靜電式滾筒黑板擦

呂鳴陽 俞家悅 沈東培 趙 杰 王菲菲 王秋博

（燕山大學，河北 秦皇島066000）

眾所周知，黑板擦是我們日常學習中必不可少的一樣教具，而我們平時使用的人工黑板擦不可避免會產生大量的粉塵，從而嚴重地影響教師和學生的身體健康。雖然大多數學校現已采用了多媒體教學設施，但傳統教學模式的優勢仍然無法被取代，并且一些落后的地區仍以傳統教學為主，所以傳統教學模式還有很大的用戶。為了減少粉塵的污染，雖已設計出各種樣式的黑板擦，但仍然避免不了噪音大，體積大，效率低，結構復雜或價格昂貴的弊端。因此研發一種環保型，低成本型有很重要的現實意義和廣闊的推廣前景。

1 國內外研究現狀

早在2012 年國內外就出現一種無塵黑板擦，其采用了黑板，導軌，毛刷。在黑板上安裝導軌，在導軌上安裝滑塊從而使毛刷能夠與黑板接觸去擦黑板。之后又陸續研制出了滾動式黑板擦和新型靜電式黑板擦(圖1)，其分別采用了旋轉刷和橡膠滾輪的裝置，提高了擦拭黑板的效果和采用電路的結構來吸引擦黑板過程中產生的粉塵。雖然在新型黑板擦的研究上已經有了很多的成果，但是他們的設計都有一定的局限性，除塵率都不夠高，并且使用范圍不夠廣泛，但是需要黑板擦作為日常的教具一直被廣泛應用，因此制造出一種簡便的，價格低廉的黑板擦是非常有必要的。

2 設計思路

針對黑板擦存在的除塵效果差的問題，我們分別從靜電吸塵和滾筒除塵兩方面進行研究，運用兩種方式減少粉塵的擴散，以達到除塵的目的。初期，我們主要針對產品的材料選擇進行一系列實驗和測試，從而選出切合實際的最優選材料。關于黑板擦的結構，我們主要將黑板擦分為三個部分，同時具有減塵的效果。第一部分在于中間的滾筒式海綿直接與黑板接觸，將海綿連接成一串滾筒(圖2)，放置于黑板擦中，筒內由兩個鐵質的空心圓筒固定住，并將圓筒固定在連接于黑板擦盒子內的軸上，使圓筒在軸上滾動的時候能夠帶動海綿一起運動，并在盒子內部設置儲灰盒以及刮塵刷(圖3)，將正面吸附的灰塵通過轉動隨海綿到達反面板擦盒內部后，刮塵刷刮掉后掉入儲塵盒內儲存，一段時間進行清理便可。第二部分在于盒內延黑板擦運動方向兩邊安裝金屬片，分別與兩邊滾動的海綿包裹物產生靜電，吸附空氣中的粉筆灰。從而達到吸塵的效果。第三部分在于后部的儲塵盒(圖4)，儲塵盒四壁選擇吸附能力強的材質，達到最好吸附效果。盒設有外部開口，設置在黑板擦側面，收集灰塵的一定時間可進行導出清理。且對外口透明，可預見塵盒是否需要清理。

圖1 新型靜電式黑板擦

圖2 海綿滾筒側面圖

圖3 刮塵刷示意圖

圖4 儲塵盒對外拿取

3 研究過程

針對靜電吸塵方面的實驗研究，主要是對電路的設計優化以及對電極材料的選擇。對于金屬片材料的選擇我們運用了比較實驗的方法，選取了諸如鐵片、鋁片、銅片、合金、石墨等不同材料在相同通電電壓下，比較其吸附能力的高低大小，再考慮其造價和量產等綜合因素的影響，最終選擇鋁來做與海綿包材料的金屬。鋁作為生活中常見的金屬材料，具有價格低廉、易于加工；鋁及其氧化物的化學性質較為穩定，易于保存；鋁通電后的吸附能力較強，且密度較小，質量較小。

針對滾筒除塵方面的研究，主要是對滾筒海綿包裹材料的實驗挑選。在該項實驗研究中我們同理也是對包括了棉、麻、滌綸、絲綢、活性炭等不同的材料進行對比試驗，從而選出最優解。最終滌綸由于以下三個特點被我們選擇作為滾筒海綿包裹材料：滌綸的抗皺性和保形性很好，具有較高的強度與彈性恢復能力；滌綸類制品在摩擦時易產生靜電，可以增加除塵吸附效果；滌綸的耐磨性較好，可以延長產品的使用壽命。

關于儲塵盒的設置，其容量大、吸附效果好。帶電源裝置的儲塵盒空間往往會被壓縮，而所述黑板擦構造簡單卻能達到相應效果，儲塵量大。儲塵盒材質通過研究掃地機器人的儲塵盒，運用海帕過濾網，提高黑板擦吸塵效果。儲塵盒可在側面拉取，清理方便。

大面積刮塵刷的效果能提高刮塵效率，使滌綸擦面能在滾動過程中所吸附的粉筆灰塵掉落與黑板擦內部，使黑板擦過能不會出現“吐煙”現象或者擦拭效果不如意。通過多種材料的選擇和比較，得出人造纖維——磨料尼龍的效果最好，符合刮塵擦片的要求。

最終通過對市面黑板擦外觀研究發現，黑板擦的樣式單一，多為長方形體塊，但規格大小不一。在擦拭面上，通過實驗，我們發現適宜規格為145*60mm，符合人體手握舒適度，同時擦拭面也較大，擦拭效率較高。由于側面儲塵盒對外開口且透明，設計為微弧形，更便于抓握黑板擦，且結構明了。

4 實際意義

本款靜電式滾筒黑板擦在擦拭過程中橡膠滾輪帶動旋轉刷向著擦拭塊方向旋轉，提高擦拭效果的同時，可將粉塵卷入擦拭塊和后蓋的縫隙中，進而減少粉塵污染。從當下來看，本款黑板擦提高了擦拭效果，為教師教學提供潔凈的黑板，減少因書寫不清晰而講解的時間，進而提升同學們課堂效率；從長遠來看，本款黑板擦吸附粉塵，大大降低了廣大師生因呼吸而使粉塵進入身體的幾率，從而保證了廣大師生的身體健康，對仍使用傳統教學模式的地區具有重要意義。

5 問題討論

本文的設計還存在一些待改進之處。(1)有關滾筒接觸面積問題：在計算滾筒與黑板的接觸面積時需要考慮更多的因素，例如摩擦力、積灰覆蓋減小接觸面積等。(2)儲塵盒取出過程出現卡殼，能否設置滑道和卡槽達到預期效果。(3)可取出式儲塵盒在清理過程中，導出過程會產生“吐灰”現象，能否插入貼片或者彈簧裝置來壓制灰塵，使在取出過程中也能不影響清理人。

6 結論

靜電式滾筒黑板擦的設計，是對傳統黑板擦的改進和優化，為其添加了吸收并收集粉筆灰的功能。其結構簡單，成本低廉。在無需改變傳統授課方式的基礎上，減輕了教師在授課時粉筆灰對室內人員的傷害，為師生創造出更安全，舒適的學習環境。