尼龙（聚酰胺）塑料的光纤激光打标

尼龙（聚酰胺）塑料的光纤激光打标

由于应用范围广泛，尼龙（聚酰胺）塑料产品对高对比度激光打标的需求正在迅速增长。功能性和装饰性标记包括字母数字标识、Data Matrix/QR 视觉码、图示和微结构。

聚酰胺（包括聚邻苯二甲酰胺，PPA）因其多样的材料特性、成型条件和激光配置，是最难激光打标的聚合物之一。适用于近红外激光器的智能添加剂可解决打标对比度问题，并在不影响材料性能的前提下提高打标速度（缩短周期）。

本文介绍尼龙、化学添加剂和光纤激光器的相关知识，以实现高对比度彩色且经济的激光打标作业。

要点

• 聚酰胺（包括 PPA）因其多样的特性、成型条件和激光配置，是最难打标的聚合物之一。
• 对比度不仅仅是颜色变化——可变的光衍射同样有贡献，同时还涉及精细线条分辨率和清晰度。
• 基材颜色本身就是一个变量，因为炭黑、TiO2 和阻燃剂对激光的吸收各不相同。
• 光纤激光器可聚焦至 20 微米以下，提供精细尼龙打标所需的高能量密度。
• 20–50 ns 的 MOPA 是在大多数聚合物上获得卓越对比色的有效范围。

描述打标质量的一个基本参数，是标记表面与基材之间的颜色对比度。使用近红外（NIR）激光器（包括掺镱光纤、钒酸盐（Nd:YVO4）和 Nd:YAG）实现颜色变化有三种表面机理：1）碳化产生黑色标记；2）发泡产生白色标记；3）有色聚合物经激光诱导的热化学反应产生颜色变化¹。需求最多的对比色包括黑底不透明白色、白底漆黑色以及中蓝底不透明白色。这些颜色组合通常需要化学添加剂。添加剂可提高颜色对比度（对激光的吸收），并通过优化的激光选择和打标参数进一步增强。

常见问题

是什么让尼龙难以激光打标？

聚酰胺（包括聚邻苯二甲酰胺）具有多样的材料特性、成型条件和激光配置，且与大多数聚合物一样，本身并不吸收激光——这阻碍了形成标记的颜色变化。激光增强添加剂正是解决对比度、速度和耐久性问题的关键。

除对比度外，如何评判打标质量？

看保真度——精细线条分辨率和清晰度。对比度并不总是仅由颜色变化产生，可变的光衍射同样有贡献，因此需要综合评估这两方面。

尼龙的颜色会影响打标吗？

会。基材颜色确实是一个因素，因为炭黑、二氧化钛和阻燃剂等化合物对激光的吸收程度各不相同，从而改变材料的响应。

为什么掺镱光纤激光器取代 YAG 用于这项工作？

它们于 2010 年前后进入工业打标市场，具有卓越的光束质量和高亮度，可聚焦至 20 微米以下的光斑，获得高能量密度。它们还用途广泛、经济高效，基本即插即用，几乎无需维护。

哪种脉宽范围效果最好？

20 至 50 ns 的可变短脉冲 MOPA 光纤激光器，在大多数聚合物（包括尼龙）上获得卓越对比色的效果极佳。100 至 150 ns 的调 Q 光纤激光器，重复频率限于约 80 kHz。

什么是尼龙（聚酰胺）？

聚酰胺，即尼龙，是含有重复酰胺键（即 –CO-NH–）的主要工程和高性能热塑性塑料类别。它们由相同单元缩合而成，共聚物则由不同单元构成。尼龙由二元酸与二元胺缩聚，或由含六、十一或十二个碳原子的内酰胺开环聚合制得²。尼龙单体可以是脂肪族、半芳香族或芳香族（芳纶），其结构可从无定形到半结晶，结晶度有高有低。

脂肪族聚酰胺的产量远大于全芳香族聚酰胺，是最重要的工程热塑性塑料类别之一。20% 玻纤填充、哑光表面纹理的尼龙激光打标颜色对比度：尼龙在注塑成型时为无定形或仅中等程度结晶，但结晶度可以提高。

两种重要的聚酰胺是聚己二酰己二胺（尼龙 6,6）和聚己内酰胺（尼龙 6）。其他脂肪族聚酰胺包括尼龙 12、69、6-10、6-12、46 和 1212。尼龙 11 是一种源自可再生资源（蓖麻植物）的生物基工程塑料。

由脂肪族酰胺缩合而成的半芳香族、半结晶聚酰胺包括 PA 6T 和 PA 6I。半芳香族聚酰胺通常是价格更高的全芳香族芳纶的经济替代品。芳香族聚酰胺（称为芳纶）比脂肪族酰胺具有更高的强度、更好的耐溶剂、阻燃和耐热性能以及更大的尺寸稳定性。一种常见的芳香族酰胺是凯夫拉（Kevlar），即聚对苯二甲酰对苯二胺。

聚酰胺（包括聚邻苯二甲酰胺，PPA）因其多样的材料特性、成型条件和激光配置，是最难激光打标的聚合物之一。

聚邻苯二甲酰胺（PPA）是聚酰胺（尼龙）家族中的一类热塑性合成树脂，其定义为聚合物链重复单元的羧酸部分中有 55% 或更多摩尔由邻苯二甲酸类构成。PPA 为半芳香族、半结晶。PPA 填补了 PA6,6 和 PA6 等脂肪族尼龙与价格昂贵得多的聚芳酰胺之间的性能空白。

“智能”添加剂

描述打标质量的一个参数，是标记表面与背景之间的颜色对比度。对比度并不总是仅由颜色变化产生，也可通过可变的光衍射获得。

同样重要的是打标质量和/或保真度，即精细线条分辨率或清晰度。包括尼龙在内的许多聚合物本身并不吸收激光，这阻碍了颜色变化。激光增强化学添加剂可显著改善打标对比度、速度和耐久性（见图像 1）。基材颜色是一个因素，因为炭黑、TiO2 和阻燃剂等化合物对激光的吸收程度各不相同。

激光添加剂以粒料和粉末形式供应。粒料产品直接与聚合物树脂混合，粉末形式则需制成母粒。（最终零件中的）按重量添加浓度通常在 0.01% 至 3.0% 之间。激光添加剂在每个零件中的均匀分布/分散，对于获得最佳颜色对比度至关重要。

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。特定添加剂已根据 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¹。

掺镱光纤激光器

近红外掺镱光纤激光器于 2010 年前后进入工业打标市场，取代了传统 YAG 激光器。光纤激光器具有卓越的光束质量（M2）和高亮度，可聚焦成很小的光斑（小于 20 微米），从而获得高能量密度。光纤激光器用途极为广泛、经济高效，基本即插即用，几乎无需维护。

固定脉冲（调 Q）和可变脉冲（MOPA）纳秒光纤激光器由多家激光公司销售，包括 IPG Photonics 和 SPI Lasers。脉宽通常为 100 至 150 ns 的调 Q 光纤激光器用于某些聚合物打标应用，但由于调 Q 技术的固有限制，其重复频率限于约 80 kHz。

直接调制 MOPA（DM-MOPA）光纤激光器在纳秒脉宽下，重复频率最高可达 500 kHz。脉宽 [ns] 是脉冲起止之间时间的量度，通常基于脉冲波形的半高全宽（FWHM）。

高重复频率通常意味着更快的打标速度（需与其他激光/波形参数配合）。不同波形和表面碳化程度存在显著差异³（见图像 1）。

对激光热输入及热输入速率进行局部的空间和时间控制，可实现最佳性能。对于温度敏感的聚合物，可变短脉冲（MOPA）光纤激光器在实现高对比度而不过度碳化方面尤为有效。

在医疗应用的透明塑料上可实现亚表面打标。一般而言，MOPA 激光器产生的脉宽（脉冲持续时间）为 1 ns 至 250 ns（及更高）。The Sabreen Group 发现，20 ns 至 50 ns 是包括尼龙在内的许多聚合物应用中获得最佳颜色对比度的理想范围。

在外观和功能性打标对比度方面，当直接零件标识（DPM）的 Data Matrix 码和条形码要求高分辨率、线条边缘质量和小数据单元时，激光添加剂起着关键作用。数据串越长，数据单元就越密集。

军工、航空航天、汽车和制药产品通常要求 A 级验证。高对比度的码可读性还有额外好处——打标速度更快，并且可在整个工厂使用低成本的手持式读码器。

结论

聚酰胺是最难激光打标的聚合物之一。智能激光添加剂可解决对比度问题、提高打标速度并节约成本。对于直接零件标识（DPM）的 Data Matrix 码和条形码，激光添加剂带来关键改善。20 ns 至 50 ns 范围的可变短脉冲（MOPA）光纤激光器，在大多数聚合物上获得卓越对比色的效果极佳。

参考文献

1. Sabreen, S. Fiber Lasers: Selection and Additives, Plastics Decorating, November 2017. 2. Polyamide (PA) Nylon Complete Guide, SpecialChem 2019. 3. Brodsky, M. Wave Forms: A New Laser Tool, Optics & Photonics, March 2012.

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咨询公司，业务涵盖表面预处理、附着粘接、喷墨打印、激光打标、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。

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