聚碳酸酯

聚碳酸酯

要点速览

• PC 兼具光学透明性和卓越的抗冲击强度，这种组合十分罕见。
• 牌号与聚合物种类同样重要。不同牌号之间表现各异，因此应按牌号而不是按材料进行验证。
• 它对光纤激光和紫外激光都能很好地打标，是配合度较高的透明塑料之一。
• 二次加工从材料选择就已开始。粘接、印刷和打标的结果在零件成型之前就已在很大程度上确定。

什么是聚碳酸酯（PC）？

聚碳酸酯是一种以芳香族双酚 A 为主链的非晶态工程热塑性塑料，兼具卓越的抗冲击强度、光学透明性和良好的尺寸稳定性。

聚碳酸酯是一种高性能工程热塑性塑料，以光学透明性、抗冲击性和热稳定性的出色组合而著称。与聚乙烯和聚丙烯等半结晶聚合物不同，聚碳酸酯是非晶态热塑性塑料，这意味着其分子结构中没有会引起光散射的有序结晶区。这种非晶特性使聚碳酸酯具有优异的光学透明度，成为需要兼具玻璃般透明度和更高耐用性的应用首选材料。

该材料出色的抗冲击性——约为玻璃的 250 倍——使聚碳酸酯成为安全玻璃、防护装备以及破碎可能造成安全隐患的应用的首选材料。再加上其在宽温度范围内的尺寸稳定性和固有的阻燃性，聚碳酸酯在从航空航天、汽车到医疗器械和消费电子的各个行业中发挥着关键作用。

材料性能与特点

聚碳酸酯具有若干影响其激光加工行为的性能。该材料在最高约 135°C 的温度下仍能保持透明度和结构完整性，玻璃化转变温度约为 147°C。这种热行为意味着聚碳酸酯在出现变形或降解之前能够吸收大量激光能量，在参数得到妥善控制时可实现精确加工。

该材料的抗冲击性和韧性使其在激光加工过程中不易断裂，不像较脆的塑料那样可能因热应力而开裂。不过，聚碳酸酯对某些化学品敏感，并且有吸湿倾向，如果材料在激光处理前没有妥善预处理，会影响加工结果。

聚碳酸酯明显比玻璃轻，同时在许多应用中提供相当的光学性能。与玻璃相比，聚碳酸酯的重量约为其一半，简化了搬运、储存和物料物流。许多聚碳酸酯板材在一面或两面带有紫外线涂层，以防止阳光照射引起的黄变和降解，这是激光加工时需要考虑的因素，因为这些涂层对激光辐射的响应可能与基材不同。

聚碳酸酯的激光切割

9.3 微米的 CO2 激光器通常被认为是切割聚碳酸酯的最佳选择。塑料很容易吸收 CO2 激光波长，而 CO2 系统的光输出功率足以高效切割典型厚度的材料。CO2 激光可在聚碳酸酯上切出干净的切口，不过由于切割过程的热特性，边缘出现一定的变色或黄变较为常见。

激光切割的聚碳酸酯边缘质量在很大程度上取决于切割速度和材料厚度。较薄的聚碳酸酯板（3 mm 以下）通常切割效果最好，变色最少。较厚的材料需要仔细优化参数，并可通过降低功率进行多道次切割，以尽量减少热量积聚和热损伤。

对于要求边缘晶莹剔透、没有可见热影响区的应用，机械切割方法可能优于激光切割。但是，当切割边缘会被遮挡，或速度和灵活性是首要考虑时，激光切割具有显著优势，包括无需更换模具即可切割复杂形状，并且不必考虑刀具磨损。

聚碳酸酯的激光雕刻

工作波长为 1.06 微米的光纤激光器对聚碳酸酯雕刻特别有效，可产生高度精确、分辨率极佳的不透明黑色标记。光纤激光通过碳化机理产生标记，将原本透明的材料转变为深色、高对比度的图形和文字。

CO2 激光器也可以雕刻聚碳酸酯，但结果与光纤激光打标不同。CO2 雕刻是去除材料形成凹陷特征，而不是变色打标。这种方法适合需要触感标记或深度雕刻的应用，但对于表面识别应用可能产生的对比度较低。

紫外激光因其冷打标特性，在聚碳酸酯打标上显示出特别的优势。紫外激光 355 纳米的波长直接引发光化学反应而无明显发热，避免损伤材料并产生干净、高对比度的标记。这种冷打标工艺对于热效应会显而易见的透明或清澈聚碳酸酯尤其有价值。

激光焊接注意事项

聚碳酸酯的非晶结构使其成为透射式激光焊接的理想候选材料。与结晶体会散射激光辐射的半结晶聚合物不同，非晶聚碳酸酯能使近红外波长有效地穿透相当大的材料厚度。这一特性使得聚碳酸酯组件能够焊接半结晶材料难以应对的壁厚。

对于透射焊接，必须通过添加炭黑或其他红外吸收剂使其中一个聚碳酸酯部件具有激光吸收性。激光束穿过透明的上层部件，在与吸收性下层部件的界面处被吸收，产生局部熔融，将零件融合在一起。

利用专门技术可以实现聚碳酸酯的透明对透明焊接。波长约 2000 纳米的较长波长激光可以精确聚焦在两个部件同时存在的接头界面处，在无需添加剂的情况下将热量集中在焊接区。也可以在焊接界面施加特殊的光学透明吸收剂，以便使用常规近红外激光实现透明对透明的连接。

加工挑战与解决方案

聚碳酸酯激光加工存在若干需要注意的挑战。该材料在激光切割和雕刻过程中会释放烟气，需要充分的通风和排烟。虽然其危害不如某些塑料，但必须采取适当的工作场所安全措施。

着色聚碳酸酯在激光加工过程中，如果没有适当加入添加剂，可能出现降解、开裂或表面空洞。对于需要在着色聚碳酸酯上获得高质量激光标记的应用，添加剂增强配方可确保结果一致而不损伤材料。

透明和白色聚碳酸酯对光纤和 CO2 激光打标构成特殊挑战，因为没有添加剂的话，材料难以吸收激光能量。紫外激光提供了一种替代方案，无需修改材料即可在这些具有挑战性的颜色上取得良好效果。

行业应用

聚碳酸酯独特的性能组合及其激光可加工性可满足多种应用：

• 安全玻璃和机器防护罩，需要激光切割形状和识别标记
• 照明用光学透镜和扩散板，带有激光雕刻特征
• 医疗器械，需要气密的激光焊接外壳和 UDI 标记
• 汽车照明部件，带有激光焊接组件和识别代码
• 电子设备外壳，带有激光焊接缝和产品标识
• 安防和身份识别卡，带有激光雕刻的个性化信息

应力开裂：决定性的约束

聚碳酸酯打标和加工的表现都很好，却会在使用中因可追溯到装饰环节的原因而失效。环境应力开裂是主要的失效模式，值得从设计上加以防范，而不是等到事后才发现：

银纹往往在加工数小时或数天后才出现，而不是立即出现，因此在设备旁通过检验的零件可能在下一班次失效。应在评定中加入延迟检验，而不是依赖即时检查。

聚碳酸酯加工问题诊断

相关术语与延伸阅读

• 聚碳酸酯激光打标
• 碳化
• 透明塑料的激光打标
• 聚合物表面预处理

在生产中的应用

The Sabreen Group 为聚碳酸酯的打标、粘接和避免应力银纹提供独立的工程支持。如果您正在确定工艺规范、评定材料或排查生产问题，我们的工程服务团队可以提供帮助。欢迎联系我们探讨您的应用。

常见问题

为什么聚碳酸酯在打标或机加工数天后才出现银纹？

因为模塑内含的残余应力与加工带来的局部热输入相结合，由此产生的银纹是随时间逐渐发展的，而不是立即出现。零件可能在设备旁通过检验，却在下一班次失效。在应用至关重要时，应在装饰前退火，使标记远离浇口和熔接线，并在评定中加入延迟检验。

聚碳酸酯需要激光添加剂吗？

通常不需要。芳香族主链的成炭率高，因此聚碳酸酯无需添加剂就能在光纤激光下产生良好的深色对比度。困难与聚烯烃相反：它很容易打标，因此风险在于能量施加过多，造成黄变、雾化或应力银纹，而不是根本打不出标记。

哪些化学品会侵蚀聚碳酸酯？

许多溶剂，以及某些油墨、胶粘剂和清洁剂——尤其是当零件带有残余应力时，因为应力与化学侵蚀相结合会导致环境应力开裂。应评定零件实际会接触的每一种化学品，包括其在使用中会经历的清洁制度，并针对受应力样品而不是无应力试片进行测试。

为什么干燥对聚碳酸酯如此关键？

因为在熔融温度下有水分存在时，碳酸酯键会水解，永久性地降低分子量，进而降低韧性。可见的症状是银纹和气泡，但无论零件看起来是否可接受，性能损失都已发生。干燥是硬性要求，而不是质量上的锦上添花。

什么方式能在透明聚碳酸酯上获得最干净的切割或打标边缘？

紫外光源，因为其相互作用主要是光化学性的，产生的热影响区比红外激光小得多。使用红外光源时，应采用较轻的道次并在道次之间冷却，而不是一次激进的道次，并确认光束聚焦在近表面上——在透明零件上，很容易穿过材料聚焦到远端表面。

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