广州大学汪黎明《CEJ》：可写亦可擦型有机硅涂层

针对上述问题， 广州大学化学化工学院汪 黎明教授 课题组 深入研究了可擦写背后的物理机制，并提出了以甲基三甲氧基硅烷、正硅酸乙酯、缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷和羟基封端聚二甲基硅氧烷等硅氧烷分子为原料，在催化作用下获得了一种具有广泛适用性的高透明、高耐久可擦写有机硅涂层的方法 。当使用商用记号笔在涂层上进行绘画涂鸦时，水性/油性墨水均可在表面上铺展良好，涂层显示出良好的可浸润性，室温干燥12 h后，涂鸦墨迹可被纸巾擦除。对比之下，未涂装基材上的涂鸦在相同条件下无法被清除。该结果显示涂层具有良好的可擦写性。聚硅氧烷材料本身具备较低的表面能、优异的生理惰性、高生物相容性和无毒无味等特点，该类涂层材料具有良好的应用发展潜力。

图1. 可写可擦型有机硅涂层的制备

对于此类有机硅涂层而言，当其表面上的水滴后退角大于76°时，涂层显示出良好的防涂鸦性能，水性和油性笔绘制的图案墨迹会发生剧烈收缩，图案易被纸巾清除。而当涂层的后退角数值降至69–65°范围时，在涂层表面可绘制清晰连续的图案，且在室内环境中静置12 h后图案易于清除，证实了此涂层具有良好的可写、可擦性能。当涂层的后退角值被调控至65°以下时，其表面上易于涂鸦绘画，但普通的水性与油性墨水图案在干燥后均难以被纸巾清除。研究发现，图案墨迹的可擦写性能在很大程度上与涂层表面的去润湿性能相关：当笔尖扫过涂层表面时，墨水在笔头按压下能够充分湿润其路径，但当涂层的附着力过低时，油墨随即在表面发生收缩，破坏了墨迹的连续性与完整性，此时涂层表现出较高的后退角数值，油墨呈现明显的去湿润现象。而当后退角数值低于63°时，涂层表面的油墨铺展良好，未发生明显的去润湿现象，但墨迹也难以被擦拭清除。从接触角变化与可擦写性之间的关联推测，涂层表面的后退角存在一个约为65°的阈值，在其之上，表面的油墨难以铺展但易于擦拭，而在其之下则相反。值得一提的是，~65°也是固体表面亲、疏水转变的阈值。

该可擦写涂层适用多种不同类型的基材，例如玻璃、木材、铝片、铁片和ABS塑料等。涂层的透明度高，可擦写性能稳定，即使经过9周时间，其表面的图案仍可被轻松擦除。其可擦写效应的主要机制在于，低表面能线性聚硅氧烷组分提供了很低的分子间相互作用，且因物性差异较大，通常难以与水性或油性墨水发生共混，这在很大程度上赋予了表面的抗污潜力。而具有不同后退角数值的涂层之间的可擦性差异表明：涂层与墨水之间的疏水作用，例如色散力，并不能提供较强的吸附作用以将油墨牢固地吸附在表面，因此，在后退角数值大于76°的表面，墨水会发生明显的去润湿作用，且墨迹易被擦除；在后退角数值小于65°的区域，表面的极性基团含量增加，并提供了较为强大的吸附作用，使油墨较牢固地附着于表面，使之难以被纸巾清除。实际上，在后退角65°附近的区域，涂层的表面能在~26 mN/m左右，这意味着在表面的化学组成中极性基团并未占据主导性地位。由此可见，在表面的亲、疏水转变阈值（65°）上下，表面的分子的作用机制存在显著的不同，非偶极作用力显然比偶极作用具有更高的动态性和可逆性特征。这种分子作用机制的差异可能解释了为何水滴和油墨在固体表面的附着模式遵循了相似的转变阈值。

图2. 涂层的可擦写性与润湿性之间的关系

图3. 有机硅涂层的可写性与可擦性测试

图4. 油墨在不同材料表面的铺展行为

图5. 可擦写涂层的形貌结构与性质测试

该研究成果以《高耐用性可写可擦表面的设计与制备》（Design and fabrication of rewritable surfaces with high durability）为题，发表在化学工程领域顶级期刊《化学工程杂志》（Chemical Engineering Journal）。论文的第一作者是广州大学硕士生 张磊 ，通讯作者为广州大学 汪黎明教授 。该工作获得了国家自然科学基金、广州大学-广东腐蚀科学与技术创新研究院联合研究院基金项目、广州市市科技计划的资助。