紫外固化柔感涂料的新進展

柔感涂料常常被用來為塑料、紙張以及金屬基體營造柔和的觸覺效果。觸覺效果可以提高消費者對產品品質的感覺，使得他們在同類產品中脫穎而出。事實上美國加州州立理工大學最近一項研究表明不僅消費者偏愛柔和觸感包裝容器中的化妝品，而且他們還愿意為此多出5%的價格來購買這種包裝的化妝品[1]。因此，最近幾年對柔感涂料的研究日益增多。雖然加州理工的研究主要集中于化妝品包裝領域，但是柔和觸感涂料涵蓋的市場非常的廣泛，包含汽車內飾、小型電子產品以及電器領域。

目前市場上對多種觸感類型有著非常廣泛的的需要。一般情況下，對柔感類型的描述會使用一些已知的柔軟物品觸感來進行闡述，比如橡膠、天鵝絨、桃皮、玫瑰花瓣、絲綢、皮革、麂皮等等。這些術語不僅是非常主觀的描述，而且不同的人感覺也都是不同的。同樣的涂層，有的觀察者描述有如天鵝絨般，有的則描述它可能是絲綢般觸感的。

我們選擇不同年齡和性別，且受過訓練的人群來進行觸感研究。研究表明，年齡[2] 和性別[3] 會影響感覺的描述。

雖然大多數柔感涂料是能夠被區分的，但對于那些最賞心悅目的表面，感知卻存在很大的分歧。我們發現當涂層的化學性質不同時，原子力顯微鏡（AFM) 可以很好的分辨出其對應的觸感類型[4]。進一步的測試還表明，隨著涂層化學性質的接近，粘附力和觸感之間的對應關系不再保持。此外，原子力顯微鏡不能區分觸感的質量。為此，后續的研究還是以訓練有素的觀察員的觸感描述為準，來定義觸感的效果質量和類型。

一般來說，消費品的特點是整個生命周期都暴露在外，反復受到磨損和污染，所以在考慮觸感的同時還必須考慮其堅固耐用的性能。柔和觸感和耐磨性之間的平衡是個額外的挑戰。柔感涂料的耐磨性一般是通過交聯多功能異氰酸酯與多元醇實現的。這個過程由分散在多元醇所形成的軟連接段和異氰酸酯形成的硬交聯點所實現，最理想的結構如圖1所示。雖然這種兩部分結構系統具有極好的觸感性能，但是兩部分聚氨酯涂料也具有明顯的缺點，如壽命周期短、固化時間長以及異氰酸酯處理存在危害等。為了解決這些問題以及改善耐久性能，配方和產品的設計師一直在向著可紫外固化的柔感涂料方向努力。

圖1：柔感涂層的理想化兩部分結構。

在之前的研究中，受兩部分異氰酸酯體系的啟發，相較傳統的雙組份聚氨酯涂料，我們證明自己有能力創造出可以紫外固化且具有良好觸感和優化耐擦、耐污以及耐化學腐蝕性能的涂料產品 [4]。該新創的涂層系統具有絲滑般的感受。

為了廣泛適應不用的應用和需求，很有必要設計出不同類型的柔感涂料。這篇文章詳細介紹了一系列可定制設計，具有可調整觸感的紫外固化柔感產品的開發，這些產品比傳統雙組份聚氨酯涂料性能有所改善。

實驗部分

表1是一個柔感涂料的基礎配方。二氧化硅在其中既可以作為增加柔軟觸感的添加劑，又可以作為消光劑。丙烯酸樹脂溶解于溶劑以降低粘度，并提供足夠的收縮力以保證二氧化硅遷移到膜的表面，這對減少磨損同時賦予涂層柔和的觸感是非常必要的。

表1：柔感涂料的基礎配方

將配方涂覆于實驗板表面后，再將其置于60℃下干燥15分鐘以除去溶劑。然后將實驗板放置在兩個400 W/in 的水銀弧光燈下以50fpm的傳送帶速度固化最終形成2mils厚度的膜。先放置過夜再進行磨損、溶劑腐蝕、食品污染、日曬老化、蟲蛀、鉛筆硬度以及粘附性測試。

選擇有經驗的觀察者來對處理過的實驗板涂層進行類型和質量的感知。我們把觀察到的感受范圍分成三個區域：橡膠手感、天鵝絨手感和絲綢手感。橡膠手感指涂層接近橡膠，它具有比絲綢手感（真絲般的感手）涂層更多的抓地力（不那么滑）；天鵝絨手感涂層的滑動/ 握持觸感介于橡膠手感和絲綢手感之間。觀察中將柔軟觸感的等級分為五等，從一到五等級越高，越匹配其該有的觸感。

結果和討論

在最初的篩選中，我們使用雙官能聚氨酯酯丙烯酸酯低聚物（UA）模仿傳統雙組份涂料體系中較軟的多元醇區域，用三官能的丙烯酸酯交聯劑（M）模仿較硬的異氰酸酯區域[4]。我們發現UA5:M1 在60：40 的時候能夠營造出很好的絲綢般的觸感，且耐久性要明顯優于常規的雙組份聚氨酯體系。通過減少交聯劑的用量，我們能夠實現天鵝絨般的感覺，但該涂層的耐久性顯著下降（表2）。因為單獨的減少交聯劑不能用于改變感覺的類型同時保持耐久性，所以我們著手設計新的聚氨酯酯丙烯酸酯和交聯劑。

表2：交聯劑濃度對觸感的影響

新的雙官能聚氨酯丙烯酸酯UA6和UA7采用和UA5一樣的方式來評估，即改變交聯劑M1的濃度，評估結果如圖2所示交聯劑在樹脂中濃度達到10%的時候，UA6和UA7都可以營造出橡膠般的觸感，但是UA6比UA7有明顯多的幾個優點。首先，我們使用UA6而不需要盡可能多的減少交聯劑就可以達到更多的抓地力（天鵝絨）的感覺。

圖2：交聯劑含量的變化對UA6和UA7的性能的影響

使用盡可能多的交聯劑的能力是有利的，因為它帶來更高的交聯密度和更好的涂層的耐久性。此外，UA6比UA7共混物有更好的總體質感（在圖中未示出）。使用90％的聚氨酯低聚物UA6和10％的交聯劑（M1）我們可以達到橡膠般的觸感，但是該膜不具有耐久性。當我們將交聯劑（M1）的量提高到17.5%，則可以得到性能改善的具有橡膠觸感的涂層（圖3）。

圖3：交聯劑含量對UA6性能的影響。

在第二種方法中，我們試圖用現有的三官能丙烯酸酯交聯劑和低功能性丙烯酸酯單體（AM）作為軟連接段而不是用雙官能聚氨酯丙烯酸酯來營造柔和觸感的涂層。現有的交聯劑和單體（AM1）的配方沒有取得希望的觸感和性能的組合（表3）。

表3：不同種類和不同濃度的交聯劑對丙烯酸酯單體性能的影響

用新設計的交聯劑M6與丙烯酸酯單體AM1配置，當交聯劑與丙烯酸單體比例為60:40時可以獲得良好的觸感和耐久性能，如表4中的第53號配方。用單體M6篩選交聯劑來獲得改進的觸感和耐久性，我們發現M6與AM5組合有良好的耐久性以及優于先前測試的所有組合（表4）的天鵝絨般的觸感。

表4：加入新交聯劑M6后不同丙烯酸單體的性能 *與配方1-56比較

結論

新設計的低聚物UA6 和交聯劑M6 為我們帶來了可紫外固化且具有柔和觸感的一系列不同觸感的新涂層（圖4）。這些新產品相較行業標準兩部分聚氨酯涂料具有更佳的耐久性能以及柔和觸感毫無損失。除了增強的耐久性，這種可紫外固化系統具有無限的適用期，更短的固化時間，且沒有游離的異氰酸酯危害。

圖4：最佳的紫外光固化柔感配方的性能。

參考文獻

1. Keif, M.; Twomey, C.; Stoneman, A. Consumer Perception of Tactile Packaging: A Research Study on Preferences of Soft Touch and Hi Rise Coatings in Cosmetic Packaging. J. Appl. Packaging Res. 2015, 7, 1, 59-72.

2. May, A.C.; Stewart, J.L.; Tapert, S.F.; Paulus, M.P. The effect of age on neural processing of pleasant soft touch stimuli. Frontiers in Behavioral Neuroscience 2014, 8, 52.

3. Essick, G. K.; McGlone, F.; Dancer, C.; Fabricant, D.; Ragin, Y.;Phillips, N.; Jones, T.; Guest, S. Quantitative assessment of pleasant touch. Neurosciences and Biobehavioral Reviews 2010, 34, 192-203.

4. Drujon, X.; Spagnola, L.; Moeller G. Most Recent Developments in UVCurable Soft-Touch Coatings. UV and EB Technology 2016, 4, 18.