热敏信息记录材料显色密度影响因素的研究

马敬波，王肖鹏，石继红，黄海水

（乐凯医疗科技有限公司 河北 保定 071054）

1 引言

热敏信息记录材料是一类在加热条件下，可形成文字或图像的材料[1]。其显色机理是：在加热条件下，热敏信息材料中的荧烷系列染料和显色剂熔融，显色剂解离产生的质子使荧烷染料的内酯环打开，形成阳离子型染料而显色[2]。如图1所示。随着科学技术的发展，目前热敏记录材料广泛应用于日常生活的方方面面，而相应的对热敏记录材料的要求也越来越高，需要发色速度快、发色浓度高、生成的画像质量稳定等。一般信息记录材料都需要有较高的对比度，这就需要有高的发色密度。

图1 荧烷染料显色机理Figure1.Thecolordevelopment mechanism of fluoran dyes

本文主要对显色层涂布液的涂布量，显色层中染料和显色剂和比例，显色层中粘合剂的加入量，显色层中增感剂及保护层中功能助剂对样片显色密度的影响做了分析，找到影响热敏材料显色密度的关键因素，得到进一步提高显色密度的方法。

2 实验部分

2.1 实验原料

ODB-2（寿光富康制药有限公司）；D-8（寿光富康制药有限公司）；PVA（日本可乐丽公司）；KL-318（日本可乐丽公司）；DBO（乐凯研究院合成）；BMBE（乐凯研究院合成）；DPE（乐凯研究院合成）；L-271（中京油脂株式会社）；高岭土（天津化学试剂）；CaCO3（河北佰斯特科技有限公司）。

2.2 实验仪器及设备

PM4800型电子天平，梅特勒·托利多仪器（上海）有限公司；X-Rite310T型密度计，美国Michigan公司；SFJ-400砂磨、分散、搅拌多用机，上海现代环境工程技术有限公司；热敏打点器，自制。

2.3 实验步骤

2.3.1 涂布液的制备

（1）染料分散液的制备

将荧烷染料ODB-2、PVA溶液、纯水、表面活性剂等搅拌预混1h，然后放入砂磨机进行砂磨，砂磨粒径至5微米以下。制备出的染料分散液的浓度约25%。

（2）显色剂分散液的制备

将显色剂D-8、PVA液、纯水、表面活性剂等预混1h，然后放入砂磨机进行砂磨，砂磨粒径至5微米以下。制备出的显色剂分散液的浓度约25%。

（3）功能助剂的制备

高岭土分散液的制备：将高岭土、水和表面活性剂，预分散1h，然后加入砂磨机砂磨至5微米以下，得到高岭土的分散液。

CaCO3分散液的制备：将纳米级CaCO3粉末和水、表面活性剂混合搅拌分散均匀后即得到碳酸钙分散液。

（4）显色层涂布液的制备

将染料和显色剂的分散液按一定的比例混合，加入改性PVA粘合剂、表面活性剂等助剂，搅拌均匀，过滤，得到显色层涂布液。

（5）保护层涂布液的制备

将PVA和水先混合，然后加入功能助剂、润滑剂、表面活性剂、流平剂、坚膜剂等助剂，搅拌均匀，过滤，得到保护层涂布液。

2.3.2 涂布及干燥 采用挤压涂布方式，在100微米厚的透明PET片基上分别依次涂布显色层涂布液和保护层涂布液。干燥温度控制在40±5℃，得热敏记录材料样片。

2.4 检测方法

将涂布干燥后的样片进行打点机打印测试，将打点机设置不同的温度，待温度稳定5分钟之后再进行打点测试，打点设置时间为1S。再用X-rite 310T密度计测试打印点的透射密度。

3 结果与讨论

3.1 显色层涂布量的影响

显色层涂布液中染料分散液：显色剂分散液：粘合剂的比例为1:3:1.2时，观察不同涂布量对图层显色密度的影响。涂布干燥后得到样片，打点仪打点后，用密度计测试不同温度条件下样片的密度。得到的密度曲线如图2所示。

图2 不同涂布量对显色密度的影响Figrue 2. The effect of different coating amounts on color density

从图2可以看出，随着显色层涂布量的增加，显色密度逐渐增大。当涂布量较低时，热敏涂料在支持体上分布相对不均匀，因此打印后发色均匀度差，显色密度也较低，随着热敏涂料涂布量的增加，显色层的厚度也会增加，涂层连续性变好，在提供一样的能量的情况下，更多的染料和显色剂发生反应，显色密度也逐渐增大。

3.2 显色剂的加入比例的影响

在保证涂布的染料量不变的情况下，提高显色剂的比例，显色层涂布液的涂布量为45mL/m2，干燥打点后，分析显色密度。不同比例显色剂的显色密度曲线如图3所示。

图3 显色剂加入比例对显色密度的影响Figrue 3. The effect of the ratios of developer on color density

从图3可以看出，显色剂的比例增加时，热敏记录材料的发色曲线是向左向上移动的，说明提供相同的能量，显色密度会提高。当染料和显色剂比例从1:3增至1:4时，再继续提高显色剂的比例，发色密度的增加不明显。原因是热敏显色过程为一可逆反应，在染料不变的情况下，增加显色剂的量，会使可逆反应朝正向反应方向移动，表现出显色密度增大；当反应中染料的量达到新的平衡后，再继续提高显色剂的量，显色密度的增加也就不明显。

3.3 粘合剂加入量的影响

当显色层中染料和显色剂的比例为1:3，涂布量为45mL/m2时，观察加入不同量的粘合剂KL-318对显色密度的影响。其影响曲线见图4。

图4 SBR的加入量对显色密度的影响Figrue 4. The effect of the amount of SBR added on the color density

从图4可以看出，随着粘合剂的加入量增多，显色密度小幅度降低。分析原因是由于粘合剂加入量越多，形成的涂层越致密，从而导致显色层涂层的导热性变差，在提供相同的能量的情况下，显色层从上层传递到下层能量减少，下层的染料和显色剂接受的能量减少，从而导致反应发色的染料减少，显色密度降低。

3.4 增感剂的影响

在砂磨染料时，加入不同增感剂，其加入量为染料的5%。配制成显色层，显色层的染料、显色剂和粘合剂的比例为1:3:1.2，涂布量为45mL/m2。样片打点分析后得到显色密度，其曲线如图5所示。

图5 不同增感剂对显色密度的影响Figure 5. The effect of different sensitizers on color density

从图5可以看出，加入增感剂之后，曲线发生了向左向上移动，尤其是温度较低的范围内热敏增感剂的作用很明显。增感剂是一种具有较低熔点物质，其与显色剂和染料共混后能够降低发色体系的熔化温度，从而降低了热敏显色的温度，加快了显色速度[3]。本实验使用的是DBO、BMBE、DPE和L-271熔点温度均在80～100℃范围内，均比染料和显色剂的熔点低，故应用于显色层后提高了显色密度。

3.5 保护层导热助剂的影响

样片显色层相同，在保护层标样配方中加入含金属元素的导热功能助剂，涂布干燥后进行打点测试，分析得到的结果如图6所示。

图6 导热助剂对显色密度的影响Figure 6. The effect of thermalconductive additives on color density

碳酸钙和高岭土是热敏记录材料中比较常见的填料，主要起到提升白度、防止打印粘头的作用[4]。在本实验中主要探讨碳酸钙与高岭土对热敏记录材料的发色性能的影响。从图6可以看出，在标样护膜配方中加入约2%的碳酸钙或高岭土分散液，曲线很明显的发生了向左向上的偏移，说明加入导热助剂之后，对提高显色密度有作用，尤其是100～120℃范围内的影响比较明显。加入导热助剂后，热量能更好的传导到发色层，染料和显色剂能获得更多的能量来发生显色反应，显色密度自然会提高。

4 结论

通过对热敏记录材料显色层的涂布量、染料与显色剂的比例、粘合剂的用量、增感剂的引入，以及保护层引入导热助剂的实验对比分析，得到了影响显色性能的关键因素：在显色层适当增加显色剂的量，并加入增感剂；保护层中增加可导热的功能性填料。提升热敏信息记录材料显色密度的本质是降低染料和显色剂发生显色反应的条件和减少打印过程中热能的损耗。只有从关键因素着手解决问题，才能更容易提高热敏记录材料的显色密度。