基于254nm準(zhǔn)分子UV固化技術(shù)的木器膚啞漆膜感官性能影響因素研究

■羅錦榮，萇姍姍，劉貢鋼，林 斌，楊顯濤，付秋霞，胡進(jìn)波，劉敬盛,3

近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展與人們生活水平的提升，啞光飾面材料越來(lái)越受到人們的青睞，啞光涂層在生產(chǎn)過(guò)程中表面會(huì)產(chǎn)生微褶皺，這些褶皺使涂層表面具有低光澤，并且在觸摸過(guò)程中能夠減少人體皮膚的接觸面積，給人提供愉快的觸覺(jué)體驗(yàn)，目前啞光涂層廣泛應(yīng)用在汽車、家居、皮革等行業(yè)[1-3]。漆膜表面低光澤度、愉快的觸覺(jué)體驗(yàn)實(shí)際上是與涂料及其固化技術(shù)有很大的關(guān)系，當(dāng)前生產(chǎn)中主要選用啞光涂料，和其他紫外光固化涂料一樣，其具有漆膜通透、硬度好，可以通過(guò)紫外光將涂覆在基材表面的涂料快速固化[4]，已成漆膜表面獨(dú)特之處在于它所呈現(xiàn)的低光澤、柔和觸感以及具有較好的耐磨性能，這樣的家具表面效果不僅僅滿足了對(duì)飾面產(chǎn)品的保護(hù)和裝飾的需求，還能豐富飾面材料表面肌理，調(diào)節(jié)材料表面的明亮度，為用戶提供不同的視覺(jué)和觸覺(jué)體驗(yàn)[5-6]。

有研究表明，人眼接收到物體表面光澤度很大程度受到物體表面的粗糙度影響[7]，家具基材表面經(jīng)過(guò)涂飾會(huì)產(chǎn)生粗糙度不同，繼而就會(huì)產(chǎn)生不同光澤的飾面視覺(jué)效果[8]，柔和的觸覺(jué)感知可以提升用戶在使用產(chǎn)品時(shí)的舒適性，豐富了用戶對(duì)飾面材料的情感體驗(yàn)[9-10]。為了降低家具飾面的光澤度和粗糙度，在行業(yè)和科學(xué)研究中，主要是對(duì)涂料和光固化技術(shù)兩個(gè)方面進(jìn)行調(diào)控[11]，以期達(dá)到啞光飾面的效果。常用的方法是在涂料中添加適量的消光劑，如二氧化硅、氧化鋁、黏土和微蠟粉等等，消光劑中的微小顆粒在經(jīng)過(guò)涂料固化時(shí)使漆膜表面產(chǎn)生不平，有一定粗糙度的飾面能夠吸收部分光波并對(duì)可見(jiàn)光產(chǎn)生散射作用，從而降低了涂層表面的光澤度[12-13]。隨著涂飾技術(shù)的發(fā)展，降低漆膜表面的光澤還可以通過(guò)選擇特定波長(zhǎng)的紫外線裝置，有研究表明在氮?dú)猸h(huán)境保護(hù)下，172 nm準(zhǔn)分子燈光照致涂料固化時(shí)保護(hù)氣體將涂料隔絕氧氣，后續(xù)經(jīng)過(guò)梯度固化后使基材漆膜內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力引發(fā)涂層褶皺[14-15]而形成了一定的粗糙度。

從當(dāng)前的研究和產(chǎn)業(yè)技術(shù)中發(fā)現(xiàn)，為了實(shí)現(xiàn)啞光、柔和的觸覺(jué)效果，對(duì)涂料進(jìn)行改進(jìn)或添加相應(yīng)成分但是增加了涂料成本；對(duì)設(shè)備改進(jìn)但是漆膜固化工藝繁瑣且涂料固化環(huán)境要求苛刻；因此在涂料和裝備行業(yè)探索出了針對(duì)啞光涂料的254 nm準(zhǔn)分子成膜技術(shù)。本研究通過(guò)梯度固化方式，利用漆膜在固化過(guò)程中的不穩(wěn)定性，采用四紫外光固化方法進(jìn)行固化，即395 nmLED燈、254 nm準(zhǔn)分子燈、UV三燈（鎵燈-汞燈-汞燈），選用啞光涂料中含有多官能基團(tuán)丙烯酸樹(shù)脂能夠在特定波長(zhǎng)下發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)使漆膜產(chǎn)生褶皺。探究不同LED燈能量、涂料涂布量和254 nm準(zhǔn)分子能量對(duì)多官能基團(tuán)丙烯酸樹(shù)脂啞光涂層表面性能變化的影響規(guī)律，通過(guò)工藝參數(shù)的調(diào)控分析單因素和三因素交互等對(duì)選定涂料涂層表面粗糙度、光澤度影響，以期望為生產(chǎn)和科研提供可靠的研究參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

試件選用貼了三聚氰胺浸漬紙的M D F，將試件規(guī)格分別制成3 0 0 m m×10 0 m m×18 m m、150mm×100mm×18mm，涂料為某品牌紫外光固化多官能基團(tuán)丙烯酸樹(shù)脂啞光涂料（以下簡(jiǎn)稱“啞光涂料”），主要成分：多官能基團(tuán)丙烯酸樹(shù)脂，單體（HDDA），顏填料（滑石粉），光引發(fā)劑（1173、TPO），助劑（流平劑、消泡劑）。輥涂機(jī)PRT-R2213ax、LED燈固化機(jī)ZU2513X、UV三燈固化機(jī)PRTU3113e、254納米啞光機(jī)EX3213M6：廣東瀚秋智能裝備股份有限公司，三角度光澤儀BGD514-3：標(biāo)格達(dá)精密儀器（廣州）有限公司，表面粗糙度儀SRT-6210：廣州蘭泰儀器有限公司，精密稱重儀ZG-TP203：上海然浩電子有限公司，UV Power Puck II：美國(guó)EIT紫外輻照計(jì)，tinyTracker172輻射能量測(cè)量?jī)x：Opsytec Dr. Gr?bel GmbH。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 啞光飾面涂層單因素實(shí)驗(yàn)

漆膜涂層的制備：將透明底漆涂飾在貼了三聚氰胺浸漬紙的密度板上并進(jìn)行固化，通過(guò) 320 目數(shù)的砂紙對(duì)底漆進(jìn)行打磨；采用正逆輥調(diào)節(jié)輥輪速度控制涂料涂布量，將啞光面漆涂覆在基材底漆面上，采用梯度固化方式，通過(guò)對(duì)LED燈、254 nm準(zhǔn)分子燈控制設(shè)備傳送帶速度、燈功率的輸出，結(jié)合UV Power Puck II紫外輻照計(jì)、tinyTracker172輻射能量測(cè)量?jī)x進(jìn)行測(cè)量，使涂料在不同能量下進(jìn)行預(yù)固化和交聯(lián)反應(yīng)。并用UV三燈固化機(jī)（鎵燈-汞燈-汞燈）進(jìn)行固化，利用UV Power Puck II紫外輻照計(jì)測(cè)得四波段固化能量分別為UVA：505 mJ/cm2、UVB：635 mJ/cm2、UVC：400 mJ/cm2、UVV：740 mJ/cm2。

為研究涂料涂布量、LED燈預(yù)固化能量、254 nm準(zhǔn)分子燈輻射能量對(duì)漆膜涂層粗糙度、光澤度影響規(guī)律，開(kāi)展單因素試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)計(jì)如下：

（1）在LED燈預(yù)固化能量400 mJ/cm2，254 nm準(zhǔn)分子燈輻射能量1000 mJ/cm2下，研究不同涂料涂布量（15 g/m2、20 g/m2、25 g/m2、30 g/m2、35 g/m2、40 g/m2、45 g/m2）對(duì)漆膜涂層表面粗糙度、光澤度的影響規(guī)律。

（2）在涂料涂布量 25g/m2，254 nm準(zhǔn)分子燈輻射能量1000 mJ/cm2下，研究不同LED燈預(yù)固化能量（100 mJ/cm2、200 mJ/cm2、300 mJ/cm2、400 mJ/cm2、500 mJ/cm2、600 mJ/cm2、700 mJ/cm2）對(duì)漆膜涂層粗糙度、光澤度影響規(guī)律。

（3）在涂料涂布量25 g/m2，LED燈預(yù)固化能量400 mJ/cm2下，研究不同254 nm準(zhǔn)分子燈輻射能量（600 mJ/cm2、800 mJ/cm2、1000 mJ/cm2、1200 mJ/cm2、1400 mJ/cm2、1600 mJ/cm2、1800mJ/cm2）對(duì)涂層粗糙度、光澤度影響規(guī)律。

1.2.2 啞光涂層響應(yīng)面法實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

與前述單因素實(shí)驗(yàn)同樣也采用漆膜梯度固化方式進(jìn)行響應(yīng)面法設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)。根據(jù)響應(yīng)面法中的Box-Behnken設(shè)計(jì)原則，在單因素的基礎(chǔ)上，選取對(duì)涂層表面粗糙度、光澤度有影響的涂料涂布量、LED燈預(yù)固化能量、254 nm準(zhǔn)分子燈輻射能量進(jìn)行考察，分別用A、B、C表示（A：涂料涂布量，B：LED燈預(yù)固化能量，C：254nm準(zhǔn)分子燈輻射能量），響應(yīng)值為漆膜表面粗糙度、光澤度，用Y1、Y2表示，采用3因素3水平的響應(yīng)面方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，以-1，0，1分別代表變量水平，各因素水平編碼如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)因素編碼與水平

1.3 啞光涂層飾面性能檢測(cè)

1.3.1 表面光澤度

光澤度根據(jù)GB/T 4893.6-2013《家具表面漆膜理化性能試驗(yàn) 第6部分：光澤測(cè)定法》測(cè)定，通過(guò)三角度光澤儀在85°角下進(jìn)行測(cè)量，每個(gè)樣板選取6個(gè)不同位置進(jìn)行測(cè)量后取平均值。

1.3.2 粗糙度測(cè)量

粗糙度采用表面粗糙度儀SRT-6210對(duì)樣板表面涂層進(jìn)行測(cè)量，表面粗糙度儀取樣長(zhǎng)度2.5 mm，測(cè)量涂層表面輪廓算術(shù)平均偏差（Ra），選取涂層表面6個(gè)不同位置進(jìn)行測(cè)量后取平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同因素對(duì)涂層的影響

為了后續(xù)響應(yīng)面分析中因素與水平選擇，在基材表面對(duì)涂覆啞光涂料后進(jìn)行不同涂布量、LED燈預(yù)固化能量、254nm準(zhǔn)分子燈輻射能量下的單因素飾面實(shí)驗(yàn)，探究由于以上單一因素而致啞光涂層表面粗糙度和光澤度的影響。

以涂料涂布量為單因素實(shí)驗(yàn)，獲得了不同涂料涂布量對(duì)涂層粗糙度、光澤度的影響規(guī)律。

由圖1(a)所示，經(jīng)過(guò)相同LED燈預(yù)固化能量、254 nm準(zhǔn)分子輻射能量作用下，隨著涂布量的上升，涂層表面的粗糙度逐漸降低，光澤度逐漸升高；但涂布量從15 g/m2逐漸增加到45g/m2過(guò)程中粗糙度變化較為平緩，基于成本與涂裝效果考慮，認(rèn)為本研究中不同涂布量對(duì)涂層表面粗糙度的影響較小。

■圖1 不同因素對(duì)粗糙度、光澤度影響：(a) 涂布量對(duì)光澤度、粗糙度單因素影響；(b)LED燈預(yù)固化能量對(duì)粗糙度、光澤度單因素影響；(c) 254nm燈輻射能量對(duì)粗糙度、光澤度單因素影響

■圖1 (b)所示為L(zhǎng)ED燈預(yù)固化能量對(duì)涂層粗糙度、光澤度影響規(guī)律圖。隨著LED燈預(yù)固化能量的升高，粗糙度逐漸減小，光澤度逐漸升高，這是由于LED燈波長(zhǎng)在395 nm，對(duì)涂層穿透性較好，主要對(duì)底層面漆起到固化作用；隨著LED燈預(yù)固化能量增加，面漆固化程度升高，而在254 nm準(zhǔn)分子燈能量下沿漆膜厚度朝表面方向面漆固化交聯(lián)反應(yīng)增加，這樣一來(lái)，漆膜內(nèi)部的應(yīng)力受到漆膜不同固化程度的影響產(chǎn)生的褶皺減少，涂層表面粗糙度逐漸降低，85°角光澤度隨之升高進(jìn)一步證明了漆膜表面褶皺效應(yīng)變?nèi)酢Ｒ虼耍A(yù)固化階段可以通過(guò)調(diào)節(jié)LED燈的輻射能量，控制面漆從底到面的固化程度，進(jìn)而影響面漆在254nm準(zhǔn)分子紫外光下交聯(lián)反應(yīng)，使得涂層表面產(chǎn)生不同光澤等表面效果。

■圖1 (c)為254 nm準(zhǔn)分子燈輻射能量對(duì)涂層粗糙度、光澤度影響規(guī)律圖。隨著254 nm準(zhǔn)分子燈的輻射能量增加，涂層表面的粗糙度先上升后下降；而對(duì)應(yīng)的涂層在85°角下的光澤度隨著254 nm準(zhǔn)分子燈的輻射能量增加先逐漸下降而后幾乎沒(méi)有變化。這是由于在一定涂布量和預(yù)固化能量下，隨著254 nm準(zhǔn)分子燈能量的增加，面漆受到更強(qiáng)的輻射能量，漆膜內(nèi)部從底到面內(nèi)應(yīng)力升高，使涂層表面褶皺增加，面漆表面的粗糙度增大，繼而涂層表面光澤逐漸降低；但是隨著254 nm準(zhǔn)分子燈輻射能量的不斷增加，在1400 mJ/cm2至1800 mJ/cm2段有趨于平緩且略微下降趨勢(shì)，這是由于隨著254 nm準(zhǔn)分子燈輻射能量的升高，涂層上表面在一定能量254 nm準(zhǔn)分子燈下（1400 mJ/cm2）已經(jīng)完全交聯(lián)固化成漆膜，再增加輻射能量對(duì)涂層表面難以產(chǎn)生影響。

2.2 響應(yīng)面結(jié)果與分析

2.2.1 響應(yīng)面法實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

對(duì)各因素交互影響漆膜涂層粗糙度、光澤度采用Box-Behnken實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，選取涂層表面粗糙度、光澤度作為響應(yīng)值。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果如表2所示：

表2 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

根據(jù)表2中的實(shí)際值，利用Design Expert13軟件對(duì)實(shí)際值進(jìn)行多元二次回歸擬合，得到各因素編碼值與響應(yīng)值的二次方程模型（Y1-粗糙度，Y2-光澤度），通過(guò)選用的Y1、Y2模型進(jìn)行方差分析驗(yàn)證，結(jié)果見(jiàn)表3、表4。

表3 Y1回歸模型方差分析

表4 Y2回歸模型方差分析

表3 對(duì)粗糙度(Y1)模型方差分析結(jié)果顯示，模型(P＜0.0001)擬合顯著，失擬項(xiàng)不顯著(P=0.7228＞0.05)，說(shuō)明模型能夠很好擬合粗糙度與各因素之間的關(guān)系。通過(guò)模型的相關(guān)系數(shù)R2=0.8786/0.8817=0.9965可知，響應(yīng)值粗糙度的變化有99.65%來(lái)源所選變量，即涂料涂布量、LED燈預(yù)固化能量、254nm準(zhǔn)分子燈輻射能量。因此，模型可以很好地描述各因素與響應(yīng)值之間的關(guān)系。由失擬項(xiàng)可知，大約有0.4641%的變異情況不能用該模型來(lái)解釋。回歸方程中各變量對(duì)粗糙度的影響顯著性可由F檢驗(yàn)來(lái)判定，概率P(Prob＞F)的值越小，則相應(yīng)變量的顯著程度越高。通過(guò)表3可知，涂布量（A）、LED燈預(yù)固化能量（B）、254 nm準(zhǔn)分子燈輻射能量（C）P值＜0.01，表明涂料涂布量、LED燈預(yù)固化能量、254 nm準(zhǔn)分子燈輻射能量對(duì)粗糙度影響極為顯著；各參數(shù)對(duì)涂層表面粗糙度的影響大小順序依次為L(zhǎng)ED燈預(yù)固化能量＞涂料涂布量＞254nm準(zhǔn)分子燈輻射能量。在二次項(xiàng)中B2影響極為顯著，A2影響較為顯著，其余因素對(duì)粗糙度影響不顯著。

表4 對(duì)光澤度(Y2)模型方差分析可知，模型擬合P＜0.0001顯著，失擬項(xiàng)為0.0871＞0.05不顯著，表明該模型能夠很好擬合光澤度與各因素之間的關(guān)系，擬合模型的相關(guān)系數(shù)為R2=4.81/4.92=0.9776，說(shuō)明響應(yīng)值光澤度的影響有97.76%來(lái)源于所選變量，模型能夠很好地描述光澤度與涂料涂布量、LED燈預(yù)固化能量，254 nm準(zhǔn)分子燈輻射能量之間的關(guān)系。由表4可以看出，254 nm準(zhǔn)分子燈輻射能量（C）＜0.05，對(duì)涂層光澤度影響顯著，LED燈預(yù)固化能量（B）、涂料涂布量（A）＜0.01，對(duì)涂層光澤度的影響極顯著；表明涂層光澤度主要受LED燈預(yù)固化能量和涂料涂布量的影響。各因素對(duì)涂層光澤度的影響順序依次為L(zhǎng)ED燈預(yù)固化能量＞涂料涂布量＞254nm準(zhǔn)分子燈輻射能量，二次項(xiàng)中A2、B2均＜0.05，影響較為顯著，其余因素對(duì)涂層光澤度影響不顯著。

2.2.2 各因素交互作用分析

利用Design Expert13軟件根據(jù)回歸方程進(jìn)行繪圖分析，得到涂層粗糙度、光澤度回歸方程模型的響應(yīng)曲面。可以直觀地反映各因素交互作用對(duì)漆膜表面粗糙度、光澤度的影響，等高線的形狀反映出兩因素交互作用下對(duì)涂層粗糙度、光澤度的影響強(qiáng)弱；響應(yīng)曲面3D圖表征響應(yīng)面函數(shù)的形狀，曲率越大說(shuō)明因素交互作用對(duì)粗糙度、光澤度的影響也就越大。

從圖2（a）、（d）可知，涂布量從15g/m2變化到25g/m2過(guò)程中，隨著LED燈預(yù)固化能量的降低，粗糙度、光澤度的響應(yīng)曲面呈現(xiàn)明顯變化，說(shuō)明LED燈預(yù)固化在100 mJ/cm2-300 mJ/cm2時(shí)，涂層粗糙度、光澤度受LED燈預(yù)固化能量影響顯著；可以看出，隨著LED燈預(yù)固化能量逐漸減小，涂布量逐漸增大，粗糙度增幅越大，這是由于在越小的預(yù)固化能量下，更多的涂料在254 nm準(zhǔn)分子燈作用下發(fā)生了更多的固化交聯(lián)反應(yīng)，漆膜褶皺增加使得粗糙度增大，光澤度隨之降低；表明LED燈預(yù)固化能量和涂布量的交互作用對(duì)涂層表面粗糙度、光澤度的影響顯著。從圖2（b）、（e）中可知，在254 nm準(zhǔn)分子燈輻射能量和涂布量交互作用下，254 nm準(zhǔn)分子燈輻射能量從1200 mJ/cm2變化到1600 mJ/cm2，隨著涂布量的增加，粗糙度變化較為平緩，光澤度增幅為0.95GU，說(shuō)明兩者交互作用對(duì)粗糙度和光澤度的影響并不顯著。由圖2（c）、（f）分析可知，在LED燈預(yù)固化能量和納米準(zhǔn)分子燈輻射能量交互作用下，隨著納米燈輻射能量從1200 mJ/cm2增加到1600 mJ/cm2，LED燈預(yù)固化能量降低，粗糙度響應(yīng)曲面呈現(xiàn)明顯上升，光澤度響應(yīng)曲面呈現(xiàn)明顯下降，表明在LED燈預(yù)固化能量和254 nm準(zhǔn)分子燈交互作用對(duì)涂層的影響顯著；LED燈預(yù)固化能量從100 mJ/cm2-300 mJ/cm2變化過(guò)程中，粗糙度減小且呈現(xiàn)驟減的趨勢(shì)，涂層光澤度逐漸變大且增幅大，這是由于LED燈預(yù)固化能量能夠影響涂層的固化程度，LED能量越小，啞光涂料的預(yù)固化程度越低，能夠在254 nm準(zhǔn)分子燈紫外光下固化交聯(lián)反應(yīng)的涂料增加，隨著254 nm準(zhǔn)分子燈輻射能量的升高，涂層表面粗糙度增加，光澤度降低。

■圖2 不同因素交互作用對(duì)粗糙度、光澤度影響：(a, d) 涂料涂布量與預(yù)固化能量交互作用對(duì)粗糙度、光澤度影響；(b, e)涂料涂布量與254nm燈輻射能量交互作用對(duì)粗糙度、光澤度影響；(c, f) 預(yù)固化能量與254nm燈輻射能量交互作用對(duì)粗糙度、光澤度影響

3 結(jié)語(yǔ)

本研究對(duì)含有多官能基團(tuán)丙烯酸樹(shù)脂的啞光涂料進(jìn)行了面漆涂布量、LED燈預(yù)固化能量、254 nm準(zhǔn)分子燈輻射能量三個(gè)因素的單因素實(shí)驗(yàn)，分別研究其對(duì)涂料飾面表面粗糙度、光澤度的影響規(guī)律；再通過(guò)3因素3水平響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)法，建立了涂層粗糙度、光澤度與選定影響啞光飾面各因素之間的數(shù)學(xué)模型，得到涂料涂布量、LED燈預(yù)固化能量、254 nm準(zhǔn)分子燈輻射能量三因素交互作用下對(duì)面漆粗糙度、光澤度的影響規(guī)律，主要結(jié)果陳述如下：

（1）影響啞光飾面的單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著涂料涂布量、LED燈預(yù)固化能量的升高，涂層表面粗糙度下降，涂層的85°角光澤度逐漸升高，且LED燈預(yù)固化能量對(duì)涂層表面效果的影響較涂料涂布量明顯；而隨著254 nm準(zhǔn)分子燈輻射能量的逐漸增加，涂層表面粗糙度逐漸升高最后稍微降低，85°角光澤度逐漸降低，但當(dāng)254 nm燈輻射能量1400 mJ/cm2時(shí)再增加輻射能量對(duì)85°角光澤度幾乎沒(méi)有變化。

（2）響應(yīng)面法實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)建立了粗糙度、光澤度與選定影響啞光飾面各因素之間的數(shù)學(xué)模型，模型分析結(jié)果表明，所選的三個(gè)因素對(duì)粗糙度、光澤度的影響順序依次為L(zhǎng)ED燈預(yù)固化能量＞涂料涂布量＞254 nm準(zhǔn)分子燈輻射能量；其中LED燈預(yù)固化能量和涂料涂布量對(duì)涂層粗糙度、光澤度的影響極顯著，254nm準(zhǔn)分子燈輻射能量對(duì)涂層粗糙度影響極顯著，對(duì)光澤度影響顯著。在各因素交互影響中，LED燈預(yù)固化能量分別與涂料涂布量、254 nm準(zhǔn)分子燈輻射能量交互作用對(duì)涂層粗糙度、光澤度的影響極顯著。方差分析結(jié)果也進(jìn)一步驗(yàn)證了涂料涂布量、LED燈預(yù)固化能量、254nm準(zhǔn)分子燈輻射能量對(duì)涂層表面粗糙度、光澤度的影響規(guī)律。