塑膠雷射打標的材料科學基礎

塑膠雷射打標的材料科學基礎

塑膠直接雷射打標技術的進步，帶來前所未有的打標品質、對比度與速度。只要應用得當，雷射打標可為製造帶來諸多優勢，並提升產品外觀與功能的價值。新一代塑膠材料科學與雷射設備系統，正推動業界對不可磨滅的雷射打標的強勁需求，使其成為傳統油墨列印的替代方案。本文介紹聚合物、雷射添加劑與特定雷射波長（由各種雷射光源發出）之間化學反應的基本概念與相關資訊。

從業人員常假設所有塑膠雷射打標應用都需要雷射材料添加劑。然而，視待打標的塑膠種類，以及其最終用途對對比度與細線細節品質的要求而定，未必總是需要使用經雷射最佳化的材料配方。相反地，只要正確選擇雷射的波長與類型，就能達到所需的可打標程度。結果取決於下列因素：a) 樹脂的具體牌號與特性；b) 雷射類型（波長、光束品質輸出模式、光學配置、功率密度、峰值／平均功率、打標速度）；c) 著色劑與填料成分；d) 光澤與表面紋理；以及 e) 回收料含量。TiO2 與碳黑等著色化合物在特定波長下具有一定程度的吸收特性，其粒徑與黑度也是影響因素。此外，即使同屬一個通用樹脂系列，不同的樹脂牌號也可能產生截然不同的結果，例如苯乙烯類塑膠。

另一方面，在考慮是否加入雷射添加劑時，一項常被忽略的好處是：最佳化的雷射配方不僅能提升裝飾性或功能性標記的對比度與品質，還能提高打標速度。使用雷射添加劑幾乎總能縮短打標週期時間，並可使用較低的雷射功率。這些因素最終可節省成本並提高製造產能。

要為塑膠雷射打標取得最佳的材料科學化學配方，需要具備多方面的專業，包括聚合物、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、搭配雷射添加劑使用時的配色，還有法規認證（GRAS、FDA 直接／間接食品接觸）。材料科學解決方案必須具成本效益且易於使用，並且不得對聚合物產品的物理與化學特性造成不良影響。因此，化學家與配方師絕對必須對多種雷射技術有深入的瞭解，才能確保在快速的量產速度下實現穩健的打標。

本文聚焦於工作波長在 1060 至 1070 nm 範圍內的光束偏轉式雷射，包括 Nd:YAG（弧光燈與二極體泵浦）、釩酸鹽與光纖雷射。傳統的「YAG」雷射因其發射波長、功率表現與廣泛的多功能性，數十年來在雷射打標業界最受歡迎。釩酸鹽與光纖雷射則是較新的技術，選用時往往更依應用而定，但在適當的應用中仍可提供極佳的效果。

使用 1060 至 1070 nm 波長的光束偏轉式雷射打標，其基本機制是以高能量輻射源（雷射）照射聚合物。輻射能被材料局部吸收並轉換為熱能，熱能再誘發材料內部發生反應。在此近紅外波段，可能發生的反應類型至少包括：1) 碳化；2) 燒蝕；以及 3) 化學變化。依所需的打標對比結果，可選用截然不同的化學配方與雷射系統參數，以達到偏好的反應類型。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！

當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時，就會發生碳化反應。在有氧氣的情況下，這會導致聚合物燃燒；但在工件內部，有限的氧氣供應會使聚合物碳化而形成黑色標記。標記的深淺取決於所吸收的能量，以及材料的熱降解途徑。

當聚合物被加熱到足以引起降解，並使降解副產物蒸發時，就會發生燒蝕，形成蝕刻區域。這類打標通常產生低對比標記。作為參考，連續波（CW）CO₂ 雷射的工作波長為 10.6 µm（遠紅外光譜）。CW CO₂ 雷射產生的峰值功率遠低，通常無法在大多數塑膠上產生高對比標記。

化學變化是透過使用在降解時釋放蒸氣的添加劑，使聚合物發泡。在發泡過程中，雷射能量由緊鄰發泡劑的添加劑吸收。吸收劑產生的熱使發泡劑降解並釋放蒸氣。發泡劑的例子包括氫氧化鋁或各種碳酸鹽。為防止碳化，此機制要求聚合物的降解溫度高於發泡添加劑。透過嚴格控制雷射操作參數，可在深色基材上產生高品質的淺色標記；雷射控制不佳，則可能產生易碎或低對比的標記。

另一種雷射打標方法，是利用近紅外雷射能量對混合著色劑中的某一種著色劑加熱或使其降解，從而造成顏色改變。例如碳黑與穩定的無機著色劑的混合物：加熱時碳黑被去除，留下無機著色劑。這類混合著色劑系統取決於特定著色劑的穩定性，並非所有顏色變化都能實現。

總結而言，必須認識到並非所有光束偏轉式雷射都同樣優異。單靠材料科學化學配方無法解決所有標記品質問題。雷射製造商納入其設備的硬體與軟體元件，會對打標品質、速度與多功能性造成顯著差異。採購雷射設備時，須注意並不存在單一的通用解決方案。每項應用在塑膠樹脂基材的成分與顏色，以及所需的打標對比（「淺底深字」、「深底淺字」或「客製顏色」）方面皆有其獨特性。當今聚合物材料科學與雷射波導的現代進展，較短短數年前被視為不可能之事已有躍進式的突破。

重點摘要

• 打標是聚合物、任何雷射添加劑與雷射光源特定波長之間的化學反應。
• 並非總是需要添加劑——這是常見的假設，值得針對各材料加以測試，而非直接接受。
• 雷射打標是傳統油墨列印的替代方案，而材料科學正是使其可行的關鍵。
• 波長必須與材料匹配，而不是依設備的可得性來選擇。
• 應用得當時，打標能為外觀與功能增添價值，而不僅是用於識別。

常見問題

所有塑膠都需要雷射添加劑才能打標嗎？

不需要，這是值得查證的常見假設。從業人員常認為一律需要添加劑，但是否需要，取決於聚合物、其著色劑與填料，以及所使用雷射光源的波長。

究竟是什麼形成標記？

聚合物、現有的任何雷射添加劑，與光源所發出雷射光的特定波長之間的化學反應。瞭解這種交互作用，才能預測特定材料與雷射的組合能否產生可用的標記。

為什麼雷射打標正在取代傳統油墨列印？

因為新一代塑膠材料科學與雷射設備能產生前所未有的打標品質、對比度與速度，且無須消耗性油墨或溶劑。應用得當時，可帶來製造優勢，並為產品外觀與功能增添價值。

雷射光源類型會改變結果嗎？

會。不同的雷射光源發出不同的波長，而聚合物、添加劑與雷射光之間的化學反應具有波長特異性。因此，選擇光源既是設備決策，也是材料科學決策。

雷射打標專案應從何處著手？

從材料開始。先確認特定聚合物牌號、其著色劑與添加劑對候選波長的反應，這將決定後續的一切——是否需要添加劑、可達到什麼對比度，以及實際可行的速度。

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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