【皮革】基于响应曲面法的高物性汽车座垫革的涂饰工艺优化研究

摘要

为制备高物性汽车座垫革,应用响应曲面法,对涂饰工艺进行优化｡以涂饰工艺配方中的丙烯酸树脂､聚氨酯树脂､交联剂用量为影响因素,以耐干擦性能､耐湿擦性能､耐磨耗性能､耐折牢度､粘着牢度等评价指标组成的综合性能为响应值,通过Design-Expert13进行试验设计,对试验结果进行分析拟合,得到回归模型,利用模型分析､验证得到最佳工艺｡试验结果表明,高物性汽车座垫革的最佳涂饰工艺为:丙烯酸树脂用量175g/kg,聚氨酯树脂用量150g/kg,交联剂用量25g/kg,成革综合性能指标最优,满足汽车装饰用皮革标准(QB/T2703—2020)要求｡

关键词：响应曲面法;汽车座垫革;汽车装饰革;涂饰工艺;优化

作者：韦永红1,2,林可心1,2,刘琳1,2,温会涛1,2,但卫华1,3∗,蔡一雷1,2

1.福建省皮革绿色设计与制造重点试验室,福建晋江

2.兴业皮革科技股份有限公司国家企业技术中心,福建晋江

3.四川大学制革清洁技术国家工程研究中心,四川成都

近年来,各大品牌汽车销量越来越大,真皮汽车革的消费需求也呈上升的趋势,汽车内饰革的发展前景非常乐观[1]｡汽车内饰革包括方向盘､客门板､表盘､车内顶､后窗板等,不过用革量最大的是汽车坐垫[2]｡汽车座垫革是一种高品质､高性能､高技术含量的汽车内装饰材料,比其他用革要经受更为严格的检测,不仅检测的项目更多,而且检测要求的标准也更高[3],需满足QB/T2703—2020《汽车装饰用皮革的标准要求》(表1)｡与其他皮革产品相比,汽车座垫革具有许多特殊的性能要求,如要求抗雾化､耐有机溶剂､阻燃､耐磨､耐折､耐干湿擦､长时间日晒不变色等[4],其中粘着牢度､耐热曝晒､耐折､耐磨擦､耐汗､耐有机溶剂､耐干湿擦等物理性能都由皮革涂层决定,因此涂饰工艺至关重要[5]｡皮革涂层中成膜物质主要是丙烯酸树脂和聚氨酯树脂,它们的性能决定了涂层的物理性能｡在涂饰中使用交联剂会增强涂层的耐刮性､耐干､湿擦等性能,适当的交联结构能明显提升涂层的各项物理机械性能[6-8]｡

汽车座垫革的耐干擦性能､耐湿擦性能､耐磨耗性能､耐折牢度､粘着牢度主要由涂饰工艺配方中的丙烯酸树脂､聚氨酯树脂､交联剂起决定性作用,综合前期单因素试验结果,丙烯酸树脂的用量范围在100~250g/kg,聚氨酯树脂的用量范围在100~200g/kg,交联剂的用量范围在10~40g/kg｡应用响应曲面法,选取涂饰工艺配方中的丙烯酸树脂､聚氨酯树脂､交联剂作为影响因素,以成革综合性能作为响应值(成革综合性能由耐干擦性能､耐湿擦性能､耐磨耗性能､耐折牢度､粘着牢度按权重比例组成),对高物性汽车座垫革涂饰工艺进行优化,期望得到满足各项性能指标要求的汽车座垫革涂饰工艺,并为制革工艺的数据化提供依据｡

试验部分

主要材料

汽车座垫用坯革,自制,按常规工艺进行补伤､磨革､摔软､绷板｡BAYDERMBottomELW,聚氨酯树脂;PRIMALSB-150,丙烯酸树脂;BAYDERMCompactCHT,复合树脂;AQUADERMXL80,交联剂;AQUADERMMatt200,消光聚氨酯;AQUADERMMatt102,消光聚氨酯;AQUADERMFinishHW2,亮光聚氨酯;EUDERMNappasoftS-C,柔软助剂;EUDERMMattSN-C,消光剂;ROSILK2229FeelModifier,有机硅手感剂;AQUA⁃DERMX-Pigmentsmixture,颜料膏;AQUADERMFluidH,流平剂;所述材料均选自朗盛(常州)有限公司｡

主要设备及仪器

磨革机,GMGT1,如皋市同心皮革机械厂;压花机,ZD-YH-11,沈阳中大机械有限公司;辊涂机,GTSG-40,连港皮革机械有限公司;喷浆机,TSP3,江门市泰立皮革机械有限公司;熨平机,GYPG1800,连云港市朝阳皮革机械厂｡

摩擦褪色试验机,GT-7034-E2;耐磨试验机,GT-7012-T;皮革耐挠试验机,GT-7006-V30;拉力试验机,AI-7000-SU1;以上仪器均购自高铁检测仪器(东莞)有限公司｡

试验方法

涂饰配方与工艺

汽车座垫革涂饰配方与工艺见表2｡

响应曲面法试验设计

选取丙烯酸树脂用量(A)､聚氨酯树脂用量(B)､交联剂用量(C)作为响应曲面法中的影响因素,将耐干擦性能(Y1)､耐湿擦性能(Y2)､耐磨耗性能(Y3)､耐折牢度(Y4)､粘着牢度(Y5)及成革综合性能(Y6)作为响应值,成革综合性能由耐干擦性能､耐湿擦性能､耐磨耗性能､耐折牢度､粘着牢度按权重比例组成｡因素水平及编码见表3｡

根据表3,响应曲面设计试验为三因素三水平,通过Design-Expert13使用Box-BehnkenDesign(BBD)优化试验,试验方案见表4｡

检测值与转换值

由于各性能指标检测值相差较大,故采用式(1)将各检测值转换为百分制的转换值｡

式中,Y为转换值,Y′为检测值,Ymax为设定的最大值,若Y′>Ymax,则Y=100｡

耐干擦性能

按QB/T2537—2001规定的方法检测成革耐干擦性能,并设最大值为2200次｡

耐湿擦性能

按QB/T2537—2001规定的方法检测成革耐湿擦性能,并设最大值为1000次｡

耐磨耗性能

按QB/T2726—2005规定的方法检测成革耐磨耗性能,并设最大值为2200转｡

耐折牢度

按QB/T2714—2005规定的方法检测成革耐折牢度,并设最大值为110000次｡

粘着牢度

按GB/T39452—2020规定的方法检测成革粘着牢度,并设最大值为50N/10mm｡

成革综合性能

以耐干擦性能､耐湿擦性能､耐磨耗性能､耐折牢度､粘着牢度为相同权重比例,即各为20%,以其转换值按式(2)计算成革综合性能｡

结果与讨论

试验检测结果

优化试验检测结果与转换结果见表5,Box-Be⁃hnken试验设计方案与结果见表6｡

试验结果回归分析

耐干擦性能结果分析

应用Design-Expert13对耐干擦性能进行方差分析,结果见表7｡

由表7可知,模型F值为9214,P值<00001,表明模型是显著的,整个试验设计及优化是合理的,对试验结果的拟合也是准确的;并且失拟项中P值表示不显著,说明这些因素就是耐干擦性能的影响因素,没有其他忽略的影响因素｡因素B､C､B2､C2具有显著影响(P<001),因素AC具有较显著影响(001｡根据回归模型,通过Design-Expert13进行回归拟合得出,回归方程为Y1=9740+075A+788B+1113C-150AB-250AC-075BC-183A2-608B2-957C2｡相关系数R=09916,拟合情况良好;调整系数R=09809,可以解释9809%响应值的变化,可以用于预测分析｡通过DesignExpert13对表6数据进行响应曲面分析,耐干擦性能Y1对各因素的响应曲面结果见图1｡

由图1的3D曲面图和等高线图可以直观地看出各因素对耐干擦性能Y1的影响及相互之间的作用｡

图1(a)为聚氨酯的用量B与交联剂的用量C对耐干擦性能Y1值的影响,从曲面坡度以及等高线图密度,可以看出对Y1值的影响大小是:C>B;图1(b)为丙烯酸的用量A与交联剂的用量C对Y1值的影响,从曲面坡度以及等高线图密度,可以看出对Y1值的影响大小是:C>A;图1(c)为丙烯酸的用量A与聚氨酯的用量B对Y1值的影响,从曲面坡度以及等高线图密度,可以看出对Y1值的影响大小是:B>A｡如上所述,A､B､C这3个因素对耐干擦性能Y1的影响依次为:C>B>A｡并且,图1(a)的曲面坡度非常明显,说明耐干擦性能主要由B和C决定[9-10]｡

耐湿擦性能结果分析

应用Design-Expert13对耐湿擦性能进行方差分析,结果见表8｡

由表8可知,模型F值为9177,P值<00001,表明模型是显著的,整个试验设计及优化是合理的,对试验结果的拟合也是准确的;并且失拟项中P值表示不显著,说明这些因素就是耐湿擦性能的影响因素,没有其他忽略的影响因素｡因素A､B､C､A2､C2具有显著影响(P<001),因素AC具有较显著影响(001｡根据回归模型,通过Design-Expert13进行回归拟合得出,回归方程为Y2=9800+613A338B+1100C-250AB+275AC+125BC-A2残差21757311失拟项37531250277808395不显著误差18004450总和258812161150A2-200B2-1075C2｡相关系数R=09916,拟B2合情况良好;调整系数R=09808,可以解释9808%C2响应值的变化,可以用于预测分析通过DesignExpert13对表6数据进行响应曲面分析,耐湿擦性能Y2对各因素的响应曲面结果见图2｡

由图2的3D曲面图和等高线图可以直观地看出各因素对耐湿擦性能Y2的影响及相互之间的作用｡图2(a)为聚氨酯的用量(B)与交联剂的用量(C)对耐湿擦性能Y2值的影响,从曲面坡度以及等高线图密度,可以看出对Y2值的影响大小是:C>B;图2(b)为丙烯酸的用量(A)与交联剂的用量(C)对Y2值的影响,从曲面坡度以及等高线图密度,可以看出对Y2值的影响大小是:C>A;图2(c)为丙烯酸的用量(A)与聚氨酯的用量(B)对Y2值的影响,从曲面坡度以及等高线图密度,可以看出对Y2值的影响大小是:A>B｡如上所述,A､B､C这3个因素对耐湿擦性能Y2的影响依次为:C>A>B｡并且,图2(a)､(b)､(c)的曲面坡度都很明显,说明A､B､C都是耐湿擦性能的决定因素｡

耐磨耗性能结果分析

应用Design-Expert13对耐磨耗性能进行方差分析,结果见表9｡

由表9可知,模型F值为50277,P值<00001,表明模型是显著的,整个试验设计及优化是合理的,

对试验结果的拟合也是准确的;并且失拟项中P值表示不显著,说明这些因素就是耐磨耗性能的影响因素,没有其他忽略的影响因素｡因素B､C､AC､BC､A2､B2､C2具有显著影响(P<001),因素A､AB具有较显著影响(001

由图3的3D曲面图和等高线图可以直观地看出各因素对耐磨耗性能Y3的影响及相互之间的作用｡图3(a)为聚氨酯的用量(B)与交联剂的用量(C)对耐磨耗性能Y3值的影响,从曲面坡度以及等高线图密度,可以看出对Y3值的影响大小是:C>B;图3(b)为丙烯酸的用量(A)与交联剂的用量(C)对Y3值的影响,从曲面坡度以及等高线图密度,可以看出对Y3值的影响大小是:C>A;图3(c)为丙烯酸的用量(A)与聚氨酯的用量(B)对Y3值的影响,从曲面坡度以及等高线图密度,可以看出对Y3值的影响大小是:B>A｡如上所述,A､B､C这3个因素对耐磨耗性能Y3的影响依次为:C>B>A｡并且,图3(a)的曲面坡度非常明显,说明耐磨耗性能主要由B和C决定[9-10]｡

耐折牢度性能结果分析

应用Design-Expert13对耐折牢度性能进行方差分析,结果见表10｡

由表10可知,模型F值为12293,P值<00001,表明模型是显著的,整个试验设计及优化是合理的,对试验结果的拟合也是准确的;并且失拟项中P值表示不显著,说明这些因素就是耐折牢度性能的影响因素,没有其他忽略的影响因素｡因素B､AC､A2､B2､C2具有显著影响(P<001)｡根据回归模型,通过Design-Expert13进行回归拟合得出,回归方程为Y4=9720+100A+1275B+075C-125AB-525AC+175BC-548A2-898B2-1297C2｡相关系数R=09937,拟合情况良好;调整系数R=09856,可以解释9856%响应值的变化,可以用于预测分析｡

通过DesignExpert13对表6数据进行响应曲面分析,耐折牢度性能Y4对各因素的响应曲面结果见图4｡由图4的3D曲面图和等高线图可以直观地看出各因素对耐折牢度性能Y4的影响及相互之间的作用｡图4(a)为聚氨酯的用量(B)与交联剂的用量(C)对耐折牢度性能Y4值的影响,从曲面坡度以及等高线图密度,可以看出对Y4值的影响大小是:B>C;图4(b)为丙烯酸的用量(A)与交联剂的用量(C)

对Y4值的影响,从曲面坡度以及等高线图密度,可以看出对Y4值的影响大小是:A>C;图4(c)为丙烯酸的用量(A)与聚氨酯的用量(B)对Y4值的影响,从曲面坡度以及等高线图密度,可以看出对Y4值的影响大小是:B>A｡如上所述,A､B､C这3个因素对耐折牢B2度性能Y4的影响依次为:B>A>C｡并且,图4(a)､(c)的曲面坡度非常明显,坡度顶点都偏向于B,说明C2耐折牢度性能主要由B决定;从图4(a)还可以看出,过量的交联剂反而导致耐折牢度下降[11]｡

粘着牢度性能结果分析

应用Design-Expert13对粘着牢度性能进行方差分析,结果见表11｡

由表11可知,模型F值为22513,P值<00001,表明模型是显著的,整个试验设计及优化是合理的,对试验结果的拟合也是准确的;并且失拟项中P值表示不显著,说明这些因素就是粘着牢度性能的影响因素,没有其他忽略的影响因素｡因素A､B､C､AB､A2､B2､C2具有显著影响(P<001),因素AC具有较显著影响(001

通过DesignExpert13对表6数据进行响应曲面分析,粘着牢度性能Y5对各因素的响应曲面结果见图5｡

由图5的3D曲面图和等高线图可以直观地看出各因素对粘着牢度性能Y5的影响及相互之间的作用｡图5(a)为聚氨酯的用量(B)与交联剂的用量(C)对粘着牢度性能Y5值的影响,从曲面坡度以及等高线图密度,可以看出对Y5值的影响大小是:C> B；

图5(b)为丙烯酸的用量(A)与交联剂的用量(C)对Y5值的影响,从曲面坡度以及等高线图密度,可以看出对Y5值的影响大小是:A>C;图5(c)为丙烯酸的用量(A)与聚氨酯的用量(B)对Y5值的影响,从曲面坡度以及等高线图密度,可以看出对Y5值的影响大小是:A>B｡如上所述,A､B､C这3个因素对粘着牢度性能Y5的影响依次为:A>C>B｡并且,图5(b)､(c)的曲面坡度非常明显,坡度顶点都偏向于A,说明粘着牢度性能主要由A决定[12]｡

成革综合性能结果分析

应用Design-Expert13对成革综合性能进行方差分析,结果见表12｡

由表12可知,模型F值为34394,P值<00001,表明模型是显著的,整个试验设计及优化是合理的,对试验结果的拟合也是准确的;并且失拟项中P值表示不显著,说明这些因素就是成革综合性能的影响因素,没有其他忽略的影响因素｡因素A､B､C､AB､AC､A2､B2､C2具有显著影响(P<001)｡根据回归模型,通过Design-Expert13进行回归拟合得出,回归方程为Y6=9712+433A+803B+890C-190AB-175AC-035BC-696A2-526B2-1031C2｡相关系数R=09977,拟合情况良好;调整系数R=09948,可以解释9948%响应值的变化,可以用于预测分析｡

通过DesignExpert13对表6数据进行响应曲面分析,成革综合性能Y6对各因素的响应曲面结果见图6｡

由图6的3D曲面图和等高线图可以直观地看出各因素对成革综合性能Y6的影响及相互之间的作用｡图6(a)为聚氨酯的用量(B)与交联剂的用量(C)对成革综合性能Y6值的影响,从曲面坡度以及等高线图密度,可以看出对Y6值的影响大小是:C>B;图6(b)为丙烯酸的用量(A)与交联剂的用量(C)对Y6值的影响,从曲面坡度以及等高线图密度,可以看出对Y6值的影响大小是:C>A;图6(c)为丙烯酸A的用量与聚氨酯B的用量对Y6值的影响,从曲面坡度以及等高线图密度,可以看出对Y6值的影响大小是:B>A｡如上所述,A､B､C这3个因素对成革综合性能Y6的影响依次为:C>B>A｡并且,图6(a)､(b)､(c)的曲面坡度都很明显,说明A､B､C都是成革综合性能的决定因素｡

此外,图6的3D曲面图的坡度顶点都是靠近中心处,说明各个影响因素的最佳量都在中心处,结合回归方程可以得出,最佳工艺为:丙烯酸树脂用量175g/kg,聚氨酯树脂用量150g/kg,交联剂用量25g/kg｡

试验验证与检测

按最佳工艺进行工艺验证,检测耐干擦性能､耐湿擦性能､耐磨耗性能､耐折牢度性能､粘着牢度性能,换算成百分制及计算成革综合性能,结果见表13｡由表13可知,验证试验实测平均值与Design-Expert13的预测值基本一致,表明最佳工艺验证成功,得到的最佳工艺是准确的｡

结论

应用响应曲面法,对高物性汽车座垫革涂饰工艺进行优化,以成革综合性能为考察指标,得到影响因素A､B､C的最佳用量为:丙烯酸树脂175g/kg,聚氨酯树脂150g/kg,交联剂25g/kg;对成革综合性能的影响依次为:C>B>A｡经验证,所得最佳工艺成革综合性能指标最优,满足汽车装饰用皮革行业标准QB/T2703—2020的要求｡试验验证结果与Design-Expert13的预测值基本一致｡因此使用Box-BehnkenDegsign(BBD)优化试验得到的回归方程模型精准度高,拟合度好,优化方案可信程度高,得出的最佳工艺是合理可行的｡

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文章来源：中国皮革   第52卷 第3期