吕鸣阳 俞家悦 沈东培 赵 杰 王菲菲 王秋博

（燕山大学，河北 秦皇岛066000）

众所周知，黑板擦是我们日常学习中必不可少的一样教具，而我们平时使用的人工黑板擦不可避免会产生大量的粉尘，从而严重地影响教师和学生的身体健康。虽然大多数学校现已采用了多媒体教学设施，但传统教学模式的优势仍然无法被取代，并且一些落后的地区仍以传统教学为主，所以传统教学模式还有很大的用户。为了减少粉尘的污染，虽已设计出各种样式的黑板擦，但仍然避免不了噪音大，体积大，效率低，结构复杂或价格昂贵的弊端。因此研发一种环保型，低成本型有很重要的现实意义和广阔的推广前景。

1 国内外研究现状

早在2012 年国内外就出现一种无尘黑板擦，其采用了黑板，导轨，毛刷。在黑板上安装导轨，在导轨上安装滑块从而使毛刷能够与黑板接触去擦黑板。之后又陆续研制出了滚动式黑板擦和新型静电式黑板擦(图1)，其分别采用了旋转刷和橡胶滚轮的装置，提高了擦拭黑板的效果和采用电路的结构来吸引擦黑板过程中产生的粉尘。虽然在新型黑板擦的研究上已经有了很多的成果，但是他们的设计都有一定的局限性，除尘率都不够高，并且使用范围不够广泛，但是需要黑板擦作为日常的教具一直被广泛应用，因此制造出一种简便的，价格低廉的黑板擦是非常有必要的。

2 设计思路

针对黑板擦存在的除尘效果差的问题，我们分别从静电吸尘和滚筒除尘两方面进行研究，运用两种方式减少粉尘的扩散，以达到除尘的目的。初期，我们主要针对产品的材料选择进行一系列实验和测试，从而选出切合实际的最优选材料。关于黑板擦的结构，我们主要将黑板擦分为三个部分，同时具有减尘的效果。第一部分在于中间的滚筒式海绵直接与黑板接触，将海绵连接成一串滚筒(图2)，放置于黑板擦中，筒内由两个铁质的空心圆筒固定住，并将圆筒固定在连接于黑板擦盒子内的轴上，使圆筒在轴上滚动的时候能够带动海绵一起运动，并在盒子内部设置储灰盒以及刮尘刷(图3)，将正面吸附的灰尘通过转动随海绵到达反面板擦盒内部后，刮尘刷刮掉后掉入储尘盒内储存，一段时间进行清理便可。第二部分在于盒内延黑板擦运动方向两边安装金属片，分别与两边滚动的海绵包裹物产生静电，吸附空气中的粉笔灰。从而达到吸尘的效果。第三部分在于后部的储尘盒(图4)，储尘盒四壁选择吸附能力强的材质，达到最好吸附效果。盒设有外部开口，设置在黑板擦侧面，收集灰尘的一定时间可进行导出清理。且对外口透明，可预见尘盒是否需要清理。

图1 新型静电式黑板擦

图2 海绵滚筒侧面图

图3 刮尘刷示意图

图4 储尘盒对外拿取

3 研究过程

针对静电吸尘方面的实验研究，主要是对电路的设计优化以及对电极材料的选择。对于金属片材料的选择我们运用了比较实验的方法，选取了诸如铁片、铝片、铜片、合金、石墨等不同材料在相同通电电压下，比较其吸附能力的高低大小，再考虑其造价和量产等综合因素的影响，最终选择铝来做与海绵包材料的金属。铝作为生活中常见的金属材料，具有价格低廉、易于加工；铝及其氧化物的化学性质较为稳定，易于保存；铝通电后的吸附能力较强，且密度较小，质量较小。

针对滚筒除尘方面的研究，主要是对滚筒海绵包裹材料的实验挑选。在该项实验研究中我们同理也是对包括了棉、麻、涤纶、丝绸、活性炭等不同的材料进行对比试验，从而选出最优解。最终涤纶由于以下三个特点被我们选择作为滚筒海绵包裹材料：涤纶的抗皱性和保形性很好，具有较高的强度与弹性恢复能力；涤纶类制品在摩擦时易产生静电，可以增加除尘吸附效果；涤纶的耐磨性较好，可以延长产品的使用寿命。

关于储尘盒的设置，其容量大、吸附效果好。带电源装置的储尘盒空间往往会被压缩，而所述黑板擦构造简单却能达到相应效果，储尘量大。储尘盒材质通过研究扫地机器人的储尘盒，运用海帕过滤网，提高黑板擦吸尘效果。储尘盒可在侧面拉取，清理方便。

大面积刮尘刷的效果能提高刮尘效率，使涤纶擦面能在滚动过程中所吸附的粉笔灰尘掉落与黑板擦内部，使黑板擦过能不会出现“吐烟”现象或者擦拭效果不如意。通过多种材料的选择和比较，得出人造纤维——磨料尼龙的效果最好，符合刮尘擦片的要求。

最终通过对市面黑板擦外观研究发现，黑板擦的样式单一，多为长方形体块，但规格大小不一。在擦拭面上，通过实验，我们发现适宜规格为145*60mm，符合人体手握舒适度，同时擦拭面也较大，擦拭效率较高。由于侧面储尘盒对外开口且透明，设计为微弧形，更便于抓握黑板擦，且结构明了。

4 实际意义

本款静电式滚筒黑板擦在擦拭过程中橡胶滚轮带动旋转刷向着擦拭块方向旋转，提高擦拭效果的同时，可将粉尘卷入擦拭块和后盖的缝隙中，进而减少粉尘污染。从当下来看，本款黑板擦提高了擦拭效果，为教师教学提供洁净的黑板，减少因书写不清晰而讲解的时间，进而提升同学们课堂效率；从长远来看，本款黑板擦吸附粉尘，大大降低了广大师生因呼吸而使粉尘进入身体的几率，从而保证了广大师生的身体健康，对仍使用传统教学模式的地区具有重要意义。

5 问题讨论

本文的设计还存在一些待改进之处。(1)有关滚筒接触面积问题：在计算滚筒与黑板的接触面积时需要考虑更多的因素，例如摩擦力、积灰覆盖减小接触面积等。(2)储尘盒取出过程出现卡壳，能否设置滑道和卡槽达到预期效果。(3)可取出式储尘盒在清理过程中，导出过程会产生“吐灰”现象，能否插入贴片或者弹簧装置来压制灰尘，使在取出过程中也能不影响清理人。

6 结论

静电式滚筒黑板擦的设计，是对传统黑板擦的改进和优化，为其添加了吸收并收集粉笔灰的功能。其结构简单，成本低廉。在无需改变传统授课方式的基础上，减轻了教师在授课时粉笔灰对室内人员的伤害，为师生创造出更安全，舒适的学习环境。