FDA 核可添加劑提升線上塑膠雷射打標

FDA 核可添加劑提升線上塑膠雷射打標

快速、優異的對比度與成本節省，是在聚合物中加入新型 FDA 核可添加劑進行雷射打標的重要優勢。化學添加劑的突破，可在成型與擠出產品上，於「即時」與二次加工作業中產生烏黑與淺色的對比。專為價格實惠的光纖雷射而設計，線上無墨雷射打標如今已取代輪轉凹版印刷與移印。

產品應用：許多透明、半透明與不透明的有色聚合物，包括尼龍、PET、聚碳酸酯、聚烯烴、PVC、苯乙烯類塑膠、TPU/TPE（用於穿戴式裝置），皆以不含重金屬、經 FDA／EFSA（歐洲食品安全局）核可的添加劑獨特配製，以達到高對比的打標品質。聚合物的透明度、光譜穿透性與基本物理特性不受影響。非接觸式的數位雷射打標取代了昂貴的黏著標籤與油墨化學列印製程，成果是兼具成本效益、環保且外觀更佳的應用。

「即時」雷射打標可用於成型與擠出產品，例如電線／電纜、管材與管件。

重點摘要

• 三種表面反應形成標記——碳化（炭化）、發泡與著色劑變色。
• 最終零件中的添加量為重量的 0.01–4.0%，依聚合物、基材顏色、目標對比度與認證需求選定。
• 添加劑比未經最佳化的配方快 15% 以上，並可直接取代輪轉凹版印刷與移印。
• 成品中添加劑含量偏低，通常是分散問題而非劑量錯誤——請提高背壓與螺桿轉速。
• 21 CFR 178.3297 的 A–H 條件涵蓋 FDA 食品接觸核可；ISO 10993 驗證則可延伸至醫療器材的生物相容性。

聚烯烴合成酒瓶塞與無襯墊飲料瓶蓋的蓋內促銷圖案，其英數字文字與圖形的打標速度可達每分鐘 2,000 件。打標速度取決於許多變數，包括聚合物類型、基材顏色、雷射添加劑類型與添加量、電纜尺寸（重量）、雷射類型與功率、軟體、英數字字元數、文字高度、文字串長度、字元間距、條碼／Data Matrix、標誌／圖形、單筆畫或實心 TrueType 字型、填充方向，以及連續或重複文字。使用配製得當的添加劑－著色劑，可確保「功率密度」不會成為打標表面的限制因素，而是讓光束偏轉振鏡以最高速度運作。

由於影響即時生產打標能力的因素錯綜複雜，每項應用都必須仔細評估，幾乎沒有可外推的通則。不過，作為一般參考，可考慮以下尼龍聚合物的範例：50 瓦光纖雷射、254mm 平場透鏡、100 個英數字字元、高度 2mm，構成長度 14.68 英吋的重複文字串，打標時間為 0.232 秒。計算所得速度約為每分鐘 315 線性英尺。

常見問題

哪些聚合物可用 FDA 核可的雷射添加劑打標？

透明、半透明與不透明的有色聚合物，包括尼龍、PET、聚碳酸酯、聚烯烴、PVC、苯乙烯類塑膠，以及用於穿戴式裝置的 TPU/TPE。聚合物的透明度、光譜穿透性與基本物理特性不受影響。

我的成品中添加劑含量低於計算值，為什麼？

幾乎總是擠出或成型過程中分佈不均，而非劑量錯誤。提高背壓與螺桿轉速可解決大多數情況。預先複合材料在均勻性上優於色母粒，且應完全避免手工混合。

雷射打標的三種反應機制是什麼？

碳化或炭化，即吸收的能量使聚合物熱降解而產生深色標記；發泡，即添加劑在降解時釋放蒸氣，在深色基材上產生耐用的淺色標記；以及顏色變化，即雷射能量使混合物中的某一種著色劑降解——例如去除碳黑，留下穩定的無機著色劑。

線上打標在實務上能跑多快？

聚烯烴合成酒瓶塞與無襯墊飲料瓶蓋的蓋內促銷圖案，打標速度可達每分鐘 2,000 件。以尼龍為例——50 W 光纖雷射、254 mm 平場透鏡、100 個字元、高度 2 mm、14.68 英吋重複字串、打標時間 0.232 秒——計算所得速度約為每分鐘 315 線性英尺。

為什麼淺色發泡標記有時會被刮除？

因為雷射控制不佳。發泡機制需要嚴格的參數控制，使聚合物的降解溫度高於發泡添加劑。否則標記會易碎或低對比，且耐久性差。

聚合物雷射打標反應機制

為近紅外雷射（1060-1080nm 波長）配製雷射添加劑所取得的進展，在於它們與鐿光纖、釩酸鹽及前代 Nd:YAG 雷射相容。大多數聚合物若無化學添加劑，並不具備近紅外吸收特性。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。專家會使用添加劑、填料、顏料與染料，增強雷射能量的吸收，以造成局部顏色變化。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」，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。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。透過最佳化雷射設定，可使表面碳化殘留物降至最低。

第二種表面反應是化學變化，即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。透過嚴格控制雷射操作參數，可在深色基材上產生高品質且耐用的淺色標記；雷射控制不佳，則可能產生易碎或低對比的標記，容易被刮除（耐久性差）。

第三種是利用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。

雷射添加劑

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。部分含少量二氧化鈦（TiO2）與碳黑的著色化合物，也可能吸收雷射光，在某些情況下還能改善打標對比度。即使同屬一個聚合物系列，每種聚合物牌號也可能產生不同結果。添加劑配方不得具毒性，也不得對產品的外觀、物理或功能特性造成不良影響。

與油墨列印製程（移印／網版印刷及噴墨）相比，雷射添加劑更能節省成本，且相較於未經最佳化的材料配方，打標速度可提升 15%（或更多）。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。大多數都容易分散於聚合物中。依添加劑與聚合物而定，（最終零件中的）重量添加濃度介於 0.01% 至 4.0% 之間。

顆粒與粉末形式均可混入預先配色的複合材料或色母粒。要加入哪種添加劑，取決於聚合物組成、基材顏色、所需的打標對比色，以及最終用途的認證要求。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。市售的特定添加劑（亦用於雷射焊接）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。在歐盟，也有類似的合規聲明。認證條件依聚合物類型、添加濃度閾值，以及直接或間接接觸而定。將經 FDA 核可的添加劑混入「最終零件」後再進一步驗證，可使醫療器材達到生物相容性（參見國際標準 ISO-10993）。

加工注意事項

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。

雷射技術

雷射技術的進步對新一代 FDA 核可雷射添加劑的快速發展至關重要。奈秒鐿光纖雷射的出現，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。

與 Nd:YAG 雷射相比，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之一為 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（MOPA）光纖雷射，可為許多歷來難以打標的聚合物打標。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。較短的脈衝寬度對敏感的聚合物應用可能有利。

IPG Photonics 是高性能光纖雷射的領先開發商與製造商，同時提供固定脈衝（有時稱為「Q 開關」）與可變短脈衝（MOPA）雷射。應用開發高度取決於具體情況。要整合哪種雷射類型，取決於雷射的輸出特性與經最佳化的聚合物材料之間的交互作用。請參考下圖，其呈現固定與可變（MOPA）脈衝寬度鐿光纖雷射的時間脈衝波形——IPG Photonics。

設定用於打標的固定脈衝寬度光纖雷射時，必須設定兩項輸入。

• 脈衝重複率（常稱為脈衝頻率）
• 泵浦功率百分比（100% 指泵浦二極體可能的最大電輸入）

設定用於打標的可變短脈衝 MOPA 光纖雷射時，須設定三項輸入。

• 脈衝持續時間（常稱為脈衝寬度）
• 脈衝重複率（脈衝頻率）
• 泵浦功率百分比（100% 指泵浦二極體可能的最大電輸入）

對於前頁的兩張圖，各輸入參數的特定組合決定了雷射光束的輸出特性，即脈衝能量、峰值功率（脈衝能量的最高瞬間峰值，J／脈衝寬度）與平均功率（平均功率（瓦）= 脈衝能量（焦耳）× 脈衝重複率（Hz））。

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 FDA 核可雷射添加劑，能帶來更優異的打標對比度、線條邊緣細節與速度。線上即時雷射打標如今已取代輪轉凹版印刷與移印，價格實惠的光纖雷射技術進步功不可沒。這些優勢能迅速抵銷所增加的材料添加劑成本。要最佳化塑膠雷射打標的材料科學化學配方，需要具備聚合物、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。並非所有雷射都同樣優異。

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.
• 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, & 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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