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一体化酒精消毒液棉签：智能可调的毛细作用

时间: 2021-08-05 14:27:53 | 作者：阿黄sweetgirl | 来源: 喜蛋文章网 | 编辑: admin | 阅读: 98次

作为将要离开的老生，很难得的一次，我在六一儿童节又是周末的一天去实验室做了实验。不巧的是，却碰到了实验室水管管道老化破裂，在收拾满地是水的实验室时又不慎划伤了手指。师弟给了我一个便捷性的酒精消毒液棉签（图1），使用后感到后惊喜万分，深感于其设计的精妙，从而引出了这篇短文的创作。

图1 一体化设计的酒精消毒液棉签

上图不是简单的干燥的棉签。而是消毒液和消毒棉签一体化的产品。两头的棉签由一个中空的塑料管连接，塑料管中有含量分数为75%的酒精消毒液。从上面蓝色的环线处折断即可使用，十分便捷。外出时，不用再分别带着酒精消毒液和棉签，一体化的设计使其携带十分方便。下面视频可以一目了然地展示其使用方法。

一体化设计的酒精消毒液棉签使用https://www.zhihu.com/video/1118308076016492544

看到这个视频，一些问题油然而生。比如，包装这么随意，酒精消毒液为什么不提前碰到棉签而被吸出来？折断后触发了什么机制？为什么中空的管子要一段封闭一段开口？消毒液看上去为什么是不满的？这背后都有很多的原理在里面。

下面我们分析一下这个酒精消毒液棉签的结构设计和使用原理。拆开包装，我们可以看到带有棉签和把棉签拆掉后的样子如图2所示。

图2 单个棉签的结构设计

上面棉球使用的大概原理为，在蓝色环线处设计有容易折断的缺陷，一旦折断里面空气进入，上下两端都与大气连通，液体在重力的作用下向下移动。一旦接触到松软有很多空隙的棉签，触发毛细作用而浸湿棉签，供我们消毒使用。通过仔细观察其结构，我们可以从尺寸到材料，结构设计，液体容量，力学分析等方面去体会这个一体化设计对毛细作用调控的精妙之处。

通过仔细观察棉球结构，我画出了其结构的示意图大致如图3所示。我们来分析一下这个结构及其所起的作用。

图3 一体化的消毒液棉签的结构示意图及作用

这个结构的设计有以下特点，每一个点都很关键:

在上下两端处有凸凹不平的倒刺，这应该是增大塑料管和棉球之间的摩擦，使棉球运输、保存和使用时不易脱落。里面所装的酒精消毒液是不满的，因此在使用前，消毒液无法接触到棉球（下面还会有进一步分析）。这样可以防止使用前触发了毛细作用，酒精消毒液被棉签吸走而蒸发掉。连接棉签的中空管管壁较厚，不易变形。保证了在使用前可以任意揉搓，不至于挤压消毒液而提前在下端与棉球发生毛细作用。管道的设计有易于断裂的位置，通过实验发现，除了这个位置，其他位置随意去折，无法折断。只能在这个地方折断，保证了大气进入的位置，和液体因重力而流动的方向。在接近断裂口的那一端是封闭的（上端），在另一端是开口的（下端）。保证断裂前，因为负压作用，液体不会流下来。同时保证断裂后，上下两端都会与大气连通，液体会在重力作用下下滑，在下端与棉球触发毛细作用，浸湿棉球。中空管道的直径为2 mm，这个值可以保证在断裂前，由于上面真空的作用，液体不会因重力而下落，触发发生毛细作用。实验证明即使用手甩也不会下落。主要得益于较小的内径（比如较大内径的水杯倒立时水会流下来），下面会详细讨论。中空管道中液体的有效长度约为5 cm，这个长度和内径2 mm共同和决定了液体的体积。这两个值都不能太大和太小，太大了提前因重力作用在底端触发毛细作用。太小了，即使上端折断形成开口后，液体所受固体壁的毛细作用力大于重力，液体无法向下滑落，从而后续无法触发毛细作用来浸湿棉球。下端的棉球有两个作用。第一，在使用前可以减缓酒精消毒液的蒸发。第二，在使用时可以发生毛细作用浸湿棉球。上端的棉球一直没想明白有什么实际的作用。猜想是，棉球可以起到缓冲作用，在使用前不至于因为运输，碰撞等因素误把断裂口给折断了。

下面我们分步分析这个使用过程。

如图4所示，在断裂前，下端与空气相通。这时受到向上的大气压强的作用，液体即使在重力的作用下也不会下落，从而可以保持气液界面位置稳定。由于消毒液本来就是不满的，所以在断裂前触发毛细作用。上面提到，这种情形是由于内径很小（2 mm）所决定的。我们知道，在水杯倒立时，大气压无法支撑水杯中的水。屋顶上的水也会聚集而流下来，尽管有大气压在下面托着。这个作用叫做瑞丽泰勒不稳定性。详见我之前的回答：

为什么大气压能顶起10米的水柱，但不能支撑起有水的杯子倒放？www.zhihu.com

而在内径很小时，为2 mm的情形下，这个不稳定性无法实现。所以气液界面会稳定而得到保持。实验中证明，即使向下端用力甩，依然无法把水甩出来，说明这个设计很成功。这确保了使用前，当没有断开时，无法触发毛细作用。

图4 上端缺陷处断裂前后的力学分析

那么断裂后呢？如图4所示，一旦断裂，上下两端都与大气相连了。这个时候，也不能想当然地认为液体在重力下一定会向下滑动触发毛细作用。因为液体还会受到壁面向上的毛细作用力。毛细作用力和接触周长有关，因此和内径呈正比。重力和体积有关，因此和内径的平方呈正比。所以随着内径的下降，重力下降较快，直至小于毛细作用力而最终无法下落触发毛细作用。下面借用已有数值，估算一下这两个作用力的量级，来看这个情形下液体是否一定下落。

如图5 所示，假设壁面很亲水，接触角为零，此时当然表面张力也较小，假如20 mN/m, 那么所受的毛细作用力F估算为：