智能可控取毛量的牙刷植毛改進技術(shù)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(fā)掘的遼駙馬衛(wèi)國王的墓葬品中，發(fā)現(xiàn)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(guī)模生產(chǎn)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(tǒng)牙刷包含刷柄、刷頭和刷毛，刷頭于刷柄通常采用一體式結(jié)構(gòu)，刷頭與刷毛構(gòu)成了牙刷的功能區(qū)，刷毛的固定通常采用植毛技術(shù)，植毛技術(shù)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(xiàn)圓形。1985年我國輕工業(yè)部發(fā)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(guī)格標準見表1。

表1 保健牙刷生產(chǎn)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(fā)展，牙刷也在不斷發(fā)展變化[3]。植毛技術(shù)也在迭代升級， 智能取毛多孔徑植毛技術(shù)和異形孔無銅片植毛技術(shù)促進了牙刷的多樣性發(fā)展，牙刷植毛孔由單一圓孔逐漸向多規(guī)格、異形發(fā)展。

1 牙刷植毛技術(shù)的發(fā)展

1.1 傳統(tǒng)植毛技術(shù)

傳統(tǒng)的牙刷植毛機整體主要有3部分構(gòu)成：植毛裝置、牙刷柄傳送裝置和 PLC 控制系統(tǒng)，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(qū)，待植毛的牙刷經(jīng)過刷柄傳送到待植毛區(qū)，由機械手抓取牙刷柄送入毛區(qū)，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(qū)，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(nèi)刷毛承受的壓力，保證軌道內(nèi)刷毛分布均勻，進而保證取毛穩(wěn)定；取毛功能區(qū)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(zhuǎn)，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(shù)量的毛進入到植毛區(qū)；植毛區(qū)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(qū)上的牙刷植毛孔中；PLC控制系統(tǒng)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(tǒng)植毛受原有技術(shù)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(chǎn)。

1.送毛裝置；2.牙刷柄輸送裝置；3.PLC控制系統(tǒng)

1.2 智能可控取毛量的牙刷植毛改進技術(shù)

智能可控取毛量的牙刷植毛改進技術(shù)是通過改良傳統(tǒng)植毛機取毛功能區(qū)的取毛刀結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)。在中空結(jié)構(gòu)中設(shè)置有撥片，撥片與取毛缺口重疊，并且撥片可以自由旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的角度可以通過PLC系統(tǒng)進行控制，通過旋轉(zhuǎn)不同的角度，可以實現(xiàn)撥片與取毛缺口的不同區(qū)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(shù)突破了原有植毛技術(shù)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(guī)格、異形植毛孔牙刷的制作生產(chǎn)，并且這種改進方式非常簡單容易實現(xiàn)，可以實現(xiàn)傳統(tǒng)的植毛機快速升級，滿足牙刷產(chǎn)品升級換代需求。

1.3 牙刷植毛無銅片技術(shù)

無銅片植毛技術(shù)是近年興起的新技術(shù)，技術(shù)起源于歐洲的德國和比利時。無銅片植毛技術(shù)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(chǎn)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(tài)轉(zhuǎn)變回玻璃態(tài)，從而實現(xiàn)刷毛的固定。目前，國內(nèi)也出現(xiàn)了少數(shù)的廠家具備了無銅植毛技術(shù)。在牙刷刷毛造型上，無銅植毛牙刷比傳統(tǒng)技術(shù)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(shù)是目前最新的技術(shù)，無銅片植毛技術(shù)相比于傳統(tǒng)植毛技術(shù)，其生產(chǎn)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(wèi)生，并且具有傳統(tǒng)牙刷不具備的異形孔植毛，但由于其設(shè)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(shù)在一定程度上解決了傳統(tǒng)植毛機植毛孔徑單一性的問題，但應(yīng)對形狀更為復(fù)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(chǎn)品的一個重要指標。通過這個指標，重點研究傳統(tǒng)植毛技術(shù)和智能可變毛束取毛量的牙刷植毛技術(shù)所制造的產(chǎn)品質(zhì)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(diào)整至水平位，然后將拉升速度設(shè)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(shù)。

2.3 后期數(shù)據(jù)處理

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

2.4 結(jié)果表述

2.4.1 當CPK<0.67表述毛束拉力穩(wěn)定性很差，毛束穩(wěn)定指數(shù)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(tǒng)牙刷樣品，采用了傳統(tǒng)植毛技術(shù)；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(shù)；多孔徑異形特殊牙刷樣品，采用了無銅片植毛技術(shù)，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(shù)的牙刷進行毛束拉力測試，并評估其毛束拉力穩(wěn)定性，相同孔徑的傳統(tǒng)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(tǒng)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(wěn)定性結(jié)果分析

同孔徑的傳統(tǒng)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(jié)果如下表2

表2 毛束拉力穩(wěn)定性結(jié)果

4 結(jié)果和分析

①智能可控取毛量的牙刷植毛改進技術(shù)可以解決傳統(tǒng)植毛技術(shù)只能局限于單一規(guī)格植毛孔植毛的問題，在一定程度上拓寬了傳統(tǒng)植毛機的應(yīng)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(shù)的刷頭毛束拉力穩(wěn)定性優(yōu)于無銅片植毛技術(shù)。

③智能可控取毛量的牙刷植毛改進技術(shù)能夠應(yīng)用于多規(guī)格孔徑和異型孔植毛，但無銅植片毛技術(shù)在異形孔植毛廣泛性上更具有優(yōu)勢。