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1. GEBIET
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein Monofilamente und spezieller
Monofilamente mit gespaltenen Enden, die beispielsweise als Zahnbürstenborsten
verwendet werden können.
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2. BESCHREIBUNG DES EINSCHLÄGIGEN STANDES
DER TECHNIK
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Die
folgenden Offenbarungen können
für zahlreiche
Aspekte der vorliegenden Erfindung relevant sein und lassen sich
wie folgt kurz zusammenfassen:
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US-P-5128208
von Bond, et al., offenbart Borsten für Malpinsel aus Synthesepolymer
mit dem Aussehen und dem Verhalten wie natürliche Schweineborsten, die
aus mindestens drei Polymersträngen erzeugt
sind.
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Die
US-P-5953783 von Hahn offenbart einen Apparat zum Reinigen von Zähnen, der über eine
Arbeitsoberfläche
verfügt
die aus faserigen Reinigungselementen unterschiedlicher Länge und
mit sehr geringen Durchmessern an ihren Arbeitsenden geformt ist.
Die Reinigungselemente sind auf einem Grundgewebe fixiert, das mit
Hilfe einer Schaumstofflage verstärkt ist und so eine verformbare
Hohleinheit bildet, die dann an einem Handgriff angebracht wird. Die
haarähnlichen
Reinigungselemente erleichtern sehr wirksam das Reinigen selbst
an feinen Oberflächenkonturen
von gekrümmten
Zahnoberflächen.
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Thermoplastische
Polymere sind seit langem zur Erzeugung von Bürstenborsten in einer großen Vielzahl
von Konfigurationen verwendet worden. Um die Wirksamkeit dieser
Bürsten
zu erhöhen,
sind die Borsten der Enden gespalten oder "federartig" ausgeführt worden, um eine weiche
Borstenspitze zu schaffen. Im Zusammenhang mit aufgespaltenen Borstenspitzen
sind in der Vergangenheit jedoch zahlreiche Schwierigkeiten aufgetreten.
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Es
sind insbesondere zahlreiche Methoden angewendet worden, um Borsten
von Malpinseln zur Verbesserung des Verhaltens beim Malen aufzuspalten.
Diese Prozeduren sind besonders für Malpinselborsten geeignet
gewesen, da lange Aufspaltungen, die sich entlang eines großen Abschnittes
(bis zu einem inch) ausbreiten, besonders angestrebt werden. Bei
bestimmten Borsten ist jedoch lediglich das Aufspalten der Spitzen
wünschenswert.
Beispielsweise beträgt
die Länge
einer typischen Zahnbürstenborste etwa
(oder weniger als) 12,4 mm (0,5 inch). Wenn das Aufspalten entlang
eines großen
Abschnittes einer Zahnbürstenborste
erfolgen soll, sind die Borsten für ein angemessenes Reinigen
der Zähne
nicht ausreichend biegesteif. Dementsprechend versagen gegenwärtig verfügbare Methoden
des Aufspaltens, die Schwierigkeiten in Verbindung mit dem Aufspalten der
Spitzen von Zahnbürstenborsten
oder anderen Borsten in angemessener Weise in Angriff zu nehmen,
bei denen lange Aufspaltungen unerwünscht sind.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Monofilament, das einen Abschnitt
mit einer Mehrzahl von inneren Schmelzlinien und mindestens vier
Hohlräume
hat, wobei die Hohlräume
zwischen 5 und 20% der Querschnittfläche des Monofilaments einnehmen.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ebenfalls ein Monofilament mit einem
Durchmesser im Bereich von 63,5 bis 304,8 μm (0,0025 bis 0,012 inch), worin das
Monofilament eine hexalocularen, oktaloculare oder nahezu kreisrunde
Kontur hat.
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Darüber hinaus
betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen
von extrudierten Monofilamenten mit aufgespaltenen Enden und einschließlich die
Schritte des Extrudierens einer Vielzahl von thermoplastischen Polymersträngen zur
Erzeugung einer Vielzahl von Monofilamenten; schnelles Rotieren
einer Vielzahl von Messerklingen mit mehr als 1.000 U/min; und eine
Vielzahl von Messerklingen in Kontakt mit Endabschnitten der Monofilamente
bringen, um aufgespaltene Enden zu erzeugen. In einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung werden die Klingen bei, oder in der Nähe der Eigenfrequenz
der Monofilamente rotiert.
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Dementsprechend
wird ein Bürsten-Monofilament
nach dem Anspruch 1 hierin sowie eine Zahnbürste nach dem Anspruch 11 hierin
geschaffen.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Es
zeigen:
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1a eine
Querschnittansicht eines hexalocularen Monofilamentes der vorliegenden
Erfindung;
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1b eine
Querschnittansicht einer Spinnbrausenkapillare, die zum Extrudieren
des Monofilaments von 1a verwendet wird;
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2a eine
Querschnittansicht eines anderen hexalocularen Monofilaments der
vorliegenden Erfindung;
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2b eine
Querschnittansicht einer Spinnbrausenkapillare, die zum Extrudieren
des Monofilaments von 2a verwendet wird;
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3a eine
Querschnittansicht eines anderen hexalocularen Monofilaments der
vorliegenden Erfindung;
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3b eine
Querschnittansicht einer Spinnbrausenkapillare, die zum Extrudieren
des Monofilaments von 3a verwendet wird;
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4a eine
Querschnittansicht eines andere hexalocularen Monofilaments der
vorliegenden Erfindung;
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4b eine
Querschnittansicht einer Spinnbrausenkapillare, die zum Extrudieren
des Monofilaments von 4a verwendet wird;
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5a eine
Querschnittansicht eines anderen hexalocularen Monofilaments der
vorliegenden Erfindung;
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5b eine
Querschnittansicht Spinnbrausenkapillare, die zum Extrudieren des
Monofilaments von 5a verwendet wird;
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6a eine
Vorderansicht einer Spinnbrause mit einer Vielzahl von Spinnbrausenkapillar-Lagen;
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6b eine
Seitenansicht der Spinnbrause von 6a;
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7a eine
Draufsicht auf eine Klinge, das zum Herstellen eines Monofilaments
mit aufgespaltenen Enden verwendet wird;
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7b eine
Vorderansicht einer Konstruktion mit drei auf einer gemeinsamen
Welle aufgesetzten Klingen zur Verwendung beim Aufspalten der Enden
der Monofilamente der vorliegenden Erfindung;
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7c eine
Seitenansicht der Konstruktion von 7b;
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8 eine
graphische Darstellung der Eigenfrequenz für ein 612-Monofilament mit
einem E-Modul von
3.792,1 kPa (550.000 psi) und unterschiedlichen Längen und
Durchmessern;
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9 eine
perspektivische Ansicht einer Zahnbürste mit einer Vielzahl von
aufgefederten Borsten;
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10 eine
Seitenansicht einer Vielzahl von Borsten mit aufgespaltenen Enden,
die eine Vielzahl von weichen feinen Spitzen erzeugen;
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11 eine
Seitenansicht eines Vergleichs einer aufgefederten Zahnbürstenborste,
die sich auf der Zahnoberfläche
ausbreitet, gegenüber
einer üblichen
massiven Spitze, die lediglich einen einzigen Berührungspunkt
gewährt;
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12 eine
Ansicht von aufgefederten Zahnbürstenborsten,
die tiefer an dem Zahnfleischrand zum besseren Reinigen eindringen,
ohne das Zahnfleisch eines Patienten zu verletzen;
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13 eine
Querschnittansicht eines oktalocularen Monofilaments gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN DER VORLIEGENDEN
ERFINDUNG
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Bezugnehmend
auf die Zeichnungen werden verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung
und ihr entsprechendes Verfahren zur Herstellung eingehender beschrieben.
Im Bezug auf 1a, 2a, 3a, 4a und 5a sind Beispiele
eines Monofilaments gezeigt, das eine hexaloculare Kontur hat. Derartige
Konturen werden über
einen Extrusionsprozess unter Verwendung der entsprechenden Spinnbrausenkapillaren
von 1b, 2b, 3b, 4b und 5b erhalten.
Derartige Monofilamente wurden durch Schmelzen von 6 Polymersträngen hergestellt.
Jedes dieser Monofilamente 10 schließt eine Vielzahl von Hohlräumen 20 und
eine Vielzahl von Verschmelzungs- oder Schmelzlinien ein. Die Hohlräume machen
einen Hohlraumanteil zwischen 5 und 20% der Querschnittfläche der
Monofilamente aus.
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Die
Bürstenborste
der vorliegenden Erfindung kann aus einer großen Vielzahl von thermoplastischen
Polymermaterialien hergestellt werden, einschließlich Polyamiden, Polyestern
und Polyolefinen.
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Polyamide
zur Verwendung in der Herstellung von Bürsten schließen Nylon
6,6 ein, Nylon 610 (Polyhexamethylensebacinsäureamid) und Nylon 612 (Hexamethylendiamin).
Polyester, die sich für
die Herstellung von Borsten als besonders gut geeignet erwiesen
haben, schließen
Polybutylenterephthalat und Polyethylenterephthalat ein. Ein Polyolefin,
das sich für
die Borstenherstellung als besonders geeignet erwiesen hat, ist
Polypropylen.
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Der
Gesamtdurchmesser oder die maximale Gesamtquerschnittabmessung der
Bürstenborsten der
vorliegenden Erfindung liegen im Bereich von 0,064 bis 0,3 mm (0,0025
bis 0,012 inch).
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Die
Borsten der vorliegenden Erfindung werden vorzugsweise durch Extrudieren
von 6 oder mehreren einzelnen Strängen von Polymermaterial aus einer
Spinnbrause, einschließlich
die in 1b, 2b, 3b, 4b und 5b gezeigten Spinnbrausenkapillaren,
geformt und die Stränge
unter Erzeugung eines einzelnen Filamentes vereint. Die Spinnbrause,
wie sie in den 6a und 6b gezeigt
wird, schließt
eine Vielzahl von Spinnbrausenkapillaren ein. Im Zusammenhang mit
der Extrusion der thermoplastischen Polymerstränge wird in 1b, 2b, 3b und 5b das
Polymer durch Öffnungen 40 extrudiert.
Die Verschmelzung der Stränge
führt zu
Schmelzlinien an der Grenzfläche
der einzelnen Stränge
und der Bildung von längs verlaufenden
Hohlräumen
entlang der Schmelzlinien. Die allgemeine Konfiguration der Hohlräume kann stark
variieren.
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Nach
der Extrusion der thermoplastischen Polymerstränge bei erhöhten Temperaturen zu einem
einzigen Filament wird das Monofilament abgeschreckt und anschließend verstreckt,
wie allgemein beispielsweise in der US-P-2 418 492 beschrieben wurde,
die hiermit als Fundstelle einbezogen ist.
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Nach
der Extrusion und dem Abschrecken des Monofilaments wird das Filament
durch Verstrecken zur Verbesserung der Längsfestigkeit orientiert. Darüber hinaus
wird das Filament anderen Behandlungen unterzogen, um die physikalischen
Eigenschaften zu verbessern, wie beispielsweise einer Behandlung
mit Sattdampf entsprechend der Beschreibung in der US-P-3 595 952,
die hierin als Fundstelle einbezogen ist.
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Das
Filament kann nach dem Strecken für eine gute Biegerückverformung
thermofixiert werden. Die Thermofixierung kann entweder in einem
Gas ausgeführt
werden, wie beispielsweise Heißluft,
die über
das Filament geblasen wird, oder in einem flüssigen Bad, wie beispielsweise
Durchziehen des Filamentes durch ein Ölbad. Die Filamente werden
sodann zu Längen
geschnitten, die für
die Bürstenfertigung
geeignet sind. Die einzelnen Borsten werden sodann zu Bündeln zusammengefasst
und die Bündel
zu Bürsten
aufgeschnitten und die Bürsten
mit Hilfe einer nachfolgend beschriebenen Prozedur angespitzt und
abgeflacht.
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Bezugnehmend
auf 7a ist eine Draufsicht auf eine Messerklinge zur
Verwendung zum Aufspalten der Enden der Borsten der vorliegenden Erfindung
gezeigt. Eine Anordnung von drei derartigen Klingen, die durch Abstandsvorrichtungen
auf einer gemeinsamen Welle von etwa 4,8 mm (3/16 inch) getrennt
sind und die ungefähr
um 120° zueinander verdreht
sind, ist in den 7b und 7c gezeigt. Es
ist festgestellt worden, dass durch Rotieren einer solchen Klinge
mit etwa 1.000 U/min und in Kontaktbringen mit den Borsten ein feiner
Auffederungseffekt (aufspalten) erzielt wird. In einem der Beispiele
der vorliegenden Erfindung werden die Klingen mit 30.000 U/min mit
einem Hobelmotor rotiert. Die Interferenz zwischen den Borsten und
der Klinge variiert in Abhängigkeit
von der Tiefe der gewünschten
Aufspaltung, obgleich festgestellt worden ist, dass 3,2 bis 6,4
mm (1/8 bis 1/4 inch) bevorzugt sind. Im Wesentlichen wird durch
ein Rotieren der Klingen mit hoher Drehzahl und indem die Klingen
mit den Borstenspitzen in Kontakt gebracht werden, eine schnelle und
starke Borsten-Schneidwirkung erzielt, wodurch ein optimales Aufspalten
der Borste erreicht wird.
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Es
ist außerdem
festgestellt worden, dass durch Rotieren der Klingen bei oder in
der Nähe
der Eigenfrequenz eines Monofilaments ein optimales Aufspalten der
Borsten erzielt wird. Die Eigenfrequenz eines gleichförmigen Stranges
ist:
worin A = 3,52 für einen
einseitig eingespannten Strang beträgt;
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E
ist der Young'sche
Elastizitätsmodul; μ ist die
Masse pro Längeneinheit
und l ist die Länge.
Die Eigenfrequenz wird normalerweise angegeben in Radian pro Sekunde,
die sich aber auch in Umdrehungen pro Minute und Division durch
2π und Multiplikation
mit 60 Sekunden pro Minute ausdrücken
lässt.
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Bezugnehmend
auf 8 wird eine graphische Darstellung der Eigenfrequenz
für eine
612 Monofilamentborste mit einem E-Modul von 3.792,1 kPa (550.000
psi) und unterschiedlichen Längen
und Durchmessern gezeigt.
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Die
Monofilamentborsten der vorliegenden Erfindung erzeugen eine größere Zahl
kleinerer Enden ("Flags") als früher bekannte
Monofilamentborsten mit dem gleichen Durchmesser. Die Borsten zeigen
eine hervorragende Haltbarkeit und Reinigungsvermögen und
sind besonders als Zahnbürstenborsten
zur Erzeugung bemerkenswert weicher, feiner Spitzen verwendbar.
Unter Anwendung einer solchen Methode werden die Borsten der vorliegenden
Erfindung aufgespalten anstatt mit gerundetem Ende versehen, um
eine Vielzahl kleinerer Enden zu ergeben, die den Zahnfleischbereich
wirksamer reinigen. Es ist ebenfalls festgestellt worden, dass der
dichtere Bereich, der mit Hilfe derartiger ausgezogener Enden erzielt
wird, die überwiegenden
Zahnflächen
besser reinigt, indem Zahnpasta besser in Kontakt mit der Zahnoberfläche gehalten
wird sowie ein weicheres Gefühl
erzielt wird, wenn der Kontakt mit dem Zahnfleisch erfolgt.
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Bezugnehmend
auf 9 wird eine perspektivische Ansicht einer Zahnbürste mit
einer Vielzahl von aufgefederten Borsten gezeigt. Bezugnehmend auf 10 wird
eine Vielzahl von Borsten mit aufgespaltenen Enden gezeigt, die
eine Vielzahl von weichen, feinen Spitzen erzeugen. Die aufgefederten Filamente
breiten sich auf den Zahnoberflächen
aus und gewähren
eine Vielzahl von Kontaktstellen, anders als das bei den üblichen
massiven Spitzen der Fall ist, die lediglich eine Kontaktstelle
bereitstellen. Ein Vergleich dieser Vielzahl von Kontaktstellen
mit der einzelnen Kontaktstelle einer massiven Spitze ist in 11 gezeigt.
Die feinen aufgefederten Filamente der vorliegenden Erfindung erzeugen
außerdem eine
größere und
tiefere Durchdringung an dem Zahnfleischrand zum besseren Reinigen,
ohne den Zahnfleischrand eines Patienten zu verletzen. Eine solche
tiefere Eindringung am Zahnfleischrand ist in 12 gezeigt.
Dementsprechend haben diese weichen Filamentspitzen eine mitreißende Wirkung
zusammen mit einem vorteilhaften interdentalen Reinigen und Reinigen
des Zahnfleischrandes. Tatsächlich
ist festgestellt worden, dass derartige aufgefederte Spitzen weiter
zwischen die Zähne
gelangen, eine bessere reinigende Reichweite haben als normale weiche
Filamentspitzen, was auf die vergrößerten Kontaktflächen zurückzuführen ist,
und somit die Zahnpasta in Kontakt mit den Zähnen halten. Eine solche Anordnung
gewährt
außerdem
eine einzigartige dämpfende
Wirkung an den Spitzen, die der Bürste eine zusätzliche
weiche Beschaffenheit vermittelt. Eine solche weiche Beschaffenheit
setzt das Bluten des Zahnfleischs während des Bürstens herab. Darüber hinaus
haben sich derartige Bürsten
als genauso hygienisch erwiesen wie solche mit runden Filamenten.
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Obgleich
die vorliegende Erfindung in Verbindung mit einer hexalocularen
Borstenstruktur mit 6 Hohlräumen
beschrieben worden ist, ist festgestellt worden, dass eine oktaloculare
Borstenstruktur (mit 8 Hohlräumen)
zahlreiche vorteilhafte Wirkungen hat. Eine solche oktaloculare
Borste ist in 13 gezeigt. Es gilt außerdem als
selbstverständlich,
dass, obgleich 6 bzw. 8 Stränge
verwendet worden sind, um hexaloculare bzw. oktaloculare Strukturen
zu erzielen, eine größere Zahl
von Strängen
verwendet werden kann, um zusätzliche
Strukturen mit einer entsprechenden größeren Zahl von Hohlräumen zu
erzeugen. Die äußere Kontur
derartiger hexalocularer, oktalocularer oder anderer Strukturen
lässt sich
so herstellen, dass man zu kreisrunden oder nahezu kreisrunden Konturen
gelangt. Eine solche nahezu kreisrunde äußere Kontur ist in 13 gezeigt.
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Die
prozentuale Querschnittfläche,
die von den Hohlräumen
in den Monofilamenten eingenommen wird, wird durch die Größe, Lage,
Symmetrie und Form der Hohlräume
bestimmt. Es ist festgestellt worden, dass ein bestimmtes Maß an einem
hohlen Raum (Hohlräume)
zu einem optimalen Aufspalten von Bürsten führt, die relativ kurze Längen haben, wie
beispielsweise Zahnbürsten.
Optimal ist ein Hohlraumanteil zwischen 5 und 20% der Querschnittfläche der
Monofilamente. Bei Bürsten,
bei denen die Hohlräume
zu klein sind, wie beispielsweise die Hohlräume, die in der US-P-5 128
208 offenbart wurden, würde
jegliche Wirkung des Auffederns zu gebrochenen Borstenenden führen, anstatt
ein Auffedern zu erreichen. Wenn die Hohlräume zu groß sind, wie beispielsweise
bei den Hohlräumen,
die in der US-P-4 279 053 offenbart wurden, würden sich die Borsten leicht
auffedern lassen, jedoch würden
sich die Aufspaltungen während
des Gebrauchs entlang der Borste nach unten ausbreiten. Bei Gebrauch
als eine Zahnbürstenborste
ist es wichtig, dass die Spitzen der Borsten aufgespalten sind,
ohne dass sich die Aufspaltung auf dem Filament nach unten ausbreitet,
sei es während
der Herstellung oder der Benutzung durch einen Patienten. Dieses
kann auch für andere
Bürstentypen
zutreffen, was von dem speziellen Gebrauch der Bürste und/oder der Länge der Borsten
abhängt.
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Was
die Lage der Hohlräume
im Inneren des Monofilamentes betrifft, so sollten sich die Hohlräume etwa
im halben Abstand zwischen der Mitte und dem äußeren Rand befinden. Es ist
außerdem
festgestellt worden, dass ein längerer
und schlanker Hohlraum einen stärkeren
Auszieheffekt erzielt als ein runder Hohlraum.
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Es
muss außerdem
betont werden, dass die Hohlräume
entweder symmetrisch oder asymmetrisch sein können, obgleich darauf hinzuweisen
ist, dass ein asymmetrischer Hohlraum eine natürliche Krümmung haben kann, die bei bestimmten
Anwendungen oftmals unerwünscht
ist, wie beispielsweise bei einer Zahnbürste. Vorzugsweise haben die Öffnungen 40 der
Spinnbrausenkapillaren, die in 1b, 2b, 3b gezeigt
sind, einen Krümmungsradius
r im Bereich von 127 bis 305 μm
(5 bis 12 mil). Die Öffnungen 40 der
Spinnbrausenkapillare von 2b haben
einen Innenradius (oder Krümmungsradius)
von 229 μm
(9 mil), während
die Öffnungen
der Spinnbrausenkapillare von 3b einen Radius
von 203 μm
(8 mil) haben. Interessanterweise führt die Verwendung der Spinnbrausenkapillare
von 2b zu dem asymmetrischen Monofilament von 2a,
während
die Verwendung der Spinnbrausenkapillare von 3b zu dem
symmetrischen Monofilament von 3a führt. Es
ist wichtig festzustellen, dass das asymmetrische Monofilament von 2a nicht
auf Probleme in der Symmetrie des Aufbaus zurückzuführen ist, sondern auf die große Abmessung der
Lappen. Bei größeren Lappen
werden die Stränge
nicht miteinander verknüpft,
wenn das Zentrum gezogen wird. Dementsprechend wird ein unzureichender
Abstand bei 2 der Stränge
gelassen, die zu einem Monofilament gezogen werden sollen.
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Der
Hohlraumanteil wird auf der Basis des Gewichts der hohlen Borste
und des Gewichts einer hypothetischen massiven Borste mit der gleichen äußeren Konfiguration
entsprechend der folgenden Formel bestimmt: %
Hohlraumanteil = 100(1 – Gewicht
der hohlen Borste/Gewicht der massiven Borste)
