CN104029512B - 一种高折射率透明全息膜生产工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种高折射率透明全息膜生产工艺，属于激光防伪技术领域，所述工艺包括高折射率涂膜液的配制、高折射率涂膜液的涂布、涂膜液的低温成膜及UV预固化、连线模压及UV光完全固化和透明全息膜收卷，上述生产工艺通过高折射率涂膜液将信息层和介质层合二为一形成一个复合涂层，使制得的透明全息膜具有高折射率、高透明度和信噪比，优异的耐磨耐老化，以及全息图像反差明显等特点，从而突破了传统透明全息图像因反差小存在难以跟踪，难以定位的技术瓶颈，真正达到透明全息图案在证件证卡中任意定位，提升了透明全息的综合防伪效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种高折射率透明全息膜生产工艺，属于激光防伪技术领域。
背景技术
目前，常规光学全息膜一般由塑料基层、分离层、信息层、介质层、印胶层等功能涂层构成。在制备过程中，先将分离层涂布在塑料基层上，然后在分离层上涂布信息层，再将涂有分离层和信息层的塑料薄膜在模压机上进行模压，将全息图案压印到信息层上，并在印有全息图案的信息层上镀介质层，或再涂上胶印层，从而制备出能够显示全息图案的光学全息膜。上述塑料基层一般为PET、BOPP、PE、PVC热塑性材料，分离层为一般为具有离型性、成模性和黏合性的聚烯烃类树脂，信息层为丙烯酸树脂、聚氨酯树脂、聚苯树脂或氨基树脂等，介质层为透明无机层、不透明金属层或半导体层，而印胶层多为一类具有热固性、黏合性的树脂。
光学全息膜信息层是承接全息信息的载体，全息信息通过一定的张力、压力、温度、冷却等处理，将浮雕上的精密光栅模压至信息层，精密光栅由800-1500条/mm的错综复杂的凸凹条纹组成，因此对信息层的压敏性能与回弹性有着极高的要求。随着对全息图像载体材料和透明全息光学的研究的进步，信息层材料也不断更新，但主要是高分子材料，例如丙烯酸树脂、聚氨酯树脂、聚苯树脂和氨基树脂，研究的重点在于提高有机信息层材料的透明度和折射率。如专利号为02139164.5中的光固化含硫乙烯基聚氨酯涂层、200310109281.6中的二氧化钛纳米溶胶-聚氨酯复合涂层，这些涂层材料具有较高折射率和较好的成像性能，但由于高分子材料在受热或环境侵蚀下，柔弱细密的光栅可能被磨坏或薄膜本身有复原变形的本能，导致图像破坏受损直至消失，所以不经蒸镀金属、化合物的全息光栅是不稳定的。为此也引伸出多种物理化学工艺方法来保护光栅，使图像定影。如高真空蒸镀金属、溅射法、电子束扫描轰击蒸镀无机化合物等法蒸镀的微粒镶嵌在高分子薄膜的光栅中也能起到对全息光栅固定作用，从而保护全息图像。但从大规模生产来看，由于其蒸镀过程难，均匀性较差，透明膜往往呈现金色、锻色、灰色、黑色多种情况，有时透明膜变成半透明，全息图像受损，且设备投资、能源消耗都较大，质量合格率有限。
光学全息膜介质层的首要功能是保护信息层的精密光栅，因此介质层主要由无机材料组成。无机材料的折射率通常大于有机聚合物材料，由反射率ρ2=(n-N)2/(n+N)2可知（n为样品折射率，N为介质折射率），反射率随样品折射率增大而增大，故涂覆无机材料介质层可以提高全息光学膜的衍射强度。目前介质层的制备工艺基本采用镀膜方式，主要以金属铝为介质层材料，可以获得色彩艳丽、栩栩如生的全息图像。而对于透明全息膜来说，必须选择透明材料如硫化锌、二氧化钛为介质层，才能获得透明的全息图案，然而，透明无机介质层受高温蒸镀工艺的影响较大，均匀性很难控制，导致涂层的透明度差，而且，透明介质涂层的存在，就存在信息层/介质层（第一界面）、介质层/印胶层（第二界面）两个界面，可能导致在第一个界面的衍射图形被第二个界面的衍射图案干扰，从而使透明光学全息膜的衍射效率和信噪比等技术指标低于镀铝全息膜。
此外，模压激光全息技术是光学全息膜的光栅制备技术，但该技术需要高温（150℃左右）、高压的生产条件，会导致膜的热收缩变形、透明度降低及信息失真。上述因素最终也会导致透明全息膜在衍射效率、信噪比等技术指标上低于镀铝全息膜、全息烫印箔等非透明全息膜。
综上所述，当前透明全息膜的涂层设计依旧无法突破透明全息膜衍射性能下降、原有多界面涂层结构以及高温蒸镀及模压带来的技术难题，极大限制了透明全息膜的研究及应用。有鉴于此，本发明人对此进行研究，专门开发出一种高折射率透明全息膜生产工艺，本案由此产生。
发明内容
本发明的目的是提供一种高折射率透明全息膜的生产工艺，使得到的透明全息膜具有高折射率、高透明度和信噪比，优异的耐磨耐老化，以及全息图像反差明显等特点，从而突破了传统透明全息图像因反差小存在难以跟踪，难以定位的技术瓶颈，真正达到透明全息图案在证件证卡中任意定位，提升了透明全息的综合防伪效果。
为了实现上述目的，本发明的解决方案是：
一种高折射率透明全息膜生产工艺，包括如下步骤：
步骤1、高折射率涂膜液制备：
1）纳米材料前驱体制备：以丁酮作溶剂，以甲基丁基纤维素为防沉剂，按比例称取二水合醋酸锌与九水合硫化钠，加入到丁酮中，利用6-8KW功率超声波，设定80-100KHz的频率，在20-30℃温度下震荡2-5min制成均匀的分散体系；
前驱体溶液各组分及含量(重量份)配比如下：
二水合醋酸锌4.8
九水合硫化钠4.4
丁酮77
甲基丁基纤维素13.8
其反应过程中主要化学方程式如下：
2H2O·ZnSO4+9H2O·Na2S→ZnS（沉淀）+Na2SO4+11H2O
2）高折射率涂膜液合成：以丁酮（含水率1%）作溶剂，以环氧树脂E-40为主要成膜物质，加入一定量的交联剂乙二胺，并引入步骤1制得的纳米材料前驱体，在20-30℃室温常压下，以500-700转/分钟的速度搅拌反应1.5-3h，制得高折射率的涂膜液；
高折射率涂膜液组分及含量(体积份，对应硫化锌体积分数为0-15%)配比如下：
丁酮（含水率1%）40-72
环氧树脂E-4016
乙二胺0-8
前驱体溶液0-45。
步骤2、高折射率涂膜液的涂布：采用微细凹印方式反向涂布，将高折射率涂膜液涂布在厚度为10-150um的热塑性有机聚合物薄膜上，涂膜液采用循环措施，确保料液均匀一致，微细辊直径为30-50mm，涂布基材线速度15-60m/min，调整微细辊的周速比为1.0-3.0（即微细辊的圆周速度和基材的线速度之间的比值），涂膜液涂布量在1.0-4.0g/m2之间。
步骤3、涂膜液的低温成膜及UV预固化：经过步骤2涂布后得到的薄膜经过烘道，烘道温度设定为40-50℃，烘道内设有多节烘箱，烘箱内的设定温度先逐渐升高，再逐渐降低，即中间烘箱的温度设定值最高，两端的烘箱温度设定值均低于中间烘箱，烘道出口设有水冷UV光固化组件，上述涂有涂膜液的薄膜依次经过烘道和水冷UV光固化组件，低温成膜及UV光预固化后，成为透明的UV薄膜。
步骤4、连线模压及UV光完全固化：UV光预固化后的透明UV薄膜，经过涂布棍后序的镭射压印棍进行连线模压，模压速度和涂布速度一致，压印气缸压力0.05-0.1MPa，在UV涂层上连线模压出各种微纳米结构图形，并通过UV灯的照射对完成压印后的UV涂层进行再次固化，形成UV光完全固化后的透明全息膜。
步骤5、通过收卷机构将经过步骤4UV压膜、固化后的透明全息膜进行收卷，收卷张力（8-18）×10N，完成整个生产过程。
作为优选，上述步骤2中的热塑性有机聚合物薄膜为PET膜、PVC膜或BOPP膜。
作为优选，上述步骤3中的烘道出口设有40-80KW，365nm波长的水冷UV光固化组件。
作为优选，上述步骤4中采用365nm波长，40-80KW的UV灯。
本发明所述的高折射率透明全息膜生产工艺，先在塑料基膜上涂布高折射率涂膜液，然后经过低温固化和光栅软压，直接形成透明全息膜，具有如下优点：
1、步骤1所制得的高折射率涂膜液充分借鉴有机材料和无机材料在折射率、透明度、热塑性、抗变形能力等方面的各自优势，将具有高折射率的纳米无机介质颗粒引入到有机材质的信息层，从而得到兼具信息层和介质层功能的有机/无机杂化复合涂层均相体系，在折射率达到最大化的同时，也能获得高的透明度；
2、通过高折射率涂膜液将信息层和介质层合二为一形成一个复合涂层，同时兼具信息层和介质层的功能，不仅可避免原先信息层和介质层之间的结构与功能相容性和匹配性问题，减少全息膜的涂层层数和光传输的复杂性，并减少衍射图案干扰，而且不需要再涂布介质层，克服了高温蒸镀会影响信息层质量的技术难题；
3、通过本发明所述的透明全息膜生产工艺，将传统的在基膜上依次涂布分离层→涂布信息层→高温高压全息图压模→涂布介质层→涂布印胶层等工序简化为在基膜上直接涂布高折射率涂膜液，然后低温固化和光栅软压，可以在一个工位上直接完成，即简化了工序，精简了设备和占用空间，又能大幅度降低设备成本和人力成本；
4、经光栅软压和低温UV连续固化实现有机/无机复合涂层的全息图案的光栅压印以及固化干燥，不需要采用传统的高温高压模压激光全息技术，不会出现塑料基膜遇热收缩变形、透明度降低及全息信息失真等问题。
以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细描述。
附图说明
图1为实施例1的高折射率透明全息膜生产工艺流程图；
图2为实施例1的微细凹印结构示意图。
具体实施方式
一种高折射率透明全息膜生产工艺，包括如下步骤：
步骤101、高折射率涂膜液制备：
1）纳米材料前驱体制备：以丁酮作溶剂，以甲基丁基纤维素为防沉剂，按比例称取二水合醋酸锌与九水合硫化钠，加入到丁酮中，利用7KW功率超声波，设定90KHz的频率，在25℃温度下震荡3min制成均匀的分散体系；超声波的功率、频率及震荡时间可以根据实际需要调整，一般采用6-8KW功率，80-100KHz的超声波振荡2-5min；
前驱体溶液各组分及含量(重量份)配比如下：
二水合醋酸锌4.8
九水合硫化钠4.4
丁酮77
甲基丁基纤维素13.8
其反应过程中主要化学方程式如下：
2H2O·ZnSO4+9H2O·Na2S→ZnS（沉淀）+Na2SO4+11H2O
2）高折射率涂膜液合成：以丁酮（含水率1%）作溶剂，以环氧树脂E-40为主要成膜物质，加入一定量的交联剂乙二胺，并引入步骤1制得的纳米材料前驱体，在25℃室温常压下，以500-700转/分钟的速度搅拌反应1.5-3h，制得高折射率得涂膜液，本实施例的搅拌速度为600转/分钟，搅拌时间为2h；
高折射率涂膜液组分及含量(体积份，对应硫化锌体积分数为2%)配比如下：
丁酮（含水率1%）70
环氧树脂E-4016
乙二胺8
前驱体溶液6
上述配比中纳米硫化锌占整个高折射率涂膜液的体积分数为2%。上述高折射率涂膜液制备方法是在有机树脂或树脂的前驱体中原位合成纳米材料，制得的涂膜液具有高折射率的同时还具有高透光率。本实施例的高折射率涂膜液的折射率为1.47，透光率为91%。
步骤201、高折射率涂膜液的涂布：采用微细凹印方式反向涂布，如图2所示，将高折射率涂膜液涂布在厚度为50um的热塑性有机聚合物薄膜1上，涂膜液2采用循环措施，确保料液均匀一致，微细辊3直径为40mm，涂布基材线速度40m/min，调整微细辊的周速比2.0（即微细辊的圆周速度和基材的线速度之间的比值），涂膜液涂布量在3.0g/m2之间；在本实施例中，所述热塑性有机聚合物薄膜为PET膜，也可以采用PVC膜或BOPP膜，厚度一般在10-150um之间。微细辊3的直径可按照实际需要调整，一般为30-50mm，涂布基材线速度15-60m/min，微细辊的周速比为1.0-3.0，涂膜液涂布量在1.0-4.0g/m2之间。
步骤301、涂膜液的低温成膜及UV预固化：经过步骤2涂布后得到的薄膜经过烘道，烘道温度设定为40-50℃，烘道内设有多节烘箱，烘箱内的设定温度先逐渐升高，再逐渐降低，即中间烘箱的温度设定值最高，两端的烘箱温度设定值均低于中间烘箱，在本实施例中，烘道温度依次为40℃-50℃-40℃，烘道出口装备60KW，365nm波长的水冷UV光固化组件，上述涂有涂膜液的薄膜依次经过烘道和水冷UV光固化组件，低温成膜及UV光预固化后，成为透明的UV薄膜；水冷UV光固化组件的功率可以根据实际需要进行调整，一般在40-80KW就行。
步骤401、连线模压全息及UV光完全固化：UV光预固化后的透明UV薄膜，经过涂布棍后序的镭射压印棍进行连线模压，模压速度和涂布速度一致，压印气缸压力0.08MPa，在UV涂层上连线模压出各种微纳米结构图形，并通过365nm波长、60KWUV灯的照射对完成压印后的UV涂层进行再次固化，形成UV光完全固化后的透明全息膜；在上述连线模压过程中，压印气缸的压力比较低，一般在0.05-0.1MPa之间，而传统的模压压力一般都大于0.5Mpa，采用光栅软压，不会出现塑料基膜遇热收缩变形、透明度降低及全息信息失真等问题。
步骤501、通过收卷机构将经过步骤401UV压膜、固化后的透明全息膜进行收卷，收卷张力12×10N，完成整个生产过程，收卷张力不宜过大，否则会使透明全息膜变形，过小又不能保证收卷速度，一般为（8-18）*10N。
本实施例所述的高折射率透明全息膜生产工艺，先在塑料基膜上涂布高折射率涂膜液，然后经过低温固化和光栅软压，直接形成透明全息膜。
实施例2~4
实施例2~4所述的高折射率透明全息膜生产工艺基本流程同实施例1，区别主要在于高折射率涂膜液中各组分配比不同，具体如表1所示。
表1：实施例1~4高折射率涂膜液的组份及配比关系：
| 序号 | 丁酮 | 环氧树脂E-40 | 乙二胺 | 前驱体溶液 | 硫化锌体积分数 | 涂膜液折射率 | 涂膜液透光率 |
| 实施例1 | 70 | 16 | 8 | 6 | 2% | 1.47 | 91% |
| 实施例2 | 66 | 16 | 3 | 15 | 5% | 1.5 | 90% |
| 实施例3 | 48 | 16 | 6 | 30 | 10% | 1.55 | 88% |
| 实施例4 | 40 | 16 | 8 | 45 | 15% | 1.60 | 86% |
折射率理论值:环氧树脂折射率1.45，硫化锌折射率2.45。
从实施例1~4高折射率涂膜液的折射率和透光率的试验数据可以得出，随着硫化锌体积分数的增大，折射率也随之增大，但透光率会随之降低，当硫化锌体积分数在2%-15%时，其在折射率达到较高值的同时，也能获得高的透明度。
上述实施例和图式并非限定本发明的产品形态和式样，任何所属技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化或修饰，皆应视为不脱离本发明的专利范畴。
Claims (4)
1.一种高折射率透明全息膜生产工艺，其特征在于包括如下步骤：
步骤1、高折射率涂膜液制备：
1）纳米材料前驱体制备：以丁酮作溶剂，以甲基丁基纤维素为防沉剂，按比例称取二水合醋酸锌与九水合硫化钠，加入到丁酮中，利用6-8KW功率超声波，设定80-100KHz的频率，在20-30℃温度下震荡2-5min制成均匀的分散体系；
前驱体溶液各组分及含量(重量份)配比如下：
二水合醋酸锌4.8
九水合硫化钠4.4
丁酮77
甲基丁基纤维素13.8
其反应过程中主要化学方程式如下：
2H2O·ZnSO4+9H2O·Na2S→ZnS沉淀+Na2SO4+11H2O；
2）高折射率涂膜液合成：以含水率1%的丁酮作溶剂，以环氧树脂E-40为主要成膜物质，加入一定量的交联剂乙二胺，并引入步骤1制得的纳米材料前驱体，在20-30℃室温常压下，以500-700转/分钟的速度搅拌反应1.5-3h，制得高折射率的涂膜液；
高折射率涂膜液组分及含量(体积份)配比如下，对应硫化锌体积分数为0-15%：
含水率1%的丁酮40-72
环氧树脂E-4016
乙二胺0-8
前驱体溶液0-45；
步骤2、高折射率涂膜液的涂布：采用微细凹印方式反向涂布，将高折射率涂膜液涂布在厚度为10-150um的热塑性有机聚合物薄膜上，涂膜液采用循环措施，确保料液均匀一致，微细辊直径为30-50mm，涂布基材线速度15-60m/min，调整微细辊的周速比为1.0-3.0，涂膜液涂布量在1.0-4.0g/m2之间；
步骤3、涂膜液的低温成膜及UV预固化：经过步骤2涂布后得到的薄膜经过烘道，烘道温度设定为40-50℃，烘道内设有多节烘箱，烘箱内的设定温度先逐渐升高，再逐渐降低，即中间烘箱的温度设定值最高，两端的烘箱温度设定值均低于中间烘箱，烘道出口设有水冷UV光固化组件，上述涂有涂膜液的薄膜依次经过烘道和水冷UV光固化组件，低温成膜及UV光预固化后，成为透明的UV薄膜；
步骤4、连线模压及UV光完全固化：UV光预固化后的透明UV薄膜，经过涂布辊后序的镭射压印辊进行连线模压，模压速度和涂布速度一致，压印气缸压力0.05-0.1MPa，在UV涂层上连线模压出各种微纳米结构图形，并通过UV灯的照射对完成压印后的UV涂层进行再次固化，形成UV光完全固化后的透明全息膜；
步骤5、通过收卷机构将经过步骤4UV压膜、固化后的透明全息膜进行收卷，收卷张力（8-18）×10N，完成整个生产过程。
2.如权利要求1所述的一种高折射率透明全息膜生产工艺，其特征在于：上述步骤2中所述的热塑性有机聚合物薄膜为PET膜、PVC膜或BOPP膜。
3.如权利要求1所述的一种高折射率透明全息膜生产工艺，其特征在于：上述步骤3中的烘道出口设有40-80KW，365nm波长的水冷UV光固化组件。
4.如权利要求1所述的一种高折射率透明全息膜生产工艺，其特征在于：上述步骤4中采用365nm波长，40-80KW的UV灯。
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C56 | Change in the name or address of the patentee | ||
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