本发明涉及牙刷丝技术领域，尤其是涉及一种刷丝及其生产设备。
背景技术：
牙刷是人类生活不可缺少的日常消耗用品，使用量极其庞大。刷丝的回弹性是评判刷丝性能好坏的重要指标，回弹性好的刷丝不容易发生变形、不容易散开，能够使刷丝长时间使用仍维持良好的形态从而保持良好的刷牙效果和使用感受，刷丝使用寿命长。
聚乳酸(pla)作为一种刷丝材料，其又名聚丙交酯，是以乳酸为主要原料聚合得到的聚合物，属于聚酯家族。聚乳酸作为刷丝原料具有以下优点：①聚乳酸原料来源充分可再生，生产过程无污染，具有很好的生物相容性和降解性，对人体无毒无害，在自然环境下可分解成二氧化碳和水，是一种完全可生物降解的绿色高分子材料；②聚乳酸材料被证实有具抗菌性；③聚乳酸材料具有良好的抗拉强度和热塑性，可采用多种加工方式生产，如熔融挤出、射出成型等；④聚乳酸材料具有良好的光泽性和透明度，由聚乳酸材料制备的刷丝色泽晶莹，能够赋予牙刷良好的视觉观感。聚乳酸的以上特性使其成为刷丝原料尤其是牙刷丝原料具有天然的优势。但是，聚乳酸存在脆性大、耐热性差、断裂伸长率低、韧性差的缺点，制备出的刷丝回弹性差，使其在刷丝领域的应用仍然具有限制。
技术实现要素：
本发明所要解决的第一个技术问题是针对上述的技术现状而提供一种强度高、回弹性好的刷丝。
本发明所要解决的第二个技术问题是针对上述的技术现状而提供一种生产上述刷丝的设备，能够使该刷丝的回弹性进一步提升。
本发明解决上述的第一个技术问题所采用的技术方案为：一种刷丝，其特征在于：包括芯层材料和包覆于所述芯层材料外周的皮层材料，所述皮层材料为聚对苯二甲酸丁二醇酯(pbt)和聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)中的至少一种，所述芯层材料为聚乳酸(pla)，所述皮层材料与所述芯层材料的质量比为4:1～1:2。
pbt为纺丝级pbt，特性粘度为1.013～1.016dl/g,重均分子量在4～11万；pet为纺丝级pet，重均分子量5～15万；pla为l-乳酸和d-乳酸的均聚物或共聚物，重均分子量为7～18万。
为了进一步提升刷丝的回弹性，所述芯层材料的截面为圆形或椭圆形，所述的皮层材料的截面为圆环或椭圆环。
本发明解决上述的第二个技术问题所采用的技术方案为：一种生产如前所述的刷丝的设备，包括依次连接的熔融挤出装置、水浴冷却装置、牵伸装置、热定型装置、收卷装置，其特征在于：所述的热定型装置包括由驱动机构驱动而绕自身轴线转动的定型辊组件、及用于对所述定型辊组件进行加热的加热器；所述定型辊组件包括间隔设置的上定型辊和下定型辊，且所述上定型辊在水平面上的投影和所述下定型辊在水平面上的投影之间的夹角为1°～6°，所述上定型辊在竖直面上的投影和所述下定型辊在竖直面上的投影之间的夹角为2°～7°。
为了优化刷丝的取向度和结晶度从而提升回弹性能，所述牵伸装置包括第一牵伸辊、第二牵伸辊和第三牵伸辊，且第一牵伸辊、第二牵伸辊和第三牵伸辊的转速比为1：4.35～5.15：4.5～6。
为了使定型辊组件的布置更加简单，所述下定型辊水平放置。
为了使定型辊组件温度更加均匀，所述的热定型装置还包括内部具有上腔室和下腔室的壳体，所述加热器容纳于所述上腔室中，所述定型辊组件容纳于所述下腔室中且与设置在所述壳体外部的驱动机构连接，所述上腔室中还设有与所述加热器连接的风机，所述风机的出口连接有穿出所述上腔室并进入所述下腔室中的出风管，所述出风管围绕所述定型辊组件布置且所述出风管上间隔设有多个出风口。
为了延长刷丝热定型的缠绕长度和热定型时间，所述下腔室腔壁上设有进丝口和出丝口，所述进丝口朝向所述下定型辊一端对应处的切向设置，所述出丝口朝向所述上定型辊另一端对应处的切向设置。
进一步设计，所述的熔融挤出装置包括第一单螺杆挤出机、第二单螺杆挤出机和共挤模头，所述第一单螺杆挤出机用于挤出皮层材料，所述的第二单螺杆挤出机用于挤出芯层材料；所述的共挤模头内部具有皮芯结构流道，所述的共挤模头上具有与所述皮芯结构流道连通的第一进口、第二进口和出口，且所述第一进口与所述的第一单螺杆挤出机的出口连接，所述的第二进口与所述的第二单螺杆挤出机的出口连接。
为了使刷丝的热定型效果更好，各定型辊的温度为160～190℃。
进一步设计，各定型辊均为圆柱体辊，且各定型辊的直径为600～900mm，长度为800～1500mm。
与现有技术相比，本发明的优点在于：刷丝通过采用韧性较好的皮层材料如聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯和强度较高的芯层材料聚乳酸制备成皮芯结构，使刷丝能够结合皮层材料和芯层材料各自的优异性能而具有较高的强度和较好的回弹性，而且，即便脆性较大的芯层材料发生断裂时，刷丝表面仍因皮层材料的连接而维持完整状态，甚至由于芯层材料的断裂使刷丝更易弯折和回弹，整体韧性、回弹性和光泽度更好；刷丝的生产设备，通过设置上定型辊和下定型辊分别在水平面上的投影之间的夹角以对刷丝在定型辊组件上缠绕时进行导向，从而使刷丝沿着定型辊组件传输、排布，延长刷丝在热定型装置中的缠绕长度和停留时间，同时通过设置上定型辊和下定型辊分别在竖直面上的投影之间的夹角以使刷丝在微张力条件下热定型，有助于刷丝大分子链段在张力下重排来保持较好的取向度和结晶度，从而释放拉伸应力，使刷丝回弹性更高；通过将牵伸工序的牵伸倍数提升至4.5～6，能大大提高刷丝的取向度和表面致密性，进而提高刷丝的强度和回弹性。
附图说明
图1为本发明实施例的正视图；
图2为本发明实施例的侧视图；
图3为本发明实施例中定型辊组件的俯视图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施例作进一步详细描述。
本实施例中的刷丝，包括芯层材料和包覆于芯层材料外周的皮层材料，该皮层材料为pbt和pet中的至少一种，该芯层材料为pla。芯层材料的截面为圆形或椭圆形，皮层材料的截面为圆环或椭圆环，该皮层材料与芯层材料的质量比为4:1～1:2。本实施例中的刷丝结合了皮层材料和芯层材料各自的优异性能而具有较高的强度和较好的回弹性，而且，即便脆性较大的芯层材料发生断裂时，刷丝表面仍因皮层材料的连接而维持完整状态，甚至由于芯层材料的断裂使刷丝更易弯折和回弹，整体韧性、回弹性更好。
本实施例中刷丝的生产设备，包括依次连接的熔融挤出装置、水浴冷却装置、牵伸装置、热定型装置、收卷装置。如图1-2所示，其中，该热定型装置包括壳体1、定型辊组件、加热器3、风机4、出风管5和驱动机构6等主要零部件。
如图1-2所示，壳体1内部具有上腔室11和下腔室12。其中，如图1所示，加热器3容纳于上腔室11中且用于对定型辊组件加热。如图1所示，定型辊组件设于下腔室12中，且定型辊组件与设置在壳体1外部的驱动机构6连接以驱动定型辊组件中各定型辊绕自身轴线转动。如图1所示，上腔室11中还设有与加热器3连接的风机4，该风机4的出口连接有穿出上腔室11并进入下腔室12中的出风管5，出风管5上间隔设有多个出风口51且出风管5围绕定型辊组件布置，从而将加热器3加热的热介质如空气输送至下腔室12中对定型辊组件进行加热。
该定型辊组件包括间隔设置的上定型辊21和下定型辊22(见图1-3)，且上定型辊21在水平面上的投影和下定型辊22在水平面上的投影之间的夹角为1°～6°(见图3)，上定型辊21在竖直面上的投影和下定型辊22在竖直面上的投影之间的夹角为2°～7°(见图1)。本实施例中，如图1所示，下定型辊22水平放置。如图1-3所示，上定型辊21和下定型辊22均为圆柱体辊，且上定型辊21和下定型辊22的直径为600～900mm，长度为800～1500mm。为了使刷丝的热定型效果更好，上定型辊21和下定型辊22的温度为160～190℃。如图1-2所示，下腔室12腔壁上设有进丝口121和出丝口122，该进丝口121朝向下定型辊22一端对应处的切向设置，该出丝口122朝向上定型辊21另一端对应处的切向设置。
本实施例中的刷丝的生产设备，通过设置上定型辊21和下定型辊22分别在水平面上的投影之间的夹角以对刷丝在定型辊组件上缠绕时进行导向，从而使刷丝沿着定型辊组件传输、排布，延长刷丝在热定型装置中的缠绕长度和停留时间，同时通过设置上定型辊21和下定型辊22分别在竖直面上的投影之间的夹角以使刷丝在微张力条件下热定型，有助于刷丝大分子链段在张力下重排来保持较好的取向度和结晶度，从而释放拉伸应力，使刷丝回弹性更高。
该牵伸装置包括第一牵伸辊、第二牵伸辊和第三牵伸辊，且第一牵伸辊、第二牵伸辊和第三牵伸辊的转速比为1:4.35～5.15：4.5～6，该牵伸装置的牵伸倍数能大大提高刷丝的取向度和表面致密性，进而提高刷丝的强度和回弹性。
该熔融挤出装置包括第一单螺杆挤出机、第二单螺杆挤出机和共挤模头，该第一单螺杆挤出机用于挤出皮层材料，第二单螺杆挤出机用于挤出芯层材料；该共挤模头内部具有皮芯结构流道，共挤模头上具有与皮芯结构流道连通的第一进口、第二进口和出口，且第一进口与第一单螺杆挤出机的出口连接，第二进口与第二单螺杆挤出机的出口连接。
性能测试
一、组份比例和热定型工艺对刷丝回弹性的影响
1、试样制备
取pbt和pla组分质量比依次为100:0、70:30、50:50和30:70的原料分别通过刷丝生产设备制备出直径为0.18mm的皮芯结构刷丝，并测试各试样的回弹率(单位：％)。其中，pbt为纺丝级pbt，特性粘度为1.016dl/g,重均分子量在8万；pla为l-乳酸和d-乳酸的均聚物或共聚物，重均分子量为12万。牵伸装置中第一牵伸辊和第三牵伸辊的转速比为1:5。热定型装置分别采用以下5种热定型工艺：①线下定型，蒸汽压力罐内(蒸汽温度120℃，蒸汽压0.2mpa，时间20min)；②在线定型(上定型辊和下定型辊平行布局)；③在线定型(上定型辊和下定型辊在水平面的投影之间的夹角3°，上定型辊和下定型辊在竖直面的投影之间无夹角)；④在线定型(上定型辊和下定型辊在水平面的投影之间无夹角，上定型辊和下定型辊在竖直面的投影之间的夹角2°)；⑤在线定型(上定型辊和下定型辊在水平面的投影之间的夹角3°，上定型辊和下定型辊在竖直面的投影之间的夹角2°)。
2、测试结果如下表：
表1不同组分比例和不同热定型工艺条件下刷丝的回弹率
如表1所示，在同一热定型工艺条件下，随着混合原料中pla含量的增加，各试样的回弹率呈现先增大后降低的趋势，并且，当混合原料中pbt和pla的组分质量比为70:30时，刷丝的回弹率达到最大值；此外，当混合原料中pbt和pla的组分比例达到30:70以后，刷丝的热定型工艺会导致刷丝断裂，而造成上述刷丝断裂的主要原因在于：刷丝中pla含量过高，皮层材料pbt的韧性被芯层材料pla突破，造成刷丝整体脆性仍较大而易发生断裂，综上可知，皮芯结构的pbt和pla的组分质量比需维持在合理的区间，可以充分发挥pbt和pla两者的优势，使刷丝具有良好的回弹性。
如表1所示，以混合原料中pbt和pla的组分质量比依次为100:0、70:30和50:50为例，在同一组分比例条件下，在线定型工艺的刷丝的回弹率普遍高于线下定型工艺制备的刷丝的回弹率；并且，上定型辊和下定型辊在水平面和/或竖直面的投影之间存在夹角时制备的刷丝的回弹率高于上定型辊和下定型辊平行设置时制备的刷丝的回弹率；此外，上定型辊和下定型辊在水平面的投影之间存在夹角时制备的刷丝的回弹率低于上定型辊和下定型辊在竖直面的投影之间存在夹角时制备的刷丝的回弹率；最后，上定型辊和下定型辊在水平面和竖直面的投影之间均存在夹角时制备的刷丝的回弹率高于上定型辊和下定型辊在水平面或竖直面的投影之间存在夹角时制备的刷丝的回弹率，造成上述结果差异的主要原因在于：上定型辊和下定型辊分别在水平面上的投影之间的夹角主要用于对刷丝在定型辊组件上缠绕时进行导向，从而使刷丝沿着定型辊组件传输、排布，延长刷丝在热定型装置中的缠绕长度和停留时间，而上定型辊和下定型辊分别在竖直面上的投影之间的夹角主要用于使刷丝在微张力条件下热定型，有助于刷丝大分子链段在张力下重排来保持较好的取向度和结晶度，从而释放拉伸应力，综上可知，通过使上定型辊和下定型辊在水平面和竖直面的投影之间均存在夹角，能够使刷丝在微张力条件下热定型，有效释放刷丝的拉伸应力，使刷丝回弹性更高。
二、牵伸倍数和热定型工艺对刷丝回弹性的影响
1、试样制备
取pet和pla组分质量比依次为50:50的原料依次通过刷丝生产设备制备出直径为0.18mm的刷丝，并测试各试样的回弹率(单位：％)。其中，pet为纺丝级pet，重均分子量10万；pla为l-乳酸和d-乳酸的均聚物或共聚物，重均分子量为12万。牵伸装置中第一牵伸辊和第三牵伸辊的转速比分别为1:3、1:4、1:5和1:6。热定型装置分别采用以下5种热定型工艺：①线下定型，蒸汽压力罐内(蒸汽温度120℃，蒸汽压0.2mpa，时间20min)；②在线定型(上定型辊和下定型辊平行布局)；③在线定型(上定型辊和下定型辊在水平面的投影之间的夹角2°，上定型辊和下定型辊在竖直面的投影之间无夹角)；④在线定型(上定型辊和下定型辊在水平面的投影之间无夹角，上定型辊和下定型辊在竖直面的投影之间的夹角3°)；⑤在线定型(上定型辊和下定型辊在水平面的投影之间的夹角2°，上定型辊和下定型辊在竖直面的投影之间的夹角3°)。
2、测试结果如下表：
表2不同牵伸倍数和不同定型工艺条件下刷丝的回弹率
如表2所示，在同一热定型工艺条件下，随着第一牵伸辊和第三牵伸辊的转速比的增大，刷丝的回弹率呈现先增大后缩小的趋势，并且，当第一牵伸辊和第三牵伸辊的转速比为1：5时，刷丝的回弹率达到最大值；并且，在同一转速比条件下，不同热定型工艺制备的刷丝的回弹率仍满足“在线定型优于线下定型，上定型辊和下定型辊在水平面和/或竖直面的投影之间存在夹角优于上定型辊和下定型辊平行设置”的规律；而造成上述现象差异的主要原因在于：当第一牵伸辊和第三牵伸辊的转速比为1：3时，刷丝未完成牵伸，大分子链段沿丝束方向的取向度太低而导致刷丝回弹率较低，但经过在水平面和/或竖直面的投影之间存在夹角的上定型辊和下定型辊热定型后，回弹率也有所提高，当第一牵伸辊和第三牵伸辊的转速比为1:6时，大分子链段过度牵伸后，拉伸应力较大，很可能存在拉伸应力释放不彻底或大分子链段未重排到位，导致回弹率有所下降，综上可知，通过对皮芯结构刷丝选择合适的牵伸倍数，能够使刷丝具有良好的回弹性。