CN116903900A - 一种基于二维氮化物激光高敏薄膜及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于激光标记领域，具体涉及一种基于二维氮化物激光高敏薄膜及其制备方法和应用。原材料为颗粒或粉末高分子聚合物，粉末状二维氮化物材料，增韧剂及抗氧剂。通过高混机使高分子聚合物与粉末状二维氮化物材料、增韧剂及抗氧剂预混合，将初步混合的材料放入预设好相应温度的双螺杆塑料挤出机中熔融混合，挤出成圆柱形塑料长条，制成均匀掺杂有激光吸收剂的高分子聚合物颗粒后流延成膜。此薄膜能克服传统标记物的缺点，如标记易损坏、标记不耐水氧等缺点；能进行高精度的记录；能进行高速记录；能在对象物的各种表面形状上都能进行记录；激光标记方式与基于热压印方式、喷墨方式的记录相比，还有成为能难以消除的记录的优点。
Description
技术领域
本发明属于激光标记领域，具体涉及一种基于二维氮化物激光高敏薄膜及其制备方法和应用。
背景技术
在收纳食品、饮料、药品、准药品和化妆品等的各种包装容器、以及薄膜和纸等的各种包装原材料等的包装材料等上通常进行如下操作：记录商品名、批号、制造年月日、最佳食用日期、使用期限和制造商名称等各种信息。作为进行这样的记录的方法，近年来，正在普及通过对对象物照射激光束从而进行记录(所谓激光打印)的激光标记方式。
激光标记方式由于为所谓非接触式，因此，有如下等优点：能进行高精度的记录；能进行高速记录；和在对象物的各种表面形状上都能进行记录。进而，激光标记方式与基于热压印方式、喷墨方式的记录相比，还有成为能难以消除的记录的优点。
迄今已证明，许多塑料，例如聚碳酸酯(PC)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚酰胺(PA)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚甲酯(POM)、聚氨酯(PUR)、聚酯是很难或甚至不可能采用激光作标记的。发射波长为10.6微米的红外区光线的CO2激光器，甚至在很高的输出水平下仅在聚烯烃上产生微弱的、几乎不易识别的标记，这是由于在上述波长下待加工塑料的吸收系数未高到足以引起聚合材料的颜色改变所致.该塑料必须不完全地反射或透射激光，因为，如果这样就不会发生相互作用。然而，还必须不是强吸收性的，因为在这种情况下该塑料会蒸发而仅留下镂蚀(engraving)。吸收激光束，从而引起与材料的相互作用取决于该塑料的化学结构以及所用激光的波长。在许多情况下，需要添加适宜的添加剂，例如吸收剂，以便使塑料变成激光可刻的。
为克服传统标记物的缺点，如标记易损坏、标记不耐水氧等，本发明致力于研发一种新型的基于二维氮化物激光高敏薄膜，其中掺杂有二维氮化物光敏剂、增韧剂及抗氧剂，该薄膜在受到激光照射时可以获得高对比度的激光标记。相较于普通的激光吸收剂如金属颗粒粉末、金属氧化物材料来说，二维氮化物材料光敏剂有以下优势：
二维氮化物材料导热性能更优异，对激光的吸收性好，掺杂改性后的高分子聚合物材料更容易被激光所标记，所得标记不易损坏；
二维氮化物材料的硬度极高，耐磨性强，能显著增强掺杂改性后的高分子聚合物的耐磨性能，扩展其应用场景；
部分二维氮化物材料稳定性极强，能稳定存在于掺杂后的高分子聚合物中，对二次加工后的产品性能改善依旧显著；
CN1169677C介绍了一种激光可标记的塑料，通过在原本难以用激光标记的塑料基础中添加光敏颜料来使得改性后的塑料能被激光所标记；
CN115536943A介绍了一种激光可标记的聚丙烯塑料，通过在聚丙烯塑料中添加激光吸收剂如云母片、氧化铜或三氧化二锑来使得聚丙烯塑料获得可激光标记的特性。
CN105085944介绍了一种可激光标记热塑性聚氨酯专用料，提供一种采用高分子分散剂和成碳剂表面包覆处理的复配无机粉体制备了针对热塑性聚氨酯的高效可激光标记专用料，解决了分散和可标记局限性的问题。
CN111440428A介绍了一种聚碳酸酯基激光打标复合材料及其制备方法，通过在聚碳酸酯塑料中添加激光吸收剂如金属粉末、金属氧化物、金属络合物、金属配合物中的一种或多种，解决了现有聚碳酸酯基激光打标材料中因组成分布不均匀影响打标效果的问题。
CN109796678A介绍了一种含温感物质可激光彩色标记的聚合物组合物及制备方法，将高分子聚合物(如聚乙烯、聚丙烯及聚碳酸酯等)、激光吸收剂(如炭黑、黑色素、黑色氧化铁、氮化硼)以及温感物质(如铅、镍、铬、锌、氧化物或硫化物)熔融共混，形成可在激光照射下产生不同色彩的聚合物组合物，解决了在塑料基体上进行彩色标记的问题。但其采用的温感物质和激光吸收剂颜色有差异，会造成成品颜色分布不均，而且温感物质的颜色与激光标记产生的颜色接近，对比度不够明显。
发明内容
现有技术中存在的技术问题是缺少改进高分子聚合物塑料激光吸收性能的技术，使得高分子聚合物塑料在激光新技术领域缺乏竞争力。为克服传统标记物的缺点，如标记易损坏、标记不耐水氧等，本发明致力于研发一种新型的基于二维氮化物激光高敏薄膜，其中掺杂有二维氮化物光敏剂、增韧剂及抗氧剂，该薄膜在受到激光照射时可以获得高对比度的激光标记。为了解决上述存在的技术问题，本申请提供如下技术方案：
本发明提供一种基于二维氮化物激光高敏薄膜的制备方法，包括如下步骤：
S11：将高分子聚合物、增韧剂、抗氧剂和二维粉末状材料(光敏剂)混合，得到混合料；所述二维粉末状材料为二维氮化物；
S12：将所述混合料挤出后冷却，剪切，得到塑料颗粒；
S13：将所述塑料颗粒干燥，流延成膜，得到所述基于二维氮化物激光高敏薄膜。
二维材料因其载流子迁移和热量扩散都被限制在二维平面内，使得这种材料展现出许多奇特的性质。其带隙可调的特性在场效应管、光电器件、热电器件等领域应用广泛；其自旋自由度和谷自由度的可控性在自旋电子学和谷电子学领域引起深入研究；不同的二维材料由于晶体结构的特殊性质导致了不同的电学特性或光学特性的各向异性。
优选的，所述高分子聚合物和二维粉末状材料的质量比为1000：2-50。
进一步地，所述高分子聚合物和二维粉末状材料的质量比为1000：5-30。
优选的，所述高分子聚合物和增韧剂的质量比为1000：20-200。
进一步地，所述高分子聚合物和增韧剂的质量比为1000：50-100。
优选的，所述高分子聚合物和抗氧剂的质量比为1000：10-100。
进一步地，所述高分子聚合物和抗氧剂的质量比为1000：20-40。
优选的，挤出采用双螺杆塑料挤出机。
进一步地，所述双螺杆塑料挤出机共5个温区，其温度设定分别为185℃，205℃，210℃，220℃和230℃。
优选的，所述高分子聚合物选自聚碳酸酯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、MABS(甲基丙烯酸甲酯-丙烯腈-丁二烯-苯乙烯)、聚甲基丙烯酸甲酯、聚酰胺、聚酯、聚苯醚和聚氨酯中的一种或多种。
进一步地，所述高分子聚合物选自聚碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚氯乙烯、聚苯乙烯和聚丙烯中的一种或多种。
优选的，所述增韧剂选自橡胶弹性体增韧剂、聚合物增韧剂或热塑性弹性体增韧剂。
进一步地，所述橡胶弹性体增韧剂选自丁苯橡胶、酯橡胶或丁腈橡胶；所述聚合物增韧剂选自聚酰胺增韧剂、聚硅氧烷或聚氨酯增韧剂；所述热塑性弹性体增韧剂选自SBS(苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物)、SEBS(以聚苯乙烯为末端段，以聚丁二烯加氢得到的乙烯-丁烯共聚物为中间弹性嵌段的线性三嵌共聚物)、POE(聚烯烃热塑性弹性体)、TPO(热塑性聚烯烃类)或TPV(热塑性硫化橡胶)。
进一步地，所述增韧剂选自丁腈橡胶、聚氨酯增韧剂或聚硅氧烷。
优选的，所述二维氮化物选自二维六方氮化硼、二维氮化铝、二维氮化镓、二维氮化铟、二维氮化钛、二维氮化铝镓、二维氮化铟镓和二维氮化铝铟中的一种或多种。
进一步地，所述二维氮化物选自二维六方氮化硼、二维氮化铝或二维氮化钛。
进一步地，所述氮化硼、氮化铝或氮化钛为二维六方晶系结构氮化硼和氮化铝、二维层状结构的氮化钛。
优选的，所述抗氧化剂选自酚类抗氧剂、硫化酚类抗氧剂或有机硅类抗氧剂。
进一步地，所述抗氧化剂选自多酚抗氧剂1010、单酚抗氧剂BHT(2,6-二叔丁基对甲酚)、单酚抗氧剂2246或双酚A抗氧剂。
优选的，所述步骤S12中，冷却的方式为水冷池冷却。
优选的，剪切的方法为使用切粒机切粒。
优选的，所述步骤S13中，干燥的时间为4-6h。
优选的，所述步骤S13中，流延成膜的厚度为90-110μm。
本发明还提供一种上述制备方法制备得到的基于二维氮化物激光高敏薄膜。
本发明还提供上述的基于二维氮化物激光高敏薄膜在激光标记的应用，包括如下步骤：
S21：将基于二维氮化物激光高敏薄膜裁剪，得到高分子聚合物薄膜；
S22：将所述高分子聚合物薄膜于激光下进行标记，完成所述激光标记。
本发明提供的激光高敏材料，是包含一种或多种粒度为0.1-100μm的激光吸收剂的高分子聚合物塑料。
本发明的技术方案相比现有技术具有以下优点：
粉末状二维材料具有更小的体积，导热性能良好，在对高分子聚合物进行改性时更容易进行混融，对高分子聚合物的物理特性影响较大，改性后的高分子聚合物对激光的吸收性更好。
本发明克服传统标记物的缺点，如标记易损坏、标记不耐水氧等缺点；能进行高精度的记录，能进行高速记录；能在对象物的各种表面形状上都能进行记录；激光标记方式与基于热压印方式、喷墨方式的记录相比，还有成为能难以消除的记录的优点。
附图说明
图1为实施例1所用聚碳酸酯颗粒原料。
图2为实施例1所用粉末二维氮化铝材料。
图3为实施例1所挤出切粒得到的掺杂聚碳酸酯塑料颗粒。
图4为实施例1流延所得到的二维氮化铝掺杂的聚碳酸酯薄膜。
图5、图6、图7为掺杂不同质量分数光敏剂PC薄膜的激光标记效果。
图8、图9、图10和图11均为实施例3制备得到的PC薄膜激光标记效果。
图12、图13为实施例4制备得到的PC薄膜激光标记效果。
具体实施方式
实施例1、实施例2、实施例3对比了掺杂二维材料质量不同的高分子聚合物薄膜的激光标记效果，结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
实施例1
取聚碳酸酯颗粒1kg，二维粉末状材料氮化铝3g、二维粉末状材料氮化硼3g，增韧剂丙烯酸类橡胶共聚物100g，抗氧剂多酚抗氧剂101020g，用高速混合机进行预混合；将混合后的PC颗粒加入双螺杆塑料挤出机中，在进行温度设定后进行挤出，将呈圆柱形细条的PC牵引经水冷池冷却，再由切粒机切粒。
将得到的颗粒在烘干机内烘干5小时，确保除去聚碳酸酯内的水分，否则将影响后续成膜的质量。取烘干后的PC颗粒放入塑料流延机，调整熔融时的温度以及挤出口的间距、挤出量等参数，从而达到调整流延薄膜厚度的目的。对流延机流延的薄膜边缘进行剪裁，确保所得薄膜的平整度达到所需要求，经流延机成膜后，所得的PC薄膜厚度在100微米左右，宽度在10cm左右，颜色成浅白色。
将得到的PC薄膜于光纤激光下进行标记，调节不同的激光功率，激光标记的区域相较于未被标记的区域，会有明显的印记，且印记贯穿于薄膜整体。
标记效果如图5所示。
实施例2
取聚碳酸酯颗粒1kg，二维粉末状材料氮化铝5g、二维粉末状材料氮化硼5g，增韧剂丙烯酸类橡胶共聚物100g，抗氧剂多酚抗氧剂101020g，用高速混合机进行预混合；将混合后的PC颗粒加入双螺杆塑料挤出机中，在进行温度设定后进行挤出，将呈圆柱形细条的PC牵引经水冷池冷却，再由切粒机切粒。
将得到的颗粒在烘干机内烘干5小时，确保除去聚碳酸酯内的水分，否则将影响后续成膜的质量。取烘干后的PC颗粒放入塑料流延机，调整熔融时的温度以及挤出口的间距、挤出量等参数，从而达到调整流延薄膜厚度的目的。对流延机流延的薄膜边缘进行剪裁，确保所得薄膜的平整度达到所需要求，经流延机成膜后，所得的PC薄膜厚度在100微米左右，宽度在10cm左右，颜色成浅白色。
将得到的PC薄膜于光纤激光下进行标记，调节不同的激光功率，激光标记的区域相较于未被标记的区域，会有明显的印记，且印记贯穿于薄膜整体。
标记效果如图6所示。
实施例3
取聚碳酸酯颗粒1kg，二维粉末状材料氮化铝8g、二维粉末状材料氮化硼8g，增韧剂丙烯酸类橡胶共聚物100g，抗氧剂多酚抗氧剂101020g，用高速混合机进行预混合；将混合后的PC颗粒加入双螺杆塑料挤出机中，在进行温度设定后进行挤出，将呈圆柱形细条的PC牵引经水冷池冷却，再由切粒机切粒。
将得到的颗粒在烘干机内烘干5小时，确保除去聚碳酸酯内的水分，否则将影响后续成膜的质量。取烘干后的PC颗粒放入塑料流延机，调整熔融时的温度以及挤出口的间距、挤出量等参数，从而达到调整流延薄膜厚度的目的。对流延机流延的薄膜边缘进行剪裁，确保所得薄膜的平整度达到所需要求，经流延机成膜后，所得的PC薄膜厚度在100微米左右，宽度在10cm左右，颜色成浅白色。
将得到的PC薄膜于光纤激光下进行标记，调节不同的激光功率，激光标记的区域相较于未被标记的区域，会有明显的印记，且印记贯穿于薄膜整体。
标记效果如图7所示。
实施例4
取聚碳酸酯颗粒1kg，二维粉末状材料氮化铝5g，增韧剂丙烯酸类橡胶共聚物100g，抗氧剂多酚抗氧剂101020g，用高速混合机进行预混合；将混合后的PC颗粒加入双螺杆塑料挤出机中，在进行温度设定后进行挤出，将呈圆柱形细条的PC牵引经水冷池冷却，再由切粒机切粒。
将得到的颗粒在烘干机内烘干5小时，确保除去聚碳酸酯内的水分，否则将影响后续成膜的质量。取烘干后的PC颗粒放入塑料流延机，调整熔融时的温度以及挤出口的间距、挤出量等参数，从而达到调整流延薄膜厚度的目的。对流延机流延的薄膜边缘进行剪裁，确保所得薄膜的平整度达到所需要求，经流延机成膜后，所得的PC薄膜厚度在100微米左右，宽度在20cm左右，颜色成浅白色。
将得到的PC薄膜于激光下进行标记，激光标记的区域相较于未被标记的区域，会有明显的印记，且印记贯穿于薄膜整体。
标记效果如图9所示。
实施例5
取聚碳酸酯颗粒1kg，二维粉末状材料氮化钛3g，增韧剂丙烯酸类橡胶共聚物100g，抗氧剂多酚抗氧剂101020g，用高速混合机进行预混合；将混合后的PC颗粒加入双螺杆塑料挤出机中，在进行温度设定后进行挤出，将呈圆柱形细条的PC牵引经水冷池冷却，再由切粒机切粒。
将得到的颗粒在烘干机内烘干5小时，确保除去聚碳酸酯内的水分，否则将影响后续成膜的质量。取烘干后的PC颗粒放入塑料流延机，调整熔融时的温度以及挤出口的间距、挤出量等参数，从而达到调整流延薄膜厚度的目的。对流延机流延的薄膜边缘进行剪裁，确保所得薄膜的平整度达到所需要求，经流延机成膜后，所得的PC薄膜厚度在100微米左右，宽度在20cm左右。
将得到的PC薄膜于激光下进行标记，激光标记的区域相较于未被标记的区域，会有明显的印记，且印记贯穿于薄膜整体。
对比例1
取聚碳酸酯颗粒1kg，在烘干机内烘干5小时，确保除去聚碳酸酯内的水分，否则将影响后续成膜的质量。取烘干后的PC颗粒放入塑料流延机，调整熔融时的温度以及挤出口的间距、挤出量等参数，从而达到调整流延薄膜厚度的目的。对流延机流延的薄膜边缘进行剪裁，确保所得薄膜的平整度达到所需要求，经流延机成膜后，所得的PC薄膜厚度在100微米左右，宽度在20cm左右。最后将得到的PC薄膜于激光下进行标记。
对比例2
取聚碳酸酯颗粒1kg，增韧剂丙烯酸类橡胶共聚物100g，抗氧剂多酚抗氧剂101020g，用高速混合机进行预混合；将混合后的PC颗粒加入双螺杆塑料挤出机中，在进行温度设定后进行挤出，将呈圆柱形细条的PC牵引经水冷池冷却，再由切粒机切粒。
将得到的颗粒在烘干机内烘干5小时，确保除去聚碳酸酯内的水分，否则将影响后续成膜的质量。取烘干后的PC颗粒放入塑料流延机，调整熔融时的温度以及挤出口的间距、挤出量等参数，从而达到调整流延薄膜厚度的目的。对流延机流延的薄膜边缘进行剪裁，确保所得薄膜的平整度达到所需要求，经流延机成膜后，所得的PC薄膜厚度在100微米左右，宽度在20cm左右。最后将得到的PC薄膜于激光下进行标记。
表1实施例和对比例激光标记效果
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种基于二维氮化物激光高敏薄膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S11：将高分子聚合物、增韧剂、抗氧剂和二维粉末状材料混合，得到混合料；所述二维粉末状材料为二维氮化物，所述高分子聚合物物理状态为颗粒或粉体；
S12：将所述混合料挤出后冷却，剪切，得到塑料颗粒；
S13：将所述塑料颗粒干燥，流延成膜，得到所述基于二维氮化物激光高敏薄膜。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述高分子聚合物和二维粉末状材料的质量比为1000：2-50。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述高分子聚合物、增韧剂和抗氧剂的质量比为1000：50-100：10-100。
4.如权利1所述的制备方法，其特征在于，所选高分子聚合物选自聚碳酸酯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、MABS、聚甲基丙烯酸甲酯、聚酰胺、聚酯、聚苯醚和聚氨酯中的一种或多种。
5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述增韧剂选自橡胶弹性体增韧剂、聚合物增韧剂或热塑性弹性体增韧剂。
6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述二维氮化物选自二维六方氮化硼、二维氮化铝、二维氮化镓、二维氮化铟、二维氮化钛、二维氮化铝镓、二维氮化铟镓和二维氮化铝铟中的一种或多种。
7.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述抗氧化剂选自酚类抗氧剂、硫化酚类抗氧剂或有机硅类抗氧剂。
8.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S13中，流延成膜的厚度为90-110μm。
9.一种权利要求1-8中任一项所述制备方法制备得到的基于二维氮化物激光高敏薄膜。
10.权利要求9所述的基于二维氮化物激光高敏薄膜在激光标记中的应用，其特征在于，包括如下步骤：
S21：将基于二维氮化物激光高敏薄膜裁剪，得到高分子聚合物薄膜；
S22：将所述高分子聚合物薄膜于激光下进行标记，完成所述激光标记。
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