臺灣化學教育

感熱紙的熱致作畫和酸鹼多段變色實驗

廖旭茂^{1, 2,} *、黃家均¹、林群耀¹、廖心妍¹

¹國立大甲高級中學
²教育部高中化學學科中心
*[email protected]

n  影片觀賞

感熱紙的簡單測試實驗曾經出現在教育部高中化學學科中心所研發的實驗影片—感熱酸鹼試紙（註1），當觀看該影片時對其中的呈色原理不是很清楚，經過一番文獻探討，並經實驗測試後，終於釐清其中的來龍去脈。本影片是由作者在國立大甲高中化學實驗室拍攝，並提供其製作的詳細過程。

影片網址：感熱紙測試，https://youtu.be/91XnuKONm7I

n  簡介

傳真紙又稱感熱紙或熱敏紙，其變色的過程常引發高中學生的濃厚興趣，除了背後隱藏的化學原理外，加上傳真紙的塗層中所使用的化學物質—雙酚A，可能是一種環境荷爾蒙等問題，近年來也有很多中小學生把傳真紙的議題選為科展的題目，進行探究。傳真紙如何變色？經文獻探討發現傳真紙塗層結構傳真列表機內有一個小型加熱元件，當傳真紙與加熱頭接觸時，傳真紙內的熱敏染料會發生化學變化，因而變色（註2）。大部分的熱敏染料多屬於內酯類的隱型染料（leuco dye），因酸鹼改變、氧化還原、紫外線照射與否，甚至壓力改變而改變顏色（註3）。傳真紙中含有四種不同類型的成像化合物，包括：隱型染料，發展劑，敏化劑和穩定劑，最後還有一層保護層，可減少因暴露於UV光、水、油脂、塑化劑等原因而造成熱圖像的褪色（註4）。

本實驗演示利用焊錫用的烙鐵，熱風槍以及盛裝於指甲油瓶的酸與鹼溶液，活潑地將傳真紙的特性呈現出來，並說明反應發生的原理。

n  藥品與器材

熱風槍、30 W烙鐵、指甲油罐、呈色孔盤、傳真紙、6 M氫氧化鈉10毫升、12M濃鹽酸10毫升、15M濃磷酸10毫升、冰醋酸。

n  實驗步驟

一、演示規劃A：利用烙鐵在傳真紙上作畫

1.        取一張傳真紙，大小約15 Ï 15 cm，若紙張捲曲，以書本壓5分鐘後，平鋪在桌上。

2.        取一支30 W焊錫用烙鐵，插上電源，預熱3分鐘後，試以烙鐵頭接近紙面，觀察紙面上有何變化？

3.        練習以烙鐵頭輕輕劃過紙面，隨即可在傳真紙上作畫。

4.        作畫完畢後，拔掉插頭，將烙鐵至於烙鐵架中，避免誤觸燙傷。圖 1為完成的一幅畫。

圖1：傳真紙的熱致變色作畫

二、演示規劃B：利用熱風槍和酸鹼溶液在傳真紙上玩圈叉遊戲

1.        取一張傳真紙，大小約A4紙大小，若紙張捲曲，同前，以書本壓5分鐘後，平鋪在桌上。

2.        將冰醋酸及配製好的6 M氫氧化鈉溶液倒入指甲油的空玻璃瓶內，備用。

3.        先以玻璃瓶的毛刷沾取少許冰醋酸，在傳真紙上寫下「Thermal paper」，觀察紙面的顏色變化。

4.        取一預熱過的熱風槍，輕輕靠近傳真紙面（四個角落事先以膠帶固定住），觀察紙面變化。持續靠近紙面3秒鐘觀察紙面顏色的變化。

5.        利用熱風槍的熱風吹拂在紙面的空白處，讓紙面全部變色後，用指甲油的毛刷沾取少許氫氧化鈉，在紙面上畫出九宮格線，觀察紙面上顏色的變化，另一同學同樣取一個盛有氫氧化鈉的指甲油瓶，以瓶口的刷子沾取少量的氫氧化鈉溶液，接著在九宮格內開始玩起圈叉遊戲。

6.        待溶液稍乾後，沾少量冰醋酸，毛刷延著之前打叉的筆跡畫過，觀察紙面顏色的變化。

7.        演示結束後，沖洗毛刷，並將指甲油瓶中剩餘的酸鹼溶液倒回原來的塑膠試劑瓶中儲存。待下次實驗再用。圖2為演示實驗結果。

 

圖2：冰醋酸在傳真紙上留下的字跡（左），在傳真上的圈叉遊戲（右）

n  酸鹼多段變色實驗

當以熱風槍吹拂紙面時，紙面剛開始呈現暗紅棕色（見影片2分14~20秒），繼續加熱轉為暗黑色，這個現象引起我們的好奇：傳真紙的感溫變色，是否存在多段變色？決定探究塗層的性質。首先以酒精為溶劑萃取傳真紙表面的成分，當酒精與傳真紙碎片共浴10分鐘後，結果發現酒精溶劑的顏色漸漸轉為紅棕色。萃取過程如圖3所示。

 

圖3：傳真紙碎片（左），用酒精萃取的溶液呈現紅棕色（右）

接著，以萃取液進行酸鹼測試，由實驗結果發現三種酸的濃度越高，傳真紙的顏色變化越快、越深；冰醋酸直接變為深墨綠色至黑色；而濃鹽酸（12 M）與濃磷酸（15 M）則先變桃紅色，一段時間後變回深墨綠色，這一點根據文獻探討的說明相符，感熱的隱型染料會有介穩狀態（Metastable State）的存在。圖4為萃取液在不同濃度的酸中的呈色。

圖4：萃取液加入酸液後（3:1的混合）的呈色圖

n  原理與概念

一、傳真紙的構造：主要包括隱型染料、發展劑、敏化劑、穩定劑（註4）。相關介紹如下：

1.        隱型染料

直接在感熱紙中使用的隱形染料，通常是三芳基甲烷苯酞染料，如山本藍4450，或螢光黃母體染料（fluoran），例如：Pergascript黑色2C。第三個廣泛使用的隱形染料是結晶紫內酯。這些染料在結晶或在中性環境下具有無色的形式，但當熔解成熔融態或暴露於酸性環境中時，分子內的內酯環斷裂，生成了有色狀態，螢光黃母體的結構如圖5所示。

圖5：螢光黃母體結構式

2.      發展劑

無色染料，除非它們與一種或多種有機酸結合，不然在一般情況下，熔化時只會呈現淡淡顏色。傳真紙中常用的有機酸是酚類，例如：雙酚A（BPA），其結構如圖6所示。

圖6：雙酚A結構式

3.      敏化劑

當無色染料和發展劑熔化在一起，即足以產生顏色。然而發展劑和無色染料在熔融態時往往無法有效混和，所以為了控制變色溫度並促進混合，通常會在成像層添加敏化劑作為溶劑。敏化劑通常是簡單的醚分子如1,2-雙–（3-甲基苯氧基）乙烷，其結構如圖7所示。這種材料約在100℃熔化。

圖7：1,2-雙（3-甲基苯氧基）乙烷

4.      穩定劑

在感熱紙上的染料通常不穩定，而且在高溫或潮濕的時候，會變回原來的無色結晶狀態，因此稱為穩定劑的物質會被加到感熱紙中。穩定劑與發展劑相似通常是複雜多官能的酚類，用來抑制染料和顯影劑的再結晶，進而讓列印的圖像更穩定。

二、感溫也感酸鹼

根據文獻和實驗結果推論：傳真紙除最外層的防水穩定層外，內部主要的變色反應主要是由作為變色之用的隱型染料、作為溶劑的敏化劑以及作為有機酸的雙酚A所控制（前兩者被微膠囊包覆）。當烙鐵頭或熱風槍送出的熱風溫度升高至80℃時，紙內塗層中微膠囊內固態的混合物熔化，微膠囊破裂，隱型染料與雙酚A相遇，雙酚A解離出H⁺，讓隱型染料的內酯環打開，形成一個大型的共軛環系統（有色），於是熱風吹過的地方，紙面呈深墨綠色，如同酸鹼指示劑酚酞的變色一般（註5）。當以沾有氫氧化鈉的毛刷覆刷時，鹼中和了有機酸，隱型染料的內酯環因而關閉，紙面由深墨綠色恢復成白色的狀態；當以毛刷沾少許的醋酸再次覆刷原來的筆跡時，紙面立刻又由白色轉為墨綠色的狀態。因此判斷感溫染料其實是一種酸鹼指示劑，在酸性環境中墨綠色（見圖8左），而鹼性環境中則變為無色（見圖8右）。結晶紫內酯是常見的隱型染料之一，在不同酸鹼環境中，其結構的變化如圖8所示。

圖8：染料在不同的酸鹼環境中的反應式，左邊的結構式呈深墨綠色，右邊的結構式呈白色

n  雙酚A的安全顧慮

關於傳真紙，其實最受大眾關注的議題是塗層中的發展劑─雙酚A，是一種環境荷爾蒙（又稱內分泌干擾素），有BPA具有類似激素的特性。自2008年以來，一些國家的政府已經研究了它的安全性，這促使一些零售商將含聚碳酸酯的產品下架。美國食品和藥物管理局（FDA）2010年的報告中指出，雙酚A可能危害到胎兒，嬰兒和年幼的孩子因而終止了在嬰兒奶瓶和嬰兒奶粉包裝中使用雙酚A的授權（註6）。

不過根據「前林口長庚醫院臨床毒物科主任林杰樑表示，感熱紙有很多種，並非所有品項都含有雙酚A，目前財政部用於電子發票的感熱紙不含有雙酚A」（註7），因此平常如果還是很常接觸感熱紙，擔心其中是不是含有雙酚A，而影響人體健康，最好的清除方式就是勤洗手，但不要用含有酒精成分的乾洗手液，這樣反而可能會讓皮膚吸收更多的雙酚A，用肥皂洗手更好。

在未來的趨勢中，我們認為不論是傳統發票或是感熱紙發票，都可能逐步被淘汰，資訊愈發達的情形下，愈多人拿智慧型手機或是悠遊卡，在時下社會已經可以使用悠遊卡付款，在其他地區也已經能用手機付款，故發票全面邁入電子化是指日可待的事情。

n  安全注意及廢棄物處理

本實驗演示用的焊錫用的高溫烙鐵，操作時要注意安全，避免燙傷。冰醋酸、及氫氧化鈉等廢棄溶液依規定回收處理。實驗後應該用肥皂洗手。

n  參考資料

1.      【化學迷思系列】感熱酸鹼試紙（2015），https://youtu.be/yVXyPc2FKVw。

2.        袁渭康（主編）（2001）。從葉綠素到激光盤。臺北市：牛頓。

3.        廖旭茂（2013）。自製感溫和感光變色異形。科學研習，52-7，36-41。

4.        Thermal paper, Wikipedia, https://en.m.wikipedia.org/wiki/Thermal_paper.

5.        余岳川（2002）。生活化學2。臺北市：眾光文化。

6.        Bisphenol, Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Bisphenol_A.

7.        梁雲芳（2012） 感熱紙有毒？小祕訣避開環境荷爾蒙危害。大家健康雜誌。2016年2月28日，http://www.jtf.org.tw/health/Show.asp?This=1533。