馮鑫浩，陳晶宇，吳智慧，吳燕，甘健

(南京林業(yè)大學家居與工業(yè)設計學院，南京 210037)

1 膚感概述

膚感，即人體皮膚與外界發(fā)生接觸時人們獲得的所有感受，主要為觸覺和視覺上的綜合感受，它是超越了對物體實際感受的人與物之間的一種情感體驗[1]，所以膚感的產生主要是具有特殊結構和性質的物體如表面形貌(立體紋理、凹凸)、表面摩擦、彈性、柔韌性、壓縮性、密度及熱學性質，在與皮膚接觸時使人產生柔軟、飽滿、溫暖、舒適等感受[2-5]。

目前，對膚感的研究較多集中于化妝品、紡織品、皮革等領域，主要是從化妝品、紡織品、皮革對人體產生的爽滑、柔順、軟硬等感受來評價它們的膚感水平。如Bekker等[6]對不同成分凡士林面霜的膚感進行測試，通過15個專業(yè)人員的親自測試來評價不同面霜的膚感情況，發(fā)現(xiàn)含有合成蠟的面霜要比不含合成蠟的面霜體現(xiàn)出更好的絲滑和輕盈感；Sun等[7]采用捏、折壓、輕撫、拉拽、抓取的方式對紡織品的手感進行評價，并結合客觀測量和建模擬合對這些主觀評價進行驗證，證實主觀評價在一定程度上能夠真實反映紡織品的膚感好壞；鄭晴等[8]對涂覆整理劑前后合成革的手感情況進行主客觀評價，通過織物手感儀對合成革彈挺度、平展度、柔順度、滑爽度等性能的測試，結合人工盲評(觸摸和揉搓等方式)來綜合評價涂覆整理劑前后合成革的手感。

相對于化妝品和紡織品較為成熟的膚感研究，膚感在家具中的應用研究還處于家具表面膚感涂層(即膚感層，也稱皺紋涂層、啞光涂層、橘紋涂層)的研發(fā)與制造階段，目前大多數研究主要集中于對膚感涂層的制備以及對其結構和性能的表征與檢測[9-11]。膚感涂層主要是在固化過程中由于表面和內部反應條件的不同，使固化涂層產生一些特定的紋理或凹凸結構，這些結構在與人體接觸時能夠產生類似紡織品的主觀感知。如圖1所示，天然棉纖維的扭曲結構和特殊表面紋理使其能夠產生柔軟、蓬松、溫暖的手感(圖1a和b)[12]，而經過化學反應制得的皺紋漆表面也能夠形成褶皺、凹凸、波紋、溝槽等類似的結構(圖1c～h)[13-17]，而且通過調配皺紋漆的成分和反應條件，可以有效控制皺紋的大小和形貌(圖1g和h)[17]。通過對膚感涂層形成機制的深入研究將為膚感家具的研制奠定基礎。

a、b)棉纖維的表面形貌；c)自消光水性聚氨酯涂層表面形貌；d)低光澤度丙烯酸樹脂膜的表面形貌；e)聚氨酯/丙烯酸樹脂復合涂層的表面形貌；f)含生漆的光固化褶皺涂層的表面形貌；g)UV-固化褶皺涂層的表面形貌(兩種預聚物比例為10∶0)；h)UV-固化褶皺涂層的表面形貌(兩種預聚物比例為7∶3)。

2 膚感的形成機制

如前文所述，膚感主要是由于物體表面特殊結構(褶皺、凹凸)的存在使人體皮膚產生一定自我感知，所以膚感的產生關鍵在于表面特殊結構的形成，即皺紋的形成。皺紋的形成根據內外因素主要分為兩大類：外力成型和自發(fā)成型。

2.1 外力成型

外力成型主要指具有膚感的特殊結構是在外力作用下形成的，常見的方法有壓印成型和應力釋放成型。

2.1.1 壓印成型

壓印成型主要是借助模具將其表面特有的結構轉印到膜表面，再將膜貼于產品表面，使產品具有一定的膚感性能。為使聚對苯二甲酸乙二酯(PET)表面具有超疏水自清潔功能，Li等[18]采用納米壓印的方式將帶有納米凹凸結構的模具先在全氟聚醚(PFPE)和PET復合膜表面進行轉印，然后再將這種凹凸結構轉印到涂覆光敏樹脂的PET表面，在UV照射下光敏樹脂固化定型，脫除模具后再在光敏樹脂表面涂布一層潤滑劑，最終獲得超疏水的PET膜，如圖2所示。

a)壓印成型機理；b)壓印成型工藝過程；c)壓印成型的PET表面形貌。

2.1.2 應力釋放成型

應力釋放成型主要是基于基體材料的形狀記憶功能，在預拉伸的基體材料表面涂布一層表層材料，當基體材料恢復原始形狀時表層材料受壓而形成皺紋結構，如圖3所示。Schauer等[19]對形狀記憶聚合物(SMP)進行拉伸后在其表面旋涂一層聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)薄膜，接著對SMP加熱處理使其恢復原始形狀，PMMA薄層受到基體回彈壓縮力的作用產生皺紋，這些皺紋的尺寸(微納結構)可以通過PMMA薄層的厚度來控制，這將為結構和性能可調控的膚感涂層制備提供良好的條件。

a)形狀記憶聚合物表面微納米皺紋的成型機理；b～d)皺紋尺寸可通過旋涂涂層(PMMA，聚甲基丙烯酸甲酯)的厚度來控制。

雖然外力成型能夠快速制備皺紋結構使產品獲得一定膚感性能，但其只能加工平面產品或先加工具有皺紋表面的膜材料再將膜貼于產品表面，這些產品由于微觀紋理結構的限制，其膚感性能有限；同時由于皺紋膜材料的制備工藝復雜、耐久性不高，所以又會導致這類膚感產品的生產成本增加。

2.2 自發(fā)成型

自發(fā)成型主要是涂布到產品表面的膚感涂層(皺紋漆)在固化過程中由于表層與內部產生力的不平衡而使表層產生皺紋。相比于外力成型，自發(fā)成型的膚感涂層形貌可控，皺紋尺寸可調，且可以在產品表面一次成型，生產成本低。通常自發(fā)成型根據主導因素的不同又可分為熱應力法、膨脹法和相分離法3種。

2.2.1 熱應力法

當膚感涂層不同相之間的熱應力大于其所能承受的壓縮應力時，膚感涂層就會產生褶皺[20]。如圖4a所示，加熱的聚二甲基硅氧烷發(fā)生體積膨脹，保持其膨脹狀態(tài)并在表面涂覆一薄層金(50 nm)和鈦(5 nm)，自然冷卻后去除玻璃底座，再加熱到110 ℃后冷卻，最后得到皺紋均勻的膚感涂層[21]。

兩層以上的膚感涂層在發(fā)生褶皺時，每一層的紋理變形基本一致，但紋理方向變化隨機，沒有規(guī)律性。如圖4b所示，在有機發(fā)光二極管表面涂布4層不同薄層時，其表面的紋理變形規(guī)律一致，從表面形貌可以看出，二極管表面的紋理尺寸比較均勻，但方向變化沒有規(guī)律性[22]。

當給熱變形的膚感涂層施加外置模具時，加熱變形的膚感涂層會隨模具的形狀發(fā)生形變，最終使膚感涂層形成與模具一致的紋理。所以，膚感涂層的紋理可以根據不同性能或功能要求進行人為調控以滿足不同膚感需求。如圖4c所示，在涂布金屬涂層的聚合物表面放置聚二甲基硅氧烷模具，加熱聚合物時金屬涂層隨聚合物發(fā)生形變，且形狀趨于模具的形狀，最終使聚合物的金屬涂層形成有規(guī)律的紋理(圖4c，右)[23]。

2.2.2 膨脹法

膨脹法主要是膚感涂層聚合物在化學反應過程中，厚度方向產生膨脹或收縮梯度，導致表層與內部形成壓縮或拉伸應力差(滲透壓)，進而形成褶皺紋理。這種滲透壓可以通過溶劑擴散動力學、聚合物交聯(lián)密度、微流通道來控制，從而有效調控紋理的大小和膚感效果[24-27]。

膚感涂層的膨脹收縮可以在液相或者氣相介質中進行，但不管是哪種介質，其褶皺產生的核心還是梯度應力在膚感涂層厚度方向上的擴散。在液相介質中，如環(huán)氧樹脂和丙烯酸樹脂的雙組份體系，當兩者比例均勻時，雙連續(xù)相結構中兩種樹脂相對分散均勻，高模量的環(huán)氧樹脂固化收縮產生內應力，而低模量的丙烯酸樹脂則為平衡這一內應力發(fā)生柔性變形，進而形成褶皺[10,20]。如圖5a所示，對UV固化的芳環(huán)材料進行乙二醇接枝改性得到不同鏈段長度的預聚物，由于預聚物3a和3e為固體，所以只能用3b～d液體預聚物來制備褶皺涂層。在UV照射前期，預聚物表層形成一層較硬薄層，這層硬薄層在UV照射后期被繼續(xù)固化的預聚物產生的壓縮應力壓縮形成褶皺紋理(圖5a，下)，而預聚物分子鏈不同，所形成的褶皺紋理也有所區(qū)別(圖5a，右上)；同時，當采用3e和3c的復合體系制備褶皺涂層時，涂層形貌可以通過調配二者比例得到有效控制[17]。在氣相介質中，UV固化樹脂在聚合反應時，表層樹脂由于受到氧氣的阻聚作用發(fā)生不完全收縮，而下表層樹脂則聚合完全，兩層之間形成收縮梯度而產生應力差，進而致使表層被壓縮并產生褶皺[28-29]。如圖5b所示，這種氧氣阻聚形成的褶皺形貌可以通過UV固化層的厚度、氧氣濃度來調控，同時在UV固化涂層表面外置特定模具，通過模具與固化涂層的接觸面積來控制氧氣濃度，從而對這種固化涂層的褶皺形貌進行進一步調控以滿足不同性能和功能需求[28]。

2.2.3 相分離法

相分離法主要是聚合物復合體系(如水與聚合物體系、不同聚合物的復合體系)中不同組分在一定條件下發(fā)生分離使涂層產生膚感效應[13,15]。例如，利用水性聚氨酯樹脂制備的膚感涂層，其成型原理是水性聚氨酯樹脂被均勻涂布于基體表面時，樹脂中混合的AAS鹽顆粒在樹脂表層隨機分布，當水分蒸發(fā)后，樹脂發(fā)生固化收縮，這些顆粒被固定在涂層表面從而形成具有凹凸結構的膚感涂層；但隨著AAS鹽含量的增加，樹脂親水性和交聯(lián)密度增加，導致涂層凹凸結構逐漸減小，涂層膚感效果逐漸消失(圖6a)[13]。在水性聚氨酯和丙烯酸樹脂的復合體系中，當添加不同鏈段的丙烯酸樹脂時，復合涂層表現(xiàn)出不同的褶皺效果(圖6b，上)，這主要是由于聚丙烯酸酯與水性聚氨酯的不相容產生相分離所致；從二者復合體系的原子力顯微鏡斷面相分布可以看出(圖6b，下)，圖中較暗的部位為軟鏈段(聚氨酯)，較亮部位為硬鏈段(聚丙烯酸樹脂)，亮暗界線明顯，軟硬鏈段在復合樹脂固化過程中彼此間產生不平衡應力，從而導致褶皺的形成[13]。

3 膚感家具及其成型與評價

3.1 膚感家具

狹義地講，膚感家具即涂布膚感涂層或表層覆蓋膚感材料(如皮革、織物)的家具。其中，由于涂布膚感涂層的膚感家具所涉及的家具種類較多，所以一般所說的膚感家具主要指涂布膚感涂層的家具。與其他非膚感家具相比，膚感家具能營造一種溫馨舒適的環(huán)境，給人以溫暖愉悅的感覺。雖然，膚感家具優(yōu)越的交互性能已經引起廣大消費者、家具企業(yè)及相關研究人員的廣泛關注，但目前對膚感家具的研究較少，膚感家具的成型機制、評價方法、應用范圍等體系還亟待進一步完善。所以，本節(jié)主要在前文研究膚感涂層成型機制的基礎上，對膚感家具的成型方法、評價及應用進行歸納總結，以期為膚感家具的研究、生產、評價和應用奠定理論基礎。

3.2 膚感家具的成型方法

根據膚感涂層的形成機制，膚感家具的成型可分為模壓法和涂飾法。

模壓法即先將膚感涂層預制在一層薄膜上，再將薄膜壓貼于家具表面；或預先將一層薄膜壓貼于家具表面，而后在薄膜表面進行模壓，使薄膜表面獲得具有一定褶皺紋理的膚感涂層。模壓法與傳統(tǒng)家具表面裝飾類似，是將一層或幾層預制的裝飾紙通過熱(冷)壓的方式膠貼于家具表面，所以模壓法工藝復雜，環(huán)保性低，且膚感效果主要由模具決定，膚感性能有限。

涂飾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)為膚感涂層主要成型材料，通過涂刷、噴涂等傳統(tǒng)涂飾方式將涂料涂覆于家具表面[30]，涂料在干燥或固化過程中產生機械不穩(wěn)定性，從而使家具表面涂層形成褶皺紋理，進而使家具表現(xiàn)出一定的膚感性能。膚感家具的涂飾成型與傳統(tǒng)家具涂飾工藝相似，主要區(qū)別在于涂料的成型機理，傳統(tǒng)涂飾中涂料可以在家具表面形成均勻光滑的涂層，而膚感家具中涂層在成型過程中存在厚度方向的應力梯度，使得膚感涂層產生褶皺紋理[31]。涂飾法是目前制備膚感家具應用較多的一種方法，主要原因在于涂飾法工藝簡單、成型性好、膚感性能可控。

3.3 膚感家具的評價

3.3.1 評價原則

目前對家具膚感性能評價的研究較少，多數研究還處于膚感涂層的制備和表征階段，對膚感家具的評價體系還有待進一步完善。所以對家具膚感性能評價時，主要借鑒木材視-觸覺主觀評價和織物手感客觀評價的評價方法，秉承主客觀評價相結合、相協(xié)調的基本評價原則，給出對家具膚感性能的合理評價。

3.3.2 主觀評價

Overvliet等[32]利用視-觸覺來定量評價木材和仿木材材料的天然性，主要通過實驗人員看-觸摸木材時所表現(xiàn)的心理反應，再結合木材的物理特性，實驗人員從主觀上對材料的特性進行評價，評價方法包括：等級分類法(如用數據表示等級0=沒有天然性；1=天然性很少；2=有點天然性；3=中等天然；4=非常天然；5=極其天然；6=完全天然)、量值估計法、二元決策法、等級排列法。Fujisaki等[33]通過觸覺感知對20種材料(天然木材、加工木材、仿木材)的人體感知和情感性能進行測試，測試以問卷的形式，其中觸覺感知包括：粗糙與平滑、軟硬、冷暖、輕重、干濕、稀疏與密集，情感性能包括：真假、貴賤、整潔與骯臟、新舊、愉悅與否、緊張與放松、強健與軟弱、常見與稀有、簡單與復雜、有趣與否、喜歡與討厭。

3.3.3 客觀評價

相對膚感家具，對織物膚感性能的研究較為全面，而家具和織物在人們日常生活有眾多交集，如軟體家具(沙發(fā)和床墊)中的大部分材料，尤其是面料主要由織物構成。所以家具與織物在膚感性能評價方面具有一定的相似性。因此，對家具膚感性能的評價可以借鑒織物膚感性能的評價方法。

由于對織物膚感性能的主觀評價存在不穩(wěn)定性和非定量性[34]，所以人們研發(fā)了對織物膚感性能的客觀評價方法，常見的有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]。這些方法的主要原理是通過特定儀器對織物相關物理力學性能參數進行測試，結合主觀評價數據，建立一套量化的體系來系統(tǒng)評價織物的膚感性能，這些方法能夠有效克服主觀評價存在的缺陷，已成為織物膚感評價的主要方法。然而，這些方法在進行織物物理力學參數測試時需要用到不同的儀器，測試過程復雜且難以結合消費者的主觀感知來有效預測織物的膚感性能。所以，在這些客觀方法的基礎上，研究者們又進一步研發(fā)了簡單、方便且有效的織物膚感評價方法，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法為例，其主要原理是通過儀器測試，可同時獲得織物的厚度、壓縮性能、彎曲性能、摩擦性能及拉伸性能等參數(圖7a)，分別對這些性能建模預測，發(fā)現(xiàn)模型與實際測量值高度相關；此外，通過主觀對織物柔軟度、硬挺度、爽滑度和松緊度等膚感性能的評價(圖7b)，并利用肯德爾和諧系數對主觀評價進行量化處理[38]，以此建立模型，發(fā)現(xiàn)實際主觀評價也與模型預測值高度相關；最后，對比主客觀評價的結果，證明二者對織物膚感性能的評價具有一定相關性，說明通過QIHES-F法能夠對織物的膚感性能做出正確的評價。

a)機械客觀評價的主要原理；b)主觀評價的基本手勢和評定等級。

因此，對家具膚感性能的評價可以借鑒織物膚感性能的測試和評價方法，首先通過相關儀器設備對膚感家具表面膚感涂層的厚度、粗糙度、硬度、壓縮韌性、摩擦性能、拉伸性能等物理力學性能進行測試，并建立模型對膚感涂層性能進行預測；同時，采用摸、拉、捏、壓、抓等主觀行為對膚感涂層進行評價，對評價結果量化處理并建立模型來預測主觀評價的準確性；對比研究主客觀評價預測模型的相關性，進一步量化和精準表達膚感家具的真實膚感性能。

4 膚感家具的應用與發(fā)展趨勢

4.1 膚感家具的應用

隨著人們對家具使用性能要求的提高，家具的膚感性能越來越受到人們的喜愛和重視。膚感家具不僅能營造一種溫馨舒適的環(huán)境，而且與人體接觸時還能給人以溫暖愉悅的感覺。所以，膚感材料如合成皮革、膚感板(涂飾膚感涂層的木質人造板材)已經被用來生產沙發(fā)、坐墊、墻板、衣柜、櫥柜等家具(圖8)，甚至，膚感膜還可以與木塑復合材料復合制備膚感木塑線條用于室內裝飾(圖8c)。從圖8d、e和f可以看出，利用膚感板制作的室內墻板、衣柜和櫥柜除了具有啞光效果外，還能夠營造出一種溫暖、舒適、雅致的氛圍，對人們高質量的日常生活起到不可忽視的作用。

a)膚感皮革；b)膚感板；c)膚感木塑線條；d)膚感墻板；e)膚感衣柜；f)膚感櫥柜。

4.2 膚感家具的發(fā)展趨勢

雖然膚感家具已經在人們的生活、工作、學習當中嶄露頭角，但對膚感家具的研發(fā)、生產以及評價還有待進一步深入研究。

4.2.1 家具膚感性能的研發(fā)

目前對家具膚感性能的研究較少，多數還處于針對啞光家具的研究階段，所以需要在啞光家具的基礎上對家具的膚感性能深入研究。一方面，研究膚感涂層在不同家具材料表面的成型機制；另一方面，研究家具表面膚感涂層的褶皺成型機理及其膚感效果。這些研究將為擴大膚感家具的生產規(guī)模奠定堅實的基礎。

4.2.2 膚感家具的生產

目前，膚感家具的生產主要采用模壓法(如平貼線法和膜壓線法)將膚感膜或褶皺紋理壓貼于家具表面，這種生產方法工藝復雜、環(huán)保性低、生產成本高，這在一定程度上限制了膚感家具的廣泛應用。雖然目前市場存在采用涂飾法制作的膚感家具，但涂料在固化過程中褶皺的成型機制尚不明確，且傳統(tǒng)涂飾工藝還不能完全滿足膚感涂層的制作要求。所以，新型膚感家具制作方法和生產設備的研制將是膚感家具廣泛應用的關鍵。如對傳統(tǒng)UV涂飾生產線進行適當改造以滿足膚感家具的涂層褶皺成型和控制需求；聯(lián)合UV-3D打印技術，借助3D打印技術自由設計、精度高、成型快等優(yōu)勢，對家具表面的褶皺紋理進行定向定量設計并通過3D打印成型[39]，從而實現(xiàn)多樣式膚感涂層的制備。同時根據不同消費者的需求，應用3D打印技術實現(xiàn)膚感家具的個性化定制，最終實現(xiàn)膚感家具的規(guī)?；a。

4.2.3 膚感家具的評價

家具膚感性能的優(yōu)劣主要取決于使用者的實際感受，目前對膚感家具的評價主要是根據消費者的主觀反饋來判定家具膚感性能的高低。這種評價方法具有一定的主觀臆斷性，缺乏量化的標準來界定膚感性能的優(yōu)劣。參照織物膚感性能的客觀評價方法，首先采用儀器對膚感家具的膚感參數進行準確測量，在此基礎上結合量化的主觀評價，以及數學模型的運算，從而對膚感家具做出準確的評價，這種類似的客觀評價方法將會成為未來正確評價膚感家具的首要選擇。因此，建立健全膚感家具的評價體制和測試標準是未來膚感家具生產體系中必不可少的重要環(huán)節(jié)。