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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: 100次

一体化酒精消毒液棉签:智能可调的毛细作用

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图标

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:

然后我们看液体所受的重力G 为

即,在这种情形下,重力远远大于毛细作用力,所以液体一定会下落。至于液体到底多少合适,当然还要结合生活中需要多少消毒液的量。

图5 毛细作用力小于重力,液体下落与棉球发生毛细作用过程

如上图所示,液体在重力下滑落后,一旦与棉球接触,在毛细浸润作用下,液体会迅速被吸走,被包含在棉球中,然后我们就可以用来消毒了。

总结一下,这个小东西方便了我们的生活,但是其设计却有很大的讲究。就像一个精密的仪器,能够控制何时触发毛细作用,来供我们消毒使用。

文章标题: 一体化酒精消毒液棉签:智能可调的毛细作用
文章地址: http://www.xdqxjxc.cn/jingdianwenzhang/118445.html
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