칫솔 강모가 시간이 지남에 따라 왜 강화됩니까?

애플리케이션 노트

Adrienne Hoeglund 박사, Heather Siebert 박사

소개

장기간 사용하면 사용하지 않는 칫솔과 비교할 때 칫솔 강모가 딱딱하고 단단하며 딱딱 해지기 시작할 수 있습니다. 이유를 조사하기 위해, 다양한 사용 조건 하에서 칫솔을 다양한 분석 기술을 사용하여 분석하여 강모의 화학 성분을 비교하고 시각적 외관을 검사하며 잔류 침전물을 특성화했습니다.

샘플

두 가지 다른 칫솔 사용 조건이 선택되었습니다 : (1) 연속 7 일 동안 하루에 두 번 사용하는 칫솔 (약 14 회 사용) 및 (2) 24 개월 동안 간헐적으로 사용하는 칫솔 (약 XNUMX 회 사용). 사용하지 않은 새 칫솔이 대조군으로 비교에 포함되었습니다. 치약은 사용 후 칫솔에 잔류 물이 남을 가능성이 높기 때문에 기준 물질로도 분석되었습니다. 샘플은 다음과 같이 지정되었습니다.

샘플 번호 샘플 설명
S1 신품 미사용 칫솔 (컨트롤)
S2 6 개월 동안 매주 칫솔 사용 (약 24 회 사용)
S3 치약 (칫솔질시 사용 된 것과 동일한 브랜드)
S4 7 일 동안 사용 된 칫솔 (약 14 회 사용)

 

푸리에 변환 적외선 스펙트럼 (FTIR)

FTIR은 ATR (attenuated total reflection) 샘플링 기법을 사용하여 각 해당 칫솔에서 칫솔모의 화학적 계열을 결정하는 데 사용되었습니다. ATR은 최소한의 샘플 준비로 샘플을 자연 상태에서 분석 할 수 있다는 점에서 단순하다는 장점이 있습니다. FTIR 분광법은 적외선을 흡수 할 때 결합 된 원자가 진동하는 주파수를 기반으로 물질을 구성하는 화학 작용기의 유형에 대한 정보를 얻을 수 있습니다. FTIR은 칫솔모를 구성하는 합성 폴리머의 신원을 확인하고 치약 잔류 물과 같은 퍼센트 수준의 오염 물질을 감지 할 수 있습니다. 치약의 스펙트럼 지문도 데이터 해석을 돕기 위해 참조 자료로 수집되었습니다.

상업용 라이브러리의 컴퓨터 지원 검색 알고리즘을 적용하여 칫솔 강모가 나일론 6/12 재질로 구성되어 있음을 확인했습니다. 그림 1. 다른 칫솔의 칫솔모를 서로 비교하면 스펙트럼은 FTIR에 의해 비슷해 보이지만 피크는 3296cm에 집중됩니다.-1 장기간 사용 된 칫솔 시편이 넓어집니다. 또한, 약 1082 cm의 봉우리-1 사용 된 강모에 나타나고 장기간 사용 후 강도가 증가합니다. 그림 2. 사용한 칫솔에서 관찰 된 이러한 스펙트럼 특성을 치약 기준 스펙트럼과 비교하면 사용한 칫솔에 치약 잔류 물이 포함되어 있음을 확인할 수 있습니다. 이는 수돗물로 헹군 후에도 일부 치약이 칫솔모 안에 남아 있고 장기간 사용하면 칫솔모에있는 치약의 양이 증가한다는 것을 나타냅니다.

FTIR 데이터에서 결론을 내릴 수있는 특정 정보에 대한 추가 통찰력을 얻기 위해 치약의 성분 목록을 얻고 비교를 위해 상용 라이브러리에서 해당 참조 스펙트럼을 선택했습니다. 나열된 성분 중, 피로 인산이 나트륨, 수화 실리카 및 이산화 티타늄과 같은 선택된 성분의 FTIR 스펙트럼을 상호 참조하여 어떤 치약 성분이 ca. 1082 센치 메터-1. 스펙트럼의 누적 플롯 그림 2 사용 후 강모에 유지되는 주요 성분은 수화 실리카에서 나온 것으로, 치약으로 조제되어 플라크 제거에 도움을주는 미세한 젤 연마제로 작용합니다.

그림 1.  새 칫솔의 FTIR (S1) (상단 빨간색), 7 일 동안 사용한 칫솔 (S4) (중간, 파랑), 2 개월 동안 사용한 칫솔 (S6) (중간 녹색) 및 나일론 12/XNUMX 라이브러리 일치 (하단, 보라색)

그림 2. 새 칫솔의 FTIR (S1) (빨간색), 7 일 동안 사용한 칫솔 (S4) (파란색), 2 개월 동안 사용한 칫솔 (SXNUMX) (녹색), 치약 (보라색), 수화 된 이산화 규소 (노란색), 이산화 티탄 (녹색) 및 피로 인산이 나트륨 (진한 파란색)

스캐닝 전자 현미경 (SEM)

주사 전자 현미경 (SEM)은 다양한 재료 내에서 현미경 구조를 시각화하고 비교하는 도구로 사용할 수 있습니다. SEM에서 집중된 전자 빔은 샘플 표면을 스캔하고 전자가 물질을 구성하는 개별 원자와의 상호 작용을 기반으로 응답이 생성됩니다. 모니터링되는 전자 상호 작용의 유형에 따라 해당 이미지는 샘플의 지형 및 구성에 대한 정보를 전달합니다. 이 경우 칫솔모 (나일론)와 치약 잔류 물은 모두 비전 도성 재료입니다. 따라서 잘 해결 된 이미지를 얻기 위해 강모를 얇은 금속층 (금)으로 스퍼터링하여 표면을 전기 전도성으로 만들었습니다.

SEM의 분석에 따르면 예상대로 새로운 제어 칫솔 강모 (S1)는 매끄럽고 미세한 입자상 물질이 없습니다 (그림 3). 전체 칫솔 헤드의 저배율 SEM 이미지는 분리되어 자유롭게 움직일 수있는 강모를 보여줍니다. 7 일간의 중간 사용 칫솔 (S4)은 칫솔모 표면에 마모가 나타나기 시작하고 낮은 배율 이미지에서 일부 개별 칫솔이 서로 달라 붙기 시작합니다 (그림 4). 2 개월 사용 후 가장 오래된 칫솔모 (SXNUMX)는 광범위하게 마모되고 입자상 물질 (그림 5). 전체 칫솔 헤드의 이미지는 일부 그룹의 칫솔모가 서로 붙어 있거나 "접착"되어 기둥에 포장되어 있음을 보여줍니다. 세 가지 칫솔의 비교는 그림 6.

그림 3. 저배율 (상단), 고배율 (중간) 및 벌크 칫솔 (하단)에서 새로운 칫솔 강모의 SEM 분석

그림 4. 7 일 동안 사용한 칫솔의 SEM 분석 (S4). 상단 두 이미지는 다양한 배율로 개별 강모를 표시합니다. 하단 XNUMX 개의 이미지는 벌크 칫솔 내에 다양한 배율로 강모를 표시합니다.

그림 5. 2 개월 동안 사용 된 칫솔의 SEM 분석 (SXNUMX), 상단 (개별 강모, 더 ​​높은 배율에서 삐걱 거리는 입자 및 입자상 물질의 인레이 포함), 중간 (입자상 물질을 표시하는 개별 강모), 하단 XNUMX 개 이미지 (칫솔의 칫솔모) 다양한 배율)

그림 6. 새 칫솔 강모 (그림 1), 벌크 칫솔 (그림 2), 7 일 칫솔 강모 (그림 3), 7 일 칫솔 강모 (칫솔) (4)의 칫솔 강모 (그림 6)의 SEM 분석, 5 월 칫솔 강모 (그림 6) 및 6 개월 칫솔 강모 (대형 칫솔) (그림 XNUMX)

열 중량 분석 (TGA)

열 중량 분석 (TGA)에서는 시료가 가열되고 재료가 열 이벤트를 겪을 때 해당 중량 변화가 측정됩니다. 샘플에 포함 된 무기 물질의 양은 샘플이 열분해 된 후 남아있는 회분의 중량 백분율로 추정 할 수 있습니다.

새롭고 사용 된 칫솔 강모를 실온에서 900 ° C까지 TGA로 분석했습니다. 가열 후, 데이터는 사용 된 칫솔 강모가 훨씬 더 많은 양의 잔류 무기 재료를 함유 함을 나타냈다. 이 데이터는 치약 형태의 무기 물질이 존재한다는 것을 나타내는 FTIR 스펙트럼 및 SEM 이미지와 일치한다. 새로운 칫솔 (S1), 7 일 된 칫솔 (S4), 2 개월 된 칫솔 (SXNUMX) 및 치약 샘플의 TGA 곡선의 차이는 그림 7. 2 일 사용한 칫솔 (S9.45 = 7 % 잔여 물, 녹색 추적) 및 새 칫솔 (S4 = 0.78 % 잔여 물)보다 1 개월 된 칫솔 (S0.63 = XNUMX % 잔여 물, 적갈색 추적)에 훨씬 더 많은 잔여 물이 있습니다. , 분홍색 추적). TGA는 잔류 물에 대한 구성 정보가 아닌 중량 측정 만 제공하므로 TGA 재에 대해 다른 분석 기술인 EDS (Energy Dispersive X-ray spectroscopy)를 수행하여 원소 프로필을 결정했습니다.

그림 7. TGA 서모 그램 오버레이

TGA ASH의 에너지 분산 형 X- 선 분광법 (EDS)

TGA 실험 후 남아있는 잔류 물의 화학적 조성에 대한 통찰력을 얻기 위해 주사 전자 현미경 내부의 에너지 분산 형 X 선 검출기를 사용하여 재에 원소 프로파일을 수집했습니다. 고 에너지 전자빔이 샘플을 스캔하면 원자 내에서 일련의 단계가 시작되어 궁극적으로 X- 선이 방출됩니다. 이 엑스레이의 에너지는 그것이 유래 한 특정 요소의 특징입니다. 방출되는 X- 선을 감지하고 측정함으로써 재의 원소 프로파일을 결정할 수 있습니다.

데이터를 조사한 결과, TGA 회분의 EDS가 (그림 8 - 그림 10) 치약 샘플 (그림 11)는 대부분 동일한 요소를 포함합니다. S1의 강모에서 나오는 재의 EDS (그림 8)는 실리콘 (Si) 및 티타늄 (Ti)이 나일론 강모에 배합 된 안료로 인해 새로운 대조 칫솔에도 존재 함을 시사합니다. 이는 치약의 존재에 대한 "마커 화합물"로 유용한 치약 자체의 성분 인 수화 된 실리카와 이산화 티타늄도 있기 때문에 분석을 복잡하게합니다.

그러나 TGA 데이터에서 새 칫솔 자체에서 남아있는 재는 최소 (0.63 %)이지만 치약에서는 상당 (26 %)이라는 점을 주목하는 것이 중요합니다. 따라서 잔여 물의 ​​1 % 미만은 강모 소재 자체에 기인합니다. 2 개월 사용 칫솔 (S9)의 TGA 잔류 물이 7 % 이상이고 가장 강한 피크는 실리콘 (Si)이므로 다른 데이터와 함께 추가 실리콘 함유 물질은 수화로 인한 것입니다. 칫솔모의 치약 잔류 물에서 실리카. 나트륨 (Na), 인 (P) 및 황 (S)의 존재는 치약의 다른 성분과도 일치합니다. 4 일간 사용 된 칫솔 (S0.78)은 1 %의 회분만을 가지고있었습니다. 이것은 새로운 컨트롤 칫솔 (S4)을 약간 초과합니다. 따라서 TGA 및 EDS 데이터는 칫솔모를 코팅하는 잔여 치약이 많지 않기 때문에 중간 사용 칫솔 (SXNUMX) 칫솔모가 그만큼 단단하지 않아야 함을 시사합니다.

그림 8. S1 새 칫솔의 TGA 애쉬의 EDS (0.63 %의 찌꺼기가 남음)

그림 9. S4 7 일 된 칫솔의 TGA 재의 EDS (0.78 % 찌꺼기가 남음)

그림 10. S2 9.45 개월 된 칫솔의 TGA 재의 EDS (잔존 잔류 물 XNUMX %)

그림 11. S3 치약 TGA Ash의 EDS (회분 잔여 물 26 % 남음)

결론

우리 중 많은 사람들이 경험하는 일반적인 현상, 시간이 지남에 따라 칫솔모가 단단 해지는 이유를 조사하기 위해 다중 기술 접근 ​​방식이 사용되었습니다. FTIR 및 EDS는 사용 기간이 길어짐에 따라 치약 잔류 물이 축적됨을 나타냅니다. 전자 현미경 이미지는 장기간 사용하는 동안 잔류 치약에 의해 강모가 기계적으로 손상되고 점점 더 "접착"되는 것을 보여줍니다. TGA의 데이터에 따르면 6 일 동안 만 사용한 칫솔에 비해 7 개월 동안 사용하는 동안 강모에 쌓이는 치약 잔류 물이 훨씬 더 많습니다.

몇 가지 조건은 시간이 지남에 따라 강모가 단단 해지는 원인이됩니다. 치약 코팅이있는 상태에서 칫솔질의 기계적 작용으로 인해 나일론 강모가 닳아서 부서지기 시작합니다. 시간이 지남에 따라 칫솔모가 서로 달라 붙어 칫솔질이 끝날 때 수돗물로 칫솔을 헹구는 작업이 덜 효과적입니다. 이러한 요인으로 인해 궁극적으로 칫솔모가 뻣뻣 해지고 단단해지며 사용자에게 덜 효과적이며 일반적으로 새 칫솔을 구입할 때임을 알립니다!

특정 기능을 사용하고 사용자 경험을 향상시키기 위해이 사이트는 컴퓨터에 쿠키를 저장합니다. 승인을 제공하고이 메시지를 영구적으로 제거하려면 계속을 클릭하십시오.

더 자세한 정보는 저희의 개인 정보 보호 정책을 읽어보십시오..