摘要

為制備高物性汽車座墊革,應用響應曲面法,對涂飾工藝進行優(yōu)化?以涂飾工藝配方中的丙烯酸樹脂?聚氨酯樹脂?交聯劑用量為影響因素,以耐干擦性能?耐濕擦性能?耐磨耗性能?耐折牢度?粘著牢度等評價指標組成的綜合性能為響應值,通過Design-Expert13進行試驗設計,對試驗結果進行分析擬合,得到回歸模型,利用模型分析?驗證得到最佳工藝?試驗結果表明,高物性汽車座墊革的最佳涂飾工藝為:丙烯酸樹脂用量175g/kg,聚氨酯樹脂用量150g/kg,交聯劑用量25g/kg,成革綜合性能指標最優(yōu),滿足汽車裝飾用皮革標準(QB/T2703—2020)要求?

關鍵詞：響應曲面法;汽車座墊革;汽車裝飾革;涂飾工藝;優(yōu)化

作者：韋永紅1,2,林可心1,2,劉琳1,2,溫會濤1,2,但衛(wèi)華1,3?,蔡一雷1,2

1.福建省皮革綠色設計與制造重點試驗室,福建晉江

2.興業(yè)皮革科技股份有限公司國家企業(yè)技術中心,福建晉江

3.四川大學制革清潔技術國家工程研究中心,四川成都

近年來,各大品牌汽車銷量越來越大,真皮汽車革的消費需求也呈上升的趨勢,汽車內飾革的發(fā)展前景非常樂觀[1]?汽車內飾革包括方向盤?客門板?表盤?車內頂?后窗板等,不過用革量最大的是汽車坐墊[2]?汽車座墊革是一種高品質?高性能?高技術含量的汽車內裝飾材料,比其他用革要經受更為嚴格的檢測,不僅檢測的項目更多,而且檢測要求的標準也更高[3],需滿足QB/T2703—2020《汽車裝飾用皮革的標準要求》(表1)?與其他皮革產品相比,汽車座墊革具有許多特殊的性能要求,如要求抗霧化?耐有機溶劑?阻燃?耐磨?耐折?耐干濕擦?長時間日曬不變色等[4],其中粘著牢度?耐熱曝曬?耐折?耐磨擦?耐汗?耐有機溶劑?耐干濕擦等物理性能都由皮革涂層決定,因此涂飾工藝至關重要[5]?皮革涂層中成膜物質主要是丙烯酸樹脂和聚氨酯樹脂,它們的性能決定了涂層的物理性能?在涂飾中使用交聯劑會增強涂層的耐刮性?耐干?濕擦等性能,適當的交聯結構能明顯提升涂層的各項物理機械性能[6-8]?

汽車座墊革的耐干擦性能?耐濕擦性能?耐磨耗性能?耐折牢度?粘著牢度主要由涂飾工藝配方中的丙烯酸樹脂?聚氨酯樹脂?交聯劑起決定性作用,綜合前期單因素試驗結果,丙烯酸樹脂的用量范圍在100~250g/kg,聚氨酯樹脂的用量范圍在100~200g/kg,交聯劑的用量范圍在10~40g/kg?應用響應曲面法,選取涂飾工藝配方中的丙烯酸樹脂?聚氨酯樹脂?交聯劑作為影響因素,以成革綜合性能作為響應值(成革綜合性能由耐干擦性能?耐濕擦性能?耐磨耗性能?耐折牢度?粘著牢度按權重比例組成),對高物性汽車座墊革涂飾工藝進行優(yōu)化,期望得到滿足各項性能指標要求的汽車座墊革涂飾工藝,并為制革工藝的數據化提供依據?

試驗部分

主要材料

汽車座墊用坯革,自制,按常規(guī)工藝進行補傷?磨革?摔軟?繃板?BAYDERMBottomELW,聚氨酯樹脂;PRIMALSB-150,丙烯酸樹脂;BAYDERMCompactCHT,復合樹脂;AQUADERMXL80,交聯劑;AQUADERMMatt200,消光聚氨酯;AQUADERMMatt102,消光聚氨酯;AQUADERMFinishHW2,亮光聚氨酯;EUDERMNappasoftS-C,柔軟助劑;EUDERMMattSN-C,消光劑;ROSILK2229FeelModifier,有機硅手感劑;AQUA?DERMX-Pigmentsmixture,顏料膏;AQUADERMFluidH,流平劑;所述材料均選自朗盛(常州)有限公司?

主要設備及儀器

磨革機,GMGT1,如皋市同心皮革機械廠;壓花機,ZD-YH-11,沈陽中大機械有限公司;輥涂機,GTSG-40,連港皮革機械有限公司;噴漿機,TSP3,江門市泰立皮革機械有限公司;熨平機,GYPG1800,連云港市朝陽皮革機械廠?

摩擦褪色試驗機,GT-7034-E2;耐磨試驗機,GT-7012-T;皮革耐撓試驗機,GT-7006-V30;拉力試驗機,AI-7000-SU1;以上儀器均購自高鐵檢測儀器(東莞)有限公司?

試驗方法

涂飾配方與工藝

汽車座墊革涂飾配方與工藝見表2?

響應曲面法試驗設計

選取丙烯酸樹脂用量(A)?聚氨酯樹脂用量(B)?交聯劑用量(C)作為響應曲面法中的影響因素,將耐干擦性能(Y1)?耐濕擦性能(Y2)?耐磨耗性能(Y3)?耐折牢度(Y4)?粘著牢度(Y5)及成革綜合性能(Y6)作為響應值,成革綜合性能由耐干擦性能?耐濕擦性能?耐磨耗性能?耐折牢度?粘著牢度按權重比例組成?因素水平及編碼見表3?

根據表3,響應曲面設計試驗為三因素三水平,通過Design-Expert13使用Box-BehnkenDesign(BBD)優(yōu)化試驗,試驗方案見表4?

檢測值與轉換值

由于各性能指標檢測值相差較大,故采用式(1)將各檢測值轉換為百分制的轉換值?

式中,Y為轉換值,Y′為檢測值,Ymax為設定的最大值,若Y′>Ymax,則Y=100?

耐干擦性能

按QB/T2537—2001規(guī)定的方法檢測成革耐干擦性能,并設最大值為2200次?

耐濕擦性能

按QB/T2537—2001規(guī)定的方法檢測成革耐濕擦性能,并設最大值為1000次?

耐磨耗性能

按QB/T2726—2005規(guī)定的方法檢測成革耐磨耗性能,并設最大值為2200轉?

耐折牢度

按QB/T2714—2005規(guī)定的方法檢測成革耐折牢度,并設最大值為110000次?

粘著牢度

按GB/T39452—2020規(guī)定的方法檢測成革粘著牢度,并設最大值為50N/10mm?

成革綜合性能

以耐干擦性能?耐濕擦性能?耐磨耗性能?耐折牢度?粘著牢度為相同權重比例,即各為20%,以其轉換值按式(2)計算成革綜合性能?

結果與討論

試驗檢測結果

優(yōu)化試驗檢測結果與轉換結果見表5,Box-Be?hnken試驗設計方案與結果見表6?

試驗結果回歸分析

耐干擦性能結果分析

應用Design-Expert13對耐干擦性能進行方差分析,結果見表7?

由表7可知,模型F值為9214,P值<00001,表明模型是顯著的,整個試驗設計及優(yōu)化是合理的,對試驗結果的擬合也是準確的;并且失擬項中P值表示不顯著,說明這些因素就是耐干擦性能的影響因素,沒有其他忽略的影響因素?因素B?C?B2?C2具有顯著影響(P<001),因素AC具有較顯著影響(001?根據回歸模型,通過Design-Expert13進行回歸擬合得出,回歸方程為Y1=9740+075A+788B+1113C-150AB-250AC-075BC-183A2-608B2-957C2?相關系數R=09916,擬合情況良好;調整系數R=09809,可以解釋9809%響應值的變化,可以用于預測分析?通過DesignExpert13對表6數據進行響應曲面分析,耐干擦性能Y1對各因素的響應曲面結果見圖1?

由圖1的3D曲面圖和等高線圖可以直觀地看出各因素對耐干擦性能Y1的影響及相互之間的作用?

圖1(a)為聚氨酯的用量B與交聯劑的用量C對耐干擦性能Y1值的影響,從曲面坡度以及等高線圖密度,可以看出對Y1值的影響大小是:C>B;圖1(b)為丙烯酸的用量A與交聯劑的用量C對Y1值的影響,從曲面坡度以及等高線圖密度,可以看出對Y1值的影響大小是:C>A;圖1(c)為丙烯酸的用量A與聚氨酯的用量B對Y1值的影響,從曲面坡度以及等高線圖密度,可以看出對Y1值的影響大小是:B>A?如上所述,A?B?C這3個因素對耐干擦性能Y1的影響依次為:C>B>A?并且,圖1(a)的曲面坡度非常明顯,說明耐干擦性能主要由B和C決定[9-10]?

耐濕擦性能結果分析

應用Design-Expert13對耐濕擦性能進行方差分析,結果見表8?

由表8可知,模型F值為9177,P值<00001,表明模型是顯著的,整個試驗設計及優(yōu)化是合理的,對試驗結果的擬合也是準確的;并且失擬項中P值表示不顯著,說明這些因素就是耐濕擦性能的影響因素,沒有其他忽略的影響因素?因素A?B?C?A2?C2具有顯著影響(P<001),因素AC具有較顯著影響(001?根據回歸模型,通過Design-Expert13進行回歸擬合得出,回歸方程為Y2=9800+613A338B+1100C-250AB+275AC+125BC-A2殘差21757311失擬項37531250277808395不顯著誤差18004450總和258812161150A2-200B2-1075C2?相關系數R=09916,擬B2合情況良好;調整系數R=09808,可以解釋9808%C2響應值的變化,可以用于預測分析通過DesignExpert13對表6數據進行響應曲面分析,耐濕擦性能Y2對各因素的響應曲面結果見圖2?

由圖2的3D曲面圖和等高線圖可以直觀地看出各因素對耐濕擦性能Y2的影響及相互之間的作用?圖2(a)為聚氨酯的用量(B)與交聯劑的用量(C)對耐濕擦性能Y2值的影響,從曲面坡度以及等高線圖密度,可以看出對Y2值的影響大小是:C>B;圖2(b)為丙烯酸的用量(A)與交聯劑的用量(C)對Y2值的影響,從曲面坡度以及等高線圖密度,可以看出對Y2值的影響大小是:C>A;圖2(c)為丙烯酸的用量(A)與聚氨酯的用量(B)對Y2值的影響,從曲面坡度以及等高線圖密度,可以看出對Y2值的影響大小是:A>B?如上所述,A?B?C這3個因素對耐濕擦性能Y2的影響依次為:C>A>B?并且,圖2(a)?(b)?(c)的曲面坡度都很明顯,說明A?B?C都是耐濕擦性能的決定因素?

耐磨耗性能結果分析

應用Design-Expert13對耐磨耗性能進行方差分析,結果見表9?

由表9可知,模型F值為50277,P值<00001,表明模型是顯著的,整個試驗設計及優(yōu)化是合理的,

對試驗結果的擬合也是準確的;并且失擬項中P值表示不顯著,說明這些因素就是耐磨耗性能的影響因素,沒有其他忽略的影響因素?因素B?C?AC?BC?A2?B2?C2具有顯著影響(P<001),因素A?AB具有較顯著影響(001

由圖3的3D曲面圖和等高線圖可以直觀地看出各因素對耐磨耗性能Y3的影響及相互之間的作用?圖3(a)為聚氨酯的用量(B)與交聯劑的用量(C)對耐磨耗性能Y3值的影響,從曲面坡度以及等高線圖密度,可以看出對Y3值的影響大小是:C>B;圖3(b)為丙烯酸的用量(A)與交聯劑的用量(C)對Y3值的影響,從曲面坡度以及等高線圖密度,可以看出對Y3值的影響大小是:C>A;圖3(c)為丙烯酸的用量(A)與聚氨酯的用量(B)對Y3值的影響,從曲面坡度以及等高線圖密度,可以看出對Y3值的影響大小是:B>A?如上所述,A?B?C這3個因素對耐磨耗性能Y3的影響依次為:C>B>A?并且,圖3(a)的曲面坡度非常明顯,說明耐磨耗性能主要由B和C決定[9-10]?

耐折牢度性能結果分析

應用Design-Expert13對耐折牢度性能進行方差分析,結果見表10?

由表10可知,模型F值為12293,P值<00001,表明模型是顯著的,整個試驗設計及優(yōu)化是合理的,對試驗結果的擬合也是準確的;并且失擬項中P值表示不顯著,說明這些因素就是耐折牢度性能的影響因素,沒有其他忽略的影響因素?因素B?AC?A2?B2?C2具有顯著影響(P<001)?根據回歸模型,通過Design-Expert13進行回歸擬合得出,回歸方程為Y4=9720+100A+1275B+075C-125AB-525AC+175BC-548A2-898B2-1297C2?相關系數R=09937,擬合情況良好;調整系數R=09856,可以解釋9856%響應值的變化,可以用于預測分析?

通過DesignExpert13對表6數據進行響應曲面分析,耐折牢度性能Y4對各因素的響應曲面結果見圖4?由圖4的3D曲面圖和等高線圖可以直觀地看出各因素對耐折牢度性能Y4的影響及相互之間的作用?圖4(a)為聚氨酯的用量(B)與交聯劑的用量(C)對耐折牢度性能Y4值的影響,從曲面坡度以及等高線圖密度,可以看出對Y4值的影響大小是:B>C;圖4(b)為丙烯酸的用量(A)與交聯劑的用量(C)

對Y4值的影響,從曲面坡度以及等高線圖密度,可以看出對Y4值的影響大小是:A>C;圖4(c)為丙烯酸的用量(A)與聚氨酯的用量(B)對Y4值的影響,從曲面坡度以及等高線圖密度,可以看出對Y4值的影響大小是:B>A?如上所述,A?B?C這3個因素對耐折牢B2度性能Y4的影響依次為:B>A>C?并且,圖4(a)?(c)的曲面坡度非常明顯,坡度頂點都偏向于B,說明C2耐折牢度性能主要由B決定;從圖4(a)還可以看出,過量的交聯劑反而導致耐折牢度下降[11]?

粘著牢度性能結果分析

應用Design-Expert13對粘著牢度性能進行方差分析,結果見表11?

由表11可知,模型F值為22513,P值<00001,表明模型是顯著的,整個試驗設計及優(yōu)化是合理的,對試驗結果的擬合也是準確的;并且失擬項中P值表示不顯著,說明這些因素就是粘著牢度性能的影響因素,沒有其他忽略的影響因素?因素A?B?C?AB?A2?B2?C2具有顯著影響(P<001),因素AC具有較顯著影響(001

通過DesignExpert13對表6數據進行響應曲面分析,粘著牢度性能Y5對各因素的響應曲面結果見圖5?

由圖5的3D曲面圖和等高線圖可以直觀地看出各因素對粘著牢度性能Y5的影響及相互之間的作用?圖5(a)為聚氨酯的用量(B)與交聯劑的用量(C)對粘著牢度性能Y5值的影響,從曲面坡度以及等高線圖密度,可以看出對Y5值的影響大小是:C> B；

圖5(b)為丙烯酸的用量(A)與交聯劑的用量(C)對Y5值的影響,從曲面坡度以及等高線圖密度,可以看出對Y5值的影響大小是:A>C;圖5(c)為丙烯酸的用量(A)與聚氨酯的用量(B)對Y5值的影響,從曲面坡度以及等高線圖密度,可以看出對Y5值的影響大小是:A>B?如上所述,A?B?C這3個因素對粘著牢度性能Y5的影響依次為:A>C>B?并且,圖5(b)?(c)的曲面坡度非常明顯,坡度頂點都偏向于A,說明粘著牢度性能主要由A決定[12]?

成革綜合性能結果分析

應用Design-Expert13對成革綜合性能進行方差分析,結果見表12?

由表12可知,模型F值為34394,P值<00001,表明模型是顯著的,整個試驗設計及優(yōu)化是合理的,對試驗結果的擬合也是準確的;并且失擬項中P值表示不顯著,說明這些因素就是成革綜合性能的影響因素,沒有其他忽略的影響因素?因素A?B?C?AB?AC?A2?B2?C2具有顯著影響(P<001)?根據回歸模型,通過Design-Expert13進行回歸擬合得出,回歸方程為Y6=9712+433A+803B+890C-190AB-175AC-035BC-696A2-526B2-1031C2?相關系數R=09977,擬合情況良好;調整系數R=09948,可以解釋9948%響應值的變化,可以用于預測分析?

通過DesignExpert13對表6數據進行響應曲面分析,成革綜合性能Y6對各因素的響應曲面結果見圖6?

由圖6的3D曲面圖和等高線圖可以直觀地看出各因素對成革綜合性能Y6的影響及相互之間的作用?圖6(a)為聚氨酯的用量(B)與交聯劑的用量(C)對成革綜合性能Y6值的影響,從曲面坡度以及等高線圖密度,可以看出對Y6值的影響大小是:C>B;圖6(b)為丙烯酸的用量(A)與交聯劑的用量(C)對Y6值的影響,從曲面坡度以及等高線圖密度,可以看出對Y6值的影響大小是:C>A;圖6(c)為丙烯酸A的用量與聚氨酯B的用量對Y6值的影響,從曲面坡度以及等高線圖密度,可以看出對Y6值的影響大小是:B>A?如上所述,A?B?C這3個因素對成革綜合性能Y6的影響依次為:C>B>A?并且,圖6(a)?(b)?(c)的曲面坡度都很明顯,說明A?B?C都是成革綜合性能的決定因素?

此外,圖6的3D曲面圖的坡度頂點都是靠近中心處,說明各個影響因素的最佳量都在中心處,結合回歸方程可以得出,最佳工藝為:丙烯酸樹脂用量175g/kg,聚氨酯樹脂用量150g/kg,交聯劑用量25g/kg?

試驗驗證與檢測

按最佳工藝進行工藝驗證,檢測耐干擦性能?耐濕擦性能?耐磨耗性能?耐折牢度性能?粘著牢度性能,換算成百分制及計算成革綜合性能,結果見表13?由表13可知,驗證試驗實測平均值與Design-Expert13的預測值基本一致,表明最佳工藝驗證成功,得到的最佳工藝是準確的?

結論

應用響應曲面法,對高物性汽車座墊革涂飾工藝進行優(yōu)化,以成革綜合性能為考察指標,得到影響因素A?B?C的最佳用量為:丙烯酸樹脂175g/kg,聚氨酯樹脂150g/kg,交聯劑25g/kg;對成革綜合性能的影響依次為:C>B>A?經驗證,所得最佳工藝成革綜合性能指標最優(yōu),滿足汽車裝飾用皮革行業(yè)標準QB/T2703—2020的要求?試驗驗證結果與Design-Expert13的預測值基本一致?因此使用Box-BehnkenDegsign(BBD)優(yōu)化試驗得到的回歸方程模型精準度高,擬合度好,優(yōu)化方案可信程度高,得出的最佳工藝是合理可行的?

【參考文獻】

[1]劉鵬杰.汽車內飾革一支獨秀獨領風騷[J].中國皮革,2015,44(15):65-71.

[2]趙月鵬,汪翊,黃建華等.黃牛汽車用革的生產技術?關鍵性能及其檢測方法和發(fā)展方向[J].西部皮革,2019,41(15):40-43.

[3]魏德卿,孫靜,董陽,等.汽車座墊革的性能及技術要求[J].西部皮革,2004,26(12):9-11.

[4]王全杰,朱先義,趙佳,等.汽車革的技術指標及發(fā)展趨勢[J].皮革科學與工程,2008,18(4):30-33.

[5]劉素清,唐紅強.無鉻鞣汽車座墊革的研制[J].西部皮革,2003,25(6):23-25.

[6]朱成昌.提高皮革涂層耐擦和粘著牢度的試驗[J].西部皮革,2002,24(4):21-22.

[7]欒世方,范浩軍,段鎮(zhèn)基.皮革涂飾用交聯劑的合成?作用機理?性能及發(fā)展趨勢[J].皮革科學與工程,2001,11(2):16-23.

[8]WinterC,SchultzMER,GutterresM.evaluationofpolymerresinsandfilmsformedbyleatherfinishing[J].LatinAmericanAppliedResearch,2015,45(4):213-217.

[9]孫靜,曾少余,朱亮.交聯劑在家具革頂涂中的應用研究[J].中國皮革,2006,35(3):3-7.

[10]李寧.聚氨酯型高分子皮革涂飾劑的研究[J].中國皮革,2022,51(2):64-68.

[11]RamkumarSholingurC,MuraliAdhigan,PreethiGovindarajan,etal.Polycarbodiimideandpolyurethanecross-linkersforleatherfinishing[J].LeatherandFootwearJournal,2017,17(4):181-192.

[12]晏欣,江盛玲,陳航濤,等.室溫自交聯聚丙烯酸乳液的合成及力學性能[J].研究開發(fā),2009,19(1):29-32

文章來源：中國皮革   第52卷 第3期