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，顯色劑解離產生的質子使熒烷染料的內酯環打開，形成陽離子型染料而顯色[2]。如圖1所示。隨著科學技術的發展，目前熱敏記錄材料廣泛應用于日常生活的方方面面，而相應的對熱敏記錄材料的要求也越來越高，需要發色速度快、發色濃度高、生成的畫像質量穩定等。一般信息記錄材料都需要有較高的對比度，這就需要有高的發色密度。

圖1 熒烷染料顯色機理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鍵因素，得到進一步提高顯色密度的方法。

2 實驗部分

2.1 實驗原料

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（天津化學試劑）；CaCO3（河北佰斯特科技有限公司）。

2.2 實驗儀器及設備

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，美國Michigan公司；SFJ-400砂磨、分散、攪拌多用機，上?，F代環境工程技術有限公司；熱敏打點器，自制。

2.3 實驗步驟

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混1h，然后放入砂磨機進行砂磨，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、表面活性劑等預混1h，然后放入砂磨機進行砂磨，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，預分散1h，然后加入砂磨機砂磨至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、堅膜劑等助劑，攪拌均勻，過濾，得到保護層涂布液。

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行打點機打印測試，將打點機設置不同的溫度，待溫度穩定5分鐘之后再進行打點測試，打點設置時間為1S。再用X-rite 310T密度計測試打印點的透射密度。

3 結果與討論

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，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，打點儀打點后，用密度計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。當涂布量較低時，熱敏涂料在支持體上分布相對不均勻，因此打印后發色均勻度差，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生反應，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，熱敏記錄材料的發色曲線是向左向上移動的，說明提供相同的能量，顯色密度會提高。當染料和顯色劑比例從1:3增至1:4時，再繼續提高顯色劑的比例，發色密度的增加不明顯。原因是熱敏顯色過程為一可逆反應，在染料不變的情況下，增加顯色劑的量，會使可逆反應朝正向反應方向移動，表現出顯色密度增大；當反應中染料的量達到新的平衡后，再繼續提高顯色劑的量，顯色密度的增加也就不明顯。

3.3 粘合劑加入量的影響

當顯色層中染料和顯色劑的比例為1:3，涂布量為45mL/m2時，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，從而導致顯色層涂層的導熱性變差，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，從而導致反應發色的染料減少，顯色密度降低。

3.4 增感劑的影響

在砂磨染料時，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，曲線發生了向左向上移動，尤其是溫度較低的范圍內熱敏增感劑的作用很明顯。增感劑是一種具有較低熔點物質，其與顯色劑和染料共混后能夠降低發色體系的熔化溫度，從而降低了熱敏顯色的溫度，加快了顯色速度[3]。本實驗使用的是DBO、BMBE、DPE和L-271熔點溫度均在80～100℃范圍內，均比染料和顯色劑的熔點低，故應用于顯色層后提高了顯色密度。

3.5 保護層導熱助劑的影響

樣片顯色層相同，在保護層標樣配方中加入含金屬元素的導熱功能助劑，涂布干燥后進行打點測試，分析得到的結果如圖6所示。

圖6 導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]。在本實驗中主要探討碳酸鈣與高嶺土對熱敏記錄材料的發色性能的影響。從圖6可以看出，在標樣護膜配方中加入約2%的碳酸鈣或高嶺土分散液，曲線很明顯的發生了向左向上的偏移，說明加入導熱助劑之后，對提高顯色密度有作用，尤其是100～120℃范圍內的影響比較明顯。加入導熱助劑后，熱量能更好的傳導到發色層，染料和顯色劑能獲得更多的能量來發生顯色反應，顯色密度自然會提高。

4 結論

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，以及保護層引入導熱助劑的實驗對比分析，得到了影響顯色性能的關鍵因素：在顯色層適當增加顯色劑的量，并加入增感劑；保護層中增加可導熱的功能性填料。提升熱敏信息記錄材料顯色密度的本質是降低染料和顯色劑發生顯色反應的條件和減少打印過程中熱能的損耗。只有從關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。