松开扳机。

2）分离式静电发生器。控制机构和高压发生部分放置在主机内，枪内仅有阻容套件和放电开关，实现连续高速放电，最高输出电压达到30 kV，如图2所示。分离式静电发生器能消除外界的干扰，使得数据更为真实可靠[3]。《静电放电模拟器校准规范》明确规定：“在校准过程中，静电放电模拟器安装在三脚架或者等效的非金属的低损耗支持物上。”[4]

静电发生器的主体结构是高压装置，电路板封装在手持式塑料外壳内部，通过可充电电池，输出6000～7000 V直流高压，对金属电晕丝形成电晕放电。由于高电压使空气电离，电离范围限制电晕丝周围空间，出现稳定的电晕放电。电晕丝的材料包括难以氧化的钨丝或者不锈钢丝，直径为0.05～0.1毫米。电晕丝的直径越小，所需电晕电压也小，但是容易折断。电晕丝直径过粗，需要电压也高，对电路性能要求也高。为了增强电晕丝的电离效果，在静电枪口处设立防护罩。防护罩由金属材料制作，罩壳内部涂有带电阻的膜层。

在纸面创作文字或线条图案时，选择直径0.5 cm的防护罩，将输出电荷集中在较小的范围内。创作大型图案时，选择直径1～3 cm的防护罩，增加电荷吸附在纸张的面积。由于电晕丝的输出电荷集中在罩壳开口面，将开口面对纸张表面，带电粒子被纸张有效地吸附。将防护罩的长度设定为1～2 cm，可以保证电晕丝产生的电荷在空气中运动较短距离后，能够有效到达纸张表面；如果运动距离太长，电荷与空气分子发生激烈碰撞，难以保证足够数量的电荷到达纸张表面。罩壳的长度增加，需要较高的电晕电压，要求电路板输出更高的电压，对静电发生器显然是不利的。静电发生器操作时，空气湿度越大则越容易电離，空气也容易被击穿，需要降低电晕电压，保证电晕电流的大小恒定。

3 静电复印成像实验

墨粉也称色调剂，是静电成像的重要物质，与载体组成显影剂，定影在纸面形成图像。墨粉的分类方法很多，按照带电极性分为正电粉和负电粉，按照磁性分为有磁粉和非磁粉，按照组分分为单组分墨粉和双组分墨粉。针对不同复印机使用的感光体材料，载体和墨粉的性能存在差异。双组分墨粉的主要成分包括树脂、染料、电荷调节剂、辅助添加剂、载体等，其中树脂所占比例为80%，热熔性树脂通过加热或加压而固定在纸面上。染料比例约为10%，黑色墨粉采用炭黑为着色材料，彩色墨粉添加各种颜料。载体以铁磁粉、玻璃珠等原料制成，尤其铁磁粉最为常用。双组分墨粉里面的载体能够使墨粉带电，控制性好，广泛用于高清画质复印机。早期复印机使用的载体历史显示，1938年使用铁粉载体，1959年开始使用玻璃珠载体，1972年使用球状铁粉载体，1976年使用树脂覆膜铁粉，1983年出现树脂覆膜铁氧体，近年来各项新型载体不断出现。

当前干式双组分负电性墨粉的使用比较普遍，本装置以负电性墨粉为例，详细说明载体的配置以及静电成像过程。针对正电性墨粉，也将进行简要说明。把载体和负电性墨粉按照一定比例倒入干燥洁净的密封塑料容器内，密封容器后上下摇晃，使墨粉和载体相互摩擦而带有不同电荷，显影剂中的墨粉比例控制在3%～10%范围。显影剂要求墨粉颗粒带有负电荷，载体带有正电荷。常见载体包括玻璃珠、铁粉、钢珠、橡胶珠酚醛树脂等。这些载体研磨成直径0.2～0.8 mm的球体颗粒，与适量墨粉混合，成为所需的显影剂。如果使用正电性墨粉，则载体颗粒材料包括甲基丙烯酸甲酯、苯二甲酸二烯丙酯颗粒，它们与墨粉摩擦后，载体表面带有负电荷。

用静电发生器创作文字或图像时，金属电晕丝输出正电荷，把防护罩贴近纸面上方位置，移动电晕丝书写文字或者描绘图案，纸张表面吸附和积累正電荷，形成肉眼看不见的静电潜像，然后用负电性墨粉进行显影。如果静电发生器输出的电荷极性与墨粉的极性相同，由于同性电荷相互排斥，墨粉不会被吸附到纸面上，无法形成文字或图案。复印机的显影系统分为瀑布式显影、磁刷式显影、液体显影等。瀑布式显影是最早采用的方法，使用双组分显影剂，显影剂的流动速度和流量对复印质量影响较大。它的工作原理是将显影剂倒出，流过光导体表面，使得静电潜像表面的正电荷吸附带有负电荷的墨粉，显影复印图像。

实验设计的显影装置基本结构如图3所示，图中：上挡板1，摩擦带电墨粉2，复印纸张3，绝缘面板4，加热器5，面板支架6，接地导线7，下挡板8，PVC隔离板9，塑料容器10，载体11，墨粉12。上挡板由绝缘塑料或木板等构成，在上挡板中均匀倒入摩擦带电的墨粉，提起上挡板，使得墨粉缓慢均匀地流向底部。纸张平铺在面板表面，面板由绝缘材料（塑料或木板等）构成，具有较好的硬度与平整度，用静电枪电极在纸张表面电晕放电，形成肉眼看不见的静电潜像。墨粉经过纸张表面时，异性电荷相互吸引，墨粉吸附在纸张表面而形成可见的图案。

为了控制墨粉的流动速度，绝缘面板通过绝缘支架，与水平面之间形成一定的倾斜角度θ。面板倾斜角θ设计在40°～70°的范围，墨粉在纸张表面滑动时受到摩擦力作用，考虑墨粉与纸张的摩擦系数u、空气阻力对于墨粉下滑的阻碍作用，倾斜角θ不能太小，否则墨粉无法从纸张表面滑落到底部。倾斜角θ也不能太大，如墨粉垂直下落，运动速度过大，难以有效被纸张表面的异性电荷吸附而形成图案。墨粉颗粒很小，直径为5～15 μm。在面板上方，设计透明的PVC隔离板，使面板与外界环境隔离，避免墨粉飞散到周围空间。操作者可以佩戴口罩，防止吸入墨粉颗粒。隔离面板还可以是其他透明的绝缘材料，如有机玻璃、PC板等。

通过以上装置进行瀑布式显影，墨粉在纸面形成的图案不牢固，仅靠静电作用而吸附在纸面。开启位于底板的加热装置，纸面温度升高到150～200 ℃，此时墨粉颗粒融化，渗透到纸面内部，形成清晰稳定的静电图案。本方案设计的加热装置包括多种形式，具体加热功率需要根据面板大小和纸张规格确定，保证纸面升温迅速，面板受热均匀，例如：用红外线灯直接加热；用镍络丝或者钨丝缠绕在细长的石英管内进行电热丝加热；用闪氙灯加热；用摄影用闪光光源进行辐射加热，光照时间很短，白色纸张部位不吸收发出的光，黑色部分吸收长波部分的光。

对于流失到面板底部的墨粉，利用下挡板收集后重新利用，加入墨粉盒中。下挡板采用绝缘塑料制作，强度高，耐磨性好。当创作大幅图案时，尤其几个静电枪同时在纸张表面输出电荷，如喷射正电荷集聚在纸面，会吸附周围空间存在的负电荷，导致墨粉无法吸附到纸面。在纸面下方位置贴上具有导电功能的金属箔条，如铝条和锡纸等，通过接地处理，纸面积累的多余正电荷经过导线流入地面。

参考文献

[1]周丽娟.光导体在静电复印机中的应用效果分析[J].科技创新与应用，2016（2）：189-191.

[2]陈报春.实用静电复印机维修技术[M].北京：国防工业出版社，2004：34-26.

[3]全国电磁兼容标准化技术委员会.GB/T 17626.2-2006

[S].北京：中国标准出版社，2007.

[4]施滨，蔡青.非接触式支架与手持方式校验静电放电发生器之差异[J].上海计量测试，2010（4）：15-17，22.