在初級加工操作中，美國美國食品藥品監(jiān)督管理局(FDA)批準(zhǔn)的突破性添加劑可以與聚合物混合，以優(yōu)化塑料加工。這種方法的顯著優(yōu)點(diǎn)是標(biāo)記速度快、對比度好、成本低。新的化學(xué)添加劑采用“在線飛行”和二次加工的方法，可以創(chuàng)造暗，亮，自定義顏色的對比效果。為經(jīng)濟(jì)使用而設(shè)計(jì)的摻鐿標(biāo)記和現(xiàn)在的嵌入式無墨標(biāo)記正在取代傳統(tǒng)的輪轉(zhuǎn)凹版印刷和移印工藝。
產(chǎn)品應(yīng)用
明亮、半透明和不透明的有色聚合物，包括尼龍、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚碳酸酯、聚烯烴、聚氯乙烯(PVC)、苯乙烯、熱塑性彈性體(TPUs)和熱塑性聚氨酯(TPEs)，都是由FDA/歐洲食品安全局(EFSA)批準(zhǔn)的非重金屬和添加劑配制而成，以實(shí)現(xiàn)高對比度標(biāo)記。聚合物的透明度、光譜透射率和基本物理性質(zhì)不會受到影響。非接觸式數(shù)字激光標(biāo)記取代了昂貴的不干膠標(biāo)簽和油墨化學(xué)印刷工藝。其結(jié)果是，在實(shí)際應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)了成本效益、環(huán)境保護(hù)和優(yōu)異的美學(xué)吸引力的目標(biāo)。

聚合物激光標(biāo)記的反應(yīng)機(jī)理

近紅外(NIR)激光器(波長1060-1080nm)化學(xué)添加劑制備方面取得的進(jìn)展是這些化學(xué)添加劑與摻鐿光纖激光器、釩酸鹽激光器的兼容性和實(shí)現(xiàn)。在沒有化學(xué)添加劑的情況下，大多數(shù)聚合物不具有近紅外吸收。能被激光標(biāo)記的聚合物是那些能吸收激光并將其從光能轉(zhuǎn)化為熱能的聚合物。專家使用添加劑、填料、顏料和染料來提高對激光能量的吸收，以實(shí)現(xiàn)局部顏色的變化?？紤]到所需的標(biāo)記對比度和功能，將使用不同的化學(xué)配方和激光光學(xué)/設(shè)置參數(shù)。

最常見的表面反應(yīng)機(jī)理稱為熱化學(xué)“碳化”或“碳化”。在這種情況下，基底吸收的能量將使吸收部位周圍的材料的局部溫度升高到足以引發(fā)聚合物熱降解的程度。標(biāo)記的暗度或亮度取決于吸收的能量和材料獨(dú)特的熱降解途徑。通過優(yōu)化激光的設(shè)置，可以將表面的碳化殘留物控制在最低限度。

激光添加劑

近添加劑可以提高對比度，通過改變激光器的參數(shù)設(shè)置可以進(jìn)一步加深對比度。聚合物具有能夠產(chǎn)生“暗”或“亮”標(biāo)記對比的固有特性。一些含有少量二氧化鈦(TiO)和炭黑的著色劑化合物也可以吸收激光，并可以在某些情況下提高標(biāo)記的對比度。每個(gè)聚合階段，即使屬于同一個(gè)聚合系列(族)，也會產(chǎn)生不同的結(jié)果。配方不得有毒或?qū)Ξa(chǎn)品的外觀、物理或功能特性產(chǎn)生不利影響。

與油墨印刷工藝(移印/絲網(wǎng)印刷和噴墨印刷)相比，激光添加劑更具成本效益；此外，與非優(yōu)化材料相比，其打標(biāo)速度高出20%。激光添加劑以顆粒和粉末的形式提供，顆粒產(chǎn)品可以直接與聚合物樹脂混合，而粉末形式的激光添加劑轉(zhuǎn)化為母料。大多數(shù)激光添加劑在聚合物中具有良好的分散性?；谔砑觿┖途酆衔?，按重量計(jì)的負(fù)載濃度水平通常在0.01%至4.0%的范圍內(nèi)。

顆粒和粉末激光添加劑都可以與預(yù)混色材料或色母混合。用于混合的添加劑的選擇取決于聚合物成分、基底的顏色、標(biāo)記所需的對比色以及最終的認(rèn)證要求。對于擠出、注塑和熱成型操作，預(yù)先著色的混合材料或色母粒會產(chǎn)生更好的均勻性，應(yīng)盡可能避免人工攪拌(混合)。模流和澆口類型/澆口位置是重要的因素。激光添加劑在各部分的均勻分布/分散是實(shí)現(xiàn)最佳標(biāo)記性能的關(guān)鍵。

一些添加劑含有摻銻氧化錫和三氧化二銻的混合物，這將使天然(未著色)基底(不透明)呈現(xiàn)“淺灰色”色調(diào)。其他添加劑可能包含鋁顆粒、混合金屬氧化物和專有化合物。用顏色和染料調(diào)整顏色后，就可以達(dá)到最終的外觀匹配。市售的特殊添加劑(也可使用)已獲FDA批準(zhǔn)，可用于食品接觸或食品包裝(符合FDA法規(guī)21CFR178.329:聚合物的著色劑標(biāo)準(zhǔn))。歐洲聯(lián)盟也有類似的合規(guī)聲明。聚合物類型、負(fù)載水平閾值和直接或間接接觸的認(rèn)證條件清晰具體。

納秒摻鐿光纖激光技術(shù)

激光技術(shù)領(lǐng)域的進(jìn)步對于推動FDA批準(zhǔn)的最新一代激光添加劑的快速發(fā)展尤為重要。納秒摻鐿光纖激光器的出現(xiàn)被認(rèn)為是激光標(biāo)記、激光焊接等領(lǐng)域最顯著的進(jìn)步之一。

從根本上說，光纖激光器不同于其他二極管泵浦的固體(DPSS)。使用光纖激光器，并且由光纖激光器產(chǎn)生的激光介質(zhì)分散在專用的光纖電纜中。相比之下，就光纖傳輸激光器而言，其光束的整個(gè)路徑都聚集在光纖電纜中，并通向用于光束傳輸?shù)墓鈱W(xué)元件。這種全光纖結(jié)構(gòu)大大提升了這類激光器的可靠性和耐用性，同時(shí)也解釋了產(chǎn)品市場份額快速增長的原因。

與Nd:YAG激光器相比，光纖激光器產(chǎn)生的光束質(zhì)量和亮度更優(yōu)越。光束質(zhì)量優(yōu)異的激光可以聚焦在小光斑上，從而獲得高能量密度。固定和可變脈沖主振蕩器功率放大器(MOPA)光纖激光器具有高達(dá)1mJ的脈沖能量和高功率密度，可以標(biāo)記許多傳統(tǒng)意義上難以加工的聚合物。釩酸鹽激光器的光束質(zhì)量因子也很小，脈沖寬度比固定光纖激光器和YAG激光器短。脈沖持續(xù)時(shí)間會影響材料的熱量和碳化程度。當(dāng)處理敏感的聚合物材料時(shí)，短脈沖(通常小于40納秒)將產(chǎn)生更可控的能量。這些脈沖仍然具有可以克服材料閾值的峰值功率，并且它們的較低脈沖能量可以減少局部熱損傷。

作為全球領(lǐng)先的高性能光纖激光器開發(fā)商和制造商，IPG光子公司提供YLP系列固定脈沖光纖激光器(有時(shí)稱為Q開關(guān)激光器)和可變短脈沖YLPN(MOPA)光纖激光器。脈寬為100-120納秒的調(diào)Q光纖激光器通常用于一些標(biāo)記應(yīng)用，但由于調(diào)Q技術(shù)的固有限制，其脈沖重復(fù)頻率被限制在80kHz左右。納秒脈沖寬度的直接調(diào)制MOPA(DMMOPA)光纖激光器的脈沖重復(fù)率可達(dá)500kHz。高重復(fù)率通常意味著更快的打標(biāo)速度(與其他激光/波導(dǎo)參數(shù)一起使用)。

激光應(yīng)用的發(fā)展非常具體，因?yàn)闆]有通用的激光解決方案。短脈沖MOPA光纖激光器可以充分利用FDA批準(zhǔn)的敏感化學(xué)添加劑的性能。在空間和時(shí)間上局部控制激光熱輸入和熱輸入速率可以確保最大性能。集成哪種激光器取決于與優(yōu)化聚合物材料相互作用的激光器的輸出特性。圖3示出了固定和可變(MOPA)脈沖長度的摻鐿光纖激光器。

當(dāng)使用固定脈沖長度的光纖激光器進(jìn)行打標(biāo)時(shí)，必須設(shè)置兩個(gè)值:

1.脈沖重復(fù)率(通常指脈沖頻率)；
2.以百分比表示的泵浦功率——100%是指輸入到泵浦二極管的最大電氣值。

設(shè)置可變短脈沖MOPA光纖激光器時(shí)，必須設(shè)置三個(gè)值:
1.脈沖的持續(xù)時(shí)間(通常稱為脈沖長度)；
2.脈沖重復(fù)率(脈沖頻率)；
3.泵功率百分比。

對于以上兩項(xiàng)，參數(shù)輸入的具體組合控制著激光束的輸出特性，即脈沖能量、峰值功率(脈沖能量的最高瞬時(shí)峰值，焦耳/脈沖持續(xù)時(shí)間)和平均功率[平均功率(W)=脈沖能量(J)x脈沖重復(fù)率(Hz)]

“在線飛行”激光標(biāo)記

“在線飛”激光打標(biāo)是最專業(yè)的激光應(yīng)用技術(shù)，主要用于電線/電纜、管材等產(chǎn)品的成型和擠出。無底飲料瓶瓶蓋上推廣合成葡萄酒瓶塞和瓶蓋的字母數(shù)字文字和圖形(圖4)的打標(biāo)速度可達(dá)2000張/分鐘。而文字和機(jī)器視覺編碼的線性打標(biāo)速度可以達(dá)到152.4m/min甚至更快。如今，傳統(tǒng)的輪轉(zhuǎn)凹版印刷和移印工藝正在被無墨激光標(biāo)記所取代。
打標(biāo)速度是函數(shù)中的眾多變量之一，包括聚合物類型、基材顏色、激光添加劑類型和負(fù)載水平、線纜尺寸(重量)、激光類型和功率、軟件、字母數(shù)字字符數(shù)、文本高度、文本串長度、字符間距、條形碼/數(shù)據(jù)矩陣、標(biāo)志/圖形、單筆劃或真型填充字體、填充方向等。使用適當(dāng)?shù)奶砑觿┖椭珓⒋_保標(biāo)記表面的“功率密度”不會成為限制因素。相反，光束引導(dǎo)振鏡將以最大速度運(yùn)行。
影響基于“在線飛行”的打標(biāo)生產(chǎn)能力的原因非常復(fù)雜，需要對每個(gè)應(yīng)用進(jìn)行準(zhǔn)確的檢查?？赏茢嗟囊?guī)則，如果有的話，也很少。但對于一般用途，可以考慮以下尼龍聚合物的例子:它涉及50W功率光纖激光器，254mm平場透鏡，100個(gè)字母數(shù)字字符，高度2mm，重復(fù)文本串長度14.68英寸，標(biāo)記時(shí)間0.232秒。計(jì)算出的速度約為每分鐘315直線英尺。

激光設(shè)備系統(tǒng)
激光器制造商在其激光系統(tǒng)中采用的硬件和軟件組件將在激光打標(biāo)的對比度、質(zhì)量和速度方面產(chǎn)生顯著差異。一個(gè)主要屬性是標(biāo)記表面的功率密度(W/cm2 )(不同于激光的原始輸出功率)。激光束的輸出模式對打標(biāo)性能尤為重要。這些輸出模式中涉及的因素包括穿過激光束直徑范圍的光束的發(fā)散度和功率分布。
功率密度是激光聚焦光斑尺寸的函數(shù)。對于任何給定的焦距透鏡和激光波長，激光聚焦光斑尺寸是激光束發(fā)散度的函數(shù)，它由激光器的設(shè)置、選定的孔徑尺寸和擴(kuò)束器的放大倍數(shù)來控制。脈沖重復(fù)率和峰值功率密度是形成標(biāo)記并實(shí)現(xiàn)最佳標(biāo)記對比度和標(biāo)記速度的關(guān)鍵參數(shù)。功率脈沖重復(fù)率的算術(shù)曲線成反比。低頻下的高峰值功率將快速升高表面溫度，蒸發(fā)材料，并將最小的熱能引入襯底。隨著脈沖重復(fù)率的增加，較低的峰值功率產(chǎn)生的蒸發(fā)率最小，但會傳導(dǎo)更多的熱量。此外，影響激光打標(biāo)對比度和質(zhì)量的其他因素包括光束速度和矢量線間距。

標(biāo)簽
當(dāng)FDA批準(zhǔn)的突破性添加劑與聚合物混合時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的激光標(biāo)記對比度、標(biāo)記速度和突出邊緣線的細(xì)節(jié)感。有激光添加劑的產(chǎn)品打標(biāo)速度可提高20%。這些優(yōu)勢很快抵消了增量材料的額外成本。經(jīng)濟(jì)的摻鐿光纖激光器技術(shù)的進(jìn)步在這方面發(fā)揮了重要作用。嵌入式飛行激光標(biāo)記技術(shù)正在取代傳統(tǒng)的輪轉(zhuǎn)凹版印刷和移印工藝。優(yōu)化材料科學(xué)中塑料激光打標(biāo)的化學(xué)機(jī)理，需要掌握聚合物、著色劑、顏料、染料溶解度、粒徑、閾值濃度限值、配色、法規(guī)認(rèn)證等領(lǐng)域的專業(yè)知識和技能。