生物可降解牙刷的安全性評估

黃曉文 郭秀元 潘楚斌

(好來化工(中山)有限公司，廣東 中山 528411)

前言

牙刷是人們進行口腔清潔和護理的必不可少的工具。根據衛生部2009年發布的中國居民口腔健康指南，其建議一般應每三個月左右更換一把牙刷[1]。按照全球77億人口和每三個月更換一支牙刷計算，全球一年將產生308億支廢棄牙刷。而目前的牙刷的主體材料為聚丙烯等石油基合成的材料，丟棄在自然中很難被微生物分解，形成固態垃圾，造成白色污染。

根據中國國標《降解塑料的定義、分類、標志和降解性能要求(GB/T 20197 -2006)》[2]，聚乳酸PLA作為聚酯材料中的一種可堆肥塑料，具有生物可降解性，在自然界中的微生物的作用下最終完全分解成二氧化碳和水。二氧化碳和水能夠被植物吸收，實現生態循環，因而對環境沒有危害。另外，生物可降解材料大部份來源于可再生資源，PLA可以由玉米、木薯等在微生物的作用下發酵成乳酸再聚合而成；聚羥基脂肪酸酯(PHA)可以由微生物直接在細胞內聚合而成，生物基的可降解材料可減少對不可再生的石化材料的依賴，進而緩解人類資源危機[3]。因此開發生物可生物降解牙刷能有效地減少廢棄牙刷對環境的負擔。

PLA材料屬于聚酯類高分子材料，其分子主鏈上含有不穩定的酯鍵[4]。酯鍵在遇到酸和堿的時候會發生水解，造成酯鍵斷裂，材料物理性能下降，并且PLA材料的熱穩定性較差，容易老化。因此需要對生物可降解材料在不同條件下老化后的性能進行安全性評估，從而確認生物可降解材料能否廣泛應用于牙刷產品中。

1 試驗部分

1.1 試驗材料

試驗材料為好來化工(中山)有限公司開發的新型生物可降解牙刷，其刷柄材質主要為生物可降解材料，刷毛材質為聚對苯二甲酸丁二醇酯(PBT)，相關規格尺寸如表1所示。

表1 新型生物可降解牙刷規格尺寸表(單位 mm)

1.2 試驗設備

電熱恒溫水槽；耐黃變老化試驗機；電動推拉測試臺；推拉力表；牙刷頸部疲勞測試儀；擺錘沖擊試驗機。

1.3 測試方法

1.3.1 水熱老化測試

設置電熱恒溫水槽的溫度為55℃，待溫度穩定后，將一定量試樣放入電熱恒溫水槽中，分別進行6h、24h、48h的水熱老化測試。測試結束后，取出樣品在室溫條件下靜置自然干燥。干燥完畢后對其進行刷柄性能測試(柄部抗彎、頸部抗彎)和刷毛性能測試(毛束拉力)。

1.3.2 紫外光熱老化測試

將試樣放置于燈泡式耐黃變老化試驗機的轉盤上，使試樣暴露面朝向光源。然后將溫度設定為63℃，依次對試樣進行33.3h、66.6h和99.9h的紫外光老化。老化測試后，樣品在室溫下靜置4h，然后再進行刷柄性能測試(柄部抗彎、頸部抗彎)和刷毛性能測試(毛束拉力)。

1.3.3 刷柄性能及刷毛性能測試

刷柄性能及刷毛性能測試按照國標《牙刷(GB19342-2013)》[5]所述試驗方法對樣品的刷柄性能(柄部抗彎、頸部抗彎)和刷毛性能(毛束拉力)進行測試。

2 結果與分析

2.1 生物可降解牙刷水熱老化測試結果分析

日常使用中牙刷會經常接觸到水，而且目前有部分消費者習慣性使用溫水刷牙。因此對生物可降解牙刷進行55℃不同時間的水熱老化測試，有利于更好地評估其在日常刷牙使用中的安全性。根據研究推薦的刷牙時間和次數，即每天刷牙至少兩次，每次刷牙時間為2分鐘來換算[6]，水熱老化6h相當于實際使用3個月，以此類推24h相當于12個月，48h相當于24個月。圖1為生物可降解牙刷55℃下水熱老化0h、6h、24h和48h時其刷柄性能(柄部抗彎和頸部抗彎)的變化情況。由圖1可得，其柄部抗彎隨著水熱老化時間增長，沒有太大的變化，而其頸部抗彎性能略有下降。但根據國標，其刷柄性能(柄部抗彎和頸部抗彎)均合格。圖2為生物可降解牙刷55℃下水熱老化0h、6h、24h和48h時其刷毛性能(毛束拉力最小值)的變化情況。由圖2可以看出，其刷毛性能隨著水熱老化時間增長，毛束拉力最小值略有下降，但根據國標，其刷毛性能(毛束拉力)均合格。因此生物可降解牙刷在正常使用水熱條件下，其刷柄性能和刷毛性能是可靠的。

圖1 生物可降解牙刷水熱老化后刷柄性能

圖2 生物可降解牙刷水熱老化后刷毛性能

2.2 生物可降解牙刷紫外光熱老化測試結果分析

牙刷在送到消費者手上之前還需經歷一段運輸期、貨架展示期，在這一階段牙刷會接觸到紫外光、高溫等，而這些因素都可能會導致生物可降解材料的分解。因此需對其進行紫外光熱老化測試，從而評估生物可降解牙刷在這一階段的安全性。圖3為生物可降解牙刷紫外光老化33.3h、66.6h和99.9h后刷柄性能情況。由圖3可得，其柄部抗彎性能隨著紫外光老化時間增長，沒有太大的變化，而其頸部抗彎性能略有下降。但根據國標，其刷柄性能(柄部抗彎和頸部抗彎)均合格。圖4為生物可降解牙刷紫外光老化33.3h、66.6h和99.9h時其刷毛性能(毛束拉力最小值)的變化情況。由圖4可以看出，其毛束拉力最小值隨著紫外光老化時間增長，沒有太大的變化，均符合國標要求。因此生物可降解牙刷在正常使用紫外光熱條件下，其刷柄性能和刷毛性能是可靠的。

圖3 生物可降解牙刷紫外光熱老化后刷柄性能

圖4 生物可降解牙刷紫外光熱老化后刷毛性能

3 結論

①55℃水熱老化48h后，生物可降解牙刷其刷柄性能(柄部抗彎、頸部抗彎)和刷毛性能(毛束拉力)依然符合國標要求，因此其在正常使用水熱條件下，其刷柄性能和刷毛性能是可靠的。

②63℃紫外光熱老化99.9h后，生物可降解牙刷其刷柄性能(柄部抗彎、頸部抗彎)和刷毛性能(毛束拉力)依然符合國標要求，因此其在正常使用紫外光熱條件下，其刷柄性能和刷毛性能是可靠的。

③綜上所述，好來化工(中山)有限公司開發的新型生物可降解牙刷在日常使用環境下其性能是安全可靠的。因此說明了將生物可降解材料應用于牙刷行業是具有可行性。同時生物可降解材料具有可降性，其引入能大大地降低廢棄牙刷對環境的負擔，減少環境污染。所以可降解牙刷將會是牙刷行業未來發展的一大方向。