色粉对聚丙烯复合材料激光打标的作用

周彬(安徽纽麦特新材料科技股份有限公司，安徽 芜湖 241000)

0 引言

聚丙烯与其他通用热塑性塑料相比有着较多的优势，如在实际应用中，其能够性能优良远超过通用热塑性塑料，且质量轻、耐溶剂性好、易加工、易回收，在高温下仍然无毒，符合当前我国环保建设的实际需求。同时聚丙烯能够进行回收再利用，为使其制品能够分辨，需要在其出厂时进行标识，如：丝网印刷、转移印刷和油墨印刷等，但在制件贮存、搬运、使用等过程中由于刮擦，标识出现了磨损、褪色等问题，且会造成一定的环境污染。当前时代群众对生活品质提出了更高的要求，对环境影响控制不断加强，因此为了提高打标的可追溯性和环保性，需要合理应用色粉进行激光打标，从而满足时代的发展需求。

1 色粉对聚丙烯复合材料激光打标的作用

激光打标是一种新型的标记方法，聚丙烯激光打标技术的应用，也是未来的发展趋势之一，可以用于蚀刻塑料控制按钮上的信息，保证信息的可见度。激光高能量连续作用在样件表面，通过光能使表层物质发生物理化学变化，保证表面现有的物质可以随着应用而蒸发，在烧蚀后永久留下标记。通过实际应用中的调查研究发现，色粉对于聚丙烯复合材料的打标有关键作用，具有打标速度快、可控程序高的优势，可以适应不同环境下的要求[1]。

激光打标根据效果可以分为三类，每个种类有着一定的区别，如浅色基体标记深色，此类打标多用于永久标注，深色不可应用于临时打标，而深色基体标记浅色则是多用于临时打标，需要通过其他工艺将临时打标转换为永久标记；标记彩色则是一种特殊标记，多用于区分不同类别的标记，其中以深色基体标记浅色标记效果最为明显，其研究也最为广泛。但在PP复合材料实际使用过程中，往往会通过添加色粉对其配色，因此目前对深色基体激光标记效果的研究主要集中在激光的功率密度、材料与激光的作用时间等工艺参数，通用使用酞青蓝、酞青绿、炭黑和钛白粉等色粉配制标准颜色，避免材料组分对激光打标效果的影响。色粉对激光标记效果的影响机理尚不明确，在研究中需要以聚丙烯复合材料为基础体系，对色粉种类以及含量对激光打标效果进行深入探究。

2 色粉对聚丙烯复合材料激光打标实验

2.1 主要原材料选择

色粉对聚丙烯复合材料激光打标实验首先便是确认主要原材料，本文选用了云母母粒、润滑剂芥酸酰胺、酞青蓝、炭黑、酞青绿、联苯胺黄、钛白粉以及聚丙烯M2600R、M1200HS、Z30S作为原材料，生产厂家如表1所示。

表1 主要原材料

2.2 仪器及设备选择

仪器及设备是色粉对聚丙烯复合材料激光打标实验的重要组成部分，其决定了获取各类数据的精准度，本次实验激光打标机选择了深圳泰德激光科技有限公司生产的泰德激光Nd-YAG型；而该机械设备由南京瑞亚高聚物装备有限公司生产的双螺杆挤出机SHJ-30型，整体的性能较高，适合本次实验；注塑机则选择了由，浙江海天注塑机有限公司生产的B-920型设备；最后测色仪为Utra scan XE型，由美国Hunter Lab公司，最终完成了本次实验。

2.3 试样制备

在制备过程中按一定比例称量原料，通过熔融共混、注塑成型制备复合材料样板，在准备原材料及相关仪器设备后需要进行试样制备，其对于本次实验是否成功也有着关键的作用。用激光打标机进行激光打标。在此过程中需要注意，粒料需要在80 ℃烘箱中烘干2 h，制备中必须用高混机混合均匀，将波长应控制在1 064 nm，然后在190～220 ℃条件下通过双螺杆挤出机挤出造粒，最后在200 ℃温度条件下注塑成标准黑色色板，从而满足本次实验的实际需求。

2.4 性能测试

通过Nd-YAG型打标机在色板表面标记出直径为40 mm圆形，在相同工艺参数条件下，对激光打标效果通过色差仪进行评价，要求材料打标前后的明暗度变化为绝对值，实验中测试仪器为Utra scan XE，评价指标用|ΔL|表示。最后应用ΔE表示材料打标前后的色差变化[2]。

3 色粉对聚丙烯复合材料激光打标结果

3.1 色粉组成对聚丙烯的影响

以标准色板为基础进行配色，聚丙烯树脂云母母粒以及其他小组分添加成分表面的黑色色粉会被烧蚀而暴露出其他深 层 颜 色 的 色 粉，M2600R、M1200HS、Z30S、YBL-MMG75-3NC、芥酸酰胺的具体配比为11.4∶17∶41∶30∶0.6，同时通过调整色粉含量生成三种色粉组成配方，具体如表2所示。通过表2可知，1#～3#在样板表面产生颜色差异，且黑色PP色板表面在激光照射后会吸收能量，色板标记越白对比效果越好。

表2 聚丙烯复合材料的色粉组成 单位：g/25 kg

1#～3#样板激光打标在相同的色差条件下，1#～3#样板的|ΔL|和ΔE逐渐增大，3#样板激光打标图最清晰，通过打标前后的|ΔL|和ΔE量化了1#～3#样板激光打标色差结果，打标后1#～3#明度和色差都在逐渐增加，详细情况如表3所示，其中3#的|ΔL|、ΔE最高，1#的|ΔL|、ΔE最低。

表3 聚丙烯复合材料样板激光打标效果

3.2 酞青蓝对激光打标效果的影响

鉴于3#样板相较于其他两种样板标记结果更为清晰，因此研究色粉种类和色粉含量对激光打标效果的影响，打标后色差结果汇总如表4所示。从表中可以看出，炭黑样板标记效果逐渐变暗，阻碍能量向深层样板传递，在实验中将含量进一步提高至100 g/25 kg时，酞青蓝热稳定性降低，激光打标烧蚀后在样板表面富集越多，仍与未打标区域形成较大色差。由此可知酞青蓝既可以吸收能量，又可以在表面富集提升标记效果。

表4 不同色粉样板激光打标效果

3.3 炭黑对激光打标效果的影响

在实验中3#与6#，7#样板对比可以看出|ΔL|逐渐降低，如继续降低则清晰度也会随之下降。炭黑是高效的激光吸收剂，激光的能量能够很好地向材料深处传递，边界也较为清晰，激光的能量大部分被表面的炭黑吸收，能量无法很好地向深处传递，最终标记效果较差。

3.4 酞青绿对激光打标效果的影响

酞青蓝和酞青绿含量对激光标记效果有一定的作用，可判定酞青绿对激光打标的影响与酞青蓝一致，绿色或蓝色色粉含量进一步增多后，打标效果无明显增强，但可有效减弱激光能量，共同影响激光打标色差|ΔL|和ΔE。

3.5 钛白粉对激光打标效果的影响

在上述表格中的样板对比可以看出，出钛白粉与激光烧蚀有着富集相互作用，钛白粉含量的提高会使|ΔL|和ΔE均明显降低，使部分激光能量被吸收，打标效果减弱。研究显示钛白粉可以提高材料耐温性能，如果进一步提高钛白粉的含量到75 g/25 kg，|ΔL|和ΔE值无明显变化，可以结合实际情况选择应用。

4 结语

本文研究了不同色粉种类和色粉含量对聚丙烯样板激光打标的影响，通过表格数据整理了样板打标前后明暗度变化绝对值以及色差变化，其中炭黑含量会明显降低激光打标效果，而酞青蓝和酞青绿对激光打标清晰度具有两面性作用，少量提高钛白粉含量会对激光产生遮挡，如：蓝绿色可以提高比例会降低激光打标效果，但含量增高的影响效果不大；而炭黑则对激光有着一定的遮挡作用，会与富集作用相抵消，含量越高，标记效果越差；而钛白粉的含量增高则对激光打标效果影响不大，但会对激光打标质量的改善作用。