浅谈热敏纸技术及发展方向

李月娟 山东华菱电子有限公司基础技术研究所,山东威海 264209

浅谈热敏纸技术及发展方向

李月娟 山东华菱电子有限公司基础技术研究所,山东威海 264209

本文从应用的角度出发,介绍了热敏纸的构成和作用,解释了特性参数的含义,以及技术发展导向。

热敏纸；热敏涂层；动态发色特性；静态发色特性；双面热敏纸

1.概述

热敏纸是一种特殊的涂布加工纸，是由普通纸张作为纸基，上面涂布一层热敏层，热敏层中包含无色染料、显色剂等物质，在常温下，这些物质之间的化学反应处于“潜伏”状态，当热敏层被热打印头加热时，显色剂与无色染料发生化学反应而变色，形成图文。下图是热敏打印机构的示意图，在打印时，热敏纸压在热打印头和胶辊之间，热敏纸有热敏层的一面与打印头接触，胶辊带动热敏纸前进，同时热打印头加热热敏纸产生图像。

图1 热敏打印机构示意图

2.热敏纸的构成

热敏纸由原纸、底涂层、热敏涂层、顶涂层（保护层）等构成，如下图1所示。下面对各组成部分进行简要介绍。

图2 热敏纸结构示意图

2.1.原纸

原纸是各涂层的载体，它可以是植物纤维纸也可以是合成纸，目前多数热敏纸采用植物纤维纸作原纸。

2.2.底涂层

底涂层是介于热敏涂层和原纸之间的一层物质，主要成分是填料和胶黏剂，作用是改善原纸表面的平滑度、提高热敏涂层的均匀性。

2.3.热敏涂层

热敏涂层是热敏纸的发色物质，是决定热敏纸特性的重要物质，热敏涂层成份包括无色染料、显色剂、增感剂、润滑剂、填料、胶粘剂等，下面分别介绍。

2.3.1.无色染料

无色染料是热敏纸的发色物质，与显色剂反应后颜色就发生改变。荧烷系是常用的无色染料，如3-二丁基氨基-6-甲基-7-苯胺基荧烷。

2.3.2.显色剂

显色剂是与无色染料进行发色反应的物质。常用的显色剂有各种水性树脂,如BPA、双酚硫、POBZ、氨基树脂（UF或MF树脂）、酚醛树脂、丙烯酸类树脂乳液等。

2.3.3.增感剂

增感剂的作用是提高无色染料和显色剂的反应速度、降低反应能量，起催化剂的作用。

2.3.4.润滑剂

作用是提高表面平滑度，降低摩擦系数，改善运行适应性，保护打印头。

2.3.5. 填料

填料对染料能起到分散、稀释、着色的作用，同时也可填充基纸表面的小坑，改善表面平滑度。常用的填料物质有CaCO3、SiO2、白土（Clay）、高岭土、黏土等物质。

2.3.6.胶粘剂

胶黏性作用是提高热敏涂层各物质之间的结合力。常用的材料如淀粉、PVA（聚乙烯醇）、羧甲基纤维素、丙烯酸树脂、丁丙胶乳等，

2.3.7.助剂

包括防老化剂、抗紫外线剂、防压助剂、运行适性助剂等，以提高热敏纸的性能。

2.4.顶涂层（保护层）

顶涂层位于热敏层的上面，用来提高热敏纸的防油、防水等耐环境性能。如起聚合、交联作用或干燥失水后成膜的胶粘剂、聚合物、树脂的水溶液或乳液，具体包括聚乙烯醇类、丙烯酸类、聚氨酯类及纤维素醚类等，并含有占总用量3～20%的助剂，助剂包括碳酸盐如CaCO3、饱和及不饱和有机酸盐、SiO2、印刷助剂等。

3.热敏纸的特性参数

热敏纸的特性参数包括：定量、厚度、白度、平滑度、抗张强度（纵向）、撕裂度（横向）、静态发色特性、动态发色特性、耐热性能、耐湿性能、耐光性能、防水性能、防油性能、防乙醇性能、防摩擦性能等。其含义如下。

3.1.定量

定量俗称克重，是指单位面积纸张的重量，一般以每平方米多少克来表示，单位g/m2。

厚度与定量有着密切的关系，厚度大的纸一般定量也比较高。但二者之间也不是简单的正比关系，有的厚度小的纸反而比厚度大的纸定量高，这是由于紧度（密度）不同所产生的影响。

3.2.厚度

厚度表示纸张的厚薄程度，单位一般为毫米(mm)。用测微计进行测定，该仪器装有两个互相平行的圆形受压面，可以将纸放入两受压面间进行测量。在一定的面积、一定的压力下测定纸张厚度大小。

3.3.白度（亮度）

白度是指纸张反射光线的能力，又称亮度，用百分率表示。目前我国对纸张白度的测定主要是在主波长457nm的蓝光下测定，测试试样表面漫反射与同一辐照条件下完全漫反射的比，单位%，在造纸业中常用的白度有ISO亮度、D56亮度和CIE白度等。

3.4.平滑度

平滑度表示纸张的平整程度，体现的是纸张表面的平滑或粗糙度。常用空气泄漏法（别克法）来测量。即在一定的真空度下、一定的面积和一定的试验压力下，测定一定容积的空气泄入受一定压力的试样表面与玻璃面之间的接触表面所需的时间，单位以秒（s）表示。试样愈平滑，它与玻璃的接触就愈紧密，空气通过就愈慢，需要的时间就长，表明试样的平滑度愈高。平滑度是影响打印质量的重要因素之一。

3.5.抗张强度（抗张力）（纵向）

抗张强度是指纸或纸板所能承受的张力。通常以绝对抗张力表示：即一定宽度的试样的抗张力（牛顿）；或以裂断长度表示：即一定宽度的纸条在本身重力作用下将纸拉断时所需的纸张长度（米）；或与横向切面的抗张力表示；即以试样单位横截面的抗张力（牛顿／米2）表示。

3.6.撕裂度（横向）

撕裂度是指撕裂预先切口的试样至一定长度时所需的力，以毫牛顿（mN)或千克力(kgf)表示。纸的撕裂度就是纸抗衡裂的能力。

3.7.静态发色特性

静态发色特性是热敏纸的发色光密度与温度之间的关系。通常用静态发色仪来测试。热敏纸在静态发色仪各恒温阶段中，在每平方厘米的面积上施加 40g的压力，放置5秒时间时，在此条件下测量各温度对应的发色光密度。下图是静态发色特性曲线示意图。

图3 静态发色特性曲线示意图

3.8.动态发色特性

动态发色特性是热敏纸在打印过程中，打印能量与发色光密度之间的关系。常用动态发色仪来测试。在动态发色仪中，设定不同的打印能量对热敏纸进行打印，用光密度仪测量不同打印能量下的发色光密度。下图是动态发色特性曲线示意图。

图4 动态发色特性曲线示意图

3.9.耐热性能

在较高环境温度下，经时间后（温度60℃，经24小时），热敏纸上空白处与饱和发色处浓度的变化。

3.10.耐湿性能

在较高环境湿度下，经一定时间后（温度40℃、湿度90%、经24小时），热敏纸上空白处与饱和发色处浓度的变化。

3.11.耐光性能

在一定光照强度下，经一定时间后（荧光灯5,000Lux光照强度，经100小时），热敏纸上空白处与饱和发色处浓度的变化。

3.12.防水、防油、防乙醇性能

热敏纸在受到水、油、乙醇等液体污染时的图像保存率。一般用饱和发色的热敏纸式样经水、或油、或乙醇等液体污染3小时后的图像保存率来表示。图像保存率按下式计算：

图像保存率=污染后的光密度值/污染前的光密度值。

3.13.防摩擦性能

是指热敏纸的抗刮擦能力。一般用饱和发色的热敏纸式样在直径40mm的圆形磨头、4.9N的压力下，摩擦100次后的图像保存率来表示。图像保存率按下式计算：

图像保存率=摩擦后的光密度值/摩擦前的光密度值。

4.热敏纸参数举例

下表是某热敏纸的特性参数：

?

5.热敏纸的保存和防水防油等性能分析

保存性较差是热敏纸的致命弱点，限制了热敏纸在许多领域的应用。保存性差的主要原因是因为热敏纸的显色反应是可逆的，并且有色物质会不同程度地自行分解，字迹颜色会慢慢褪色越来越浅淡，直至字迹完全消失。在高温、光照、潮湿等外界条件的作用下，分解更快。褪色的快慢还与热敏纸的本身热敏材料有关。

提高热敏纸保存性是热敏纸行业面临的重大技术课题，许多厂家都在致力于这方面的研究。目前市场上质量较好的热敏纸图像保存期可达到5年，有的甚至达到15年或30年，而一些劣质热敏纸的保存期只有几个月。提高热敏纸的保存性一方面可从改善染料和显色剂的化学性质入手，使其发色后具有更高的稳定性；另一方面可改善热敏纸结构，以便解决打印能量和保存性之间的矛盾。一般来说，发色反应需要的打印能量或发色温度越高，其生成物的化学性质越稳定，保存性越好。但过高的打印能量会严重缩短打印头的寿命。因此有些厂家就从改善热敏纸结构入手解决这一问题。如在热敏涂层和纸基之间增加一层保温层，以减少打印过程中的热量散失，提高热量的利用率，从而减少了打印能量。

热敏纸的防水、防油、防摩擦性能较差也是热敏纸的弱点。提高这类性能的直接办法就是在热敏纸的表面增加一层保护膜。保护膜具有防水防油防摩擦等性能，从而提高了热敏纸的耐环境性能。

随着技术的发展，热敏纸的耐环境性、保存性不断提高，热敏纸的应用领域也在不断拓展。

6.热敏纸与热打印头的配合

热敏纸和打印头是热敏打印方式中的两个关键因素。热敏纸的特性对打印质量、打印头寿命等有很大影响。

6.1.热敏纸与打印质量相关的特性

6.1.1.发色特性

发色特性描述的是热敏纸在温度发生变化时发色光密度的变化，可分为静态发色特性和动态发色特性。静态发色特性反应热敏纸在整体加热温度改变时发色浓度的变化规律；动态发色特性模拟热敏纸在打印头瞬间点加热条件下的发色浓度的变化规律。我们以更接近实际打印情况的动态发色特性曲线为例，说明曲线形状与打印质量的关系。

根据打印内容不同，热敏纸打印的图像一般可分为二值图像和灰度图像。二值图像中像素点的灰度只有两个值，即空白和饱和发色光密度，二值打印适合文字、图表等的打印；灰度图像中的像素点的灰度值大于两个，如256级灰度，表示在空白和饱和浓度之间，有256个不同的灰度值，能够真实反映图像的层次感，灰度打印适合照片等图像的打印。二值打印和灰度打印对热敏纸动态发色特性的要求是不一样的。

对二值打印来说，为提高打印质量，要求发色特性曲线的斜率越大越好。发色特性曲线大说明当温度低于某温度时，发色光密度会迅速下降，这会减轻热打印头的发热体在加热热敏纸的过程中由于不同区域的温度梯度变化而引起的发色光密度渐变现象，从而使打印的图形边缘整齐，打印质量得以提高。

灰度打印对动态发色曲线的要求正好相反，它要求发色特性曲线有较小的斜率，以便使从空白到饱和发色光密度之间有较大的能量调节范围，有利于通过控制打印头的打印能量来控制发色光密度，使灰度控制更加精确，图像层次感更强。

图5 动态发色特性与其适应的应用

6.1.2.平滑度

热敏纸的表面平滑度越高，热敏涂层越均匀，越有利于打印质量的提高。因为较高的平滑度可以使热打印头的发热体与热敏层接触紧密、接触面积大，有利于热量从打印头均匀、高效地向热敏层传递，从而使热敏层的发色均匀、高效。下图是平滑度不同的热敏纸的打印质量比较。

图6 不同平滑度热敏纸的打印质量

6.2.与打印头寿命相关的特性

6.2.1.发色能量

发色能量较高虽然有利于提高热敏纸的保存性，但却会缩短打印头的寿命。打印头的寿命包括耐磨寿命和耐冲击寿命两个方面，过高的发色能量，会降低保护膜的硬度，从而使耐磨寿命下降，同时也会直接加快打印头发热体电阻的变化速率，降低冲击寿命。

6.2.2.热敏纸表面状态

热敏纸表面状态特性包括表面平滑度、填料颗粒大小、涂层结合力等。这些特性主要取决于热敏涂层的特性，并直接影响保护膜的磨损速度。例如，填料是热敏纸涂层的主要成分之一，质量好的热敏纸填料颗粒的尺寸小于2um，并且颗粒边缘呈钝角，以提高热敏纸表面平滑度，减少对打印头保护膜的磨损；然而有的热敏纸的填料颗粒尺寸达到5um以上，与打印头保护膜的厚度（7～16um）处在同一数量级，并且颗粒边缘锋利，由于填料颗粒由SiO2、CaCO3、白土等矿物质构成，硬度很高，因此这些颗粒粗大、边缘锋利坚硬的填料会大大加速打印头保护膜的磨损速度，缩短打印头寿命。

图7 两种不同质量的热敏纸表面颗粒状态

另外，有些热敏纸表面涂层的结合力差，很容易脱落，产生“掉粉”现象。打印时这些掉下来的矿物质颗粒、化学发色物质及纤维堆积在打印头表面及其周围，使打印头犹如处于研磨机中，严重缩短打印头耐磨寿命。

图8 打印头表面纸屑堆积现象

使用不同品质的热敏纸，打印头的耐磨寿命有几倍甚至十几倍的差距。

6.2.3.热敏纸中化学成分

有些化学物质如Na+、K+、Cl-等对打印头保护膜有腐蚀性，造成打印头保护膜脱落，导致打印头损坏。正规的热敏纸厂家在设计生产时会控制这些物质的含量，然而市场上很多热敏纸中的有害物质并没有得到有效控制，这很可能导致热打印头提前损坏。

图9 热打印头保护膜腐蚀脱落

7.热敏纸技术发展趋势

热敏纸技术的发展趋势是高保存性、高耐环境性、双色化、彩色化、可擦写、双面打印等。

高保存性和高耐环境性是热敏纸技术发展的重要方向。随着这方面性能的提高，热敏纸的应用范围将大大拓宽。如目前国内高速铁路系统已经开始磁性热敏车票，这中车票除了背面有一层磁性物质可进行数据记录外，正面有热敏涂层，可进行可视信息打印，这种热敏车票的耐环境特性非常好，可在95℃～100℃热水中浸泡一分钟后，仍能保持图文信息清晰。但其打印能量非常高，必须使用专门设计的高能量打印头才能打印。

双色化是在一种热敏纸上打印两种颜色，以提高票面的视觉效果。双色热敏纸中有两种发色颜色的无色染料，其发色温度不同。通过控制打印头的温度，打印出两种颜色。双色热敏纸目前在国内应用较少，但在国外已经开始推广应用。

彩色热敏纸是利用三基色原理形成彩色的。在彩色热敏纸中，有三种发色颜色的染料，其发色温度范围各不相同。在打印时，利用打印头分别在不同的温度范围内，提供不同的能量，分别形成红绿蓝等颜色的图像，套印形成彩色图像。

可擦写热敏纸是利用热敏物质在不同温度范围内的显色和消色特性工作的。可擦写热敏纸（卡）目前在国外广泛应用于可充值车票、会员卡等领域。

双面热敏纸是热敏纸的两面都有热敏涂层，两面都可打印信息。目前的热敏纸绝大多数是单面的，使用时，只能在有热敏层的一面打印信息，另一面白白浪费掉了，造成资源的巨大浪费。而双面打印纸将使热敏纸的利用率提高一倍，大大节省资源，符合节能环保的发展趋势，具有广阔的发展前景。

[1]纸、纸板和纸浆亮度（白度）的测定漫射/垂直法.GB/T 7974-2002

[2]纸和纸板厚度的测定.GB/T451.3-2002纸和纸板平滑度的测定（别克法）.GB/T 456-2002

[3]纸和纸板抗张强度的测定法（恒速加荷法）.GB/T 453-2002

[4]热敏彩票纸.QB/T 2694-2005

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.09.087