智能卡行业中影响卡体私合强度因素及化学分析在智能卡制作中的应用

    智能卡又称卡, 是将具有存储加密和数据处理能力的芯片镶嵌于塑料片基中, 制成便于携带的卡片, 在金融、税务、公安、交通、邮电、通讯、服务、医疗、保险等各个领域都得到了广泛的重视和应用。

    智能卡的加工制卡过程是多层塑料薄膜的热压复合过程, 其层压效果与制卡用塑料薄膜材料之间的相容性、薄膜材料的表面状态和洁净度有关。

    热重分析是在程序温控的状态下, 测量测试样品的质量随温度变化的一种热分析技术。接触角就是液滴在固体表面自然形成的半圆形态相对于固体平面的外切线, 接触角测量仪同时可测量和计算样品的表面张力、表面自由能。

    表面分析是利用电子、光子、离子、原子、强电场、热能等与固体表面的相互作用, 测量从表面散射或发射的电子、光子、离子、原子、分子的能谱、光谱、质谱、空间分布或衍射图像, 得到表面成分、表面结构、表面电子态及表面物理化学过程等信息的各种技术。

    1 实验部分

    1.1主要原料

    制卡用PETG薄膜材料:江苏华信、上海达凯;PET打印膜：PETF3368 FILM, 杜邦公司;全息物理防伪膜:上海宏盾公司。

    1.2主要仪器设备及测试参数

    热分析仪:Q-100, 美国TA公司, 10~750℃ ,升温速率10℃/min 而, 氮气50ML/min;拉力机:深圳瑞格尔公司RGT-0.5,GT114B.1, 证卡检验-剥离力测试;热封机:GBC3500 Pro Series,80~100℃, 速度1.2 cm/s;层压机:三盾公司YTJ-Z1X8H层合机, 预热130℃ ,10S，0.5MPa;热压135℃ ,10S,1MPa, 冷压:室温10S,1MPa;XPS：Thermo公司以ESCALAB250型XPS, 镁铝双阳极, 样品室真空度3X10 -9 PA” , 真空室2X10 -9 PA” 接触角测量仪：DATAPHYSICS公司OCA20型视频接触角测量仪, 水滴测试打印机:施乐DC1255打印机。

    2 结果与讨论

    2.1卡体材料质量的影响

    在制卡过程中每层薄膜材料都选用同样的卡体材料, 比如承载层用 PVC材料, 印刷层和垫平层也都用PVC材料。因为各层塑料薄膜都是同一种材料,所以各层材料之间的相容性一般都会很好。但有时也会产生薪合不牢的现象。因为薄膜产品在生产过程中原材料、配方、加工参数的调整都会使薄膜材料的加工性能产生波动, 如影响因素波动范围过大, 就会影响薄膜材料的层压效果如材料存放时间比较长或存储条件恶劣就会发生材料的老化、氧化分解等, 这些也会影响材料的勃合效果。针对这种情况, 可以采用不同的分析手段确定影响原因避免卡体出现开裂现象。比如PETG材料的维卡软化点为78℃ , 但在层压制卡过程中, 部分薄膜材料在120℃ 的层压温度下层压也难以豁合, 为查明原因, 采用了如下测试方法。

    2.1.1接触角测量仪 

    1#、5#样品经过层压, 不能反映实际表面状态,
    2# 、3#、4# 样品的接触角测量值平均值如表2,
    3# 样品的豁合强度较弱, 同时接触角测量值也较小,说明其表面状态和其他两个样品存在差异。

    2.1.2表面元素分析(XPS） 

    如表3所示, 3#和5#样品中的硅元素含量比1#, 2#和4#样品中硅元素含量低, 5#样品中的氧元素含量比其他样品要高, 3#和5#样品的勃合强度也比较弱, 说明3#、5#样品硅添加剂的含量有变化或

    2.1.3热重分析

    如表4所示, 热重分析表明5#样品的加热分解率比其他样品的要高。 

    通过接触角及表面元素分析表明样品的表面状态及配方组成存在差异性, 实验对材料表面进行了一些处理, 如打磨、电晕等, 但勃合强度仍然不能达到使用要求。 

    由以上测试分析得出的数据判断引起这种勃合强度差异的原因可能是3#、5#样品的硅添加剂含量的变化或样品在制作、存储过程中存在氧化分解现象,造成不能黏合。 

    2.2薄膜材料的表面添加剂影响

    一些薄膜材料特别是表面光滑的高透光材料在生产过程中为防止薄膜间的相互摩擦损伤薄膜表面, 往往会在薄膜表面加一些防滑剂, 防滑剂的主要成分是硅类化合物如仇, 这类防滑剂如果添加量控制不当或在薄膜表面分布不均匀都会影响材料之间的相互勃合。表是一种可低温热封的热封数据“ 样品为未加防滑剂的样品, 样品为添加正常量防滑剂的样品, “ 样品为添加两倍防滑剂量的样品。

    用 GBC 3500 Pro Series热封机从80℃ 开始热封,记录热封效果, 热封效果以有效勃合面积比率来表示, 有效勃合面积为PET热封面充分勃合, 热封后PET之间不能无破损剥离开来, 以有效勃合面积除以热封总面积即为有效勃合面积比率。每个温度做5对210mmX150mm样品, 取其均值, 然后温度升高5℃ 重复以上步骤, 直至每组样品的PET之间达到了田的有效勃合, 记录此时温度, 用温度对有效薪合面积比率做图, 得出各组样品的热封性能曲线, 如图1。 

    从图1中可以看出, 防滑剂用量越大, 对薪合强度的影响越大, 达到同样的热封效果所需要的温度就越高, 在同样的热封温度下, 防滑剂用量越大, 薄膜之间赫合强度越弱。

    可以采用SIMS、XPS、AFM等测试方法对薄膜表面进行定量或者半定量分析, 同时结合实际热封效果, 找出合适的防滑剂用量, 避免出现薄膜间勃合强度不合格的现象。 

    2.3印刷工艺的影响

    很多制卡薄膜材料都需要进行表面印刷或者打印图案, 然后再层压制卡。印刷过程中油墨或防豁剂大部分为小分子溶剂, 性质比较稳定, 不易分解, 有些不易挥发, 如果在层压过程中这些小分子物质没有清除干净, 将会导致薄膜之间不能很好勃合。如在薄膜打印个人化信息的过程中为防止薄膜勃附打印辊加入PDMS聚二甲基硅氧烷, 如果加人量太大就会降低薄膜材料之间的粘合强度。

    表6 PDMS用量对PET薄膜黏合强度的影响 

    以PET薄膜在施乐DC1255打印机上打印图像并层压热封为例：打印机中PDMS的用量分别控制在较高水平和正常水平，PET薄膜在其上打印图案后与未经打印的PET薄膜与同一种卡体材料在同样条件下层压制卡，各制得5卡，对三组样卡进行剥离测试, 并记录其最低力值：见表6

    在剥离测试过程中出现薄膜被拉断的情况说明薄膜已经和卡体材料牢牢的勃合在一起。从表6可以看出, 未经打印的薄膜材料与卡体之间的薪合强度是最好的, 当PDMS用量增大时, 赫合强度降低, 最终导致薪合强度不合格。所以在打印或印刷时, 注意控制惰性添加剂的用量是很关键的。

    可用SIMS, XPS等测试方法来测定材料表面是否存在着过量的污染物。

    一些重要或者法定证件都需要有物理防伪手段,全息印刷作为一种防伪印刷手段, 在防伪技术中得到了大量的使用。现在大量使用的是膜压法复制全息图, 为了使压印的全息图便于在白光下观看, 在压好的彩虹全息片的薄膜上再镀一层铝或者氧化物、硫化物, 在镀层过程中, 如果控制不当就会对薄膜造成污染, 影响薄膜之间的豁合强度。

    用带有全息印刷图案的PETG薄膜和普通PETG薄膜分别与PET薄膜在同样制卡条件下各制卡, 并进行剥离力测试, 见表7。从表7可以看出, 经过全息印刷防伪后与之间的赫合强度下降。

    表7全息印刷对薄膜勃合强度的影响 

    可用SIMS, XPS等方法测试全息膜表面残留物,结合实际层压效果确定全息膜表面处理是否干净。一个显然的问题是全息膜表面洁净程度的大小与勃合强度成正比, 所以在全息膜的生产过程中, 尽量减少全息膜的表面污染, 保持薄膜表面清洁是个很重要的问题。

    由于塑料膜是绝缘体, 容易积累静电, 造成容易吸附灰尘, 印刷或打印质量下降, 影响最终卡体的质量。有时可以通过在薄膜背面喷涂防静电液或者涂布防静电层来解决打印静电问题, 但是这种处理方式在夏季高温高湿的环境下, 容易造成表面污染。这是由于防静电膜或者防静电剂的主要成分是带有亲水基团的物质, 或者是采用水溶性的基材如聚乙烯醇等川。这种物质过多的暴露在潮热的环境下, 比如夏季的环境中, 这种涂层就会发生潮解, 一些添加剂就会在材料表面析出, 影响赫合强度。

    表8是带有水溶性防静电涂层的薄膜在夏季高温高湿环境下暴露2d后与PETG卡体层压并与正常PET与PETG卡体的层压结果对比。从表可以看出, 防静电剂析出对薄膜的勃合强度有很大的影响,所以使用这种带防静电剂或者防静电涂层的材料时一定要注意防潮防热。可以通过表面张力测试来判断材料表面是否存在这种防亲水性静电剂的污染, 由于当这种水溶性的物质污染表面时, 材料表面往往变得容易亲水, 表面张力有一个很大的变化。 

    3、总结

    智能卡属于高科技行业, 智能卡的加工包括塑料加工技术、印刷技术、防伪技术等各个不同的领域,其中任何一个技术环节处理不当都会造成卡体层压不牢的现象, 在智能卡的制作过程中, 对使用的每一种材料都要了解其相关性能, 注意影响卡体层压牢度的因素, 采用相关的测试方法, 结合实际层压效果, 找出合适的材料及加工工艺，制作出符合要求的智能卡。

    (文/公安部第一研究所法证中心, 王成)