FDA 批准的添加剂提升塑料在线激光打标

FDA 批准的添加剂提升塑料在线激光打标

速度快、对比度卓越、节约成本，是在聚合物中加入新型 FDA 批准添加剂进行激光打标的显著优势。化学添加剂的突破可在模塑和挤出产品上，无论是“在线飞行”还是二次加工中，都能产生漆黑和浅色的对比度。专为经济实惠的光纤激光器设计，在线无墨激光打标如今已取代凹版轮转印刷和移印。

产品应用：许多透明、半透明和不透明的有色聚合物，包括尼龙、PET、聚碳酸酯、聚烯烃、PVC、苯乙烯类塑料、TPU/TPE（用于可穿戴设备），均采用不含重金属、经 FDA/EFSA（欧洲食品安全局）批准的添加剂进行独特配制，以获得高对比度的打标质量。聚合物的透明度、光谱透过率和基本物理性能不受影响。非接触式数字激光打标取代了昂贵的不干胶标签和油墨化学印刷工艺，使应用经济高效、环保，并具备出色的美观效果。

“在线飞行”激光打标适用于模塑和挤出产品，例如电线/电缆、管材和管道。

要点

• 三种表面反应形成标记——碳化（炭化）、发泡和着色剂变色。
• 最终零件中的添加浓度按重量计为 0.01–4.0%，根据聚合物、基材颜色、目标对比度和认证要求选择。
• 与未优化配方相比，添加剂使速度提高 15% 或更多，并直接取代凹版轮转印刷和移印。
• 成品零件中添加剂含量偏低，通常是分散问题而非计量错误所致——提高背压和螺杆转速即可。
• 21 CFR 178.3297 的 A–H 条件涵盖 FDA 食品接触批准；ISO 10993 鉴定可延伸至医疗器械生物相容性。

聚烯烃合成酒瓶塞和无内衬饮料瓶盖盖内促销信息的字母数字文本和图形打标速度可达每分钟 2,000 件。打标速度取决于众多变量，包括聚合物类型、基材颜色、激光添加剂类型和添加浓度、电缆尺寸（重量）、激光类型和功率、软件、字母数字字符数量、文字高度、文字串长度、字符间距、条形码/数据矩阵码、徽标/图形、单笔画或 TrueType 填充字体、填充方向以及连续或重复文本。使用配方合适的添加剂-着色剂，可确保打标表面的“功率密度”不成为限制因素，此时振镜扫描头将以最高速度运行。

由于影响在线飞行生产打标能力的因素十分复杂，每种应用都必须仔细审视，几乎没有可推而广之的规则。不过，作为一般参考，可考虑以下尼龙聚合物示例：50 瓦光纤激光器、254mm 平场透镜、100 个字母数字字符、高度 2mm，构成长度为 14.68 英寸的重复文本串，打标时间为 0.232 秒。计算得出的速度约为每分钟 315 线性英尺。

常见问题

哪些聚合物可用 FDA 批准的激光添加剂打标？

透明、半透明和不透明的有色聚合物，包括尼龙、PET、聚碳酸酯、聚烯烃、PVC、苯乙烯类塑料以及用于可穿戴设备的 TPU/TPE。聚合物的透明度、光谱透过率和基本物理性能不受影响。

我的成品零件中添加剂含量低于计算值，为什么？

几乎总是挤出或成型过程中分布不均，而不是计量错误。提高背压和螺杆转速可解决大多数情况。就均匀性而言，预混料优于色母粒，并应完全避免手工混合。

激光打标的三种反应机理是什么？

碳化或炭化，即吸收的能量使聚合物热降解而产生深色标记；发泡，即添加剂在降解时释放蒸汽，在深色基材上形成耐久的浅色标记；以及变色，即激光能量降解混合物中的某一种着色剂——例如去除炭黑而留下稳定的无机着色剂。

在线打标在实践中能有多快？

聚烯烃合成酒瓶塞和无内衬饮料瓶盖盖内促销信息的打标速度可达每分钟 2,000 件。以尼龙为例：50 W 光纤激光器、254 mm 平场透镜、100 个字符（高度 2 mm）、14.68 英寸重复文本串、打标时间 0.232 秒，计算得出速度约为每分钟 315 线性英尺。

为什么浅色发泡标记有时会被刮掉？

激光控制不佳。发泡机理需要严格控制参数，使聚合物的降解温度高于发泡添加剂。否则，标记会变得易碎或对比度低，耐久性差。

聚合物激光打标的反应机理

用于近红外激光器（波长 1060-1080nm）的激光添加剂配方取得的进展，在于其与掺镱光纤、钒酸盐及其前代 Nd:YAG 激光器的兼容性。没有化学添加剂，大多数聚合物不具备近红外吸收特性。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。专家使用添加剂、填料、颜料和染料来增强激光能量的吸收，以实现局部颜色变化。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”，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。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。通过优化激光设置，可使表面碳化残留物降至最低。

第二种表面反应是化学变化：通过使用在降解过程中释放蒸汽的添加剂，使聚合物发泡。在发泡过程中，激光能量被紧邻发泡剂的添加剂吸收，吸收剂产生的热量使发泡剂降解并释放蒸汽。通过严格控制激光工作参数，可在深色基材上产生高质量且耐久的浅色标记；激光控制不当则可能产生易碎或低对比度的标记，容易被刮掉（耐久性差）。

第三种是利用激光能量加热/降解着色剂混合物中的某一种着色剂，从而引起颜色变化。例如炭黑与稳定无机着色剂的混合物：加热时炭黑被去除，无机着色剂则被保留下来。这类混合着色剂体系取决于特定着色剂的稳定性，并非所有颜色变化都能实现。

激光添加剂

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。一些含少量二氧化钛（TiO2）和炭黑的着色剂化合物也可能吸收激光，在某些情况下可改善打标对比度。即使是同一聚合物族内的每种聚合物牌号，也可能产生不同的结果。添加剂配方不得有毒，也不得对产品的外观、物理或功能性能产生不利影响。

与油墨印刷工艺（移印/丝印和喷墨）相比，激光添加剂可节约成本，且与未优化的材料配方相比，打标速度可提高 15%（或更多）。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。大多数添加剂易于在聚合物中分散。根据添加剂和聚合物的不同，（最终零件中的）按重量添加浓度范围为 0.01% 至 4.0%。

粒料和粉末形式均可混入预混色材料或色母粒中。选用何种添加剂取决于聚合物成分、基材颜色、所需打标对比色以及最终用途的认证要求。某些添加剂含有锑掺杂氧化锡与三氧化二锑的混合物，可能使天然（未着色）基材的不透明度带上“灰色”色调。其他添加剂可能含有铝颗粒、混合金属氧化物和专有化合物。通过颜料和染料进行颜色调整，以获得最终的配色外观。市售的特定添加剂（也用于激光焊接）已根据 21 CFR 178.3297《聚合物着色剂》的 A-H 条件，获得 FDA 对食品接触和食品包装用途的批准。在欧盟，也有类似的合规声明。认证条件因聚合物类型、添加浓度阈值以及直接或间接接触而异。将 FDA 批准的添加剂混入“最终零件”后经进一步鉴定，可使医疗器械达到生物相容性（参见国际标准 ISO-10993）。

加工注意事项

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。

激光技术

激光技术的进步对新一代 FDA 批准激光添加剂的快速发展起到了重要作用。纳秒掺镱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。

与 Nd:YAG 激光器相比，光纤激光器可产生更优的光束质量和亮度。光束质量的衡量指标之一是 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（MOPA）光纤激光器，可对许多历来难以打标的聚合物打标。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，较短的脉宽对敏感的聚合物应用可能有利。

IPG Photonics 是高性能光纤激光器的领先开发商和制造商，提供固定脉冲（有时称为“调 Q”）和可变短脉冲（MOPA）激光器。应用开发针对性极强。集成何种激光器，取决于激光输出特性与优化聚合物材料之间的相互作用。请参阅下图，其表示了固定与可变（MOPA）脉宽掺镱光纤激光器的时域脉冲波形——IPG Photonics。

设置用于打标的固定脉宽光纤激光器时，必须设置两项输入。

• 脉冲重复频率（常称脉冲频率）
• 泵浦功率百分比（100% 指泵浦二极管可能的最大电输入）

设置用于打标的可变短脉冲 MOPA 光纤激光器时，需设置三项输入。

• 脉冲持续时间（常称脉宽）
• 脉冲重复频率（脉冲频率）
• 泵浦功率百分比（100% 指泵浦二极管可能的最大电输入）

对于上页的两个图，输入参数的特定组合控制着激光束的输出特性，即脉冲能量、峰值功率（脉冲能量的最高瞬时峰值，J/脉冲持续时间）和平均功率（平均功率，瓦 = 脉冲能量，焦耳 × 脉冲重复频率，Hz）。

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 FDA 批准激光添加剂，可实现卓越的打标对比度、线条边缘细节和速度。在线“飞行”激光打标如今已取代凹版轮转印刷和移印。经济实惠的光纤激光器技术的进步功不可没。这些优势能迅速抵消添加剂材料增加的成本。塑料激光打标的优化材料科学化学，需要在聚合物、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）方面具备专业知识。并非所有激光器都是一样的。

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.
• 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。

---