智能可控取毛量的牙刷植毛改進技術的研究及其在牙刷上的運用

潘楚斌 馮裕和 黃曉文

(好來化工(中山)有限公司,廣東 中山 528411)

前言

1954年在赤峰大營子村發掘的遼駙馬衛國王的墓葬品中，發現兩把類似植毛牙刷的骨制刷柄，說明我國早在9世紀就有了牙刷。20世紀初，有機玻璃和塑料代替獸骨用于制造牙刷柄，商品大規模生產流通使人們能夠用上相對便宜的牙刷，1920年僅美國就有幾百個牌子的牙刷[1]。

傳統牙刷包含刷柄、刷頭和刷毛，刷頭于刷柄通常采用一體式結構，刷頭與刷毛構成了牙刷的功能區，刷毛的固定通常采用植毛技術，植毛技術是將刷毛通過金屬片嵌入到牙刷頭中的植毛孔中，植毛孔一般呈現圓形。1985年我國輕工業部發布了標準《牙刷(SG405-85)》，無毒塑料、尼龍絲、聚酯絲及消毒豬鬢等均可制造牙刷[2]，其規格標準見表1。

表1 保健牙刷生產標準(單位mm)

毛束孔距是指植毛孔之間的間距，按照《SG405-85》的標準要求，保健成人牙刷的毛束孔距大于1.4mm，標準成人牙刷毛束孔距大于2.2mm。牙刷是日常必備的口腔清潔用具，隨著時代的發展，牙刷也在不斷發展變化[3]。植毛技術也在迭代升級， 智能取毛多孔徑植毛技術和異形孔無銅片植毛技術促進了牙刷的多樣性發展，牙刷植毛孔由單一圓孔逐漸向多規格、異形發展。

1 牙刷植毛技術的發展

1.1 傳統植毛技術

傳統的牙刷植毛機整體主要有3部分構成：植毛裝置、牙刷柄傳送裝置和 PLC 控制系統，見圖1。牙刷柄傳送裝置分為刷柄傳動和刷柄抓取兩個功能區，待植毛的牙刷經過刷柄傳送到待植毛區，由機械手抓取牙刷柄送入毛區，然后由植毛裝置進行植毛。植毛裝置分為送毛軌道、取毛和植毛3個功能區，通常植毛機具有1～3個送毛軌道，送毛裝置采用壓縮氣體提供動力，通過控制氣體壓力達到控制軌道內刷毛承受的壓力，保證軌道內刷毛分布均勻，進而保證取毛穩定；取毛功能區由取毛刀組成，取毛刀一般呈半圓弧型，在取毛刀的弧形面上具有固定的取毛缺口，取毛刀工作時會來回旋轉，當取刀弧面上的取毛缺口接觸到送毛軌道上的刷毛，便會嵌取一定數量的毛進入到植毛區；植毛區主要由植毛嘴組成，植毛嘴會將取毛刀上的刷毛連同銅片一起打入到植毛區上的牙刷植毛孔中；PLC控制系統在植毛機中起到控制作用，控制牙刷柄的傳送和送毛、取毛、植毛過程。傳統植毛受原有技術限制，對植毛孔的形狀和孔徑都有嚴格的需求，只能滿足單一植毛孔徑的牙刷生產。

1.送毛裝置；2.牙刷柄輸送裝置；3.PLC控制系統

1.2 智能可控取毛量的牙刷植毛改進技術

智能可控取毛量的牙刷植毛改進技術是通過改良傳統植毛機取毛功能區的取毛刀結構，改進后的取毛刀的取毛缺口具有可控性。改進后的取毛刀具有中空結構。在中空結構中設置有撥片，撥片與取毛缺口重疊，并且撥片可以自由旋轉，旋轉的角度可以通過PLC系統進行控制，通過旋轉不同的角度，可以實現撥片與取毛缺口的不同區域的重疊，從而改變并控制取毛缺口的大小。改進后的植毛技術突破了原有植毛技術只能單一孔徑植毛孔植毛的局限性，可以滿足植毛孔徑多規格、異形植毛孔牙刷的制作生產，并且這種改進方式非常簡單容易實現，可以實現傳統的植毛機快速升級，滿足牙刷產品升級換代需求。

1.3 牙刷植毛無銅片技術

無銅片植毛技術是近年興起的新技術，技術起源于歐洲的德國和比利時。無銅片植毛技術主要運用了高分子材料的熱塑性，牙刷的刷毛一般采用PBT或者PA，牙刷刷頭通常采用PP、PETG、PBT、PCTA等，這些材料都屬于高分子材料，具有熱塑性。牙刷刷毛與刷頭在超聲波的作用下會高頻率的震動產生大量的熱量，刷毛與刷頭接觸的部分就會開始熔融，當超聲波停止，高分子材料從熔融態轉變回玻璃態，從而實現刷毛的固定。目前，國內也出現了少數的廠家具備了無銅植毛技術。在牙刷刷毛造型上，無銅植毛牙刷比傳統技術植毛牙刷更為百變，可以更自如地進行異型孔植毛，三角形、菱形、圓形等各式各樣的圖形都能自如地植毛成功，顯著提高了牙刷的美觀度[4]。無銅片技術是目前最新的技術，無銅片植毛技術相比于傳統植毛技術，其生產過程無需銅片，解決了金屬材料容易生銹的問題，更加健康衛生，并且具有傳統牙刷不具備的異形孔植毛，但由于其設備和模具成本高，維護費用高，還沒有全面普及。智能可控取毛量的牙刷植毛改進技術在一定程度上解決了傳統植毛機植毛孔徑單一性的問題，但應對形狀更為復雜的異型植毛孔還存在一定局限性。

2 毛束拉力評估方法

毛束拉力是衡量牙刷毛植毛過程中的牢固程度，是牙刷產品的一個重要指標。通過這個指標，重點研究傳統植毛技術和智能可變毛束取毛量的牙刷植毛技術所制造的產品質量水平。

2.1 實驗器材

電動推拉測試臺，推拉力表，拉力試驗機，刷毛夾。

2.2 實驗方法

2.2.1 測試準備

先將刷毛夾和推拉力表安裝到電動推拉測試臺，并將測試臺調整至水平位，然后將拉升速度設置為317mm/min。

2.2.2 試驗過程

將待測刷頭通過刷頭夾具連接在拉力試驗機的下鉗口上，刷毛面朝向上，刷毛夾連接在拉力試驗機的上鉗口上，刷毛夾對準并夾住待測的毛束。啟動拉力試驗機，讀取毛束脫落時拉力試驗機的讀數。

2.3 后期數據處理

毛束脫落時的數據為單個毛束拉力值，用Minitab軟件對測試數據進行處理，采用制程能力(CPK)對毛束拉力進行評估。

2.4 結果表述

2.4.1 當CPK<0.67表述毛束拉力穩定性很差，毛束穩定指數達到D等級。

2.4.2 當0.67

2.4.3 當1.0

2.4.4 當1.33

3 牙刷毛束拉力測試

3.1 測試樣品

相同孔徑的傳統牙刷樣品，采用了傳統植毛技術；多孔徑異形牙刷頭樣品，采用了智能可控取毛量的牙刷植毛技術；多孔徑異形特殊牙刷樣品，采用了無銅片植毛技術，如圖2。

圖2 測試牙刷頭示意圖

3.2 毛束拉力CPK評價

對采用3種不同技術的牙刷進行毛束拉力測試，并評估其毛束拉力穩定性，相同孔徑的傳統牙刷頭毛束拉力CPK，如圖3；多孔徑異形牙刷頭毛束拉力CPK，如圖4；孔徑異形特殊牙刷毛束拉力CPK，如圖5。

圖3 相同孔徑的傳統牙刷頭毛束拉力CPK圖

圖4 多孔徑異形牙刷頭毛束拉力CPK圖

圖5 孔徑異形特殊牙刷頭毛束拉力CPK圖

3.3 毛束拉力穩定性結果分析

同孔徑的傳統牙刷頭、多孔徑異形牙刷頭和孔徑異形特殊牙刷頭的毛束拉力采用Minitab軟件進行CPK運算，結果如下表2

表2 毛束拉力穩定性結果

4 結果和分析

①智能可控取毛量的牙刷植毛改進技術可以解決傳統植毛技術只能局限于單一規格植毛孔植毛的問題，在一定程度上拓寬了傳統植毛機的應用范圍。

②研究表明：采用智能可控取毛量的牙刷植毛改進技術的刷頭毛束拉力穩定性優于無銅片植毛技術。

③智能可控取毛量的牙刷植毛改進技術能夠應用于多規格孔徑和異型孔植毛，但無銅植片毛技術在異形孔植毛廣泛性上更具有優勢。