1、关于激光切割塑料技术应用的探讨摘要: 塑料薄膜的激光切割和打孔看似微不足道, 但将该工艺引入到制袋工艺中,制袋质量和包装功能将能进一步优化, 企业的市场竞争力将进一步提升。介绍了激光技术应用于塑料薄膜的切割和打孔的原理和优势, 回顾了激光技术在薄膜加工中的研究进展, 并展望了激光技术在软包装应用中的广阔前景。 关键词: 激光加工; 塑料薄膜; 激光切割; 激光打孔; 软包装 Abstract: Laser cutting and perforation of polymer film seems to be not worth mentioning, but the technology is
2、 introduced to the making process, making quality and packaging function can be optimized further, the market competitiveness of enterprises will further enhance. Introduced the principle and advantage of drilling cutting application of laser technology in plastic film and, reviews the development o
3、f laser technology in film processing, and prospects of laser technology in soft packaging applications. Key words: laser processing; plastic film; laser cutting; laser drilling; soft package 中图分类号：TG485 文献标识码：A 文章编号： 1、塑料薄膜材料激光切割的原理 聚焦后的高强度激光束照射在被切割塑料薄膜的表面,光能转换为热能。在数微秒的时间内,光斑区的温度迅速升高到塑料材料的熔点甚至沸点,这样
4、激光照射的塑料材料被熔化和汽化, 一个小孔被刺穿。当激光束在振镜的作用沿着设定路径移动或塑料薄膜相对于激光束移动时,光子与塑料材料不断相互作用, 随着汽化物逸出并经排烟系统抽出,便在塑料上形成切缝, 见图 1。在塑料软包装的应用中, 通过调整激光输出功率, 达到不同的切割深度, 塑料薄膜切割通常分为层切和切穿 2 种。 图 1 塑料薄膜激光切割系统简图 1. 1 塑料薄膜的层切 几乎所有的软包装薄膜都是多层薄膜叠合而成的结构,每层薄膜厚度大约在 10 多个微米, 每 1 层具有不同的功能, 如 PET 刚度大,保香性好; PE 热封性好, 抗撕裂能力强; PP 的水蒸汽阻隔性能好;铝箔通常用于
5、阻光密封; 纸通常能给薄膜以良好的挺度。激光的层切是指有选择性地切割某一薄膜层,而不影响到其他薄膜层的功能。比如微量切割某个高强度薄膜层,可以形成易开启结构, 但由于切痕很小, 不影响包装外观。 塑料薄膜机械划痕或机械冲孔的方法虽然速度快而且也相当简单, 但这 2 种方法都不能区分不同的薄膜层。机械划痕或机械冲孔的结果是: ( 1)如果划痕深度太少了,就连薄膜的机械支撑层都没有完全被划开; ( 2)如果划痕深度太大了, 阻光层和阻隔水汽层都被破坏了。因此,人们一度在研究一种可靠的方法, 可以有选择地切割在不同的薄膜层上。激光技术提供了一种新的解决方案,因为不同的塑料薄膜层有不同的光学性质。塑料
6、薄膜层、金属薄膜层和纸质层在 CO2 激光器发生的波长范围(9. 4 11um)表现不同的吸收性能和反射性能。包装工业中的大多数塑料材料, 如 PET、PS、PC、PVC 或 OPA, 在典型的 10. 6um 波长上,能非常有效地吸收激光束。吸收激光束以后, 塑料薄膜的局部被加热并完全熔化。而少数塑料薄膜如 OPP、PE 甚至是 LLPE 对 10. 6um 的激光波长完全透过。铝箔层在低功率的 CO2 激光器所发射的所有波长都不吸收, 完全反射了。按照希望的层切结构进行切割复合包装材料,只要使用正确的激光波长, 从正确的薄膜面进行层切即可。下面举例说明激光层切复合薄膜的基本原理,见图 2。
7、 图 2 激光层切复合薄膜的基本原理 1) PET Al PE:这是食品包装典型的复合材料, 如咖啡包装袋。材料对 CO2 激光器( 10. 6um)的选择性吸收可以使起机械支撑作用的 PET层在非常细小的局部完全汽化, 而不会影响到其他层, 铝箔层的反射效应有助于更有效地使用激光。 2) OPP PE:这是洗衣粉包装常用的复合包装材料, 由于 PP 对激光束的吸收能力比 PE 强,因此在层切时就可以有选择地层切 PP 层而不会影响到其他层, 在这种情况下, 激光束可以从薄膜的任何一面射入, 也就是说,也允许激光束首先穿透 PE 层,然后再熔穿 PP 层。 根据具体应用的要求,激光层切可以采用
8、固定激光头或移动扫描激光头 2 种方式。大多在卷筒复合材料上进行加工,沿着卷筒复合材料前进方向进行激光层切,激光器可以固定安装在卷筒幅面的正上方。由于生产需要,大多数包装袋需要沿卷筒复合材料前进的垂直方向进行层切。这样就需要安装移动扫描头的激光器来补偿卷筒材料前进速度,利用飞行光路技术甚至能在高速的条件下刻划出任何结构形状,也可以在包装袋的边缘刻划出半圆或多边形的开口结构。 根据采用的材料和技术, 层切速度一般在 10 15( ms- 1), 这样卷筒复合材料的运行速度就在 100 250(mmin- 1)。固定激光头时,最小层切切口宽度大约 100um; 安装扫描光学系统时, 最小层切切口宽
9、度大约 200um。这样的宽度, 对人的肉眼来说几乎看不见, 因此可以层切许多材料。层切采用的激光功率较小,一般在 30 100W。 作为易开启技术的激光层切,应用范围包括各种各样的食品包装袋和日用品包装袋、甚至化妆品包装袋和医药产品包装袋等。在这些应用中, 激光技术与传统的使用轮转刀具等机械方法相比, 激光技术有以下优势: 1) 激光对不同薄膜材料的特殊选择性, 使得在层切某一薄膜层的同时不会影响到其他层。 2) 不同于机械加工方法, 激光在加工时,没有接触和磨损发生, 这保证了在高速加工过程中工艺的可靠性。 3) 机械加工软包装袋的易撕口, 有 2 个不足:首先要经常维修更换膜具、刀具;其
10、次不能控制客户撕开后撕裂线的走向,往往不能沿产品设计的撕裂线撕开,许多人都易出现撕开软包装时将袋整个撕坏,包装物泄漏的不愉快经历。激光技术层切易撕拉线, ,既不破坏包装功能,又使撕裂时可以规则地沿易撕线撕开, 为软包装袋易撕拉口的加工提供了新的方法, 使得包装设计具有更大的灵活性。由于激光聚焦性好,机械强度降低得少, 刻痕基本不可见。刻痕可以是十字交叉线或一些灵活的曲线, 还允许在短距离内刻上多条线,这就开创了易开启技术的新形式。 1. 2 塑料薄膜的切穿 与层切不同的是,切穿是将复合薄膜的各层都切割开, 因此需要的激光功率更大些。根据材料的不同,一般选择 1002000W 的激光器。 2、
11、塑料薄膜材料激光打孔的原理 新鲜蔬果等的货架寿命对其经济价值有很大的影响,它决定了盈利还是亏损。蔬果的新鲜程度由通气情况和水分的保持决定的。激光打孔技术能在包装薄膜上有选择性地形成微孔, 一定数量的微孔保证了空气的循环和水份的保持。塑料薄膜材料激光打孔的原理见图 3, 一般采用高脉冲强度的 10. 6umCO2 激光器,与激光层切不同, 激光强度非常高,因而复合材料的各层都可以局部受热熔穿,形成微孔。根据要开孔的材料特性来选用激光功率, 一般在 100 2000W。图 3 是采用多边形反射镜产生开孔(也可以采用同步脉冲的固定光学系统),它只能产生呈直线排列的开孔, 每厘米可以开 50 个以上的
12、孔。如果采用不同的光学系统, 如扫描振镜系统, 可以灵活选择孔与孔之间的距离,以及决定产生直线排列的孔还是曲线排列的孔。 没有铝箔层的复合薄膜, 典型的开孔大小是 60 400 m, 有铝箔层的复合薄膜需要更大的激光功率,热量输入也相应更高。 对于塑料薄膜的打孔,激光技术比起针孔技术和火焰打孔技术有以下竞争优势: ( 1)激光技术最大的优点是能产生更小的孔, 由于具有微小熔化边缘(见图 4), 甚至还能防裂开。而轮转模切针孔技术不可能打出用来保证呼吸的微孔,旋转就无法裁切出非常干净的小孔,最终产生的小孔还可能会被余留材料堵住。( 2)激光在非接触的情况下工作, 无磨损, 而针孔技术中使用的针可
13、能变钝甚至断针。( 3)由于特殊的多边形镜面技术和极短的激光脉冲, 可以在其为高速的卷材运转速度(如 300mmin- 1)下打孔。 图 4 为激光打孔的塑料薄膜放大图, 是熔化了的空洞边缘, 可以看出它避免了产生微裂纹。 3、激光加工塑料薄膜的研究进展 传统的 CO2 激光器的输出波长集中在 10. 6um, 新型的 CO2 激光器可以灵活选择实际发射的激光波长,有 2 种方法获得不同波长: ( 1)在激光器折叠腔结构中插入波长选择光学元件, 就会产生其它波长,如 10. 2um波长; ( 2)采用 CO2 分子的同位素作为介质, 产生 9. 4um 波长。为什么要采用不同于 10. 6um
14、 的激光器,主要原因是: 大多数高分子薄膜的红外吸收谱含有若干个尖峰。因此,激光波长的微小变化就可能对吸收系数产生巨大影响。在软包装中所使用的薄膜都是非常薄的,通常只能吸收很小部分的激光功率, 因此通过调整波长来增加薄膜的吸收系数, 会大大提高在给定激光功率下的加工速度。 研究表明 4, 对于未拉伸的聚丙烯薄膜, 采用 10. 6um 和 10. 2um激光加工, 在加工速度方面只有小小的差别。但对普遍使用的 BOPP 薄膜( 3050um 厚), 差别就非常明显。 4、结语 由于我国包装生产与国外尚存在较大差距,包装生产设备及工艺还较落后,给激光加工这一高新技术应用推广带来很大困难, 但并不
15、能说激光加工技术在我国包装工业中没有市场。不久前,激光切割和打孔目前已经应用得很广泛了,几乎所有的工业行业都从中获益, 从材料的角度, 几乎所有的工程材料都要经过切割,尽管复合塑料薄膜的激光切割和打孔相对来说微不足道,但如果把激光切割和打孔工艺引入到制袋工艺中后,竞争力将会更大。对像软包装这样的产量大、利润小的加工来说,随着激光技术的进步, 可以将激光软包装设备加入生产线, 以得到成本最低和投入劳力最少的目的,最终提升市场竞争力。 参考文献: 1 刘东华, 冯树强 . 现代激光技术在包装行业中的应用 J. 株洲工学院学报, 2001, 5( 1): 21-23 2 邓开发, 陈洪, 等. 现代光学技术在包装与印刷中的应 J. 包装工程, 2003, 24( 2): 10-12 3 何萍. 二氧化碳激光器在纸制品加工中的应用 J. 世界产品与技术, 2000(4): 35-36
