熱敏信息記錄材料顯色密度影響因素的研究

馬敬波，王肖鵬，石繼紅，黃海水

（樂凱醫(yī)療科技有限公司 河北 保定 071054）

1 引言

熱敏信息記錄材料是一類在加熱條件下，可形成文字或圖像的材料[1]。其顯色機(jī)理是：在加熱條件下，熱敏信息材料中的熒烷系列染料和顯色劑熔融，顯色劑解離產(chǎn)生的質(zhì)子使熒烷染料的內(nèi)酯環(huán)打開，形成陽離子型染料而顯色[2]。如圖1所示。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，目前熱敏記錄材料廣泛應(yīng)用于日常生活的方方面面，而相應(yīng)的對熱敏記錄材料的要求也越來越高，需要發(fā)色速度快、發(fā)色濃度高、生成的畫像質(zhì)量穩(wěn)定等。一般信息記錄材料都需要有較高的對比度，這就需要有高的發(fā)色密度。

圖1 熒烷染料顯色機(jī)理Figure1.Thecolordevelopment mechanism of fluoran dyes

本文主要對顯色層涂布液的涂布量，顯色層中染料和顯色劑和比例，顯色層中粘合劑的加入量，顯色層中增感劑及保護(hù)層中功能助劑對樣片顯色密度的影響做了分析，找到影響熱敏材料顯色密度的關(guān)鍵因素，得到進(jìn)一步提高顯色密度的方法。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)原料

ODB-2（壽光富康制藥有限公司）；D-8（壽光富康制藥有限公司）；PVA（日本可樂麗公司）；KL-318（日本可樂麗公司）；DBO（樂凱研究院合成）；BMBE（樂凱研究院合成）；DPE（樂凱研究院合成）；L-271（中京油脂株式會社）；高嶺土（天津化學(xué)試劑）；CaCO3（河北佰斯特科技有限公司）。

2.2 實(shí)驗(yàn)儀器及設(shè)備

PM4800型電子天平，梅特勒·托利多儀器（上海）有限公司；X-Rite310T型密度計(jì)，美國Michigan公司；SFJ-400砂磨、分散、攪拌多用機(jī)，上海現(xiàn)代環(huán)境工程技術(shù)有限公司；熱敏打點(diǎn)器，自制。

2.3 實(shí)驗(yàn)步驟

2.3.1 涂布液的制備

（1）染料分散液的制備

將熒烷染料ODB-2、PVA溶液、純水、表面活性劑等攪拌預(yù)混1h，然后放入砂磨機(jī)進(jìn)行砂磨，砂磨粒徑至5微米以下。制備出的染料分散液的濃度約25%。

（2）顯色劑分散液的制備

將顯色劑D-8、PVA液、純水、表面活性劑等預(yù)混1h，然后放入砂磨機(jī)進(jìn)行砂磨，砂磨粒徑至5微米以下。制備出的顯色劑分散液的濃度約25%。

（3）功能助劑的制備

高嶺土分散液的制備：將高嶺土、水和表面活性劑，預(yù)分散1h，然后加入砂磨機(jī)砂磨至5微米以下，得到高嶺土的分散液。

CaCO3分散液的制備：將納米級CaCO3粉末和水、表面活性劑混合攪拌分散均勻后即得到碳酸鈣分散液。

（4）顯色層涂布液的制備

將染料和顯色劑的分散液按一定的比例混合，加入改性PVA粘合劑、表面活性劑等助劑，攪拌均勻，過濾，得到顯色層涂布液。

（5）保護(hù)層涂布液的制備

將PVA和水先混合，然后加入功能助劑、潤滑劑、表面活性劑、流平劑、堅(jiān)膜劑等助劑，攪拌均勻，過濾，得到保護(hù)層涂布液。

2.3.2 涂布及干燥 采用擠壓涂布方式，在100微米厚的透明PET片基上分別依次涂布顯色層涂布液和保護(hù)層涂布液。干燥溫度控制在40±5℃，得熱敏記錄材料樣片。

2.4 檢測方法

將涂布干燥后的樣片進(jìn)行打點(diǎn)機(jī)打印測試，將打點(diǎn)機(jī)設(shè)置不同的溫度，待溫度穩(wěn)定5分鐘之后再進(jìn)行打點(diǎn)測試，打點(diǎn)設(shè)置時(shí)間為1S。再用X-rite 310T密度計(jì)測試打印點(diǎn)的透射密度。

3 結(jié)果與討論

3.1 顯色層涂布量的影響

顯色層涂布液中染料分散液：顯色劑分散液：粘合劑的比例為1:3:1.2時(shí)，觀察不同涂布量對圖層顯色密度的影響。涂布干燥后得到樣片，打點(diǎn)儀打點(diǎn)后，用密度計(jì)測試不同溫度條件下樣片的密度。得到的密度曲線如圖2所示。

圖2 不同涂布量對顯色密度的影響Figrue 2. The effect of different coating amounts on color density

從圖2可以看出，隨著顯色層涂布量的增加，顯色密度逐漸增大。當(dāng)涂布量較低時(shí)，熱敏涂料在支持體上分布相對不均勻，因此打印后發(fā)色均勻度差，顯色密度也較低，隨著熱敏涂料涂布量的增加，顯色層的厚度也會增加，涂層連續(xù)性變好，在提供一樣的能量的情況下，更多的染料和顯色劑發(fā)生反應(yīng)，顯色密度也逐漸增大。

3.2 顯色劑的加入比例的影響

在保證涂布的染料量不變的情況下，提高顯色劑的比例，顯色層涂布液的涂布量為45mL/m2，干燥打點(diǎn)后，分析顯色密度。不同比例顯色劑的顯色密度曲線如圖3所示。

圖3 顯色劑加入比例對顯色密度的影響Figrue 3. The effect of the ratios of developer on color density

從圖3可以看出，顯色劑的比例增加時(shí)，熱敏記錄材料的發(fā)色曲線是向左向上移動(dòng)的，說明提供相同的能量，顯色密度會提高。當(dāng)染料和顯色劑比例從1:3增至1:4時(shí)，再繼續(xù)提高顯色劑的比例，發(fā)色密度的增加不明顯。原因是熱敏顯色過程為一可逆反應(yīng)，在染料不變的情況下，增加顯色劑的量，會使可逆反應(yīng)朝正向反應(yīng)方向移動(dòng)，表現(xiàn)出顯色密度增大；當(dāng)反應(yīng)中染料的量達(dá)到新的平衡后，再繼續(xù)提高顯色劑的量，顯色密度的增加也就不明顯。

3.3 粘合劑加入量的影響

當(dāng)顯色層中染料和顯色劑的比例為1:3，涂布量為45mL/m2時(shí)，觀察加入不同量的粘合劑KL-318對顯色密度的影響。其影響曲線見圖4。

圖4 SBR的加入量對顯色密度的影響Figrue 4. The effect of the amount of SBR added on the color density

從圖4可以看出，隨著粘合劑的加入量增多，顯色密度小幅度降低。分析原因是由于粘合劑加入量越多，形成的涂層越致密，從而導(dǎo)致顯色層涂層的導(dǎo)熱性變差，在提供相同的能量的情況下，顯色層從上層傳遞到下層能量減少，下層的染料和顯色劑接受的能量減少，從而導(dǎo)致反應(yīng)發(fā)色的染料減少，顯色密度降低。

3.4 增感劑的影響

在砂磨染料時(shí)，加入不同增感劑，其加入量為染料的5%。配制成顯色層，顯色層的染料、顯色劑和粘合劑的比例為1:3:1.2，涂布量為45mL/m2。樣片打點(diǎn)分析后得到顯色密度，其曲線如圖5所示。

圖5 不同增感劑對顯色密度的影響Figure 5. The effect of different sensitizers on color density

從圖5可以看出，加入增感劑之后，曲線發(fā)生了向左向上移動(dòng)，尤其是溫度較低的范圍內(nèi)熱敏增感劑的作用很明顯。增感劑是一種具有較低熔點(diǎn)物質(zhì)，其與顯色劑和染料共混后能夠降低發(fā)色體系的熔化溫度，從而降低了熱敏顯色的溫度，加快了顯色速度[3]。本實(shí)驗(yàn)使用的是DBO、BMBE、DPE和L-271熔點(diǎn)溫度均在80～100℃范圍內(nèi)，均比染料和顯色劑的熔點(diǎn)低，故應(yīng)用于顯色層后提高了顯色密度。

3.5 保護(hù)層導(dǎo)熱助劑的影響

樣片顯色層相同，在保護(hù)層標(biāo)樣配方中加入含金屬元素的導(dǎo)熱功能助劑，涂布干燥后進(jìn)行打點(diǎn)測試，分析得到的結(jié)果如圖6所示。

圖6 導(dǎo)熱助劑對顯色密度的影響Figure 6. The effect of thermalconductive additives on color density

碳酸鈣和高嶺土是熱敏記錄材料中比較常見的填料，主要起到提升白度、防止打印粘頭的作用[4]。在本實(shí)驗(yàn)中主要探討碳酸鈣與高嶺土對熱敏記錄材料的發(fā)色性能的影響。從圖6可以看出，在標(biāo)樣護(hù)膜配方中加入約2%的碳酸鈣或高嶺土分散液，曲線很明顯的發(fā)生了向左向上的偏移，說明加入導(dǎo)熱助劑之后，對提高顯色密度有作用，尤其是100～120℃范圍內(nèi)的影響比較明顯。加入導(dǎo)熱助劑后，熱量能更好的傳導(dǎo)到發(fā)色層，染料和顯色劑能獲得更多的能量來發(fā)生顯色反應(yīng)，顯色密度自然會提高。

4 結(jié)論

通過對熱敏記錄材料顯色層的涂布量、染料與顯色劑的比例、粘合劑的用量、增感劑的引入，以及保護(hù)層引入導(dǎo)熱助劑的實(shí)驗(yàn)對比分析，得到了影響顯色性能的關(guān)鍵因素：在顯色層適當(dāng)增加顯色劑的量，并加入增感劑；保護(hù)層中增加可導(dǎo)熱的功能性填料。提升熱敏信息記錄材料顯色密度的本質(zhì)是降低染料和顯色劑發(fā)生顯色反應(yīng)的條件和減少打印過程中熱能的損耗。只有從關(guān)鍵因素著手解決問題，才能更容易提高熱敏記錄材料的顯色密度。