聚乙烯裝飾的先進技術

聚乙烯裝飾的先進技術

聚乙烯（PE）是應用最廣泛的聚合物之一，依密度與支化程度分類。PE 的種類對二次加工作業的難易度有重大影響，最常見的類型為 LDPE、HDPE 與交聯型。由於其化學、物理與疏水性表面特性，PE 產品不易黏接與裝飾。本文探討最先進的二次加工製程，以在 PE 上實現優異的黏接、塗裝、噴墨列印與雷射打標。

要建立穩健的二次加工作業，第一步是了解各類 PE（支化型、線型與交聯型）之間的差異。PE 雖不吸濕，卻具有不易潤濕的特性與低表面自由能，而低分子量氧化物質的存在會使表面能進一步降低。無機混合金屬氧化物顏料會影響結晶度與結晶速度，進而決定塑膠零件的最終性質。初級成型作業與冷卻速率，對於決定聚烯烴之間的界面附著力至關重要。

重點摘要

• PE 的類型決定加工難度。LDPE、HDPE 與交聯型在每種二次加工作業中的表現各不相同。
• HDPE 一般比 LDPE 更容易黏接與雷射打標，主因在於熱穩定性的差異。
• 火焰電漿因處理深度僅 5–10 nm，使聚烯烴在處理後的保存期限最長。
• Pyrosil 並非火焰處理。它透過燃燒式 CVD 沉積 5–100 nm 的 SiO2；火焰呈粉紅色而非藍色。
• 未添加雷射添加劑的 PE，因在 1060–1070 nm 無吸收，標記幾乎無法辨識。

常見問題

為什麼聚乙烯這麼難以裝飾？

PE 具疏水性、非極性且化學惰性，表面自由能低；而當脫模劑、抗氧化劑、塑化劑、滑爽劑與抗靜電劑、著色劑及安定劑等低分子量物質遷移至表面時，表面能會進一步下降。

HDPE 與 LDPE 哪個較容易加工？

一般而言是 HDPE。LDPE 的分子鏈為支化結構，HDPE 則具有結晶度較高的結構；已發表的熱分析結果顯示，LDPE 的熱穩定性低於 HDPE。這項差異使 HDPE 更容易黏接，也更容易雷射打標。

哪種前處理能使聚烯烴的保存期限最長？

火焰電漿。研究顯示，聚烯烴的火焰處理可產生最長的處理後保存期限，這是因為其距表面的處理深度相對較淺，僅 5 至 10 nm。

聚乙烯不加添加劑可以雷射打標嗎？

效果不佳。與許多熱塑性塑膠一樣，未添加添加劑的 PE 標記幾乎無法辨識，因為聚合物在 1060 至 1070 nm 基本上沒有吸收。是添加劑、填料、顏料與染料，才讓局部顏色變化得以實現。

UV 塗料在 PE 上固化速度有多快？

通常僅需 3 至 10 秒。固化後，裝飾完成的零件可立即包裝；UV 固化塗料在韌性與耐化學性方面表現出色，並有適用於長期戶外耐久性的配方。

聚乙烯

PE 是屬於聚烯烴家族的可變結晶型熱塑性塑膠，依密度與支化程度分類。主要用途包括包裝、汽車、電氣、消費性產品、纖維與紡織品，以及管材與管件。PE 的機械性能顯著取決於支化程度與類型、結晶結構及分子量等變數。PE 由乙烯（烯烴）單體經加成聚合或自由基聚合製成。

PE 的一大特性，是在加工過程中可輕易改變，得到依聚合物鏈長、密度與結晶度而異的各種形態。這些特性使 PE 產品可依用途量身訂製。最常見的聚乙烯類型如下所列。

支化型

• 低密度聚乙烯（LDPE）
• 線型低密度聚乙烯（LLDPE）
• 線型

高密度聚乙烯（HDPE）

• 超高分子量聚乙烯（UHMWPE）
• 交聯聚乙烯（PEX 或 XLPE）

PE 亦有其他類型，包括但不限於：中密度聚乙烯（MDPE）、超低密度聚乙烯（ULDPE）、高分子量聚乙烯（HMWPE）、茂金屬聚乙烯（mPE）與氯化聚乙烯（CPE）。

HDPE 與 LDPE 的差異

設計人員所選擇的 PE 類型，強烈決定二次加工作業的難易度。LDPE 與 HDPE 有許多共通特性，但兩者內部組成根本不同，因而產生許多差異。構成這兩種材料的聚合物鏈，在 LDPE 中呈支化結構，而在 HDPE 中則具有結晶度較高的結構。HDPE 較易發生環境應力龜裂。聚合物組織的差異，使每種材料各具獨特特性。一項發表於 Journal of Applied Polymer Science、評估熱性質的研究發現，LDPE 的熱穩定性低於 HDPE1。The Sabreen Group 的研究也支持此結論，即 HDPE 比 LDPE 更具熱穩定性，且通常更容易黏接與雷射打標²。

附著

牢固的附著接合是許多二次加工製程的前提。半結晶型 PE 因疏水特性與低表面自由能而不易潤濕，而 LMWOM（低分子量氧化物質，如脫模劑、抗氧化劑、塑化劑、滑爽劑與抗靜電劑、著色劑與顏料，以及安定劑）的存在，會使表面能進一步降低。除了表面的化學組成，質地、孔隙率，以及任何 LMWOM 污染或析出至基材表面的塗層阻隔物，或搬運造成的污染物，都會影響液體的流動及達成緊密接觸的能力。表面清潔度至關重要。除化學附著外，表面粗糙度還可提高機械附著。PE 黏接零件通常需要前處理，電漿前處理是首選方法。

即使清除了污染物，PE 表面仍可能抗拒液體（黏著劑、塗料或油墨）的潤濕。這是由一種稱為表面能的現象所致。表面能是固體表面相對於本體所存在的過剩能量。這種過剩能量之所以存在，是因為表面的分子無法像本體中的分子那樣，與同樣多的相鄰同類分子交互作用，因此具有過剩的交互作用能量。

電漿前處理

最新進展？由業界領導廠商 3DT LLC 製造的 PlasmaDyne Pro 大氣電漿，具備最高 500W 的可變功率控制與更大的處理面積。這些進步使高純度電漿離子化的功率得以精準控制，適用於線上與自動化（機器人）系統。

氣相「輝光放電」電漿表面（改質）氧化，能有效解決非極性、化學惰性、疏水性聚合物表面的附著問題。常見的製程包括電氣大氣電漿、火焰電漿、Pyrosil®、電暈放電、空氣電漿（放電）、低壓射頻冷氣體電漿，以及 UV／臭氧。所有這些製程在提高表面能之外，還會增添化學官能基。參考線上技術文章「Plasma Surface Pretreatments of Polymers for Improved Adhesion Bonding」，Plastics Decorating Magazine 2018。

本文探討三種非常適合用於 PE 零件及所有聚烯烴之線上或二次處理的電漿前處理製程：1) 電氣大氣電漿；2) 火焰電漿；3) Pyrosil®。照片 1。哪種製程最適合某項應用，取決於多項因素，包括聚合物類型、零件厚度與幾何形狀。

大氣電漿

大氣電漿或電氣吹送式離子電漿，使用由發電機與升壓變壓器供電的噴嘴電極，以及高壓空氣，在處理頭內產生強烈電漿並向外噴出。臭氧生成量可忽略不計。此前處理製程近乎無電位（可處理包括金屬在內的導電材料），可去除基材上的灰塵、碎屑與大部分碳氫化合物。新研究指出，表面的精細蝕刻可產生新的表面形貌，以增加機械接合。

火焰電漿處理

火焰電漿處理利用空氣與碳氫氣體燃燒過程中存在的高反應性物種來產生電漿。火焰處理雖為放熱反應，但化學官能基與表面潤濕性的提升並非來自熱。火焰處理會去除基材上的灰塵、碎屑與大部分碳氫化合物。由於其距表面的處理深度相對較淺（5 至 10 nm），火焰處理比電氣前處理更能帶來較高的潤濕性、氧化程度與保存期限。研究顯示，聚烯烴的火焰電漿因處理深度相對較淺，可產生最長的處理後保存期限，這對產品而言是一大優勢。此製程不產生臭氧。採購火焰處理燃燒器時，帶狀燃燒器搭配零壓平衡調節器可提供更高的火焰均勻性。以丙烷氣體進行火焰處理，非常適合處理 PE 與聚烯烴耐用零件。

CCVD Pyrosil®

請勿與火焰電漿混淆，Pyrosil® 處理是一種表面改質技術，透過燃燒化學氣相沉積（CCVD），在基材表面沉積一層非晶質二氧化矽（SiO2）。藉由火焰裂解，可在基材上形成一層薄薄的（5–100 nm）高反應性疏水性氧化矽層。隨後，由於沉積的 SiO2 顆粒表面具有高密度的 Si-OH 基團以及奈米級粗糙度，形成明確的親水表面。Pyrosil®（粉紅色火焰）與傳統火焰電漿（藍色火焰）在製程上有相似之處，但火焰化學與表面官能化機制並不相同。主要差異在於 Pyrosil® 會產生 SiO2，而火焰處理則不會。

單道式 UV LED 噴墨列印

最新進展？適用於軟性與硬質 PE／聚烯烴的單道式 UV LED 噴墨列印系統，採用通過無毒安全與生物相容性認證的油墨。照片 2。

全彩單道式列印相較於掃描式列印，顯著優勢在於速度更快、生產力更高。UV 油墨的許多安全問題已獲改善。一款新型 UV LED 油墨 Apollo FTX Ink 系列†，已在特定應用中通過認證，依 ASTM D 4236（LHAMA – 16 CFR 1500.14）對成人與兒童及接觸人體皮膚皆屬安全，並通過生物相容性測試。

該油墨具有優異的潤濕性、附著力，以及白色油墨（底層）與 CMYK++ 色彩之間的層間附著。此油墨具有高度穩定的流動性，以及油墨離開噴嘴時的出口接觸角，可實現均勻的噴射斷裂。其化學組成與特定的 UV LED 固化曲線精確匹配，確保最終固化性能與外觀優異，不會固化不足（發黏）或過度固化（脆化）。

塗裝與噴漆

最新進展？具裝飾效果顏料與耐候性的 UV LED 固化塗料，適用於 PE（包括再生塑膠）。照片 3。

UV 固化塗料在所有塑膠塗裝技術中，兼具最佳的快乾／快速固化時間與性能。固化通常只需 3–10 秒。固化後，以 UV 固化塗料裝飾的塑膠產品可立即包裝。

UV 固化塗料在韌性與耐化學性方面表現出色，並可調配出長期戶外耐久性的配方。汞蒸氣燈是最常用的 UV 固化光源。弧光燈的購置成本較具效益，但需要預熱時間，且會產生大量熱。

微波激發燈比弧光燈昂貴，但開啟後數秒內即可使用，產生的熱較少，燈管壽命也較長。LED UV 燈已成為競爭性技術，具備即開即關、能耗極低與發熱極少的特性。UV 塗料可輕易以 HVLP 進行噴霧霧化，可採手動或機器人方式。

光纖雷射打標

最新進展？間接食品接觸與符合醫療／FDA 規範的雷射增強添加劑，以及 MOPA 鐿光纖雷射。

新型化學添加劑可產生優異的標記對比（PE 上的不透明白與亮黑），且不影響聚合物的透明度、光譜穿透率或基本物理性質。與許多熱塑性塑膠類似，未添加添加劑的 PE 雷射打標，其標記幾乎無法辨識。由於多數聚合物在 1060 至 1070 nm 不具吸收特性，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，以實現局部顏色變化。PE 的研究指出，熱穩定性與熱降解特性是關鍵的機制路徑。參見圖 1。此外，使用近紅外線雷射時，HDPE 的品質優於 LDPE、LLDPE 與其他聚烯烴。

兩種 HDPE 樣品自室溫至 1000°C 的熱重分析（TGA），顯示其熱降解溫度存在差異。HDPE B 比 HDPE A 更容易且更快速地標記。

在最終零件中，以重量計的典型添加濃度通常介於 0.01 至 3.0%。顆粒與粉末形式皆可摻混至預先配混的色料或色母粒中。雷射添加劑具成本效益，與未最佳化的材料相比，標記速度可提升 20% 以上。

鐿光纖雷射是聚合物打標領域最重要的進展之一。Q 開關光纖雷射的脈衝寬度通常為 100 至 120 ns，用於部分聚合物打標應用，但受限於 Q 開關技術本身的限制，其重複頻率僅約 80kHz。直接調變 MOPA 光纖雷射在奈秒脈衝寬度下（PE 為 20 ns 至 70 ns），重複頻率最高可達 500kHz，使其時間脈衝形狀波導非常適合雷射增強聚合物。照片 4。

結論

先進技術為聚乙烯產品的裝飾與表面加工帶來新的解決方案。所探討的二次加工製程包括黏接、塗裝、噴墨列印與雷射打標。PE 的類型對製造的難易度有重大影響。PE 因其本體與疏水性表面特性，不易黏接與裝飾。包括冷卻速率在內的成型作業，對決定界面附著力十分重要。由於熱穩定性的差異，HDPE 一般比 LDPE 更容易黏接與雷射打標。適用於軟性與硬質 PE／聚烯烴的單道式 UV LED 噴墨列印系統，搭配通過無毒安全與生物相容性認證的油墨，是最令人期待的新技術之一。

參考文獻

• 2002 Wiley Periodicals, Inc. J Appl Polymer Sci 86: 764–772, 2002.
• Sabreen, S. “Thermoplastic Materials for UV Inkjet and Laser Marking”, Plastics Decorating Magazine 2019.

†Apollo FTX Ink 系列可供購買。請來電聯絡 The Sabreen Group：972.820.6777，或寄信至 [email protected]

Scott R. Sabreen 為 The Sabreen Group, Inc. 創辦人暨總裁，該公司為專精於塑膠二次加工製程的工程顧問公司，涵蓋表面前處理、附著接合、噴墨列印、雷射打標、工業塗料、裝飾與表面加工，以及產品安全。Sabreen 三十多年來持續開發開創性技術，並解決製造難題。歡迎來電 972.820.6777，或造訪 www.sabreen.com 與他聯絡。

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