「智慧添加劑」提升塑膠雷射打標

「智慧添加劑」提升塑膠雷射打標

更優異的對比度、線條邊緣細節與速度

新一代導入聚合物中的雷射打標「智慧添加劑」，是技術上的一大飛躍，既能賦能又能節省成本。這些先進的材料科學配方，可在傳統上難以（甚至不可能）雷射打標的塑膠上，達到前所未有的打標對比度、線條邊緣細節與速度。這些配方專為熱化學表面反應而設計，非常適合工作波長為 1060 至 1070 nm（近紅外光譜）的光纖、YAG 與釩酸鹽雷射，適用於雷射打標。

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。由於大多數聚合物在 1060 至 1070 nm 並不具備吸收特性，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，以造成局部顏色變化。要達到高對比與彩色雷射打標，其材料科學化學配方既是藝術也是科學。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。依所需的打標對比與功能，會採用截然不同的配方化學、雷射類型（光纖、YAG、釩酸鹽）與雷射光學／設定參數。

圖 1 顯示了聚乙烯上的「深色打標對比」（左）、尼龍上的「白色打標對比」（中），以及 ABS 上的客製顏色黃金色（右）。同時也展示了三種獨特的表面反應機制。首先是碳化過程：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發生。在有氧氣的情況下，這可能導致聚合物燃燒；但基材內部的氧氣供應有限，使聚合物炭化而形成黑色或深色的打標對比。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。混入樹脂著色劑基質時，能產生深色打標對比的添加劑通常含有摻銻氧化錫、三氧化二銻或鋁粒子的混合物，全都容易分散於聚合物中。典型的重量添加濃度為 0.01% 至 3.0%。許多最終配方已依 21 CFR 178.3297 聚合物用著色劑的 A-H 條件取得 FDA 核可。

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。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。它們必須吸收足夠的雷射能量，將聚合物的局部溫度提升到足以使聚合物碳化或發泡的程度，從而形成標記。此溫度會因聚合物而異，即使同屬一個聚合物系列也不例外。

重點摘要

• 不存在通用的添加劑。與一般看法相反，化學配方必須與聚合物、顏色與雷射相匹配。
• 三種機制——碳化、發泡與著色劑變色——涵蓋深色、白色與客製顏色的標記。
• 添加量低，通常為重量的 0.01% 至 3.0%，許多配方已依 21 CFR 178.3297 取得 FDA 核可。
• 添加濃度低至 0.01% 至 2.0% 的添加劑，即可帶來 15% 以上的速度提升。
• 熱降解溫度可預測可打標性。僅憑這一點，兩種 HDPE 牌號的打標效果就可能大不相同。

常見問題

是否存在能解決所有打標問題的單一雷射添加劑？

不存在。與一般看法相反，並沒有通用的添加劑。依所需的對比度與功能，需要截然不同的配方化學、雷射類型（光纖、YAG 或釩酸鹽），以及光學與設定參數。

添加劑如何在深色塑膠上產生白色標記？

透過發泡。添加劑在降解時釋放蒸氣，雷射能量則由靠近發泡劑的吸收劑吸收。氫氧化鋁與各種碳酸鹽是典型的發泡劑。聚合物的降解溫度必須高於發泡添加劑，否則會改為發生碳化。

為什麼同一種聚合物的兩種牌號，打標效果會不同？

因為熱降解溫度不同。對兩種 HDPE 樣品進行熱重分析，可測得明顯不同的降解起始溫度，而降解溫度較高的聚合物需要更多雷射能量、較慢的打標速度，或更多吸收性添加劑，才能達到相同的標記外觀。

使用最佳化添加劑，打標能快多少？

與未經最佳化的配方相比，在約 0.01% 至 2.0% 的低濃度下即可達到統計上顯著的 15% 以上速度提升。針對無襯墊飲料瓶蓋的蓋內促銷圖案進行即時打標，速度可達每分鐘 1,500 個瓶蓋。

為什麼淺色標記容易被刮除？

因為發泡過程中雷射控制不佳。若未嚴格控制參數，結果會是易碎或低對比、耐久性差的標記，而非該機制原本可產生的高品質耐用淺色標記。

實現更快的打標速度

打標一個零件所需的時間，取決於聚合物基材、所繪製的向量線條數量，以及雷射光束／振鏡掃描頭繪製所有線條的速度。雷射軟體與向量填充類型（單向、雙向或蛇形）也會影響打標時間。新的獨立研究顯示，以極低的濃度（通常為 0.01% 至 2.0%）加入雷射添加劑配方，即可達到統計上顯著更快的打標速度。

圖 2 顯示了兩種高密度聚乙烯的熱重分析（TGA）曲線。兩種聚合物呈現不同的熱降解溫度——這正是形成雷射標記的過程。降解溫度較高的聚合物，需要更多雷射能量、較低的打標速度或更多吸收性添加劑，才能達到相同的標記外觀。智慧添加劑可節省成本，與未經最佳化的材料配方相比，打標速度可提升 15% 以上。一個有趣的應用是針對無襯墊飲料瓶蓋的蓋內促銷圖案進行「即時」雷射打標。統包系統能以每分鐘高達 1,500 個瓶蓋的速度，打標獨特的圖形與英數字文字。範例如圖 3 所示。

雷射技術

雷射技術的進步對智慧雷射添加劑的快速發展至關重要。奈秒光纖雷射技術是新興領域，也是打標、焊接與切割用雷射中最重大的進展之一。光纖雷射與其他固態打標雷射在本質上不同。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。

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 MOPA 光纖雷射，可為許多歷來難以打標的聚合物打標，包括尼龍、聚胺酯與縮醛樹脂。

並非所有光束偏轉式光纖、YAG 與釩酸鹽雷射都同樣優異。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（W/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。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。

結論

新一代導入聚合物中的雷射打標「智慧添加劑」，能帶來前所未有的打標對比度、線條邊緣細節與速度。這些優勢能迅速抵銷所增加的材料添加劑成本。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、配色與法規認證（GRAS、FDA 直接／間接食品接觸）方面的專業。材料科學解決方案必須具成本效益且易於使用，並且不得對聚合物的物理與化學特性造成不良影響。

參考文獻

• Engelhard 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, “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。

---