康易超，鐘壽仙，林春丹，余 斌，賴晶晶

(中國石油大學，北京 102249)

使用傳統(tǒng)黑板擦產(chǎn)生的大量粉塵一直嚴重危害著師生的身體健康。一個學生從小學到讀完大學需要至少15年的時間，這期間要不可避免地遭受粉筆灰的侵襲;而一個教師大半時間是在粉筆塵灰中度過，所受的危害也是可想而知的。由任志剛等人的調(diào)查結果表明，中小學教師慢性病患病率較高，常見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［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“無塵粉筆”以降低教師在使用過程中的揚塵現(xiàn)象。然而，黃志剛等人［3］研究了無塵粉筆對粉筆塵粒度分布的影響后，發(fā)現(xiàn)這種“無塵粉筆”對人體的危害狀況并沒有明顯的改善，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)學表明粉塵的不同粒徑對于人體的影響見表1［4］，小粒徑粉塵是人體健康的主要威脅，這是“無塵粉筆”所不能解決的。

表1 不同粒徑粉塵對人體的影響及所占比例

調(diào)查結果同時表明，粉塵對于師生的危害大小并不像普遍認為的與黑板座位之間的距離成反比，對比結果見表2［4］:雖然離教室越遠粉塵的濃度越小，但是對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，要真正達到保護師生健康的目的，不但要降低粉塵的總濃度，還應該重點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:機械除塵板擦和水除塵設備。機械除塵板擦是比較傳統(tǒng)的工具，其缺陷為揚塵明顯，吸附效果較差，污染環(huán)境，危害健康。水除塵方法和設備是部分教育機構使用的一種工具，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到除塵效果，其除塵效果明顯，但造價太高，不便于市場大范圍推廣，水洗后待干時間太長，影響教學進度。

迄今為止，很多人在除塵工具的改進上做了各種各樣的探索與研究，并且也取得了一定的成效。專利號為92228413的離心式吸氣機有著阻力小，吸力強等優(yōu)點，但是它的集塵箱太大;專利號為99208752x的除塵器揚塵少，但是結構過于復雜;專利號為02278259.1的電動吸塵裝置吸塵效果好，但是工作噪音太大且有安全隱患。由于對小粒徑粉塵較差的除塵效果或其它方面等問題，這些新型的產(chǎn)品都沒有廣泛地應用到板擦中。針對現(xiàn)有除塵工具存在的問題，本產(chǎn)品設計時從原理、工作性能以及對小粒徑粉塵的處理方面做了改進。

1 新板擦構思設計

1.1 新板擦工作原理

本產(chǎn)品以靜電吸附的原理為基礎，從設計上既考慮了除塵，同時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)和接地的陽極之間的高壓電場中時，由于靜電感應，粉塵顆粒內(nèi)部靠近極板的一邊會產(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，使得粉塵帶負電荷后在電場力的作用下向極板運動，到達陽極后放出所帶電子，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由于較大的初速度而穿過兩層高壓電網(wǎng)中的空隙吸附于吸附性粘條上。達到除塵的效果［5］。

根據(jù)靜電吸附的原理，設計并構想出了整個板擦的各個主要部分，著力要解決的問題是有效絮凝、吸塵。高壓靜電是通過變壓電路來實現(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 新板擦模擬吸附實驗裝置研制

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

(1)將選好的兩金屬片按比實際粉筆擦外形大一點的大小剪裁，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，以便于進行實驗。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)，這樣通過靜電吸附的粉塵就可以粘牢在粘條上，便于進行觀察對比。

(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圖4。

圖2 電蚊拍內(nèi)置電路來改裝電路圖

圖3 模擬的正負極板網(wǎng)

圖4 靜電吸塵電路

1.3 新板擦外觀結構及選材設計

針對上述傳統(tǒng)板擦存在的缺陷或不足，利用高壓靜電感應原理和高吸附性粘條相結合方式，對于板擦的不同部分(上表面、主體外觀、內(nèi)部)進行了結構和材料的設計(見圖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方盒體;絕緣外殼的一個側(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)面安裝有啟動開關;所述充電插頭和電路板分別連接充電電池;電路板上設置有升壓電路，啟動開關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、負端分別連接第一高壓電網(wǎng)和第二高壓電網(wǎng)。

圖5 結構示意圖

圖6 絕緣外殼的一個側(cè)面示意圖

圖7 隔層的結構示意圖

2 板擦試驗

將電源開關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，同時一直按住啟動開關4使其處于閉合狀態(tài)，該過程中電路通電，由三極管VT和變壓器TU構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)的模擬實驗

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掉落下來的粉塵。粉塵在經(jīng)過極板的時候會由于靜電感應作用帶電，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。實驗對比結果可以看出，有許多的粉塵通過靜電感應吸附在黑色膠布上(中間黃色的部分)，還有一部分粉塵吸附在了極板網(wǎng)上，這兩部分對應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與掉落。

圖8 吸附實驗裝置圖

圖9 粉塵吸附實驗

實驗結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)板擦對比

由于除塵原理、內(nèi)部結構的不同，使得新型的靜電除塵板擦較傳統(tǒng)板擦有很大的優(yōu)勢，見表3。

3 結 論

實驗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，考慮到實際應用等因素的前提下，通過進一步的設計組裝，制作出了一款新型的靜電吸附除塵黑板擦樣品。

文章中設計的靜電吸附除塵黑板擦利用高壓靜電感應原理和高吸附性相結合，能夠在吸附飄落下來的粉筆灰的同時，使對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健康隱患的現(xiàn)狀。本產(chǎn)品已獲得專利號為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，適于市場推廣，對未來除塵工具的發(fā)展具有參考意義。

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