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10.2µm CO2激光器能够优化聚丙烯(PP)材料 Novanta新锐

作者:admin  时间:2023-10-24 9:49:10

先看总结:

总结

在本文中,了解到CO2激光辐射如何被聚合物(特别是聚丙烯)吸收的基本机制之一,以及如何通过波长选择来优化这种吸收,使吸收最大化。主要是使用波长为10.2µm的激光器可在很大程度上提高加工速度,同时改善聚丙烯(PP)产品的边缘质量。此外,在需要对精细标签和包装应用进行选择性层加工时,10.2um激光器可提供更宽广的成功加工窗口。

随着聚丙烯薄膜市场的增长,尤其是在标签和软包装领域,10.2µm CO2激光器加工的重要性也将随之增加,特别是对于具有高要求应用需求的项目。另外,Novanta 将提供专业的应用技术和激光产品,还提供突破苛刻薄膜应用的解决方案等。


以下为细节描述与实例数据:

新锐Synrad是美国Novanta旗下的品牌,专为用户提供应用于各种应用领域的二氧化碳激光器,其中,Synrad CO2激光器应用于塑料方面也是很常见的,主要是穿孔,打标,编码等应用。以下就讲述利用10.2um激光器来优化聚丙烯薄膜的加工工艺。

聚丙烯(通常缩写为PP)是现在最常用、最重要的塑料之一,它是一种热塑性塑料,在许多不同行业都有实际应用。聚丙烯薄膜的强度、柔韧性和抗破坏性使其成为各种存储和标签应用的绝佳材料。此外,聚丙烯(PP)的耐热能力和对有机化合物的耐化学性使其成为食品和饮料包装的最佳选择。

近年来,数字化革命改变了柔性包装和标签行业的格局,使制造商面临着如何满足高设计、高灵活性以及缩短产品上市时间的挑战,在这方面,数字激光加工提供的解决方案有即时定制、零接触加工和可重复的操作等。Synrad CO2激光器是许多此类应用的理想选择,因为宽波长激光器对许多常见薄膜材料都有卓越的吸收能力。以聚丙烯薄膜为例,只需将CO2激光波长从标准的10.6 µm稍作改变,使其对特定材料的吸收效果更佳,因此,可对速度和加工质量方面有着明显的提升。

聚丙烯(PP)的化学性质和吸收特性:

为了在加工过程中有效利用激光能量,激光束的光子需要被材料吸收,而不是传输或反射回去。这将导致材料的高效汽化,而由于穿过材料、熔化或化学降解过程而损失的能量将会很少。

吸收红外线(IR)时,聚合物分子的化学键会发生振动,这些振动会拉伸和弯曲聚合物链中的化学键。然而,要实现这种吸收,特定频率的红外光子的能级必须与分子内不同的振动能量差异相匹配。这可以用以下等式来表示:

v是光子频率(Hzk是分子力常数(N/mµ是减少的质量(kg


从广义的拉伸情况来看,分子中的这些振动能量差异可被视为经典力学意义上的由弹簧连接的双体系统:

这个简单系统的还原质量常数的计算公式为:

长聚合聚丙烯分子链通常通过链中碳原子 (C) 之间的单键连接在一起: 在许多常见的丙烯取向中,C-C 之间的力常量k约为335N/m。因此,上图中的两个球体就是碳原子。

一个碳原子的质量是1.99x10-26 kg,因此将M1M2都设为这个值,就得到了9.97x10-27kg的还原质量µ。求解第一个等式中的频率v,得到其值为29.2Hz。通过关系式ʎ= c / v(其中c是光速:3.00x108 m/s)将其转换为所需的红外辐射波长,发现波长值约为10.27µm。这是提供光子所需的特定波长,光子的能量水平与拉伸聚丙烯链中C-C键的振动能量相匹配,这些振动会迅速加热分子,直至材料蒸发。

如下图,当我们用傅立叶变换红外光谱仪对聚丙烯薄膜的吸收曲线进行实验测量时,发现在波长10.27µm附近处存在一个比较强的吸收峰。

另外,需要注意的是,分子中还有更复杂的弯曲振动也会对这条吸收曲线产生影响,但这不在本文的技术范围之内。


食品包装实例:

标签并不是唯一能从选择性加工聚丙烯薄膜层的能力中获益的应用,常见的食品袋设计由两层薄膜堆叠而成。这包括朝外的顶部聚丙烯膜层和底部低密度聚乙烯膜层。激光穿孔通常是为了便于撕开包装袋,但是,在激光加工时,不要完全穿透底部衬垫,以免暴露食品。


通过仔细控制加工速度、激光功率和波长,多层包装袋的选择性穿孔可以在加工上层聚丙烯层的同时,保持底衬完好无损。在这个多层包装袋的例子中,选择了p150-10.2µm激光器,以便只在聚丙烯(PP)上层打孔。使用标准的10.6µm波长是很难做到这一点的,因为该波长在聚丙烯层中具有高透射特性,可以同时击穿两层。


标签切割实例:

因此,聚丙烯(PP)10.2µm波长的吸收能力明显更强,但这在实际应用中如何转化为实际的速度和质量改进呢?为了研究标签切割应用的具体情况,Novanta应用实验室使用Synrad CO2激光器之一的Synrad p150激光器在标准波长10.6µm 和备用波长10.2µm下切割了许多不同的样品。这种替代波长是通过激光器内部的波段选择光学器件实现的,只释放以10.25µm为中心的窄波段。

对透明和不透明的聚丙烯薄膜以及顶部有额外层压的薄膜进行了检测。其中,每个激光管都被设置为输出相同的功率,因此任何速度差异都只能归因于波长的变化。两种波长产生的切割速度差异在较薄的标签上最为明显,厚度为80µm的标签速度通常提高80%,而厚度为140µm的标签速度提高22%

基础材料

厚度µm

涂层

10.6速度(mm/s)

10.2速度(mm/s)

增长百分比

聚丙烯-不透明

140

聚丙烯复合材料

2794

3429

22.73%

聚丙烯-透明

80

4318

7620

76.47%

聚丙烯-不透明

80

4572

8255

80.56%

如下图,切边质量差异在透明PP标签的未印刷区域最为明显。在10.6µm处,薄膜通常会泛黄,而且在残留物和热蒸汽滞留的衬垫和底层标签材料之间会出现明显的热影响区,10.6µm的高透光率也意味着底部衬垫材料的划痕非常明显,而使用10.2µm波长时,这些问题有着明显的改善。

波长10.2µm,不透明标签切边(左图)  波长10.6µm,不透明标签切边(右图)

波长10.2µm,透明标签切边(左图)  波长10.6µm,透明标签切边(右图)



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