■羅錦榮，萇姍姍，劉貢鋼，林 斌，楊顯濤，付秋霞，胡進波，劉敬盛,3

近年來，隨著經(jīng)濟發(fā)展與人們生活水平的提升，啞光飾面材料越來越受到人們的青睞，啞光涂層在生產(chǎn)過程中表面會產(chǎn)生微褶皺，這些褶皺使涂層表面具有低光澤，并且在觸摸過程中能夠減少人體皮膚的接觸面積，給人提供愉快的觸覺體驗，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、愉快的觸覺體驗實際上是與涂料及其固化技術(shù)有很大的關(guān)系，當前生產(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飾面產(chǎn)品的保護和裝飾的需求，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和觸覺體驗[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)過涂飾會產(chǎn)生粗糙度不同，繼而就會產(chǎn)生不同光澤的飾面視覺效果[8]，柔和的觸覺感知可以提升用戶在使用產(chǎn)品時的舒適性，豐富了用戶對飾面材料的情感體驗[9-10]。為了降低家具飾面的光澤度和粗糙度，在行業(yè)和科學研究中，主要是對涂料和光固化技術(shù)兩個方面進行調(diào)控[11]，以期達到啞光飾面的效果。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)過涂料固化時使漆膜表面產(chǎn)生不平，有一定粗糙度的飾面能夠吸收部分光波并對可見光產(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選擇特定波長的紫外線裝置，有研究表明在氮氣環(huán)境保護下，172 nm準分子燈光照致涂料固化時保護氣體將涂料隔絕氧氣，后續(xù)經(jīng)過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。

從當前的研究和產(chǎn)業(yè)技術(shù)中發(fā)現(xiàn)，為了實現(xiàn)啞光、柔和的觸覺效果，對涂料進行改進或添加相應(yīng)成分但是增加了涂料成本；對設(shè)備改進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)探索出了針對啞光涂料的254 nm準分子成膜技術(shù)。本研究通過梯度固化方式，利用漆膜在固化過程中的不穩(wěn)定性，采用四紫外光固化方法進行固化，即395 nmLED燈、254 nm準分子燈、UV三燈（鎵燈-汞燈-汞燈），選用啞光涂料中含有多官能基團丙烯酸樹脂能夠在特定波長下發(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準分子能量對多官能基團丙烯酸樹脂啞光涂層表面性能變化的影響規(guī)律，通過工藝參數(shù)的調(diào)控分析單因素和三因素交互等對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丙烯酸樹脂啞光涂料（以下簡稱“啞光涂料”），主要成分：多官能基團丙烯酸樹脂，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PRT-R2213ax、LED燈固化機ZU2513X、UV三燈固化機PRTU3113e、254納米啞光機EX3213M6：廣東瀚秋智能裝備股份有限公司，三角度光澤儀BGD514-3：標格達精密儀器（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EIT紫外輻照計，tinyTracker172輻射能量測量儀：Opsytec Dr. Gr?bel GmbH。

1.2 實驗方法

1.2.1 啞光飾面涂層單因素實驗

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行固化，通過 320 目數(shù)的砂紙對底漆進行打磨；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，通過對LED燈、254 nm準分子燈控制設(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、tinyTracker172輻射能量測量儀進行測量，使涂料在不同能量下進行預固化和交聯(lián)反應(yīng)。并用UV三燈固化機（鎵燈-汞燈-汞燈）進行固化，利用UV Power Puck II紫外輻照計測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燈預固化能量、254 nm準分子燈輻射能量對漆膜涂層粗糙度、光澤度影響規(guī)律，開展單因素試驗，試驗設(shè)計如下：

（1）在LED燈預固化能量400 mJ/cm2，254 nm準分子燈輻射能量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準分子燈輻射能量1000 mJ/cm2下，研究不同LED燈預固化能量（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燈預固化能量400 mJ/cm2下，研究不同254 nm準分子燈輻射能量（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)面法實驗設(shè)計

與前述單因素實驗同樣也采用漆膜梯度固化方式進行響應(yīng)面法設(shè)計的實驗。根據(jù)響應(yīng)面法中的Box-Behnken設(shè)計原則，在單因素的基礎(chǔ)上，選取對涂層表面粗糙度、光澤度有影響的涂料涂布量、LED燈預固化能量、254 nm準分子燈輻射能量進行考察，分別用A、B、C表示（A：涂料涂布量，B：LED燈預固化能量，C：254nm準分子燈輻射能量），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)面方法進行實驗設(shè)計，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 實驗設(shè)計因素編碼與水平

1.3 啞光涂層飾面性能檢測

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 第6部分：光澤測定法》測定，通過三角度光澤儀在85°角下進行測量，每個樣板選取6個不同位置進行測量后取平均值。

1.3.2 粗糙度測量

粗糙度采用表面粗糙度儀SRT-6210對樣板表面涂層進行測量，表面粗糙度儀取樣長度2.5 mm，測量涂層表面輪廓算術(shù)平均偏差（Ra），選取涂層表面6個不同位置進行測量后取平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同因素對涂層的影響

為了后續(xù)響應(yīng)面分析中因素與水平選擇，在基材表面對涂覆啞光涂料后進行不同涂布量、LED燈預固化能量、254nm準分子燈輻射能量下的單因素飾面實驗，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驗，獲得了不同涂料涂布量對涂層粗糙度、光澤度的影響規(guī)律。

由圖1(a)所示，經(jīng)過相同LED燈預固化能量、254 nm準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過程中粗糙度變化較為平緩，基于成本與涂裝效果考慮，認為本研究中不同涂布量對涂層表面粗糙度的影響較小。

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

■圖1 (b)所示為LED燈預固化能量對涂層粗糙度、光澤度影響規(guī)律圖。隨著LED燈預固化能量的升高，粗糙度逐漸減小，光澤度逐漸升高，這是由于LED燈波長在395 nm，對涂層穿透性較好，主要對底層面漆起到固化作用；隨著LED燈預固化能量增加，面漆固化程度升高，而在254 nm準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，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一步證明了漆膜表面褶皺效應(yīng)變?nèi)?。因此，預固化階段可以通過調(diào)節(jié)LED燈的輻射能量，控制面漆從底到面的固化程度，進而影響面漆在254nm準分子紫外光下交聯(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準分子燈輻射能量對涂層粗糙度、光澤度影響規(guī)律圖。隨著254 nm準分子燈的輻射能量增加，涂層表面的粗糙度先上升后下降；而對應(yīng)的涂層在85°角下的光澤度隨著254 nm準分子燈的輻射能量增加先逐漸下降而后幾乎沒有變化。這是由于在一定涂布量和預固化能量下，隨著254 nm準分子燈能量的增加，面漆受到更強的輻射能量，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，這是由于隨著254 nm準分子燈輻射能量的升高，涂層上表面在一定能量254 nm準分子燈下（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)面法實驗設(shè)計與結(jié)果

對各因素交互影響漆膜涂層粗糙度、光澤度采用Box-Behnken實驗設(shè)計，選取涂層表面粗糙度、光澤度作為響應(yīng)值。實驗設(shè)計與結(jié)果如表2所示：

表2 響應(yīng)面實驗設(shè)計及結(jié)果

根據(jù)表2中的實際值，利用Design Expert13軟件對實際值進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），通過選用的Y1、Y2模型進行方差分析驗證，結(jié)果見表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，失擬項不顯著(P=0.7228＞0.05)，說明模型能夠很好擬合粗糙度與各因素之間的關(guān)系。通過模型的相關(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%來源所選變量，即涂料涂布量、LED燈預固化能量、254nm準分子燈輻射能量。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。由失擬項可知，大約有0.4641%的變異情況不能用該模型來解釋?；貧w方程中各變量對粗糙度的影響顯著性可由F檢驗來判定，概率P(Prob＞F)的值越小，則相應(yīng)變量的顯著程度越高。通過表3可知，涂布量（A）、LED燈預固化能量（B）、254 nm準分子燈輻射能量（C）P值＜0.01，表明涂料涂布量、LED燈預固化能量、254 nm準分子燈輻射能量對粗糙度影響極為顯著；各參數(shù)對涂層表面粗糙度的影響大小順序依次為LED燈預固化能量＞涂料涂布量＞254nm準分子燈輻射能量。在二次項中B2影響極為顯著，A2影響較為顯著，其余因素對粗糙度影響不顯著。

表4 對光澤度(Y2)模型方差分析可知，模型擬合P＜0.0001顯著，失擬項為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，說明響應(yīng)值光澤度的影響有97.76%來源于所選變量，模型能夠很好地描述光澤度與涂料涂布量、LED燈預固化能量，254 nm準分子燈輻射能量之間的關(guān)系。由表4可以看出，254 nm準分子燈輻射能量（C）＜0.05，對涂層光澤度影響顯著，LED燈預固化能量（B）、涂料涂布量（A）＜0.01，對涂層光澤度的影響極顯著；表明涂層光澤度主要受LED燈預固化能量和涂料涂布量的影響。各因素對涂層光澤度的影響順序依次為LED燈預固化能量＞涂料涂布量＞254nm準分子燈輻射能量，二次項中A2、B2均＜0.05，影響較為顯著，其余因素對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?？梢灾庇^地反映各因素交互作用對漆膜表面粗糙度、光澤度的影響，等高線的形狀反映出兩因素交互作用下對涂層粗糙度、光澤度的影響強弱；響應(yīng)曲面3D圖表征響應(yīng)面函數(shù)的形狀，曲率越大說明因素交互作用對粗糙度、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過程中，隨著LED燈預固化能量的降低，粗糙度、光澤度的響應(yīng)曲面呈現(xiàn)明顯變化，說明LED燈預固化在100 mJ/cm2-300 mJ/cm2時，涂層粗糙度、光澤度受LED燈預固化能量影響顯著；可以看出，隨著LED燈預固化能量逐漸減小，涂布量逐漸增大，粗糙度增幅越大，這是由于在越小的預固化能量下，更多的涂料在254 nm準分子燈作用下發(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燈預固化能量和涂布量的交互作用對涂層表面粗糙度、光澤度的影響顯著。從圖2（b）、（e）中可知，在254 nm準分子燈輻射能量和涂布量交互作用下，254 nm準分子燈輻射能量從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，說明兩者交互作用對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燈預固化能量和納米準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燈預固化能量和254 nm準分子燈交互作用對涂層的影響顯著；LED燈預固化能量從100 mJ/cm2-300 mJ/cm2變化過程中，粗糙度減小且呈現(xiàn)驟減的趨勢，涂層光澤度逐漸變大且增幅大，這是由于LED燈預固化能量能夠影響涂層的固化程度，LED能量越小，啞光涂料的預固化程度越低，能夠在254 nm準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粗糙度、光澤度影響：(a, d) 涂料涂布量與預固化能量交互作用對粗糙度、光澤度影響；(b, e)涂料涂布量與254nm燈輻射能量交互作用對粗糙度、光澤度影響；(c, f) 預固化能量與254nm燈輻射能量交互作用對粗糙度、光澤度影響

3 結(jié)語

本研究對含有多官能基團丙烯酸樹脂的啞光涂料進行了面漆涂布量、LED燈預固化能量、254 nm準分子燈輻射能量三個因素的單因素實驗，分別研究其對涂料飾面表面粗糙度、光澤度的影響規(guī)律；再通過3因素3水平響應(yīng)面實驗法，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)學模型，得到涂料涂布量、LED燈預固化能量、254 nm準分子燈輻射能量三因素交互作用下對面漆粗糙度、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驗結(jié)果表明，隨著涂料涂布量、LED燈預固化能量的升高，涂層表面粗糙度下降，涂層的85°角光澤度逐漸升高，且LED燈預固化能量對涂層表面效果的影響較涂料涂布量明顯；而隨著254 nm準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254 nm燈輻射能量1400 mJ/cm2時再增加輻射能量對85°角光澤度幾乎沒有變化。

（2）響應(yīng)面法實驗設(shè)計建立了粗糙度、光澤度與選定影響啞光飾面各因素之間的數(shù)學模型，模型分析結(jié)果表明，所選的三個因素對粗糙度、光澤度的影響順序依次為LED燈預固化能量＞涂料涂布量＞254 nm準分子燈輻射能量；其中LED燈預固化能量和涂料涂布量對涂層粗糙度、光澤度的影響極顯著，254nm準分子燈輻射能量對涂層粗糙度影響極顯著，對光澤度影響顯著。在各因素交互影響中，LED燈預固化能量分別與涂料涂布量、254 nm準分子燈輻射能量交互作用對涂層粗糙度、光澤度的影響極顯著。方差分析結(jié)果也進一步驗證了涂料涂布量、LED燈預固化能量、254nm準分子燈輻射能量對涂層表面粗糙度、光澤度的影響規(guī)律。