“除尘黑板擦”的设计与改进之“原理”设想初探

永川区 小学校 题目： “除尘黑板擦”的设计与改进之 “原理”设想初探 作者： 单位： 永川区 小学校 Email: 2 关于“除尘黑板擦”的设计与改进的初探 粉笔是由石膏制成的，其化学成分为硫酸钙。硫酸钙，化学式 CaSO4。熔 点 1450 度，相对密度 2.96。难溶于水。它的二水化物 CaSO4.2H2O 俗称石膏（ 或生石膏）。硫酸钙性能稳定，没有毒性。 对皮肤的危害：教师在教学过程中，粉笔粉尘不可避免地会沾在手上，同 时漂浮于空气中的颗粒粉尘也会落在教师头发、脸上和脖子上，对皮肤膜有刺 激作用，如果暑天遇汗水解，产生碱性物质，对皮肤粘膜的刺激就更大，因为 人体皮肤所生存的环境为弱酸性环境，这样在粉尘碱性作用下破坏了皮肤的基 本生存环境，粉笔粉尘使皮肤变得干燥、粗糙，并伴有搔痒感觉，使人体不适 ，严重者会引起粉刺、毛囊炎、脓皮病、皮肤皲裂和大量毛发脱落，影响和干 扰了教师正常工作和生活 现在，国内使用的粉笔主要有普通粉笔和无尘粉笔两种，其主要成分均为 碳酸钙（石灰石）和硫酸钙（石膏），或含少量的氧化钙。 无尘粉笔属普通粉笔的改进产品，旨在消灭教室粉笔尘污染。它只是在普通 粉笔中加入油脂类或聚醇类物质作粘结剂，再加入比重较大的填料，如粘土、 泥灰岩、水泥等这样可使粉笔尘的比重和体积都增大，不易飞散，但在实际应 用中，它对粉笔尘污染的降低效果并不十分明显。 粉笔与化学粉笔,该笔是由硫酸钙的水合物（俗称生石膏）制成。也可加入各种 颜料做成彩色粉笔。在制作过程中把生石膏加热到一定温度，使其部分脱水变 成熟石膏，然后将热石膏加水搅拌成糊状，灌入模型凝固而成。其主要反应为 2CaSO42H2O 2CaSO4H2O+3H2O 控制好温度，利用生、熟石膏的互变性质还可制造模型，塑像以及医用的 石膏绷带等。 教师常需在黑板上书写、绘图进行讲解。在 4550 分钟的一节课里，就 要擦写数次，下课时，往往在手上、袖子上，甚至头发、肩膀上都留下一层白 色粉笔灰。天天如此，年复一年，工作 2030 年后，消磨了数以万计的粉笔 。不可避免地从鼻孔吸入一些粉笔灰。吸入粉笔灰是否致病，是广大教师至为 关切的问题。 3 粉笔是由石膏制成的。石膏的成分是硫酸钙。石膏性能稳定，无毒。数千 年来，中医用生石膏（含有结晶水的硫酸钙 CaSO-42H2O）煎服，外用煅石 膏（熟石膏）敷患处。认为能清凉解热，生津止渴，生肌敛疮。 用粉笔书写板书，是将石膏粉末涂在黑板上。擦拭黑板时，石膏粉尘（粉 笔灰）在空气中短暂飘扬后坠落在黑板附近的物面和地上。其颗粒较大，多在 100 微米以上，较重，落下较快，在空中飘浮时间短。 据劳动卫生有关资料，生产、生活环境空气中的粉尘微粒，直径在 10 20 微米以上者，经鼻孔吸及时多数被鼻毛、鼻、咽、喉部阻挡，附着在粘膜小 气道及肺泡。若为对机体有害的物质（如二氧化硅、石棉），在肺泡及小气道 中积存较多，将对人体造成损害。 “环保” ，在20世纪末是一个热门的话题，是一句响亮的号召，唤起了世界 60亿同胞，携起手来保护家园。但在21世纪的今天，将赋予新的含义。 “环保” 不仅仅是一个共识，更是付之于行动的“环保实践” ，例如，环保产品的开发、 传统落后技术的创新等等。 吸尘黑板擦的开发及其不断的技术创新就是一个实例。 一、粉笔灰的危害及传统黑板擦的弊端 粉笔曾几番出新，推出“无尘粉笔” ，但终究无法告别“尘灰四漫”的时代， 正是因为粉尘的组成成份是白垩和熟石膏粉，再经加水凝固定模而成。白垩， 是石灰岩的一种，其主要成份是碳酸钙，质软，常用作粉刷材料。 白垩和熟石膏粉呈粉末状，对人体健康造成危害，会使呼吸道遭感染，久 而久之，引起呼吸道炎、哮喘等呼吸疾病，严重时危害人体健康，而我们辛勤 的老师就成了第一线的受害者，实属痛心。 而且，粉笔灰的大量污染，造成周围环境的破坏，如污染大气、污染水源、 造成植物的枯萎、死亡，其后果亦是相当严重的。 因此，为了我们敬爱的老师的健康，为了我们赖于生存的家园，我们必须 控制粉笔灰的污染，美化我们的环境。 另外，传统黑板擦又具有如下弊端： 1、无法控制粉笔灰的污染； 2、无法使黑板擦拭干净； 3、无法清除黑板擦毛层上的粉笔灰。 因此，我们改造这一客观存在的弊端，去环保实践，开发环保产品，来投 入伟大的环保事业中。 4 二、吸尘黑板擦研制与开发 在科技活动中，我们对传统的黑板擦进行了改进研究，利用吸尘器原理， 在吸尘黑板擦内安装一个小型的电动抽气机，把粉笔灰抽进黑板擦内壳内，控 制粉尘污染。形成了第一代产品。 但经研究，第一代产品有如下缺陷： 1、黑板擦的毛层质料是化纤，且毛层稠密，在擦拭时，毛层与黑板间摩擦 力不大，容易产生打滑现象，导致擦拭不净，而且毛层上粉笔灰不好清除，更 是不能很好控制粉尘污染。 2、吸尘孔眼共有六排，每排2个，过少的孔眼，导致能被吸进的粉尘不多， 未能发挥其真正的作用。 3、小型抽气机的功率不大，吸力不足，其使用价值大大逊色。 第二代吸尘黑板擦的研制开发 总结第一代的经验和不足，改进技术，结合市场需求，我们研制了第二代 新型产品，见图一（实物） 。经研究，技术上的改进有如下： 1、毛层质料的变化。第二代产品用羊毛，柔软性好，吸附性强，且毛层如 皮鞋刷一簇簇地排布在擦板上，使黑板擦拭得更干净，更使粉尘不沾毛层，这 完全是一次原料革命，充分利用了可回收资源，避免了资源浪费。 2、吸尘孔眼每排增多一个，增大了粉尘被吸进内壳的空间和机会，这也是 一个大改进。 3、增大了抽气机的功率，使得吸力更大，更好了吸取粉尘。 5 图一 第三代吸尘黑板擦的研制开发 第二代产品虽然在技术上进行创新改进，但师生在实际使用中反映效果还 是不太理想，其主要原因是：粉尘和黑板擦之间无附着力，粉尘易从黑板和黑 板擦之间溅出，污染了空气。 据此，我们进行了如下的发明思维过程： A、问题：粉尘和黑板擦之间无附着力 B、解决：使粉尘和黑板擦之间有附着力 C、办法：产生作用力 D、作用力：重力，弹力，磁场力，电场力 较强的作用力：磁场力，电场力 至此，思维进入关键时刻。受带电体能吸引轻小物体的启发，选择电场力 作为突破口。采用电子控制电路产生高压（低于 36 伏， 可能不行， 为此增加 了漏电断路器） ，使黑板擦带电，靠静电作用吸尘，见图二（电子控制结构图） 。 图二 采用充电电池供电（如容量大的手机电池） ，脉冲电路产生脉冲，为高压形 成作准备，极性切换作用使黑板擦带上正负两种不同电荷，使吸尘和除尘时产 6 生相反的静电力。 改进后的吸尘黑板擦简易结构图见图三。 图三 粉尘脱落区 静电吸尘区 微动开关 极性切换 静电除尘系统 静电除尘装置位于黑板擦后右半部分；吸风机紧贴除尘装置；并装有升压 变压器和漏电断路器。 高压供电系统是使交流电压升到一定高压，并将其送入机械本体的阴极系 统。阴极系统的电晕线设有许多金属尖端，高压使尖端放电，在除尘器本体内 产生空气电离。空气中的正负离子随着粉尘附着于粉尘颗粒上。当大量带正负 离子的烟尘颗粒流过本体电场之际，发生异电相吸的过程，带负电离子的粉尘 颗粒奔向带正电的收尘板；而带正离子的颗粒则奔向带负电的阴极系统。在电 除尘器内不断进行异电相吸就使阳极系统吸附着大量负离子粉尘，同样在阴极 系统也吸附着大量的正离子粉尘。粉尘通过吸风机进入高压静电分离装置，在 静电圆筒中用高压放电将其分离沉淀。最后只需适时清洁粉尘收集盒。 7 图四 静电除尘原理 本装置原理如图五：吸风机将粉尘和空气的混合气体送入静电除尘筒中， 在高压静电的作用下，粉尘被吸附到筒内壁上，并在重力作用下沉积下来。由 此粉尘就与空气分离开，清洁的空气就可以从出风口排出。 8 图五 静电除尘装置原理图 五、总结语 “实践是检验真理的唯一标准” 。只有积极参与到环保实践中去，不断学习、 不断总结、不断创新，才能事半功倍地提