Im Inneren des Toners des Laserdruckers: Wachs, statische Aufladung, viel Plastik

Lee Simmons

Toner ist eines dieser alltäglichen Produkte, die wir alle für selbstverständlich halten. Wenn der Drucker fast leer ist, legen Sie eine neue Patrone ein – außer Sichtweite, außer Sinn. Nun, wir haben uns gefragt, was eigentlich in dieser Patrone ist … also haben wir eine aufgebrochen. Schlechte Idee! (Mehr dazu später.) Aber wir sind alle hin und wieder mit Antworten aufgeräumt.

Es stellte sich heraus, dass Toner größtenteils aus Kunststoffpulver besteht – und das ist der Schlüssel zur gesamten Technologie. Kunststoff hat zwei praktische Eigenschaften: Man kann ihn mit statischer Elektrizität wie von Zauberhand bewegen und dann auf dem Papier schmelzen, um gestochen scharfe, wischfeste Bilder zu erhalten. Diese Technik des Druckens mit Pulver anstelle von Tinte wird Xerographie genannt (xeros ist griechisch für „trocken“) und funktioniert beim Drucken oder Kopieren gleich. Tatsächlich erfand Gary Starkweather 1969 den Laserdrucker bei Xerox in einer berühmten Schurkentechnik, indem er einen der Bürokopierer des Unternehmens modifizierte. (Er musste im Geheimen arbeiten, nachdem sein Chef ihm befohlen hatte, die Idee fallen zu lassen.)

Sehen Sie, ein Fotokopierer hat eine rotierende Trommel, die mit einem Halbleiter wie Selen beschichtet ist; Diese Beschichtung wandelt Licht in Elektrizität um, genau wie in einer Solarzelle. Indem helles Licht von einer gedruckten Kopie (… oder ausgewählten Teilen Ihrer Anatomie) auf die Trommel reflektiert wird, entsteht eine geisterhafte Reflexion des Originals in Form statischer Ladungen, an der der Toner haften bleibt. Starkweather erkannte, dass man mit demselben Gerät digitale Dateien drucken konnte, indem man einen Laser direkt auf der Trommel scannte. Der einzige Unterschied besteht darin, wie das elektrostatische Bild erzeugt wird.

Abgesehen von Kunststoff enthielten die frühen Druckertoner der 1970er-Jahre kaum mehr als Ruß und Rost. Letzteres – Eisenoxid – machte es magnetisch, um den Bildgebungsprozess besser steuern zu können. Beim Farbdruck, der 1994 auf den Markt kam, würde das nicht funktionieren; das dunkle Oxid hätte die Farben braun gefärbt. Doch die Hersteller haben sich weitere Zusätze und Verfeinerungen einfallen lassen, um Geschwindigkeit und Bildqualität zu verbessern. Die tatsächlichen Rezepturen werden speziell für bestimmte Maschinen entwickelt, daher können die Zutatenlisten variieren. Aber hier ist das Grundrezept für die meisten neueren Drucker.

Farbtoner bestehen zu 85 bis 95 Prozent aus Kunststoff und werden zu einem superfeinen Pulver gemahlen. Je kleiner die Körner, desto besser ist die Bildauflösung. Da Kunststoff keinen Strom leitet, können die Partikel eine statische Ladung speichern – und wie Socken in einem Trockner haften sie an allem, was eine entgegengesetzte Ladung hat. Laserdrucker nutzen diese Anhaftung, um den Toner auf die Bildtrommel und von dort auf ein Blatt Papier zu bringen. Die Seite durchläuft dann heiße Fixierwalzen, die den Kunststoff schmelzen und in die Papierfasern einarbeiten. Es können verschiedene Polymere verwendet werden, doch Polyester, aus dem Disco-Anzüge und Limonadenflaschen hergestellt werden, ist heutzutage die erste Wahl. Es ist teurer als das alte Standby-Material Styrolacrylat, sorgt aber für leuchtende Farben, riecht weniger giftig und hat einen niedrigeren Schmelzpunkt, was Energie spart und die Maschine schneller laufen lässt. Gehen Sie vorsichtig mit diesen Patronen um: Verschütteter Toner ist eine Sauerei, und das Einatmen winziger Partikel in der Luft kann Ihrer Lunge schaden. Oh, und waschen Sie Ihre Hosen nicht in heißem Wasser; Dieser niedrige Schmelzpunkt verwandelt Ihre Baumwoll-Dockers in eine Polyestermischung.

Die ersten xerografischen Kopierer in den frühen 60er Jahren nutzten Strahlungswärme, ähnlich wie Toasteröfen, um den Toner auf der Seite zu schmelzen; Leider gerieten die Memos des Chefs manchmal ins Wanken. (Das Flaggschiffmodell von Die Lösung? Zur Schmierung Polypropylenwachs hinzufügen. Es ist ein Polymer wie Polyester, aber an seinen langen Kohlenstoffsträngen hängen weniger chemische Gewirre, sodass die Moleküle leicht aneinander vorbeigleiten können.

Polyester ist klar. Um es schwarz aussehen zu lassen, rühren die Hersteller dieses schmutzige Zeug ein – im Wesentlichen hochreinen Ruß. Ruß entsteht durch Verbrennen von Teer oder Kreosot und wird hauptsächlich zum Härten von Gummiprodukten verwendet. Deshalb sind die Reifen schwarz. Es ist ebenfalls ein Karzinogen der Klasse II, aber sobald der geschmolzene Kunststoff auf Ihren Kopien aushärtet, ist er sicher an Ort und Stelle versiegelt. Chemisch gesehen handelt es sich um ein Durcheinander von Kohlenstoffatomen, über denen Wolken gemeinsamer Elektronen schweben. Da diese Elektronen viel Bewegungsspielraum haben, können sie Lichtenergie in allen sichtbaren Wellenlängen absorbieren. Das Ergebnis: Kein Licht wird auf Ihre Netzhaut zurückreflektiert, eine Abwesenheit, die Ihr Gehirn als „schwarz“ bezeichnet. (Wenn Sie darüber nachdenken, können Sie diese Wörter nicht wirklich sehen. Sie schließen ihre Form aus dem weißen Raum um sie herum.)

Neben Schwarz verfügen Farbdrucker über separate Patronen für Gelb-, Magenta- und Cyan-Toner, und diese vier können übereinandergelegt werden, um jeden anderen Farbton zu erzeugen. Das Gelb stammt von dieser Benzimidazolonverbindung. Wie alle organischen Pigmente verfügt es über abwechselnde Einfach- und Doppelbindungen, die wiederum Elektronen freilassen, um Licht zu absorbieren – aber nicht alles davon. Hier wird kurzwelliges violettes Licht eingefangen, während längerwelliges gelbes Licht durchdringt und von der Seite in Ihre Augäpfel reflektiert wird.

Verbindungen von Chinacridon erzeugen abhängig von ihrer genauen Zusammensetzung und Anordnung eine Reihe intensiver rötlicher Farbtöne. Sie sind extrem langlebig und werden daher gerne in Außenlackierungen verwendet – zum Beispiel bei kirschroten Sportwagen. In Red 122 (2,9-Dimethylchinacridon) sind die flachen Moleküle wie Teller in einer sauberen Kristallstruktur gestapelt; Dadurch verschiebt sich die reflektierte Farbe zum blauen Ende des Spektrums und ergibt Magenta.

Kupferphthalocyanin erzeugt Cyan, einen ziemlich beunruhigenden Farbton in der Mitte zwischen Grün und Blau. OP-Kittel werden in dieser Farbe hergestellt, da sie eine Komplementärfarbe zu Purpur ist (Blutspritzer auf Cyan sehen schwarz aus). Dieses gängige Pigment wird auch als Dünnschichthalbleiter in Solarzellen verwendet. Es könnte eines Tages sogar Quantencomputer antreiben, da seine Elektronen über lange Zeiträume in einem Überlagerungszustand verbleiben können.

Mikroskopisch kleine Glaskügelchen (SiO2) auf der Oberfläche der Tonerpartikel sorgen für einen seidigen, nahezu flüssigen Fluss. Das ist wichtig, um den Toner mit der wahnsinnigen Geschwindigkeit moderner Bürodrucker über die Seite zu verteilen. Dies ist insbesondere bei Polyestertonern erforderlich, die anfälliger für Verklumpungen sind. Unterhaltsames Projekt: Stellen Sie Ihre eigene pyrogene Kieselsäure her, indem Sie Strandsand in einem 3.000 Grad Celsius heißen Lichtbogen verdampfen.

Wenn der Toner die Kartusche verlässt, streift er eine Dosierklinge, wodurch er statisch aufgeladen wird. Wissenschaftler nennen das Triboelektrifizierung, und das ist es, was tatsächlich dazu führt, dass Socken im Trockner haften oder ein Luftballon an der Wand klebt, nachdem man ihn an seinem Pullover gerieben hat. Sie kratzen buchstäblich Elektronen von einem Material auf ein anderes (tribo – bedeutet reiben, dieselbe Wurzel wie in der Schmähschrift). Hier sorgt eine negative Vorspannung dafür, dass der Toner an der Bildtrommel haftet, und hinzugefügte Eisen-, Chrom- oder Zinkstücke tragen dazu bei, die Ladung zu verstärken und zu halten. Profi-Tipp: Wenn Sie jemals Toner verschütten, versuchen Sie nicht, ihn aufzusaugen. Ohne spezielle Ausrüstung kann all diese Aufregung eine heftige, wenn auch farbenfrohe Staubexplosion auslösen.

Lee Simmons(@actual_self) ist Redakteur bei WIRED.

Eine kürzere Version dieser Geschichte von Lee Simmons und Kaitlin Duffey erschien in der Märzausgabe 2013 des WIRED-Magazins. Besonderer Dank geht an John Cooper, Toner Research Services.

Jeremy White

Emily Mullin

Will Knight

WIRED-Mitarbeiter