[发明专利]一种具有负泊松比效应的牙刷及其设计方法

说明书

本发明公开了一种具有负泊松比效应的牙刷及其设计方法，包括负泊松比牙刷头和牙刷柄的匹配设计，所述牙刷头包括负泊松比基板、负泊松比泡沫和刷毛，所述负泊松比基板、刷毛与刷柄为一体结构。牙刷头受压时收缩变小，从而使刷毛部分更加聚拢，可有效避免刷牙时传统牙刷刷毛开散对牙龈造成的伤害。同时，由于牙刷头的负泊松比泡沫结构柔软多孔的特性，可起到缓冲牙刷头对牙齿冲击，丰富牙膏泡沫的作用。简要操作步骤为：首先，确定所采用的注塑模具能够精确制造的最小尺寸；然后，设计牙刷头基板的孔洞分布，使该基板结构具有负泊松比效应；进一步设计与基板结构相匹配的侧身负泊松比泡沫和刷柄，完成负泊松比牙刷的整体设计。

技术领域

本发明涉及一种通过设计具有负泊松比穿孔结构和负泊松比泡沫来设计具有负泊松比效应的牙刷，并提出了负泊松比牙刷的设计方法，属于新材料和新结构领域。

背景技术

牙刷作为一种常见的清洁用品，有着悠久的历史。传统牙刷由于刷头部分尺寸固定，再加上很多人在使用过程中错误的刷牙方式，刷毛与牙龈产生摩擦，非常容易损伤牙龈。同时，传统牙刷在使用中很容易产生刷毛炸裂的“开花”现象，这样的牙刷细菌滋生，用它刷牙越刷越脏，更会损害牙龈健康。

负泊松比材料和结构具有不同寻常的力学特性，与传统材料的压胀拉缩不同，负泊松比材料在单轴压力(拉力)作用下发生横向收缩(膨胀)。穿孔板结构是将不同的形状和切孔的孔洞结构布置在薄片结构中，穿孔结构分布的随机性和无序性使穿孔板具有很大的灵活性。负泊松比泡沫具有优异的力学性能和许多传统材料不具有的性质,比如同向弯曲,拉胀效应，良好的缓冲吸能性等，同时它制备方便，成本低廉，有望应用于航空航天、纺织业、工业、生物医学和其他领域。

负泊松比牙刷由于具有拉胀压缩的特殊性质，在使用过程中刷头大小可通过刷头与口腔壁接触调节，从而起到缩小刷头，使刷毛更加聚拢，减少刷毛“开花”现象的发生，避免损伤牙龈的作用。同时四周包裹的负泊松比泡沫结构具有很好的缓冲性能，可以减小刷头对牙龈的冲击作用。

发明内容

本发明的目的是针对现有牙刷的一些不足，利用负泊松比材料和结构的特殊性质，设计和制造了具有实用性的负泊松比牙刷，并提出了具体设计方法，设计的牙刷刷头大小能够根据刷头与口腔壁接触调节，从而起到缩小刷头，使刷毛更加聚拢，避免损伤牙龈的作用。同时四周包裹的负泊松比泡沫结构具有很好的缓冲性能，可以减小刷头对牙龈的冲击作用。

本发明采用的技术方案是：一种具有负泊松比效应的牙刷，包括具有负泊松比效应的牙刷头基板、负泊松比泡沫、刷毛和刷柄，所述牙刷头基板嵌入负泊松比泡沫内，牙刷头基板上设有刷毛，牙刷头基板与刷柄连接；

所述牙刷头基板为具有周期性横竖交替的孔洞结构，或者手性结构、反手性结构；

所述负泊松比泡沫选用常规软质聚氨酯泡沫塑料为基础材料，采用热机械法制备，或者选用聚醚型泡沫塑料为基础材料，采用发泡塑型法得到；

所述牙刷头基板宽W与牙刷头基板长L的比值满足：

所述牙刷头基板的厚度h₁满足：h₁≤5mm；

所述负泊松比泡沫厚度h₂满足：h₂≤3mm；

所述刷毛高度H满足：0.75(h₁+2h₂)mm≤H≤1.25(h₁+2h₂)mm。

作为优选，所述牙刷头基板的孔洞结构形状为椭圆形或多边形。

上述一种具有负泊松比效应的牙刷的设计方法，包括以下步骤：

4)根据牙刷的尺寸及用途确定牙刷头基板宽W长L厚h₁，负泊松比泡沫厚度h₂,刷毛高度H，以及具有匹配设计的刷柄的形状及相应尺寸；