智能卡行業(yè)中影響卡體私合強(qiáng)度因素及化學(xué)分析在智能卡制作中的應(yīng)用
文章出處：http://xianjuhong.com 作者：王成 人氣： 發(fā)表時(shí)間：2011年09月30日
智能卡又稱卡, 是將具有存儲(chǔ)加密和數(shù)據(jù)處理能力的芯片鑲嵌于塑料片基中, 制成便于攜帶的卡片, 在金融、稅務(wù)、公安、交通、郵電、通訊、服務(wù)、醫(yī)療、保險(xiǎn)等各個(gè)領(lǐng)域都得到了廣泛的重視和應(yīng)用。
智能卡的加工制卡過(guò)程是多層塑料薄膜的熱壓復(fù)合過(guò)程, 其層壓效果與制卡用塑料薄膜材料之間的相容性、薄膜材料的表面狀態(tài)和潔凈度有關(guān)。
熱重分析是在程序溫控的狀態(tài)下, 測(cè)量測(cè)試樣品的質(zhì)量隨溫度變化的一種熱分析技術(shù)。接觸角就是液滴在固體表面自然形成的半圓形態(tài)相對(duì)于固體平面的外切線, 接觸角測(cè)量?jī)x同時(shí)可測(cè)量和計(jì)算樣品的表面張力、表面自由能。
表面分析是利用電子、光子、離子、原子、強(qiáng)電場(chǎng)、熱能等與固體表面的相互作用, 測(cè)量從表面散射或發(fā)射的電子、光子、離子、原子、分子的能譜、光譜、質(zhì)譜、空間分布或衍射圖像, 得到表面成分、表面結(jié)構(gòu)、表面電子態(tài)及表面物理化學(xué)過(guò)程等信息的各種技術(shù)。
1 實(shí)驗(yàn)部分
1.1主要原料
制卡用PETG薄膜材料:江蘇華信、上海達(dá)凱;PET打印膜：PETF3368 FILM, 杜邦公司;全息物理防偽膜:上海宏盾公司。
1.2主要儀器設(shè)備及測(cè)試參數(shù)
熱分析儀:Q-100, 美國(guó)TA公司, 10~750℃ ,升溫速率10℃/min 而, 氮?dú)?0ML/min;拉力機(jī):深圳瑞格爾公司RGT-0.5,GT114B.1, 證卡檢驗(yàn)-剝離力測(cè)試;熱封機(jī):GBC3500 Pro Series,80~100℃, 速度1.2 cm/s;層壓機(jī):三盾公司YTJ-Z1X8H層合機(jī), 預(yù)熱130℃ ,10S，0.5MPa;熱壓135℃ ,10S,1MPa, 冷壓:室溫10S,1MPa;XPS：Thermo公司以ESCALAB250型XPS, 鎂鋁雙陽(yáng)極, 樣品室真空度3X10 -9 PA” , 真空室2X10 -9 PA” 接觸角測(cè)量?jī)x：DATAPHYSICS公司OCA20型視頻接觸角測(cè)量?jī)x, 水滴測(cè)試打印機(jī):施樂(lè)DC1255打印機(jī)。
2 結(jié)果與討論
2.1卡體材料質(zhì)量的影響
在制卡過(guò)程中每層薄膜材料都選用同樣的卡體材料, 比如承載層用 PVC材料, 印刷層和墊平層也都用PVC材料。因?yàn)楦鲗铀芰媳∧ざ际峭环N材料,所以各層材料之間的相容性一般都會(huì)很好。但有時(shí)也會(huì)產(chǎn)生薪合不牢的現(xiàn)象。因?yàn)楸∧ぎa(chǎn)品在生產(chǎn)過(guò)程中原材料、配方、加工參數(shù)的調(diào)整都會(huì)使薄膜材料的加工性能產(chǎn)生波動(dòng), 如影響因素波動(dòng)范圍過(guò)大, 就會(huì)影響薄膜材料的層壓效果如材料存放時(shí)間比較長(zhǎng)或存儲(chǔ)條件惡劣就會(huì)發(fā)生材料的老化、氧化分解等, 這些也會(huì)影響材料的勃合效果。針對(duì)這種情況, 可以采用不同的分析手段確定影響原因避免卡體出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象。比如PETG材料的維卡軟化點(diǎn)為78℃ , 但在層壓制卡過(guò)程中, 部分薄膜材料在120℃ 的層壓溫度下層壓也難以豁合, 為查明原因, 采用了如下測(cè)試方法。
2.1.1接觸角測(cè)量?jī)x
1#、5#樣品經(jīng)過(guò)層壓, 不能反映實(shí)際表面狀態(tài),
2# 、3#、4# 樣品的接觸角測(cè)量值平均值如表2,
3# 樣品的豁合強(qiáng)度較弱, 同時(shí)接觸角測(cè)量值也較小,說(shuō)明其表面狀態(tài)和其他兩個(gè)樣品存在差異。
2.1.2表面元素分析(XPS）
如表3所示, 3#和5#樣品中的硅元素含量比1#, 2#和4#樣品中硅元素含量低, 5#樣品中的氧元素含量比其他樣品要高, 3#和5#樣品的勃合強(qiáng)度也比較弱, 說(shuō)明3#、5#樣品硅添加劑的含量有變化或
2.1.3熱重分析
如表4所示, 熱重分析表明5#樣品的加熱分解率比其他樣品的要高。
通過(guò)接觸角及表面元素分析表明樣品的表面狀態(tài)及配方組成存在差異性, 實(shí)驗(yàn)對(duì)材料表面進(jìn)行了一些處理, 如打磨、電暈等, 但勃合強(qiáng)度仍然不能達(dá)到使用要求。
由以上測(cè)試分析得出的數(shù)據(jù)判斷引起這種勃合強(qiáng)度差異的原因可能是3#、5#樣品的硅添加劑含量的變化或樣品在制作、存儲(chǔ)過(guò)程中存在氧化分解現(xiàn)象,造成不能黏合。
2.2薄膜材料的表面添加劑影響
一些薄膜材料特別是表面光滑的高透光材料在生產(chǎn)過(guò)程中為防止薄膜間的相互摩擦損傷薄膜表面, 往往會(huì)在薄膜表面加一些防滑劑, 防滑劑的主要成分是硅類化合物如仇, 這類防滑劑如果添加量控制不當(dāng)或在薄膜表面分布不均勻都會(huì)影響材料之間的相互勃合。表是一種可低溫?zé)岱獾臒岱鈹?shù)據(jù)“ 樣品為未加防滑劑的樣品, 樣品為添加正常量防滑劑的樣品, “ 樣品為添加兩倍防滑劑量的樣品。
用 GBC 3500 Pro Series熱封機(jī)從80℃ 開(kāi)始熱封,記錄熱封效果, 熱封效果以有效勃合面積比率來(lái)表示, 有效勃合面積為PET熱封面充分勃合, 熱封后PET之間不能無(wú)破損剝離開(kāi)來(lái), 以有效勃合面積除以熱封總面積即為有效勃合面積比率。每個(gè)溫度做5對(duì)210mmX150mm樣品, 取其均值, 然后溫度升高5℃ 重復(fù)以上步驟, 直至每組樣品的PET之間達(dá)到了田的有效勃合, 記錄此時(shí)溫度, 用溫度對(duì)有效薪合面積比率做圖, 得出各組樣品的熱封性能曲線, 如圖1。
從圖1中可以看出, 防滑劑用量越大, 對(duì)薪合強(qiáng)度的影響越大, 達(dá)到同樣的熱封效果所需要的溫度就越高, 在同樣的熱封溫度下, 防滑劑用量越大, 薄膜之間赫合強(qiáng)度越弱。
可以采用SIMS、XPS、AFM等測(cè)試方法對(duì)薄膜表面進(jìn)行定量或者半定量分析, 同時(shí)結(jié)合實(shí)際熱封效果, 找出合適的防滑劑用量, 避免出現(xiàn)薄膜間勃合強(qiáng)度不合格的現(xiàn)象。
2.3印刷工藝的影響
很多制卡薄膜材料都需要進(jìn)行表面印刷或者打印圖案, 然后再層壓制卡。印刷過(guò)程中油墨或防豁劑大部分為小分子溶劑, 性質(zhì)比較穩(wěn)定, 不易分解, 有些不易揮發(fā), 如果在層壓過(guò)程中這些小分子物質(zhì)沒(méi)有清除干凈, 將會(huì)導(dǎo)致薄膜之間不能很好勃合。如在薄膜打印個(gè)人化信息的過(guò)程中為防止薄膜勃附打印輥加入PDMS聚二甲基硅氧烷, 如果加人量太大就會(huì)降低薄膜材料之間的粘合強(qiáng)度。
表6 PDMS用量對(duì)PET薄膜黏合強(qiáng)度的影響
以PET薄膜在施樂(lè)DC1255打印機(jī)上打印圖像并層壓熱封為例：打印機(jī)中PDMS的用量分別控制在較高水平和正常水平，PET薄膜在其上打印圖案后與未經(jīng)打印的PET薄膜與同一種卡體材料在同樣條件下層壓制卡，各制得5卡，對(duì)三組樣卡進(jìn)行剝離測(cè)試, 并記錄其最低力值：見(jiàn)表6
在剝離測(cè)試過(guò)程中出現(xiàn)薄膜被拉斷的情況說(shuō)明薄膜已經(jīng)和卡體材料牢牢的勃合在一起。從表6可以看出, 未經(jīng)打印的薄膜材料與卡體之間的薪合強(qiáng)度是最好的, 當(dāng)PDMS用量增大時(shí), 赫合強(qiáng)度降低, 最終導(dǎo)致薪合強(qiáng)度不合格。所以在打印或印刷時(shí), 注意控制惰性添加劑的用量是很關(guān)鍵的。
可用SIMS, XPS等測(cè)試方法來(lái)測(cè)定材料表面是否存在著過(guò)量的污染物。
一些重要或者法定證件都需要有物理防偽手段,全息印刷作為一種防偽印刷手段, 在防偽技術(shù)中得到了大量的使用。現(xiàn)在大量使用的是膜壓法復(fù)制全息圖, 為了使壓印的全息圖便于在白光下觀看, 在壓好的彩虹全息片的薄膜上再鍍一層鋁或者氧化物、硫化物, 在鍍層過(guò)程中, 如果控制不當(dāng)就會(huì)對(duì)薄膜造成污染, 影響薄膜之間的豁合強(qiáng)度。
用帶有全息印刷圖案的PETG薄膜和普通PETG薄膜分別與PET薄膜在同樣制卡條件下各制卡, 并進(jìn)行剝離力測(cè)試, 見(jiàn)表7。從表7可以看出, 經(jīng)過(guò)全息印刷防偽后與之間的赫合強(qiáng)度下降。
表7全息印刷對(duì)薄膜勃合強(qiáng)度的影響
可用SIMS, XPS等方法測(cè)試全息膜表面殘留物,結(jié)合實(shí)際層壓效果確定全息膜表面處理是否干凈。一個(gè)顯然的問(wèn)題是全息膜表面潔凈程度的大小與勃合強(qiáng)度成正比, 所以在全息膜的生產(chǎn)過(guò)程中, 盡量減少全息膜的表面污染, 保持薄膜表面清潔是個(gè)很重要的問(wèn)題。
由于塑料膜是絕緣體, 容易積累靜電, 造成容易吸附灰塵, 印刷或打印質(zhì)量下降, 影響最終卡體的質(zhì)量。有時(shí)可以通過(guò)在薄膜背面噴涂防靜電液或者涂布防靜電層來(lái)解決打印靜電問(wèn)題, 但是這種處理方式在夏季高溫高濕的環(huán)境下, 容易造成表面污染。這是由于防靜電膜或者防靜電劑的主要成分是帶有親水基團(tuán)的物質(zhì), 或者是采用水溶性的基材如聚乙烯醇等川。這種物質(zhì)過(guò)多的暴露在潮熱的環(huán)境下, 比如夏季的環(huán)境中, 這種涂層就會(huì)發(fā)生潮解, 一些添加劑就會(huì)在材料表面析出, 影響赫合強(qiáng)度。
表8是帶有水溶性防靜電涂層的薄膜在夏季高溫高濕環(huán)境下暴露2d后與PETG卡體層壓并與正常PET與PETG卡體的層壓結(jié)果對(duì)比。從表可以看出, 防靜電劑析出對(duì)薄膜的勃合強(qiáng)度有很大的影響,所以使用這種帶防靜電劑或者防靜電涂層的材料時(shí)一定要注意防潮防熱?？梢酝ㄟ^(guò)表面張力測(cè)試來(lái)判斷材料表面是否存在這種防親水性靜電劑的污染, 由于當(dāng)這種水溶性的物質(zhì)污染表面時(shí), 材料表面往往變得容易親水, 表面張力有一個(gè)很大的變化。
3、總結(jié)
智能卡屬于高科技行業(yè), 智能卡的加工包括塑料加工技術(shù)、印刷技術(shù)、防偽技術(shù)等各個(gè)不同的領(lǐng)域,其中任何一個(gè)技術(shù)環(huán)節(jié)處理不當(dāng)都會(huì)造成卡體層壓不牢的現(xiàn)象, 在智能卡的制作過(guò)程中, 對(duì)使用的每一種材料都要了解其相關(guān)性能, 注意影響卡體層壓牢度的因素, 采用相關(guān)的測(cè)試方法, 結(jié)合實(shí)際層壓效果, 找出合適的材料及加工工藝，制作出符合要求的智能卡。
(文/公安部第一研究所法證中心, 王成)
