智能可控取毛量的牙刷植毛改进技术的研究及其在牙刷上的运用

潘楚斌 冯裕和 黄晓文

(好来化工(中山)有限公司,广东 中山 528411)

前言

1954年在赤峰大营子村发掘的辽驸马卫国王的墓葬品中，发现两把类似植毛牙刷的骨制刷柄，说明我国早在9世纪就有了牙刷。20世纪初，有机玻璃和塑料代替兽骨用于制造牙刷柄，商品大规模生产流通使人们能够用上相对便宜的牙刷，1920年仅美国就有几百个牌子的牙刷[1]。

传统牙刷包含刷柄、刷头和刷毛，刷头于刷柄通常采用一体式结构，刷头与刷毛构成了牙刷的功能区，刷毛的固定通常采用植毛技术，植毛技术是将刷毛通过金属片嵌入到牙刷头中的植毛孔中，植毛孔一般呈现圆形。1985年我国轻工业部发布了标准《牙刷(SG405-85)》，无毒塑料、尼龙丝、聚酯丝及消毒猪鬓等均可制造牙刷[2]，其规格标准见表1。

表1 保健牙刷生产标准(单位mm)

毛束孔距是指植毛孔之间的间距，按照《SG405-85》的标准要求，保健成人牙刷的毛束孔距大于1.4mm，标准成人牙刷毛束孔距大于2.2mm。牙刷是日常必备的口腔清洁用具，随着时代的发展，牙刷也在不断发展变化[3]。植毛技术也在迭代升级， 智能取毛多孔径植毛技术和异形孔无铜片植毛技术促进了牙刷的多样性发展，牙刷植毛孔由单一圆孔逐渐向多规格、异形发展。

1 牙刷植毛技术的发展

1.1 传统植毛技术

传统的牙刷植毛机整体主要有3部分构成：植毛装置、牙刷柄传送装置和 PLC 控制系统，见图1。牙刷柄传送装置分为刷柄传动和刷柄抓取两个功能区，待植毛的牙刷经过刷柄传送到待植毛区，由机械手抓取牙刷柄送入毛区，然后由植毛装置进行植毛。植毛装置分为送毛轨道、取毛和植毛3个功能区，通常植毛机具有1～3个送毛轨道，送毛装置采用压缩气体提供动力，通过控制气体压力达到控制轨道内刷毛承受的压力，保证轨道内刷毛分布均匀，进而保证取毛稳定；取毛功能区由取毛刀组成，取毛刀一般呈半圆弧型，在取毛刀的弧形面上具有固定的取毛缺口，取毛刀工作时会来回旋转，当取刀弧面上的取毛缺口接触到送毛轨道上的刷毛，便会嵌取一定数量的毛进入到植毛区；植毛区主要由植毛嘴组成，植毛嘴会将取毛刀上的刷毛连同铜片一起打入到植毛区上的牙刷植毛孔中；PLC控制系统在植毛机中起到控制作用，控制牙刷柄的传送和送毛、取毛、植毛过程。传统植毛受原有技术限制，对植毛孔的形状和孔径都有严格的需求，只能满足单一植毛孔径的牙刷生产。

1.送毛装置；2.牙刷柄输送装置；3.PLC控制系统

1.2 智能可控取毛量的牙刷植毛改进技术

智能可控取毛量的牙刷植毛改进技术是通过改良传统植毛机取毛功能区的取毛刀结构，改进后的取毛刀的取毛缺口具有可控性。改进后的取毛刀具有中空结构。在中空结构中设置有拨片，拨片与取毛缺口重叠，并且拨片可以自由旋转，旋转的角度可以通过PLC系统进行控制，通过旋转不同的角度，可以实现拨片与取毛缺口的不同区域的重叠，从而改变并控制取毛缺口的大小。改进后的植毛技术突破了原有植毛技术只能单一孔径植毛孔植毛的局限性，可以满足植毛孔径多规格、异形植毛孔牙刷的制作生产，并且这种改进方式非常简单容易实现，可以实现传统的植毛机快速升级，满足牙刷产品升级换代需求。

1.3 牙刷植毛无铜片技术

无铜片植毛技术是近年兴起的新技术，技术起源于欧洲的德国和比利时。无铜片植毛技术主要运用了高分子材料的热塑性，牙刷的刷毛一般采用PBT或者PA，牙刷刷头通常采用PP、PETG、PBT、PCTA等，这些材料都属于高分子材料，具有热塑性。牙刷刷毛与刷头在超声波的作用下会高频率的震动产生大量的热量，刷毛与刷头接触的部分就会开始熔融，当超声波停止，高分子材料从熔融态转变回玻璃态，从而实现刷毛的固定。目前，国内也出现了少数的厂家具备了无铜植毛技术。在牙刷刷毛造型上，无铜植毛牙刷比传统技术植毛牙刷更为百变，可以更自如地进行异型孔植毛，三角形、菱形、圆形等各式各样的图形都能自如地植毛成功，显著提高了牙刷的美观度[4]。无铜片技术是目前最新的技术，无铜片植毛技术相比于传统植毛技术，其生产过程无需铜片，解决了金属材料容易生锈的问题，更加健康卫生，并且具有传统牙刷不具备的异形孔植毛，但由于其设备和模具成本高，维护费用高，还没有全面普及。智能可控取毛量的牙刷植毛改进技术在一定程度上解决了传统植毛机植毛孔径单一性的问题，但应对形状更为复杂的异型植毛孔还存在一定局限性。

2 毛束拉力评估方法

毛束拉力是衡量牙刷毛植毛过程中的牢固程度，是牙刷产品的一个重要指标。通过这个指标，重点研究传统植毛技术和智能可变毛束取毛量的牙刷植毛技术所制造的产品质量水平。

2.1 实验器材

电动推拉测试台，推拉力表，拉力试验机，刷毛夹。

2.2 实验方法

2.2.1 测试准备

先将刷毛夹和推拉力表安装到电动推拉测试台，并将测试台调整至水平位，然后将拉升速度设置为317mm/min。

2.2.2 试验过程

将待测刷头通过刷头夹具连接在拉力试验机的下钳口上，刷毛面朝向上，刷毛夹连接在拉力试验机的上钳口上，刷毛夹对准并夹住待测的毛束。启动拉力试验机，读取毛束脱落时拉力试验机的读数。

2.3 后期数据处理

毛束脱落时的数据为单个毛束拉力值，用Minitab软件对测试数据进行处理，采用制程能力(CPK)对毛束拉力进行评估。

2.4 结果表述

2.4.1 当CPK<0.67表述毛束拉力稳定性很差，毛束稳定指数达到D等级。

2.4.2 当0.67

2.4.3 当1.0

2.4.4 当1.33

3 牙刷毛束拉力测试

3.1 测试样品

相同孔径的传统牙刷样品，采用了传统植毛技术；多孔径异形牙刷头样品，采用了智能可控取毛量的牙刷植毛技术；多孔径异形特殊牙刷样品，采用了无铜片植毛技术，如图2。

图2 测试牙刷头示意图

3.2 毛束拉力CPK评价

对采用3种不同技术的牙刷进行毛束拉力测试，并评估其毛束拉力稳定性，相同孔径的传统牙刷头毛束拉力CPK，如图3；多孔径异形牙刷头毛束拉力CPK，如图4；孔径异形特殊牙刷毛束拉力CPK，如图5。

图3 相同孔径的传统牙刷头毛束拉力CPK图

图4 多孔径异形牙刷头毛束拉力CPK图

图5 孔径异形特殊牙刷头毛束拉力CPK图

3.3 毛束拉力稳定性结果分析

同孔径的传统牙刷头、多孔径异形牙刷头和孔径异形特殊牙刷头的毛束拉力采用Minitab软件进行CPK运算，结果如下表2

表2 毛束拉力稳定性结果

4 结果和分析

①智能可控取毛量的牙刷植毛改进技术可以解决传统植毛技术只能局限于单一规格植毛孔植毛的问题，在一定程度上拓宽了传统植毛机的应用范围。

②研究表明：采用智能可控取毛量的牙刷植毛改进技术的刷头毛束拉力稳定性优于无铜片植毛技术。

③智能可控取毛量的牙刷植毛改进技术能够应用于多规格孔径和异型孔植毛，但无铜植片毛技术在异形孔植毛广泛性上更具有优势。