JP2009528411A - レーザーマーキング可能な暗色のポリマー組成物 - Google Patents

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Abstract

本発明は熱可塑性ポリマーおよび少なくとも1種の着色剤を含むポリマー組成物に関し、この組成物は、組成物の全重量に対して0.1〜15重量%の、アクリレートモノマーのポリマーまたは金属硫酸塩(金属はNa、K、Mg、Ca、Ba、Zr、Zn、AlまたはSiである)であるか、もしくはこれらを含むレーザーマーキング添加剤をさらに含むか、あるいはこの組成物は、組成物の全重量に対して0.1〜15重量%の、前記レーザーマーキング添加剤のうちの少なくとも2つを含む混合物をさらに含む。
【選択図】図1

Description

発明の詳細な説明
本発明は、熱可塑性ポリマーおよび少なくとも1種の着色剤を含むポリマー組成物に関する。また本発明は、このポリマー組成物で完全または部分的に製造された物品、およびそのような物品の暗い背景上に明るいレーザーマークを付加するための方法にも関する。
米国特許第5,576,377号明細書には、有機着色剤と、同じ色の無機顔料、あるいは二酸化チタンおよびカーボンブラックとを併用することによって、レーザーエネルギーの吸収により暗い背景上に着色マーキングを得ることができると記載されている。
既知のポリマー組成物の欠点は、許容可能なコントラスト値が、非常に限られた範囲のレーザーパラメータにおいてのみ得られることである。すなわち、最適なレーザー設定を用いて得られる最適なコントラストと比較して、周波数、パワー、マーキング速度および/または焦点距離の小さな変動はコントラストの激しい低下を生じ得る。換言すれば、レーザーマーキングのためのプロセッシングウィンドウは非常に小さい。
本発明の目的は、より大きい範囲のレーザーパラメータにわたって暗い背景との良好なコントラストを有する明るいマーキングでレーザー光によってマーキングすることができる暗色ポリマー組成物を提供することである。
この目的は、ポリマー組成物が、組成物の全重量に対して0.1重量%〜15重量%の、アクリレートモノマーのポリマーまたは金属硫酸塩(金属はNa、K、Mg、Ca、Ba、Zr、Zn、Alおよび/またはSiである)であるか、もしくはこれらを含むレーザーマーキング添加剤をさらに含む場合、あるいはポリマー組成物が、組成物の全重量に対して0.1重量%〜15重量%の、前記レーザーマーキング添加剤のうちの少なくとも2つを含む混合物をさらに含む場合に達成される。
意外にも、少なくともマーキングが付加される場所において暗い背景を有する物品上に明るいレーザーマーキングを付加するためのレーザーマーキング添加剤としてアクリレートモノマーのポリマーおよび/または金属硫酸塩(金属はNa、K、Mg、Ca、Ba、Zr、Zn、Alおよび/またはSiである)を使用すると、その結果レーザーパラメータに関してより大きいプロセッシングウィンドウにわたって、暗い背景上に明るいレーザーマークを提供できることが分かった。本発明の利点は、暗い背景上に明るいレーザーマークを得るために着色剤の選択が重要でないか、あるいは少なくともあまり重要でないことである。従って、本発明の利点は、着色剤の組成に関係なく、レーザー放射によって暗い背景との良好なコントラストを有する明るいマーキングで暗色ポリマー組成物をマーキングできることである。このことを考慮して、暗い背景に対する明るいレーザーマーキング能力を損なうことなく、本発明の高分子組成物において様々な種類の着色剤を使用することができる。
本明細書において使用する場合、与えられる全ての重量百分率はポリマー組成物の全重量に対するものである。
本発明は、レーザーマーキング可能な暗色のポリマー組成物に関する。より詳細には、本発明は、50未満の明度L値を有する色のポリマー組成物に関する。50未満の明度L値を有する色のポリマー組成物は、例えば(i)例えばカーボンブラックおよび/または酸化鉄などの無機および/または有機顔料、(ii)暗色染料、(iii)明色染料または顔料の組み合わせを適切な量で用いて得ることができる。カーボンブラックは、50未満の明度L値を有するポリマー組成物を得るための着色剤として使用されることが多い。従って、本発明は、熱可塑性ポリマーと、着色剤としてのカーボンブラックと、0.1重量%〜15重量%の、アクリレートモノマーのポリマーまたは金属硫酸塩(金属は、Na、K、Ca、Ba、Mg、Zn、Al、ZrまたはSiである)であるか、もしくはこれらを含むレーザーマーキング添加剤とを含むポリマー組成物にも関し、あるいはこのポリマー組成物は、0.1重量%〜15重量%の、前記レーザーマーキング添加剤のうちの少なくとも2つを含む混合物をさらに含む。より詳細には、本発明は、熱可塑性ポリマーと、0.01〜5重量%の着色剤としてのカーボンブラックと、0.1〜15重量%の上記で定義したレーザーマーキング添加剤とを含むポリマー組成物に関する。より詳細には、本発明は、ポリカーボネートと、0.01〜5重量%の着色剤としてのカーボンブラックと、0.1〜15重量%の上記で定義したレーザーマーキング添加剤とを含むポリマー組成物に関する。より詳細には、本発明は、ポリカーボネートと、0.01〜0.5重量%の着色剤としてのカーボンブラックと、1〜3重量%の上記で定義したレーザーマーキング添加剤とを含むポリマー組成物に関する。
本明細書において使用する場合、色のL値は、国際照明委員会(Commission Internationale de l’Eclairage)L色空間(CIE1976、以下「CIELab」)に従う色の明度の尺度である。L表色系は、国際照明委員会(CIE)によって1976年に標準化された。本発明に係るポリマー組成物の暗度/明度を定義するために本明細書において用いられるCIELab L値は、上述のCIELabシステムの色測定の単位である。色は、国際照明委員会L色空間(以下、「CIELab」)に従って適合され得る。CIELabは、CIE1976標準に基づく数学的な三刺激カラースケールである。L表色系において、Lは、0〜100の数値で表される明度を指し、L=0は色が完全な黒であることを意味し、L=100は色が完全な白であることを意味する。
本発明に係るポリマー組成物の色の明度L値は、以下のように測定される。ポリマー組成物の顆粒サンプルが射出成形されて、2mm以上の厚さを有する銘板が得られる。これらの銘板は、拡散/8°ジオメトリーで分光光度計としてミノルタ(Minolta)3700dを用いて測定される。光源としてCIE標準光源D65が使用され、標準観察者としては10°が使用される。色空間は、CIELab76である。機器の設定は鏡面反射包含(specular included)であり、反射率は380〜720nmの測定領域において測定できる。CIELabモデルにおけるL値は、色の輝度を表す。
暗い背景と明るいレーザーマーキングとの間のコントラストはΔLで表すことができ、ΔLは2つの色の間のL値の差異であり、ΔL=L −L によって計算される。
本発明に係るポリマー組成物は、0.1〜15重量%の、アクリレートモノマーのポリマーまたは金属硫酸塩(金属はNa、K、Mg、Ca、Ba、Zr、Zn、AlまたはSiである)であるか、もしくはこれらを含むレーザーマーキング添加剤を含む。あるいは、ポリマー組成物は、0.1〜15重量%の、前記レーザーマーキング添加剤のうちの少なくとも2つを含む混合物を含む。アクリレートモノマーの例は、メチルメタクリレート、エチルアクリレート、ブチルアクリレートおよびトリメチロールプロパントリアクリレートである。アクリレートモノマーのポリマーの例は、メチルメタクリレート、エチルアクリレート、ブチルアクリレートおよび/またはトリメチロールプロパントリアクリレートのポリマーである。アクリレートモノマーのポリマーの非限定的な例は、ポリメチルメタクリレート、メチルメタクリレート−ブタジエン−スチレンポリマー、エチレンエチルアクリレートコポリマーおよびエチレンブチルアクリレートコポリマーである。アクリレートモノマーのポリマーを含むレーザーマーキング添加剤の例は、ポリ(ブチルアクリレート)ゴム状芯にポリ(メチルメタクリレート)鞘を有する配合物である。適切な金属硫酸塩の例は硫酸バリウムである。
本発明の好ましい実施形態では、ポリマー組成物は、レーザーマーキング添加剤として硫酸バリウムを含む。熱可塑性ポリマーおよび着色剤を含むポリマー組成物にレーザーマーキング添加剤として硫酸バリウムを添加すると、ポリマー組成物の色がわずかしか変化しないか、あるいは全く変化しないことが分かった。本発明のもう1つの好ましい実施形態では、ポリマー組成物はレーザーマーキング添加剤としてポリメチルメタクリレートを含むか、あるいはポリマー組成物は、ポリメチルメタクリレートを含むレーザーマーキング添加剤を含む。
本発明に係るポリマー組成物中のレーザーマーキング添加剤の量は、好ましくは、少なくとも0.5重量%、より好ましくは少なくとも1重量%、そしてさらにより好ましくは少なくとも2重量%である。このことの利点は、コントラストの改善の増大である。より高い、例えば15重量%までの含有量では、コントラストはさらにわずかに改善され得る。しかしながら、好ましくは、レーザーマーキング添加剤の量は、10重量%未満、より好ましくは8重量%未満、そして最も好ましくは5またはさらに3重量%未満である。というのは、この結果、機械特性のような他の特性はあまり影響されないが、レーザーマーキングにおいて得られるコントラストは実質的に少なくないからである。そのため、好ましくは、ポリマー組成物は、0.1〜5重量%、より好ましくは0.5〜3重量%、そして最も好ましくは1〜3重量%のレーザーマーキング添加剤を含有する。
良好なコントラストを得ることを考慮して、レーザーマーキング添加剤の平均粒径は、好ましくは、少なくとも250ナノメートルであり、より好ましくは、少なくとも500ナノメートルである。平均粒径とは、平均の粒子直径を意味する。これは、例えば、動的光散乱粒子分析器またはふるい分析を用いて決定することができる。
着色剤は、通常、以下の3つのカテゴリーすなわち、無機顔料、有機顔料および染料(または溶媒染料)に分類される。顔料と染料の間の特徴的な違いは、溶解度の違いである。顔料は、使用される媒体中に加工条件下で事実上溶解しない。これらは固体の結晶性粒子からなり、物理的/機械的な方法でポリマー中に分散させなければならない。顔料の色は分子構造に依存するだけでなく、結晶構造およびモルホロジーにも依存する。従って、ポリマー/顔料組成物の色は、分散体の品質に依存する。
これに反して染料は、加工条件および/または使用条件下で溶解する化合物である。これらは一般にポリマー基材と固有の親和性を示し、例えば、溶液から基材に吸着することができる。染料は分子スケールでポリマーと混合することができ、その結果、高い色強度を有する明るく透明な色を与えることができる。そのため、特定の場合には、染料は顔料よりも好ましい。
本発明に係るポリマー組成物は、少なくとも1種の着色剤を含む。着色剤および量は、特に、ポリマー組成物が50未満の明度L値を有するように選択される。通常、カーボンブラックが着色剤として使用される。他の着色剤が存在してもよく、例えば、二酸化チタンが無機添加剤として存在してもよい。本発明の好ましい実施形態では、ポリマー組成物は、カーボンブラックと、任意で他の着色剤とを含む。
本発明に係るポリマー組成物中の着色剤の量は、好ましくは0.01〜20重量%(ポリマー組成物の全重量に対して)である。ポリマー組成物中のカーボンブラックの量は、好ましくは0.01〜5重量%、より好ましくは0.01〜1重量%、より好ましくは0.01〜0.5重量%、より好ましくは0.01〜0.2重量%、そしてさらにより好ましくは0.01〜0.15重量%である。
ポリマー組成物中の熱可塑性ポリマーは、任意の熱可塑性ポリマーまたは熱可塑性ポリマーの混合物でもよい。好ましい熱可塑性ポリマーは、例えば、ポリアミド、ポリスチレン、スチレンアクリロニトリルコポリマー、ポリエステル、ポリカーボネートおよびABSである。これらのポリマーはレーザーマーキングに非常に適しており、電子部品などのレーザーマーキング能力が所望される用途において広く使用される。
より好ましくは、熱可塑性ポリマーは、レーザーエネルギー吸収性ポリマーまたはレーザーエネルギー吸収性ポリマーの混合物である。レーザーエネルギー吸収性ポリマーの例は、ポリスチレン、ポリカーボネート、スチレンアクリロニトリルポリマー、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレートおよびABSである。意外にも、レーザーエネルギー吸収性ポリマーを含む暗色ポリマー組成物に、ポリマー組成物の全重量に対して0.1〜15重量%の、アクリレートモノマーのポリマーまたは金属硫酸塩(金属はNa、K、Mg、Ca、Ba、Zr、Zn、AlまたはSiである)であるか、もしくはこれらを含むレーザーマーキング添加剤を添加することによって、あるいは、ポリマー組成物の全重量に対して0.1〜15重量%の、前記レーザーマーキング添加剤のうちの少なくとも2つを含む混合物を添加することによって、暗い背景に明るいマーキングを提供できることが分かった。レーザーエネルギー吸収性ポリマーはレーザーエネルギーの吸収のためにレーザー銘刻の間に少なくとも部分的に炭化され、レーザー光を吸収するレーザーマーキング添加剤はレーザー銘刻の間にポリマーにさらに多くの炭化を誘発し、それにより既に暗い背景のより暗い着色が生じることが予想されたので、これは予想外のことであった。
本発明に係るポリマー組成物は、さらに、50重量%までの強化材料、60重量%までのエラストマー調節剤、20重量%までの難燃剤、および/または2重量%までの加工添加剤を含んでもよい。
本発明の好ましい実施形態は、30〜99.89重量%のポリカーボネート、0〜60重量%のエラストマー調節剤、例えばABS、0.01〜5重量%のカーボンブラック、および0.1〜15重量%のレーザーマーキング添加剤を含むポリマー組成物である。本発明のより好ましい実施形態では、ポリマー組成物は、30〜99.89重量%のポリカーボネート、0〜60重量%のエラストマー調節剤、例えばABS、0.01〜5重量%のカーボンブラック、および0.1〜15重量%の硫酸バリウムまたはポリメチルメタクリレートを含む。
本発明に係るポリマー組成物は、任意の習慣的な方法、例えばレーザーマーキング添加剤を別個に添加し、ポリマーの押出中にこれらをポリマーおよび着色剤と混合することによって調製することができる。もう1つの方法は、任意でポリマーマトリックス中にレーザーマーキング添加剤が所望の割合で混合されているいわゆるマスターバッチ組成物の調製を含み、この後マスターバッチは、ポリマー組成物のポリマーおよび着色剤が添加され、そして混合される。
また本発明は、本発明に係るポリマー組成物で完全または部分的に製造された物品にも関する。ポリマー組成物から物品を調製するために、例えば、射出成形、ブロー成形、キャスティング、押出などのような既知の全ての技法を使用することができる。もう1つの実施形態では、物品は、本発明に係るポリマー組成物のコーティングを上に有する基材を含むことができる。このよう物品は、プレポリマー組成物を基材に施し、次にその場で重合させてポリマー組成物を形成することによって形成され得る。
また本発明は、レーザー光を用いて、好ましくは532nmの波長または1064nmの波長のレーザー光を用いて、少なくともマーキングが付加される場所において本発明に係るポリマー組成物からなる物品をマーキングのパターンで照射することによって、暗い背景に明るいマーキングを付加するための方法にも関する。好ましくは、これは、Nd:YAGレーザーによって行われる。このレーザーの利点は、安定であり、そして書き込みヘッドを有することである。本方法の特に好ましい実施形態では、ダイオード励起レーザーが使用される。これは、このレーザーがそれほど高価ではなく、より入手し易く、そしてパルス長およびビーム直径がより小さいにもかかわらず、本発明に係るポリマー組成物に適用されたときに、それでもコントラストの十分に強いマーキングを生じるという利点を有する。
本発明は、以下の非限定的な実施例および比較実験と共に説明される。
[実施例1〜8および比較実験A]
以下の実施例において、他に指示されない限りは、全ての割合および百分率は重量によるものである。L値は色の暗度を表し、すなわちL=0は黒色であり、そしてL=100は白色である。通常、暗色は50未満のL値において得られる。
[比較実験A]
チタングレー色(色番号24105)のポリカーボネート(PC)配合物を同時回転ツインスクリュー押出機において290℃の温度で押出し、押出物を顆粒状にした。色調合物を含む配合物の組成および添加剤の組成は以下に与えられる。
[添加剤:]
9%のガラス繊維(Owens CorningからのOC108F−14P)
0.05%の亜リン酸塩安定剤(AkcrosからのLankromark LE131)
0.40%の潤滑剤(PETS、CognisからのLoxiol EP861)
0.10%の難燃剤塩(ペルフルオロブタン−スルホン酸カリウム、MiteniからのRM65)
0.05%のPTFEドリップ防止剤(デュポン(DuPont)からのテフロン(Teflon)30N)
[色調合物(色番号24105を得るため)、L=45:]
1.133%のTiO2白色、顔料白色6(KronosからのKronos 2233)
0.0043%の溶媒赤色52(Kenawax Red Rubine 2RP)
0.0377%の顔料黒色7(CabotからのBlack Pearls 800)
0.0374%の溶媒青色97(BayerからのMacrolex Blue RR)
[配合物の組成]
Figure 2009528411
290℃で顆粒を射出成形して、70×50×2mmの寸法のサンプル銘板にした。これらのサンプルにおいて、Rofin Sinar 20E/SHG II 532nmレーザーシステムを用いてレーザーマーキング評価を行った。いわゆる評価マトリックスをマーキングした。このようなマトリックスにおいて、所与のマーキング速度(1000mm/秒)、ライン幅(90μm)および焦点距離(焦点が合っている)でパワー(p[A]=18〜38)および周波数(f[kHz]=15〜100)が変化される。評価マトリックスは、マーキングのためのプロセッシングウィンドウの表示を与える。すなわち、所望のコントラストが得られるレーザーパラメータの範囲が示される。所望のコントラストは、L>51と定義される。評価マトリックスの設定は、図1において概略的に与えられる。マーキングされたサンプルの走査は図2に示される。マーキングのためのプロセッシングウィンドウは、26〜30Aの間のパワー(p=26〜30)および60〜100kHzの間の周波数(f=60〜100)であると示される。白色の矩形は、マーキングのためのプロセッシングウィンドウを表す。
[実施例1〜8]
さらなる量の種々の添加剤を配合物に添加した点を除いて比較実験Aと同様に、チタングレー色(色番号24105)のポリカーボネート(PC)サンプルを調製した。配合物の組成は以下の表で与えられる。比較実験Aと同様に、サンプルにおいて評価マトリックスをマーキングした。マーキングされたサンプルの走査は同様に図2に示されており、白色の矩形はマーキングのためのプロセッシングウィンドウを表す。マーキングのためのプロセッシングウィンドウは、以下の表においても示される。
[配合物の組成]
Figure 2009528411
添加剤が添加されると、マーキングのためのプロセッシングウィンドウが増大することが示される。
[比較実験B]
比較実験Aと同様にして、黒色(色番号13022)のポリカーボネート配合物を調製した。配合物の組成は以下の表で与えられる。比較実験Aと同様にして、評価マトリックスをサンプル上にマーキングした。マーキングされたサンプルの走査は図3に示されており、白色の矩形は、マーキングのためのプロセッシングウィンドウを表す。マーキングのためのプロセッシングウィンドウも以下の表で与えられる。
[添加剤:]
0.05%の亜リン酸塩熱安定剤(Lankromark LE131)
0.30%の離型剤(テトラステアリン酸ペンタエリトリトール、PETS、Loxiol EP861)
[色調合物(色番号13022を得るため)、L=31:]
0.105%の顔料黒色7(Black Pearls 800)
0.065%の溶媒黄色163(Ciba−GeigyからのOracet Yellow GHS)
0.284%のTiO2白色、顔料白色6(Kronos 2233)
0.0126%の溶媒赤色135(Macrolex Red EG)
[配合物の組成]
Figure 2009528411
[実施例9〜11]
比較実験Bと同様にして、黒色(色番号13022)サンプルを調製した。しかしながら、さらなる量の種々の添加剤を配合物に添加した。配合物の組成は以下の表で与えられる。比較実験Aと同様にして、評価マトリックスをサンプル上にマーキングした。マーキングされたサンプルの走査は同様に図3に示されている。マーキングのためのプロセッシングウィンドウは、以下の表で与えられる。
[配合物の組成]
Figure 2009528411
添加剤(の組み合わせ)が添加されると、マーキングのためのプロセッシングウィンドウが増大することが示される。
Rofin Sinar 20E/SHG II 532nmレーザーシステムを用いる評価マトリックス設定の概略図を示す。 Rofin Sinar 20E/SHG II 532nmレーザーシステムを用いて、ダークグレー色(色番号24105)の9%ガラス繊維強化PC上にマーキングされた評価マトリックスを示す。 Rofin Sinar 20E/SHG II 532nmレーザーシステムを用いて、黒色(色番号13022)のPC上にマーキングされた評価マトリックスを示す。

Claims (17)

  1. 熱可塑性ポリマーおよび少なくとも1種の着色剤を含むポリマー組成物であって、
    組成物の全重量に対して0.1〜15重量%の、アクリレートモノマーのポリマーまたは金属硫酸塩(金属はNa、K、Mg、Ca、Ba、Zr、Zn、AlまたはSiである)であるか、もしくはこれらを含むレーザーマーキング添加剤をさらに含むか、あるいは組成物の全重量に対して0.1〜15重量%の、前記レーザーマーキング添加剤のうちの少なくとも2つを含む混合物をさらに含むポリマー組成物。
  2. 組成物の全重量に対して少なくとも0.5重量%のレーザーマーキング添加剤を含む請求項1に記載のポリマー組成物。
  3. 組成物の全重量に対して少なくとも1重量%のレーザーマーキング添加剤を含む請求項1に記載のポリマー組成物。
  4. 組成物の全重量に対して5重量%以下のレーザーマーキング添加剤を含む請求項1〜3のいずれか一項に記載のポリマー組成物。
  5. レーザーマーキング添加剤として硫酸バリウムを含む請求項1〜4のいずれか一項に記載のポリマー組成物。
  6. レーザーマーキング添加剤としてポリメチルメタクリレートを含むか、あるいはポリメチルメタクリレートを含むレーザーマーキング添加剤を含む請求項1〜5のいずれか一項に記載のポリマー組成物。
  7. 50未満の明度L値の色を有する請求項1〜6のいずれか一項に記載のポリマー組成物。
  8. 着色剤としてカーボンブラックを含む請求項1〜7のいずれか一項に記載のポリマー組成物。
  9. 前記着色剤の量が、0.01〜20重量%である(組成物の全重量に対して)請求項1〜8のいずれか一項に記載のポリマー組成物。
  10. 0.01〜5重量%のカーボンブラックを含む請求項1〜9のいずれか一項に記載のポリマー組成物。
  11. 前記熱可塑性ポリマーが、ポリスチレン、ポリカーボネート、スチレンアクリロニトリルコポリマー、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレートおよび/またはABSである請求項1〜10のいずれか一項に記載のポリマー組成物。
  12. 前記熱可塑性ポリマーがポリカーボネートである請求項1〜11のいずれか一項に記載のポリマー組成物。
  13. 50重量%までの強化材料、60重量%までのエラストマー調節剤、20重量%までの難燃添加剤、および/または2重量%までの加工添加剤をさらに含む請求項1〜12のいずれか一項に記載のポリマー組成物。
  14. 請求項1〜13のいずれか一項に記載の組成物で完全または部分的に製造された物品。
  15. 明るいレーザーマーキングを暗い背景上に付加するための方法であって、
    少なくともマーキングが付加される場所において請求項1〜13のいずれか一項に記載の組成物からなる物品が、レーザー光で照射される方法。
  16. 前記物品が、532nmの波長または1064nmの波長のレーザー光で照射される請求項15に記載の方法。
  17. 少なくともマーキングが付加される場所において暗い背景を有する物品上に明るいレーザーマーキングを付加するためのレーザーマーキング添加剤としての、アクリレートモノマーのポリマーおよび/または金属硫酸塩(金属は、Na、K、Mg、Ca、Ba、Zr、Zn、Alおよび/またはSiである)の使用。
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