织物基丝网印制RFID标签天线的固化条件及耐机械作用性能研究

摘要

纺织服装行业面临单件产品的生产工序及物流流通跟踪管理的快捷、安全问题。目前使用的一维、二维条码标签在单件识别和数据安全方面存在一定局限性，RFID（Radio Frequency Identification）标签的引进显得尤为重要。RFID技术作为一种非接触式自动识别技术，具备读取环境适应性强、多个同时读取、存储容量大、安全性好及可读写等众多优点。然而，商业化RFID标签不仅制作成本高，且所使用的基材材质要么为硬质塑料，用作普通纺织品的标签时影响产品舒适性和美观性，要么为柔性薄膜或纸等柔性膜，此类标签的抗机械作用力差或影响产品舒适性。显然，现有商业化标签在纺织行业应用时仍存在种种缺陷，理想的方式是基于现有水洗唛布或纺织产品自身织物材料来实现RFID标签功能。
　　由于丝网印刷工艺适合卷对卷生产、工序简单、成本低，已有研究探讨了在织物表面使用丝网印刷制备RFID标签天线的可行性，然而为未深入分析丝网印制工艺及使用条件对标签天线及使用性能的影响。鉴于水洗唛布在纺织品标签中的广泛应用，本文以尼龙聚酯树脂涂层织物为基片，采用丝网印刷的方式印制 UHF（ Ultra High Frequency）RFID标签天线，通过改变印制天线的固化条件，对其电学性能，耐弯折、水洗性能及使用性能进行了相关研究，从不同角度深入论证织物基丝网印刷天线的固化条件、使用条件及RFID标签性能之间的关系。
　　具体研究内容如下：
　　（1）研究固化条件对UHF RFID标签天线电学及读写性能的影响。通过测试不同固化条件下天线电阻、阻抗及相应标签的读写性能，并分析天线导电层与尼龙织物基片间粘结力。结果表明，在低温下延长固化时间，或在高温下缩短固化时间有利于电阻及阻抗的减小，但过高温下读写性能较差，不同固化条件下天线与基片间结合良好。
　　通过丝印天线并在设计好的固化条件下进行固化，制备 UHF RFID天线样本。首先采用电化学工作站和阻抗分析仪分别对天线的电阻及阻抗进行测试，结果发现在常温（20℃）到145℃区间，低温条件延长固化时间，高温条件减短固化时间有利于电阻的减小。而且，通过比较天线和芯片的阻抗测试值的可发现，在（80℃，1 h）、（100℃，0.5 h）、（100℃，1 h）、（120℃，0.5 h）四种固化条件下天线阻抗与芯片阻抗之间有较好的匹配。其次，针对不同固化条件下天线与基片的粘结力大小问题，本课题采用胶带撕扯法对丝印天线导电层粘结效果进行测试，发现不同固化条件下天线和基片粘结力的测试均显示两者之间结合良好。最后，针对固化条件对天线装芯片后标签读写效果的影响方面，采用读写器对标签读写距离、读写灵敏度、多个读写成功率和隔障碍物读写效果测试，结果发现，标签隔障碍物后读写效果变差，但整体读写效果偏好，且在（120℃，0.5 h）固化条件下的天线在读写测试方面效果优于另外三种。
　　（2）研究弯折作用对UHF RFID标签天线阻抗及标签读写性能的影响。通过测试在不同固化条件下标签天线在三种弯折模式前后的阻抗以及标签读写性能的变化，发现扭转弯折对天线阻抗及标签读写性能影响最大。
　　针对不同固化条件下标签的耐弯折效果，本课题设计了自然弯折和扭转弯折实验，并对弯折后标签天线的阻抗及读写距离进行测试。弯折后，四种标签天线的阻抗均有所增大，标签读写距离均减小。从弯折前后读写距离的影响程度可发现：扭转弯折＞拉伸弯折＞挤压弯折。采用读写器对标签读写距离、读写灵敏度、多个读写成功率和隔障碍物读写效果测试，发现（80℃，1 h）、（120℃，0.5 h）两种固化条件下的天线弯折前后读写读写效果更为稳定，弯折100次后仍具备5.5 m以上的读写距离及5 m以上的隔障碍物读写距离。
　　（3）研究洗涤作用对UHF RFID标签天线阻抗及读写性能的影响。通过测试在标准洗涤前后标签天线阻抗及标签读写性能的变化，发现洗涤作用影响明显，但多次洗涤后仍满足一般应用读取要求。
　　针对不同固化条件下标签天线的耐水洗效果，按照ISO6330洗涤标准洗涤天线，并对洗后天线阻抗及标签的读写效果进行了测试。结果显示洗涤作用对天线的损伤较大，天线端口阻抗发生了较大变化。通过表观形貌的对比可知，天线表面在洗涤过程中产生了许多裂纹，且整个表面折皱不均匀。进一步测试比较读写距离发现，标签读写距离从原来的6 m衰减为4 m左右，其中在（80℃，1 h）固化条件下衰减最大，但仍有3.5 m以上的读写距离。通过对洗涤后两种固化条件下标签隔障碍物读写效果的测试发现，在（80℃，1 h）时的标签读写灵敏度测试结果显示标签在3 m处丧失读写效果，而在（120℃，0.5 h）下标签还能保持3 m以上的读写距离并具备一定读写灵敏度。
　　综上所述，本研究针对以尼龙聚酯树脂为基片丝网印制的 UHF RFID标签天线，通过改变印制天线的固化条件，对其电学性能，耐弯折、水洗性能及使用性能进行了相关研究，结果表明，在低温下延长固化时间，或在高温下缩短固化时间有利于电阻及阻抗的减小，但过高温下读写性能较差，不同固化条件下天线与基片间结合良好。通过测试在不同固化条件下标签天线在三种弯折模式前后以及标准洗涤前后的阻抗以及标签读写性能的变化，发现洗涤对标签天线阻抗及标签读写性能影响最大，但多次洗涤后仍满足一般应用读取要求。

目录

声明

第一章 引言

1.1 研究背景

1.2 研究目标

1.3 研究内容和方法

1.4 课题意义

1.5 论文章节安排

第二章 文献综述

2.1 UHF RFID标签天线的制备

2.2 UHF RFID标签天线的性能研究

2.3 本章小结

第三章 UHF RFID标签天线样品制备及性能分析

3.1 UHF RFID标签天线样品制备方法

3.2 UHF RFID标签天线固化条件的实验设计

3.3 UHF RFID标签天线电阻测试

3.4 UHF RFID标签天线阻抗测试

3.5 UHF RFID标签天线微观形貌

3.6 UHF RFID标签天线粘结力测试

3.7 UHF RFID标签读写性能测试

3.8 本章小结

第四章 UHF RFID标签天线耐弯折性能研究

4.1 弯折实验设计

4.2 弯折对UHF RFID标签天线阻抗的影响

4.3 弯折对UHF RFID标签读写效果的影响

4.4 本章小结

第五章 UHF RFID标签天线耐水洗性能研究

5.1 洗涤实验设计

5.2 洗涤前后天线的表观形貌

5.3 洗涤对UHF RFID标签天线阻抗的影响

5.4 洗涤对UHF RFID标签读写效果的影响

5.5 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间的研究成果

致谢