“智能添加剂”提升塑料激光打标

“智能添加剂”提升塑料激光打标

改善对比度、线条边缘细节和速度

新一代融入聚合物的激光打标“智能添加剂”是技术上的飞跃，既能赋能又能节约成本。这些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，实现前所未有的打标对比度、线条边缘细节和速度。这些配方专为热化学表面反应设计，非常适合工作波长为 1060 至 1070 nm（近红外光谱）的光纤、YAG 和钒酸盐激光器。

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 至 1070 nm 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、激光类型（光纤、YAG、钒酸盐）以及激光光学/设置参数。

图 1 展示了聚乙烯上的“深色打标对比度”（左）、尼龙上的“白色打标对比度”（中）以及 ABS 上的定制颜色金黄色（右），同时演示了三种独特的表面反应机理。第一种是碳化过程：当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时发生。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。混入树脂着色剂基体时，产生深色打标对比度的添加剂通常含有锑掺杂氧化锡、三氧化二锑或铝颗粒的混合物，均易于在聚合物中分散。典型的按重量添加浓度为 0.01% 至 3.0%。许多最终配方已根据 21 CFR 178.3297《聚合物着色剂》的 A-H 条件获得 FDA 批准。

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。发泡剂的例子有氢氧化铝或各种碳酸盐。为防止碳化，该机理要求聚合物的降解温度高于发泡添加剂的降解温度。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。它们必须吸收足够的激光能量，将聚合物的局部温度升至足够高，使聚合物炭化或发泡，从而形成标记。这一温度因聚合物而异，即使同一聚合物族内也是如此。

要点

• 不存在通用添加剂。与普遍看法相反，化学配方必须与聚合物、颜色和激光相匹配。
• 炭化、发泡和着色剂变色三种机理，涵盖了深色、白色和定制颜色的标记。
• 添加量低，通常按重量计为 0.01% 至 3.0%，许多配方已根据 21 CFR 178.3297 获得 FDA 批准。
• 添加剂浓度低至 0.01% 至 2.0%，即可带来 15% 或更高的速度提升。
• 热降解温度可预测可打标性。仅凭这一点，两种 HDPE 牌号的打标效果就可能大相径庭。

常见问题

是否存在能解决所有打标问题的单一激光添加剂？

没有。与普遍看法相反，不存在通用添加剂。根据所需的对比度和功能，需使用截然不同的配方化学、激光类型（光纤、YAG 或钒酸盐）以及光学和设置参数。

添加剂如何在深色塑料上产生白色标记？

通过发泡。添加剂在降解时释放蒸汽，激光能量被靠近发泡剂的吸收剂吸收。氢氧化铝和各种碳酸盐是典型的发泡剂。聚合物的降解温度必须高于发泡添加剂，否则会发生炭化。

为什么同一种聚合物的两个牌号打标效果不同？

热降解温度不同。两种 HDPE 样品的热重分析显示，其降解起始温度存在明显差异，降解温度较高的聚合物需要更多激光能量、更慢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。

使用优化添加剂后打标能快多少？

与未优化配方相比，统计学上显著提升 15% 或更多，所需浓度较低，约为 0.01% 至 2.0%。无内衬饮料瓶盖盖内促销信息的“在线飞行”打标速度最高可达每分钟 1,500 个瓶盖。

浅色标记为什么容易被刮掉？

发泡过程中激光控制不当。参数控制不严，得到的是易碎或低对比度、耐久性差的标记，而不是该机理本可产生的高质量耐久浅色标记。

实现更快的打标速度

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。

图 2 显示了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。与未优化的材料配方相比，智能添加剂可节约成本，并使打标速度提高 15% 甚至更多。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最高 1,500 个瓶盖的速度打标独特的图形和字母数字文本。示例见图 3。

激光技术

激光技术的进步对智能激光添加剂的快速发展起到了重要作用。纳秒光纤激光技术是一个新兴领域，也是打标、焊接和切割用激光器领域最重要的进步之一。光纤激光器与其他固体打标激光器有本质区别。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 MOPA 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）。

并非所有振镜扫描式光纤、YAG 和钒酸盐激光器都是一样的。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（W/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。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。

结论

新一代融入聚合物的激光打标“智能添加剂”，可实现前所未有的打标对比度、线条边缘细节和速度。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。

参考文献

• 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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