毛竹结构与应用场景对竹牙刷毛束拉力的影响

摘要

【目的】竹材因其各向异性，在相同工艺条件下加工的竹牙刷质量存在差异。本研究旨在探讨不同密度竹材加工的竹牙刷及其在不同应用场景下的毛束拉力性能规律，以提高竹牙刷质量的可控性。【方法】将原竹加工为竹牙刷，在加工过程中统计规格竹条的密度（ρ），并按密度对竹牙刷分类。对比测试塑料牙刷与不同密度竹牙刷的毛束拉力性能，选取相同密度区间的竹牙刷，通过不同温度水浴处理与吸水-干燥循环处理模拟不同的应用场景，测试竹牙刷在使用过程中的耐久性。另外，通过测试相同密度区间下竹牙刷的竹青/竹黄面以及刷头不同孔位的毛束拉力性能，探讨竹牙刷最佳加工工艺条件。利用超景深显微镜、扫描电镜（SEM）和显微CT设备观察并分析竹牙刷植毛孔的微观形貌结构。【结果】（1）不同密度竹材制成的竹牙刷在毛束拉力性能上存在显著差异，毛束拉力随竹材密度增加而显著提高。密度大于0.70 g/cm³的竹牙刷毛束拉力均满足国标15 N的要求，密度大于0.75 g/cm³的竹牙刷在毛束拉力性能上优于塑料牙刷。（2）0.75≤ρ<0.80竹牙刷的耐久性测试结果显示：常温水浴处理的竹牙刷毛束拉力稳定在15.42～16.69 N之间；即使在6天吸水-干燥循环处理后，拉力下降至15.6 N，仍符合国标要求。（3）竹青面植毛牙刷的毛束拉力均值为19.55 N，高于竹黄面的17.89 N。刷头外圈孔位的毛束拉力均值（18.21 N）高于刷头整体毛束拉力性能（17.81 N），内圈孔位（17.23 N）低于刷头整体毛束拉力性能。结合内圈与外圈孔位的毛束拉力值的方差分析（p<0.05），表明边缘孔位表现出更优的毛束拉力性能。（4）植毛孔形貌结构结果显示，竹材天然结构为嵌入孔内的金属片提供了良好的接触界面。【结论】较高密度竹材制备的竹牙刷具备更优的毛束拉力性能，同时在日常使用条件下其毛束拉力性能表现稳定，可替代市场上的一般塑料牙刷，展现出良好的应用潜力。根据不同孔位及植毛面对毛束拉力的差异化影响，在实际生产中可采取差异化设计策略优化孔位分布和植毛部位，从而提升竹牙刷的可靠性与耐久性。

关键词

以竹代塑 / 毛竹牙刷 / 毛束拉力 / 竹材密度-力学关联 / 各向异性微结构 / 吸湿-干燥循环耐久性 / 竹青/竹黄植毛面 / 植毛孔形貌