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这支笔,易擦、可降解,吃到嘴里也不怕

2019-03-28    来源:科普中国-科普融合创作与传播

  出品:科普中国

  制作:张俊 李明璐 董川(山西大学环境科学研究所)

  监制:中国科学院计算机网络信息中心

  涂鸦是孩子认知世界、表达感受、与其他小朋友交往的成长方式,同时能促进儿童的肌肉协调性、认知、情感等方面的发展。

  育儿专家普遍认为,孩子在6-9岁以前最佳的涂鸦方式是自由涂鸦。在这个过程中,家长不应不干预,也不应教孩子任何绘画技巧。

  但是在自由涂鸦时,墙壁、电视机屏幕、沙发、床单、地板…任何东西都可能成为孩子的画布。家长们也常常为之烦恼。

  你买的可擦水彩笔可能有毒

  目前市场上的涂鸦笔有粉笔、水彩笔和蜡笔等,这些笔的笔渍常常难以清除。而可擦水彩笔的出现可谓是从源头上解决了家长们关于涂鸦笔渍的烦恼。

  但是,你知道吗?可擦水彩笔使用的是醇溶性色料和有机溶剂,易挥发、污染环境,而且易沾染,擦后仍为有色物质不可降解。画在墙上、衣服、床单或皮肤上不易清洗。不可擦蜡笔容易沾染衣物墙壁,清洗困难。某些蜡笔中可能含有有毒成分(如:红色油画棒中含有红色颜料硫化汞,硫酸镉和镉的硒化物等),对儿童生长发育造成潜在危害。

  

  (图片来源:作者原创)

  他们发明了环保可降解色料

  山西大学的董川课题组偶然发现,某些中草药砂锅熬色是深棕色的,而在玻璃烧杯里熬制时汤色却很浅。我们知道,光照条件下一些中草药和天然植物色素在水中会氧化褪色。如隐丹参酮溶液在自然光照和加热的过程中由棕红色逐渐褪成无色。如果能使这个显色褪色反应精准可控,可能会有多样的用途。

  金属离子与植物多酚(PP)也可发生显色反应,颜色随金属离子不同而不同。例如,茶多酚可与铁离子形成黑绿色的金属离子络合物。将该络合物经表面活性剂增溶后得到黑绿色微乳状液,在中性或弱碱性条件下,加热发生水解褪色反应。另外,儿茶素与Fe3+Cu2+Zn2+等分别呈黑绿、棕色、亮黄等颜色。

  受这些实验现象的启发,董川等设计了能在常温常压下进行的光诱导水解褪色反应。该反应可表示为:

  多酚PP和金属离子Mn+形成有色络合物:PP + Mn+ [PP-M]n+

  络合物发生水解褪色反应:[PP-M]n++ nOH-PP + M(OH)n

  利用这个反应研制出了黑、蓝、红、绿、紫等色泽的新型光诱导水解色材料。随着研究的深入,结合光褪色、化学褪色、热敏褪色及微胶囊包覆褪色等反应技术,并对控制光化学诱导水解褪色反应进行的阻化剂进行了筛选,研制了环保可降解色料。该材料光照遇水时分解为无色或浅色物质。

  儿童水擦涂鸦笔 

  环保可降解色料成分环保健康,水擦即可褪为无色,不留下任何痕迹。于是首先应用于儿童水擦笔、水擦蜡笔等。儿童水擦涂鸦笔可在白板、墙壁、书写膜、地板、桌面等不渗水表面随意涂鸦。笔迹水擦后降解为无色的环境友好物质,可反复使用。即使不小心画在衣服、床单、皮肤等表面,只需清水即可轻松擦除。水解产物对皮肤不产生刺激,符合国家化妆品标准。经过SGS检测,符合美国ASTMF963-03、欧盟EN71 PART3无毒安全标准。即使小孩不小心将笔头咬进嘴里,也不会对身体产生危害。

  无尘板书教具

  除了用于健康儿童学具,环保可降解色料在教学领域也显示出极大的应用优势。

  室内授课是学生获取知识的重要途径,板书演示是课堂传授知识的主要手段。目前,国内外使用的教具仍以传统的黑板粉笔为主。然而黑色板面与周围环境反差大,容易造成视觉疲劳。更为严重的是教学时会产生相当数量的粉尘,对教师和学生身体健康都产生危害。

  随着技术进步,白板和白板笔教具在上世纪5060年代出现。白板笔多使用有机溶剂墨水,板面反光,不能长期用于课堂教学,常用于短期会议室。也有许多种笔和板擦的改进产品,如卷帘式写字幕,电动式吸尘板擦,无尘粉笔等,然而没能从根本上消除粉尘。

  人眼辨别物体靠两种视觉能力:一是亮觉,利用物体间明暗差别进行辨认;另一种是色觉,利用物体间色彩差别进行辨认。当两种功能充分协调发挥作用时,眼睛辨别东西就轻松有效。如果板面颜色与周围环境颜色反差太大,而字迹颜色与板面颜色的对比度太小,以及字迹笔画太细时,易产生视觉疲劳。

  通过比较研究,董川等发现当观察角大于45度时,白板、蓝笔组合的视疲劳程度明显低于绿板、白笔组合,更低于黑板、白笔组合。观察角小于45度时,三者无明显差异。白板、黑笔组合最佳观察距离为3.55米,而绿板、黑板和白笔组合的最佳观察距离均为2米左右。结论是在降低视疲劳方面,白板优于绿板,而绿板优于黑板。但是,白板黑字构成强光弱色的视觉环境,反射很强却没有什么色彩。眼睛受的刺激很强,但色觉功能受到抑制,致使视觉能力降低。在这种情况下眼睛很容易感到疲劳,故白板存在缺点。

  黄色为温和色,给人安静祥和的感觉。教室的课桌椅和医院病房多以米黄色装饰,使人感到安静、祥和。实验发现,用浅米黄练习薄连续书写2小时,有39.02%的学生出现眼疲劳症状,最早出现症状在书写后40分钟,眼酸眼胀视糊等症状轻微。而用白纸连续书写2小时,学生普遍出现眼疲劳症状,最早出现症状时间在书写后20分钟,眼酸眼痛视糊等症状较重。故浅米黄板优于白板。

  总之,最佳板面颜色顺序为:浅米黄>>绿>黑。在教室使用浅米黄亚光板,可使视觉疲劳降到最低程度,对学生视力有保护作用。

  一支水彩笔,在米黄色的亚光板上任意书写,然后用吸附有自来水的板擦轻轻一拭,顿时墨迹全无。这就是山西大学的无尘板书教具。它没有粉尘飞扬,墨水与板面的颜色反差适中,不易产生视觉疲劳,从而保护学生视力。无尘教学套装已经在山西大学等数十个单位实际使用,完全取代了现行的黑板粉笔教具。

  通过对植物成分进行化学修饰得到的多种色泽的光化学诱导水解褪色材料,其应用领域已经从开始的儿童五色水擦涂鸦笔到无尘教学产品,以至米黄色亚光板等环保系列教具。

  环保可降解色料的研究还用于办公水擦笔和办公书写膜,为日常的办公、开会、培训等提供了便利。其显著的经济社会效益获得了国家技术发明二等奖和德国纽伦堡国际发明展铜奖等诸多奖项,被认为达到国际领先水平。

  现在这项研究不断地深入,比如以环保可降解色料制备微胶囊色料,然后分散于空白水性涂料中得到防伪迷彩涂料。环保可降解色料有望在印刷油墨、防伪保密、暗室显影等领域一显身手。