聚苯硫醚（PPS）光纤激光打标技术

使用光纤激光器对聚苯硫醚（PPS）进行激光打标

摘要

在 PPS（聚苯硫醚）上进行打标与雕刻极为困难，因为该材料在激光加热时能够承受高温。着色剂技术、激光专用炭黑以及光纤激光器领域的最新进展，使黑色玻纤填充 PPS 材料实现高对比度、浅色、耐刮擦的打标成为可能，并已通过 Yellow Card 认证。这一重大进展使数据矩阵码、条形码、QR 码及唯一零件标识的打标与微打标，能够广泛应用于汽车、航空航天/NASA 军用规格电子、泵阀、家电等多个行业。镱光纤激光器的设置与光学系统需要精确调校，才能实现坚固耐刮擦的打标效果。

关键要点

• PPS 因其耐热性而难以打标。高温稳定性意味着形成对比度所需的表面反应难以被触发。
• MOPA 镱光纤激光器是正确之选，脉宽应为 20–40 ns，脉冲频率应高于 100 kHz。
• 表面温度控制决定了耐刮擦性能。若升降温时间控制不当，标记便会被磨掉。
• 富树脂表面是必要条件。30–40% 玻纤填充 PPS 材料出现玻纤外露现象会导致打标质量下降。
• 成型温度须达到 275–300°F 或以上，以获得完全结晶状态，否则零件在使用过程中会发生尺寸变化。

最佳激光打标方案。要在黑色玻纤填充 PPS 材料上形成耐刮擦、高对比度的浅色标记，MOPA 镱光纤激光器是最佳选择，因为它能够精确控制脉宽及聚焦功率密度。这种精确性可在 1060–1070nm 近红外波长下更好地控制表面化学发泡过程。最佳脉宽为 20 至 40 纳秒，脉冲频率应超过 100 千赫。必须精确设置激光参数以控制表面温度（升降温时间），否则标记极易被刮除。

要在玻纤填充聚合物（包括 PPS）上实现高质量的激光打标，需要稳健的注塑成型工艺，以及激光优化着色剂与预混料的良好分散/分布。玻璃纤维的添加可能对成型工艺产生不利影响，进而影响激光打标的质量。要实现稳固的打标效果，零件表面必须富含树脂。玻纤含量过高的表面会导致打标效果不佳。

聚苯硫醚（PPS）

聚苯硫醚（PPS）是一种耐高温的半结晶工程热塑性塑料。在业内，PPS 被誉为「性能堪比金属」的塑料。与 PEEK、液晶聚合物（LCP）等其他耐高温性能塑料类似，PPS 的性能取决于其结晶行为。市面上销售的 PPS 有两种不同的分子结构形式：「支链型」与「线型」。其中较知名的品牌包括塞拉尼斯 Fortron®、索尔维 Ryton®、SABIC Supec、东丽 Torelina 以及 DIC PPS。支链型通常刚性更强，而线型通常具有更好的机械强度与弯曲强度，以及更高的熔体稳定性。线型 PPS 的离子杂质含量也更低。在标准 PPS 中添加玻璃纤维（30% 及 40%）或玻纤/矿物混合填料，可满足特殊及高要求的应用需求。电子制造商通常选用 40% 玻纤填充的 PPS 用于绝缘件及连接器产品。

要实现完全结晶状态，成型温度须至少达到 275 至 300 华氏度。当 PPS 在低于 275 华氏度的条件下成型时，成型件呈非晶态或半结晶态，并将保持该状态，直至暴露于更高的使用温度。若使用温度超过成型温度，零件将变得更趋结晶化，从而导致尺寸及性能发生变化。

制造玻璃纤维所用的材料为硅砂、石灰石及纯碱。硅砂是形成玻璃的主要原料，而纯碱与石灰石则用于降低熔化温度。「玻纤外露」是玻纤填充注塑产品常见的一种严重表面缺陷。玻璃纤维的外露会导致表面呈现富玻纤状态。在塑料熔体填充及成型过程中，过量的玻璃会在表面形成。经冷凝与成型后，表面会出现白色痕迹。成型零件表面必须「富含树脂」，才能实现高质量打标，因为激光能量需要与聚合物基体发生相互作用。反之，富玻纤表面的打标效果较差，且该问题会随玻纤含量的提高而加剧。玻璃纤维本身对近红外（NIR）激光的吸收能力较弱。

工业光纤激光器

纳秒级镱光纤激光器（MOPA 型及固定脉冲型）凭借其优异的光束质量（M2 因子）与高亮度「辐射度」，是塑料打标、雕刻及蚀刻的理想选择。它们能够聚焦至极小的光斑尺寸（小于 20 微米），从而形成高能量密度。使用 MOPA（主振荡功率放大器）激光器的一项显著优势在于能够精细调节脉宽。激光辐照度（W/cm²）与能量密度（J/cm²）是塑料打标中的重要参数。辐照度本质上是激光束的强度，它是聚焦光斑尺寸的函数。能量密度决定了传递至材料表面的能量大小。若能量密度过低，材料可能完全不受影响；若过高，材料则可能受到超出预期打标效果的过度损伤。

激光脉冲重复频率与峰值功率密度对形成标记以及实现最佳对比度与打标速度至关重要。功率与脉冲重复频率之间呈反比关系曲线。低频率下的高峰值功率会使表面温度迅速升高，使材料气化，同时向基材传导的热量极少。随着脉冲重复频率的提高，较低的峰值功率产生的气化效应极小，但传导的热量却更多。

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常见问题

为何 PPS 如此难以进行激光打标？

PPS 是一种耐高温的半结晶热塑性塑料，能够承受激光所施加的热量，因此在普通塑料中能够形成对比度的炭化与发泡反应，在 PPS 上更难被触发。PPS 零件中常见的玻纤填充又进一步加剧了这一问题。

哪些激光设置可在黑色玻纤填充 PPS 上产生耐刮擦标记？

需使用脉宽在 20 至 40 纳秒之间、脉冲频率高于 100 kHz 的 MOPA 镱光纤激光器。精确的参数设置是控制表面温度升降时间的关键；若缺乏这种控制，标记便极易被刮除。

玻纤含量是否会影响 PPS 的打标质量？

影响很大。玻璃纤维不吸收近红外光，因此富玻纤表面的打标效果较差，且该问题会随玻纤含量的提高而加剧。电子连接器通常采用 40% 玻纤填充的 PPS，因此形成富树脂表面是成型工艺中的重要目标。

PPS 需要多高的成型温度？

至少需达到 275 至 300°F，才能实现完全结晶状态。若成型温度低于该范围，零件将保持非晶态或半结晶态，并在使用温度超过成型温度时才发生结晶，从而导致尺寸及性能发生变化。

线型 PPS 与支链型 PPS 有何区别？

支链型 PPS 通常刚性更强。线型 PPS 通常具有更好的机械强度与弯曲强度、更高的熔体稳定性，以及更低的离子杂质含量。

Scott R. Sabreen 是 The Sabreen Group, Inc. 的创始人兼总裁，该公司是一家专注于塑料二次加工制造工艺的工程公司，业务涵盖表面预处理、粘接装饰与表面精饰、激光打标及产品安全。他从事新技术开发与制造难题解决工作已逾 30 年。如需联系 Sabreen，请致电 972.820.6777，或访问 www.sabreen.com 或 https://sabreen.com/solutions/plastics-laser-marking/。

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