“肤感”涂层形成机制及其在家具中的研究现状与发展趋势

冯鑫浩，陈晶宇，吴智慧，吴燕，甘健

(南京林业大学家居与工业设计学院，南京 210037)

1 肤感概述

肤感，即人体皮肤与外界发生接触时人们获得的所有感受，主要为触觉和视觉上的综合感受，它是超越了对物体实际感受的人与物之间的一种情感体验[1]，所以肤感的产生主要是具有特殊结构和性质的物体如表面形貌(立体纹理、凹凸)、表面摩擦、弹性、柔韧性、压缩性、密度及热学性质，在与皮肤接触时使人产生柔软、饱满、温暖、舒适等感受[2-5]。

目前，对肤感的研究较多集中于化妆品、纺织品、皮革等领域，主要是从化妆品、纺织品、皮革对人体产生的爽滑、柔顺、软硬等感受来评价它们的肤感水平。如Bekker等[6]对不同成分凡士林面霜的肤感进行测试，通过15个专业人员的亲自测试来评价不同面霜的肤感情况，发现含有合成蜡的面霜要比不含合成蜡的面霜体现出更好的丝滑和轻盈感；Sun等[7]采用捏、折压、轻抚、拉拽、抓取的方式对纺织品的手感进行评价，并结合客观测量和建模拟合对这些主观评价进行验证，证实主观评价在一定程度上能够真实反映纺织品的肤感好坏；郑晴等[8]对涂覆整理剂前后合成革的手感情况进行主客观评价，通过织物手感仪对合成革弹挺度、平展度、柔顺度、滑爽度等性能的测试，结合人工盲评(触摸和揉搓等方式)来综合评价涂覆整理剂前后合成革的手感。

相对于化妆品和纺织品较为成熟的肤感研究，肤感在家具中的应用研究还处于家具表面肤感涂层(即肤感层，也称皱纹涂层、哑光涂层、橘纹涂层)的研发与制造阶段，目前大多数研究主要集中于对肤感涂层的制备以及对其结构和性能的表征与检测[9-11]。肤感涂层主要是在固化过程中由于表面和内部反应条件的不同，使固化涂层产生一些特定的纹理或凹凸结构，这些结构在与人体接触时能够产生类似纺织品的主观感知。如图1所示，天然棉纤维的扭曲结构和特殊表面纹理使其能够产生柔软、蓬松、温暖的手感(图1a和b)[12]，而经过化学反应制得的皱纹漆表面也能够形成褶皱、凹凸、波纹、沟槽等类似的结构(图1c～h)[13-17]，而且通过调配皱纹漆的成分和反应条件，可以有效控制皱纹的大小和形貌(图1g和h)[17]。通过对肤感涂层形成机制的深入研究将为肤感家具的研制奠定基础。

a、b)棉纤维的表面形貌；c)自消光水性聚氨酯涂层表面形貌；d)低光泽度丙烯酸树脂膜的表面形貌；e)聚氨酯/丙烯酸树脂复合涂层的表面形貌；f)含生漆的光固化褶皱涂层的表面形貌；g)UV-固化褶皱涂层的表面形貌(两种预聚物比例为10∶0)；h)UV-固化褶皱涂层的表面形貌(两种预聚物比例为7∶3)。

2 肤感的形成机制

如前文所述，肤感主要是由于物体表面特殊结构(褶皱、凹凸)的存在使人体皮肤产生一定自我感知，所以肤感的产生关键在于表面特殊结构的形成，即皱纹的形成。皱纹的形成根据内外因素主要分为两大类：外力成型和自发成型。

2.1 外力成型

外力成型主要指具有肤感的特殊结构是在外力作用下形成的，常见的方法有压印成型和应力释放成型。

2.1.1 压印成型

压印成型主要是借助模具将其表面特有的结构转印到膜表面，再将膜贴于产品表面，使产品具有一定的肤感性能。为使聚对苯二甲酸乙二酯(PET)表面具有超疏水自清洁功能，Li等[18]采用纳米压印的方式将带有纳米凹凸结构的模具先在全氟聚醚(PFPE)和PET复合膜表面进行转印，然后再将这种凹凸结构转印到涂覆光敏树脂的PET表面，在UV照射下光敏树脂固化定型，脱除模具后再在光敏树脂表面涂布一层润滑剂，最终获得超疏水的PET膜，如图2所示。

a)压印成型机理；b)压印成型工艺过程；c)压印成型的PET表面形貌。

2.1.2 应力释放成型

应力释放成型主要是基于基体材料的形状记忆功能，在预拉伸的基体材料表面涂布一层表层材料，当基体材料恢复原始形状时表层材料受压而形成皱纹结构，如图3所示。Schauer等[19]对形状记忆聚合物(SMP)进行拉伸后在其表面旋涂一层聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)薄膜，接着对SMP加热处理使其恢复原始形状，PMMA薄层受到基体回弹压缩力的作用产生皱纹，这些皱纹的尺寸(微纳结构)可以通过PMMA薄层的厚度来控制，这将为结构和性能可调控的肤感涂层制备提供良好的条件。

a)形状记忆聚合物表面微纳米皱纹的成型机理；b～d)皱纹尺寸可通过旋涂涂层(PMMA，聚甲基丙烯酸甲酯)的厚度来控制。

虽然外力成型能够快速制备皱纹结构使产品获得一定肤感性能，但其只能加工平面产品或先加工具有皱纹表面的膜材料再将膜贴于产品表面，这些产品由于微观纹理结构的限制，其肤感性能有限；同时由于皱纹膜材料的制备工艺复杂、耐久性不高，所以又会导致这类肤感产品的生产成本增加。

2.2 自发成型

自发成型主要是涂布到产品表面的肤感涂层(皱纹漆)在固化过程中由于表层与内部产生力的不平衡而使表层产生皱纹。相比于外力成型，自发成型的肤感涂层形貌可控，皱纹尺寸可调，且可以在产品表面一次成型，生产成本低。通常自发成型根据主导因素的不同又可分为热应力法、膨胀法和相分离法3种。

2.2.1 热应力法

当肤感涂层不同相之间的热应力大于其所能承受的压缩应力时，肤感涂层就会产生褶皱[20]。如图4a所示，加热的聚二甲基硅氧烷发生体积膨胀，保持其膨胀状态并在表面涂覆一薄层金(50 nm)和钛(5 nm)，自然冷却后去除玻璃底座，再加热到110 ℃后冷却，最后得到皱纹均匀的肤感涂层[21]。

两层以上的肤感涂层在发生褶皱时，每一层的纹理变形基本一致，但纹理方向变化随机，没有规律性。如图4b所示，在有机发光二极管表面涂布4层不同薄层时，其表面的纹理变形规律一致，从表面形貌可以看出，二极管表面的纹理尺寸比较均匀，但方向变化没有规律性[22]。

当给热变形的肤感涂层施加外置模具时，加热变形的肤感涂层会随模具的形状发生形变，最终使肤感涂层形成与模具一致的纹理。所以，肤感涂层的纹理可以根据不同性能或功能要求进行人为调控以满足不同肤感需求。如图4c所示，在涂布金属涂层的聚合物表面放置聚二甲基硅氧烷模具，加热聚合物时金属涂层随聚合物发生形变，且形状趋于模具的形状，最终使聚合物的金属涂层形成有规律的纹理(图4c，右)[23]。

2.2.2 膨胀法

膨胀法主要是肤感涂层聚合物在化学反应过程中，厚度方向产生膨胀或收缩梯度，导致表层与内部形成压缩或拉伸应力差(渗透压)，进而形成褶皱纹理。这种渗透压可以通过溶剂扩散动力学、聚合物交联密度、微流通道来控制，从而有效调控纹理的大小和肤感效果[24-27]。

肤感涂层的膨胀收缩可以在液相或者气相介质中进行，但不管是哪种介质，其褶皱产生的核心还是梯度应力在肤感涂层厚度方向上的扩散。在液相介质中，如环氧树脂和丙烯酸树脂的双组份体系，当两者比例均匀时，双连续相结构中两种树脂相对分散均匀，高模量的环氧树脂固化收缩产生内应力，而低模量的丙烯酸树脂则为平衡这一内应力发生柔性变形，进而形成褶皱[10,20]。如图5a所示，对UV固化的芳环材料进行乙二醇接枝改性得到不同链段长度的预聚物，由于预聚物3a和3e为固体，所以只能用3b～d液体预聚物来制备褶皱涂层。在UV照射前期，预聚物表层形成一层较硬薄层，这层硬薄层在UV照射后期被继续固化的预聚物产生的压缩应力压缩形成褶皱纹理(图5a，下)，而预聚物分子链不同，所形成的褶皱纹理也有所区别(图5a，右上)；同时，当采用3e和3c的复合体系制备褶皱涂层时，涂层形貌可以通过调配二者比例得到有效控制[17]。在气相介质中，UV固化树脂在聚合反应时，表层树脂由于受到氧气的阻聚作用发生不完全收缩，而下表层树脂则聚合完全，两层之间形成收缩梯度而产生应力差，进而致使表层被压缩并产生褶皱[28-29]。如图5b所示，这种氧气阻聚形成的褶皱形貌可以通过UV固化层的厚度、氧气浓度来调控，同时在UV固化涂层表面外置特定模具，通过模具与固化涂层的接触面积来控制氧气浓度，从而对这种固化涂层的褶皱形貌进行进一步调控以满足不同性能和功能需求[28]。

2.2.3 相分离法

相分离法主要是聚合物复合体系(如水与聚合物体系、不同聚合物的复合体系)中不同组分在一定条件下发生分离使涂层产生肤感效应[13,15]。例如，利用水性聚氨酯树脂制备的肤感涂层，其成型原理是水性聚氨酯树脂被均匀涂布于基体表面时，树脂中混合的AAS盐颗粒在树脂表层随机分布，当水分蒸发后，树脂发生固化收缩，这些颗粒被固定在涂层表面从而形成具有凹凸结构的肤感涂层；但随着AAS盐含量的增加，树脂亲水性和交联密度增加，导致涂层凹凸结构逐渐减小，涂层肤感效果逐渐消失(图6a)[13]。在水性聚氨酯和丙烯酸树脂的复合体系中，当添加不同链段的丙烯酸树脂时，复合涂层表现出不同的褶皱效果(图6b，上)，这主要是由于聚丙烯酸酯与水性聚氨酯的不相容产生相分离所致；从二者复合体系的原子力显微镜断面相分布可以看出(图6b，下)，图中较暗的部位为软链段(聚氨酯)，较亮部位为硬链段(聚丙烯酸树脂)，亮暗界线明显，软硬链段在复合树脂固化过程中彼此间产生不平衡应力，从而导致褶皱的形成[13]。

3 肤感家具及其成型与评价

3.1 肤感家具

狭义地讲，肤感家具即涂布肤感涂层或表层覆盖肤感材料(如皮革、织物)的家具。其中，由于涂布肤感涂层的肤感家具所涉及的家具种类较多，所以一般所说的肤感家具主要指涂布肤感涂层的家具。与其他非肤感家具相比，肤感家具能营造一种温馨舒适的环境，给人以温暖愉悦的感觉。虽然，肤感家具优越的交互性能已经引起广大消费者、家具企业及相关研究人员的广泛关注，但目前对肤感家具的研究较少，肤感家具的成型机制、评价方法、应用范围等体系还亟待进一步完善。所以，本节主要在前文研究肤感涂层成型机制的基础上，对肤感家具的成型方法、评价及应用进行归纳总结，以期为肤感家具的研究、生产、评价和应用奠定理论基础。

3.2 肤感家具的成型方法

根据肤感涂层的形成机制，肤感家具的成型可分为模压法和涂饰法。

模压法即先将肤感涂层预制在一层薄膜上，再将薄膜压贴于家具表面；或预先将一层薄膜压贴于家具表面，而后在薄膜表面进行模压，使薄膜表面获得具有一定褶皱纹理的肤感涂层。模压法与传统家具表面装饰类似，是将一层或几层预制的装饰纸通过热(冷)压的方式胶贴于家具表面，所以模压法工艺复杂，环保性低，且肤感效果主要由模具决定，肤感性能有限。

涂饰法主要是以自干型涂料(如水性聚氨酯)或UV固化型涂料(如聚丙烯酸酯)为肤感涂层主要成型材料，通过涂刷、喷涂等传统涂饰方式将涂料涂覆于家具表面[30]，涂料在干燥或固化过程中产生机械不稳定性，从而使家具表面涂层形成褶皱纹理，进而使家具表现出一定的肤感性能。肤感家具的涂饰成型与传统家具涂饰工艺相似，主要区别在于涂料的成型机理，传统涂饰中涂料可以在家具表面形成均匀光滑的涂层，而肤感家具中涂层在成型过程中存在厚度方向的应力梯度，使得肤感涂层产生褶皱纹理[31]。涂饰法是目前制备肤感家具应用较多的一种方法，主要原因在于涂饰法工艺简单、成型性好、肤感性能可控。

3.3 肤感家具的评价

3.3.1 评价原则

目前对家具肤感性能评价的研究较少，多数研究还处于肤感涂层的制备和表征阶段，对肤感家具的评价体系还有待进一步完善。所以对家具肤感性能评价时，主要借鉴木材视-触觉主观评价和织物手感客观评价的评价方法，秉承主客观评价相结合、相协调的基本评价原则，给出对家具肤感性能的合理评价。

3.3.2 主观评价

Overvliet等[32]利用视-触觉来定量评价木材和仿木材材料的天然性，主要通过实验人员看-触摸木材时所表现的心理反应，再结合木材的物理特性，实验人员从主观上对材料的特性进行评价，评价方法包括：等级分类法(如用数据表示等级0=没有天然性；1=天然性很少；2=有点天然性；3=中等天然；4=非常天然；5=极其天然；6=完全天然)、量值估计法、二元决策法、等级排列法。Fujisaki等[33]通过触觉感知对20种材料(天然木材、加工木材、仿木材)的人体感知和情感性能进行测试，测试以问卷的形式，其中触觉感知包括：粗糙与平滑、软硬、冷暖、轻重、干湿、稀疏与密集，情感性能包括：真假、贵贱、整洁与肮脏、新旧、愉悦与否、紧张与放松、强健与软弱、常见与稀有、简单与复杂、有趣与否、喜欢与讨厌。

3.3.3 客观评价

相对肤感家具，对织物肤感性能的研究较为全面，而家具和织物在人们日常生活有众多交集，如软体家具(沙发和床垫)中的大部分材料，尤其是面料主要由织物构成。所以家具与织物在肤感性能评价方面具有一定的相似性。因此，对家具肤感性能的评价可以借鉴织物肤感性能的评价方法。

由于对织物肤感性能的主观评价存在不稳定性和非定量性[34]，所以人们研发了对织物肤感性能的客观评价方法，常见的有KESF(Kawabata evaluation system for fabric)法、FAST(fabric assurance by simple testing)法及PFE(PhabrOmeter fabric evaluation system)法[2,4,35-36]。这些方法的主要原理是通过特定仪器对织物相关物理力学性能参数进行测试，结合主观评价数据，建立一套量化的体系来系统评价织物的肤感性能，这些方法能够有效克服主观评价存在的缺陷，已成为织物肤感评价的主要方法。然而，这些方法在进行织物物理力学参数测试时需要用到不同的仪器，测试过程复杂且难以结合消费者的主观感知来有效预测织物的肤感性能。所以，在这些客观方法的基础上，研究者们又进一步研发了简单、方便且有效的织物肤感评价方法，如CHES-FY(comprehensive handle evaluation system for fabrics and yarns)法[37]和QIHES-F(quick-intelligent handle evaluation system for fabrics)法[7]。以QIHES-F法为例，其主要原理是通过仪器测试，可同时获得织物的厚度、压缩性能、弯曲性能、摩擦性能及拉伸性能等参数(图7a)，分别对这些性能建模预测，发现模型与实际测量值高度相关；此外，通过主观对织物柔软度、硬挺度、爽滑度和松紧度等肤感性能的评价(图7b)，并利用肯德尔和谐系数对主观评价进行量化处理[38]，以此建立模型，发现实际主观评价也与模型预测值高度相关；最后，对比主客观评价的结果，证明二者对织物肤感性能的评价具有一定相关性，说明通过QIHES-F法能够对织物的肤感性能做出正确的评价。

a)机械客观评价的主要原理；b)主观评价的基本手势和评定等级。

因此，对家具肤感性能的评价可以借鉴织物肤感性能的测试和评价方法，首先通过相关仪器设备对肤感家具表面肤感涂层的厚度、粗糙度、硬度、压缩韧性、摩擦性能、拉伸性能等物理力学性能进行测试，并建立模型对肤感涂层性能进行预测；同时，采用摸、拉、捏、压、抓等主观行为对肤感涂层进行评价，对评价结果量化处理并建立模型来预测主观评价的准确性；对比研究主客观评价预测模型的相关性，进一步量化和精准表达肤感家具的真实肤感性能。

4 肤感家具的应用与发展趋势

4.1 肤感家具的应用

随着人们对家具使用性能要求的提高，家具的肤感性能越来越受到人们的喜爱和重视。肤感家具不仅能营造一种温馨舒适的环境，而且与人体接触时还能给人以温暖愉悦的感觉。所以，肤感材料如合成皮革、肤感板(涂饰肤感涂层的木质人造板材)已经被用来生产沙发、坐垫、墙板、衣柜、橱柜等家具(图8)，甚至，肤感膜还可以与木塑复合材料复合制备肤感木塑线条用于室内装饰(图8c)。从图8d、e和f可以看出，利用肤感板制作的室内墙板、衣柜和橱柜除了具有哑光效果外，还能够营造出一种温暖、舒适、雅致的氛围，对人们高质量的日常生活起到不可忽视的作用。

a)肤感皮革；b)肤感板；c)肤感木塑线条；d)肤感墙板；e)肤感衣柜；f)肤感橱柜。

4.2 肤感家具的发展趋势

虽然肤感家具已经在人们的生活、工作、学习当中崭露头角，但对肤感家具的研发、生产以及评价还有待进一步深入研究。

4.2.1 家具肤感性能的研发

目前对家具肤感性能的研究较少，多数还处于针对哑光家具的研究阶段，所以需要在哑光家具的基础上对家具的肤感性能深入研究。一方面，研究肤感涂层在不同家具材料表面的成型机制；另一方面，研究家具表面肤感涂层的褶皱成型机理及其肤感效果。这些研究将为扩大肤感家具的生产规模奠定坚实的基础。

4.2.2 肤感家具的生产

目前，肤感家具的生产主要采用模压法(如平贴线法和膜压线法)将肤感膜或褶皱纹理压贴于家具表面，这种生产方法工艺复杂、环保性低、生产成本高，这在一定程度上限制了肤感家具的广泛应用。虽然目前市场存在采用涂饰法制作的肤感家具，但涂料在固化过程中褶皱的成型机制尚不明确，且传统涂饰工艺还不能完全满足肤感涂层的制作要求。所以，新型肤感家具制作方法和生产设备的研制将是肤感家具广泛应用的关键。如对传统UV涂饰生产线进行适当改造以满足肤感家具的涂层褶皱成型和控制需求；联合UV-3D打印技术，借助3D打印技术自由设计、精度高、成型快等优势，对家具表面的褶皱纹理进行定向定量设计并通过3D打印成型[39]，从而实现多样式肤感涂层的制备。同时根据不同消费者的需求，应用3D打印技术实现肤感家具的个性化定制，最终实现肤感家具的规模化生产。

4.2.3 肤感家具的评价

家具肤感性能的优劣主要取决于使用者的实际感受，目前对肤感家具的评价主要是根据消费者的主观反馈来判定家具肤感性能的高低。这种评价方法具有一定的主观臆断性，缺乏量化的标准来界定肤感性能的优劣。参照织物肤感性能的客观评价方法，首先采用仪器对肤感家具的肤感参数进行准确测量，在此基础上结合量化的主观评价，以及数学模型的运算，从而对肤感家具做出准确的评价，这种类似的客观评价方法将会成为未来正确评价肤感家具的首要选择。因此，建立健全肤感家具的评价体制和测试标准是未来肤感家具生产体系中必不可少的重要环节。