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         Révision : 30 décembre 2000
Le papier thermique
Barbara TRUFFI - EFPG
(12 décembre 2000)
III - Les composants et leur réaction
 
III-1 Introduction
Les produits principaux qui composent un papier thermique sont :
    un leuco-colorant (précurseur incolore du colorant) ;
  un révélateur acide, généralement phénolique ;
  un activateur qui facilite la rencontre des deux réactifs.

Ces composants sont couchés sur le papier avec un liant soluble dans l’eau en présence de charges et d’autres produits chimiques qui améliorent les caractéristiques d’impression. La figure 2 montre comment les zones chauffées par la tête sont révélées grâce à la réaction chimique.

Figure 2 - Structure et fonctionnement d'un papier thermique
 
III-2 Le leuco-colorant

Le leuco-colorant est le précurseur de la coloration. Dans le passé, tout papier thermique contenait du Cristal Violet Lactone (CVL), dérivé du triphényl méthane, mais aujourd’hui les leuco-colorants à base de fluorane (voir figure 3) sont les plus utilisés. Par exemple, pour obtenir la couleur noire, les 2,6-diamino fluoranes. Plusieurs substitutions sur le groupe 6-amino entraînent différents degrés de stabilité de l’image, de sensibilité et de teinte.

Figure 3 - Structure de quelques leuco-colorants

Les papiers fax peuvent contenir un mélange de leuco-colorants, ce qui se traduit par une meilleure stabilité de l’image [2]. Par exemple, dans les étiquettes lues avec une diode laser, on ajoute une "couleur" appelée NIR (Near Infrared Absorbing Color Formers) qui absorbe dans la zone de l’infrarouge proche (voir figure 4).

Figure 4 - Structure d'un NIR
 
III-3 Le révélateur

Les révélateurs sont des produits acides, organiques ou minéraux, capables de protonner les leuco-colorants et de donner lieu à la réaction chimique qui produit la couleur.

Pour du papier fax, on utilise généralement des dérivés du bisphénol qui sont peu chers. Mais, pour la production des étiquettes qui exigent une meilleure qualité d’impression, on utilise des sulfones, qui sont plus onéreuses. La haute acidité de l’hydrogène hydroxyle des sulfones forme une couleur plus intense, et moins réversible, par rapport à celle qui est formée avec le bisphénol.

La figure 5 nous montre la formule développée de différents révélateurs.
Figure 5 - Formules développées de quelques révélateurs
 
III-4 L'activateur

L'activateur peut être considéré comme l'élément barrière de la couche thermique. Il n’intervient pas dans la chimie du développement de l’image, mais il est très important pour la formation du complexe couleur. L'activateur, qui fond à une température inférieure à celle des révélateurs, agit comme un "solvant" en activant la réaction entre leuco-colorant et révélateur. La figure 6 montre la formule développée de différents activateurs.

Figure 6 - Formules développées de quelques activateurs

Le choix de l’activateur est important pour déterminer la quantité d’énergie thermique utilisée pendant la réaction. Par exemple, les papiers fax utilisent un activateur qui fond à plus basse température, en raison de la modeste énergie fournie par le matériel ; la formation de l’image est donc réalisée à une température inférieure à 60°C. Pour les papiers à étiquettes la température de la réaction thermique est comprise entre 60° et 80°C.

 
III-5 La réaction

Comme le montre la figure 7, quand le leuco-colorant entre en contact avec le révélateur grâce à la fusion de l’activateur, il y a ionisation et apport de la couleur par scission des anneaux lactone de la structure moléculaire du leuco-colorant. Les caractéristiques du leuco-colorant et du révélateur ont une grande influence sur la stabilité de l’image ainsi formée.

Figure 7 - Exemple de réaction chimique entre leuco-colorant et révélateur
 
III-6 Les autres composants

Pour répondre à toutes les exigences d’une couche traditionnelle, on fait appel à plusieurs types d’additifs pour modifier les caractéristiques de la couche thermique. Il s’agit essentiellement :

    d'accroître la sensibilité ;
  d'améliorer la stabilité de l’image imprimée ;
  d'éviter l’encrassement de la tête thermique ;
  d'éviter l’adhésion du papier à la tête ;
  de réduire l’usure de la tête, et
  d'améliorer l’efficacité de l’enduction du papier.
III.6.1. Le liant

La dispersion et la séparation des produits actifs, ainsi que leur adhésion au papier, sont réalisées par l’emploi d'un liant. On utilise couramment des substances macromoléculaires solubles dans l’eau comme l’alcool polyvinylique (PVA), les co-polymères styrène-acide maléique etc., ou des émulsions aqueuses comme le latex à base de styrène-butadiène (SBR). Il faut non seulement de bonnes caractéristiques adhésives, mais aussi une faible migration en fusion, notamment dans les cas ou le papier doit résister à l’eau (ex. les étiquettes pour des aliments surgelés). Les caractéristiques du liant et d’un éventuel agent hydrofuge doivent être soigneusement considérées. Le PVA, qui est très largement utilisé, est la matière principale résistant aux plastifiants, aux huiles et à l’eau, à condition d’être combiné avec des produits convenables, tout en retenant un haut niveau d’adhésion avec le papier.

III.6.2. Le sensibilisateur

Un autre type de produit employé dans la formulation d’une couche thermique est le sensibilisateur. Il est utilisé pour réduire les besoins en énergie, afin d’obtenir une image plus foncée aux grandes vitesses d’impression. Normalement on utilise une cire à faible point de fusion, telle que la paraffine ou un amide d’acide gras, pour réduire le point de fusion des mélanges par formation d'un eutectique. Le sensibilisateur doit être choisi avec soin pour garantir la stabilité de l’image.

III.6.3. Les adjuvants de protection de la tête d'impression

La tête d'une imprimante thermique s'encrasse peu à peu pour les raisons suivantes :

    le papier thermique, qui est en contact direct avec la tête d'impression, y dépose des particules de papier. Ces dernières sont issues de l'échenillage du papier et de sa découpe ;
  les différents produits actifs (leuco-colorant, révélateur, sensibilisateur et liant), qui fondent sous l’action de la chaleur, peuvent laisser des traces sur la tête d’impression.

L’encrassement de la tête conduit à un déclin de la qualité d’impression, et même à la destruction éventuelle de la tête par surchauffe. Pour éviter les dépôts, l’adhésion, l’abrasion et l’encrassement des têtes, on ajoute au papier thermique divers produits tels que le kaolin, le talc, le carbonate de calcium, la silice, l’hydroxyde d’aluminium, etc.

 
 
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