塑料彩色激光打标：如何借助添加剂实现对比度与颜色

塑料彩色激光打标：如何借助添加剂实现对比度与颜色

要点速览

• 深色标记来自碳化，浅色标记来自发泡，这是聚合物上的两种基本机理。
• 可实现哪些颜色，主要取决于添加剂化学，而不是激光器。
• 脉冲持续时间决定作用机理，这就是 MOPA 光源能提供最宽颜色和对比度范围的原因。
• 颜色必须测量，而不能凭肉眼判断：CIELAB 和 ΔE 才是唯一站得住脚的规范。

大多数人把激光打标与塑料表面上简单的深色或浅色标记联系在一起。但先进的添加剂化学拓展了可能性：如今，制造商可以在白色基材上获得高对比度的黑色标记，在深色零件上获得明亮的白色标记，在某些体系中还能获得可控的颜色响应。对于为外观要求严格的应用制定激光打标工艺的工程师而言，理解这些效果如何产生、又由什么决定其质量，至关重要。

两种基本标记类型：深色与浅色

塑料上绝大多数激光标记属于两类之一：深色标记（碳化）产生于激光能量使聚合物基体或其中的添加剂发生热分解，产生呈黑色或深褐色的富碳残留物。这一机理是用光纤激光器对大多数深色颜料或含添加剂塑料打标的基础。

浅色标记（发泡）产生于激光能量迅速加热塑料的局部体积，使一部分聚合物汽化，并在熔体中形成由微小气泡构成的网络。由此形成的发泡表面使光线漫散射，呈现白色或浅灰色，即使在深色基材上也是如此。这正是汽车内饰和电子产品中深色 ABS、PC 和 PA 部件上高对比度白色标记背后的机理。

激光敏感添加剂如何产生对比度

在对近红外能量（1064 nm 光纤激光）吸收很少的本色或浅色聚合物中，要获得可靠的标记，就需要激光敏感添加剂，即专门设计用来吸收激光能量并引发显色反应的化合物。

应用最广的添加剂化学基于锑锡氧化物（ATO）、铋基化合物和专有金属氧化物颜料。受光纤激光照射时，这些添加剂高效吸收能量，并触发周围聚合物基体的局部碳化，即使在白色或透明基材上也能产生高对比度的深色标记。

对于深色背景上的浅色标记，不同的添加剂体系通过从表层烧蚀深色着色剂，或产生散射光线的泡沫结构来起作用。塑料工程师协会（Society of Plastics Engineers）已发表关于常见聚合物系列添加剂选择标准的研究。

真彩色激光打标

除黑白之外，某些添加剂体系和激光配置可以在塑料上产生彩色标记。有两种机理与此相关：金属上的干涉色效应已很成熟：对不锈钢和钛表面进行受控氧化，会产生通过光干涉形成结构色的薄氧化层，在不同功率/速度组合下呈现金色、蓝色、紫色和红色。在塑料上，这一机理并不直接适用。

对于塑料，彩色打标通常依赖多层或多次扫描技术，通过选择性烧蚀或激活不同的含添加剂层，来显露下方的颜色。这在安全证件和高端品牌领域最为成熟。《应用聚合物科学杂志》（Journal of Applied Polymer Science）上发表的研究探讨了受激光照射后会变色的塑料用光致变色和热致变色添加剂体系。

主要添加剂及其作用

• 锑锡氧化物（ATO）：在浅色基材上产生深色标记。广泛用于 PA、PP、PC 和 ABS。对比度出色，部分牌号还获得 FDA 食品接触许可。
• 氯氧化铋：在深色基材上产生浅色标记。常见于要求在黑色外壳上打白色序列号或标识的汽车内饰件。
• 激光吸收型炭黑：以低浓度使用，可增强近红外吸收，而不会显著加深基材颜色。
• 云母基珠光颜料：与合适的激光参数配合，可在某些聚合物体系上产生金属或虹彩标记效果。

控制标记颜色和对比度的工艺变量

即使添加剂选得正确，标记质量也在很大程度上取决于激光参数：

• 功率密度（能量密度）：过低，添加剂无法完全激活；过高，周围材料会变色或炭化。
• 扫描速度：速度越慢，单位面积上沉积的能量越多，有助于获得更深的标记，但可能造成热扩散。
• 脉冲频率：影响脉冲重叠和标记纹理。频率越高，标记越平滑均匀。
• 扫描次数：以较低功率多次扫描，可在不使基材过热的情况下建立标记的深度和密度。

对于外观要求严格的应用（消费品、奢侈品、汽车内饰），标记开发应包括涵盖功率、速度和频率设置的完整参数矩阵，并采用比色测量（使用CIE L*a*b* 色彩空间）来量化对比度和颜色偏移。Sabreen 的应用工程团队为对颜色要求严格的激光打标项目提供添加剂选择指导和参数开发。

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常见问题

深色塑料上的浅色标记是如何形成的？

通过发泡。短脉冲在熔体中产生气体，被困成微气泡，这些气泡散射光线，形成白色或浅灰色标记。这是在黑色零件上打出清晰可读标记的标准方法。

激光能在塑料上产生真彩色标记吗？

在特定体系中可以。某些激光敏感添加剂会发生化学变化，产生确定的颜色，某些颜料也可被选择性漂白。可获得的色域由添加剂体系而不是激光器决定。

使用哪些添加剂？

掺锑氧化锡、铋基化合物、云母基颜料和炭黑都很常见，各自偏向不同的对比度表现。选择取决于基础树脂、目标颜色和任何法规限制。

哪些工艺变量控制标记颜色？

首先是脉冲持续时间，其次是重复频率、打标速度、功率和聚焦。脉冲持续时间决定能量是以热的形式累积（促成碳化），还是被快速沉积（有利于发泡）。

标记颜色应如何规定？

以 CIELAB 坐标加 ΔE 公差来规定，并用分光光度计对照留存的实物标准进行验证。对于机器可读代码，应规定对比度和验证等级，而不是颜色。

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