用于运动鞋等应用的光敏触感涂料

作者 Lun Jin、Yongze Wu 和 Thomas W. Schmidt；福建华峰新材料有限公司，中国福建

近年来 ， 水性、高固体分、3D触感涂料 1 在市场上取得了巨大成功，它的主要应用领域是运动鞋。在多层3D涂层上形成令人兴奋的多色效果，结合触感效果和高性能特性，可实现全新的功能设计自由。

目前，新型光敏触感涂料被引入市场。这些涂料基于全水性聚氨酯（PUD）树脂，具有高弹性、柔韧性和优异的粘结性能，通常应用于纺织基材。基于纳米氧化石墨烯颗粒——氧化石墨烯（GO）纳米颗粒——可以开发出高光敏涂层。掺杂氧化石墨烯的触感层显示出高透明度，几乎无色。当掺杂氧化石墨烯的涂层暴露在自然阳光或人工紫外光下时，氧化石墨烯纳米层会启动化学还原过程，生成黑色还原氧化石墨烯(RGO)纳米层。 2，3 相对较大的sp2岛形成了，完全改变了这些涂层的吸收性能，并将它们(随着时间的推移)变成了深黑色。通过使用遮罩装置，运动鞋上的涂层可以部分暴露在紫外线下，并且可以通过选择性的紫外线暴露来创建设计图案。此外，GO掺杂的触感涂层可以用标准颜料或彩虹特效颜料进一步着色。在UV照射期间，可以实现创造性的色彩变化效果，并随着时间的推移改变表面外观。

介绍

顾客首先会被产品的视觉外观所吸引。因此，运动鞋的色彩设计在产品销售中起着至关重要的作用。漂亮的颜色或合适的颜色组合会使产品成功。如今的消费市场需要对产品的情感刺激，如果产品没有独特之处，那么很快会让人产生审美疲劳。光敏触感涂料通过改变颜色来响应环境 和 消 费 者 的 使 用 习惯，增加了一种生动的色彩效果。每当光敏触感涂层暴露在阳光下，就会开始一个缓慢的颜色变化过程，涂层会逐渐变暗。若用在运动鞋上，鞋子的颜色会在每个阳光明媚的日子里有所不同。颜色会随着时间的推移而逐渐变化，消费者每天都可以观察到颜色的变化，好奇地等待看到最终色彩。

在消费产品大规模个性化的新趋势下，光敏触感涂料为运动鞋等产品的个性化购买点开辟了更多的机会。蒙版纸可以在商店里直接进行数字切割，而单个设计可以通过紫外线照射装置进行创作，激发灵感，让顾客产生一种参与制鞋过程的感觉。这可以增加顾客和他/她的鞋子之间的互动，实现真正的个性化定制。

光敏触感涂料的应用

光敏触觉涂层的应用基本上与成熟的触感涂层的方式相同——采用手动或自动丝网印刷技术。 4 本文所讨论的工艺，对丝网印刷工艺进行了改进，可使底漆的涂层厚度达到0.2-1.2mm。多层堆积，形成一个三维结构涂层——可能兼具多种颜色和多层效果。通常，触感涂层应用于纺织材料，如聚酯或尼龙纤维，常用于运动鞋领域。为了获得最佳的光敏色彩效果，我们开发了一种特殊的涂层，如图1所示。首先涂施多层透明底漆，形成所需的3D涂层效果，并确保与织物具有最大的粘结强度。在底漆的上面，先涂上第一层颜色涂层，通常为白色，以保证最终颜色的一致性。采用GO掺杂的光敏层作为主要效果涂层，在整个3D涂层系统中提供颜色变化机制。通常，GO层的厚度为0.2毫米，以产生强烈可见的颜色变化，可以选择性涂施一层薄的彩虹色涂层作为最终面漆。彩虹色尤其有趣，因为他们在黑暗的背景下具有强烈的可视性。当然，最终面漆也可以进行变化，以提供其他触感效果，如柔软的触感、粗糙的触感和哑光或光泽效果等等。

GO涂层的紫外光敏机制分析

在光敏触感涂层体系中，GO涂层是变色过程中最重要的部分。众所周知，氧化石墨烯在紫外光下会逐渐还原，还原过程中会发生从浅黄色到深黑色的颜色转变。然而，到目前为止，关于如何在日常生活的消费产品中利用这种颜色变化还没有很多想法。为了研究氧化石墨烯涂层的光敏机制，我们在水性聚氨酯分散体（WPU）中加入0.02wt%的氧化石墨烯，制备了膜厚为0.2mm的GO涂层，该涂层为淡黄色，外观看上去几乎无色。将氧化石墨烯涂层的部分用蝶形测量仪所覆盖，然后用紫外光照射30分钟，结果如图2a所示。未覆盖的蝶形图案变为一种非常深（接近黑色）的颜色。图2b显示了样品明暗区的拉曼研究结果。未经UV处理的样品结果标记为WPU/GO，暗区标记为WPU/RGO，相应的ID/IG值分别为1.00和0.98。这明显表明，GO表面的一些含氧官能团已被去除，氧化石墨烯在紫外线照射下的光化学还原作用减弱。

色彩设计与特点

通过将光敏触感涂料与其它颜料相结合，可以创造出令人兴奋的色彩设计，颜色在阳光下会逐渐改变，在紫外线照射下会明显变暗。为了创造伟大的消费品，色彩开发必须从两个方向着手：1）紫外线照射前的初始颜色需要有吸引力，达到最初的购买决定；2）最终较深的颜色也需要非常有吸引力，以保持消费者对产品的满意度。

彩虹色颜料具有很好的变色效果，有趣的是，彩虹色颜料在明暗背景下的颜色外观非常不同。除了它们的虹彩效果外，虹彩颜料在浅色背景上会显示出高透明的浅色光泽，在深色背景上会显示出独特的深色效果（如深紫色、深蓝色和深绿色）。图3显示了在黑白样板上的涂层效果，能清楚看到因背景色引起的颜色变化，光敏触觉涂层现在可以用于充当背景色，GO掺杂的涂层基本上是半透明的。因此，在我们的标准涂层中，放置一层白色的涂层在掺杂氧化石墨烯的涂层下面，在施加紫外线辐射之前，感光涂层体系将因此显示出浅色、彩虹色的外观，经紫外线照射后，GO掺杂层会变暗，最终变黑。随着GO掺杂层的逐渐变暗，面漆的彩虹色也会变得更加明显，并最终达到黑色背景上的颜色。

图4显示了在紫外线暴露前后的色彩汇总效果。由此可见，初始色始终是浅色，UV曝光后的最终色是深色，呈现出强烈的色调。

颜色随时间和紫外线强度的变化而变化

对于光敏触感涂层的实际应用来说，了解从初始颜色到最终颜色变化的条件和时间是很重要的。因此，我们研究了紫外光强度、时间和温度对颜色变化的影响。下页表1对该结果进行了总结。

所得结论如下：1）较高强度的紫外光缩短了变色时间；2）与连续紫外光照射相比，频繁应用的不连续暴露需要更多的时间来改变颜色；3）在没有紫外光的情况下，即使温度高达80℃，涂层颜色也不会发生变化。

考虑到该涂层首次应用于运动鞋，并考虑到消费者使用跑鞋的正常习惯，运动鞋上的涂层可能需要100天左右才能完全变色。显然，完全颜色变化的时间很大程度上取决于气候区域、使用时间和当地天气条件，但研究发现，户外运动鞋的颜色变化范围很有趣。

运动鞋的个性化

光敏触觉涂料不仅可以实现运动鞋的渐变色，还可以用于定点定制，具有光敏涂层的鞋子可以高效地实现大批量生产。品牌和零售商可以在店内安装数码切割机和紫外线灯箱，数字切割机可以快速切割任何形状的掩蔽纸和个性化的客户设计。在强烈的人工紫外光照射下，被遮盖的光敏涂层可在几分钟内变色。在商店内，一个单独鞋子的设计可以在不到30分钟内完成。图5显示了用这种方式创造的一些单独的设计。

致谢

作者感谢华峰触觉涂层团队卓有成效的讨论和支持，同时也感谢我们在厦门和福州的科学合作伙伴对所有石墨烯相关话题的持续支持。

参考资料

1 Schmidt, T.W.; Fang, V.Z. HAPTIC - a New Additive Manufacturing Technology, Proced. of the 2nd conf. on Proceeding in Additive Manufacturing, 2016:
97, ISSN:2424 8967 :doi:10.3850/2424-8967_V02-3251.
2 Matsumoto, Y.; Koinuma, M.; Kim, S.Y.;Watanabe, Y.; Taniguchi, T.; Hatakeyama, K.; Tatei-shi, H.; Ida, S. Sim- ple Photoreduction of Graphene Oxide Nanosheet under Mild Conditions[J]. ACS Applied Materials & Interfaces, 2010, 2(12), 3461-3466.
3 Williams, G.; Seger, B.; Kamat, P.V. TiO2-Graphene Nanocomposites. UV-Assisted Photocatalytic Reduction of Graphene Oxide [J]. ACS Nano, 2008, 2(7),
1487-1491.
4 www.hapticcoating.com

了解更多信息，请发邮件至thomas.schmidt@huafeng-cn.

本文收录在《PCI中文版》杂志2021年2/3月刊中