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Die Erfindung betrifft ein Filament aus Kunststoff, insbesondere ein Kunststofffilament in Form einer Borste für Zahn-, Kosmetikbürsten oder sonstigen Bürsten für Reinigungszwecke.
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Die Reinigungswirkung einer Bürste ist wesentlich von der Geometrie der einzelnen Borsten und dem Material abhängig, aus dem die Borsten bestehen. Insbesondere haben sich Borsten als vorteilhaft erwiesen, die aus Filamenten gefertigt sind, welche auf ihrer Mantelfläche strukturiert oder zu profiliert sind, so dass die Borsten eine Schabwirkung haben.
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Im Stand der Technik sind Borsten bekannt, die mehrere achsparallele Rippen aufweisen, die an ihrem radial inneren Ende an einem die Matrix bildenden Kern angeformt sind. Dabei können der Kern und die Rippe aus unterschiedlichen Kunststoffen bestehen, um einerseits die Festigkeits- und Biegeeigenschaft der Borste und andererseits die Reinigungswirkung durch die Rippe an den gewünschten Einsatzzweck anzupassen. Wenn die Borste bei einer Zahnbürste verwendet wird, ist darüber hinaus durch die Materialwahl sicherzustellen, dass der Benutzer sich nicht verletzten kann.
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Nachteil des Standes der Technik ist, dass die Materialauswahl einerseits für die Rippe und andererseits für die Matrix dahingehend stark beschränkt ist, dass die beiden Materialien bei der Herstellung des entsprechenden Filaments aufgrund der bei der Reinigung wirkenden Transversalkräfte eine starke Verbindung eingehen müssen, um zu verhindern, dass sich die Rippe bei Benutzung der Borste von der Matrix löst. Diese Beschränkung in der Materialwahl ist sehr nachteilig, so dass eine optimierte Reinigungswirkung selten erreicht werden kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Filament zur Verfügung zu stellen, welches zur Herstellung einer Borste geeignet ist, und bei dem für das Material der Rippe und der Matrix ein verbesserter Zusammenhalt gewährleistet ist.
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Diese Aufgabe wird durch ein Filament gemäß den Ansprüchen gelöst.
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Das erfindungsgemäße Filament umfasst über seine gesamte Länge eine Matrix aus einem Kunststoffmaterial, wobei in einer Ausnehmung aus der Oberfläche der Matrix, mindestens eine Rippe angebracht ist, welche kraft- und/oder stoffschlüssig mit der Matrix verbunden ist.
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Bevor die besondere Ausgestaltung des Filaments gegenüber dem Stand der Technik näher ausgeführt wird, werden zum besseren Verständnis einige der im Folgenden verwendeten Begriffe näher erläutert:
Die Querschnittsfläche ist eine Fläche orthogonal zur Längsachse des Filaments. Idealisiert weist ein Filament, ausgenommen einer Verdrillung, insbesondere stets dieselbe Querschnittsfläche auf (welche bei einer Verdrillung lediglich gedreht ist). Der Flächenschwerpunkt ist hier als Schwerpunkt von Querschnittsflächen von Elementen des Filaments zu verstehen (Rippen oder Matrix). Er entspricht mathematisch der Mittelung aller Punkte innerhalb der Fläche und kann auch bei unsymmetrischen Figuren als Mittelpunkt interpretiert werden. Es sind der „Rippenmittelpunkt“ der Schwerpunkt der Rippenquerschnittsfläche und der „Matrixmittelpunkt“ der Schwerpunkt der Matrixquerschnittsfläche. Als „Rippensenkrechte“ wird die Linie bezeichnet, welche bezüglich der Querschnittsfläche des Filaments von dem betreffenden Rippenmittelpunkt durch den Matrixmittelpunkt verläuft. Auf der Erde würde dies beispielsweise der Mittelsenkrechten eines gerade stehenden Körpers entsprechen. Der Begriff „Steigung“ gibt entsprechend der mathematischen Definition hier bezüglich des Querschnitts die „Schrägheit“ eines Punktes gegenüber einer Geraden an, selbst wenn dieser Punkt Teil eines Kreisbogens sein sollte. Eine „Steigungstangente“ ist eine gedachte Gerade mit der Steigung, die für einen bestimmten Punkt ermittelt wurde. Als „Übergangspunkte“ werden die Punkte auf der Oberfläche des Filaments bezeichnet, an denen die Rippe die Matrix berührt, also die Rippenoberfläche in die Matrixoberfläche übergeht. In 1 werden diese Begriffe zeichnerisch dargestellt.
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Das erfindungsgemäße Filament ist dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Rippe zusätzlich formschlüssig mit der Matrix verbunden ist wobei die formschlüssige Verbindung dermaßen gestaltet ist, dass ausgehend vom betreffenden Rippenmittelpunkt der Öffnungswinkel zu den Übergangspunkten der betreffenden Rippe („Übergangswinkel“) zwischen 90° und 270° liegt, jedoch bezüglich mindestens einer möglichen Bewegungsrichtung in Querschnittsebene kein formschlüssiger Halt zwischen der betreffenden Rippe und der Matrix besteht.
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Aufgrund der besonderen Forderung für den Formschluss, dass bezüglich mindestens einer möglichen Bewegungsrichtung in Querschnittsebene kein formschlüssiger Halt besteht, ist der Formschluss so gestaltet, dass die Rippe ohne den Kraft- oder Stoffschluss aus der Matrix herausfallen würde.
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Zwar könnte für einige Anwendungen durchaus ein Formschluss bevorzugt sein, der in allen Richtungen der Querschnittsebene wirkt, jedoch wirkt sich ein solcher in vielen Fällen negativ auf das Endprodukt aus, z.B. weil eine komplette formschlüssige Umfassung einen erhöhten Fertigungsaufwand erfordert oder das optische Erscheinungsbild negativ beeinflusst. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Filament zwar auch mindestens eine Rippe, welche auf der Querschnittsebene formschlüssig umfasst wird (also bezüglich jeder möglichen Bewegungsrichtung in Querschnittsebene ein formschlüssiger Halt besteht), jedoch ist in dieser Ausführungsform auch stets mindestens eine Rippe vorhanden, einen Formschluss aufweist, wie oben beschreiben wird.
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Der Erfinder stellte überraschend fest, dass eine feste und dauerhafte Verbindung selbst bei unterschiedlichen Materialien möglich ist, wenn der erfindungsgemäße Formschluss zusammen mit einem Kraft- oder Stoffschluss hergestellt wird. Der Übergangswinkel darf dabei nicht kleiner als gefordert sein, da ansonsten die Rippen bezüglich Transversalbewegungen relativ zur Oberfläche der Matrix, also bei Kräften, die seitlich auf die Rippe wirken und bei Bürstbewegungen automatisch auftreten, trotz des Kraft- oder Stoffschlusses von der Matrix abreißen können. Es ist demnach bevorzugt, dass der Übergangswinkel größer als 120°, insbesondere größer als 150° (oder sogar >160°) ist. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform, die insbesondere bei Vorliegen von runden Rippenquerschnitten infrage kommt, überschreitet der Übergangswinkel nicht 180°, da ansonsten ein Formschluss hergestellt würde, welcher die Rippe so umfassen könnte, dass das Erfordernis, dass bezüglich mindestens einer möglichen Bewegungsrichtung in Querschnittsebene kein formschlüssiger Halt zwischen der betreffenden Rippe und der Matrix besteht, nicht mehr erfüllt wäre.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist zudem der Winkel der Steigungstangente der Oberfläche der Matrix direkt am Übergangspunkt zu der Steigungstangente der Oberfläche der Rippe direkt am Übergangspunkt größer als 90° und kleiner als 180° (insbesondere liegt dieser Winkel zwischen 100° und 160°). Dies hat den Vorteil, dass sich keine oder nur wenige Verschmutzungen in dem Übergangsbereich zwischen Rippe und Matrix ansammeln.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform ist der Winkel der Steigungstangente der Oberfläche der Matrix direkt am Übergangspunkt zu der Steigungstangente der Oberfläche der Rippe direkt am Übergangspunkt kleiner als 90° und größer als 45° oder es sind an den Seitenbereichen der Rippe Ausnehmungen eingeformt. Dies hat den Vorteil, dass sich gerade dort Verschmutzungen in dem Übergangsbereich zwischen Rippe und Matrix oder in den Ausnehmungen ansammeln (z.B. bei trockenen Verschmutzungen). Diese können dann über die Kanäle, die diese Kavitäten über die Länge des Filaments bilden abgeführt werden (z.B. wie die Kanäle zum Materialabtransport an einem Bohrer).
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Matrix runde, konkave Ausnehmungen, welche zur Herstellung des erfindungsgemäßen Formschlusses dienen. Die Rippe ist dazu bevorzugt im Berührungsbereich mit der Matrix entsprechend rund, konvex, als Negativform der Ausnehmung geformt. Bei speziellen Ausführungsformen kann jedoch die Rippe auch eine andere konvexe Form aufweisen, so lange sie in die Ausnehmung hereinpasst. Ein Werkstoff, der die stoffschlüssige Verbindung herstellt, kann den Raum zwischen Matrix und Rippe dann ausfüllen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform liegt der kleinste Öffnungswinkel zwischen der Steigungstangenten an mindestens jeweils einem Berührungspunkt zwischen Matrix und Rippe mit der betreffenden Rippensenkrechten zwischen 0° (paralleler Verlauf) und 45° von der Rippensenkrechten weg geneigt, und zwar an jeder Seite dieser Rippensenkrechten. Dies bedeutet, dass bei Wirken einer seitlichen Kraft auf die Rippe der Formschluss die Kräfte auf den Stoff- oder Kraftschluss reduziert. Hat die Rippe beispielsweise den Querschnitt eines Kreises und ruht in einer entsprechend kreisförmigen Ausnehmung in der Matrix, dann wäre bei einem jeweiligen Öffnungswinkel von 0° links und rechts der Rippe der Übergangswinkel genau 180° und die Rippe wäre genau zur Hälfte in der Matrix eingebettet. Bei einer seitlichen Krafteinwirkung würde die Rippe gegen die Matrixwände gepresst werden (die am Rande ungefähr senkrecht zu dieser Kraft stehen würden, und eine Herauslösung der Rippe wäre selbst bei einer schwachen Verklebung durch den Formschluss zwischen Rippe und Matrixwand sehr unwahrscheinlich.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist das Filament zwei, drei oder mehr Rippen auf, wobei die Rippen vorzugsweise regelmäßig auf der Matrixoberfläche verteilt sind, die Rippensenkrechten benachbarter Rippen also alle gleiche oder zumindest periodisch variierende Öffnungswinkel haben.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform liegen mindestens zwei Rippen vor, die sich im Hinblick auf ihre Farbe und/oder Form und/oder ihres Materials voneinander unterscheiden. Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird mindestens eine Rippe formschlüssig umfasst, so dass also bezüglich jeder möglichen Bewegungsrichtung in Querschnittsebene ein formschlüssiger Halt besteht und/oder der Übergangswinkel ist bei dieser Rippe größer als 270°, jedoch kleiner als 360°. Auf diese Weise kann, insbesondere bei einer bestimmten Farbe der Rippe, die Sichtbarkeit oder die Berührungsfläche für eine Unterlage unter verschiedenen Winkeln gesteuert werden und damit gezielt optische oder funktionale Effekte beeinflusst werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die Materialien und die Parameter bei der Extrusion des Filaments so gewählt, dass die Rippe mit der Matrix im Bereich des Formschlusses verschweißt ist. Alternativ oder zusätzlich dazu kann aber auch vorgesehen sein, dass die Rippe mit der Matrix zusätzlich zu dem Formschluss verklebt ist.
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In einer möglichen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass mindestens eine Rippe einen sich radial nach außen verjüngenden Querschnitt, beispielsweise einen dreieckigen oder tropfenförmigen Querschnitt aufweist, so dass sie in ihrem radial äußeren Querschnittsbereich konisch oder gar spitzt zuläuft.
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Bezüglich der Längsachse des Filaments kann sich die Rippe (oder die Vielzahl der Rippen) gradlinig achsparallel in Längsrichtung des Filaments erstrecken. Es ist jedoch auch bevorzugt, dass die Rippe(n) in Form einer Wendel um die Matrix umlaufen. Dies kann insbesondere dann erreicht werden, wenn das Filament nach der Extrusion verdrillt wird. Vorzugsweise erfolgt das Verdrillen mit 50 bis 400 Umdrehungen pro laufendem Meter.
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Die Kunststoffmaterialien für Matrix und Rippen können weitestgehend frei gewählt werden. Auch wenn für einige Anwendungen bevorzugt ist, die Matrix aus einem weichere und/oder elastischerem Material als dem für die Rippe(n) gewählte zu verwenden, erreicht man eine sehr gute Reinigungswirkung, wenn es sich genau umgekehrt verhält. Zu der bevorzugten Ausführungsform, dass das Rippenmaterial weicher und/oder elastischer ist, als das Matrixmaterial kommt die bevorzugte Ausführungsform hinzu, dass das Filament mindestens eine Rippe aufweist, die härter und/oder inelastischer ist als das Matrixmaterial. Diese Ausführungsform, bei der das Matrixmaterial bezüglich Härte/Elastizität zwischen Härte/Elastizität der unterschiedlichen Rippen liegt, erreicht eine sehr gute Reinigungswirkung und könnte auch ohne die Gesamtheit der Merkmale von Anspruch 1 der vorliegenden Erfindung eine eigenständige Erfindung darstellen.
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Bevorzugte Kunststoffmaterialien für Matrix und/oder Rippen sind steife thermoplastische Polyester (insbesondere Polybutylenterephthalat PBT) und/oder weiche thermoplastische Kunststoffe (insbesondere thermoplastische Elastomere).
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Aus dem erfindungsgemäßen Filament können in üblicher Weise Borsten hergestellt werden, die vorzugsweise als Borsten für Zahnbürsten, Massagebürsten, Mascarabürsten, Besen, Kehrwalzen, Entrostungsbürsten und auch andere Bürsten Verwendung finden können. Auch können einzelne oder zu Bündeln zusammengefasste Borsten in besonders vorteilhafter Weise als Interdentalreiniger verwendet werden, die durch Hin- und Herbewegung in den Zahnzwischenräumen eine weit bessere Reinigungswirkung entfalten, da ständig wechselnde Querschnitte zur Wirkung kommen. Selbst dann, wenn ein solcher Interdentalreiniger in engen Lücken verklemmt, wird er nicht abreißen, sondern kann durch Aufdrillen problemlos herausgezogen werden.
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Das erfindungsgemäße Filament weist, insbesondere im verdrillten Zustand, verglichen mit einem Filament ohne Rippenstrukturen eine sehr hohe Reinigungswirkung auf. Dies liegt insbesondere in dem partiell höherer Gleitreibungskoeffizient begründet, der bei einer unterschiedlichen Materialwahl für Matrix und Rippen automatisch entsteht und an dem punktuellen Einsatz der Reinigungsrippen und der daraus resultierenden punktuell höheren Flächenpressung.
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Beispiele für bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den Abbildungen dargestellt.
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1 verdeutlicht die in der Beschreibung verwendete Nomenklatur.
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2 zeigt schematisch eine bevorzugte Ausführungsform in idealisierter Form.
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3 zeigt schematisch eine bevorzugte Ausführungsform.
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Einführend sei festgehalten, dass in den unterschiedlich beschriebenen Ausführungsformen gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen versehen werden, wobei die in der gesamten Beschreibung enthaltenen Offenbarungen sinngemäß auf gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen übertragen werden können. Auch sind die in der Beschreibung gewählten Lageangaben, wie z.B. oben, unten, seitlich usw. auf die unmittelbar beschriebene sowie dargestellte Figur bezogen und sind diese Lageangaben bei einer Lageänderung sinngemäß auf die neue Lage zu übertragen.
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FIGURENBESCHREIBUNG
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In 1 ist ein Querschnitt durch ein Filament, umfassend eine Matrix 1 und Rippen 2, dargestellt, wobei die Matrix 1 drei Rippen 2 umfasst, welche alle eine unterschiedliche Form haben. Die Flächenschwerpunkte (3, 4) sind als Kreuzmarkierungen dargestellt, wobei der Matrixmittelpunkt 3 in der Mitte der Matrix liegt und die Rippenmittelpunkte 4 im Zentrum der jeweiligen Rippen liegen. Mit Strichen durch den Matrixmittelpunkt 3 und die jeweiligen Rippenmittelpunkte 4 sind die drei Rippensenkrechten 5 dargestellt. Anhand der Rippe links unten werden die Übergangspunkte 6 rechts und links der Rippe (mit Pfeilen markiert) dargestellt. Selbstverständlich liegen links und rechts einer jeden Rippe Übergangspunkte, welche jedoch aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht gekennzeichnet sind. In der oberen, kreisförmigen Rippe ist der Übergangswinkel 7 angedeutet. Er beträgt ungefähr 165°. Wie deutlich erkennbar ist, lässt sich jede Rippe durch Verschiebung zu einer Raumrichtung aus der Matrix entnehmen.
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Zum Schluss sind, ebenfalls an der runden, kreisförmigen Rippe die kleinsten Öffnungswinkel 8 zwischen der Steigungstangenten an mindestens jeweils einem Berührungspunkt zwischen Matrix und Rippe mit der betreffenden Rippensenkrechten gezeigt. Die Steigungstangenten sind von der Rippensenkrechten weg geneigt, d.g. der Schnittpunkt mit der Rippensenkrechten liegt auf Seiten des Matrixmittelpunktes.
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In 2 ist der Querschnitt eines idealisierten Filaments umfassend eine Matrix 1 und vier Rippen 2 dargestellt. Hier ist eine der Rippen schwarz eingefärbt und wird von der Matrix 1 formschlüssig umfasst. Die übrigen Rippen 2 erfüllen die Bedingung, dass bezüglich mindestens einer möglichen Bewegungsrichtung in Querschnittsebene kein formschlüssiger Halt zwischen der betreffenden Rippe und der Matrix besteht.
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In 3 ist der Querschnitt eines Testfilaments umfassend eine Matrix 1 und drei Rippen 2 skizziert. Der Durchmesser kann im Bereich einiger weniger Millimeter liegen, es sind aber auch Durchmesser bis hin zu wenigen Mikrometern möglich.
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Die Ausführungsbeispiele zeigen mögliche Ausführungsvarianten der Erfindung, wobei an dieser Stelle bemerkt sei, dass die Erfindung nicht auf die speziell dargestellten Ausführungsvarianten derselben eingeschränkt ist, sondern vielmehr auch diverse Kombinationen der einzelnen Ausführungsvarianten untereinander möglich sind und diese Variationsmöglichkeit aufgrund der Lehre zum technischen Handeln durch gegenständliche Erfindung im Können des auf diesem technischen Gebiet tätigen Fachmannes liegt.
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Weiters können auch Einzelmerkmale oder Merkmalskombinationen aus den gezeigten und beschriebenen unterschiedlichen Ausführungsbeispielen für sich eigenständige, erfinderische oder erfindungsgemäße Lösungen darstellen.
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Die den eigenständigen erfinderischen Lösungen zugrundeliegende Aufgabe kann der Beschreibung entnommen werden.
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Sämtliche Angaben zu Wertebereichen in gegenständlicher Beschreibung sind so zu verstehen, dass diese beliebige und alle Teilbereiche daraus mitumfassen, z.B. ist die Angabe 1 bis 10 so zu verstehen, dass sämtliche Teilbereiche, ausgehend von der unteren Grenze 1 und der oberen Grenze 10 mit umfasst sind, d.h. sämtliche Teilbereiche beginnen mit einer unteren Grenze von 1 oder größer und enden bei einer oberen Grenze von 10 oder weniger, z.B. 1 bis 1,7, oder 3,2 bis 8,1, oder 5,5 bis 10.
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Vor allem können die einzelnen in den Figuren gezeigten Ausführungen den Gegenstand von eigenständigen, erfindungsgemäßen Lösungen bilden. Die diesbezüglichen, erfindungsgemäßen Aufgaben und Lösungen sind den Detailbeschreibungen dieser Figuren zu entnehmen.
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Der Ordnung halber sei abschließend darauf hingewiesen, dass zum besseren Verständnis des Aufbaus dieser bzw. dessen Bestandteile teilweise unmaßstäblich und/oder vergrößert und/oder verkleinert dargestellt wurden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Matrix
- 2
- Rippe
- 3
- Matrixmittelpunkt
- 4
- Rippenmittelpunkt
- 5
- Rippensenkrechte
- 6
- Übergangspunkte
- 7
- Übergangswinkel
- 8
- Öffnungswinkel
