利用CO2激光器對聚丙烯薄膜進行優(yōu)化加工

聚丙烯，通常縮寫為 PP，是當今最常用、最重要的塑料之一。它是一種熱塑性塑料，在許多不同的行業(yè)都有實際應(yīng)用。聚丙烯薄膜具有強度高、柔韌性好、耐磨損等特點，因此是各種儲存和標簽應(yīng)用的理想材料。此外，聚丙烯耐高溫且對有機化合物具有良好的耐化學(xué)性，使其成為食品和飲料包裝的理想選擇。

近年來，數(shù)字革命改變了柔性材料和標簽行業(yè)的格局，對制造商提出了更高的要求，他們需要滿足高設(shè)計靈活性和縮短產(chǎn)品上市時間的需求。數(shù)字激光加工技術(shù)提供了解決方案，它具有即時定制、非接觸式加工和可重復(fù)性高等優(yōu)點。Synrad 高性能 CO2 激光器憑借其長波長在許多常用薄膜材料中具有卓越的吸收性能，因此非常適合這些應(yīng)用。具體來說，對于聚丙烯薄膜，只需將 CO2 激光器的波長從標準的 10.6 μm略微調(diào)整到更適合該材料吸收的波長，即可顯著提高加工速度和加工質(zhì)量。

聚丙烯的化學(xué)性質(zhì)和吸收特性

為了在加工過程中有效利用激光能量，激光束的光子必須被材料吸收，而不是透射或反射出去。這樣可以有效地使材料汽化，減少因光線穿透材料、熔化或化學(xué)降解過程造成的能量損失。當吸收紅外輻射 (IR) 時，聚合物分子的化學(xué)鍵會發(fā)生振動。這些振動會使聚合物鏈內(nèi)的化學(xué)鍵發(fā)生伸縮和彎曲。然而，要發(fā)生這種吸收，特定頻率的紅外光子的能量必須與分子內(nèi)部特定的振動能級差相匹配。這可以用以下方程表示：

v代表光子的頻率（Hz） k代表分子的力常數(shù)（N/m） μ代表折合質(zhì)量（kg）

從廣義上講，對于拉伸情況，分子中的這些振動能量差可以從經(jīng)典力學(xué)的角度理解為一個由彈簧連接的雙體系統(tǒng)：

這個簡單系統(tǒng)的約化質(zhì)量常數(shù)可以通過以下公式求得：

長鏈聚丙烯分子鏈通常通過碳原子（C）之間的單鍵連接在一起：C-C，在許多常見的丙烯構(gòu)型中，它們之間的力常數(shù) k 約為 335 N/m。因此，在上圖中，兩個球體代表碳原子。

碳原子的質(zhì)量為 1.99x10-2? kg，所以將 M1 和 M2 都設(shè)為這個值，我們得到約化質(zhì)量 μ 為 9.97x10-2? kg。利用第一個方程求解頻率 ν，我們得到的值約為 29.2THz。通過關(guān)系式 λ = c / ν（其中 c 是光速：3.00x10? m/s），將此頻率轉(zhuǎn)換為所需的紅外輻射波長，我們得到的值約為 10.27 μm。這是提供光子所需特定波長，這些光子的能量與拉伸聚丙烯鏈中 C-C 鍵的振動能量相匹配。這些振動會迅速加熱分子，直到材料汽化。

當我們使用傅里葉變換紅外光譜儀對聚丙烯薄膜的吸收曲線進行實驗測量時，我們發(fā)現(xiàn)確實在該波長處存在一個非常強的吸收峰。

需要指出的是，分子還存在一些更復(fù)雜的彎曲振動，它們也會對這條吸收曲線產(chǎn)生影響，但這超出了本文的技術(shù)范圍。

CO2激光器切割標簽案例

聚丙烯對 10.2 μm 波長的吸收效果顯著更好，但這在實際應(yīng)用中如何轉(zhuǎn)化為速度和質(zhì)量的提升呢？為了專門研究這一點在標簽切割應(yīng)用中的表現(xiàn)，我們應(yīng)用實驗室測試了多種不同的樣品，并使用Synrad p150激光器分別以標準波長10.6μm和備選波長10.2 μm進行切割。這種備選波長是通過激光器內(nèi)部的波段選擇光學(xué)元件實現(xiàn)的，該元件僅允許中心波長約為10.25 μm的窄波段激光輸出。

測試樣品包括透明和不透明的聚丙烯薄膜，以及一些表面附加了覆膜的薄膜。每臺激光器的輸出功率均設(shè)置為相同，因此任何速度差異都僅歸因于波長變化。兩種波長之間的切割速度差異在較薄的標簽上最為顯著，例如80 μm 厚度的標簽，速度提升約為80%，而 140μm厚度的標簽，速度提升約為22%。

切割邊緣質(zhì)量差異在未印刷區(qū)域的透明PP標簽上最為明顯。在使用10.6μm波長時，薄膜普遍出現(xiàn)泛黃現(xiàn)象，并且在襯紙和標簽基材之間可以明顯看到熱影響區(qū)域，其中殘留物和熱蒸汽被困在其中。波長10.6μm的高透射率也意味著底部襯紙材料上的劃痕非常明顯。而當改用波長10.2μm時，這些問題就完全消除了。

CO2激光器食品包裝激光穿孔案例

標簽并非唯一受益于選擇性加工聚丙烯薄膜層的應(yīng)用。常見的食品包裝袋設(shè)計由兩層薄膜構(gòu)成，包括外層朝上的聚丙烯薄膜和內(nèi)層低密度聚乙烯（LDPE）襯里。激光穿孔技術(shù)常用于制作易撕開口線。然而，在激光加工過程中，我們不希望完全穿透底部襯里，以免食物暴露在外。

通過精確控制加工速度、激光功率和波長，可以選擇性地對多層包裝袋進行打孔，從而使上層PP層被加工，而底層襯里保持完好。在這個多層包裝袋的例子中，我們精心選擇了波長為10.2μm的p150激光器，使其僅穿透頂部的聚丙烯層。使用標準的10.6μm波長激光器則無法實現(xiàn)這一點，因為它對PP層具有較高的穿透性，會導(dǎo)致兩層材料都被擊穿。

結(jié)論

本文介紹了CO2激光輻射被聚合物（特別是聚丙烯）吸收的基本機制之一，以及如何通過選擇波長來優(yōu)化吸收效果。使用 10.2 μm波長的激光器可以顯著提高加工速度，同時改善聚丙烯產(chǎn)品的邊緣質(zhì)量。此外，對于需要進行選擇性層加工的精細標簽和包裝應(yīng)用，10.2 μm波長提供了更寬的成功加工窗口。

隨著聚丙烯薄膜市場的增長，尤其是在標簽和軟包裝領(lǐng)域，10.2 μm波長加工的重要性也將日益凸顯，特別是對于那些應(yīng)用要求極高的項目。我們憑借豐富的應(yīng)用經(jīng)驗和激光產(chǎn)品，隨時準備為您提供支持，幫助您突破最具挑戰(zhàn)性的薄膜應(yīng)用極限。

新銳Synrad P系列高性能CO2激光器

這款高性能脈沖CO2激光器專為實現(xiàn)最佳功率穩(wěn)定性、卓越的光束質(zhì)量和最快的脈沖上升時間而設(shè)計，可在最具挑戰(zhàn)性的材料上實現(xiàn)卓越的加工效果。即使在易損材料上，也能實現(xiàn)更快、更精準的切割和鉆孔，并獲得干凈利落的效果。其中Synrad p150平均功率150瓦，設(shè)計旨在滿足行業(yè)對更高加工速度和更高質(zhì)量加工難加工材料的需求。快速的脈沖上升時間、一流的600瓦峰值功率以及卓越的光束質(zhì)量相結(jié)合，為加工薄膜等敏感材料開辟了新的途徑，可顯著減少甚至消除熔唇。

武漢新特光電是美國Synrad在中國的授權(quán)官方合作伙伴，負責Synrad品牌激光器在中國的技術(shù)選型、項目實施與全生命周期服務(wù)，并提供整套器件集成解決方案，為您提供一站式的產(chǎn)品應(yīng)用與技術(shù)服務(wù)！如需了解更多關(guān)于聚丙烯薄膜切割和穿孔解決方案的信息，請聯(lián)系我們。