ТЕРМОЧУВСТВИТЕЛЬНАЯ БУМАГА
THERMOSENSITIVE PAPER

Эта патентная заявка претендует на приоритет относительно патентной заявки США No. 60/633143, поданной 3 декабря 2004, и полностью включает ее содержание.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к термочувствительной бумаге (термобумаге) с улучшенными термическими свойствами. В частности, настоящее изобретение относится к термобумаге, содержащей базовый слой, который обеспечивает улучшенные термоизоляционные характеристики, что, в свою очередь, обеспечивает многочисленные преимущества для термобумаги.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Системы термопечати используют термический элемент печати, возбуждаемый для нагрева отдельных и точно определенных областей чувствительной к теплу бумаги, предоставляя картину считываемых символов или графику на чувствительной к теплу бумаге. Чувствительная к теплу бумага, известная также как термобумага, включает в себя материал(ы), реагирующие на приложенное тепло. Термобумага представляет собой самодостаточную систему, которая использует непосредственно термический эффект без применения чернил. Выгода при этом заключается в отсутствии необходимости предоставления пишущему механизму чернил или красящего вещества.
Системы термической печати обычно включают в себя устройства систем учета реализации (POS), факсимильные машины, счетные машины, автоматизированные банковские машины (АТМ), машины кредитных карточек, машины газовых насосов, электронные графические доски и т.п. Хотя вышеупомянутые системы термической печати пользуются широким спросом, другие применения также были бы возможны, если бы качество термобумаги можно было улучшить.
Некоторые образцы термобумаги, полученные в системах термопечати, имеют низкое разрешение записанного изображения, ограниченное время существования изображения (выцветание), нестойкость термобумаги перед печатью (необходимость осторожности при обращении, пересылке, и хранении), и т.п.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Ниже упрощенно представлена сущность изобретения для обеспечения общего понимания некоторых аспектов изобретения. Это изложение не является расширенным рассмотрением изобретения и не призвано идентифицировать ключевые или критические элементы изобретения или обозначать область применения изобретения. Единственная цель данного изложения заключается в том, чтобы предоставить некоторые понятия изобретения в упрощенной форме как введение к более подробному описанию, представленному далее.
Настоящее изобретение предоставляет композитный предшественник (прекурсор) термобумаги, содержащий (a) слой подложки; и (b) базовый слой, расположенный на слое подложки, причем базовый слой содержит связующее и, по меньшей мере, одну улучшающую пористость присадку, причем композитный предшественник термобумаги имеет термическую эффузию, которая, по меньшей мере, приблизительно на 2% менее термической эффузии пор композитного прекурсора термобумаги без присадки.
Настоящее изобретение предоставляет термобумагу, содержащую базовый слой, который обеспечивает термоизоляционные свойства, которые смягчают передачу тепла от активного слоя до слоя подложки. Смягчение передачи тепла приводит к печати изображения улучшенного качества. Термоизоляционные свойства базового слоя позволяют также использовать умеренное количество материалов активного слоя, которые обычно дороги, по сравнению с другими компонентами термобумаги.
Один аспект изобретения относится к термобумаге, содержащей слой подложки; активный слой, содержащий компоненты формирования изображения; и базовый слой, расположенный между слоем подложки и активным слоем, причем базовый слой содержит связующее и улучшающую пористость присадку, имеющую определенную термическую эффузию. Определенная термическая эффузия задает, отчасти, улучшенные термоизоляционные свойства термобумаги. Базовый слой не должен содержать формирующие изображение компоненты, которые включены в активный слой.
Другой аспект изобретения относится к получению термобумаги, включающей формирование базового слоя, содержащего связующее и улучшающую пористость присадку, для улучшения термической эффузии над слоем подложки; и формирование активного слоя, содержащего формирующие изображение компоненты над базовым слоем.
Еще один аспект изобретения относится к печатной термобумаге, содержащей слой подложки, активный слой и базовый слой, расположенный между слоем подложки и активным слоем, причем базовый слой содержит связующее и улучшающую пористость присадку, включая приложение локализованного тепла, с использованием принтера с термобумагой, к образцу желаемого изображения, для формирования желаемого изображения на термобумаге.
Для выполнения упомянутых и соответственных целей изобретение содержит признаки, вполне описанные ниже и специально отмеченные в формуле. В нижеследующем описании и на соответствующих чертежах подробно показаны некоторые иллюстративные аспекты и воплощения изобретения. Они характерны, но это лишь несколько различных вариантов применения принципов изобретения. Другие задачи, преимущества и новые признаки изобретения станут очевидными из следующего подробного описания изобретения при одновременном рассмотрении чертежей.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг.1 изображает вид сечения термобумаги в соответствии с одним аспектом предмета изобретения.
Фиг.2 - вид сечения термобумаги в соответствии с другим аспектом предмета изобретения.
Фиг.3 - вид сечения способа формирования изображения на термобумаге в соответствии с одним аспектом предмета изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Выражение "композитный прекурсор термобумаги без присадки" обозначает композитный прекурсор термобумаги, не содержащий, по меньшей мере, одну улучшающую пористость присадку в своем базовом слое.
Вообще говоря, термобумага покрыта базовым слоем и бесцветным составом (активный слой), который впоследствии образует изображение при приложении тепла. При прохождении через отображающее устройство точные порции тепла, прикладываемые печатающей головкой, вызывают реакцию, которая создает изображение (обычно черное или цветное) на термобумаге. Базовый слой данного изобретения выполнен так, чтобы он имел термическую эффузию, улучшающую качество и/или эффективность печати на термобумаге.
Технология непосредственного термического изображения, в рамках изобретения, допускает применение печатающей головки, при которой вырабатываемое тепло инициирует выпускание чернил в активном слое термобумаги. Это также известно как технология непосредственного термического изображения и при этом используется термобумага, содержащая чернила, в основном бесцветные, в активном покрытии на поверхности. Вырабатываемое в элементе печатающей головки тепло переводится на термобумагу и активизирует чернильную систему для получения изображения. Технология термического формирования изображения может также использовать, дополнительно к термобумаге, передающую ленту. В этом случае вырабатываемое тепло в печатающей головке передается на пластиковую ленту, которая, в свою очередь, выпускает чернила для осаждения на термобумаге. Это известно как термическая передача изображения, в противоположность прямому термическому формированию изображения.
Термобумага обычно имеет, по меньшей мере, три слоя: слой подложки, активный слой для формирования изображения и базовый слой между слоем подложки и активным слоем. Термобумага может, при необходимости, иметь один или несколько дополнительных слоев, включающих в себя верхний покрывающий слой (иногда именуемый защитным слоем) над активным слоем, заднюю защиту, смежную со слоем подложки, усиливающие изображение слои, или любой другой подходящий слой, для повышения характеристик и/или обращения.
Слой подложки обычно имеет листовую форму. То есть, слой подложки имеет форму страниц, полотен, лент, полос, ремней, пленок, карт и т.п. Листовая форма означает, что слой подложки имеет два больших поверхностных измерения и сравнительно небольшую толщину. Слой подложки может быть непрозрачным, прозрачным, полупрозрачным, цветным и нецветным (белым). Примеры материалов слоя подложки включают в себя бумагу, волокнистые синтетические материалы и синтетические пленки, например целлофан и синтетические полимерные листы (синтетические пленки могут быть литыми, прессованными или сформированными иным способом). В этом смысле термин термобумага не является ограничивающим.
2
2
2
2
Слой подложки имеет достаточный исходный вес для поддержки, по меньшей мере, активного слоя и базового слоя и возможно достаточный исходный вес для дополнительной поддержки возможных дополнительных слоев, например верхнего покрывающего слоя и/или задней защиты. В одном варианте реализации слой подложки имеет исходный вес около 14 г/м или более, и около 50 г/м или менее. В другом варианте реализации слой подложки имеет исходный вес около 30 г/м или более, и около 148 г/м или менее. Еще в одном варианте реализации слой подложки имеет толщину около 40 микрон или более, и около 130 микрон или менее. И еще в одном варианте реализации слой подложки имеет толщину около 20 микрон или более, и около 80 микрон или менее.
Активный слой содержит формирующие изображение компоненты, которые становятся видимыми человеческим глазом или машинным считывателем после локального воздействия теплом. Активный слой содержит один или несколько красителей, хромогенное вещество, проявитель, инертный пигмент, антиоксиданты, замасливатели, полимерные связующие, сенсибилизатор, стабилизатор, увлажнители и парафины. Активный слой иногда обозначается как реактивный или термический слой. Компоненты активного слоя обычно однородно распределены по всему активному слою. Примеры красителей, хромогенных веществ и инертных пигментов включают в себя флуоресцентные, органические и неорганические пигменты. Эти составы могут привести к черно-белой печати или к цветной печати. Примеры проявителей включают в себя кислотные проявители, например кислотные фенольные составы и ароматические карбоксильные кислоты. Примеры сенсибилизаторов включают в себя эфирные составы, например ароматические эфирные составы. Один или несколько из любых активных компонентов слоя могут быть микроскопически инкапсулированы, или нет.
2
2
2
2
2
2
Активный слой имеет достаточный исходный вес для обеспечения видимого, обнаруживаемого и/или желаемого изображения на термобумаге для конечного пользователя. В одном варианте реализации активный слой имеет исходный вес около 1,5 г/м, или более, и около 7,5 г/м, или менее. В другом варианте реализации активный слой имеет исходный вес около 3 г/м, или более, и около 30 г/м, или менее. Еще в одном варианте реализации активный слой имеет исходный вес около 5 г/м, или более, и около 15 г/м, или менее. Еще в одном варианте реализации активный слой имеет толщину около 1 микрона или более, и около 30 микрон или менее. В другом варианте реализации активный слой имеет толщину около 5 микрон или более, и около 20 микрон или менее.
Одно из преимуществ данного изобретения заключается в том, что для термобумаги требуется менее активный слой (или менее активные компоненты слоя), по сравнению с термобумагой, которая не содержит базовый слой, имеющий определенные свойства термической эффузии, как указано выше. Поскольку активный слой термобумаги обычно содержит наиболее дорогие компоненты термобумаги, то снижение размера активного слоя является значительным преимуществом получения данной термобумаги.
Базовый слой содержит связующее и улучшающую пористость присадку и имеет определенную термическую эффузию, как указано выше. Базовый слой может дополнительно при необходимости содержать диспергатор, увлажнитель и другие добавки при том, что параметры термической эффузии сохраняются. В одном варианте реализации базовый слой не содержит формирующие изображение компоненты; то есть базовый слой не содержит никакой краситель, хромогенное вещество, и/или органические и неорганические пигменты.
Базовый слой содержит достаточное количество связующего для поддержания улучшающей пористость присадки. В одном варианте реализации базовый слой содержит около 5% по весу или более, и около 95% по весу или менее связующего. В другом варианте реализации базовый слой содержит около 15% по весу или более, и около 90% по весу или менее связующего.
Примеры связующих включают в себя водорастворимые связующие, например крахмалы, гидроксиэтилцеллюлозу, метилцеллюлозу, карбоксиметилцеллюлозу, желатин, казеин, поливиниловый спирт, модифицированный поливиниловый спирт, полиакрилат натрия, акриловый амид/акрил эфирный сополимер, акриловый амид/акрил эфир/метакриловый кислотный терполимер, щелочные соли сополимера стирол/малеинового ангидрида, щелочные соли сополимера этилен/ малеинового ангидрида, поливинилацетат, полиуретан, полиакриловые эфиры, стирол/бутадиеновый сополимер, акрилонитрил/бутадиеновый сополимер, метилакрилат/бутадиеновый сополимер, этилен/винилацетатный сополимер, и т.п. Прочие примеры связующих включают в себя полиэфирную смолу, винилхлоридную смолу, полиуретановую смолу, винилхлоридацетатный сополимер, сополимер винилхлоридакрилонитрила, эпоксидную смолу, нитроцеллюлозу, и т.п.
Улучшающая пористость присадка данного изобретения имеет, по меньшей мере, одну поверхность большой площади, большой объем пор, узкое распределение размеров частиц и/или высокую пористость при компоновке в слое (и, таким образом, имеет большой объем пор). Примеры улучшающих пористость присадок включают в себя одну или несколько из обожженных глин, например обожженный каолин, прокаленный обожженный каолин, и обожженный бентонит, обработанный кислотой бентонит, оксид алюминия с большой площадью поверхности, гидратированный оксид алюминия, бемит, прокаленный обожженный тригидрат оксида алюминия (ATH), кремнезем, силикагель, цеолиты, цеолитоподобные вещества и другие молекулярные сита, клатраты, микро-, мезо-, и макро-пористые частицы, фосфаты оксида алюминия, фосфаты металл-алюминий оксидов, слюда, сшитые глины и т.п. Эти составы коммерчески доступны во многих источниках.
Базовый слой может содержать, по меньшей мере, одну улучшающую пористость присадку, по меньшей мере, две улучшающие пористость присадки, по меньшей мере, три улучшающие пористость присадки, и так далее. Улучшающая пористость присадка дает вклад в желательные свойствам термической эффузии базового слоя. В одном варианте реализации, в котором имеется, по меньшей мере, две улучшающие пористость присадки в базовом слое, одна улучшающая пористость присадка представляет собой кальцинированную глину, например обожженный каолин, и другая улучшающая пористость присадка представляет собой одно из следующего - обработанный кислотой бентонит, оксид алюминия с высокой площадью поверхности, гидратированный оксид алюминия, прокаленный обожженный каолин, прокаленный обожженный ATH, кремнезем, силикагель, цеолит, микро-, мезо-, или макро-пористые частицы, фосфат оксида алюминия, молекулярное сито, клатраты, сшитые глины, бемит, слюда или фосфат металлооксидного алюминия.
Другие используемые улучшающие пористость присадки включают в себя цеолиты. Цеолиты и/или цеолитоподобные вещества, часто также обозначаемые как молекулярные сита, - класс микро- и мезо-пористых материалов с системой 1, 2, 3 D-пор и с рядом соединений, включая кремнезем, алюмосиликаты (природные и традиционные комплексные цеолиты), алюмофосфаты (ALPO), кремний-алюмофосфаты (SAPO) и многие другие. Одно из ключевых свойств этих материалов заключается том, что они (во многих случаях) обратимо адсорбируют и десорбируют большие количества структурной воды, и если они стабильны в своем обезвоженном состоянии, то они также обратимо адсорбируют и десорбируют другие газы и пары. Это становится возможным благодаря их микро- и мезо-пористой структуре.
Пористость в цеолитах можно наилучшим образом представить в виде каналов или клеток с малыми окнами. В зависимости от того, как они пересекаются, образуются
3
1-, 2- или 3-мерная система пор с диаметрами пор и отверстиями пор, изменяющимися от приблизительно 2,5 ангстрем до более чем 100 ангстрем. В результате, они содержат заметный объем пор в своих структурах, и их плотность оказывается ниже, чем в таких же непористых, или плотных, полиморфных аналогах. В некоторых случаях может иметь место, по меньшей мере, на 50% меньшая плотность. Степень пористости чаще всего оценивается как объем пор (см/г) или как плотность каркаса (FD). Для плотной структуры кремнезема (кварц) FD оценивается приблизительно как 26,5. В таблице 1 показаны примеры некоторых наиболее общих структур, включая характеристики их пористости.
Таблица 1
Свойствоцеолитов
Объем пор(см<sup>3</sup>/г)
FD (T/1000A<sup>3</sup>)
Размер пор (А)
Тип каналов
Анальцим
0,18
18,5
2,6
1-D
ZSM-4
0,14
16,1
7,4
3-D
Ферриерит
0,28
17,6
4,8
2-D
Содалит
0,35
17,2
2,2
3-D
Цеолит A
0,47
12,7
4,2
3-D
Цеолит Х
0,50
13,1
7,4
3-D
2
3
2
3
2
3
Для пористых присадок, отличающихся от обожженных глин, улучшающая пористость присадка данного изобретения имеет одно или несколько из, - по меньшей мере, около 70% по весу частиц размером 2 микрона или менее, по меньшей мере, около 50% по весу частиц размером 1 микрон или менее, площадь поверхности, по меньшей мере, около 10 м/г, и объем пор, по меньшей мере, около 0,1 см/г. В другом варианте реализации улучшающая пористость присадка данного изобретения (отличающаяся от обожженной глины) имеет одно или несколько из, - по меньшей мере, около 80% по весу частиц размером 2 микрона или менее, по меньшей мере, около 60% по весу частиц размером 1 микрон или менее, площадь поверхности, по меньшей мере, около 15 м/г, и объем пор, по меньшей мере, около 0,2 см/г. Еще в одном варианте реализации улучшающая пористость присадка данного изобретения (отличающаяся от обожженной глины) имеет одно или несколько из, - по меньшей мере, около 90% по весу частиц размером 2 микрона или менее, по меньшей мере, около 70% по весу частиц размером 1 микрон или менее, площадь поверхности, по меньшей мере, около 20 м/г, и объем пор, по меньшей мере, около 0,3 см/г.
Обжиг разрушает кристалличность водного каолина или бентонита и делает каолин/глину по существу аморфными. Обжиг обычно происходит после нагрева до температур в диапазоне приблизительно от 700 до приблизительно 1200°C в течение достаточного периода времени. Коммерческие вертикальные и горизонтальные вращающиеся обжиговые печи могут быть использованы для производства метакаолина, частично обожженного каолина, и/или обожженного каолина. Кислотная обработка включает контакт глины с некоторым количеством минеральной кислоты для получения по существу аморфной глины.
2
3
2
3
2
3
В одном варианте реализации обожженная глина в соответствии с данным изобретением имеет одно или более из, - по меньшей мере, около 70% по весу частиц размером 2 микрона или менее, по меньшей мере, около 50% по весу частиц размером 1 микрон или менее, площадь поверхности, по меньшей мере, около 5 м/г, и объем пор, по меньшей мере, около 0,1 см/г. Еще в одном варианте реализации обожженная глина в соответствии с данным изобретением имеет одно или несколько из, - по меньшей мере около 80% по весу частиц размером 2 микрона или менее, по меньшей мере, около 60% по весу частиц размером 1 микрон или менее, площадь поверхности, по меньшей мере, около 10 м/г, и объем пор, по меньшей мере, около 0,2 см/г. Еще в одном варианте реализации обожженная глина в соответствии с данным изобретением имеет одно или несколько из, - по меньшей мере, около 90% по весу частиц размером 2 микрона или менее, по меньшей мере, около 70% по весу частиц размером 1 микрон или менее, площадь поверхности, по меньшей мере, около 15 м/г, и объем пор, по меньшей мере, около 0,3 см/г.
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
Как было отмечено, улучшающая пористость присадка из необожженной глины или обожженная глиняная улучшающая пористость присадка может иметь объем пор, по меньшей мере, около 0,1 см/г, по меньшей мере, около 0,2 см/г, или, по меньшей мере, около 0,3 см/г. В другом случае необожженная глиняная улучшающая пористость присадка или обожженная глиняная улучшающая пористость присадка может иметь эквивалентный объем пор, по меньшей мере, около 0,1 см/г, по меньшей мере, около 0,2 см/г, или, по меньшей мере, около 0,3 см/г. В связи с этим, пока отдельные частицы улучшающей пористость присадки могут не иметь необходимый объем пор при компоновке в слое, частицы улучшающей пористость присадки могут образовать результирующую структуру (базовый слой), который является пористым и имеет такую пористость, как если бы слой был сделан из улучшающей пористость присадки с объемом пор, по меньшей мере, около 0,1 см/г, по меньшей мере, около 0,2 см/г, или, по меньшей мере, около 0,3 см/г. То есть, базовый слой может иметь объем пор, по меньшей мере, около 0,1 см/г, по меньшей мере, около 0,2 см/г, или, по меньшей мере, около 0,3 см/г, Таким образом, улучшающая пористость присадка может быть пористой сама по себе или она может повысить пористость базового слоя.
2
Площадь поверхности определяется по методике BET с использованием N в качестве адсорбента. Иначе, площадь поверхности определяется с использованием Gardner Coleman Oil Absorbtion Test и основан на ASTM D-1483-84, когда измеряются граммы абсорбированного масла на 100 граммов каолина. Объем пор или пористость измеряется стандартными методами ртутной порометрии.
Все упоминаемые размеры частиц определены стандартной методикой осаждения с использованием анализатора Micromeritics, Inc.'s SEDIGRAPH  5100. Размеры в микронах приведены как "e.s.d." (эквивалентный сферический диаметр). Частицы взвешены в воде с дисперсантом и откачиваются через чувствительный элемент при перемешивании для рассеивания свободного агломерата.
Примеры коммерчески доступной обожженной глины в соответствии с данным изобретением включают в себя материалы, например, с торговыми обозначениями Ansilex , например, Ansilex  93, Satintone , и Translink , доступный из Engelhard Corp. of Iselin, New Jersey.
2
2
2
2
2
2
2
2
Базовый слой содержит достаточное количество улучшающей пористость присадки для вклада в обеспечение изолирующих свойств, например полезной термической эффузии, которая облегчает получение высококачественного изображения в активном слое. В одном варианте реализации базовый слой содержит около 5% по весу или более, и около 95% по весу или менее улучшающей пористость присадки. В другом варианте реализации базовый слой содержит около 15% по весу или более и около 90% по весу или менее улучшающей пористость присадки. Еще в одном варианте реализации базовый слой содержит около 15% по весу или более и около 40% по весу или менее улучшающей пористость присадки. Базовый слой имеет достаточный исходный вес для обеспечения изолирующих свойств, например полезной термической эффузии, которая облегчает получение высококачественного изображения в активном слое. В одном варианте реализации базовый слой имеет исходный вес около 1 г/м или более и около 50 г/м или менее. В другом варианте реализации базовый слой имеет исходный вес около 3 г/м или более и около 40 г/м или менее. Еще в одном варианте реализации базовый слой имеет исходный вес около 5 г/м или более и около 30 г/м или менее. Еще в одном варианте реализации базовый слой имеет исходный вес около 7 г/м или более и около 20 г/м или менее. В другом варианте реализации базовый слой имеет толщину около 0,5 микрон или более и около 20 микрон или менее. Еще в одном варианте реализации базовый слой имеет толщину около 1 микрон или более и около 10 микрон или менее. В другом варианте реализации базовый слой имеет толщину около 2 микрон или более и около 7 микрон или менее.
Другим полезным аспектом базового слоя является однородность толщины, достигаемая при формировании через слой подложки. В связи с этим толщина базового слоя не изменяется более чем приблизительно на двадцать процентов при выборе двух произвольных позиций базового слоя для определения толщины.
Каждый из слоев или покрытий наносится на подложку термобумаги любым подходящим способом, включая в себя возможное покрытие скребком, валиком, воздушным шабером, распылением, штамповкой, ламинированием, печатанием, запрессовкой, и т.п.
Термобумага данного изобретения имеет одно или несколько улучшенных свойств - необходимость менее активного материала слоя, улучшенная яркость изображения, улучшенная плотность изображения, улучшенная реология покрытия базового слоя, пониженное изнашивание и улучшенный термический отклик. Улучшающая пористость присадка функционирует как термический изолятор, тем самым, облегчая реакцию между формирующими изображение компонентами активного слоя, обеспечивая более интенсивное, резкое изображение при пониженных температурах и/или более быстрое формирование изображения. То есть, улучшающая пористость присадка служит для улучшения теплоизолирующих свойств на термобумаге, тем самым, улучшая эффективность активного слоя при формировании изображения.
Термическая чувствительность термобумаги определяется как температура, при которой активный слой термобумаги производит изображение удовлетворительной яркости. Фон определяется как количество тени/окраски термобумаги до формирования изображения и/или в областях термобумаги, свободных от изображения. Способность поддерживать термическую чувствительность термобумаги при снижении тени/окраски фона является значительным преимуществом данного изобретения. Полезные увеличения термического отклика в активном слое термобумаги достигаются посредством внедрения улучшающей пористость присадки в базовый слой.
Сравнение термобумаг с подобными компонентами показало, что, исключая ту (термическую по данному изобретению), которая имеет, по меньшей мере, одну улучшающую пористость присадку в базовом слое, предшественник термобумаги данного изобретения имеет термическую эффузию приблизительно на 2% меньше термической эффузии пористого композитного предшественника термобумаги без присадки. Величина 2% включает в себя среднеквадратичное отклонение около 0,5-1%, наблюдаемое в измерениях эффузии листов предшественника. В другом варианте реализации предшественник термобумаги по данному изобретению имеет величину термической эффузии приблизительно на 5% меньше термической эффузии композитного прекурсора термобумаги без присадки. В другом варианте реализации прекурсор термобумаги по данному изобретению имеет величину термической эффузии приблизительно на 15% меньше термической эффузии композитного прекурсора термобумаги без присадки.
3
Термическая эффузия является исчерпывающей мерой для распределения тепла по данному материалу. Термическая эффузия характеризует термический импеданс материала (его способность обмениваться тепловой энергией с окружающей средой). Конкретно, термическая эффузия зависит от плотности, теплоемкости и теплопроводности. Термическая эффузия может быть рассчитана как корень квадратный из теплопроводности (Вт/м·K), умноженной на плотность (кг/м), умноженной на теплоемкость (Дж/кг·K). Термическая эффузия является свойством передачи тепла, определяющим температуру границы при соприкосновении двух полубесконечных объектов с разной температурой.
Термическая эффузия может быть определена аппаратурой Mathis Instruments TC-30 Thermal Conductivity Probe, использующей модифицированную методику горячей проволоки, работающую при условиях постоянного тока. Температура нагревательного элемента в течение тестирования образца контролируется, и изменения температуры на границе между пробником и поверхностью образца при этом непрерывно измеряются.
1/2
2
В одном варианте реализации термическая эффузия (Вт с/м К) подложки, покрытой базовым слоем, составляет около 450 или менее. В другом варианте реализации термическая эффузия подложки, покрытой базовым слоем, составляет около 370 или менее. Еще в одном варианте реализации термическая эффузия подложки, покрытая базовым слоем, составляет около 330 или менее. И еще в одном варианте реализации термическая эффузия подложки, покрытой базовым слоем, составляет около 300 или менее.
Данное изобретение может быть лучше понято в связи с чертежами. На Фиг.1 показан вид сечения трех технологических слоев термобумаги 100. Слой подложки 102 обычно содержит лист бумаги. На одной стороне (сторона записи или сторона изображения) слоя подложки 102 имеется базовый слой 104. Объединение слоя подложки 102 и базового слоя 104 представляет собой пример данного композитного предшественника термобумаги.
Композитный предшественник термобумаги может быть объединен с активным слоем 106 так, чтобы базовый слой 104 был расположен между слоем подложки 102 и активным слоем 106. Это объединение является примером композитного предшественника термобумаги. Базовый слой 104 содержит улучшающую пористость присадку в связующем и обеспечивает термоизоляционные свойства и предохраняет от передачи тепловой энергии излучением от термопечатающей головки через активный слой 106 в слой 102 подложки в течение процесса записи или формирования изображения. Базовый слой 104 предохраняет также материалы активного слоя 106 от просачивания в слой подложки 102. Активный слой 106 содержит компоненты, формирующие изображение в специальных позициях в ответ на дискретную поставку тепла или инфракрасного излучения от термопечатающей головки.
На Фиг.2 показан вид сечения пятислойной структуры термобумаги 200. Слой подложки 202 содержит лист бумаги. На одной стороне (незаписываемая или задняя сторона) слоя 202 подложки имеется задняя защита 204. Задняя защита 204 в некоторых примерах предоставляет дополнительную прочность слою 202 подложки, а также предохраняет загрязнение слоя 202 подложки, который может сползти к стороне записи. На другой стороне (записываемая сторона или сторона изображения) слоя 202 подложки имеется базовый слой 208, активный слой 208 и защитное покрытие 210. Объединение слоя 202 подложки и базового слоя 208 представляет собой пример данного композитного предшественника термобумаги. Базовый слой 206 расположен между слоем 202 подложки и активным слоем 208. Базовый слой 206 содержит улучшающую пористость присадку в связующем, предоставляет термоизоляционные свойства и предохраняет передачу тепловой энергии излучением от термопечатающей головки через активный слой 208 и защитное покрытие 210 в слой 202 подложки во время процесса записи или формирования изображения. Активный слой 208 содержит компоненты, формирующие изображение в специальных позициях в ответ на дискретную поставку тепла или инфракрасного излучения от термопечатающей головки. Защитное покрытие 210 прозрачно для последующего формирования изображения и предохраняет от разрушения компоненты активного слоя 208 из-за износа термобумаги 200.
На чертежах не показано, но структуры термобумаги могут содержать дополнительные слои, и/или структуры термобумаги могут содержать дополнительные базовые и активные слои для специальных приложений. Например, термические бумажные структуры могут содержать базовый слой, дополнительно, заднюю защиту, три базовых слоя, чередующихся с тремя активными слоями, и защитное покрытие.
На Фиг.3 показан вид сечения метода 300 формирования изображения на термобумаге. Термобумага, содержащая слой 302 подложки, базовый слой 304 и активный слой 306, подвергается процессу записи. Термопечатающая головка 308 от записывающей машины (не показана) расположена около или в непосредственной близости от стороны термобумаги, имеющей активный слой 306. В некоторых примерах термопечатающая головка 308 может контактировать с термобумагой. Тепло 310 излучается и создает, индуцирует, или иным образом вызывает появление изображения 312 в активном слое 306. Температура приложенного, или требуемого, теплового потока зависит от ряда факторов, включая идентичность формирующих изображение компонент в активном слое. Поскольку базовый слой 304 расположен между слоем подложки 302 и активным слоем 306, базовый слой 304 смягчает передачу тепловой энергии от термопечатающей головки 308 через активный слой 306 на слой 302 подложки благодаря своим желаемым свойствам термической эффузии и термоизоляционным свойствам.
2
1/2
2
Способ тестирования термической эффузии: термические свойства материалов могут быть охарактеризованы рядом характеристик, например теплопроводностью, термодиффузией и термической эффузией. Теплопроводность является мерой способности материала проводить тепло (Вт/м·K). Термодиффузия есть мера способности материала переносить тепловую энергию относительно его способности к сохранению энергии (мм/с). Термическая эффузия определяется как квадратный корень из произведения теплопроводности (k), плотности (p) и теплоемкости (Сp) материала (Вт с/м K).
2
Термоизоляционные свойства пигментов настоящего изобретения были охарактеризованы с использованием аппаратуры Mathis Instruments TC-30 прямого измерения теплопроводности, измерением термической эффузии покрытых подложек. Активное покрытие не применялось. Подложки обычно покрывались базовым слоем 5-10 г/м, содержащим пигмент, и затем каландрировались до приблизительно той же гладкости в 2 микрона, как определено тестированием шероховатости с помощью Print-Parker-Surf (PPS). Лист покрытой подложки затем разрезался на части, достаточно большие, чтобы покрывать детектор TC-30. Хотя ориентация базового покрытия относительно сенсора (если поддерживается постоянным), не критично для получения полезных данных, ориентация "к сенсору" (как противоположная той, что "от сенсора") является предпочтительной и была использована. Для уверенности в том, что тепловая волна не проникает в образец, около 5-10 частей покрытой подложки были сделаны слоистыми при тестировании для увеличения полезного поперечного сечения образца. Для каждого пигмента было выполнено приблизительно 100 измерений с оптимизированными временами тестирования, временами начала возврата и временами охлаждения, и для максимизации подлежащей измерению покрытой области базового слоя, нижняя часть удалялась и помещалась сверху пакета каждые 12 измерений. Это также значительно улучшало точность измерения. Поскольку любые воздушные раковины между слоями, вызванные неоднородностью поверхностной шероховатости, негативно влияют на точность и достоверность измерений эффузии, то каландрирование является очень важным этапом подготовки образца. Любые различия эффузии, большие стандартного отклонения соответствующих измерений, обычно 0,5-1%, могут рассматриваться как реалистичные.
Поскольку величины термической эффузии подложек, покрытых базовым слоем, могут изменяться в зависимости от многих параметров, включая вес покрытия базового слоя и его состав, природу подложки, температуру и влажность во время измерения, условия каландрирования, гладкость протестированных бумаг, калибровки аппаратуры и т.п., то лучше всего оценивать и ранжировать пигменты и их термические свойства на основе сравнения относительно изменения (без улучшающей пористость присадки), а не используя их измеренные абсолютные значения эффузии.
Пример 1 изобретения
Два пигмента, покрывающие как базовое покрытие слой подложки и также покрытые коммерческим покрытием активного слоя, были оценены на термическую эффузию и качество изображения, соответственно, для иллюстрации важности термоизоляционных свойств базового покрытия в качестве изображения - и для оптической плотности, и для визуального качества/однородности. Один из пигментов был коммерчески доступным синтетическим пигментом - "Синтетический пигмент", другой был 100% обожженный каолиновый пигмент. Активные покрытия на обеих бумагах были выполнены размещением квадратов 3x3 дюйма каждой бумаги в печь, установленную на 100°C, на 2 мин. Термическая эффузия покрывающих композитов подложки/базы и их соответствующие оценки качества изображения представлены в Таблице 2. Синтетический пигмент давал более низкую эффузию и имел более высокую оптическую плотность. Визуально он воспринимался черным и имел очень хорошую однородность изображения. Образец, покрытый обожженным каолиновым пигментом, показал более высокую эффузию и более низкую оптическую плотность. В визуальных оценках этот образец казался серым с очень неоднородным изображением. В целом, данные указывают на обратное соотношение между термической эффузией прекурсора термобумаги и оптической плотностью готовой термобумаги. Визуальная оценка также показывает лучшее качество изображения для пигмента с более низкой эффузией.
Таблица 2
Пигмент
Эффузия(Вт с<sup>1/2</sup>/м<sup>2</sup> К)
Оптическаяплотность (наполном печатномлисте)
Визуальное качествоизображения
Темный цвет
Однородность
Обожженный каолин
384
0,86
серый
плохая
Синтетический пигмент
370
1,08
черный
очень хорошая
Пример 2 изобретения
Два пигмента были подготовлены, нанесены на термическую базовую бумагу, каландрированы до приблизительно той же шероховатости PPS, приблизительно в 2 мкм, и оценены на термическую эффузию. Термические эффузии были измерены на базовых покровных композитах бумаги/базы при температуре около 22°C и около 40% RH с использованием термоанализатора теплопроводности/эффузии Mathis Instruments TC-30.
Эти листы композитного предшественника термобумаги были затем покрыты коммерческим активным покрытием и оценены с использованием стандартной промышленной аппаратуры относительно оптической плотности для половины энергии. Пигменты включали в себя стандартный коммерческий обожженный каолин и водный каолин, обрабатывались силикатом натрия (20 фунтов/тонна глины). Физические характеристики этих пигментов и их покрытий сведены в Таблице 3. Водный каолин, обработанный силикатом натрия, далее в Примере 2 изобретения обозначается как обработанный водный каолин.
Таблица 3
Пигмент
Распределение размеров частиц
Площадь
Адсорбция
Вес
Средние(мкм)
% < 2 мкм
% < 1 мкм
поверхности(м<sup>2</sup>/г)
масла(г/100 г)
покрытия(г/м<sup>2</sup>)
Обожженныйкаолин
0,84
87
62
13,4
89
7,6
Обработанныйводный каолин
0,55
84
70
18,7
47
7,6
Результаты измерений эффузии листов композитного прекурсора и значения их оптической плотности для половины энергии приведены в Таблице 4.
Таблица 4
Пигмент
Эффузия(Вт с<sup>1/2</sup>/м<sup>2</sup> К)
Оптическая плотность
Обожженный каолин
349
1,31
Обработанныйводный каолин
368
1,21
Термическая эффузия прекурсора, содержащего обожженный каолин, была более чем на 5% ниже, чем для обращенного водного каолина. Эта пониженная эффузия, как ожидалось, обеспечивает улучшенное качество печати, как видно по измеренной более высокой оптической плотности. Обожженный каолин показывает приблизительно на 8% улучшение в оптической плотности по сравнению с обработанным водным каолином. В случае обработанного водного каолина термическая эффузия прекурсора термобумаги была выше, чем для обожженного каолина, что, в свою очередь, дает худшую оптическую плотность. Можно заключить, что пониженная термическая эффузия базового покровного слоя и, таким образом, композитного прекурсора термобумаги имеет положительный эффект для качества изображения конечной термобумаги.
Пример 3 изобретения
Для демонстрации влияния пористости в базовом покрытии на термическую эффузию прекурсора термобумаги были приготовлены четыре пигмента, нанесенные на термическую базовую бумагу, каландрированы до той же шероховатости PPS, приблизительно в 2 мкм, и оценены относительно термической эффузии с использованием анализатора Mathis Instruments TC-30. Пигменты включали в себя коммерческий обожженный каолин, смесь 80 частей коммерческого обожженного каолина и 20 частей коммерчески доступного цеолита кремнезема Y - "80 каолин/20 кремнезем Y", смесь 90 частей коммерческого обожженного каолина и 10 частей Engelhard дали цеолит Y - "90 каолин/10 цеолит Y" и водный каолин, обработанный силикатом натрия (20 фунтов/тонна глины) - "обработанный водный каолин". Эффузия была измерена на базовом композитном покрытии бумага/база приблизительно при 22°C и около 40% RH; объемы пор в базовых покровных слоях были получены из ртутной порометрии. Физические характеристики этих пигментов и их покрытий приведены в Таблице 5.
Таблица 5
Пигмент
Распределение размеров частиц
Площадьповерхности(м<sup>2</sup>/г)
Адсорбциямасла(г/100 г)
Веспокрытия(г/м<sup>2</sup>)
Средние(мкм)
%<2 мкм
%<1 мкм
Обработанный водный каолин
0,55
84
70
18,7
47
7,6
Обоженный каолин
0,84
87
62
13,4
89
7,6
80 Каолин/20кремнезем Y
0,77
89
66
155,2
93
7,5
90 Каолин/10 цеолит Y
0,81
86
63
25,1
75
7,5
Измерения эффузии композитных листов и объемов пор в их соответствующих базовых покровных слоях представлены в Таблице 6.
Таблица 6
Пигмент
Эффузия (Вт с<sup>1/2</sup>/м<sup>2</sup> К)
Объем пор*(см<sup>3</sup>/г)
Обработанныйводный каолин
368
0,170
Обожженный каолин
349
0,205
80 Каолин/20кремнезем Y
328
0,223
90 Каолин/10цеолит Y
316
0,225
* в Таблице 6 означает, что пористость базового слоя, покрывающего подложку имеет пределы 20-10000 А.
Результаты показывают, что термическая эффузия композитного прекурсора обратно пропорциональна объему пор в базовом покровном слое, то есть, что композитный лист с наибольшей термической эффузией имеет наинизший объем пор, и композит с самой низкой эффузией содержит наибольший объем пор. Это также показывает, что присутствие улучшающей пористость присадки в базовом покровном слое положительно влияет на его термические свойства так, что это снижает термическую эффузию композитного прекурсора термобумаги по сравнению с тем же самым, но без улучшающей пористость присадки. Можно заключить, что прекурсор, содержащий улучшающую пористость присадку и имеющий увеличенный объем пор в базовом покрытии, будет иметь меньшую термическую эффузию и, таким образом, улучшенное качество изображения готовой термобумаги.
Пример 4 изобретения
Два пигмента были подготовлены и протестированы для демонстрации позитивного влияния увеличения пористости базового покровного слоя на термическую эффузию предшественника термобумаги и на качество изображения готовой термобумаги. Один из пигментов был водным каолином, обожженным до показателя муллита 35-55 - "Обожженная глина", вторым пигментом была смесь 80 частей коммерческого обожженного каолина и 20 частей коммерчески доступного кремнезема-цеолита Y - "80 каолин/20кремнезем Y". Оба пигмента были нанесены на коммерческую термической базовую бумагу, каландрированы до приблизительно той же шероховатости PPS в 2 мкм и оценены относительно объема пор и термической эффузии. И эффузия, и объем пор были измерены на соответствующих листах прекурсора термобумаги. Листы также были обработаны коммерческим активным покровным слоем и были протестированы с использованием стандартной промышленной аппаратуры (Atlantek 200) относительно плотности изображения. Основные физические характеристики пигментов и их базовых покрытий приведены в Таблице 7.
Таблица 7
Пигмент
Распределение размеров частиц
Площадьповерх-ности(м<sup>2</sup>/г)
Адсорбциямасла(г/100 г)
Веспокры-тия(г/м<sup>2</sup>)
Средние (мкм)
%< 2 мкм
%< 1 мкм
Обожженнаяглина
1,01
82
49
10,8
90
7,7
80 Каолин/20кремнезем Y
0,77
89
66
155,2
93
7,5
2
Результаты измерений эффузии листов композитного прекурсора и их значений плотности изображения для половины энергии (~7мДж/мм), представлены в Таблице 8.
Таблица 8
Пигмент
Объем пор (см<sup>3</sup>/г)
Эффузия (Вт с<sup>1/2</sup>/м<sup>2</sup> К)
Плотностьизображения
Обожженнаяглина
0,212
383
0,48
80 Каолин/20кремнезем Y
0,223
365
0,63
*- пористость базового слоя нанесенного на подложку в пределах 20-10000 А
Объем пор смешанного пигмента был более чем на 5% выше, чем для обожженной глины. Увеличенная пористость смешанного пигмента базового покрытия, в свою очередь, положительно воздействовала на термическую эффузию полного прекурсора, которая была приблизительно на 5% ниже по сравнению с обожженной глиной, содержащейся в прекурсоре. Наиболее важно то, что плотность изображения смешанного пигмента, содержащегося на термобумаге, была значительно улучшена. Эти результаты ясно показывают преимущество улучшающей пористость присадки в базовом покрытии, положительное ее влияние на термическую эффузию предшественника и большое положительное влияние на качество изображения готовой термобумаги.
Хотя изобретение объяснено в связи с определенными реализациями, специалистам в данной области техники должно быть ясно, что возможны различные модификации в рамках приведенной спецификации. Поэтому должно быть ясно, что представленное изобретение, в рамках представленных формул, учитывает такие модификации.