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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein das Gebiet von Filamenten
und die Extrusionsmethodik zu deren Herstellung und betrifft spezieller
Filamentmaterialien für
mehrkomponentige Zahnseiden sowie Verfahren zu deren Herstellung.
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Karies
und Zahnerkrankungen können
durch bakterielle Wirkung hervorgerufen werden, die aus der Bildung
von Plaque über
den Zähnen
und/oder den Einschluss von Speisepartikeln in den Räumen zwischen den
Zähnen
resultieren. Die Entfernung von Plaque und eingeschlossenen Speisepartikeln
verringert den Befall mit Karies, Gingivitis und Mundgeruch und
verbessert generell die Oralhygiene. Es ist festgestellt worden, dass
das konventionelle Zähnebürsten für die Entfernung
sämtlicher
eingeschlossener Speisepartikel und von Plaque unzureichend ist.
Zur Ergänzung
des Zähnebürstens werden
Zahnseiden und -bänder
verwendet.
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Zahnseiden
sowohl in Bürstenform
als auch in Form dünner
Zahnseide enthalten oftmals Zusätze,
wie beispielsweise Geschmacksstoffe oder Farbstoffe. Diese Geschmacksstoffe
sind konventionell aufgetragen worden, indem die Oberfläche der
Zahnseide mit dem Zusatz beschichtet wurde.
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Die
US-A-4 583 564 offenbart eine Multifilament-Zahnseide, die aus Filamenten
besteht, die ein Kernmaterial mit höherem Schmelzpunkt enthalten
und ein Mantelmaterial mit niedrigerem Schmelzpunkt, wobei die Fasern
aus dem Mantelmaterial verschmolzen sind, indem sie einer ausreichenden
Temperatur ausgesetzt werden, um dieses zu erzielen.
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Die
WO-96/39117 betrifft ebenfalls Multifilament-Zahnseide. Jede Filament
verfügt über einen
Kern aus einem ersten Material, das in seinem eigenen individuellen
Mantel aus einem zweiten Material eingeschlossen ist. Es werden
individuelle Filamente miteinander vereint, um die Multifilament-Zahnseide
zu erzeugen.
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Verbesserte
Zahnseiden werden aus mehrfachen Filamenten erzeugt, in die zwei
oder mehrere Komponenten einbezogen sind, die so ausgewählt sind,
dass sie der Zahnseide die gewünschten
Eigenschaften vermitteln. Beispielsweise können in die Filamente ein innerer
Kern einbezogen sein, der so ausgewählt ist, dass er der Zahnseide
Festigkeit vermittelt, sowie eine äußere Lage, die so ausgewählt ist,
dass sie eine gewünschte
Oberflächeneigenschaft
vermittelt, z.B. Gleitfähigkeit,
Geschmeidigkeit oder Abrasivität,
oder dass sie einen Geschmacksstoff, eine klinische oder andere
Verbindung zuführt/freisetzt.
Das Herstellen von Zahnseide aus zwei oder mehreren verschiedenen
Komponenten kann der Zahnseide die gewünschten Merkmale jeder Komponente
vermitteln (z.B. gute Zugfestigkeit und Gleitfähigkeit), die anderenfalls
von einer einzigen Komponente nicht verfügbar wäre.
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Mehrkomponentige
Zahnseiden, die auch bezeichnet werden als eine Ausführungsform
mit "Islands-in-the-sea", schließen einen
oder mehrere innere Filamentkerne ("Islands") ein, die für ein hohes Maß an strukturellem
Zusammenhalt sorgen und einschließlich für die gewünschte Zugfestigkeit, die eingebettet sind
in einem einzigen Zahnseidekörper/äußeren zusammenhängenden
Mantel ("Sea"), der der Zahnseide
die angestrebten Oberflächeneigenschaften
vermittelt, wie Gleitfähigkeit,
weicher Eindruck oder stärker
abrasive Oberfläche.
Es kann auch ein separater Mantel verwendet werden, der den Zahnseidenkörper umgibt;
um der Zahnseide die gewünschten
Oberflächeneigenschaften
zu vermitteln.
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Gemäß der Erfindung
wird eine mehrkomponentige, coextrudierte Zahnseide gewährt, die
dadurch gekennzeichnet ist, dass die Seide ein Monofilament ist,
das eine Vielzahl von Kernfilamenten aufweist, wobei jedes Karnfilament
ein erstes Material aufweist, worin die Vielzahl von Kernfilamenten
vollständig
eingebettet ist in und weitgehend umgeben ist von einem einzigen
Mantel, der ein zweites Material aufweist und eine zusammenhängende Oberfläche hat.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung kennzeichnet verbesserte mehrkomponentige
Zahnseiden, worin ein oder mehrere der Komponenten ein Additiv einschließt, z.B.
eine Farbe, einen Duft, einen Geschmack oder einen Wirkstoff, der
aus der Zahnseide freigesetzt werden kann. Die Komponente(n), die
das Additiv enthält/enthalten,
kann wasserlöslich
sein, um dem Additiv ein Auslaugen aus der Zahnseide während des
Gebrauchs zu ermöglichen,
oder die Zahnseide kann das Additiv beim Bauschen freisetzen. Das
Additiv kann in der angelieferten Form bereitgestellt werden, in
einer mikroverkapselten Form oder adsorbiert oder absorbiert auf
einem anderen Additiv, z.B. einem partikulären Füllstoff. Das Additiv kann auch
entsprechend der Beschreibung in der US-P-5 300 290 auf geladenen
Mikrokügelchen
bereitgestellt werden, eine Offenbarung, die hiermit als Fundstelle
einbezogen ist.
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Vorteilhaft
lassen sich Additive in die erfindungsgemäßen Zahnseiden während der
Herstellung der Filamente einarbeiten, anstatt die Additive später im Verlaufe
separater Auftragsschritte aufzubringen. Damit wird nicht nur die
Zahl der Verarbeitungsschritte verringert, sondern auch die Menge
des notwendigen Additivs herabgesetzt.
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Die
verbesserten Zahnseiden der Erfindung können mit Hilfe eines Verfahrens
hergestellt werden, worin das Coextrudieren von zwei oder mehreren
Polymeren durch eine mehrkomponentige Düse zur Erzeugung einer Vielzahl
von mehrkomponentigen Filamenten einbezogen ist, sowie das Behandeln
der Fila mente zur Erzeugung einer Multifilamentfaser, die zur Verwendung
als eine Zahnseide zugeschnitten ist.
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Das
Verfahren zum Herstellen von "Islands-in-the-sea" schließt das Coextrudieren
von zwei oder mehreren Polymeren durch eine mehrkomponentige Anordnung
von Düse-und-Schlitz
zur Erzeugung von Filamenten aus einer oder mehreren Komponenten
ein, die in einer Masse einer anderen Komponente eingebettet sind.
Speziell werden ein oder mehrere Filamente, die jedes über einen
inneren Kern und einen äußeren Mantel
eines anderen Materials verfügen,
simultan durch eine Düse
mit mehrfachen, separaten Öffnungen
mit kleinem Durchmesser coextrudiert. Diese Filamente werden sodann
sofort durch einen Schlitz gepresst, wodurch das Mantelmaterial
des Filaments gezwungen wird, zu einem kontinuierlichen Zahnseidenkörper zu
koaleszieren, worin die Kernfilamente eingebettet sind.
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Zusätzlich kennzeichnet
die Erfindung Zahnseiden mit einem perlmuttartigen Aussehen.
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Andere
Merkmale und Vorteile der Erfindung werden anhand der Zeichnungen
und der folgenden detaillierten Beschreibung offensichtlich.
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1 und 1a sind
schematische Ansichten von Fertigungsreihen zum Herstellen von coextrudierter
Zahnseide entsprechend dem Multifilament- bzw. den "Islans-in-the-sea"-Ausführungsformen
der Erfindung;
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2 ist
eine Querschnittansicht einer Spinnbrause, die zur Herstellung von
mehrkomponentigen, coextrudierten Zahnseiden der vorliegenden Erfindung
verwendbar ist;
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2a zeigt
die Düsen-und-Schlitz-Anordnung
zum Herstellen der "Islands-in-the-sea"-Ausführungsform;
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3 bis 3d sind
Querschnittansichten im radialen Schnitt von mehrkomponentigen,
coextrudierten Filamenten mit verschiedenen Querschnitten;
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4 bis 4b sind
Querschnittansichten im radialen Schnitt eines dreilappigen, einkomponentigen Filaments,
eines dreilappigen, mehrkomponentigen Filaments mit einem Mantel/Kern-Querschnitt
bzw. einem dreilappigen, mehrkomponentigen Filament mit Spitze versehenem
Querschnitt;
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5 bis 5e sind
Querschnittansichten verschiedener Ausführungsformen einer Zahnseide,
die in einem Zahnseidenkörper
eingebettete Filamente aufweist;
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6 bis 6a sind
elektronenmikroskopische Aufnahmen einer Zahnseide, die über mehrfache zweikomponentige
Mantel-Kern-Filamente verfügt;
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7 ist
eine elektronenmikroskopische Aufnahmen eines Filaments, das Kaolinpartikel
in seiner Mantelkomponente enthält.
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Vor
der Beschreibung der erfindungsgemäßen, mehrkomponentigen Zahnseiden
und Verfahren zu deren Extrudieren ist darauf hinzuweisen, dass
die Erfindung nicht auf spezielle Ausführungsformen oder eine Extrusionsmethode
beschränkt
ist, die hierin beschrieben wird. Derartige Zahnseidekomponenten
und Methoden können
selbstverständlich
variieren. Es gilt ebenfalls als ebenfalls als selbstverständlich,
dass die hierin verwendete Terminologie lediglich für die Aufgabe
der Beschreibung spezieller Ausführungsformen
dient und nicht zu deren Beschränkung
vorgesehen ist. Der Geltungsbereich der vorliegenden Erfindung wird
anstelle dessen lediglich durch die beigefügten Ansprüche bestimmt.
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Es
gilt als selbstverständlich,
dass, sofern der Kontext nicht eindeutig anderes vorgibt, wie in
der vorliegenden Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen verwendeten Singularformen "einer, eines" und "der, die, das" Pluralbezeichnungen
einbeziehen. Damit sind beispielsweise in die Bezeichnung "ein Polymer" Mischungen verschiedener
Polymere mit einbezogen.
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Sofern
nicht anders festgelegt wird, haben alle hierin verwendeten technischen
und wissenschaftlichen Begriffe die gleiche Bedeutung, wie sie üblicherweise
von einem Durchschnittsfachmann auf dem Fachgebiet, dem die vorliegende
Erfindung zuzuordnen ist, verstanden werden. Während alle beliebigen Verfahren und
Materialien, die denen ähnlich
sind, die hierin beschrieben werden, in der Praxis oder zum Testen
der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, werden nachfolgend bevorzugte
Verfahren und Materialien beschrieben.
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Definitionen
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Unter "mehrkomponentig" verstehen wir, dass
die Filamente zwei oder mehrere Komponenten aufweisen, von denen
jedes ein anderes Material und vorzugsweise Materialien mit unterschiedlichen
physikalischen Eigenschaften aufweist; unter "coextrudiert" verstehen wird, dass mindestens zwei
der Komponenten in Form weitgehend separater Phasen vorliegen, die
zwischen sich über
eine ausgeprägte
Phasengrenzfläche
verfügen,
anstatt miteinander nach simultaner jedoch separater Extrusion vermischt
zu sein. Die Filamente werden bevorzugt mit Hilfe von Verfahren
erzeugt, die auf dem Fachgebiet als "Coextrusion" bezeichnet werden, wobei jedoch der
hierin verwendete Begriff "mehrkomponentig
coextrudiert" Filamente
umfasst, die die vorstehend beschriebene Struktur aufweisen und
die mit Hilfe von anderen Verfahren als der Coextrusion gefertigt
sind. Der hierin verwendete Begriff "Zahnseide" ist so festgelegt, dass Zahnseiden,
Zahnbänder
und ähnliche
Artikel einbezogen sind.
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Erfindungsgemäß sind in
die Zahnseide mehrfache, mehrkomponentige Filamente einbezogen.
Jede der mehrfachen Komponenten jedes Filamentes trägt zu einer
angestrebten physikalischen Eigenschaft für die Filamente bei und damit
für die
Zahnseide. Einige bevorzugte Filamente schließen einen äußeren Mantel ein, der weich
ist, schlüpfrig
oder abrasiv, um das leichte Einsetzen, den Komfort bzw. das Reinigungsvermögen der
Zahnseide zu verbessern; und sie enthalten einen inneren Kern, der
die anderen angestrebten physikalischen Eigenschaften vermittelt,
wie beispielsweise höhere
Zugfestigkeit und Rückstellvermögen, als
sie mit dem Mantelmaterial allein verfügbar wären, und/oder dient als ein
Träger
für Additive,
wie beispielsweise Geschmacksstoffe, Düfte und Medikamente. Diese
Filamente können
der Zahnseide ein Bauschvermögen
vermitteln oder nicht, wie in den US-Patentschriften Nr. 08/467
814 und 08/471 636 offenbart wird.
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Wo
die äußere Lage
vorgesehen ist, um Geschmeidigkeit für das leichte Einsetzen zu
vermitteln, schließen
bevorzugte Polymere ein: DPE (thermoplastische Elastomere), z.B.
Polyetheramid-Blockcopolymere, wie sie beispielsweise unter der
Handelsbezeichnung PEBAX® von der ELF Atochem verfügbar sind;
Polyester-Elastomere, wie sie beispielsweise unter der Handelsbezeichnung
HYTREL® bei
DUPONT verfügbar sind;
und Styrol/Butylen-Blockcopolymere, wie sie beispielsweise unter
der Handelsbezeichnung KRATON® bei Shell verfügbar sind;
EVA (Ethylen/Vinylacetat); Ethylen/Propylen-Copolymere; Polypropylen
mit geringem MFI; sowie Mischungen davon, sowie jedes beliebige
andere Elastomer, das mit kompatibilisierenden Mitteln modifiziert
ist (wie beispielsweise Maleinsäureanhydrid,
Acrylsäure
und Eis-Methacrylat (GMA)), die auf dem Fachgebiet insgesamt bekannt
sind. Spezieller kann die äußere Lage
aus PEBAX 2533 gefertigt sein; aus modifiziertem PEBAX, wie beispielsweise
PEBAX 2533 oder PEBAX 3533 mit zwischen 1 % und 10 % (vorzugsweise
3 %) Fettsäureamidwachs,
das zur Verbesserung des Durchziehens zugesetzt wird; oder PEBAX
2533 modifiziert mit 1 % bis 20 % und mehr bevorzugt 2 % bis 10
% funktionalisiertem Styrol/Ethylen/Butylen/Styrol(SEBS)-Blockcopolymer
(z.B. gepfropftes KRATON), um die Geschmeidigkeit zu verbessern.
Die Härte
des Materials der äußeren Lage
kann im Bereich einer Shore-Härte
A 00 bis 80 liegen.
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Wo
vorgesehen ist, dass die äußere Lage
zum leichteren Einsetzen der Zahnseide zwischen die Zähne des
Benutzers Gleitvermögen
vermittelt, schließen
bevorzugte Polymere Polyethylen, in der Schmelze extrudierbare Fluorpolymere
(z.B. Polyvinylidenfluorid (PVDF) und fluorierte Ethylen/Propylen-Copolymere) ein, und
Polymere, die Polytetrafluorethylen(PTFE)-Partikel und/oder Silikonöl enthalten,
Blends von Copolymeren von PVDF und PTFE, wie sie beispielsweise
bei 3M unter der Handelsbezeichnung THV® verfügbar sind,
in der Schmelze extrudierbare, gleitfähig machende Polymere (z.B.
Polyoxyethylen, wie es beispielsweise bei der Union Carbide unter
der Handelsbezeichnung Polyox® verfügbar ist, oder Triblockcopolymere
aus Polyethylenoxid und Polypropylenoxid, wie sie beispielsweise
bei der BASF unter der Handelsbezeichnung Pluronic® verfügbar sind)
und aus der Schmelze extrudierbare, gleitfähig machende Polymer-Legierungen
(z.B. Lubriloy®-Polymere,
die bei LNP-Engineering Plastics verfügbar sind). PEBAX mit 10 %
PTFE-Partikeln kann ebenfalls zur Anwendung gelangen.
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Wenn
in die äußere Lage
ein Reibmittel zum verbesserten Reinigen einbezogen werden soll,
schließen
bevorzugte Reibmittel/Polymer-Kombinationen Nylon ein, das Kaolin-Partikel
enthält,
Calciumcarbonat, Zinkoxid, Siliciumdioxid, PTFE oder Mischungen
dieser Partikel, die kompatibel sind. Nach Erfordernis können ein
oder mehrere Additive auf der Oberfläche der Abrasivpartikel absorbiert
oder adsorbiert werden, z.B. durch Trommeltrocknen, Sprühtrocknen,
Wirbelbettverarbeiten oder andere geeignete Methoden, die auf dem
Fachgebiet bekannt sind.
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In
all den vorgenannten Fällen
ist eines der Polymere vorzugsweise ein verstärkendes Polymer, z.B. Nylon,
Polyester oder Polypropylen, um der Zahnseide Zugfestigkeit und/oder
Starrheit zu vermitteln. Die Härte
des verstärkenden
Polymers kann im Bereich einer Shore-Härte D 15 bis 80 liegen.
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Bevorzugte
resultierende Zahnseiden enthalten von 72 bis 288 Filamente und
haben einen Gesamt-Titer von etwa 400 bis etwa 3.000. Mehr bevorzugt
enthalten Zahnseiden 144 Filamente mit einem Gesamt-Titer von etwa
500 bis etwa 1.000. Filamente mit einer bevorzugten Zugfestigkeit
zwischen 3 bis 6 g pro Titer (gpd) und eine Reißfestigkeit zwischen 2 und
5 kg mit einem bevorzugten Minimum der Reißfestigkeit von 2,5 kg.
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Die
Mantel-und-Kern-Anordnung von Filamenten kann jeden beliebigen geeigneten
Querschnitt haben und vorzugsweise einen symmetrischen Mantel/Kern-Querschnitt
(3b) oder einen exzentrischen Mantel/Kern-Querschnitt
(3a). Das Filament kann nach Erfordernis auch einen "Hohlpasteten"-Querschnitt (3c) haben,
wobei der hohle Kern mit einem Additiv gefüllt sein kann, z.B. einem Geschmacksstoff, einer
Farbe oder einem Wirkstoff. Alternativ sind in bevorzugte Zahnseiden
eine Vielzahl von Filamenten einbezogen, die über einen "mehrlappigen" Querschnitt verfügen, wie er in 4 gezeigt
ist. Bevorzugte Filamente schließen 3 bis 8 "Lappen" ein, wobei eines
der geeigneten Filamente über
3 "Lappen" verfügt, wie
in 4 bis 4b gezeigt ist. Die Filamente
werden vorzugsweise durch Extrusion durch eine Düse mit geeignetem "mehrlappigem" Querschnitt erzeugt.
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Diese
Filamente können
mehrkomponentig oder einkomponentig sein und können im ersteren Fall einen
Mantel/Kern-Querschnitt haben (4a), einen
mit Spitze versehenen (4b) oder einen anderen geeigneten
Querschnitt haben. Geeignete Polymere zur Verwendung bei der Erzeugung
mehrlappiger Filamente schließen
Polyester, Polypropylen und Nylon ein, ohne auf diese beschränkt zu sein.
In mehrkomponentigen Filamenten können die Polymere nach Erfordernis
so ausgewählt
sein, dass sie die Zahnseide bauschfähig machen.
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Gemäß der Erfindung
sind mehrfache einkomponentige Filamente in einer koextrudierten
zweiten Komponente eingebettet, wie in 5, 5b und 5c gezeigt
wird. Die zweite Komponente bildet die "Sea"-Teile
des Körpers
der Zahnseide, die die Filamente-"Islands" umgeben.
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Das
Material der Komponenten der Filamente vermittelt die gewünschten
physikalischen Eigenschaften, wie beispielsweise höhere Zugfestigkeit
und Rückstellfähigkeit,
als sie mit der zweiten Komponente allein verfügbar wären. Das Material des Körpers der
Zahnseide könnte
eine Oberfläche
vermitteln, die weich ist, oder schlüpfrig oder abrasiv, um das
leichte Einsetzen, den Komfort bzw. das Reinigungsvermögen der
Zahnseide zu verbessern. Jede Komponente könnte als Träger für Additive dienen, wie beispielsweise
Geschmacksstoffe, Düfte
oder Medikamente. Damit trägt
jede Komponente der Zahnseide zu einer angestrebten Eigenschaft
der Zahnseide in der gleichen Weise bei, wie jede Komponente eine
angestrebte Eigenschaft für das
jeweilige Filament der Zahnseide in der ersten Ausführungsform
beiträgt.
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Bei
der "Islands-in-the-sea"-Ausführungsform
schließen
bevorzugte Kernfilamente Polyamide ein (z.B. Nylon 6 oder Nylon
6-6) und haben Molmassen zwischen näherungsweise 13.000 und näherungsweise 25.000
mit einer Zugfestigkeit gleich oder größer als näherungsweise 4 g pro Titer.
Die Kombination von Nylon-Filamenten, die in einem PEBAX®-Körper eingebettet
sind, vermitteln der Zahnseide akzeptable Eigenschaften. Beispiele
für angestrebte
Eigenschaften schließen
eine Härte
im Bereich einer Shore-Härte
D von 15 bis 50 ein, eine Reißfestigkeit
unter Zug von näherungsweise
2.500 bis näherungsweise
8.000 psi und eine Abriebfestigkeit in einem Bereich von näherungsweise
70 bis 94 mg/1000 Zyklen bei Anwendung des "Taber Abrasion Test" (H18-Scheibe). Die Zahnseiden in der
vorliegenden Ausführungsform
zeigen außerdem
Reißdehnungen
im Bereich von 300 bis 1.500 % der ursprünglichen Länge sowie Elastizitäten mit
einem E-Modul einer Spannungs-Dehnungskurve, zwischen 300 und 13.000
psi.
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In
dieser bevorzugten Ausführungsform
zeigen 5 und 5b, dass die Komponente des
Körpers der
Zahnseide jedes der Filamente vollständig umgibt. Die Zahnseide
ließe
sich jedoch auch aus einer Reihe von Filamenten aufbauen, die andere
Filamente kontaktieren, um ein Bündel
zu erzeugen, wobei das Bündel mit
der zweiten Komponente beschichtet ist, die das Bündel abdeckt,
wie in 5c dargestellt wird.
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Obgleich
für die
Verhältnisse
der ersten zu den zweiten Komponenten in der "Islands-in-the-sea"-Ausführungsform verfügbar sind,
was von den angestrebten Merkmalen der Zahnseide abhängt, wird
in der Regel eine Querschnittfläche
der Zahnseide bevorzugt, die größer ist
als 50 % ihrer Fläche,
die zu der ersten, verfestigenden Komponente der Filamente beiträgt, wobei
ein Verhältnis
der Querschnittflächen
von 30 % Komponente des Zahnseidekörpers:70 % Filamentkomponente
bevorzugt wird. Ein bestimmtes Verhältnis von Körperkomponente:Filamentkomponente
lässt sich
dadurch erzielen, dass die Zahl der Filamente und/oder der Querschnittflächen jedes
Filamentes variiert wird. Darüber
hinaus kann das bevorzugte Verhältnis
in Abhängigkeit
von der Festigkeit des Island-Materials variiert werden: die Höhe der Zugfestigkeit
jedes eingebetteten Filaments ist, um so geringer ist die Menge
an Filamentmaterial, die notwendig ist, um der Zahnseide die angestrebte
Zugfestigkeit zu vermitteln. Durch Variieren des Druckes jeder Komponente,
wenn sie durch die Spinnbrause läuft
(nachfolgend beschrieben), kann man das eigentliche Verhältnis von
Kernkomponente:Mantelkomponente variieren. Es ist jede beliebige
Zahl von Filamenten unter der Voraussetzung möglich, dass die "Sea" der Zahnseide groß genug
ist, um sie alle zu umfassen. Bevorzugt sind 1 bis 49 Filamente,
mehr bevorzugt etwa 30 bis etwa 50 eingebettete Filamente, wobei
34 Filamente am meisten bevorzugt sind, die in drei versetzten Reihen
von 11, 12 und 11 Filamenten in einer "Sea" einer
anderen Komponente angeordnet sind. 5 zeigt
eine ausgezogene Ansicht der Zahnseide mit einem ungefähr rechteckigen
oder abgeflachten ovalen Querschnitt mit 34 "Island"-Filamenten einer ersten Komponente.
Die Filamente sind vorzugsweise versetzt, wie in 5 gezeigt
wird, anstatt direkt übereinander
und untereinander angeordnet, um einen erhöhten Scheuerwiderstand zu vermitteln.
Es ist ebenfalls festgestellt worden, dass eine Anordnung von 46
Kernfilamenten, die in versetzten Reihen von 15, 16 und 15 Filamenten
angeordnet sind, einer Zahnseide die angestrebten Merkmale vermittelt.
Bevorzugte Zahnseiden haben einen Gesamt-Titer von etwa 500 bis
etwa 1.500.
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Der
Grad der Härte
bei dieser Ausführungsform
lässt sich
dadurch erhöhen,
dass das Verhältnis
von Filamentkomponente zu Körperkomponente
erhöht
wird. Den höchsten
Härtegrad
würde man
mit den Ausführungsformen
erzielen, die in 5a und 5d gezeigt
sind, die über
einen massiven Kern verfügen,
der aus einer Filamentkomponente gefertigt ist und von einer Lage
der Körperkomponente
umgeben wird.
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5b zeigt
eine Ausführungsform
mit kreisrundem Querschnitt. Sowohl in 5 als auch
in 5b stellt die zweite Komponente die gesamte Außenfläche der
Zahnseide. Diese gleichförmige äußere Oberfläche erlaubt
in dieser Ausführungsform
einen besseren Widerstand gegen "Scheuern" – Filamenttrennung – was gelegentlich
in mehrfachen multikomponentigen Filamentausführungsformen während des
Benutzens der Zahnseide auftritt.
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Eine
Variation der "Islands-in-the-sea"-Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist in 5e gezeigt.
Diese Ausführungsform
verfügt über einen äußeren Mantel,
den Körpermantel
(oder das "Sea"-Material) umgibt,
worin die Kernfilamente eingebettet sind. In der "Islands-in-the-sea"-Ausführungsform
kann die Zahnseide, wenn für
die "Sea" ein zu weiches Material
verwendet wird, während
der Behandlung und des Gebrauchs verformt werden, was dazu führt, dass
der Anwender nicht mehr in den Genuss der Vorteile der vorliegenden
Erfindung gelangt. Das Material des äußeren Mantels kann so gewählt werden,
dass das Verarbeiten und der Gebrauch der Zahnseide durch bessere
Merkmale des Handhabens als das "Sea"-Material (indem es
beispielsweise härter
ist) verbessert werden, während
gleichzeitig der Zahnseide angestrebte Oberflächenmerkmale vermittelt werden,
wie beispielsweise hohes Gleitvermögen. Diese Ausführungsform
hat somit die verfestigende Komponente der Kernfilamente, die Komponente,
um der Zahnseide in der "Sea" Geschmeidigkeit
zu vermitteln, und die gleitfähig
machende Komponente in dem äußeren Mantel.
Der äußere Mantel
macht vorzugsweise bis zu etwa 10 % des Gesamtquerschnittes der
Zahnseide aus.
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Die
beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen
können
so formuliert sein, dass in eine oder mehrere der Komponenten der
Zahnseide ein oder mehrere Additive einbezogen sind, z.B. eine Farbe,
ein Duftstoff oder ein Wirkstoff. Eine oder mehrere der Komponenten
können
ein Additiv enthalten, wie beispielsweise Chlorhexidin (oder ein
Salz davon), Natriumfluorid, einen Geschmacksstoff (z.B. Polyiff®,
International Flavors and Fragrances), einen Duftstoff, ein Zahn-Desensibilisiermittel,
einen Zahnaufheller oder andere Additive, die zur Verwendung in
Zahnseiden geeignet sind. Der für
den inneren Kern zu verwendende thermoplastische Kunststoff wird
durch das verwendete Additiv bestimmt, wie vom Fachmann auf dem
Gebiet mühelos
erkannt werden kann. Geeignete Polymere schließen Nylon ein, Polyester, Polypropylen,
Ethylen/Vinylacetat (EVA), Polyvinylalkohol, Polyethylen u.dgl.
Das innere oder das äußere Polymer
können
wasserlöslich
sein, um dem Additiv zu ermöglichen,
aus dem Polymer herausgelöst
zu werden. Alternativ kann bei der Ausführungsform mit mehrkomponentigem
Filament das Additiv beim Bauschen der resultierenden Zahnseide
freigesetzt werden.
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Das
Additiv kann nach Erfordernis in gekapselter Form eingearbeitet
werden. Die Verkapselung kann zum thermischen Schutz oder zum Feuchtig keitsschutz
des Additivs verwendet werden und kann mit Hilfe einer Reihe konventioneller
Methoden erreicht werden, wie beispielsweise Sprühtrocknen, Trommeltrocknen oder
Lösemittelverdampfung.
Das Additiv kann auch auf einem geladenen Mikrokügelchen bereitgestellt werden,
wie in der US-P-5 300 290 beschrieben wurde.
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Wenn
ein verhältnismäßig transparentes
Mantelmaterial verwendet wird, lassen sich die Zahnseiden mit Pigmenten
färben,
um ein getöntes
oder gefärbtes
Produkt zu erhalten. Ein bevorzugtes Pigment ist ein Perlmut-Pigment.
Diese Perlmut-Pigmente lassen sich dem Mantel zusetzen (in einer
Kern/Mantel-Konfiguration)
oder dem "Sea" (in der Islands-in-the-sea-Konfiguration).
Wahlweise wird eine geringe Menge weißes Pigment, wie beispielsweise
Titandioxid (TiO2), zugesetzt, um den klaren
Mantel oder "Sea" undurchsichtig zu machen.
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Perlmut-Pigmente
sind oftmals rot getönt,
blau, grün
oder weiß.
Bevorzugte Perlmut-Pigmente schließen beschichtete Glimmer ein,
wie beispielsweise "Mearlin" von der Mearl Corporation
(Engelhard) oder "Hanna
Color"-Nr. 100001295
oder 100001157 von M.A. Hanna. Die Partikelgrößen dieser Pigmente liegen
im Bereich von etwa 1 bis 15 Mikrometer (vorzugsweise etwa 1 bis
10 Mikrometer). Diese Pigmente sind im typischen Fall in der Kern-
oder "Sea"-Lage in Mengen von
etwa 6 % bis 8 Gew.% geladen. Bei Verwendung von Titandioxid liegen
diese Beladungsmengen bei etwa 0,5 % bis 4 Gew.%. Wahlweise kann
TiO2 in dem Kern oder dem "Islands" in einer Menge von
etwa 0,5 bis 4 % (vorzugsweise von etwa 2 bis 4 %) beladen werden. Zahnseiden,
die mit Perlmutt pigmentiert sind, verfügen über ein verbessertes ästhetisches
Aussehen und akzeptable mechanische Eigenschaften.
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Ein
bevorzugtes Verfahren zum Erzeugen einer Zahnseide nach der ersten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist schematisch in 1 dargestellt.
Durch eine Zweikomponenten-Coextrusionsdüse werden das erste, zwei oder
mehrere Polymere coextrudiert. Die Polymere werden so gewählt, dass
sie eine Zahnseide ergeben, die über
die gewünschten
physikalischen Eigenschaften und/oder die relativen Querschnitte
entsprechend der vorstehenden Beschreibung verfügen.
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Vorzugsweise
ist in die Coextrusionsdüse
eine Spinnbrause einbezogen, wie sie auf dem Gebiet der Filamenterzeugung
bekannt ist. Zur Erzeugung einer Zahnseide mit mehrfachen Mehrkomponentfilamenten werden
beide Polymere durch die Spinnbrause coextrudiert, die über eine
Vielzahl von Öffnungen
mit kleinem Durchmesser verfügt,
die die gewünschte
Querschnittkonfiguration haben. Eine für die Erzeugung mehrfacher Mantel
und Kern-Filamente geeignete Spinnbrause ist im Querschnitt in 2 gezeigt.
Mehrfache Bikomponenten- Filamente
werden gleichzeitig coextrudiert. Die Filamente treten an der Spinnbrause
aus und werden gesammelt und durch eine Kühlkammer mit Luft bei Umgebungstemperatur
geführt,
die über
die Filamente mit 1.699 bis 3.998 Liter pro Minute (60 bis 120 ft3/min) hinwegstreicht, um das Polymer zu
kühlen.
Das Filamentbündel
wird unter einer hohen Spannung gesetzt, wenn es zwischen zwei Zug-Galetten
hindurchläuft,
die mit unterschiedlichen Drehzahlen rotieren. Die auf die Faser
aufgebrachte Spannung wird als "Streckverhältnis" ausgedrückt, das
die Drehzahldifferenz zwischen den zwei Zug-Galetten ist. Wie auf
dem Fachgebiet bekannt ist, liegen bevorzugte Streckverhältnisse
bei etwa 1,0 bis etwa 5,0, mehr bevorzugt etwa 1,5 bis etwa 4,5
und am meisten bevorzugt etwa 3,5 bis etwa 4,0. Die Faser läuft anschließend durch
eine Relaxationsgalette und wird auf einem Aufspuler aufgenommen.
Zur Erzeugung von Bikomponenten-Zahnseiden mit mehrfachen Filamenten
wird die Spannung in der Regel vorzugsweise während der Herstellung aufgebracht,
da dabei festgestellt worden ist, dass die Zugfestigkeit der Filamente
verbessert wird. Die Technik des Streckens der Filamente auf beheizten
Rollen und unterschiedlichen Drehzahlen und mit unterschiedlichen
Zahlen von Umdrehungen pro Rolle ist Bestandteil der standardmäßigen Technologie
der Polymerverarbeitung.
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Die
resultierende Faser kann sodann unter Erzeugung einer fertigen Zahnseide
weiterbehandelt werden. Beispielsweise werden Zahnseiden bevorzugt
verzwirnt vorzugsweise mit 0,394 bis 1.378 Drehungen pro cm (1 bis
3,5 Drehungen pro Inch) und am meisten bevorzugt mit etwa 0,984
Drehungen pro cm (2,5 Drehnungen pro Inch). Das Verzwirnen reduziert
die übermäßige Filamenttrennung
und verbessert den Scheuerwiderstand. Verzwirnungsprozesse sind
gut bekannt, z.B. unter Anwendung der Standard-Ringzwirnanlage.
Die resultierende Zahnseide kann auch in Wachs beschichtet werden,
was auf dem Fachgebiet bekannt ist.
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In
einer der Ausführungsformen
der Erfindung kann eines der Polymere so ausgewählt werden, dass es über eine
geeignete Schmelztemperatur und andere Eigenschaften verfügt, um den
Filamenten zu ermöglichen,
miteinander unter Erzeugung der fertigen Zahnseide ohne die vorstehend
beschriebene Beschichtungs- und Verzwirnungsprozedur zu verbinden.
Eine geeignete mehrkomponentige Faser zur Verwendung in dieser Ausführungsform
wird in Beispiel 1 beschrieben. Die Filamente werden durch Plastifizieren
und Abflachen der Faser auf einer erhitzten Ziehwalze miteinander
verbunden, wenn sie über
die Galetten laufen. Elektronenmikroskopische Aufnahmen solcher
Zahnseiden sind 6 und 6a mit
120-facher bzw. 1.000-facher Vergrößerung gezeigt. Das Verbinden
des elastomeren Mantelmaterials ist in 6a deutlich
sichtbar.
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Ein
bevorzugtes Verfahren zum Erzeugen einer Zahnseide der "Islands-in-the-sea"-Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung ist schematisch in 1a dargestellt.
Wiederum werden zwei oder mehrere Polymere durch eine zweikomponentige
Coextrusionsdüse
entsprechend der vorstehenden Beschreibung coextrudiert. Nach dem
Austreten der mehrfachen, mehrkomponentigen Filamente aus der Spinnbrause
werden sie sofort durch eine andere Düse gezogen, die einen einzigen
Schlitz mit dem gewünschten
Querschnitt der fertigen Zahnseide entsprechend der Darstellung
in 2a hat. Dieser Schritt wird ausgeführt, bevor
die Polymerkomponenten gekühlt
werden. Da die Querschnittfläche
des Schlitzes kleiner ist als die Querschnittfläche der Filamente, werden die
Filamente beim Eintritt in den Schlitz zusammengedrückt und
das schmelzflüssige Mantelmaterial
der Kern- und Mantelfilamente koalesziert, um die einzelnen Kernfilamente
unter Erzeugung der "Sea" herum.
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Da
die Filamente durch den kleinen Schlitz gedrückt werden, um die Mantelkomponente
zum Koaleszieren zu bringen, kann sich der Spinnbrause und der Schlitzdüse ein Druck
aufbauen. Ein zu hoher Druck wird einen unerwünschten Polymer-Austritt zwischen
den Platten bewirken. Akzeptable Arbeitsbedingungen ohne einen zu
starken Austritt liegen vor, wenn eine 34-Filament-Spinnbrause mit einem
Lochdurchmesser von 0,7 mm zum Coextrudieren der Filamente verwendet
wird, die dann durch eine 15 mm × 0,17 mm-Schlitzdüse mit einer
Gesamtdurchsatzrate an Polymer von 40 bis 60 g/min durchlaufen.
Die resultierenden Durchmesser der Kernfilamente in dieser Ausführungsform
können
im Bereich von 0,0025 bis 0,025 cm (0,001 bis 0,010 Inch) mit einem
bevorzugten Bereich von 0,0075 bis 0,0152 cm (0,003 bis 0,006 Inch)
liegen.
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Der
Polymer-Strom mit eingebetteten Filamenten, der die Schlitzdüse verläßt, wird
in einem Wasserbad gekühlt,
bevor er entsprechend der vorstehenden Beschreibung für die erste
Ausführungsform
verarbeitet wird. Nach dem Ziehen und Aufwickeln ist keine weitere
Behandlung erforderlich (wie beispielsweise Beschichten und Verdrillen
der Seide).
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Die
ersten Schritte für
die Ausführung
nach der Ausführungsform
der "Islands-in-the-sea"-Seide mit einem äußeren Mantel,
der den "Sea"-Bereich umgibt,
sind die gleichen, wie sie gerade für die "Islands-in-the-sea"-Ausführungsform beschrieben wurden.
Der äußere Mantel
kann auf das aus dem Schlitzteil der Düsenbaugruppe austretende Material
in mindestens zweierlei Weise aufgetragen werden. Erstens, kann ein
Tauchbeschichten oder Spritzbeschichten des dritten Materials auf.
der Seide angewendet werden, wie es auf dem Fachgebiet bekannt ist.
Zweitens, kann der Schlitzteil der Düsenbaugruppe in eine Coextrusionsdüse eingebaut
werden, in der das dritte Material um das bereits coextrudierte,
aus dem Schlitz austretende Material herum coextrudiert wird. Dieser
Aufbau ermöglicht
die "Islands-in-the-sea"-Konfiguration und
deren coextrudiertem äußeren Mantel
die Düsenbaugruppe
bereits fertig geformt zu verlassen. Eine weitere Verarbeitung nach
dieser Ausführungsform
erfolgt, wie vorstehend beschrieben wurde.
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Beispiele
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Die
folgenden Beispiele werden ausgeführt, um dem Durchschnittsfachmann
auf dem Gebiet eine vollständige
Offenbarung und Beschreibung dessen zu gewähren, wie die Multifilament-Zahnseiden
gefertigt werden und die erfindungsgemäße Extrusionsmethode ausgeführt wird,
ohne den Geltungsbereich dessen zu beschränken, was die Anmelder als
ihre Erfindung ansehen. Man ist bestrebt gewesen, in Bezug auf die
verwendeten Zahlen eine ausreichende Genauigkeit zu sichern (z.
B. die Menge, Temperaturen usw.), jedoch sind gewisse Versuchsfehler
in Abweichung davon zu berücksichtigen.
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In
den ersten drei Beispielen wurde der folgende Anlagenaufbau und
die Prozedur der Herstellung verwendet, wie sie schematisch in 1 dargestellt
sind.
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Es
wurden zwei Extruder mit einem Durchmesser von 3,81 cm (1,5 Inch)
miteinander zu einem Zweikomponenten-Extruderwerkzeug verbunden.
In die zwei Extruder sind Mehrzweckschnecken mit einem L/D-Verhältnis von
30:1 einbezogen. In die zweikomponentige Coextrusion einbezogen
ist eine Dosierplatte, eine Verteilerplatte, geätzte Platten und eine Spinnbrause.
Nach der Coexttrusion durch das Coextrusionswerkzeug wurde das Coextrudat
mit einem nachgeschalteten Filament-Spinnaggregat zur Erzeugung
von Filamenten verarbeitet. In das nachgeschaltete Aggregat einbezogen
war eine Kühlkammer,
eine Finish-Auftragsvorrichtung,
eine Spannrolle, Zug-Galetten, eine Relaxationsgalette und ein Aufspuler.
Das Coextrudat wurde in der Kühlkammer
gekühlt,
mit Hilfe von Zug- und Relaxationsgaletten gestreckt und relaxiert
und auf dem Aufspuler aufgenommen.
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Der
gerade beschriebene Apparat wurde auch für Beispiele 4 und 5 mit der
Ausnahme verwendet, dass anstelle einer Kühlkammer ein Wasserbad zum
Kühlen
der Zahnseide entsprechend der Darstellung in 1a verwendet
wurde und die Spinnbrause verlassenden mehrfachen Filamente anschließend durch
eine 15 mm × 0,17
mm-Schlitzdüse
geschickt wurden, um das "Islands-in-the-sea"-Monofilament der
Ausführungsform
zu erzeugen.
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Unter
Verwendung des vorstehend beschriebenen Anlagenaufbaus und der Prozeduren
wurde die folgende Spezialität
der Bikomponenten-Zahnseiden erzeugt:
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Weitere
Ausführungsformen
liegen innerhalb der Patentansprüche.
Während
in der vorstehenden "detaillierten
Beschreibung" Bikomponenten-Filamente beschrieben
worden sind, könnten
die Filamente jede beliebige gewünschte
Zahl von Komponenten enthalten und würden in diesem Fall mit Hilfe
der Extrusion durch eine geeignete Mehrkomponentendüse unter
Anwendung der entsprechenden Zahl von Extrudern hergestellt werden.
