热敏纸:购物小票背后的科学

摘要

当你到商场购物,挑选好需要的商品并支付完毕,看着收银员为你打印出购物小票时,你有没有想过,这些小票是如何打印出来的呢?

当你到商场购物,挑选好需要的商品并支付完毕,看着收银员为你打印出购物小票时,你有没有想过,这些小票是如何打印出来的呢?

heat-sensitive paper

我们通常所说的打印,就是通过特定的方式将油墨传送到纸张的特定区域,从而得到我们想要的文字或者图形。构成纸张的化学物质对任何颜色的光都没有明显吸收,因此当光线从纸张表面反射进入到我们的眼中时,我们就会看到纸是白色的。而油墨中的颜料或者染料能够将可见光中某些甚至全部颜色的光吸收,这样当油墨涂到纸的表面上后,白纸的表面就带上了颜色。我们在家中或者办公室中使用的打印机主要是喷墨打印机和激光打印机两种。喷墨打印机是将油墨的微小液滴喷射到纸张上,而激光打印机则是通过静电吸引的方法,先将碳粉吸附到光鼓上,再将它们转移到纸上。

然而,购物小票的打印却不是通过这样的方式进行的,它采用了一种特殊的纸张——热敏纸。

与普通的纸张相比,热敏纸的表面多了一层薄薄的涂层,其中含有一些特殊的化学物质,叫做隐色染料。隐色染料本身是无色的,所以新买来的热敏纸看上去和普通的纸张一样洁白。然而,一旦遇到合适的条件,它们就会发生化学反应,新产生的物质能够吸收可见光,于是我们就看到了颜色。例如结晶紫内酯等许多物质,虽然本身无色,一旦遇到酸性物质就会变成紫色。也就是说,当我们用热敏纸打印时,油墨并不是储存在打印机中,而是已经覆盖在纸上了。

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图1 结晶紫内酯遇到酸性物质会由无色变成紫色,遇到碱性物质又会重新变成无色。

不过,结晶紫内酯等隐色染料虽然很容易与酸发生反应,但它在室温下是固体,分子们都被牢牢地束缚在自己的位置上。如果接触到的酸也是固体,那么尽管大家亲密接触,在室温下却可以长时间相安无事。因此,我们可以把这些在室温下是固体的隐色染料与另外一种酸性物质的固体研磨成细小的粉末,混合后涂抹到纸张表面,就得到了热敏纸。在室温下,热敏纸看起来与普通的纸张并没有什么区别;一旦温度升高,隐色染料和酸性物质相继熔化成液体,能够自由活动的分子相遇就立刻发生反应,于是白纸上很快就显示出了颜色。这也就是热敏纸得名的原因——只有温度高到一定程度才会让纸张变色。

有了热敏纸,要想在它表面打印出文字或者图形,还需要特殊的打印机配合,这就是热敏打印机。如果你有机会拆开热敏打印机,就会发现它的内部构造非常简单:没有墨盒,主要的部件就是滚筒和打印头。用于打印小票的热敏纸通常会做成一卷一卷的。当一卷热敏纸放入打印机后,它会在在滚筒的带动下向前传送,与打印头相接触。打印头的表面有许多微小的半导体元件,可以根据我们要打印的文字或者图形对纸张的特定区域进行加热。在热敏纸与打印头发生接触的那一瞬间,打印头产生的高温使得热敏纸表面的染料和酸性物质一起熔化成液体并发生化学反应,于是纸的表面出现了文字或者图形。在滚筒的带动下,一张购物小票就被打印了出来了。

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图2 热敏打印机的工作原理:热敏纸在滚筒的带动下向前运动,与打印头接触时,打印头产生的热量熔化热敏纸表面的染料和酸,二者发生化学反应后产生颜色[1]。

为什么商家要使用热敏纸和热敏打印机来打印购物小票,而不是用我们更熟悉的激光或者喷墨式打印机呢?首先,激光或者喷墨式打印机都需要复杂的装置将墨水或者碳粉从打印机转移到纸张上,这两种打印机的体积都比较庞大,且通常需要使用交流电作为电源;而商家往往需要体积比较小巧的打印机,特别是在户外或者飞机、火车等交通工具上出售商品时,扛着笨重的打印机为顾客打印收据显然是不现实的。其次,激光或者喷墨打印机更换墨盒或者碳粉往往费时费力,如果因此耽误了顾客结账,这也是商家和消费者都非常不愿意看到的。

如果使用热敏打印机和热敏纸来代替激光或者喷墨式打印机,这些问题就迎刃而解了。由于油墨已经被预先储存在了纸上,热敏打印机不再需要复杂的构造来储存和传输油墨,可以做到非常小巧。而且它可以使用电池驱动,非常适合商家携带,特别是在户外或者交通工具上为顾客打印收据。由于构造简单,热敏打印机维护起来也非常容易,使用者不需要担心更换墨盒,只要在纸张用完时迅速换上一卷新的热敏纸就可以了,这就保证了顾客不会因此耽误太久的时间。另外,热敏打印机打印速度快、噪音低,非常适合于在商场内使用。正是由于这些优点,热敏打印不仅成为打印购物小票首选的方式,也经常被用来打印门票、标签甚至传真。

热敏纸也有一个比较大的缺陷,那就是用它打印出的文档存放一段时间后,上面的字迹会逐渐褪去。而褪色之所以发生,也是由于热敏纸使用的独特的染料。前面我们提到,覆盖在热敏纸上的隐色染料在室温下是无色的,高温时由于发生了化学反应而变成了另外一种具有颜色的结构。然而这种新的结构并不是那么稳定,遇到合适的条件又会回到之前无色的结构。比如我们前面提到的结晶紫内酯,遇到酸性物质会变成有色的结构,然而这种有色的结构遇到碱性物质又会重新变成无色。一张购物小票打印出来之后,在保存的过程中可能会与环境中形形色色的化学物质相接触,还可能会遇到日晒或者高温,这些都有可能导致热敏纸上的染料重新回到无色的形式,使得小票褪色。

为了解决这个问题,许多热敏纸的生产厂商会在染料层之上再额外添加一层保护层,尽量减少染料与其他化学物质的接触,让用热敏纸打印出来的文档能保存得更久。但是这种方法会增加热敏纸的成本,因此还会有商家继续使用没有保护层的普通热敏纸。如果你担心手中的购物小票存放久了会褪色,及时用复印或者扫描的办法留存副本不失为一个好的办法。

近年来,热敏纸由于含有双酚A而引发了许多消费者的担忧。双酚A是一种酸性物质,因此被用在热敏纸中在高温下与隐色染料发生化学反应从而产生颜色;除此之外,双酚A更多地作为制造某些塑料或者涂层的原料。因此双酚A进入人体的主要的途径是用这些容器盛放食物时,微量的双酚A随着食物一起进入人体。不过近些年来也有研究表明,接触用热敏纸打印的票据也可能导致双酚A进入人体。例如一项最新研究表明,长时间接触热敏纸后,尿液中的双酚A含量会有所增加[2]。由于双酚A的化学结构与人体分泌的主要的雌激素——雌二醇比较相似,人们担心它进入人体后可能会干扰正常的内分泌,从而增加许多疾病发生的风险。但需要指出的是,通过食物和热敏纸进入人体的双酚A的浓度都非常低,现有的研究还难以确认它会对人体的健康造成什么样的影响。不过,尽管目前双酚A还没有被禁止用于生产热敏纸,许多厂家已经开始使用别的酸性物质来替代。

如果你担心由于接触购物小票而导致微量的双酚A进入体内,那比较可行的预防办法是收到小票后就尽快将它单独存放起来而不要过多接触,同时在接触小票后洗净双手。当然,用电子收据取代纸质收据或许是更加健康环保的方式。

参考文献和注释

[1]http://www.epa.gov/dfe/pubs/projects/bpa/bpa-report-complete.pdf

[2] Shelley Ehrlich,Antonia M. Calafat, Olivier Humblet, Thomas Smith, Russ Hauser, Russ Hauser, “Handling of Thermal Receipts as a Source of Exposure to Bisphenol A”, JAMA, 2014, 311, 859

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目前评论:4   其中:访客  4   博主  0

  1. avatar 匿名 5

    还真没想到日常见到的购物票包含的科学原理,感谢作者!需要这样的科普。

  2. avatar 汇时讯 1

    平时还真没注意这个事情。。。

  3. avatar 匿名 5

    wdwd

  4. avatar 匿名 5

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