智能卡行業中影響卡體私合強度因素及化學分析在智能卡制作中的應用
文章出處：http://www.nyfzw.net 作者：王成 人氣： 發表時間：2011年09月30日
智能卡又稱卡, 是將具有存儲加密和數據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、公安、交通、郵電、通訊、服務、醫療、保險等各個領域都得到了廣泛的重視和應用。
智能卡的加工制卡過程是多層塑料薄膜的熱壓復合過程, 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和潔凈度有關。
熱重分析是在程序溫控的狀態下, 測量測試樣品的質量隨溫度變化的一種熱分析技術。接觸角就是液滴在固體表面自然形成的半圓形態相對于固體平面的外切線, 接觸角測量儀同時可測量和計算樣品的表面張力、表面自由能。
表面分析是利用電子、光子、離子、原子、強電場、熱能等與固體表面的相互作用, 測量從表面散射或發射的電子、光子、離子、原子、分子的能譜、光譜、質譜、空間分布或衍射圖像, 得到表面成分、表面結構、表面電子態及表面物理化學過程等信息的各種技術。
1 實驗部分
1.1主要原料
制卡用PETG薄膜材料:江蘇華信、上海達凱;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主要儀器設備及測試參數
熱分析儀:Q-100, 美國TA公司, 10~750℃ ,升溫速率10℃/min 而, 氮氣50ML/min;拉力機:深圳瑞格爾公司RGT-0.5,GT114B.1, 證卡檢驗-剝離力測試;熱封機:GBC3500 Pro Series,80~100℃, 速度1.2 cm/s;層壓機:三盾公司YTJ-Z1X8H層合機, 預熱130℃ ,10S，0.5MPa;熱壓135℃ ,10S,1MPa, 冷壓:室溫10S,1MPa;XPS：Thermo公司以ESCALAB250型XPS, 鎂鋁雙陽極, 樣品室真空度3X10 -9 PA” , 真空室2X10 -9 PA” 接觸角測量儀：DATAPHYSICS公司OCA20型視頻接觸角測量儀, 水滴測試打印機:施樂DC1255打印機。
2 結果與討論
2.1卡體材料質量的影響
在制卡過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。因為各層塑料薄膜都是同一種材料,所以各層材料之間的相容性一般都會很好。但有時也會產生薪合不牢的現象。因為薄膜產品在生產過程中原材料、配方、加工參數的調整都會使薄膜材料的加工性能產生波動, 如影響因素波動范圍過大, 就會影響薄膜材料的層壓效果如材料存放時間比較長或存儲條件惡劣就會發生材料的老化、氧化分解等, 這些也會影響材料的勃合效果。針對這種情況, 可以采用不同的分析手段確定影響原因避免卡體出現開裂現象。比如PETG材料的維卡軟化點為78℃ , 但在層壓制卡過程中, 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, 采用了如下測試方法。
2.1.1接觸角測量儀
1#、5#樣品經過層壓, 不能反映實際表面狀態,
2# 、3#、4# 樣品的接觸角測量值平均值如表2,
3# 樣品的豁合強度較弱, 同時接觸角測量值也較小,說明其表面狀態和其他兩個樣品存在差異。
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#樣品的勃合強度也比較弱, 說明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。
通過接觸角及表面元素分析表明樣品的表面狀態及配方組成存在差異性, 實驗對材料表面進行了一些處理, 如打磨、電暈等, 但勃合強度仍然不能達到使用要求。
由以上測試分析得出的數據判斷引起這種勃合強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、存儲過程中存在氧化分解現象,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過程中為防止薄膜間的相互摩擦損傷薄膜表面, 往往會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或在薄膜表面分布不均勻都會影響材料之間的相互勃合。表是一種可低溫熱封的熱封數據“ 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熱封機從80℃ 開始熱封,記錄熱封效果, 熱封效果以有效勃合面積比率來表示, 有效勃合面積為PET熱封面充分勃合, 熱封后PET之間不能無破損剝離開來, 以有效勃合面積除以熱封總面積即為有效勃合面積比率。每個溫度做5對210mmX150mm樣品, 取其均值, 然后溫度升高5℃ 重復以上步驟, 直至每組樣品的PET之間達到了田的有效勃合, 記錄此時溫度, 用溫度對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, 對薪合強度的影響越大, 達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, 薄膜之間赫合強度越弱。
可以采用SIMS、XPS、AFM等測試方法對薄膜表面進行定量或者半定量分析, 同時結合實際熱封效果, 找出合適的防滑劑用量, 避免出現薄膜間勃合強度不合格的現象。
2.3印刷工藝的影響
很多制卡薄膜材料都需要進行表面印刷或者打印圖案, 然后再層壓制卡。印刷過程中油墨或防豁劑大部分為小分子溶劑, 性質比較穩定, 不易分解, 有些不易揮發, 如果在層壓過程中這些小分子物質沒有清除干凈, 將會導致薄膜之間不能很好勃合。如在薄膜打印個人化信息的過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降低薄膜材料之間的粘合強度。
表6 PDMS用量對PET薄膜黏合強度的影響
以PET薄膜在施樂DC1255打印機上打印圖像并層壓熱封為例：打印機中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，對三組樣卡進行剝離測試, 并記錄其最低力值：見表6
在剝離測試過程中出現薄膜被拉斷的情況說明薄膜已經和卡體材料牢牢的勃合在一起。從表6可以看出, 未經打印的薄膜材料與卡體之間的薪合強度是最好的, 當PDMS用量增大時, 赫合強度降低, 最終導致薪合強度不合格。所以在打印或印刷時, 注意控制惰性添加劑的用量是很關鍵的。
可用SIMS, XPS等測試方法來測定材料表面是否存在著過量的污染物。
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, 在防偽技術中得到了大量的使用。現在大量使用的是膜壓法復制全息圖, 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, 在鍍層過程中, 如果控制不當就會對薄膜造成污染, 影響薄膜之間的豁合強度。
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, 并進行剝離力測試, 見表7。從表7可以看出, 經過全息印刷防偽后與之間的赫合強度下降。
表7全息印刷對薄膜勃合強度的影響
可用SIMS, XPS等方法測試全息膜表面殘留物,結合實際層壓效果確定全息膜表面處理是否干凈。一個顯然的問題是全息膜表面潔凈程度的大小與勃合強度成正比, 所以在全息膜的生產過程中, 盡量減少全息膜的表面污染, 保持薄膜表面清潔是個很重要的問題。
由于塑料膜是絕緣體, 容易積累靜電, 造成容易吸附灰塵, 印刷或打印質量下降, 影響最終卡體的質量。有時可以通過在薄膜背面噴涂防靜電液或者涂布防靜電層來解決打印靜電問題, 但是這種處理方式在夏季高溫高濕的環境下, 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的物質, 或者是采用水溶性的基材如聚乙烯醇等川。這種物質過多的暴露在潮熱的環境下, 比如夏季的環境中, 這種涂層就會發生潮解, 一些添加劑就會在材料表面析出, 影響赫合強度。
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卡體的層壓結果對比。從表可以看出, 防靜電劑析出對薄膜的勃合強度有很大的影響,所以使用這種帶防靜電劑或者防靜電涂層的材料時一定要注意防潮防熱。可以通過表面張力測試來判斷材料表面是否存在這種防親水性靜電劑的污染, 由于當這種水溶性的物質污染表面時, 材料表面往往變得容易親水, 表面張力有一個很大的變化。
3、總結
智能卡屬于高科技行業, 智能卡的加工包括塑料加工技術、印刷技術、防偽技術等各個不同的領域,其中任何一個技術環節處理不當都會造成卡體層壓不牢的現象, 在智能卡的制作過程中, 對使用的每一種材料都要了解其相關性能, 注意影響卡體層壓牢度的因素, 采用相關的測試方法, 結合實際層壓效果, 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)
