雖然涂層的感官吸引力一直是消費(fèi)者選擇設(shè)備和電器的重要因素，但是在主要關(guān)注光學(xué)性能的行業(yè)中，涂層的積極觸覺(jué)交互性能越來(lái)越受到重視。因此，了解外觀和這些觸感特性的功能意義，就能很好地抓住機(jī)會(huì)。人體與表面接觸可以產(chǎn)生兩方面的反應(yīng)，積極正面反應(yīng)和消極負(fù)面反應(yīng)；積極正面反應(yīng)通常是與諸如“柔感”、“光滑”、“溫暖”、“緩沖”和“光亮”等術(shù)語(yǔ)有關(guān)，但只在特定用途的情況下才有意義。如，“光滑”在一個(gè)用途中可能是積極正面的特性，而在另一個(gè)用途中可能是消極負(fù)面的特性。與金屬、纖維素或聚合物這類(lèi)通常令人感到沉悶甚至不愉快的基材直接接觸，通過(guò)用能不同程度刺激皮膚的機(jī)械和熱感覺(jué)器官的涂層進(jìn)行涂覆調(diào)節(jié)，會(huì)將基材的顏色轉(zhuǎn)變成另一種令人愉快的或甚至具有奢華感的交互效果。依賴(lài)于涂層的觸感交互作用的應(yīng)用有：健康設(shè)施、移動(dòng)設(shè)備、汽車(chē)內(nèi)飾、合成皮革，廣義上還包括織物飾面、顏色和護(hù)發(fā)產(chǎn)品。消極觸覺(jué)交互交互作用可能會(huì)直接導(dǎo)致涂層的觸摸摩擦效果失效；在紡織涂層中它們可能與摩擦和模量性能有關(guān)，甚至?xí)?dǎo)致褥瘡潰瘍。最后，觸感性能問(wèn)題對(duì)從手持設(shè)備到人機(jī)交互的交互設(shè)備的市場(chǎng)接受度的影響至關(guān)重要。

    圖1顯示了觸感交互作用與功能特性相結(jié)合的各種用途。合成皮革表面處理需要控制模量和摩擦系數(shù)。用于指紋識(shí)別的電容陣列需要綜合考慮觸感交互作用、介電性能以及氣體和水分的滲透性。隱形眼鏡中使用的硅氧烷-聚氨酯共聚物的氧氣滲透性、親水性和機(jī)械性能在醫(yī)療領(lǐng)域尤其需要控制，它們可以從大體積模塊轉(zhuǎn)變成厚膜。

    特定涂層的感官魅力可通過(guò)一定距離的視覺(jué)效果感知。然而，人體接觸時(shí)的觸摸效果和動(dòng)態(tài)效果則是固有的考慮因素，涂層的可接受性取決于積極的觸感交互作用。物體觸摸效果和動(dòng)態(tài)效果的結(jié)合可定義為“觸感交互”。

    從整體來(lái)說(shuō)，乙烯基增塑溶膠和聚氨酯類(lèi)柔性材料在正向觸感交互涂層領(lǐng)域占主導(dǎo)地位，但有機(jī)硅和硅氧烷改性聚氨酯卻在精準(zhǔn)交互有著至關(guān)重要作用的領(lǐng)域卻占主導(dǎo)。有機(jī)硅和硅氧烷改性的聚氨酯已經(jīng)很好地用于熱固性和熱塑性材料。在醫(yī)療領(lǐng)域尤其如此，它們已被用于制造諸如導(dǎo)管、起搏器引線和人造心臟瓣膜的裝置。雖然生物相容性是與這些材料關(guān)的突出性能，但是它們通常能提供積極的觸感交互作用。與這些材料的可用性以及積極的觸感交互作用相關(guān)的可衡量的物理性能，包括疏水性、柔韌性、低表面能和摩擦系數(shù)（包括干摩擦和濕摩擦）。截至目前，這些已明確的性能尚未在涂料中得到廣泛應(yīng)用。部分原因是因?yàn)槿狈m合硅氧烷改性聚氨酯配方的硅氧烷多元醇，分子量過(guò)高或太分散，都不能獲得想要的涂膜機(jī)械性能。此外，常規(guī)平衡聚合的硅氧烷（揮發(fā)性環(huán)狀物）固有的低分子量的污染物，也會(huì)干擾成膜性能和與底材間的附著力。然而，聚硅氧烷可控的聚合作用能夠制備出具有精確分子結(jié)構(gòu)的硅氧烷多元醇，然后可以使其反應(yīng)合成適用于制備積極觸感交互涂層的有機(jī)硅和聚氨酯。根據(jù)使用的硅氧烷多元醇，新型聚氨酯材料分為兩類(lèi)：遠(yuǎn)螯硅氧烷聚合物（兩個(gè)末端具有相同的官能團(tuán)）和硅氧烷大分子單體（在一個(gè)末端具有官能團(tuán)的低聚物材料）。這些材料中羥基的特定位置和數(shù)量使得可以將硅氧烷作為鏈段，終端嵌段和獨(dú)特的側(cè)基引入聚氨酯中。

    圖2比較了遠(yuǎn)螯和大分子硅氧烷的結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)的由聚醚多元醇得到的聚氨酯相比，由硅氧烷多元醇得到的聚氨酯在一些領(lǐng)域表現(xiàn)出具有改進(jìn)的性能，包括光學(xué)、介電性能、紫外光穩(wěn)定性、摩擦系數(shù)、不粘/釋放性能、低模量和疏水性（表1）。

    人類(lèi)的觸覺(jué)接觸感知是復(fù)雜的，但是往往集中在摩擦系數(shù)、不粘/滑移性能、模量和相對(duì)疏水性上。雖然具有積極觸感交互作用的材料通常并非用于皮膚復(fù)制，但是了解皮膚的基本結(jié)構(gòu)和性能作為我們與這些材料交互作用的基準(zhǔn)是至關(guān)重要的。皮膚的物理性能不斷變化，取決于諸如身體上的位置、年齡、性別和水合作用等多種因素。一般來(lái)說(shuō)，在與觸覺(jué)交互作用有關(guān)的正常形變范圍內(nèi)，皮膚是不可壓縮的、各向異性和非線性粘彈性。圖3提供了皮膚結(jié)構(gòu)的說(shuō)明，而表2概述了主要從手和前臂的選定區(qū)域獲得的數(shù)據(jù)計(jì)算出的皮膚物理性能（典型的平均值）。

    有兩種與積極觸感交互作用有關(guān)的主要類(lèi)型的涂層，其中使用硅氧烷-多元醇得到的聚氨酯憑借其性能優(yōu)勢(shì)應(yīng)用于一些新領(lǐng)域。此類(lèi)涂層的物理性能與皮膚大致相似。在第一類(lèi)中，與基材間的間接交互作用（例如，紋理或電容）是至關(guān)重要的。電容性交互作用的例子是通過(guò)亞微米電容陣列的指紋識(shí)別，雖然它們被涂覆以提供保護(hù)作用，但仍保持對(duì)指尖結(jié)構(gòu)的響應(yīng)；這些通常是薄涂層（<250微米），在電子領(lǐng)域中通常被稱(chēng)為“保形”涂層。在第二類(lèi)涂層中，需要用使用參數(shù)定義的特殊阻力來(lái)說(shuō)明物理位移（例如壓痕或摩擦位移）。這些涂層的厚度通常>1000微米。除了涂層材料的內(nèi)在性能外，還必須考慮其他因素，如涂層厚度和涂層與基材的模量比值。通常，薄膜或保形涂層具有高的硅氧烷含量，它們作為鏈段被加入到聚氨酯中，而厚膜或大體積涂層具有較低的硅氧烷含量，它們作為側(cè)鏈加入。

    薄膜或保形硅氧烷改性聚氨酯

    當(dāng)要求基材的結(jié)構(gòu)特征或紋理必須保持明顯時(shí)，所選擇的涂層能夠保形變得至關(guān)重要。薄膜或保形有機(jī)硅涂層依賴(lài)于有機(jī)硅主鏈的柔韌性（圖4）。例如，聚二甲基硅氧烷受熱力學(xué)驅(qū)動(dòng)而擴(kuò)散并形成單分子涂膜，因?yàn)樗谋砻鎻埩Γ?0.4mN/m）低于固體或約束涂膜的臨界表面張力（22.7mN/m）。有機(jī)硅含量越高，形成保形膜的趨勢(shì)就越大。對(duì)于含有遠(yuǎn)螯硅氧烷作為嵌段的聚合物，我們觀察到，當(dāng)嵌段中硅氧烷單元的數(shù)量低于6～8個(gè)時(shí)，柔韌性受到限制。因此，大多數(shù)配方使用至少10個(gè)硅氧烷單元以便使涂層具有保形性。表3a概述了市售的羥基封端的硅氧烷。在聚氨酯技術(shù)中，“多元醇”通常是指具有兩個(gè)或者多個(gè)羥基基團(tuán)的分子類(lèi)別。這里的表格信息使用術(shù)語(yǔ)“伯醇”來(lái)指與碳原子直接相連的羥基。這樣與直接連接到硅原子上的羥基（稱(chēng)為“硅烷醇”）區(qū)分開(kāi)，而硅烷醇不能形成水解穩(wěn)定的聚氨酯。

    特定遠(yuǎn)螯的選擇取決于機(jī)械性能組合的要求，即保形性、耐沾污性和潤(rùn)滑性能的結(jié)合。通常，保形性和耐沾污性隨硅氧烷嵌段尺寸的增加而提高，而機(jī)械性能降低。然而，其他因素使這種簡(jiǎn)單關(guān)系變得復(fù)雜化。例如，如果潤(rùn)滑性需要流體動(dòng)力學(xué)的水界面，則需要較高含量的聚（乙二醇）（PEG）含量。另一方面，如果需要與觸感定位有關(guān)的低模量和最小滑動(dòng)，則需要幾乎不含或不含聚（乙二醇）（PEG）的大的硅氧烷嵌段。這些考慮因素會(huì)因另外的使用要求如摩擦系數(shù)而進(jìn)一步復(fù)雜化：雖然必須始終考慮相對(duì)摩擦系數(shù)，但是特定用途表明還需要考慮更復(fù)雜的摩擦變量。如果靜態(tài)摩擦系數(shù)高于動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)，則材料將表現(xiàn)出不粘-滑動(dòng)性能。更常見(jiàn)的是，材料將表現(xiàn)出比靜態(tài)更高的動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)，導(dǎo)致展示出粘滑性能。水也是一個(gè)經(jīng)常需要考慮的因素。在針對(duì)皮膚接觸棉織物的情況下，當(dāng)織物潤(rùn)濕后，摩擦系數(shù)的變化超過(guò)了兩倍，從0.42變?yōu)?.91。在其他情況下，水提供流體動(dòng)力潤(rùn)滑層。雖然在某些用途中可能需要滑動(dòng)性，在其他用途中制動(dòng)性能可能更為重要（為了達(dá)到制動(dòng)性能，摩擦系數(shù)應(yīng)超過(guò)1）。表3b概述了具有側(cè)鏈羥基的市售硅氧烷。

    厚膜硅氧烷改性聚氨酯

    通常，厚膜涂層能掩蓋或改變下面的基材的紋理或結(jié)構(gòu)。在這些用途中，表面觸覺(jué)交互作用并不受影響，但是膜的硬度、模量和彈性變得更為重要。由于其機(jī)械強(qiáng)度遠(yuǎn)大于聚硅氧烷，所以聚氨酯的一般配方策略是保持有機(jī)的聚氨酯主鏈、引入硅氧烷作為側(cè)基（圖5）。與構(gòu)成遠(yuǎn)螯主鏈的二甲基甲硅烷氧基相比，由于三甲基甲硅烷氧基端基具有較低的表面能，所以側(cè)鏈的使用顯著提高了斥水性。由于硅氧烷大分子單體相對(duì)較貴，標(biāo)準(zhǔn)配方的有機(jī)多元醇含量通常用最少量的硅氧烷大分子單體來(lái)代替，以提供所需要的典型的污染物釋放或摩擦系數(shù)效果。使用硅氧烷大分子單體和異佛爾酮二異氰酸酯（IPDI）與傳統(tǒng)多元醇組合使用，合成的皮革飾面提供了這種方法的成功案例。

    表4比較了通過(guò)添加下列物質(zhì)進(jìn)行改性的基于IPDI的聚氨酯：（A）不含官能團(tuán)的聚二甲基硅氧烷[DMS-T15]；（B）在聚氨酯中加入伯醇封端的遠(yuǎn)螯有機(jī)硅以形成嵌段共聚物（DMS-C21）；和（C）二伯醇封端的大分子單體在樹(shù)脂中聚合以引入側(cè)鏈硅氧烷（MCR-C62）。所有情況下，有機(jī)硅的含量為3.0％～3.5％。當(dāng)加成方法提高了接觸角時(shí)，表明疏水性和釋放性能提高，其效果隨著磨損而降低。由遠(yuǎn)螯形成的嵌段聚合物顯示接觸角的適度增加，并在磨損后能保持，但是摩擦系數(shù)更高，耐磨性沒(méi)有改善。由大分子單體形成的聚合物表現(xiàn)出疏水性增加，摩擦系數(shù)降低，耐磨性顯著提高。結(jié)果可以用主鏈?zhǔn)欠枪柩跬橛袡C(jī)聚合物和僅在一端連接到聚合物主鏈的硅氧烷的自由旋轉(zhuǎn)能來(lái)解釋。

    除了摩擦和釋放性能之外，在聚氨酯聚合物結(jié)構(gòu)中將硅氧烷作為軟嵌段加入的優(yōu)點(diǎn)，通常與能將硬度和模量降低到更接近人類(lèi)軟組織的硬度和模量的范圍有關(guān)。配方的考慮因素更加復(fù)雜，性能優(yōu)化取決于硅氧烷嵌段的類(lèi)型和尺寸。此外，它們經(jīng)常與其他軟嵌段材料如聚（四氫呋喃）和脂族聚碳酸酯二醇一起使用。硅氧烷含量超過(guò)20％（基于質(zhì)量百分比）是不尋常的。在較高含量的情況下，拉伸強(qiáng)度和其他機(jī)械性能的損失通常是不可接受的。表5提供了一系列硅氧烷聚氨酯體系的機(jī)械性能。

    厚膜有機(jī)硅涂料

    與配方有關(guān)，有機(jī)硅涂層引起了廣泛的觸覺(jué)反應(yīng)。如果它們含有低相對(duì)分子質(zhì)量、特別是揮發(fā)性物質(zhì)，則它們與“絲般”的感覺(jué)相關(guān)并且表現(xiàn)出滑動(dòng)性能。另一方面，低相對(duì)分子質(zhì)量物質(zhì)已經(jīng)除去的有機(jī)硅涂層與“粘性”觸感相關(guān)。這兩種體驗(yàn)的共同之處是聚合物的極度疏水性。當(dāng)有機(jī)硅涂層不含低相對(duì)分子質(zhì)量物質(zhì)時(shí)，它們表現(xiàn)出高摩擦系數(shù)，并由于其具有相對(duì)較低的機(jī)械性能，在連續(xù)觸覺(jué)交互作用過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)磨料和粘合劑剝落的失效情況。已知的硅氧烷，具有中心乙烯基官能團(tuán)的、分散的PEG2（MCS-VX15）、PEG3（MCS-VX16）或者四氫化糠基（THF）（MCS-VF14）側(cè)端基可以用作加成固化的共聚單體，鉑催化的雙組份有機(jī)硅彈性體配方能帶來(lái)親水性（圖6）。在這些配方中，通過(guò)加入能吸附水的流體動(dòng)力學(xué)潤(rùn)滑層能改變表面摩擦性能。在雙組份配方中使用高達(dá)15％（質(zhì)量比）的共聚單體，改性的有機(jī)硅彈性體保留這種類(lèi)型材料的光學(xué)透明度以及機(jī)械性能特征。有機(jī)硅彈性體表面上去離子水的接觸角測(cè)量結(jié)果顯示，采用規(guī)定的共聚單體含量，潤(rùn)濕性得到改善：在共聚單體含量為8％（質(zhì)量比）時(shí)，彈性體表面從疏水性（接觸角？120°）變?yōu)橛H水性（接觸角<90°）（圖7a）。改性有機(jī)硅彈性體的摩擦系數(shù)測(cè)量值顯示，隨著共聚單體使用量的增加，表面潤(rùn)滑性提高（圖7b）。

    需要特定生物界面響應(yīng)的觸感涂層的用途，在需求和性能規(guī)范的復(fù)雜性方面將繼續(xù)增長(zhǎng)。在對(duì)響應(yīng)關(guān)鍵的軟交互作用領(lǐng)域，基于聚氨酯和有機(jī)硅的材料都將占主導(dǎo)地位。通過(guò)使用具有固有物理性能和結(jié)構(gòu)控制的反應(yīng)性遠(yuǎn)螯硅氧烷和大分子硅氧烷，現(xiàn)在基于聚氨酯和有機(jī)硅的觸感交互交互涂層的性能范圍能進(jìn)一步擴(kuò)大。

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責(zé)任編輯：王元

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