尼龍（聚醯胺）塑膠的光纖雷射打標

尼龍（聚醯胺）塑膠的光纖雷射打標

由於工業應用範圍廣泛，市場對尼龍（聚醯胺）塑膠產品高對比雷射打標的需求正快速增加。功能性與裝飾性標記包括英數字識別、Data Matrix／QR 視覺碼、圖表與微結構。

包括聚鄰苯二甲醯胺（PPA）在內的聚醯胺，因其多樣的材料特性、成型條件與雷射配置，是最難雷射打標的聚合物之一。適用於近紅外雷射的智慧添加劑，可解決打標對比問題並提高打標速度（縮短週期時間），且不影響材料特性。

本文介紹尼龍、化學添加劑與光纖雷射的相關知識，以實現高對比彩色且經濟的雷射打標作業。

重點摘要

• 包括 PPA 在內的聚醯胺，因其多樣的特性、成型條件與雷射配置，是最難打標的聚合物之一。
• 對比度不僅來自顏色變化——可變的光繞射，以及細線解析度與清晰度，也都有影響。
• 基材顏色本身就是一個變數，因為碳黑、TiO2 與阻燃劑對雷射光的吸收各不相同。
• 光纖雷射可聚焦至 20 微米以下，提供精細尼龍打標所需的高能量密度。
• 20–50 ns 的 MOPA 是為大多數聚合物取得優異對比色的有效範圍。

描述打標品質的一項基本參數，是標記表面與基材之間的顏色對比。使用近紅外雷射（包括鐿光纖、釩酸鹽（Nd:YVO4）與 Nd:YAG）造成顏色變化的表面機制有三種：1) 碳化形成黑色標記；2) 發泡形成白色標記；3) 雷射誘發有色聚合物的熱化學反應而變色¹。需求最高的對比色包括黑底不透明白、白底烏黑，以及中藍底不透明白。這些顏色組合往往需要化學添加劑。添加劑可提升顏色對比度（對雷射光的吸收），並可透過最佳的雷射選擇與打標參數進一步強化。

常見問題

為什麼尼龍難以雷射打標？

包括聚鄰苯二甲醯胺在內的聚醯胺，具有多樣的材料特性、成型條件與雷射配置，且與大多數聚合物一樣，本身並不吸收雷射光——因而無法產生形成標記所需的顏色變化。雷射增強添加劑正是解決對比度、速度與耐久性的關鍵。

除了對比度之外，如何判斷打標品質？

看保真度——即細線解析度與清晰度。對比度並不總是僅靠顏色變化取得，可變的光繞射也有貢獻，因此兩方面須一併評估。

尼龍的顏色會影響打標嗎？

會。基材顏色確實是影響因素，因為碳黑、二氧化鈦與阻燃劑等化合物，對雷射光各有不同程度的吸收，進而改變材料的反應。

為何鐿光纖雷射在這類作業中取代了 YAG？

它們約在 2010 年進入工業打標市場，提供更優異的光束品質與高亮度，可聚焦至 20 微米以下的光點，產生高能量密度。此外，它們用途廣泛、具成本效益，基本上即插即用，且幾乎無需維護。

哪種脈衝寬度範圍效果最佳？

20 至 50 ns 範圍的可變短脈衝 MOPA 光纖雷射，對於為大多數聚合物（包括尼龍）取得優異對比色極為有效。100 至 150 ns 的 Q 開關光纖雷射，重複率上限約為 80 kHz。

什麼是尼龍（聚醯胺）？

聚醯胺（尼龍）是含重複醯胺鍵（即 –CO-NH–）的主要工程與高性能熱塑性塑膠類別。相同單元經縮合形成均聚物，不同單元則形成共聚物。尼龍由二元酸與二元胺縮聚，或由含六、十一或十二個碳原子的內醯胺開環聚合製成²。尼龍單體可為脂肪族、半芳香族或芳香族（芳綸），結構可從非晶態、半結晶態，到結晶度較高或較低者。

脂肪族聚醯胺的生產規模遠大於全芳香族聚醯胺，是最重要的工程熱塑性塑膠類別之一。含 20% 玻纖、霧面表面紋理的尼龍雷射打標顏色對比：射出成型時為非晶態或僅中度結晶，但結晶度可以提高。

兩種重要的聚醯胺是聚己二醯己二胺（尼龍 6,6）與聚己內醯胺（尼龍 6）。其他脂肪族聚醯胺包括尼龍 12、69、6-10、6-12、46 與 1212。尼龍 11 是源自可再生資源（蓖麻植物）的生質工程塑膠。

由脂肪族醯胺縮合製成的半芳香族、半結晶聚醯胺，包括 PA 6T 與 PA 6I。半芳香族聚醯胺通常是較昂貴的全芳香族芳綸的高性價比替代品。芳香族聚醯胺稱為芳綸，強度較高，耐溶劑、耐燃與耐熱性較佳，尺寸穩定性也優於脂肪族醯胺。常見的芳香族醯胺是 Kevlar（聚對苯二甲醯對苯二胺）。

包括聚鄰苯二甲醯胺（PPA）在內的聚醯胺，因其多樣的材料特性、成型條件與雷射配置，是最難雷射打標的聚合物之一。

聚鄰苯二甲醯胺（PPA）是聚醯胺（尼龍）家族中熱塑性合成樹脂的一個子類，其定義為聚合物鏈重複單元中羧酸部分有 55%（莫耳）以上由此構成。PPA 為半芳香族、半結晶。PPA 填補了 PA6,6 與 PA6 等脂肪族尼龍與昂貴得多的聚芳綸之間的性能空白。

「智慧」添加劑

描述打標品質的一項參數，是標記表面與背景之間的顏色對比。對比度並不總是僅靠顏色變化本身取得，也可透過可變的光繞射獲得。

同樣重要的是打標品質及／或保真度，即細線解析度或清晰度。包括尼龍在內的許多聚合物本身並不吸收雷射光，因而無法產生顏色變化。雷射增強化學添加劑可顯著提升打標對比度、速度與耐久性（見圖像 1）。基材顏色是一項因素，因為碳黑、TiO2 與阻燃劑等化合物對雷射光的吸收程度各不相同。

雷射添加劑以顆粒與粉末形式供應。顆粒產品直接與聚合物樹脂混合，粉末則須製成色母粒。（最終零件中的）重量添加濃度通常介於 0.01% 至 3.0%。雷射添加劑在每個零件中均勻分佈／分散，對於達到最佳顏色對比至關重要。

部分添加劑含有摻銻氧化錫與三氧化二銻的混合物，可能使天然（未著色）基材的不透明度帶有「灰色」色調。其他添加劑則可能含有鋁粒子、混合金屬氧化物與專有化合物。

可使用顏料與染料進行顏色調整，以達到最終的配色外觀。特定添加劑已依 21 CFR 178.3297 聚合物用著色劑的 A-H 條件，取得 FDA 對食品接觸與食品包裝用途的核可¹。

鐿光纖雷射

近紅外鐿光纖雷射約在 2010 年前後進入工業打標市場，取代了傳統 YAG 雷射。光纖雷射具有卓越的光束品質（M2）與高亮度，可聚焦至小光點尺寸（小於 20 微米），進而產生高能量密度。光纖雷射用途極為廣泛、具成本效益，且即插即用，幾乎無需維護。

包括 IPG Photonics 與 SPI Lasers 在內的多家雷射公司，均銷售固定脈衝（Q 開關）與可變脈衝（MOPA）奈秒光纖雷射。脈衝寬度通常為 100 至 150 ns 的 Q 開關光纖雷射，用於部分聚合物打標應用，但由於 Q 開關技術的固有限制，其重複率被限制在約 80 kHz。

直接調變 MOPA（DM-MOPA）光纖雷射在奈秒級脈衝寬度下，重複率可高達 500 kHz。脈衝寬度 [ns] 是衡量脈衝起點與終點之間時間的指標，通常以脈衝波形的半高全寬（FWHM）為準。

高重複率通常意味著更快的打標速度（需搭配其他雷射／波形參數）。波形與表面碳化程度存在顯著差異³（見圖像 1）。

對雷射熱輸入及其輸入速率進行局部的空間與時間控制，可實現最佳性能。對於溫度敏感的聚合物，可變短脈衝（MOPA）光纖雷射在不造成過度碳化的情況下取得高對比，特別有效。

在透明塑膠上可實現次表面打標，適用於醫療應用。一般而言，MOPA 雷射產生的脈衝寬度（脈衝持續時間）為 1 ns 至 250 ns（及更高）。The Sabreen Group 發現，20 ns 至 50 ns 是許多聚合物應用（包括尼龍）取得最佳顏色對比的理想範圍。

在外觀與功能性打標對比方面，當零件直接打標（DPM）的 Data Matrix 與條碼需要高解析度、線條邊緣品質與小型資料單元時，雷射添加劑能帶來關鍵差異。資料串越長，資料單元就越密集。

軍事、航太、汽車與製藥產品往往要求「A」級驗證。高對比的代碼可讀性還有額外益處——打標速度更快，且整個工廠可使用低成本的手持式讀取器。

結論

聚醯胺是最難雷射打標的聚合物之一。智慧雷射添加劑可解決對比問題、提高打標速度並節省成本。對於零件直接打標（DPM）的 Data Matrix 與條碼，雷射添加劑可帶來關鍵的改善。20 ns 至 50 ns 範圍的可變短脈衝（MOPA）光纖雷射，對於為大多數聚合物取得優異對比色極為有效。

參考文獻

1. Sabreen, S. Fiber Lasers: Selection and Additives, Plastics Decorating, November 2017. 2. Polyamide (PA) Nylon Complete Guide, SpecialChem 2019. 3. Brodsky, M. Wave Forms: A New Laser Tool, Optics & Photonics, March 2012.

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顧問公司，業務涵蓋表面前處理、附著接合、噴墨列印、雷射打標、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 與他聯絡。

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