ポリスチレンとHIPSのレーザーマーキング：包装、家電、使い捨て部品

ポリスチレンとHIPSのレーザーマーキング：包装、家電、使い捨て部品

要点

• 芳香環を持つため、ポリスチレンは炭化しやすく、マークを付けること自体は容易です。
• 本当の問題は、軟化点が低いためにプロセスウィンドウが狭いことです。
• HIPSにはスチレンより先に劣化するゴム相が含まれ、変色のリスクが広がります。
• 薄肉部品は、エネルギーを厳密に制御しないと、マークが付く前に変形します。

ポリスチレンがレーザーマーキングの議論に登場することはまれですが、食品包装、使い捨てラボウェア、家電の内装部品、玩具、化粧品包装、電子機器の筐体など、毎日多量に生産されていることを考えると不思議です。おそらく、マーキングが技術的課題にならない汎用材料と見なされているためでしょう。確かに、マークを付けること自体は容易です。しかし、薄肉部品に良好なマークを付けるのは容易ではありません。

マークが付きやすく、しかも付きにくい理由

ポリスチレンは、主鎖の炭素1つおきにベンゼン環を持っています。この芳香族成分により炭化収率が高く、炭化が容易に進み、控えめなエネルギーで暗いマークが得られます。揮発成分に解重合してレーザー添加剤を必要とする脂肪族のポリオレフィンとは対照的です。

難しいのは、ポリスチレンのガラス転移温度が約100°Cと低く、熱伝導率も低いことです。表面を炭化させるのに十分なエネルギーは、表面を軟化させて変形させるのに十分なエネルギーに近く、しかも熱が逃げません。厚さ0.3 mmの熱成形壁では、マークが形成される途中で、部品が変形し、凹み、穴があきます。

種類ごとの違い

薄肉部品でのプロセス制御

• エネルギーを下げ、同時に速度を上げる。目標は深さではなく、浅い表面変化です。同等のエンジニアリング樹脂での開始点よりも、かなり低い条件から始めます。
• MOPA光源が使える場合は、パルス幅を短くする。短いパルスは、熱が壁内へ伝わる前にエネルギーを与えて終了します。
• 高い繰り返し周波数を使い、重なり合うパルスによって、少数の大きな寄与ではなく多数の小さな寄与で均一なマークを形成する。
• 部品を支持する。マークの裏側が支えられていない薄い熱成形壁は凹みます。裏当て治具により、プロセスのコストなしで変形の問題の大半を解消できます。
• 歪みや割れが集中する薄肉部やR部の近くにはマークを入れない。
• GPPSでは遅れて割れが発生することに注意する。脆いため、熱応力が亀裂の起点となり、後から進展することがあります。

化学的感受性への配慮

ポリスチレンは、一般的なポリマーの中で環境応力亀裂を最も起こしやすいものの一つで、幅広い有機薬品に侵されます。マーキングは局所的な熱応力を加え、洗浄剤、食用油、香料、化粧品の内容物が、その組み合わせのもう一方である化学的要因となります。

マーキングしたポリスチレン部品がこれらのいずれかに触れる場合（包装や化粧品用途ではほぼ確実に触れます）、適格性評価では、マーキングしていない平板のテストピースではなく、マーキングして応力を加えた試料を、実際の内容物と洗浄薬品に対して試験する必要があります。

食品接触と使い捨て用途

ポリスチレンの生産量の大部分は、食品包装、飲料カップ、カトラリー、使い捨てラボウェアに使われており、ほとんどのエンジニアリング樹脂のマーキングにはない規制面の要素が加わります。

• レーザーマーキングは物質を何も加えない点が、ここでの最大の利点です。インクやラベルでは、すべての構成要素について食品接触の適合性を示す証拠が必要になりますが、レーザーマークは評価に新たな要素を持ち込みません。
• レーザー添加剤を使えば、この利点は失われます。ポリスチレンは添加剤なしでも良好にマーキングできるため、コンパウンドする理由はほとんどなく、食品接触部品で使用すれば、その規制上の位置づけを文書化する必要が生じます。
• 直接接触する面では、マークの位置が重要です。容器の食品接触面ではなく外側にマーキングすれば、この問題は完全に回避でき、通常は可能です。
• 分解生成物は回収され、消費されることはありませんが、それでも十分な排気は必要です。スチレンのマーキングでは、材料の量がわずかであるわりに、目立つ量のヒュームが発生します。

スチレン系樹脂のマーキングのトラブルシューティング

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The Sabreen Groupは、スチレン系樹脂および薄肉包装部品のマーキング開発について、独立した立場でエンジニアリング支援を提供しています。当社のエンジニアリングサービスチームは、製造業のお客様とともに、プロセス開発、材料の適格性評価、量産時のトラブルシューティングに取り組んでいます。お客様の用途についてご相談の際は、お問い合わせください。

よくあるご質問

ポリスチレンにレーザー添加剤は必要ですか？

通常は不要です。主鎖の芳香環により炭化収率が高いため、ポリスチレンは容易に炭化し、添加剤なしでも控えめなエネルギーで暗いマークが得られます。技術的な課題はポリオレフィンの場合と逆で、軟化点が低く、マークが付く設定に近い条件で材料が変形するため、エネルギーを抑える必要があります。

薄肉のポリスチレン部品は、マーキング時になぜ変形するのですか？

ガラス転移温度が低く、熱伝導率も低いためです。エンジニアリング樹脂なら逃げていく熱が局所にとどまり、表面を炭化させるのに必要なエネルギーが壁を軟化させるエネルギーに近くなります。薄い熱成形部では、マークが形成される途中で、部品が凹んだり穴があいたりします。パルス幅を短くし、速度を上げ、裏当て治具を使うことで、大半は解決できます。

マーキングの観点で、HIPSは汎用ポリスチレンとどう違いますか？

HIPSには耐衝撃性のためのブタジエンゴム相が含まれ、このゴムはスチレンより低い温度で劣化します。その結果、黄変しやすく、意図したマークの外側に変色したハローを残しやすくなります。GPPSはその点ではきれいですが、はるかに脆く、薄肉部では熱応力が割れの起点になることがあります。

発泡ポリスチレンにレーザーマーキングはできますか？

実用的ではありません。発泡体は熱でマークが形成される前に崩れるため、EPSの識別表示は通常、ラベルや硬質の表面材に施します。また、固体材料の量がわずかであるわりに、大量のヒュームが発生します。

マーキングしたポリスチレン部品を出荷する前に、何を試験すべきですか？

マーキングして応力を加えた試料での化学的適合性です。ポリスチレンは、一般的なポリマーの中で応力亀裂を最も起こしやすいものの一つであり、マーキングが局所的な熱応力を加え、包装内容物、食用油、香料、洗浄剤が化学的要因となります。マーキングしていない平板のテストピースで試験すると、市場での不具合の原因となる相互作用がまさに除かれてしまいます。

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