康易超，鐘壽仙，林春丹，余 斌，賴(lài)晶晶

(中國(guó)石油大學(xué)，北京 102249)

使用傳統(tǒng)黑板擦產(chǎn)生的大量粉塵一直嚴(yán)重危害著師生的身體健康。一個(gè)學(xué)生從小學(xué)到讀完大學(xué)需要至少15年的時(shí)間，這期間要不可避免地遭受粉筆灰的侵襲;而一個(gè)教師大半時(shí)間是在粉筆塵灰中度過(guò)，所受的危害也是可想而知的。由任志剛等人的調(diào)查結(jié)果表明，中小學(xué)教師慢性病患病率較高，常見(jiàn)的疾病主要是慢性咽炎和聲帶疾病，而且均有隨教齡增大而升高的趨勢(shì)［1-2］。

為了改善這一現(xiàn)狀，許多科研人員研究出了一系列的新型的“無(wú)塵粉筆”以降低教師在使用過(guò)程中的揚(yáng)塵現(xiàn)象。然而，黃志剛等人［3］研究了無(wú)塵粉筆對(duì)粉筆塵粒度分布的影響后，發(fā)現(xiàn)這種“無(wú)塵粉筆”對(duì)人體的危害狀況并沒(méi)有明顯的改善，與其它普通粉筆相比，小粒徑粉塵所占的比例大大增加了。而現(xiàn)代醫(yī)學(xué)表明粉塵的不同粒徑對(duì)于人體的影響見(jiàn)表1［4］，小粒徑粉塵是人體健康的主要威脅，這是“無(wú)塵粉筆”所不能解決的。

表1 不同粒徑粉塵對(duì)人體的影響及所占比例

調(diào)查結(jié)果同時(shí)表明，粉塵對(duì)于師生的危害大小并不像普遍認(rèn)為的與黑板座位之間的距離成反比，對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表2［4］:雖然離教室越遠(yuǎn)粉塵的濃度越小，但是對(duì)人身體危害最大的小粒徑粉塵卻在迅速增大。因此，坐在教室較后排學(xué)生們的健康同樣受到很大的威脅。

表2 不同位置粉筆塵的濃度與分散度

綜上可見(jiàn)，要真正達(dá)到保護(hù)師生健康的目的，不但要降低粉塵的總濃度，還應(yīng)該重點(diǎn)降低小粒徑粉塵的濃度。

目前除去粉筆灰的產(chǎn)品主要分為兩大類(lèi):機(jī)械除塵板擦和水除塵設(shè)備。機(jī)械除塵板擦是比較傳統(tǒng)的工具，其缺陷為揚(yáng)塵明顯，吸附效果較差，污染環(huán)境，危害健康。水除塵方法和設(shè)備是部分教育機(jī)構(gòu)使用的一種工具，其原理是在傳統(tǒng)黑板上加裝水洗系統(tǒng)以及水循環(huán)系統(tǒng)，利用由黑板頂部緩慢噴出的水幕達(dá)到除塵效果，其除塵效果明顯，但造價(jià)太高，不便于市場(chǎng)大范圍推廣，水洗后待干時(shí)間太長(zhǎng)，影響教學(xué)進(jìn)度。

迄今為止，很多人在除塵工具的改進(jìn)上做了各種各樣的探索與研究，并且也取得了一定的成效。專(zhuān)利號(hào)為92228413的離心式吸氣機(jī)有著阻力小，吸力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但是它的集塵箱太大;專(zhuān)利號(hào)為99208752x的除塵器揚(yáng)塵少，但是結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜;專(zhuān)利號(hào)為02278259.1的電動(dòng)吸塵裝置吸塵效果好，但是工作噪音太大且有安全隱患。由于對(duì)小粒徑粉塵較差的除塵效果或其它方面等問(wèn)題，這些新型的產(chǎn)品都沒(méi)有廣泛地應(yīng)用到板擦中。針對(duì)現(xiàn)有除塵工具存在的問(wèn)題，本產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)從原理、工作性能以及對(duì)小粒徑粉塵的處理方面做了改進(jìn)。

1 新板擦構(gòu)思設(shè)計(jì)

1.1 新板擦工作原理

本產(chǎn)品以靜電吸附的原理為基礎(chǔ)，從設(shè)計(jì)上既考慮了除塵，同時(shí)也考慮了降低較小粒徑粉塵的比例。

黑板上飄落的粉塵在高壓下靜電感應(yīng)帶電產(chǎn)生靜電吸附。靜電吸附是指小顆粒粉塵在接有高壓直流電源的陰極線(電暈極)和接地的陽(yáng)極之間的高壓電場(chǎng)中時(shí)，由于靜電感應(yīng)，粉塵顆粒內(nèi)部靠近極板的一邊會(huì)產(chǎn)生與相鄰極板極性相反的電荷(另一側(cè)產(chǎn)生相同數(shù)量的同極性電荷)，由于異性電荷相互吸引，使得粉塵帶負(fù)電荷后在電場(chǎng)力的作用下向極板運(yùn)動(dòng)，到達(dá)陽(yáng)極后放出所帶電子，塵粒則沉積于極板之上。本新型板擦中，極板換作高壓電網(wǎng)，大部分帶電粉塵顆粒會(huì)由于較大的初速度而穿過(guò)兩層高壓電網(wǎng)中的空隙吸附于吸附性粘條上。達(dá)到除塵的效果［5］。

根據(jù)靜電吸附的原理，設(shè)計(jì)并構(gòu)想出了整個(gè)板擦的各個(gè)主要部分，著力要解決的問(wèn)題是有效絮凝、吸塵。高壓靜電是通過(guò)變壓電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的，產(chǎn)生高壓直流的電路系統(tǒng)，主要由高頻振蕩電路、倍增整流電路和高壓金屬網(wǎng)三部分組成。圖1是靜電除塵吸附板擦的工作原理示意圖［6-7］。

圖1 板擦工作原理圖

1.2 新板擦模擬吸附實(shí)驗(yàn)裝置研制

為了研究實(shí)際板擦極網(wǎng)的靜電吸附效果，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置。為了有效的實(shí)現(xiàn)電壓倍增，選用電蚊拍內(nèi)置電路來(lái)改裝成所需要的電路板(電路圖見(jiàn)圖2)［8］，考慮到實(shí)際應(yīng)用的限制，決定利用導(dǎo)電性良好的金屬鋁網(wǎng)改裝成形成高壓靜電場(chǎng)的電極板網(wǎng)(見(jiàn)圖3)，用6 V的鋰離子電池作為電源。現(xiàn)今市場(chǎng)上的家用電蚊拍的倍增電路大約可以產(chǎn)生1 500 V左右的瞬時(shí)電壓，可以作為高壓源。并按以下步驟制作了實(shí)驗(yàn)裝置:

(1)將選好的兩金屬片按比實(shí)際粉筆擦外形大一點(diǎn)的大小剪裁，然后將兩層按照電極板的要求用黑膠布綁在兩根絕緣的木棒上，以便于進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。為防止金屬網(wǎng)之間發(fā)生接觸造成短路，在兩層網(wǎng)板之間留有一定的空間空隙。

(2)將電蚊拍中拿出的已改裝成倍增電路的電路板用導(dǎo)線連接在裁剪好的網(wǎng)狀電極板上，為了使黑板擦吸附的粉塵能被更好的固定住，將黑色膠布貼于金屬網(wǎng)的一側(cè)，這樣通過(guò)靜電吸附的粉塵就可以粘牢在粘條上，便于進(jìn)行觀察對(duì)比。

(3)將6 V的鋰離子電池連接到電路板上，由電源、倍增電路板、電極板這三部分形成的完整電路回路見(jiàn)圖4。

圖2 電蚊拍內(nèi)置電路來(lái)改裝電路圖

圖3 模擬的正負(fù)極板網(wǎng)

圖4 靜電吸塵電路

1.3 新板擦外觀結(jié)構(gòu)及選材設(shè)計(jì)

針對(duì)上述傳統(tǒng)板擦存在的缺陷或不足，利用高壓靜電感應(yīng)原理和高吸附性粘條相結(jié)合方式，對(duì)于板擦的不同部分(上表面、主體外觀、內(nèi)部)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)和材料的設(shè)計(jì)(見(jiàn)圖5～圖7)，新板擦包括絕緣外殼，該絕緣外殼為上端未封閉的長(zhǎng)方盒體;絕緣外殼的一個(gè)側(cè)板可拆卸，該側(cè)板朝向絕緣外殼的一面上垂直安裝有隔板，隔板位于絕緣外殼內(nèi)且將絕緣外殼內(nèi)部分為上下兩層，隔板能夠隨側(cè)板從絕緣外殼中抽出;在隔板下方的絕緣外殼內(nèi)安裝有充電電池、充電插頭和電路板;絕緣外殼的上端由下至上分別覆蓋有第二高壓電網(wǎng)和第一高壓電網(wǎng)，且第一高壓電網(wǎng)和第二高壓電網(wǎng)之間絕緣安裝;吸附粘條置于隔板上且吸附面朝向第二高壓電網(wǎng);第一高壓電網(wǎng)的上方四周安裝有擦拭部件;絕緣外殼的一側(cè)面安裝有啟動(dòng)開(kāi)關(guān);所述充電插頭和電路板分別連接充電電池;電路板上設(shè)置有升壓電路，啟動(dòng)開(kāi)關(guān)連接在該升壓電路中控制其通斷，該升壓電路的輸出端的正、負(fù)端分別連接第一高壓電網(wǎng)和第二高壓電網(wǎng)。

圖5 結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 絕緣外殼的一個(gè)側(cè)面示意圖

圖7 隔層的結(jié)構(gòu)示意圖

2 板擦試驗(yàn)

將電源開(kāi)關(guān)3閉合，然后握住絕緣殼體1，用擦拭部件2擦拭黑板上的待擦部位，同時(shí)一直按住啟動(dòng)開(kāi)關(guān)4使其處于閉合狀態(tài)，該過(guò)程中電路通電，由三極管VT和變壓器TU構(gòu)成的高頻振蕩器電路通電工作，把3 V直流電變成18 kHz左右的高頻交流電，經(jīng)變壓器TU升壓到500 V，再經(jīng)二極管VD1～VD3、電容器C1～C3三倍壓整流升高到1 500 V，加到第一金屬網(wǎng)DW1和第二金屬網(wǎng)DW2上。

2.1 板擦極網(wǎng)的模擬實(shí)驗(yàn)

如圖8～9所示，接通電源，從電板板的一側(cè)緩緩灑下事先磨好的粉筆塵，以此模擬用板擦擦黑板時(shí)掉落下來(lái)的粉塵。粉塵在經(jīng)過(guò)極板的時(shí)候會(huì)由于靜電感應(yīng)作用帶電，之后粉塵產(chǎn)生絮凝并在異性極網(wǎng)的吸附作用下穿過(guò)電極網(wǎng)的空隙落于極網(wǎng)的另一側(cè)。為了便于觀察吸附效果，在極網(wǎng)的另一側(cè)貼上黑色的膠布。由圖5可以清楚地看到由于絮凝現(xiàn)象形成了很多大的顆粒。實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果可以看出，有許多的粉塵通過(guò)靜電感應(yīng)吸附在黑色膠布上(中間黃色的部分)，還有一部分粉塵吸附在了極板網(wǎng)上，這兩部分對(duì)應(yīng)的即為吸附于板擦內(nèi)部的粉塵，即此裝置能有效地控制粉塵的飄揚(yáng)與掉落。

圖8 吸附實(shí)驗(yàn)裝置圖

圖9 粉塵吸附實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示大量的粉塵能夠被吸附，并且有較明顯的小顆粒粉塵絮凝現(xiàn)象，這些都較傳統(tǒng)的板擦有了很大的提高。

2.3 本產(chǎn)品與傳統(tǒng)板擦對(duì)比

由于除塵原理、內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不同，使得新型的靜電除塵板擦較傳統(tǒng)板擦有很大的優(yōu)勢(shì)，見(jiàn)表3。

3 結(jié) 論

實(shí)驗(yàn)表明利用靜電除塵原理使小顆粒粉塵發(fā)生絮凝并被吸附是可行的，考慮到實(shí)際應(yīng)用等因素的前提下，通過(guò)進(jìn)一步的設(shè)計(jì)組裝，制作出了一款新型的靜電吸附除塵黑板擦樣品。

文章中設(shè)計(jì)的靜電吸附除塵黑板擦利用高壓靜電感應(yīng)原理和高吸附性相結(jié)合，能夠在吸附飄落下來(lái)的粉筆灰的同時(shí)，使對(duì)人體危害最大的小顆粒粉塵絮凝，有效改善由于大量粉塵吸入給師生帶來(lái)健康隱患的現(xiàn)狀。本產(chǎn)品已獲得專(zhuān)利號(hào)為ZL201320426068.7。它具有高吸附性，除塵效果好，除塵速度快，易清理，其成本較低，適于市場(chǎng)推廣，對(duì)未來(lái)除塵工具的發(fā)展具有參考意義。

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