不同工藝條件對改性聚碳酸酯激光打標性能的影響

何元錦，莫錦鵬，麥偉宗，王春江

（廣州合成材料研究院有限公司，廣東廣州510665）

激光打標是利用激光的熱效應燒蝕掉物體表面材料從而留下永久標記的技術(shù)，是在激光焊接、激光熱處理、激光切割、激光打孔等應用技術(shù)之后發(fā)展起來的一門新型的加工技術(shù)[1]。與傳統(tǒng)的電化學、機械等標記方法相比，激光打標具有無污染、高速度、高質(zhì)量、靈活性大、不接觸工作面等優(yōu)點。近年來，激光打標已取代傳統(tǒng)的打標方式而成為常規(guī)的加工方式，在眾多領(lǐng)域中得到廣泛的應用。

聚碳酸酯（PC）是一種以雙酚、光氣及其衍生物為單體聚合而成的合成熱塑性樹脂。PC具有優(yōu)異的耐熱性能、透明性、力學性能、尺寸穩(wěn)定性，廣泛應用于電子、電氣、建筑、汽車、輕工業(yè)等領(lǐng)域[2-3]。由于具有高強度及彈性系數(shù)、熱變形溫度高、電氣特性好等優(yōu)點，PC與其他塑料相比更為適用于激光打標[4-5]。在未經(jīng)改性處理的情況下，聚碳酸酯制品可以被激光標記，但未改性處理聚碳酸酯的激光標記結(jié)果并不理想，對比度不明顯，標記分辨率也很低，無法得到比較精細的結(jié)構(gòu)。這是因為激光與PC材料接觸后容易穿過透明的PC材料，未能將大部分激光的光能轉(zhuǎn)化為熱能，無法在PC表面發(fā)生氣泡或碳化。

為了更深入地了解PC材料的打標性能，本研究通過改變激光打標設備的功率與工作頻率，研究激光打標工藝對改性PC打標效果的影響，對改性PC材料的激光打標性能進行研究。

1 實驗部分

1.1 樣品制備

將潤滑劑、阻燃劑、抗氧劑、紫外線吸收劑、抗滴落劑、鈦白粉、激光打標助劑按配方比例（見表1）作預混合，然后將其與PC樹脂在混合機中摻混5min～6 min 。混合料在指定工藝參數(shù)下經(jīng)雙螺桿擠出機擠出造粒，得到可激光打標阻燃PC樣品。

表1 樣品配方Table 1 Formula of PC sample

將樣品放入鼓風式烘箱，在120℃±5℃溫度下烘1h。然后將烘干后的產(chǎn)品用注塑機按照相關(guān)測試標準注塑成測試標準樣條，注塑溫度為290℃±5℃，冷卻后24h后進行相關(guān)性能測試。

1.2 測試條件

激光打標測試在華工激光LSF20Y型激光打標機進行，通過顯微鏡觀察激光打標效果。LSF20Y型激光打標機的激光器為Nd:YAG激光器，發(fā)射的激光為1.064微米的紅外激光。采用光學顯微鏡觀察激光打標后改性聚碳酸酯樣品的表面形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 激光器的功率對PC樣品的可激光打標性能的影響

根據(jù)目前激光打標技術(shù)平臺條件，我們選取了激光發(fā)生器的功率和頻率作為本研究的工藝考察參數(shù)。激光器的功率與其激光能量的強度直接相關(guān)，這對打標效果有著直接的影響。不同功率下激光打標后PC樣品的表面形貌如圖1所示。顯然，功率越高，激光器發(fā)射的激光能量越大，PC樣品表面受到激光的作用越強烈。本研究采用10%、20%、30%、40%、60%和100%等6個功率對PC樣品進行激光打標，其打標后的表面形貌如圖1所示。當激光器功率為10%時，樣品打標后能出現(xiàn)均勻排列的黑點，其對比度略低。當功率為20%時，樣品表面的黑點直徑變大，對比度明顯提高。然而當功率提升至30%～60%時，雖然激光器仍可在PC表面打出黑點，但是黑點周圍的表面均出現(xiàn)了明顯的熔融變形。可見此時激光器功率過高，激光對材料表面造成了不必要的損傷。當功率升至100%后，樣品上無明顯的黑點結(jié)構(gòu)，整個表面已被激光燒焦。

圖1 不同功率下激光打標后PC樣品的表面形貌Fig. 1 Morphology of different laser-marking PC samples with different powers

我們運用色差儀對不同功率下打標后樣品表面的L、a、b值進行測量，其結(jié)果見表2。隨著功率的增加，樣品表面的L值從61.3（10%）降低至44.6（100%）。這表明隨著功率的增大，激光對樣品表面的變黑的效果越來越強。當功率較低的時候（10%～30%），樣品表面b值低于1，即樣品表面偏藍，這表明打標助劑在較低的激光下會發(fā)生反應從而發(fā)黑。然而，功率的增大也導致樣品表面的b值由0.1（20%）增大至6.8（100%），這表明樣品在較高功率的激光下發(fā)生明顯的降解發(fā)黃。

表2 不同功率下激光打標后PC樣品的顏色參數(shù)Table 2 Colorimetric data of different laser-marking PC samples with different powers

2.2 激光器的頻率對PC樣品的可激光打標性能的影響

激光器的頻率是指1s內(nèi)激光器發(fā)射激光的次數(shù)，頻率越高，PC樣品表面打標點越密。本研究采用20kHz、25kHz、30kHz、50kHz和70kHz等5個頻率對PC樣品進行激光打標，其打標后的表面形貌如圖2所示。當頻率為20kHz時，PC樣品黑點的密度相對稀疏，其形貌也相對清晰，然而隨著頻率的增大，樣品表面的黑點密度增大，對比度有所下降，黑點的形貌清晰度也有所下降。對于Nd:YAG型激光器而言，激光器頻率越高，其發(fā)射的激光脈沖峰值越低。因此，激光器頻率增大，每個點的激光作用時間變短，PC表面吸收激光的能量減少，PC樣品在激光作用下焦化發(fā)黑程度減少，受熱熔融發(fā)泡的程度增多，PC變黑的程度有所下降。不同頻率下激光打標后PC樣品的顏色參數(shù)（表3）也反映了同樣的問題。雖然，隨著頻率的增大樣品的a、b值變化不大，但是樣品的L值明顯上升（即樣品的顏色偏白）。這表明隨著頻率的增大樣品表面吸收激光發(fā)黑的程度明顯，這一現(xiàn)象也與上文的分析相一致。

圖2 不同頻率下激光打標后PC樣品的表面形貌Fig. 2 Morphology of different laser-marking PC samples with different frequencies

表3 不同頻率下激光打標后PC樣品的顏色參數(shù)Table 3 Colorimetric data of different laser-marking PC samples with different frequencies

3 結(jié)論

通過改變激光打標設備的功率與工作頻率，研究激光打標工藝對改性PC打標效果的影響。結(jié)果表明，當功率為20%時，樣品表面的黑點直徑變大，對比度明顯提高，功率過高會使材料表面黑點周圍出現(xiàn)了明顯的熔融變形，顏色也會偏黃；隨著頻率的增大，樣品表面的黑點密度增大，對比度有所下降，黑點的形貌清晰度也有所下降。