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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von oberflächenstrukturierten
Borsten aus Kunststoff durch Extrudieren eines Monofils, danach
hergestellte oberflächenstrukturierte Borsten und deren
Verwendung.
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Stand der Technik
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Borsten
aus Kunststoff, die extrudiert werden, sind auf ihrer Oberfläche
herstellungsbedingt üblicherweise glatt. Derartige Borsten
entfalten bei Bürstenwaren beliebiger Art ihre Bürstwirkung
zunächst und vornehmlich durch die freien Enden der Borsten,
die die verschmutzte Fläche aufreißen und durch
Kratzen oder Schaben den Schmutz entfernen.
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Das
Dokument
EP 1 326 508
B1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer Schleifbürste,
bei dem eine Bürste mit Borstenflächen bereitgestellt
wird, wobei die Borstenflächen zumindest zum Teil mit einer
ersten Beschichtung beschichtet werden, mehrere Schleifpartikel
an zumindest einige der Borstenflächen mittels der ersten
Beschichtung angehaftet werden und die erste Beschichtung ausgehärtet
wird, um die Schleifpartikel an den Borstenflächen anzuhaften.
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Im
Dokument
US 6,623,200
B1 wird ein Verfahren zur Herstellung von Borsten für
eine Auftragvorrichtung zur Anwendung im Kosmetikbereich beschrieben,
bei dem eine Mischung aus thermoplastischem Material und einer Vielzahl
von Partikeln hergestellt wird, die Mischung extrudiert wird, und
der erhaltene Strang gekühlt und erhitzt wird.
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Im
Dokument
WO 97/09906 wird
ein Verfahren zur Herstellung eines oberflächenstrukturierten
Borstenmaterials angegeben, bei dem der Hauptkomponente des das
Monofil bildenden ersten Kunststoff-Materials vor oder während
des Extrudierens ein Granulat aus einem zweiten Kunststoff-Material
beigemischt wird, um ein Borstenmaterial zu schaffen, das eine vorbestimmte
Oberflächentopografie mit vorbestimmter oder nur geringer
Abrasivität besitzt.
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Im
Dokument
DE 37 17 475
C2 ist ein Verfahren zur Herstellung von Borstenwaren offenbart,
gemäß dem die aus einem verstreckten und gegebenenfalls
thermisch stabilisierten Kunststoff-Monofil gebildete Borste an
ihrer Oberfläche zumindest bereichsweise mit einem Klebstoff
versehen, daraufhin mit Fasern durch Beflocken beschichtet und anschließend
an einem Halter befestigt wird.
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Darstellung der Erfindung
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein besonders ökonomisches
Verfahren zur Herstellung von Borsten aus Kunststoff mit fühl-
und sichtbarer Oberflächenstruktur ohne zusätzliche
Haft- oder Klebemittel bereitzustellen.
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Des
Weiteren soll die Oberflächenstruktur besonders stabil
sein und die Reinigungswirkung der Borsten verbessern, und die derart
hergestellten oberflächenstrukturierten Borsten sollen
für die Verwendung im Einsatzbereich der Bürsten-,
Besen- oder Pinselwaren, insbesondere im professionellen Reinigungs-,
Haushalts-, Maler-, Lebensmittel-, Hygiene-, Zahnpflege-, Kosmetikbereich
und/oder im therapeutischen Bereich geeignet sein.
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Die
Lösung der gestellten Aufgabe wird mit den Merkmalen des
Anspruchs 1 erreicht.
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Dazu
werden die Monofile extrudiert, und anschließend wird eine
an der Oberfläche des Monofils haftende weitere Komponente,
die zumindest ein Polymer aufweist, auf die Oberfläche
des Monofils aufgebracht, wobei die weitere Komponente in Form von
Partikeln, insbesondere in Form von Pulver oder Granulat, und/oder
in flüssiger Form durch ein Auftragverfahren, insbesondere
durch Tauchen, Drucken und/oder Sprühen, ungleichmäßig über
die Länge und/oder den Umfang des Monofils verteilt wird.
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Dabei
wird unter dem Begriff „Tauchen" auch das Ziehen durch
Feststoffpartikel, insbesondere in einem Rüttelbett, verstanden,
und unter dem Begriff des „Sprühens" wird auch
das Berieseln beispielsweise in einem Wirbelbett verstanden.
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Die
ungleichmäßigen Verteilung bedeutet insbesondere,
dass keine geschlossene homogene Schicht auf dem Monofil gebildet
wird.
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Die
Oberflächenstruktur des Monofils kann auch für
einen Visualisierungseffekt genutzt werden. Zudem kann die ausgewählte
Farbe der auf das Monofil aufgebrachten weiteren Komponente beispielsweise
verschiedene Strukturierungen, wie zum Beispiel Abrasivitätsstufen,
anzeigen oder einer beliebigen künstlerischen Ausgestaltung
dienen.
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Durch
das Aufbringen der weiteren Komponente nach dem Extrudieren des
Monofils kann die Komponente den Extrusionsprozess nicht stören.
So ist es beispielsweise nicht erforderlich, die Produktionsgeschwindigkeit
herabzusetzen.
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Bei
einem Einbringen von Partikeln in die Matrix der Borste, wie beispielsweise
in dem Dokument
WO 97/09906 beschrieben,
können sich durch Fremdkörper beim Verstrecken
Fadenrisse bilden, zu deren Vermeidung der Fachmann den Verstreckungsgrad
reduzieren wird, was sich negativ auf die Eigenschaften der Borsten
auswirken kann.
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Ferner
liegt die weitere Komponente durch das Aufbringen nach dem Extrudieren
an der Oberfläche des Monofils. Dadurch ist diese weitere
Komponente optisch erkennbar und kann durch das Freiliegen an der Oberfläche
besser aktiv wirken als eingebettete Komponenten. Die aufliegende
Komponente ist besonders gut geeignet, den zu entfernenden Schmutz
anzuheben, unter die Schmutzpartikel zu greifen und den Schmutz durch
eine Streich- oder Bürstbewegung zu entfernen.
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Bei
vor dem Extrudieren eingebetteten Komponenten, insbesondere in Form
von Partikeln, besteht nämlich die Gefahr, dass diese bei
der Verarbeitung oder Benutzung der Borsten aus der Monofil-Matrix
herausfallen. Die sich dabei ergebenden Hohlräume können
Schmutz und Bakterien aufnehmen. Folglich ist das Aufbringen der
weiteren Komponente nach dem Extrudieren auch aus hygienischen Gesichtspunkten
besonders vorteilhaft.
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Dadurch,
dass keine zusätzlichen Haft- oder Klebemittel eingesetzt
werden, ist durch die Ersparnis eines weiteren Materials eine bessere
Recyclingfähigkeit gewährleistet. Zudem wird ein
zusätzlicher Prozessschritt zum Aufbringen eines Haft-
oder Klebemittels vermieden, so dass das oben dargestellte Verfahren
auch besonders wirtschaftlich ist und die danach hergestellten Produkte
auch kostengünstiger vertrieben werden können.
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Die
Unteransprüche stellen vorteilhafte Weiterbildungen des
Erfindungsgegenstands dar.
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Vorteilhafterweise
wird das Monofil nach dem Extrudieren und beim und/oder nach dem
Verstrecken elektrostatisch aufgeladen, bevorzugt nach dem Verstrecken,
und anschließend wird die weitere Komponente aufgebracht.
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Durch
die elektrostatische Aufladung des Monofils wird eine besonders
gute Anhaftung der weiteren Komponente an der Oberfläche
des Monofils erreicht, bevor die weitere Komponente in einem weiteren
Schritt fixiert oder fest an das Monofil gebunden wird.
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Die
feste Verbindung der weiteren Komponente über die Länge
und/oder den Umfang des Monofils erfolgt vorzugsweise bei einem
thermischen, mechanischen und/oder lichtbasierenden Fixierprozess.
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Für
eine bessere Recyclingfähigkeit weisen das Monofil und
die weitere Komponente vorteilhafterweise das gleiche Polymermaterial
auf.
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In
bevorzugter Ausgestaltung des Verfahrens weist die weitere Komponente
eine niedrigere Schmelztemperatur auf als das Material des Monofils.
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Um
eine verbesserte Reinigungswirkung, eine verbesserte Massagewirkung
oder ein verbessertes Farbhaltevermögen zu ermöglichen,
weist die weitere Komponente in bevorzugter Ausgestaltung des Verfahrens
Polymerpartikel auf, die im Hinblick auf eine besonders solide Haftung
nach dem Aufbringen auf das Monofil vorzugsweise durch Erwärmung
mittels Strahlung oder Konvektion mit dem Monofil verschweißt
werden.
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Zumindest
ein Teil der Erwärmung wird dabei vorzugsweise durch elektromagnetische
Strahlungsenergie, insbesondere durch Licht oder Induktion, erreicht.
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Vorteilhafterweise
wird dabei IR-Strahlung, besonders bevorzugt NIR-Strahlung, nahe
Infrarot-Strahlung, insbesondere mit einer Wellenlänge
von 800 bis 2500 nm, eingesetzt.
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In
bevorzugter Ausgestaltung des Verfahrens haben das Monofil und die
weitere Komponente verschiedene Absorptionskoeffizienten für
die eingebrachte Strahlungsenergie. Alternativ oder kumulativ dazu werden
der weiteren Komponente vorteilhafterweise für die eingebrachte
Strahlungsenergie absorbierende Partikel, insbesondere Pigmente
oder paramagnetische Partikel, zugesetzt.
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Zur
Unterstützung des Verschweißens des Monofils und
der weiteren Komponente wird das Verschweißen vorteilhafterweise
unter mechanischem Druck ausgeübt.
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Um
insbesondere eine verbesserte Reinigungswirkung, eine verbesserte
Massagewirkung oder ein verbessertes Farbhaltevermögen
zu erzielen, ohne dass der Verarbeitungsprozess gestört
wird, weisen die Polymerpartikel einen mittleren Partikeldurchmesser
auf, der bevorzugt zwischen 2% und 65%, besonders bevorzugt zwischen
10% und 55%, des Durchmessers des Monofils beträgt.
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Der
mittlere Partikeldurchmesser der Polymerpartikel beträgt
vorzugsweise zwischen 0,01 und 0,5 mm, besonders bevorzugt zwischen
0,05 und 0,35 mm.
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Ferner
werden die Polymerpartikel bevorzugt mit einem Anteil zwischen 1
und 25 Gew.-%, besonders bevorzugt mit einem Anteil zwischen 5 und
15 Gew.-%, auf das Monofil aufgebracht.
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Bevorzugt
werden zwischen 2 und 90% der Oberfläche des Monofils von
den Polymerpartikeln abgedeckt und besonders bevorzugt zwischen
5 und 75%.
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Bei
einer Abdeckung zwischen 5 und 75% ist eine besondere Visualisierung
der Struktur gegeben, während die mechanischen Eigenschaften
des Monofils durch die aufgebrachte Komponente nur in einem geringen
Maße beeinflusst werden.
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Die
Größe und Menge der Partikel bestimmt dabei insbesondere
auch die gewünschten Effekte hinsichtlich der Reinigungswirkung,
Massagewirkung oder des Farbhaltevermögens der Borsten.
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Die
Menge der Partikel kann zum Beispiel durch die Frequenz und die
Amplitude der Partikelschüttungsvibration oder Variation
der elektrostatischen Ladung der Borste und/oder der Partikel beeinflusst
werden.
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In
alternativer Ausgestaltung des Verfahrens weist die weitere Komponente
vorzugsweise eine Polymerschmelze, -dispersion oder -lösung,
einen härtbaren Lack, eine Farbstofflösung oder
-dispersion oder eine beliebige Kombination der genannten Materialien
auf, die vorteilhafterweise durch eine Düse auf das Monofil aufgespritzt
wird oder über eine Transferwalze und/oder einen Stempel
auf das Monofil aufgebracht wird.
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Die
Transferwalze und/oder der Stempel werden dabei bevorzugt beheizt.
In bevorzugter Ausgestaltung sind die Transferwalze und/oder der
Stempel strukturiert.
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Die
Erfindung betrifft ferner oberflächenstrukturierte Borsten,
insbesondere für Bürsten-, Besen- oder Pinselwaren,
die hergestellt sind nach einem der genannten Verfahren.
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Die
Erfindung betrifft ferner die Verwendung der oberflächenstrukturierten
Borsten zur Herstellung von Bürsten-, Besen- oder Pinselwaren,
bevorzugt im professionellen Reinigungs-, Haushalts-, Maler-, Lebensmittel-,
Hygiene-, Zahnpflege-, im Kosmetikbereich und/oder im therapeutischen
Bereich.
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Ausführung der Erfindung
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Der
Gegenstand der Erfindung wird anhand eines Beispiels näher
erläutert.
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In
den 1 bis 5 ist jeweils eine Lichtmikroskop-Aufnahme
mit 100-facher Vergrößerung der Oberfläche
einer erfindungsgemäß hergestellten Polypropylen-Borste
mit Polypropylen-Partikeln mit unterschiedlich großen Partikeldurchmessern
gezeigt.
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In 1 beträgt
der Partikeldurchmesser der Polypropylen-Partikel 0,05 bis 0,08
mm,
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in 2 beträgt
der Partikeldurchmesser der Polypropylen-Partikel 0,12 bis 0,18
mm,
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in 3 beträgt
der Partikeldurchmesser der Polypropylen-Partikel 0,12 bis 0,15
mm,
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in 4 beträgt
der Partikeldurchmesser der Polypropylen-Partikel 0,15 bis 0,25
mm und
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in 5 beträgt
der Partikeldurchmesser der Polypropylen-Partikel 0,25 bis 0,35
mm.
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Zur
Herstellung von oberflächenstrukturierten Borsten werden
Monofile aus Polypropylen (PP) mit einem Durchmesser von 0,55 mm
eingesetzt. Diese Monofile werden nach Extrusion und Verstrecken
elektrostatisch aufgeladen und durch ein Rüttelbett aus
blauen Polypropylen-Partikeln mit einem Partikeldurchmesser von
0,05 bis 0,35 mm gezogen.
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Die
Polypropylen-Partikel weisen dabei eine um ca. 20°C niedrigere
Schmelztemperatur auf als das Material der Borstenmatrix.
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Anschließend
erfolgt das Verschweißen der Polymerpartikel mit den Monofilen
durch Bestrahlen mit NIR-Lampen. Nach einer kurzen Kühlstrecke
werden die überschüssigen Partikel durch Bürsten
abgestriffen.
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Dadurch
werden auf besonders ökonomische Weise oberflächenstrukturierte
Borsten erhalten, bei denen die blauen Polypropylen-Partikel ungleichmäßig über
die Länge und den Umfang des Monofils verteilt sind.
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Borsten
mit einem Partikeldurchmesser der Polymerpartikel von 0,05 bis 0,08
mm, wie in 1 gezeigt, sind besonders gut
geeignet für leicht entfernbare, dünne und nicht
fest haftende Verschmutzungen oder wenn lediglich eine geringe Rauigkeit
aus Gründen der Oberflächenbeschaffenheit oder
der Geometrie des zu reinigenden Gegenstands erwünscht
ist.
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Dies
gilt insbesondere für Produkte im Bereich der Körper-
und Zahnpflege, wie zum Beispiel Hand- und Nagelbürsten,
Zahnbürsten, Interdentalbürsten oder Zahnseide.
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Im
Bereich dekorativer Anwendungen der Borsten, wie beispielsweise
bei Maskarabürsten, Nagellackpinseln oder Malerpinseln,
erhöht die Struktur der Borsten das Farbhaltevermögen
im Applikator und die Feinheit ermöglicht zugleich einen
streifenfreien Auftrag. Die kleinen Polymerpartikel fördern
dabei zudem das Aufreißen von Luftbläschen in
der aufzutragenden Farbe oder des aufzutragenden Lacks.
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In
der Anwendung der Borsten für Besenwaren im professionellen
Reinigungsbereich oder im Haushaltsbereich zeigt die vorgenannte
Ausgestaltung ein besonders gutes Staubhaltevermögen bei
gleichzeitig einfacher Reinigungsmöglichkeit, wie beispielsweise
durch Ausklopfen.
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Borsten
mit einem Partikeldurchmesser der Polymerpartikel von 0,12 bis 0,18
mm, wie in 2 gezeigt, sind besonders gut
geeignet zur Entfernung von Schmutz von vergleichsweise rauen Oberflächen,
insbesondere für Besen im Reinigungs- und Haushaltsbereich.
Die Verwendung der Borsten für Straßenbesen ist besonders
gut geeignet.
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Bei
den Borsten gemäß den 1 und 2 erfolgt
das Verschweißen der Polymerpartikel mit dem Monofil in
einem Rundrohrstrahler von 1 m Länge mit einer Strahlerleistung
von 600 W und einer Fadengeschwindigkeit von 7,5 m/Minute.
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Bei
der Borste gemäß 1 beträgt
der Anteil an aufgebrachten Partikeln ca. 1 Gew.-%. Dabei bedecken
die Polymerpartikel ca. 2% der Borstenoberfläche.
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Bei
der Borste gemäß 2 beträgt
der Anteil an aufgebrachten Partikeln ca. 5 Gew.-%. Dabei bedecken
die Polymerpartikel ca. 7% der Borstenoberfläche.
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3 zeigt
eine Borste, deren Polymerpartikel einen Partikeldurchmesser von
0,12 bis 0,15 mm aufweisen und deren Oberflächenstruktur
verhältnismäßig flach und weich oder
abgerundet ausgebildet ist. Dieser Effekt wird dadurch erreicht,
dass die Polymerpartikel beim Verschweißen mit den Monofilen
einer größeren Energiedichte oder einer längeren
Energiewirkung ausgesetzt sind.
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Das
Verschweißen der Polymerpartikel mit dem Monofil erfolgt
hier in einem Rundrohrstrahler von 1 m Länge mit einer
Strahlerleistung von 600 W und einer Fadengeschwindigkeit von 3,5
m/Minute.
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Bei
der Borste gemäß 3 beträgt
der Anteil an aufgebrachten Partikeln ca. 20 Gew.-%. Dabei bedecken
die Polymerpartikel ca. 85% der Borstenoberfläche.
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Derartige
Borsten sind besonders gut geeignet für Lebensmittel- oder
Kosmetikpinsel oder für Massagebürsten im kosmetischen
oder therapeutischen Bereich, bei denen die Auftrags- und Verteilungseigenschaften
eine größere Bedeutung haben als die Abtragleistung.
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4 zeigt
eine Borste, deren Polymerpartikel einen Partikeldurchmesser von
0,15 bis 0,25 mm aufweisen. Diese Borste zeigt gegenüber
der Borste gemäß 3 eine deutlich
erhabenere Oberflächenstruktur mit weniger abgerundeten
Partikeln, die durch eine geringere oder kürzere Energieeinwirkung
beim Verschweißen der Polymerpartikel mit den Monofilen
erreicht wird.
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Das
Verschweißen der Polymerpartikel mit dem Monofil erfolgt
dabei in einem Rundrohrstrahler von 1 m Länge mit einer
Strahlerleistung von 600 W und einer Fadengeschwindigkeit von 9
m/Minute.
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Bei
der Borste gemäß 4 beträgt
der Anteil an aufgebrachten Partikeln ca. 15 Gew.-%. Dabei bedecken
die Polymerpartikel ca. 39% der Borstenoberfläche.
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Derartig
oberflächenstrukturierte Borsten sind zur Herstellung von
Bürstenwaren mit besonders aggressiver Reinigungswirkung
geeignet, insbesondere im Haushalts- oder im professionellen Reinigungsbereich.
Die aufliegenden Partikel mit zahnförmiger Struktur sind
besonders gut geeignet, den zu entfernenden Schmutz anzuheben, unter
die Schmutzpartikel zu greifen und den Schmutz durch Streich- oder
Bürstbewegungen einfach zu entfernen.
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5 zeigt
eine besonders bevorzugte Borste, deren Polymerpartikel einen Partikeldurchmesser
von 0,25 bis 0,35 mm aufweisen. Die Borste weist eine ausgeprägte
Oberflächenstruktur mit zugleich abgerundeten Partikeln
sowie eine besonders gute Haftfläche zur Borstenmatrix
auf. Diese Ausführung ist besonders gut für Bürsten
geeignet, die den Schmutz besonders sanft entfernen und die zugleich
einer besonders starken Beanspruchung ausgesetzt sind, wie beispielsweise
Spülbürsten.
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Erreicht
wird diese Ausgestaltung durch den Einsatz von Polymerpartikeln
mit einer engeren Partikelgrößenverteilung.
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Das
Verschweißen der Polymerpartikel mit dem Monofil erfolgt
dabei in einem Rundrohrstrahler von 1 m Länge mit einer
Strahlerleistung von 600 W und einer Fadengeschwindigkeit von 7,5
m/Minute.
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Bei
der Borste gemäß 5 beträgt
der Anteil an aufgebrachten Partikeln ca. 15 Gew.-%. Dabei bedecken
die Polymerpartikel ca. 45% der Borstenoberfläche.
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Die
Menge der Polymerpartikel wird beeinflusst durch die Frequenz und
die Amplitude des Partikelschüttungsvibration oder die
Variation der elektrostatischen Ladung des Monofils und/oder der
Polymerpartikel.
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Wie
oben gezeigt, sind geringere Gewichtsanteile an Polymerpartikeln,
geringere Abdeckungsflächen der Borstenoberfläche
und/oder kleinere Partikeldurchmesser mit einer flacheren Struktur
eher zum Auftragen von Materialien geeignet oder zum Entfernen oder
Abtragen von weniger fest haftenden Verschmutzungen.
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Eine
längere Energieeinwirkung führt insbesondere zu
abgerundeten Partikeln mit sanfterer Schmutzentfernung und/oder
zu einer festeren Haftung der Polymerpartikel an der Borste.
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Die
erfindungsgemäß hergestellten Borsten werden wegen
ihrer besonderen Strapazierfähigkeit und besonders guten
Reinigungswirkung bevorzugt zur Herstellung von Bürsten-,
Besen- oder Pinselwaren, insbesondere im professionellen Reinigungs-,
im Haushalts-, im Maler-, im Lebensmittel-, im Hygiene-, im Zahnpflege-,
im Kosmetikbereich und/oder im therapeutischen Bereich eingesetzt.
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Die
Farbe der eingesetzten Partikel kann dabei zum Beispiel zur Anzeige
einer vorbestimmten Abrasivitätsstufe oder zu einer besonderen ästhetischen
Ausgestaltung dienen.
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Aufgrund
der sortenreinen Herstellung des Borstenmaterials ohne Materialmix
ist das Borstenmaterial auch besonders gut recyclefähig. Tabelle 1:
Borsten
Beispielsgruppe | Partikeldurchmesser
mm | Fadengeschwindigkeit m/Minute | Anteil
der Partikel Gew.-% | Abdeckung
der Borstenoberfläche % | bevorzugte Verwendung |
A | 0,025–0,1 | 5–8 | 1–5 | 1–5 | Hand-,
Nagel-, Zahn-, Interdentalbürste, Zahnseide |
B | 0,1–0,2 | 5–8 | 5–10 | 5–15 | Besen
für Reinigungs- und Haushaltsbereich |
C | 0,1–0,18 | 2–5 | 10–30 | 50–90 | Kosmetik-,
Lebensmittel-, Malerpinsel, Massagebürsten |
D | 0,12–0,3 | 7,5–10 | 10–20 | 20–50 | Bürsten
für professionellen Reinigungs- und Haushaltsbereich |
E | 0,2–0,4 | 5–8 | 10–20 | 25–75 | Bürsten
für Haushalts- und Hygienebereich |
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Die
gemäß den Daten der Tabelle 1 hergestellten und
bevorzugt verwendeten oberflächenstrukturierten Borsten
der Gruppe A weisen wie die Borste der 1 eine geringe
Rauigkeit auf, die der Gruppe B weisen wie die Borste der 2 eine
erhabene und abgerundete Struktur auf, die der Gruppe C weisen wie
die Borste der 3 eine flache und abgerundete
Struktur auf, die der Gruppe D weisen wie die Borste der 4 eine gegenüber
den vorgenannten Borsten deutlicher erhabene und weniger abgerundete
Struktur auf und die Borsten der Gruppe E weisen wie die Borste
der 5 eine ausgeprägte Struktur mit abgerundeten,
besonders gut haftenden Partikeln auf.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 1326508
B1 [0003]
- - US 6623200 B1 [0004]
- - WO 97/09906 [0005, 0015]
- - DE 3717475 C2 [0006]