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用于纯固体紫外光(UV)固化柔感涂料的低粘度低聚物

用于纯固体紫外光(UV)固化柔感涂料的低粘度低聚物

时 间: 2019-04-11

访 问:220 次

摘 要:作者: LisaSpagnola博士,科学家;JeffreyKlang博士,…

作者:

Lisa Spagnola博士,科学家;Jeffrey Klang博士,区域研发负责人

Manjuli Gupta,资深科学家。Sartomer Americas Corp.,美国宾夕法尼亚州·埃克斯顿;Xavier Drujon博士丨欧洲、中东和非洲区工业涂料部门技术服务与发展经理,Sartomer Europe,法国

 

柔感涂料,常用于塑料、纸张和金属底材上来呈现不同的触感效果。触感效果会影响消费者对产品的价值认知,并进一步引导他们放弃其他类似产品而去购买某一特定触感的产品。加利福尼亚州理工州立大学(California Polytechnic State University)最近的一项研究表明,就化妆品包装而言,拥有柔感涂层的包装比使用传统涂层的包装更受消费者青睐,他们甚至愿意为此支付5%的产品溢价。如此看来,近年来业内对柔感涂料的关注度持续上升也就不难理解了。虽然加州理工州立大学的研究只针对于化妆品包装,柔感涂料却是汽车内饰、小型电子产品及家电等领域关注的热点。

 

不同市场催生了对不同触感的需求。日常生活中,人们常用熟悉的事物来描述不同的柔软度,比如,描述某个东西软得像橡胶、像天鹅绒、像桃子皮、像玫瑰花瓣、像丝绸、像皮革、像绒面革等等。不过这些表述都颇为主观,而且标准因人而异。比方说某种涂料,一名观察者可能觉得它的触感像天鹅绒,另一个人却认为是丝绸的触感。研究表明,年龄2和性别3会影响人们对触感的认知。在此前的一项实验研究中,我们挑选了不同年龄、性别和受训程度的观察者对一系列处于研发阶段的柔感涂料4进行评估。尽管大多数人都能感觉到涂料柔软,但他们对“哪种涂料最舒服”给出的回答却各不相同。我们发现,采用原子力显微镜(AFM)测量方法,有助于区分使用不同化学物的涂料各自不同的触感。但另有测试表明,当使用的化学物越来越相似的时候,AFM附着力与触感之间的联系便不再成立。另外,借助AFM无法辨别某一触感的质量。因此,后续的研究中我们邀请了训练有素的观察者,他们既能区分不同触感类型,又能辨别其质感,以此达到鉴别涂料触觉性能的目的。

 

由于产品在其整个生命周期内会持续遭到污损,所以柔感涂料同时面临着兼顾柔感和耐用性的问题。柔感涂料的耐磨性,通常是通过将多官能异氰酸酯与多元醇交联反应而实现的。图1所展示的是一个理想化结构。多元醇形成柔软的区域,而分布在柔软区域的异氰酸酯则通过这一反应进一步形成硬质区域。虽然这样形成的系统具有优质的触感特性,但双组分聚氨酯涂料本身的活化期有限、固化所需时间长、异氰酸酯处理存在危险等问题依然无法避免。为了解决这些问题并提高产品耐久性,配方设计师和产品设计师把重点放到了UV固化柔感涂料上。

 

图1  理想状态下的双组分柔感涂料结构

Hard crosslink sites硬质交联点 soft connecting segments 柔感联结段

 

 

受双组分异氰酸酯系统的启发,在此前的一项研究中我们展示了可以制造UV固化柔感涂料的能力。这一涂料相比于传统的,或者说非UV固化的双组分聚氨酯涂料5,触感更佳,耐损、耐伤、抗污和抗化学性都更优。这一系统呈现出丝绸般的触感。生产出具有不同触感类型的柔感涂料,对于满足丰富的应用场景和产品需求而言十分必要。此前,采用最新设计的聚氨酯丙烯酸酯和交联剂后,我们已生产出一系列的触感类型。这类为实现UV固化柔感涂层而研发的新型材料,触感品质极佳。同时,相比于标准的双组分聚氨酯涂料6具有更优的涂料特性。第一代双组分聚氨酯涂料粘度较高,应用时需配合使用溶剂或高含量的UV固化单体反应稀释剂。

 

本文详细介绍了定制设计的低粘度UV固化柔感低聚物的开发,它能在纯固体配方中实现柔软触感。这类无溶剂柔感系统,与传统的双组分聚氨酯和单组分水性柔感涂料相比,性能更优。

 

试验

表1所展示的是采用了低粘度柔感低聚物的基础柔感涂料配方。表2配方与表1类似,不同之处在于它采用的是多组分光引发剂(PI)系统。其中,二氧化硅的功能,既是作为一种表面添加剂来呈现柔软触感,同时也起到消光剂的作用。许多商用柔感涂料使用聚合物微粒添加剂来增强触觉效果,但我们的研究并没有把它囊括其中来突出低聚物本身的性能。

表1 柔感涂料基础配方-PI系统2

 

 

名称                                            百分比                                         百分比基数
柔感低聚物                                  ……                                              整体
分散剂                                         ……                                              二氧化硅
Acematt 3300                             ……
(德固赛二氧化硅消光粉3300)                                                      树脂
PL-HMPP                                    ……                                              树脂

 

涂料板的固化使用的是600瓦的镓添加剂灯(V灯)和汞灯(H灯),传送速率为50英尺/分钟,最终涂层厚度为3.5密尔。涂料板静置一夜后,可进行耐磨性、耐溶剂性、耐食品污渍性及铅笔硬度测试(见表4)。

 

表4  柔感涂料测试方法

测试 方法 描述 底材
耐磨性  …… RCA磨损测试 ABS
耐溶剂性 …… MEK耐溶剂性测试
耐食品污渍性 …… 红酒,咖啡,番茄酱(24小时),芥末(1小时) Metal Lanetta
铅笔硬度 …… Wolff-Wilborn铅笔硬度计(压力约为750克) 玻璃

 

有经验的观察者们通过触感类型和质量两个指标来评定对面板的感觉。我们将这些触感划分为三个区间:橡胶质、天鹅绒质和丝质。橡胶质涂料相比于丝质涂料(类似丝绸的触感),抓力更大而滑度更低。天鹅绒质的抓力和滑度则介于两者之间。观察者还对柔感的质量进行了评分,1至5分的区间,1代表质量匹配差,5则代表与理想的触感完全匹配。

 

结果与讨论

在双组分聚氨酯系统和传统的水性系统中,溶剂和水在干燥过程中会分别从对应的系统中蒸发。这有助于消光剂(如二氧化硅或其他填充剂)移动到涂层表面(见图2)。溶剂或水的蒸发加剧涂层的收缩,导致二氧化硅上升到涂层表面,得以呈现柔感和哑光的效果。另外,溶剂和水降低了配方粘度,进一步加强了二氧化硅的移动和可涂布性。

图2   将溶剂型和水性系统加以干燥会对消光剂产生的影响

Coat 涂料丨Dry 干燥丨Cure 固化丨

Solvent evaporates and provides shrinkage 溶剂蒸发、产生交联点

 

 

我们此前在UV固化和基于溶剂的柔感系统中采用了这种收缩和降低粘度的方法,在提高耐磨性的同时获得必要的哑光效果和触感。4,6虽然这一类UV固化系统相比传统的柔感系统有所进步,但使用溶剂或水就意味着需要经历干燥这一步骤。此外,某些溶剂对工作时难免暴露其中的人,以及对环境都存在负面影响,而这些恰恰是配方设计师力图避免的。综合以上考虑,我们需要一种低粘度、纯固体的柔感配方。

 

为了开发一套可行的纯固体系统,我们按照所需的触感和物理特性筛选了大量现有的和研发中的低粘度低聚物。初期测试中,新型低聚物CN6510在触感和物理特性上都具有最佳的表现。该产品的低粘性使得二氧化硅能够很快地移动到涂层表面,以呈现哑光效果和柔感。而这一移动过程的实现意味着,涂布和固化需要大量的时间。如果在固化之前将湿涂层进行加热,这一过程耗费的时间可减少,且可进一步降低粘度并使二氧化硅膨胀,让其更快地浮到涂层表面(见图3)。为了跳过烘烤这一步骤,我们使用长波镓添加剂灯(V灯)和汞灯(H灯),以便在涂布后快速促进二氧化硅的迁移。这一技术已采用多种不同的光引发剂包进行了验证,确实可以持续呈现低光泽的柔感涂层(见表5)。

 

图3  固化纯固体系统对消光剂的影响

Coat 涂料丨Heat or Long Λ Cure 热固化或长Λ光固化丨Cure 固化丨

 

Proper selection of monomers for matt finish 选择哑光面漆的单体

 

Silica swells and rise to surface on heating 二氧化硅受热膨胀上升

 

表5 低粘度柔感低聚物CN6510的光引发剂和固化变量

柔感低聚物 PI系统 固化条件 触感 遮光度
…… …… 2盏汞弧灯,400 W/in, 50fpm 不柔软 ……
…… …… V灯和H灯各一盏,均为600 W/in,50fpm 天鹅绒质 ……
…… …… V灯和H灯各一盏,均为600 W/in,50fpm 天鹅绒质 ……

 

基于CN6510的研究成果,另外三种低粘度低聚物也随之开发出来。使用这些产品可以实现多种触感及更优的产品物理特性(见表6)。

 

表6 新型低粘度柔感低聚物的初始粘度及触感类型

柔感低聚物 粘度(25℃) 触感类型
…… …… 天鹅绒质
…… …… 丝质
…… …… 天鹅绒质
…… …… 天鹅绒质

 

新型柔感低聚物依照表2和表3的配方,并参照表4的指标接受了触感、硬度、耐污性、耐溶剂性和耐磨性测试。每一种低粘度低聚物所合适的配方,在天鹅绒质和丝质区间都呈现出了良好的效果。如图4和图5所示,这些涂料不仅显示出低光泽度和良好的触感,相对于双组分聚氨酯和水性系统也表现出更好的物理特性。通常情况下,每种柔感的低聚物都有其优劣。比方说,CN6512质地更硬、柔感如丝绸、耐污性和耐溶剂性最佳。这些特性都是天鹅绒质的涂层难以达到的。PRO13793的涂层触感为天鹅绒质、硬度适中、耐磨性有所加强,但耐污性不如CN6512。基于CN6513的涂层触感最佳,并且更耐用,耐磨性更优。如果以不同比例将多种低聚物混合在一起,则有可能按照需求端的具体要求定制出特定触感和物理特性的涂料。

 

表2  柔感涂料基础配方-PI系统2

百分比 百分比基数
柔感低聚物 …… 整体
Disperbyk 2008

 

…… 二氧化硅
Acematt 3300

(德固赛二氧化硅消光粉3300)

…… 树脂
Irgacure 184 …… 树脂
PL-TPO …… 树脂
Speedcure BEM …… 树脂

 

表3 低聚物CN6513的柔感涂料

  百分比 百分比基数
柔感低聚物 …… 整体
单体稀释剂 …… 整体
分散剂 …… 二氧化硅
Acematt 3300 …… 树脂
PL-HMPP …… 树脂

 

 

图4 低粘度柔感低聚物测试结果

Feel 触感丨Abrasion磨损 丨Pencil Hardness 铅笔硬度丨Solvent Resistance 耐溶剂型丨

Stain Resistance耐污性

 

图5  CN6511相对于CN6510的性能改进

Feel 触感丨Abrasion磨损 丨Pencil Hardness 铅笔硬度丨Solvent Resistance 耐溶剂型丨

Stain Resistance耐污性

 

虽然CN6510具有无与伦比的触感质地,但它在耐用性上有所欠缺。加以优化后,我们研发了新的低聚物CN6511。相比于CN6510,它在铅笔硬度、耐溶剂性和耐污性上都更有优势,甚至比原来的CN6510(图5)更有触感。

 

结论

最新设计的低粘度低聚物可以配制UV固化的柔感涂料,无需配合使用溶剂或水稀释剂。这些低粘度低聚物产生的柔感涂层,其耐磨性优于传统的双组分聚氨酯和单组分水性系统。除了基础低聚物和配方的影响之外,UV固化过程的调整可以进一步增强涂层的柔感效果。纯固体UV固化系统的优势还在于活化期无限长、固化时间短,同时也能减少对配方设计师和转换设备造成的危害。

 

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. Journal of Applied Packaging Research, 7, 1, p. 59-72 (2015).

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, 8, 52 (2014).

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, 34, p. 192-203 (2010).

4   Drujon, X.; Spagnola, L.;  Moeller G. Most Recent Developments in UV-Curable Soft-Touch Coatings. UV and EB Technology, 4, p. 18-23 (2016).

5   Garber, A.; Seggern, E. Tougher Texture: Improving the Performance of Haptic Coatings for Graphic Arts. European Polymer Journal, 66, p. 57-66 (2015).

6   Spagnola, L. ; Klang, J. ; Gupta, M.; Drujon, X. New Advances in UV-Curable Soft-Touch Coatings. Coatings World, 21, 8, p. 54-56 (2016).

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