塑料激光打标的材料科学基础

塑料激光打标的材料科学基础

塑料直接激光打标技术的进步带来了前所未有的打标质量、对比度和速度。只要应用得当，塑料激光打标可带来诸多制造优势，并为产品的外观和功能增值。新一代塑料材料科学和激光设备系统，正推动业界对永久性激光打标（替代传统油墨印刷）产生强劲需求。本文介绍聚合物、激光添加剂与特定激光波长（由各类激光源发射）之间化学反应的基本概念和相关信息。

从业者常常认为所有塑料激光打标应用都需要激光材料添加剂。然而，根据待打标塑料的类型及其最终用途对对比度和精细线条质量的要求，并不一定需要使用激光优化的材料配方。相反，只要正确选择激光的波长和类型，即可达到所需的可打标程度。结果取决于以下因素：a）树脂的具体牌号和性能；b）激光类型（波长、光束质量输出模式、光学配置、功率密度、峰值/平均功率、打标速度）；c）着色剂和填料成分；d）光泽和表面纹理；e）回收料含量。TiO2 和炭黑等着色剂化合物在特定波长下具有一定程度的吸收特性，其粒径和黑度也是影响因素。此外，即使是同一通用类别中的特定树脂牌号，也可能产生截然不同的结果，例如苯乙烯类塑料。

另一方面，在考虑是否加入激光添加剂时，一个常被忽视的好处是：优化的激光配方不仅能改善装饰性或功能性标记的对比度和质量，还能提高打标速度。使用激光添加剂几乎总能缩短打标周期，并允许使用较低的激光功率。这些因素最终可节约成本并提高生产效率。

要为塑料激光打标获得最优的材料科学化学配方，需要在以下方面具备专业知识：聚合物、聚合物族内的各性能牌号、着色剂、颜料和染料的溶解性、粒径、阈值浓度限值、与激光添加剂配合使用时的配色，以及法规认证（GRAS、FDA 直接/间接食品接触）。材料科学解决方案必须经济高效、易于使用，且不得对聚合物产品的物理和化学性能产生不良影响。因此，化学家/配方师必须对多种激光技术有广泛的了解，才能确保在快速生产速度下实现稳定可靠的打标。

本文重点介绍工作波长在 1060 至 1070 nm 范围内的振镜扫描式激光器，包括 Nd:YAG（弧光灯泵浦和二极管泵浦）、钒酸盐激光器和光纤激光器。传统的“YAG”激光器凭借其发射波长、功率性能以及过去数十年来的广泛通用性，在激光打标行业最为普及。钒酸盐激光器和光纤激光器则是更新的技术，选用时往往更取决于具体应用，但在合适的应用中同样能取得出色效果。

采用 1060 至 1070 nm 波长的振镜扫描式激光打标，其基本机理是用高能辐射源（激光）照射聚合物。辐射能被材料局部吸收并转化为热能，热能进而引发材料内部的反应。在这一近红外波段，可能发生多种反应，至少包括：1）碳化；2）烧蚀；3）化学变化。根据所需的打标对比度效果，可选用截然不同的化学配方和激光系统参数，以实现期望的反应类型。与普遍看法相反，能解决所有打标问题的单一激光添加剂并不存在！

当吸收的能量使吸收部位周围材料的局部温度升至足以引起聚合物热降解的程度时，就会发生碳化反应。在有氧条件下，这会导致聚合物燃烧；但在工件内部，有限的氧气供应使聚合物碳化而形成黑色标记。标记的深浅取决于吸收的能量以及材料的热降解途径。

当聚合物被加热到足以引起降解并使降解副产物蒸发时，就会发生烧蚀，形成蚀刻区域。这类打标通常产生低对比度的标记。作为参照，连续波（CW）CO2 激光器的工作波长为 10.6 µm（远红外光谱）。CW CO2 激光器产生的峰值功率远低于前者，通常无法在大多数塑料上产生高对比度标记。

化学变化是通过使用在降解过程中释放蒸汽的添加剂，使聚合物发泡。在发泡过程中，激光能量被紧邻发泡剂的添加剂吸收，吸收剂产生的热量使发泡剂降解并释放蒸汽。发泡剂的例子有氢氧化铝或各种碳酸盐。为防止碳化，该机理要求聚合物的降解温度高于发泡添加剂的降解温度。通过严格控制激光工作参数，可在深色基材上产生高质量的浅色标记；激光控制不当则可能产生易碎或低对比度的标记。

另一种激光打标方法是利用近红外激光能量加热/降解着色剂混合物中的某一种着色剂，从而引起颜色变化。例如炭黑与稳定无机着色剂的混合物：加热时炭黑被去除，无机着色剂则被保留下来。这类混合着色剂体系取决于特定着色剂的稳定性，并非所有颜色变化都能实现。

总之，必须认识到所有振镜扫描式激光器并不相同。仅靠材料科学化学并不能解决所有打标质量问题。激光器制造商在其设备中采用的硬件和软件组件，对打标质量、速度和多功能性有着重大影响。采购激光设备时应注意，并不存在单一的通用解决方案。每种应用在塑料树脂基材的成分和颜色以及所需打标对比度（“浅底深标”、“深底浅标”或“定制颜色”）方面都各不相同。当今聚合物材料科学和激光波导的进步，远超几年前还被认为不可能实现的水平，堪称飞跃。

要点

• 打标是聚合物、所有激光添加剂与激光源特定波长之间的化学反应。
• 并非总是需要添加剂——这是一个常见的假设，值得针对每种材料进行测试而非直接接受。
• 激光打标是传统油墨印刷的替代方案，而材料科学正是其可行的关键。
• 波长必须与材料匹配，而不是根据设备的可用性来选择。
• 应用得当时，打标可为外观和功能增值，而不仅仅用于标识。

常见问题

所有塑料都需要激光添加剂才能打标吗？

不是，这是一个值得核实的常见假设。从业者常认为总是需要添加剂，但是否需要取决于聚合物、其着色剂和填料，以及所用激光源的波长。

标记究竟是如何产生的？

标记由聚合物、所含激光添加剂与激光源发射的特定波长激光之间的化学反应产生。理解这种相互作用，才能预测特定材料与激光的组合能否产生可用的标记。

激光打标为什么正在取代传统油墨印刷？

因为新一代塑料材料科学和激光设备能产生前所未有的打标质量、对比度和速度，且无需耗材油墨或溶剂。应用得当，既能带来制造优势，又能为产品的外观和功能增值。

激光源类型会改变结果吗？

会。不同的激光源发射不同的波长，而聚合物、添加剂与激光之间的化学反应取决于波长。因此，选择激光源既是设备决策，更是材料科学决策。

激光打标项目应从何处入手？

从材料入手。确定特定聚合物牌号及其着色剂和添加剂对候选波长的响应，就决定了后续的一切——是否需要添加剂、可实现何种对比度，以及切实可行的速度。

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，业务涵盖激光打标、表面预处理、粘接、装饰与精加工以及产品防伪。Sabreen 开发开创性技术、解决制造难题已逾 30 年。您可拨打 972.820.6777 联系他，或访问 www.sabreen.com 或 www.plasticslasermarking.com。

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