突破性添加劑提升塑膠雷射打標：更優異的對比度、線條邊緣細節與速度

突破性添加劑提升塑膠雷射打標：更優異的對比度、線條邊緣細節與速度

新一代雷射打標添加劑配方導入聚合物中，是一項實質的技術進步，已證實既能賦能又能節省成本。先進的材料科學配方，可在傳統上難以（甚至不可能）雷射打標的塑膠上，達到更優異的打標對比度、線條邊緣細節與速度。這些配方專為價格實惠的光纖、釩酸鹽與 YAG 雷射而設計，工作於 1060-1070 nm 的近紅外光譜。本文探討專為「熱化學表面碳化」所設計的深色與淺色雷射打標對比應用。這是最常見的聚合物表面反應，與「發泡」及「顏色」變化機制的化學途徑截然不同。

包括 PVC、聚碳酸酯與聚烯烴在內的透明與半透明聚合物，現已能以不含重金屬、經 FDA 核可的添加劑獨特配製，聚合物的透明度與光譜穿透特性不受影響。這項突破可在擠出管材／管件產品上「即時」與二次加工作業中，產生烏黑的雷射打標對比，且表面碳化殘留物極少。線上無墨雷射打標如今已取代輪轉凹版印刷與移印。（參見照片 A。）

重點摘要

• 專為 1060–1070 nm 近紅外波段設計，涵蓋價格實惠的光纖、釩酸鹽與 YAG 雷射。
• 熱化學表面碳化是最常見的聚合物表面反應，也是這些配方的重點。
• 沒有任何單一添加劑能解決所有打標問題——化學配方與雷射設定會依目標對比度而異。
• 最終零件中的添加量為重量的 0.01% 至 4.0%，並使用顏料與染料調整顏色。
• 與未經最佳化的材料相比，打標速度最高可提升 25%，添加濃度低至 0.01% 至 2.0%。

常見問題

經最佳配製的添加劑能讓打標快多少？

獨立研究顯示出統計上顯著的提升，在約 0.01% 至 2.0% 的極低濃度下，打標速度通常比未經最佳化的材料快 25% 或更多。由於打標時間直接構成週期時間成本，這很快就能抵銷添加劑增加的價格。

哪些因素決定打標所需的時間？

聚合物基材、所繪製的向量線條數量，以及光束與振鏡掃描頭繪製這些線條的速度。雷射軟體與向量填充類型——單向、雙向或蛇形——也會影響打標時間。

為何加入添加劑後，天然基材有時會呈灰色？

部分添加劑含有摻銻氧化錫與三氧化二銻的混合物，會使天然未著色基材的不透明度帶有灰色色調。透過顏料與染料進行顏色調整，即可使零件回到目標配色。

添加劑是以顆粒還是粉末形式供應？

兩者皆有。顆粒產品可直接與聚合物樹脂混合，粉末則須製成色母粒。兩者都可以預先複合材料或色母粒的形式供應。

雷射打標配方究竟需要哪些專業知識？

需具備聚合物及各系列中性能牌號的知識，以及著色劑、顏料與染料在溶解度、粒徑、臨界濃度限值、配色與法規認證（包括 GRAS 與 FDA 直接與間接食品接觸）方面的知識。

聚合物雷射打標反應機制

可被雷射打標的聚合物，是能吸收雷射光並將光能轉換為熱能的聚合物。由於大多數聚合物在 1060-1070nm 並不具備吸收特性，專家會使用能增強雷射能量吸收的添加劑、填料、顏料與染料，以造成局部顏色變化。要達到高對比與彩色雷射打標，其材料科學化學配方既是藝術也是科學。與一般看法相反，能解決所有打標問題的單一雷射添加劑並不存在。依所需的打標對比與功能，會採用截然不同的配方化學與雷射光學／設定參數。

最常見的表面反應機制稱為熱化學「碳化」或「炭化」（參見照片 B），即基材所吸收的能量使吸收點周圍材料的局部溫度升高到足以造成聚合物熱降解。在有氧氣的情況下，這可能導致聚合物燃燒；但基材內部的氧氣供應有限，使聚合物炭化而形成黑色或深色的打標對比。標記的深淺取決於所吸收的能量，以及材料獨特的熱降解途徑。

雷射添加劑可提升對比度，並可透過改變雷射設定參數進一步強化。聚合物本身具有產生「深色」或「淺色」打標對比的固有特性。（參見照片 B。）即使同屬一個聚合物系列，每種聚合物著色劑牌號也可能產生不同結果。含少量 TiO2、碳黑與混合金屬氧化物的著色化合物，同樣會吸收雷射光，在某些情況下還能改善打標對比度。

初級加工、雷射添加劑與配色

市售雷射添加劑以顆粒與粉末形式供應。顆粒產品可直接與聚合物樹脂混合，粉末則須製成色母粒。

其中部分添加劑含有摻銻氧化錫及／或三氧化二銻的混合物，會使天然（未著色）基材的不透明度帶有「灰色」色調。可使用顏料與染料進行顏色調整，以達到最終的配色外觀。依特定添加劑與聚合物而定，（最終零件中的）重量添加濃度可介於 0.01% 至 4.0% 之間。顆粒與粉末形式均可以預先複合的色料或色母粒供應。

在雷射添加劑添加／配色化學過程中，成品所含的雷射添加劑少於計算量並不罕見。此問題幾乎總是與擠出或成型過程中分佈不均有關。對成型機進行簡單調整，例如提高背壓與螺桿轉速，即可解決大多數問題。雷射添加劑在每個零件中均勻分佈／分散，對於達到最佳打標表現至關重要。對於擠出、射出成型與熱成型作業，預先配色的複合材料比色母粒能獲得更好的均勻性。應避免手工混合。模流與澆口類型／位置是重要因素。

更快的打標速度 = 成本節省

打標一個零件所需的時間，取決於聚合物基材、所繪製的向量線條數量，以及雷射光束／振鏡掃描頭繪製所有線條的速度。雷射軟體與向量填充類型——單向、雙向或蛇形——也會影響打標時間。

新的獨立研究證明，以極低的濃度（通常為 0.01% 至 2.0%）加入雷射添加劑配方，即可達到統計上顯著更快的打標速度。經最佳配製的雷射添加劑可節省成本，與未經最佳化的材料配方相比，往往能帶來 25% 甚至更快的打標速度。這種速度與品質的提升，足以抵銷所增加的材料添加劑成本。

「雷射添加劑的科學」（第 34 頁圖 1）顯示了用於 28mm 無襯墊飲料瓶蓋的兩種高密度聚乙烯的熱重分析（TGA）曲線。兩種聚合物呈現不同的熱降解溫度——這正是形成雷射標記的過程。降解溫度較高的聚合物，需要更多雷射能量、較低的打標速度或更多吸收性添加劑，才能達到相同的標記外觀。

若沒有雷射添加劑，一些知名的工業產品就無法以具成本效益的方式製造。一個有趣的應用是針對無襯墊飲料瓶蓋的蓋內促銷圖案進行「即時」雷射打標。統包系統能以每分鐘 1,500 – 2,000 個瓶蓋的速度，打標獨特的圖形與英數字文字。（參見照片 B。）

雷射技術

雷射技術的進步對新一代雷射添加劑的快速發展至關重要。奈秒光纖雷射的出現，是打標、焊接與切割領域最重大的進展之一。從根本上說，光纖雷射不同於其他固態打標雷射。光纖雷射產生雷射光束的增益介質分散於特殊的光纖光纜之中。與光纖傳輸式雷射不同，整條光束路徑一直都在光纖光纜內，直到光束傳輸光學元件為止。

光纖雷射能產生卓越的光束品質與亮度。光束品質的衡量指標為 M2，M2 值越小，光束品質越好，其中 M2 = 1 為理想的高斯雷射光束。光束品質優異的雷射可聚焦至小光點尺寸，進而產生高能量密度。脈衝能量高達 1 mJ 且功率密度高的固定與可變脈衝光纖雷射，可為許多歷來難以打標的聚合物打標，包括尼龍、聚胺酯與縮醛樹脂。釩酸鹽雷射同樣具有小 M2 值，且脈衝寬度比固定式光纖與 YAG 雷射更短。脈衝持續時間會影響熱量與碳化深入材料的程度。短脈衝寬度對敏感的聚合物應用可能有利。

並非所有光束偏轉式光纖、釩酸鹽與 YAG 雷射都同樣優異。雷射製造商納入其系統的硬體與軟體元件，會對打標對比、品質與速度造成顯著差異。首要特性是打標表面的功率密度（瓦／cm²），這與雷射的原始輸出功率不同。雷射光束的輸出模式對打標表現至關重要，這些輸出模式與光束發散度及雷射光束直徑上的功率分佈等因素有關。

功率密度取決於雷射聚焦光點尺寸。在特定焦距透鏡與雷射波長下，聚焦光點尺寸取決於雷射光束發散度，而發散度由雷射配置、模式選擇孔徑大小與擴束鏡（光束擴展器）倍率所控制。

脈衝重複率與峰值功率密度是形成標記並達到最佳對比與速度的關鍵參數。功率與脈衝重複率的算術曲線呈反比關係。低頻率下的高峰值功率會使表面溫度迅速上升，使材料汽化，同時傳入基材的熱量極少。隨著脈衝重複率增加，較低的峰值功率產生的汽化極少，但傳導的熱量較多。其他影響打標對比與品質的因素，當然還包括光束速度與向量線條間距。

結論

新一代導入聚合物中的雷射打標添加劑，能帶來更優異的打標對比度、線條邊緣細節與速度。線上無墨雷射打標如今已取代輪轉凹版印刷與移印。這些優勢能迅速抵銷所增加的材料添加劑成本。要為塑膠雷射打標取得最佳的材料科學化學配方，需要具備聚合物、聚合物系列中的各性能牌號，以及著色劑、顏料與染料在溶解度、粒徑、臨界濃度限值、配色與法規認證（GRAS、FDA 直接／間接食品接觸）方面的專業。材料科學解決方案必須具成本效益、易於使用，且不得對聚合物的物理與化學特性造成不良影響。

誌謝

• Dr. Tony Hoult, IPG Photonics, “Laser Marking with Fiber Lasers”, Industrial Laser Solutions, September 2012.
• BASF Corporation Mark-it™ Laser Marking Pigment Technical Bulletin 2002, with technical content contributions from The Sabreen Group, Inc. Lasers&Optronics, July 1997.
• Bruce Mulholland (Hoechst Technical Polymers) and Scott Sabreen (The Sabreen Group, Inc.), “Enlightened Laser Marking”, Lasers&Optronics, July 1997.
• Daniel S. Burgess, Scott R. Sabreen and Carl Baasel Lasertechnik GmbH, Feature Article, “Laser Marking: A Clean Economical Packaging Solution”, Photonics Spectra, November 2001.

Scott R. Sabreen 是 The Sabreen Group, Inc. 的創辦人暨總裁，該公司是專精於塑膠二次加工製程的工程公司，業務涵蓋雷射打標、表面前處理、黏接、裝飾與表面加工，以及產品安全。Sabreen 開發開創性技術並解決製造問題已逾 30 年。歡迎撥打 972.820.6777 或造訪 www.sabreen.com 或 www.plasticslasermarking.com 與他聯絡。

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