色粉對聚丙烯復合材料激光打標的作用

周彬(安徽紐麥特新材料科技股份有限公司，安徽 蕪湖 241000)

0 引言

聚丙烯與其他通用熱塑性塑料相比有著較多的優(yōu)勢，如在實際應(yīng)用中，其能夠性能優(yōu)良遠超過通用熱塑性塑料，且質(zhì)量輕、耐溶劑性好、易加工、易回收，在高溫下仍然無毒，符合當前我國環(huán)保建設(shè)的實際需求。同時聚丙烯能夠進行回收再利用，為使其制品能夠分辨，需要在其出廠時進行標識，如：絲網(wǎng)印刷、轉(zhuǎn)移印刷和油墨印刷等，但在制件貯存、搬運、使用等過程中由于刮擦，標識出現(xiàn)了磨損、褪色等問題，且會造成一定的環(huán)境污染。當前時代群眾對生活品質(zhì)提出了更高的要求，對環(huán)境影響控制不斷加強，因此為了提高打標的可追溯性和環(huán)保性，需要合理應(yīng)用色粉進行激光打標，從而滿足時代的發(fā)展需求。

1 色粉對聚丙烯復合材料激光打標的作用

激光打標是一種新型的標記方法，聚丙烯激光打標技術(shù)的應(yīng)用，也是未來的發(fā)展趨勢之一，可以用于蝕刻塑料控制按鈕上的信息，保證信息的可見度。激光高能量連續(xù)作用在樣件表面，通過光能使表層物質(zhì)發(fā)生物理化學變化，保證表面現(xiàn)有的物質(zhì)可以隨著應(yīng)用而蒸發(fā)，在燒蝕后永久留下標記。通過實際應(yīng)用中的調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，色粉對于聚丙烯復合材料的打標有關(guān)鍵作用，具有打標速度快、可控程序高的優(yōu)勢，可以適應(yīng)不同環(huán)境下的要求[1]。

激光打標根據(jù)效果可以分為三類，每個種類有著一定的區(qū)別，如淺色基體標記深色，此類打標多用于永久標注，深色不可應(yīng)用于臨時打標，而深色基體標記淺色則是多用于臨時打標，需要通過其他工藝將臨時打標轉(zhuǎn)換為永久標記；標記彩色則是一種特殊標記，多用于區(qū)分不同類別的標記，其中以深色基體標記淺色標記效果最為明顯，其研究也最為廣泛。但在PP復合材料實際使用過程中，往往會通過添加色粉對其配色，因此目前對深色基體激光標記效果的研究主要集中在激光的功率密度、材料與激光的作用時間等工藝參數(shù)，通用使用酞青藍、酞青綠、炭黑和鈦白粉等色粉配制標準顏色，避免材料組分對激光打標效果的影響。色粉對激光標記效果的影響機理尚不明確，在研究中需要以聚丙烯復合材料為基礎(chǔ)體系，對色粉種類以及含量對激光打標效果進行深入探究。

2 色粉對聚丙烯復合材料激光打標實驗

2.1 主要原材料選擇

色粉對聚丙烯復合材料激光打標實驗首先便是確認主要原材料，本文選用了云母母粒、潤滑劑芥酸酰胺、酞青藍、炭黑、酞青綠、聯(lián)苯胺黃、鈦白粉以及聚丙烯M2600R、M1200HS、Z30S作為原材料，生產(chǎn)廠家如表1所示。

表1 主要原材料

2.2 儀器及設(shè)備選擇

儀器及設(shè)備是色粉對聚丙烯復合材料激光打標實驗的重要組成部分，其決定了獲取各類數(shù)據(jù)的精準度，本次實驗激光打標機選擇了深圳泰德激光科技有限公司生產(chǎn)的泰德激光Nd-YAG型；而該機械設(shè)備由南京瑞亞高聚物裝備有限公司生產(chǎn)的雙螺桿擠出機SHJ-30型，整體的性能較高，適合本次實驗；注塑機則選擇了由，浙江海天注塑機有限公司生產(chǎn)的B-920型設(shè)備；最后測色儀為Utra scan XE型，由美國Hunter Lab公司，最終完成了本次實驗。

2.3 試樣制備

在制備過程中按一定比例稱量原料，通過熔融共混、注塑成型制備復合材料樣板，在準備原材料及相關(guān)儀器設(shè)備后需要進行試樣制備，其對于本次實驗是否成功也有著關(guān)鍵的作用。用激光打標機進行激光打標。在此過程中需要注意，粒料需要在80 ℃烘箱中烘干2 h，制備中必須用高混機混合均勻，將波長應(yīng)控制在1 064 nm，然后在190～220 ℃條件下通過雙螺桿擠出機擠出造粒，最后在200 ℃溫度條件下注塑成標準黑色色板，從而滿足本次實驗的實際需求。

2.4 性能測試

通過Nd-YAG型打標機在色板表面標記出直徑為40 mm圓形，在相同工藝參數(shù)條件下，對激光打標效果通過色差儀進行評價，要求材料打標前后的明暗度變化為絕對值，實驗中測試儀器為Utra scan XE，評價指標用|ΔL|表示。最后應(yīng)用ΔE表示材料打標前后的色差變化[2]。

3 色粉對聚丙烯復合材料激光打標結(jié)果

3.1 色粉組成對聚丙烯的影響

以標準色板為基礎(chǔ)進行配色，聚丙烯樹脂云母母粒以及其他小組分添加成分表面的黑色色粉會被燒蝕而暴露出其他深 層 顏 色 的 色 粉，M2600R、M1200HS、Z30S、YBL-MMG75-3NC、芥酸酰胺的具體配比為11.4∶17∶41∶30∶0.6，同時通過調(diào)整色粉含量生成三種色粉組成配方，具體如表2所示。通過表2可知，1#～3#在樣板表面產(chǎn)生顏色差異，且黑色PP色板表面在激光照射后會吸收能量，色板標記越白對比效果越好。

表2 聚丙烯復合材料的色粉組成 單位：g/25 kg

1#～3#樣板激光打標在相同的色差條件下，1#～3#樣板的|ΔL|和ΔE逐漸增大，3#樣板激光打標圖最清晰，通過打標前后的|ΔL|和ΔE量化了1#～3#樣板激光打標色差結(jié)果，打標后1#～3#明度和色差都在逐漸增加，詳細情況如表3所示，其中3#的|ΔL|、ΔE最高，1#的|ΔL|、ΔE最低。

表3 聚丙烯復合材料樣板激光打標效果

3.2 酞青藍對激光打標效果的影響

鑒于3#樣板相較于其他兩種樣板標記結(jié)果更為清晰，因此研究色粉種類和色粉含量對激光打標效果的影響，打標后色差結(jié)果匯總?cè)绫?所示。從表中可以看出，炭黑樣板標記效果逐漸變暗，阻礙能量向深層樣板傳遞，在實驗中將含量進一步提高至100 g/25 kg時，酞青藍熱穩(wěn)定性降低，激光打標燒蝕后在樣板表面富集越多，仍與未打標區(qū)域形成較大色差。由此可知酞青藍既可以吸收能量，又可以在表面富集提升標記效果。

表4 不同色粉樣板激光打標效果

3.3 炭黑對激光打標效果的影響

在實驗中3#與6#，7#樣板對比可以看出|ΔL|逐漸降低，如繼續(xù)降低則清晰度也會隨之下降。炭黑是高效的激光吸收劑，激光的能量能夠很好地向材料深處傳遞，邊界也較為清晰，激光的能量大部分被表面的炭黑吸收，能量無法很好地向深處傳遞，最終標記效果較差。

3.4 酞青綠對激光打標效果的影響

酞青藍和酞青綠含量對激光標記效果有一定的作用，可判定酞青綠對激光打標的影響與酞青藍一致，綠色或藍色色粉含量進一步增多后，打標效果無明顯增強，但可有效減弱激光能量，共同影響激光打標色差|ΔL|和ΔE。

3.5 鈦白粉對激光打標效果的影響

在上述表格中的樣板對比可以看出，出鈦白粉與激光燒蝕有著富集相互作用，鈦白粉含量的提高會使|ΔL|和ΔE均明顯降低，使部分激光能量被吸收，打標效果減弱。研究顯示鈦白粉可以提高材料耐溫性能，如果進一步提高鈦白粉的含量到75 g/25 kg，|ΔL|和ΔE值無明顯變化，可以結(jié)合實際情況選擇應(yīng)用。

4 結(jié)語

本文研究了不同色粉種類和色粉含量對聚丙烯樣板激光打標的影響，通過表格數(shù)據(jù)整理了樣板打標前后明暗度變化絕對值以及色差變化，其中炭黑含量會明顯降低激光打標效果，而酞青藍和酞青綠對激光打標清晰度具有兩面性作用，少量提高鈦白粉含量會對激光產(chǎn)生遮擋，如：藍綠色可以提高比例會降低激光打標效果，但含量增高的影響效果不大；而炭黑則對激光有著一定的遮擋作用，會與富集作用相抵消，含量越高，標記效果越差；而鈦白粉的含量增高則對激光打標效果影響不大，但會對激光打標質(zhì)量的改善作用。