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紫外固化柔感涂料的新进展
newmaker    来源:荣格
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涂料/油墨/染料展厅
涂料, 油墨, 颜料, 染料, 色漆, ...
柔感涂料常常被用来为塑料、纸张以及金属基体营造柔和的触觉效果。触觉效果可以提高消费者对产品品质的感觉,使得他们在同类产品中脱颖而出。事实上美国加州州立理工大学最近一项研究表明不仅消费者偏爱柔和触感包装容器中的化妆品,而且他们还愿意为此多出5%的价格来购买这种包装的化妆品[1]。因此,最近几年对柔感涂料的研究日益增多。虽然加州理工的研究主要集中于化妆品包装领域,但是柔和触感涂料涵盖的市场非常的广泛,包含汽车内饰、小型电子产品以及电器领域。

目前市场上对多种触感类型有着非常广泛的的需要。一般情况下,对柔感类型的描述会使用一些已知的柔软物品触感来进行阐述,比如橡胶、天鹅绒、桃皮、玫瑰花瓣、丝绸、皮革、麂皮等等。这些术语不仅是非常主观的描述,而且不同的人感觉也都是不同的。同样的涂层,有的观察者描述有如天鹅绒般,有的则描述它可能是丝绸般触感的。

我们选择不同年龄和性别,且受过训练的人群来进行触感研究。研究表明,年龄[2] 和性别[3] 会影响感觉的描述。

虽然大多数柔感涂料是能够被区分的,但对于那些最赏心悦目的表面,感知却存在很大的分歧。我们发现当涂层的化学性质不同时,原子力显微镜(AFM) 可以很好的分辨出其对应的触感类型[4]。进一步的测试还表明,随着涂层化学性质的接近,粘附力和触感之间的对应关系不再保持。此外,原子力显微镜不能区分触感的质量。为此,后续的研究还是以训练有素的观察员的触感描述为准,来定义触感的效果质量和类型。

一般来说,消费品的特点是整个生命周期都暴露在外,反复受到磨损和污染,所以在考虑触感的同时还必须考虑其坚固耐用的性能。柔和触感和耐磨性之间的平衡是个额外的挑战。柔感涂料的耐磨性一般是通过交联多功能异氰酸酯与多元醇实现的。这个过程由分散在多元醇所形成的软连接段和异氰酸酯形成的硬交联点所实现,最理想的结构如图1所示。虽然这种两部分结构系统具有极好的触感性能,但是两部分聚氨酯涂料也具有明显的缺点,如寿命周期短、固化时间长以及异氰酸酯处理存在危害等。为了解决这些问题以及改善耐久性能,配方和产品的设计师一直在向着可紫外固化的柔感涂料方向努力。

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图1:柔感涂层的理想化两部分结构

在之前的研究中,受两部分异氰酸酯体系的启发,相较传统的双组份聚氨酯涂料,我们证明自己有能力创造出可以紫外固化且具有良好触感和优化耐擦、耐污以及耐化学腐蚀性能的涂料产品 [4]。该新创的涂层系统具有丝滑般的感受。

为了广泛适应不用的应用和需求,很有必要设计出不同类型的柔感涂料。这篇文章详细介绍了一系列可定制设计,具有可调整触感的紫外固化柔感产品的开发,这些产品比传统双组份聚氨酯涂料性能有所改善。

实验部分

表1是一个柔感涂料的基础配方。二氧化硅在其中既可以作为增加柔软触感的添加剂,又可以作为消光剂。丙烯酸树脂溶解于溶剂以降低粘度,并提供足够的收缩力以保证二氧化硅迁移到膜的表面,这对减少磨损同时赋予涂层柔和的触感是非常必要的。

表1:柔感涂料的基础配方
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将配方涂覆于实验板表面后,再将其置于60℃下干燥15分钟以除去溶剂。然后将实验板放置在两个400 W/in 的水银弧光灯下以50fpm的传送带速度固化最终形成2mils厚度的膜。先放置过夜再进行磨损、溶剂腐蚀、食品污染、日晒老化、虫蛀、铅笔硬度以及粘附性测试。

选择有经验的观察者来对处理过的实验板涂层进行类型和质量的感知。我们把观察到的感受范围分成三个区域:橡胶手感、天鹅绒手感和丝绸手感。橡胶手感指涂层接近橡胶,它具有比丝绸手感(真丝般的感手)涂层更多的抓地力(不那么滑);天鹅绒手感涂层的滑动/ 握持触感介于橡胶手感和丝绸手感之间。观察中将柔软触感的等级分为五等,从一到五等级越高,越匹配其该有的触感。

结果和讨论

在最初的筛选中,我们使用双官能聚氨酯酯丙烯酸酯低聚物(UA)模仿传统双组份涂料体系中较软的多元醇区域,用三官能的丙烯酸酯交联剂(M)模仿较硬的异氰酸酯区域[4]。我们发现UA5:M1 在60:40 的时候能够营造出很好的丝绸般的触感,且耐久性要明显优于常规的双组份聚氨酯体系。通过减少交联剂的用量,我们能够实现天鹅绒般的感觉,但该涂层的耐久性显著下降(表2)。因为单独的减少交联剂不能用于改变感觉的类型同时保持耐久性,所以我们着手设计新的聚氨酯酯丙烯酸酯和交联剂。

表2:交联剂浓度对触感的影响
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新的双官能聚氨酯丙烯酸酯UA6和UA7采用和UA5一样的方式来评估,即改变交联剂M1的浓度,评估结果如图2所示交联剂在树脂中浓度达到10%的时候,UA6和UA7都可以营造出橡胶般的触感,但是UA6比UA7有明显多的几个优点。首先,我们使用UA6而不需要尽可能多的减少交联剂就可以达到更多的抓地力(天鹅绒)的感觉。

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图2:交联剂含量的变化对UA6和UA7的性能的影响

使用尽可能多的交联剂的能力是有利的,因为它带来更高的交联密度和更好的涂层的耐久性。此外,UA6比UA7共混物有更好的总体质感(在图中未示出)。使用90%的聚氨酯低聚物UA6和10%的交联剂(M1)我们可以达到橡胶般的触感,但是该膜不具有耐久性。当我们将交联剂(M1)的量提高到17.5%,则可以得到性能改善的具有橡胶触感的涂层(图3)。

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图3:交联剂含量对UA6性能的影响

在第二种方法中,我们试图用现有的三官能丙烯酸酯交联剂和低功能性丙烯酸酯单体(AM)作为软连接段而不是用双官能聚氨酯丙烯酸酯来营造柔和触感的涂层。现有的交联剂和单体(AM1)的配方没有取得希望的触感和性能的组合(表3)。

表3:不同种类和不同浓度的交联剂对丙烯酸酯单体性能的影响
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用新设计的交联剂M6与丙烯酸酯单体AM1配置,当交联剂与丙烯酸单体比例为60:40时可以获得良好的触感和耐久性能,如表4中的第53号配方。用单体M6筛选交联剂来获得改进的触感和耐久性,我们发现M6与AM5组合有良好的耐久性以及优于先前测试的所有组合(表4)的天鹅绒般的触感。

表4:加入新交联剂M6后不同丙烯酸单体的性能 *与配方1-56比较
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结论

新设计的低聚物UA6 和交联剂M6 为我们带来了可紫外固化且具有柔和触感的一系列不同触感的新涂层(图4)。这些新产品相较行业标准两部分聚氨酯涂料具有更佳的耐久性能以及柔和触感毫无损失。除了增强的耐久性,这种可紫外固化系统具有无限的适用期,更短的固化时间,且没有游离的异氰酸酯危害。

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图4:最佳的紫外光固化柔感配方的性能

参考文献

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.(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (2017-1-16)
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