淺談熱敏紙技術(shù)及發(fā)展方向

李月娟 山東華菱電子有限公司基礎(chǔ)技術(shù)研究所,山東威海 264209

淺談熱敏紙技術(shù)及發(fā)展方向

李月娟 山東華菱電子有限公司基礎(chǔ)技術(shù)研究所,山東威海 264209

本文從應(yīng)用的角度出發(fā),介紹了熱敏紙的構(gòu)成和作用,解釋了特性參數(shù)的含義,以及技術(shù)發(fā)展導(dǎo)向。

熱敏紙；熱敏涂層；動態(tài)發(fā)色特性；靜態(tài)發(fā)色特性；雙面熱敏紙

1.概述

熱敏紙是一種特殊的涂布加工紙，是由普通紙張作為紙基，上面涂布一層熱敏層，熱敏層中包含無色染料、顯色劑等物質(zhì)，在常溫下，這些物質(zhì)之間的化學(xué)反應(yīng)處于“潛伏”狀態(tài)，當(dāng)熱敏層被熱打印頭加熱時，顯色劑與無色染料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而變色，形成圖文。下圖是熱敏打印機構(gòu)的示意圖，在打印時，熱敏紙壓在熱打印頭和膠輥之間，熱敏紙有熱敏層的一面與打印頭接觸，膠輥帶動熱敏紙前進(jìn)，同時熱打印頭加熱熱敏紙產(chǎn)生圖像。

圖1 熱敏打印機構(gòu)示意圖

2.熱敏紙的構(gòu)成

熱敏紙由原紙、底涂層、熱敏涂層、頂涂層（保護(hù)層）等構(gòu)成，如下圖1所示。下面對各組成部分進(jìn)行簡要介紹。

圖2 熱敏紙結(jié)構(gòu)示意圖

2.1.原紙

原紙是各涂層的載體，它可以是植物纖維紙也可以是合成紙，目前多數(shù)熱敏紙采用植物纖維紙作原紙。

2.2.底涂層

底涂層是介于熱敏涂層和原紙之間的一層物質(zhì)，主要成分是填料和膠黏劑，作用是改善原紙表面的平滑度、提高熱敏涂層的均勻性。

2.3.熱敏涂層

熱敏涂層是熱敏紙的發(fā)色物質(zhì)，是決定熱敏紙?zhí)匦缘闹匾镔|(zhì)，熱敏涂層成份包括無色染料、顯色劑、增感劑、潤滑劑、填料、膠粘劑等，下面分別介紹。

2.3.1.無色染料

無色染料是熱敏紙的發(fā)色物質(zhì)，與顯色劑反應(yīng)后顏色就發(fā)生改變。熒烷系是常用的無色染料，如3-二丁基氨基-6-甲基-7-苯胺基熒烷。

2.3.2.顯色劑

顯色劑是與無色染料進(jìn)行發(fā)色反應(yīng)的物質(zhì)。常用的顯色劑有各種水性樹脂,如BPA、雙酚硫、POBZ、氨基樹脂（UF或MF樹脂）、酚醛樹脂、丙烯酸類樹脂乳液等。

2.3.3.增感劑

增感劑的作用是提高無色染料和顯色劑的反應(yīng)速度、降低反應(yīng)能量，起催化劑的作用。

2.3.4.潤滑劑

作用是提高表面平滑度，降低摩擦系數(shù)，改善運行適應(yīng)性，保護(hù)打印頭。

2.3.5. 填料

填料對染料能起到分散、稀釋、著色的作用，同時也可填充基紙表面的小坑，改善表面平滑度。常用的填料物質(zhì)有CaCO3、SiO2、白土（Clay）、高嶺土、黏土等物質(zhì)。

2.3.6.膠粘劑

膠黏性作用是提高熱敏涂層各物質(zhì)之間的結(jié)合力。常用的材料如淀粉、PVA（聚乙烯醇）、羧甲基纖維素、丙烯酸樹脂、丁丙膠乳等，

2.3.7.助劑

包括防老化劑、抗紫外線劑、防壓助劑、運行適性助劑等，以提高熱敏紙的性能。

2.4.頂涂層（保護(hù)層）

頂涂層位于熱敏層的上面，用來提高熱敏紙的防油、防水等耐環(huán)境性能。如起聚合、交聯(lián)作用或干燥失水后成膜的膠粘劑、聚合物、樹脂的水溶液或乳液，具體包括聚乙烯醇類、丙烯酸類、聚氨酯類及纖維素醚類等，并含有占總用量3～20%的助劑，助劑包括碳酸鹽如CaCO3、飽和及不飽和有機酸鹽、SiO2、印刷助劑等。

3.熱敏紙的特性參數(shù)

熱敏紙的特性參數(shù)包括：定量、厚度、白度、平滑度、抗張強度（縱向）、撕裂度（橫向）、靜態(tài)發(fā)色特性、動態(tài)發(fā)色特性、耐熱性能、耐濕性能、耐光性能、防水性能、防油性能、防乙醇性能、防摩擦性能等。其含義如下。

3.1.定量

定量俗稱克重，是指單位面積紙張的重量，一般以每平方米多少克來表示，單位g/m2。

厚度與定量有著密切的關(guān)系，厚度大的紙一般定量也比較高。但二者之間也不是簡單的正比關(guān)系，有的厚度小的紙反而比厚度大的紙定量高，這是由于緊度（密度）不同所產(chǎn)生的影響。

3.2.厚度

厚度表示紙張的厚薄程度，單位一般為毫米(mm)。用測微計進(jìn)行測定，該儀器裝有兩個互相平行的圓形受壓面，可以將紙放入兩受壓面間進(jìn)行測量。在一定的面積、一定的壓力下測定紙張厚度大小。

3.3.白度（亮度）

白度是指紙張反射光線的能力，又稱亮度，用百分率表示。目前我國對紙張白度的測定主要是在主波長457nm的藍(lán)光下測定，測試試樣表面漫反射與同一輻照條件下完全漫反射的比，單位%，在造紙業(yè)中常用的白度有ISO亮度、D56亮度和CIE白度等。

3.4.平滑度

平滑度表示紙張的平整程度，體現(xiàn)的是紙張表面的平滑或粗糙度。常用空氣泄漏法（別克法）來測量。即在一定的真空度下、一定的面積和一定的試驗壓力下，測定一定容積的空氣泄入受一定壓力的試樣表面與玻璃面之間的接觸表面所需的時間，單位以秒（s）表示。試樣愈平滑，它與玻璃的接觸就愈緊密，空氣通過就愈慢，需要的時間就長，表明試樣的平滑度愈高。平滑度是影響打印質(zhì)量的重要因素之一。

3.5.抗張強度（抗張力）（縱向）

抗張強度是指紙或紙板所能承受的張力。通常以絕對抗張力表示：即一定寬度的試樣的抗張力（牛頓）；或以裂斷長度表示：即一定寬度的紙條在本身重力作用下將紙拉斷時所需的紙張長度（米）；或與橫向切面的抗張力表示；即以試樣單位橫截面的抗張力（牛頓／米2）表示。

3.6.撕裂度（橫向）

撕裂度是指撕裂預(yù)先切口的試樣至一定長度時所需的力，以毫牛頓（mN)或千克力(kgf)表示。紙的撕裂度就是紙抗衡裂的能力。

3.7.靜態(tài)發(fā)色特性

靜態(tài)發(fā)色特性是熱敏紙的發(fā)色光密度與溫度之間的關(guān)系。通常用靜態(tài)發(fā)色儀來測試。熱敏紙在靜態(tài)發(fā)色儀各恒溫階段中，在每平方厘米的面積上施加 40g的壓力，放置5秒時間時，在此條件下測量各溫度對應(yīng)的發(fā)色光密度。下圖是靜態(tài)發(fā)色特性曲線示意圖。

圖3 靜態(tài)發(fā)色特性曲線示意圖

3.8.動態(tài)發(fā)色特性

動態(tài)發(fā)色特性是熱敏紙在打印過程中，打印能量與發(fā)色光密度之間的關(guān)系。常用動態(tài)發(fā)色儀來測試。在動態(tài)發(fā)色儀中，設(shè)定不同的打印能量對熱敏紙進(jìn)行打印，用光密度儀測量不同打印能量下的發(fā)色光密度。下圖是動態(tài)發(fā)色特性曲線示意圖。

圖4 動態(tài)發(fā)色特性曲線示意圖

3.9.耐熱性能

在較高環(huán)境溫度下，經(jīng)時間后（溫度60℃，經(jīng)24小時），熱敏紙上空白處與飽和發(fā)色處濃度的變化。

3.10.耐濕性能

在較高環(huán)境濕度下，經(jīng)一定時間后（溫度40℃、濕度90%、經(jīng)24小時），熱敏紙上空白處與飽和發(fā)色處濃度的變化。

3.11.耐光性能

在一定光照強度下，經(jīng)一定時間后（熒光燈5,000Lux光照強度，經(jīng)100小時），熱敏紙上空白處與飽和發(fā)色處濃度的變化。

3.12.防水、防油、防乙醇性能

熱敏紙在受到水、油、乙醇等液體污染時的圖像保存率。一般用飽和發(fā)色的熱敏紙式樣經(jīng)水、或油、或乙醇等液體污染3小時后的圖像保存率來表示。圖像保存率按下式計算：

圖像保存率=污染后的光密度值/污染前的光密度值。

3.13.防摩擦性能

是指熱敏紙的抗刮擦能力。一般用飽和發(fā)色的熱敏紙式樣在直徑40mm的圓形磨頭、4.9N的壓力下，摩擦100次后的圖像保存率來表示。圖像保存率按下式計算：

圖像保存率=摩擦后的光密度值/摩擦前的光密度值。

4.熱敏紙參數(shù)舉例

下表是某熱敏紙的特性參數(shù)：

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5.熱敏紙的保存和防水防油等性能分析

保存性較差是熱敏紙的致命弱點，限制了熱敏紙在許多領(lǐng)域的應(yīng)用。保存性差的主要原因是因為熱敏紙的顯色反應(yīng)是可逆的，并且有色物質(zhì)會不同程度地自行分解，字跡顏色會慢慢褪色越來越淺淡，直至字跡完全消失。在高溫、光照、潮濕等外界條件的作用下，分解更快。褪色的快慢還與熱敏紙的本身熱敏材料有關(guān)。

提高熱敏紙保存性是熱敏紙行業(yè)面臨的重大技術(shù)課題，許多廠家都在致力于這方面的研究。目前市場上質(zhì)量較好的熱敏紙圖像保存期可達(dá)到5年，有的甚至達(dá)到15年或30年，而一些劣質(zhì)熱敏紙的保存期只有幾個月。提高熱敏紙的保存性一方面可從改善染料和顯色劑的化學(xué)性質(zhì)入手，使其發(fā)色后具有更高的穩(wěn)定性；另一方面可改善熱敏紙結(jié)構(gòu)，以便解決打印能量和保存性之間的矛盾。一般來說，發(fā)色反應(yīng)需要的打印能量或發(fā)色溫度越高，其生成物的化學(xué)性質(zhì)越穩(wěn)定，保存性越好。但過高的打印能量會嚴(yán)重縮短打印頭的壽命。因此有些廠家就從改善熱敏紙結(jié)構(gòu)入手解決這一問題。如在熱敏涂層和紙基之間增加一層保溫層，以減少打印過程中的熱量散失，提高熱量的利用率，從而減少了打印能量。

熱敏紙的防水、防油、防摩擦性能較差也是熱敏紙的弱點。提高這類性能的直接辦法就是在熱敏紙的表面增加一層保護(hù)膜。保護(hù)膜具有防水防油防摩擦等性能，從而提高了熱敏紙的耐環(huán)境性能。

隨著技術(shù)的發(fā)展，熱敏紙的耐環(huán)境性、保存性不斷提高，熱敏紙的應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷拓展。

6.熱敏紙與熱打印頭的配合

熱敏紙和打印頭是熱敏打印方式中的兩個關(guān)鍵因素。熱敏紙的特性對打印質(zhì)量、打印頭壽命等有很大影響。

6.1.熱敏紙與打印質(zhì)量相關(guān)的特性

6.1.1.發(fā)色特性

發(fā)色特性描述的是熱敏紙在溫度發(fā)生變化時發(fā)色光密度的變化，可分為靜態(tài)發(fā)色特性和動態(tài)發(fā)色特性。靜態(tài)發(fā)色特性反應(yīng)熱敏紙在整體加熱溫度改變時發(fā)色濃度的變化規(guī)律；動態(tài)發(fā)色特性模擬熱敏紙在打印頭瞬間點加熱條件下的發(fā)色濃度的變化規(guī)律。我們以更接近實際打印情況的動態(tài)發(fā)色特性曲線為例，說明曲線形狀與打印質(zhì)量的關(guān)系。

根據(jù)打印內(nèi)容不同，熱敏紙打印的圖像一般可分為二值圖像和灰度圖像。二值圖像中像素點的灰度只有兩個值，即空白和飽和發(fā)色光密度，二值打印適合文字、圖表等的打??；灰度圖像中的像素點的灰度值大于兩個，如256級灰度，表示在空白和飽和濃度之間，有256個不同的灰度值，能夠真實反映圖像的層次感，灰度打印適合照片等圖像的打印。二值打印和灰度打印對熱敏紙動態(tài)發(fā)色特性的要求是不一樣的。

對二值打印來說，為提高打印質(zhì)量，要求發(fā)色特性曲線的斜率越大越好。發(fā)色特性曲線大說明當(dāng)溫度低于某溫度時，發(fā)色光密度會迅速下降，這會減輕熱打印頭的發(fā)熱體在加熱熱敏紙的過程中由于不同區(qū)域的溫度梯度變化而引起的發(fā)色光密度漸變現(xiàn)象，從而使打印的圖形邊緣整齊，打印質(zhì)量得以提高。

灰度打印對動態(tài)發(fā)色曲線的要求正好相反，它要求發(fā)色特性曲線有較小的斜率，以便使從空白到飽和發(fā)色光密度之間有較大的能量調(diào)節(jié)范圍，有利于通過控制打印頭的打印能量來控制發(fā)色光密度，使灰度控制更加精確，圖像層次感更強。

圖5 動態(tài)發(fā)色特性與其適應(yīng)的應(yīng)用

6.1.2.平滑度

熱敏紙的表面平滑度越高，熱敏涂層越均勻，越有利于打印質(zhì)量的提高。因為較高的平滑度可以使熱打印頭的發(fā)熱體與熱敏層接觸緊密、接觸面積大，有利于熱量從打印頭均勻、高效地向熱敏層傳遞，從而使熱敏層的發(fā)色均勻、高效。下圖是平滑度不同的熱敏紙的打印質(zhì)量比較。

圖6 不同平滑度熱敏紙的打印質(zhì)量

6.2.與打印頭壽命相關(guān)的特性

6.2.1.發(fā)色能量

發(fā)色能量較高雖然有利于提高熱敏紙的保存性，但卻會縮短打印頭的壽命。打印頭的壽命包括耐磨壽命和耐沖擊壽命兩個方面，過高的發(fā)色能量，會降低保護(hù)膜的硬度，從而使耐磨壽命下降，同時也會直接加快打印頭發(fā)熱體電阻的變化速率，降低沖擊壽命。

6.2.2.熱敏紙表面狀態(tài)

熱敏紙表面狀態(tài)特性包括表面平滑度、填料顆粒大小、涂層結(jié)合力等。這些特性主要取決于熱敏涂層的特性，并直接影響保護(hù)膜的磨損速度。例如，填料是熱敏紙涂層的主要成分之一，質(zhì)量好的熱敏紙?zhí)盍项w粒的尺寸小于2um，并且顆粒邊緣呈鈍角，以提高熱敏紙表面平滑度，減少對打印頭保護(hù)膜的磨損；然而有的熱敏紙的填料顆粒尺寸達(dá)到5um以上，與打印頭保護(hù)膜的厚度（7～16um）處在同一數(shù)量級，并且顆粒邊緣鋒利，由于填料顆粒由SiO2、CaCO3、白土等礦物質(zhì)構(gòu)成，硬度很高，因此這些顆粒粗大、邊緣鋒利堅硬的填料會大大加速打印頭保護(hù)膜的磨損速度，縮短打印頭壽命。

圖7 兩種不同質(zhì)量的熱敏紙表面顆粒狀態(tài)

另外，有些熱敏紙表面涂層的結(jié)合力差，很容易脫落，產(chǎn)生“掉粉”現(xiàn)象。打印時這些掉下來的礦物質(zhì)顆粒、化學(xué)發(fā)色物質(zhì)及纖維堆積在打印頭表面及其周圍，使打印頭猶如處于研磨機中，嚴(yán)重縮短打印頭耐磨壽命。

圖8 打印頭表面紙屑堆積現(xiàn)象

使用不同品質(zhì)的熱敏紙，打印頭的耐磨壽命有幾倍甚至十幾倍的差距。

6.2.3.熱敏紙中化學(xué)成分

有些化學(xué)物質(zhì)如Na+、K+、Cl-等對打印頭保護(hù)膜有腐蝕性，造成打印頭保護(hù)膜脫落，導(dǎo)致打印頭損壞。正規(guī)的熱敏紙廠家在設(shè)計生產(chǎn)時會控制這些物質(zhì)的含量，然而市場上很多熱敏紙中的有害物質(zhì)并沒有得到有效控制，這很可能導(dǎo)致熱打印頭提前損壞。

圖9 熱打印頭保護(hù)膜腐蝕脫落

7.熱敏紙技術(shù)發(fā)展趨勢

熱敏紙技術(shù)的發(fā)展趨勢是高保存性、高耐環(huán)境性、雙色化、彩色化、可擦寫、雙面打印等。

高保存性和高耐環(huán)境性是熱敏紙技術(shù)發(fā)展的重要方向。隨著這方面性能的提高，熱敏紙的應(yīng)用范圍將大大拓寬。如目前國內(nèi)高速鐵路系統(tǒng)已經(jīng)開始磁性熱敏車票，這中車票除了背面有一層磁性物質(zhì)可進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄外，正面有熱敏涂層，可進(jìn)行可視信息打印，這種熱敏車票的耐環(huán)境特性非常好，可在95℃～100℃熱水中浸泡一分鐘后，仍能保持圖文信息清晰。但其打印能量非常高，必須使用專門設(shè)計的高能量打印頭才能打印。

雙色化是在一種熱敏紙上打印兩種顏色，以提高票面的視覺效果。雙色熱敏紙中有兩種發(fā)色顏色的無色染料，其發(fā)色溫度不同。通過控制打印頭的溫度，打印出兩種顏色。雙色熱敏紙目前在國內(nèi)應(yīng)用較少，但在國外已經(jīng)開始推廣應(yīng)用。

彩色熱敏紙是利用三基色原理形成彩色的。在彩色熱敏紙中，有三種發(fā)色顏色的染料，其發(fā)色溫度范圍各不相同。在打印時，利用打印頭分別在不同的溫度范圍內(nèi)，提供不同的能量，分別形成紅綠藍(lán)等顏色的圖像，套印形成彩色圖像。

可擦寫熱敏紙是利用熱敏物質(zhì)在不同溫度范圍內(nèi)的顯色和消色特性工作的。可擦寫熱敏紙（卡）目前在國外廣泛應(yīng)用于可充值車票、會員卡等領(lǐng)域。

雙面熱敏紙是熱敏紙的兩面都有熱敏涂層，兩面都可打印信息。目前的熱敏紙絕大多數(shù)是單面的，使用時，只能在有熱敏層的一面打印信息，另一面白白浪費掉了，造成資源的巨大浪費。而雙面打印紙將使熱敏紙的利用率提高一倍，大大節(jié)省資源，符合節(jié)能環(huán)保的發(fā)展趨勢，具有廣闊的發(fā)展前景。

[1]紙、紙板和紙漿亮度（白度）的測定漫射/垂直法.GB/T 7974-2002

[2]紙和紙板厚度的測定.GB/T451.3-2002紙和紙板平滑度的測定（別克法）.GB/T 456-2002

[3]紙和紙板抗張強度的測定法（恒速加荷法）.GB/T 453-2002

[4]熱敏彩票紙.QB/T 2694-2005

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.09.087