玻纤填充聚合物的激光打标：注塑工艺的重要性

玻纤填充聚合物的激光打标：注塑工艺的重要性

塑料激光打标在各类工业应用中具有诸多优势。激光产生的装饰性和功能性标记必须完全清晰可读，例如零部件标识、示意图、数据矩阵码和条码。打标质量取决于聚合物、添加剂和着色剂、注塑工艺以及激光光源。妨碍可读性的注塑聚合物表面问题会影响产品的安全性、性能和功能。玻璃纤维添加剂就是一例。添加玻璃纤维会对注塑工艺产生不利影响，进而影响激光打标质量。要获得稳健的标记，零件表面必须富含树脂；富含玻璃纤维的表面则会得到较差的结果。

要点

• ABS、尼龙、缩醛、聚碳酸酯、LCP、PBT、PET、PPS、PEEK 和 PEI 的玻纤填充量通常为 10–60%。
• 玻璃纤维不是良好的近红外吸收体，因此玻纤富集的表面本身就难以打标。
• 表面必须富含树脂，因为激光能量必须与聚合物基体相互作用。
• 玻纤外露表现为冷凝和成型后表面出现白色痕迹。
• 注塑成型决定可打标性：缺陷源于激光之前的环节，因此必须在前端解决。

常见问题

什么是玻纤外露？

这是影响玻纤填充注塑制品的一种严重表面缺陷，即熔体充填和成型过程中，多余的玻璃在表面聚集。冷凝和成型后，表面出现白色痕迹，外露的纤维形成富含玻璃纤维的表面，打标效果很差。

为什么玻纤富集的表面打标效果这么差？

因为玻璃纤维对近红外激光的吸收能力很差。打标要求激光能量与聚合物基体相互作用，因此表面必须富含树脂。纤维含量越高，问题越严重。

哪些聚合物中常含有玻璃纤维？

ABS、尼龙、缩醛、聚碳酸酯、液晶聚合物、PBT、PET、PPS、PEEK 和 PEI。填充比例各异，通常在 10% 至 60% 之间。

玻璃纤维究竟由什么制成？

二氧化硅、石灰石和纯碱。二氧化硅构成玻璃本体，纯碱和石灰石则用于降低制造过程中的熔化温度。

形成标记的表面机理有哪些？

三种：碳化形成黑色标记，发泡形成白色标记，以及含颜料聚合物中由激光诱导的热化学反应引起的颜色变化。具体发生哪种，取决于吸收的能量和材料独特的热降解途径。

玻璃纤维

当标准塑料需要提高结构性能时，会添加玻璃纤维。强度的提升源于较弱的聚合物将载荷应力传递给较强的增强纤维。制造玻璃纤维的原料是二氧化硅、石灰石和纯碱。二氧化硅是形成玻璃的主要材料，纯碱和石灰石则用于降低熔化温度。

玻璃纤维常添加到 ABS、尼龙、缩醛、聚碳酸酯、液晶聚合物（LCP）、PBT、PET、PPS、PEEK 和 PEI 中。填充比例虽有不同，但通常在 10% 至 60% 之间。玻璃增强材料分为短纤维和长纤维两类，各有优缺点。

玻纤外露表面缺陷

“玻纤外露”是一种常见于玻纤填充注塑制品的严重表面缺陷。玻璃纤维外露导致表面富含玻璃纤维。塑料熔体充填和成型过程中，多余的玻璃在表面聚集。冷凝和成型后，表面出现白色痕迹（见照片 1）。

成型零件表面必须“富含树脂”，才能获得高质量的标记，此时激光能量与聚合物基体相互作用。反之，富含玻璃纤维的表面打标效果差，且纤维含量越高，问题越严重。玻璃纤维本身不是近红外（NIR）激光的良好吸收体。

正确的注塑工艺怎么强调都不为过。表 1 列出了除玻纤外露之外，还可能对激光打标质量产生不利影响的表面缺陷。

聚合物激光打标机理

对于波长 1060-1070 nm 的近红外振镜扫描激光器，激光打标的机理是用局部高能辐射源（激光）照射聚合物。激光光源包括掺镱光纤、钒酸盐和 YAG。辐射能被材料吸收并转化为热能，引发材料内部的反应。引起颜色变化的表面机理包括：1）碳化形成黑色标记，2）发泡形成白色标记，3）含颜料聚合物中由激光诱导的热化学反应引起的颜色变化。打标质量取决于吸收的能量和材料独特的热降解途径。即使属于同一聚合物系列，不同牌号也可能产生不同的结果。

要获得高质量打标，着色剂和添加剂的均匀分布/分散与富树脂表面同样关键。为判断是否存在分布/分散问题，建议将激光器设置为在整个零件表面连续打标/扫描。见照片 2。

结果显示（从左到右）：模塑笔杆呈现出极佳的黑底金色色彩标记（左），中间两幅图显示色彩分布不佳，最右侧则显示出极佳的均匀分布。

由于大多数聚合物在不添加化学添加剂的情况下不具备近红外吸收特性，专家会使用添加剂、填料、颜料和染料来增强对激光能量的吸收。根据所需的打标对比度和功能，会采用差异极大的配方化学体系和激光光学/设置参数。激光添加剂可优化对比度，并显著提高打标速度。颗粒和粉末形式均可混入预混色料或色母粒中。与色母粒相比，预着色混配料的打标一致性更好。选择哪种添加剂，取决于聚合物成分、基材颜色、期望的打标对比色以及终端用途认证要求。

激光打标系统精度高、重复性好。工艺设定完成后，激光器会精确施加并重复完全相同的输出能量。因此，任何表面缺陷都会导致打标不一致。

一个具有挑战性的应用是在蓝色和黑色的 30% 玻纤填充聚酰胺（尼龙）上获得稳健的白色对比度。见照片 3。

激光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呈反比关系。

低频下的高峰值功率会使表面温度迅速升高，使材料气化，同时向基材传导的热量极少。随着脉冲重复频率升高，较低的峰值功率产生的气化极少，但传导的热量更多。影响打标对比度和质量的其他因素包括脉宽、焦距、光束速度和矢量线间距。

结论

总之，塑料激光打标是一种出色的工艺。打标质量取决于聚合物基体、添加剂和着色剂、注塑工艺以及激光光源。妨碍可读性的注塑聚合物表面问题会影响产品的安全性、性能和功能。玻纤外露是对打标质量产生不利影响的注塑表面缺陷之一。零件表面富含树脂以及均匀的分散/分布，是实现稳健激光打标的关键。

Scott R. Sabreen 是 The Sabreen Group, Inc. 的创始人兼总裁，该公司是一家工程咨询公司，专注于塑料二次加工制造工艺，包括表面预处理、附着粘接、喷墨打印、激光打标、工业涂层、装饰与表面精饰以及产品安全。三十多年来，他一直致力于开发开创性技术并解决制造难题。您可致电 972.820.6777 联系他，或访问 www.sabreen.com。

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