突破性添加剂提升塑料激光打标：卓越的对比度、线条边缘细节和速度

突破性添加剂提升塑料激光打标：卓越的对比度、线条边缘细节和速度

新一代配制到聚合物中的激光打标添加剂是一项重大技术进步，已被证明既能赋能又能节约成本。先进的材料科学配方，可在传统上难以甚至无法激光打标的塑料上，实现卓越的打标对比度、线条边缘细节和速度。这些配方专为经济实惠的光纤、钒酸盐和 YAG 激光器设计，工作于 1060-1070 nm 近红外光谱。本文讨论专为“热化学表面碳化”设计的深色和浅色激光打标对比度应用。这是最常见的聚合物表面反应，与“发泡”和“颜色”变化机理有着截然不同的化学途径。

包括 PVC、聚碳酸酯和聚烯烃在内的透明和半透明聚合物，现在采用不含重金属、经 FDA 批准的添加剂进行独特配制，聚合物的透明度和光谱透过特性不受影响。这一突破可在挤出管材产品的“在线飞行”作业和二次加工中，产生漆黑的激光打标对比度，且表面碳化残留物极少。在线无墨激光打标如今已取代凹版轮转印刷和移印。（参见照片 A。）

要点

• 专为 1060–1070 nm 近红外波段设计，涵盖经济实惠的光纤、钒酸盐和 YAG 激光器。
• 热化学表面碳化是最常见的聚合物表面反应，也是这些配方的重点。
• 没有任何单一添加剂能解决所有打标问题——化学配方和激光设置因目标对比度而异。
• 最终零件中的添加浓度按重量计为 0.01% 至 4.0%，并使用颜料和染料调整颜色。
• 与未优化材料相比，打标速度最多可提高 25%，浓度低至 0.01% 至 2.0%。

常见问题

优化配方的添加剂能使打标快多少？

独立研究显示了统计学上显著的提升，与未优化材料相比往往可快 25% 或更多，而所需浓度极低，约为 0.01% 至 2.0%。由于打标时间直接构成周期成本，这很快就能抵消添加剂增加的价格。

是什么决定了打标所需的时间？

聚合物基材、所绘制的矢量线条数量，以及光束和振镜扫描头绘制这些线条的速度。激光软件和矢量填充类型——单向、双向或蛇形——也会影响打标时间。

为什么加入添加剂后天然基材有时会发灰？

某些添加剂含有锑掺杂氧化锡与三氧化二锑的混合物，会使天然未着色基材的不透明度带上灰色色调。使用颜料和染料进行颜色调整，可使零件恢复到目标配色。

添加剂是以粒料还是粉末形式供应？

两种形式均有。粒料产品可直接与聚合物树脂混合，粉末形式则需制成母粒。两者都可作为预混料或色母粒供应。

激光打标配方实际需要哪些专业知识？

需要了解聚合物及各聚合物族内的性能牌号，以及着色剂、颜料和染料在溶解性、粒径、阈值浓度限值、配色方面的知识，还有包括 GRAS 和 FDA 直接、间接食品接触在内的法规认证。

聚合物激光打标的反应机理

可被激光打标的聚合物，是能吸收激光并将光能转化为热能的聚合物。由于大多数聚合物在 1060-1070nm 处不具备吸收特性，专家会使用能增强激光能量吸收的添加剂、填料、颜料和染料，以实现局部颜色变化。实现高对比度和彩色激光打标的材料科学化学，既是艺术也是科学。与普遍看法相反，能解决所有打标问题的单一激光添加剂并不存在。根据所需的打标对比度和功能，需使用截然不同的配方化学和激光光学/设置参数。

最常见的表面反应机理称为热化学“碳化”或“炭化”（参见照片 B），即基材吸收的能量使吸收部位周围材料的局部温度升至足以引起聚合物热降解。虽然在有氧条件下这可能导致聚合物燃烧，但基材内部有限的氧气供应使聚合物炭化，形成黑色或深色的打标对比度。标记的深浅取决于吸收的能量以及材料独特的热降解途径。

激光添加剂可提高对比度，并可通过改变激光设置参数进一步增强。聚合物本身具有产生“深色”或“浅色”打标对比度的固有特性。（参见照片 B。）即使是同一聚合物族内的每种聚合物着色牌号，也可能产生不同的结果。含少量 TiO2、炭黑和混合金属氧化物的着色剂化合物也能吸收激光，在某些情况下可改善打标对比度。

初级加工、激光添加剂与配色

市售激光添加剂以粒料和粉末形式供应。粒料产品可直接与聚合物树脂混合，粉末形式则需制成母粒。

其中一些添加剂含有锑掺杂氧化锡和/或三氧化二锑的混合物，会使天然（未着色）基材的不透明度带上“灰色”色调。通过颜料和染料进行颜色调整，以获得最终的配色外观。根据具体添加剂和聚合物，（最终零件中的）按重量添加浓度范围可为 0.01% 至 4.0%。粒料和粉末形式均可作为预混色材料或色母粒供应。

在激光添加剂的添加/配色化学过程中，成品所含激光添加剂少于计算量的情况并不罕见。这个问题几乎总是与挤出或成型过程中的分布不均有关。对成型机进行简单调整，例如提高背压和螺杆转速，即可解决大多数问题。激光添加剂在每个零件中的均匀分布/分散，对于获得最佳打标性能至关重要。对于挤出、注塑和热成型作业，预着色混料比色母粒的均匀性更好。应避免手工混合。模具流动以及浇口类型/位置是重要因素。

更快的打标速度 = 成本节约

打标一个零件所需的时间取决于聚合物基材、所绘制的矢量线条数量，以及激光束/振镜扫描头绘制所有线条的速度。激光软件和矢量填充类型——单向、双向或蛇形——也会影响打标时间。

新的独立研究表明，以极低浓度（通常为 0.01% 至 2.0%）加入激光添加剂配方，可实现统计学上显著更快的打标速度。优化配方的激光添加剂可节约成本，与未优化的材料配方相比，打标速度往往可提高 25% 甚至更多。速度和质量的这种提升，足以抵消添加剂材料增加的成本。

《激光添加剂的科学》（第 34 页图 1）显示了用于 28mm 无内衬饮料瓶盖的两种高密度聚乙烯的热重分析（TGA）曲线。这两种聚合物表现出不同的热降解温度——而热降解正是产生激光标记的过程。降解温度较高的聚合物需要更多激光能量、更低的打标速度或吸收性更强的添加剂，才能获得相同的标记外观。

没有激光添加剂，一些知名的工业产品就无法经济高效地制造。一个有趣的应用是无内衬饮料瓶盖盖内促销信息的“在线飞行”激光打标。交钥匙系统能以每分钟 1,500 – 2,000 个瓶盖的速度打标独特的图形和字母数字文本。（参见照片 B。）

激光技术

激光技术的进步对新一代激光添加剂的快速发展起到了重要作用。纳秒光纤激光器的出现是打标、焊接和切割领域最重要的进步之一。从根本上说，光纤激光器不同于其他固体打标激光器。光纤激光器中，产生激光束的增益介质分散于特制的光纤光缆内。与光纤传输式激光器不同，光束的整个路径都在光纤光缆内，一直延伸到光束传输光学器件。

光纤激光器可产生卓越的光束质量和亮度。光束质量的衡量指标是 M2：M2 值越小，光束质量越好，M2 = 1 为理想高斯激光束。光束质量卓越的激光可聚焦成很小的光斑，从而获得高能量密度。脉冲能量最高 1 mJ、功率密度高的固定和可变脉冲光纤激光器，可对许多历来难以打标的聚合物打标，包括尼龙、聚氨酯和缩醛（聚甲醛）。钒酸盐激光器同样具有较小的 M2 值，且脉宽比固定光纤和 YAG 激光器更短。脉冲持续时间影响热量和材料内碳化的程度，短脉宽对敏感的聚合物应用可能有利。

并非所有振镜扫描式光纤、钒酸盐和 YAG 激光器都是一样的。激光器制造商在其系统中采用的硬件和软件组件，对打标对比度、质量和速度有着重大影响。首要指标是打标表面的功率密度（瓦/cm2），它不同于激光器的原始输出功率。激光束的输出模式对打标性能至关重要，这些输出模式与光束发散度以及沿光束直径方向的功率分布等因素有关。

功率密度取决于激光聚焦光斑的大小。对于任意给定焦距的透镜和激光波长，聚焦光斑大小取决于激光束发散度，而发散度由激光器结构、选模光阑孔径和扩束镜（束扩展器）倍率控制。

脉冲重复频率和峰值功率密度是形成标记、获得最佳对比度和速度的关键参数。功率与脉冲重复频率的算术曲线成反比。低频下的高峰值功率使表面温度迅速升高，使材料汽化，同时传入基材的热量极少。随着脉冲重复频率升高，较低的峰值功率产生的汽化极少，但传导的热量更多。当然，影响打标对比度和质量的其他因素还有光束速度和矢量线间距。

结论

新一代融入聚合物的激光打标添加剂，可实现卓越的打标对比度、线条边缘细节和速度。在线无墨激光打标如今已取代凹版轮转印刷和移印。这些优势能迅速抵消添加剂材料增加的成本。要为塑料激光打标获得最优的材料科学化学配方，需要在以下方面具备专业知识：聚合物、聚合物族内的各性能牌号、着色剂、颜料和染料的溶解性、粒径、阈值浓度限值、配色，以及法规认证（GRAS、FDA 直接/间接食品接触）。材料科学解决方案必须经济高效、易于使用，且不得对聚合物的物理和化学性能产生不良影响。

致谢

• 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. Lasers&Optronics, July 1997.
• 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 and 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. 的创始人兼总裁，该公司是一家专注于塑料二次加工制造工艺的工程公司，业务涵盖激光打标、表面预处理、粘接、装饰与精加工以及产品防伪。Sabreen 开发开创性技术、解决制造难题已逾 30 年。您可拨打 972.820.6777 联系他，或访问 www.sabreen.com 或 www.plasticslasermarking.com。

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