Материалы для изготовления пластиковых карт. Серия «Производство пластиковых карт». Выпуск 3-й

Основа пластиковых карт обычно изготавливается из полимерных материалов. Напомним, что полимеры – это вещества, состоящие из мономерных молекулярных звеньев, соединённых в длинные макромолекулы прочными химическими или координационными связями. Полимеры подразделяются на неорганические и органические, природные и искусственные, аморфные и кристаллические, реактопласты и термопласты. Для пластиковых карт, наиболее важна последняя категория.

В строении полимера можно выделить мономерное звено – повторяющийся структурный фрагмент, включающий несколько атомов, например, мономер ПВХ C2H3Cl, являющийся «кирпичиком» длинных макромолекул, которые имеет вид ( – СН2—CHCl – ). Последние могут также упрощенно обозначаться как [C2H3Cl] n.

Мономер ПВХ (-СН2—CHCl-), и состоящая из таких мономеров макромолекулярная цепочка [900igr.net].

Молекулярная структура полимеров может быть линейная, разветвленная с поперечными связями, или сетевая – с большим количеством поперечных связей. Наличие поперечных связей придает полимерам жесткость и хрупкость – свойства, которые у них сохраняются или усиливаются при нагреве. Полимеры с такими свойствами называют реактопластами. При нагревании реактопласты остаются относительно твердыми, и не могут быть подвергнуты переработке без химической деградации. Наиболее распространенные реактопласты производятся на основе фенолформальдегидных, полиэфирных, эпоксидных и карбамидных смол (например, углеволокно, гетинакс). Реактопласты обычно содержат большие количества наполнителя – стекловолокна, сажи, мел, окись кремния и др.

Молекулярная структура полимеров [SOPROTMAT.RU]

В отличие от реактопластов, термопласты имеют линейную или разветвленную структуру – благодаря чему размягчаются при нагревании и вновь затвердевают при охлаждении. Такое свойство полимеров называется термопластичностью, а сами полимеры – термопластичными, или как сказано выше, термопластами. Термопластичные полимеры можно не только размягчать, но и растворять, так как соединяющие в них молекулы связи Ван-дер-Ваальса легко рвутся под действием реагентов.

Наглядной макромоделью полимера с линейной структурой может служить, например, эластичный войлок, состоящий из спрессованных волокон шерсти, наподобие того, как полимер состоит из длинных макромолекул. К термопластам относятся поливинилхлорид, полиэтилен, полистирол, поликарбонат и др.

Высокомолекулярные соединения, молекулы которых содержат несколько типов повторяющихся группировок, называют сополимерами или гетерополимерами.

Одной из основных характеристик полимеров также является температура стеклования, при которой̆ полимер при нагревании переходит из стеклообразного состояния в вязко-текучее и приобретает признаки вязкой̆ жидкости.

1.1. Поливинилхлорид

Поливинилхлорид (ПВХ, PVC) остается наиболее используемым материалом в индустрии пластиковых карт благодаря своим уникальным физическим свойствам и длительной истории применения. Поэтому в настоящей главе наиболее подробно будут описаны свойства именно этого материала.

Название полимера ПВХ (сокращение от поливинилхлорид), в настоящее время широко употребляется для обозначения различных материалов содержащих этот полимер лишь в качестве одного из компонентов. ПВХ в своем составе хлор (порядка 57% веса), химически стоек, не токсичен, наличие хлора делает его негорючим. Чистый ПВХ по своей природе хрупкий материал, особенно при пониженных температурах. По этой причине на практике смешивают расплавленный ПВХ с пластификаторами, добавляя небольшое количество стабилизаторов, лубрикантов (стеарата), пигментов и других присадок. Таким образом получают материалы с различными свойствами – от так называемого жесткого ПВХ – винипласта (без пластификаторов или с небольшими их добавками), до очень мягких – пластикатов, (содержащих до 50% пластификаторов), разных цветов, включая абсолютно прозрачные.

ПВХ растворяется в циклогексане, тетрагидрофуране (ТГФ), диметилформамиде (ДМФА), ограниченно – в бензоле, ацетоне. Устойчив к действию влаги, кислот, щелочей, растворов солей, бензина, керосина, жиров, спиртов, обладает хорошими диэлектрическими свойствами. Применяется для электроизоляции проводов и кабелей, производства листов, труб, пленок, искусственных кож, поливинилхлоридного волокна, пенополивинилхлорида, оконных профилей, линолеума, обувных пластикатов и т. д.

Основной проблемой, связанной с использованием ПВХ, является сложность его утилизации – при сжигании образуются высокотоксичные хлорорганические соединения. По этой причине существует тенденция замены ПВХ на экологичные материалы: ПЭТГ (полиэтилентерефталатгликоль), поликарбонат (ПК), Теслин, и ПЭТ (полиэтилентерефталат). Однако, из-за того, что эти материалы существенно дороже ПВХ, на практике они используются только в проектах, спонсируемых государством – это водительские удостоверения в США, России и Великобритании (Теслин и ПЭТ), удостоверения личности для жителей стран ЕС (ПК), Китая (ПЭТГ).

ПВХ механически стабилен в диапазоне температур от -20С до 65 С. При температурах меньше 20С становится хрупким, при нагреве свыше 60—65 градусов теряет жесткость.

За долгое время использования в качестве основного материала в производстве пластиковых карт было налажено производство сопутствующих материалов, адаптированных для использования с ПВХ. Это специальные краски и термо-трансферные красящие ленты, клеи, магнитные ленты, полосы для подписи, голографические пленки для горячего тиснения на ПВХ и т. п.

1.1.1. Получение и свойства ПВХ

Поливинилхлорид (ПВХ) – универсальный термопластичный полимер, получаемый полимеризацией винилхлорида. Сырьем для производства винилхлорида являются поваренная соль и нефтепродукты. При производстве поливинилхлорида берут простейшие молекулярные блоки, называемые мономерами винилхлорида и связывают их друг с другом в процессе, называемым полимеризацией.

Образование ПВХ в результате полимеризации винил хлорида.

Мономер Винилхлорида, из которого производится ПВХ, впервые был получен в 1835 году, а синтезированный в 1872 году полимер ПВХ начал производиться в промышленных масштабах в 30—40 годах прошлого века.

Кроме «чистого» ПВХ (гомополимера), широко используется его сополимер ПВХА Поливинил-хлорид-ацетат, молекулы которого содержат кроме мономеров винилхлорида [– C2