全息标识的模压印刷

    模压复制是形成模压全息图的最后一道工序，它的工艺过程是：将全息金属模版加热到一定的温度，以一定的压力在热塑性材料上压印，这样就将全息金属模版上的精细浮雕条纹转印到了热塑性的表面，待冷却定型和分离之后，热塑性材料的表面上就形成了与全息金属模版能上能下完全相同的条纹，这就是复制出的模压全息图。

　　模压全息图生产印刷与印后加工过程的工艺流程如下所示：

    下面我们分别介绍各个工艺过程中所用的原材料、设备的工艺条件。

　　1　热塑性材料

　　适合于全息模压复制的热塑性材料有以下几种：
　　①聚氯乙烯薄膜或片材（透明的或镀铝的）；
　　②聚酯薄膜或片材（透明的或镀铝的）；
　　③适用于向纸张、织物或塑料上转印的烫印金属箔。采用不同种类、不同厚度的材料时，需要配合不同的设备和工艺条件。

　　目前在制造模压全息图中使用最多的材料是聚氯乙烯（PVC）和聚酯材料（PET），在生产过程中，可根据具体设备和工艺条件来选用。一般来说，选用材料时应考虑以下原则。

　　（1）不论选用PVC还是PET，都要求材料透明、平整、厚度均匀，误差≤±10％，无水纹、污渍、划痕，含有尽可能少的杂质的增塑剂，较好的耐磨性和全息层的透过率超过90％。

　　（2）采用镀铝的PVC和PET比采用相应的透明材料可减少一道后续的加工工序，但在模压复制时由于热塑材料与金属反射层同时变形，因此加工的温度和压力更高。要求镀铝反射层牢固、致密、无砂眼，厚度应大于200Ω电阻值。

　　（3）卷筒材料适合滚压加工方式，一般要求薄膜在0.05～0.1mm之间。片材适合于平压，平压只能加工较厚、较硬的片材，当金属模版厚度均匀性很好时，片材的最小厚度可以是0.1mm。

    对于选用的模压材料，只有确切掌握它的物理化学性能，才能正确的确定各个工艺参数。下面以硬质PVC薄膜为例，说明必须要掌握的物理化学性能。

　　①PVC是氯乙烯的聚合物，平均相对分子质量为5万～12万，相对密度是1.35～1.45，洛氏硬度为110～120，热胀系数为（5～18.5）10－5／oC，它的强度较高，耐磨、耐酸盐腐蚀，化学稳定性和形状稳定性较好。硬质PVC薄膜的热变形曲线如图10－61所示。和一般热塑材料相同，PVC在恒定压力下，根据受热温度的差别，可以分别处于玻璃态、高弹态和粘流态这三种不同的状态，对硬质PVC薄膜来说，玻璃化温度Tg＝－55 oC，而软化温度Tm＝70 oC，分解温度Td＝150 oC。在进行模压复制时，PVC薄膜应处于粘流态。粘流态又称可塑态，只有在这一温度范围加工，塑料才能成型。

    PVC在日光、紫外线和热的长期作用下，会起分子结构变化，分解出HC1。此外，长期处于温热环境中，还可被细菌侵蚀。

　　②有机玻璃聚甲基丙烯酸甲酯是一种聚脂材料（PET），它的透明度高，透光率达到91％～93％，化学介电性和光学稳定性好，质量轻，强度高，对产品的附着力强。因为这种材料的粘流态温度高，所以印刷所需温度和压力较高。缺点是耐热性和耐磨性较差。

    对于各种热塑材料来说，加工过程中都会产生大量的静电，因此加工车间的清洁除尘是十分必要的。

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    压印工艺

   （1）分切  将宽幅材料分切成所需宽度的窄幅材料。宽度至少要比成品宽20mm左右。分切好的窄幅卷材要求端面整齐，卷曲张力合适。

   （2）模压  和其他印刷方式相比，全息标识印刷所用的印刷设备不需要输墨装置，而是通过压印装置在压印机上的金属模版完成印刷过程的。压印按热、冷却、剥离工艺过程进行。通过压印将模版上的干涉条纹转移到承印材料上。

    模压复制分平压和滚压两种基本的加工方式。对于不同的压印方式，需配以不同的专用设备。

　　平压   平压是一种间歇式印刷过程，加压时整个全息模压版表面同时受压。平压平多压印机如图1所示，由供片滚筒、张紧轮、输片轮、收片轮、收片滚筒、金属压印板、热压模和冷压模组成。每一次压印过程可以分为供片、加压、保持、剥压、收片几个阶段，整个过程约需几秒钟。

    平压加工对金属模版的要求很高，如果模版厚度不均匀，则无论怎样加大压力，都无法得到高质量的全息标识。平压加工虽然生产效率较低，但是只要全息模版质量高仍可以获得高质量的全息标识。

    滚压   滚压分为圆压平和圆压圆两种印刷方式。其中圆压平式仍然属于间歇式生产方式，效率不高，但是可以制造面积较大的模压全息标识。圆压圆式属于连续性生产方式，不仅生产效率高，而且可以制造很大面积的全息标识，主要用于大批量生产场合。圆压平式压印机由调温加热平台、移动平版、全息镍压模、压辊和输片轮等部分组成。每一压印过程可分为供片、滚压移动冷却、剥离几个步骤。

    圆压圆式是目前最先进的一种方式，如图2所示。这种生产方式的特点是：

　　①加压时两个压辊之间保持一条母线接触，因而施加的压力小，全息版的使用寿命长。

　　②由于压力小，压辊可以更长，直径更大（例如长66cm，直径10cm或更大），可以制造幅面超过30cm的大尺幅模压全息标识。

图1 平压平式压印机 图2 圆压平式压印机
1－金属压印板 2－收片辊 3－全息模版 1－输片轮 2－压辊 3－金属模版 4－移动平板
4－供片辊 5－张紧轮

    ③滚压速度很快，有的已达到了1524cm/min，因而可以达到很高的生产效率。

    美国Glogal Images Inc，制造的DC－3型精密模压机 既可以加工PVC，也可以加工PET，运转速度可达20m/min，全息图最大幅面可达30cm。国内也有多个厂家生产全息模压机。

图3 圆压圆压印机
1－给料辊 2－压印辊 3－收料辊 4－冷却辊 5－印版辊 6－加热器

    生产工艺控制要点

    （1）装料 模压前先装好的待压材料，使全息图案位于薄膜中央。对于不合要求的材料，如卷材偏心、松脱等，要重新处理合格后方可上机，否则影响同步调节。

    （2）裁版与装版 全息金属模版的裁切与安装对模压生产极为重要，在很大程度上决定了模压全息质量。首先要根据实际图案裁切金属模版，对平压面积不宜超过10cm×10cm；对滚压应保证其尺寸满足装版所需的尺寸。若裁切边缘不平整光滑，可用细砂纸打磨，防止损坏模辊。然后测量模版厚度，每边至少取三个测量点。对于不合要求的模版不能上机。装版时应尽量将模版装在模压机的中央位置，便于均匀调整压力。保证模辊与模版之间没有异物。对于滚压装版时不能太松太紧，否则模版易变形或破裂。

    （3）温度设定 模压温度应根据原材料的种类、压力和生产工艺速度而设定。若温度过高则原料易变形和铝粉易脱落；温度过低则模压图像不清楚完整。

    聚酯薄膜高弹态在150 oC左右，PVC硬膜在70～150 oC模压质量最好。全息压印膜的模压加工条件与聚酯薄膜类似，而原材料厚度一般在30～50μm之间。故对滚压的压力辊温度设定在100 oC左右为好，模压辊温度在150 oC左右。

    （4）张力与压力 对于模压卷材，模压前选调节放卷与收卷的张力，使薄膜张紧不抖动，以便能平整地压印出产品。一般情况下，初始放卷、收卷时，若张力过大，收卷易起皱，产生“暴筋”等现象；若张力过小，则收卷不平整，也易产生皱褶。

    压力应根据原材料的种类、模压温度和模版的情况而定。压力过高，模版易损坏，铝粉脱落；压力过低，模压图像不清楚完整。对于圆压圆，两边的压力辊的压力一般初始为68947Pa左右。模压开始后，慢慢均匀地加大压力辊压力在0．34～0．41MPa比较完整。

　　（5）同步调节 同步调节对全息图产品中的质量保证很重要。若模压设备没有自动调节装置，模压开始后应仔细检查模压图像，小幅度调节同步装置至模压同步为止。在生产过程中应作不断调整保持模压同步。

　　（6）其他 热塑性材料在加工过程中都会产生大量的静电，会吸附粉尘，影响模压质量寿命。同时模压机在高温高压下运转，粉尘对机身危害极大，故模压车间需无尘，干湿度适宜，停机后应加盖防尘罩并定期作常规维护。

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    印后加工

    模压复制的全息图经过加护面和适当剪裁之后，就可以在某些场合下直接应用（例如作为工艺品）。但是如果要将它大规模应用到则虽的物体表面（例如作为书籍封面或证件的防伪标记），采用手工操作来粘贴则效率太低。近年发展起来的热冲压转印技术则有效地解决了上述的问题。采用热冲压转印技术，可以用机械操作，高效率地把全息图转印到纸、织物、金属、陶瓷或别的塑料材料上去，既方便省力，又能保证质量。

　　1．蒸镀反射层

　　为了使压印的全息图像便于在白光下观看，在压印好的彩虹全息片的PET薄膜上再镀一层铝膜构成反射层，利用铝对光的反封作用可清晰看到五颜六色的全息图像，这就是反射型全息标识。
　　真空镀铝在镀槽内进。在高真空条件下使铝丝雾化沉积在PET薄膜上，镀层厚度一般为40～50nm。
　　假如不用铝而用无机化合物，如氧化物或硫化物等，经过真空蒸镀形成反射层，可在一定角度下看到全息图像，而在其他位置只能看到底层印刷物，这就是透明型全息标识。

　　2．转印

　　转印是用间接手法借助于带有全息图像的转印材料在物体上印出图像的复制方式，主要适用于需要大量复制全息产品的场合，这是目前普遍采用的复制方式。转印一般有两种方法，即不干胶贴合法和热冲压转印法。

　　（1）不干胶贴合法 压印、镀铝成卷的全息图像应便于逐个分离转移，以适用于不同的制品上，完成全息产品的复制，可在铝层上再涂布一层压敏胶并复合防粘纸（剥离纸），模切后可将全息图贴合在制品上，这就是贴合型复制全息图，其基本构成如图3所示。

图3 贴合型复制全息的构成
1－基材 2－衍射层 3－反射层 4－粘接层 5－剥离层

　　完成粘接层的涂布及剥离纸复合的设备如图4所示。

图4 涂布、复合机工作原理
1－防粘纸放卷 2、4－复合辊 3－收卷 5－干燥 6－涂布 7－PET全息图 8－放卷

    （2）热冲压转印法热冲压转印技术由制造转印模和热冲压转印两个工序组成。制造转印模是以精密模压机生产的卷筒模全息图为基础，由复合机来完成的。首先需要在模压全息图的片基上表面复合一层离型层和一层基底材料。一般来说，离型层材料应是一种具有离型性、成模性和粘合性的树酯，基底材料通常采用PET。然后，在模压全息图的金属反射层上复上一层粘合层，这层材料通常选用一种具有特殊性能的热固性树脂。整个转印膜的构造如图5所示。

　　热冲压转印是由专用的设备完成的，它的工作过程是：利用光电定位装置，转印膜上的全息图与被转印材料重合并精确定位。然后用加热的金属模向下冲压，使热固性树脂与被转印的材料粘合在一起，同时使离型层以下部分与基底分离。图6给出了转印过程的原理图。

图5 转印膜构造
1－基底 2－离型层 3－全息图层 4－金属反射层 5－粘合层

　　图7是一台热冲压设备的工作过程示意图。

    这样，由全息照相、电铸金属模版、模压复制和热冲压转印四个部分的有机组合，就形成了一条高效率的大规模模压全息产品生产线。

　　转印机主要有两种机型，即平压型转印机和辊压型转印机，其工作原理如图8所示。

　　无论采用哪种机型，都应在100～200 oC的温度下在1s左右的时间内完成转印过程。辊压型转印机主要用于大批量复制的场合。

　　把全息箔转印到包装纸上的注意事项：

图6 转印工作原理
1－加热冲膜 2－转印膜 3－被转印材料 4－PET基底 5－离型层、全息图 6－粘合层

    （1）纸的选择 应使用经过涂料处理的具有光滑表面的纸。涂料所含成分为：浆、粘土、碳酸钙及二氧化钛，将涂覆上述涂料的纸通过一个加热至240～270 oC的轮压鼓压过（此鼓通常用镉制，直径约2．44m，表面高度抛光）。处理后的纸，表面光滑，有光泽，且保持了纸的气孔。在烫印过程中必须排去纸与箔间的气体，否则全息会起泡，也不易从负载背底脱落，且不易粘牢在纸上，故排除气泡是重要的。

　　（2）热烫印机 为保证烫印效率和质量，需装有驱动全息箔的精确控制系统。通常用一台小功率激光器并配合微处理器来实现对位的。
即使箔上的全息图排列不规则、不等距，也能使全息图对准压模精确就位。对准标志是小的三角形，在模压全息图时，它们就与全息图一起制作在箔卷上。

图7 热冲压设备工作原理
1－包装物 2－模压全息图 3－收片滚筒 4－金属冲压模

    全息烫印的压模，要激活粘性膜，将箔粘牢在纸上。其内部加热元件的功率约为5KW，压模导热性要好，分布要均匀，通常用黄铜制作，表面高度抛光，为防止在高温下其表面受空气腐蚀，已发展一种工艺，在黄铜表面镀一层保护膜，它还可使热量分布更加均匀。

图8 转印机的类型
1－加热板 2－模版 3－转印箔 4－被转印材料 5－工作台

    一次性使用透射／反射型模压全息标识

    透射／反射全息图（See Though Holograms）的成像原理如图9所示。图中作为全息图工作原功能层B是一层高折射率介质层，它和纸折射率和保护层A构成了LH单层膜系。利用传统的热压工艺，可在这种复合材料上形成高质量的浮雕全息图。工艺的第二步是在浮雕全息图的背面涂布一层透明胶。这样形成的膜压全息图无需镀铝，可在透射和反射方向的很大角度范围内观察到明亮而清晰的再现像。

图9 透射／反射全息图成像原理 图10 透射／反射全息的透射成像

　　在图9中，将透射／反射全息图粘附在表面带有印刷图案的商品上，在全息图的±1级衍射范围内，可以观察到由光束2形成的彩虹全息像和由光束3形成的背景图案组成的2D／3D图像；而在全息图的衍射范围之外，虽然观察不到全息图再现像，但仍可以看到衬底上的清晰的印刷图案。当衬底上的印刷图案和全息图的再现像互相配合时，可达到别具一格的艺术效果。如果按图10的方式将透射／反射全息图粘附在透明物体（如玻璃容器）上，则可以透过窗口观察到全息图明亮的透明像（虚像或实像）。

    制造透射／反射模压全息图的关键是合理选择A／B膜系的材料组合。对保护层来说，要求材料具有良好的透明性、成膜性、耐磨性及物化稳定性；对功能层有良好的热可塑性外，最重要的一点是，要求A／B膜系的折射满足（r=n1/n2）具有较大的值。从原理上说，r值越大，衍射像越明亮，能同时观察到全息图像及背景图案的范围越大。

　　透射／反射全息图除了能产生广角的全息／印刷合成像的效果，它的一个更大的优点在于具有可靠的防伪性能，A／B膜系的适当构成，或者将单层LH膜系变为多膜系，可产生真正一次性使用效果，这是完全无法复制的。从这个意义上说，透射／反射型模压全息图将成为一代新型的全息防伪产品。