Verfahren zur Herstellung von oberflächenstrukturierten Borsten, oberflächenstrukturierte Borste und deren Verwendung

Beschreibung

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von oberflächenstrukturierten Borsten aus Kunststoff durch Extrudieren eines Monofils, danach hergestellte oberflächenstrukturierte Borsten und deren Verwendung.

Stand der Technik

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.

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.

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.

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.

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.

Darstellung der Erfindung

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.

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.

Die Lösung der gestellten Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 erreicht.

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.

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.

Die ungleichmäßigen Verteilung bedeutet insbesondere, dass keine geschlossene homogene Schicht auf dem Monofil gebildet wird.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Die Unteransprüche stellen vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgegenstands dar.

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.

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.

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.

Für eine bessere Recyclingfähigkeit weisen das Monofil und die weitere Komponente vorteilhafterweise das gleiche Polymermaterial auf.

In bevorzugter Ausgestaltung des Verfahrens weist die weitere Komponente eine niedrigere Schmelztemperatur auf als das Material des Monofils.

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.

Zumindest ein Teil der Erwärmung wird dabei vorzugsweise durch elektromagnetische Strahlungsenergie, insbesondere durch Licht oder Induktion, erreicht.

Vorteilhafterweise wird dabei IR-Strahlung, besonders bevorzugt NIR- Strahlung, nahe Infrarot-Strahlung, insbesondere mit einer Wellenlänge von 800 bis 2500 nm, eingesetzt.

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.

Zur Unterstützung des Verschweißens des Monofils und der weiteren Komponente wird das Verschweißen vorteilhafterweise unter mechanischem Druck ausgeübt.

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.

Der mittlere Partikeldurchmesser der Polymerpartikel beträgt vorzugsweise zwischen 0,01 und 0,5 mm, besonders bevorzugt zwischen 0,05 und 0,35 mm.

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.

Bevorzugt werden zwischen 2 und 90% der Oberfläche des Monofils von den Polymerpartikeln abgedeckt und besonders bevorzugt zwischen 5 und 75%.

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.

Die Größe und Menge der Partikel bestimmt dabei insbesondere auch die gewünschten Effekte hinsichtlich der Reinigungswirkung, Massagewirkung oder des Farbhaltevermögens der Borsten.

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.

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.

Die Transferwalze und/oder der Stempel werden dabei bevorzugt beheizt. In bevorzugter Ausgestaltung sind die Transferwalze und/oder der Stempel strukturiert.

Die Erfindung betrifft ferner oberflächenstrukturierte Borsten, insbesondere für Bürsten-, Besen- oder Pinselwaren, die hergestellt sind nach einem der genannten Verfahren.

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.

Ausführung der Erfindung

Der Gegenstand der Erfindung wird anhand eines Beispiels näher erläutert.

In den Figuren 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.

In Figur 1 beträgt der Partikeldurchmesser der Polypropylen-Partikel 0,05 bis

0,08 mm, in Figur 2 beträgt der Partikeldurchmesser der Polypropylen-Partikel 0,12 bis

0,18 mm,

in Figur 3 beträgt der Partikeldurchmesser der Polypropylen-Partikel 0,12 bis

0,15 mm, in Figur 4 beträgt der Partikeldurchmesser der Polypropylen-Partikel 0,15 bis

0,25 mm und in Figur 5 beträgt der Partikeldurchmesser der Polypropylen-Partikel 0,25 bis

0,35 mm.

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.

Die Polypropylen-Partikel weisen dabei eine um ca. 20 ⁰ C niedrigere Schmelztemperatur auf als das Material der Borstenmatrix.

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.

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.

Borsten mit einem Partikeldurchmesser der Polymerpartikel von 0,05 bis 0,08 mm, wie in Figur 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.

Dies gilt insbesondere für Produkte im Bereich der Körper- und Zahnpflege, wie zum Beispiel Hand- und Nagelbürsten, Zahnbürsten, Interdentalbürsten oder Zahnseide.

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.

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.

Borsten mit einem Partikeldurchmesser der Polymerpartikel von 0,12 bis 0,18 mm, wie in Figur 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.

Bei den Borsten gemäß den Figuren 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.

Bei der Borste gemäß Figur 1 beträgt der Anteil an aufgebrachten Partikeln ca. 1 Gew.-%. Dabei bedecken die Polymerpartikel ca. 2% der Borstenoberfläche.

Bei der Borste gemäß Figur 2 beträgt der Anteil an aufgebrachten Partikeln ca. 5 Gew.-%. Dabei bedecken die Polymerpartikel ca. 7% der Borstenoberfläche.

Figur 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.

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.

Bei der Borste gemäß Figur 3 beträgt der Anteil an aufgebrachten Partikeln ca. 20 Gew.-%. Dabei bedecken die Polymerpartikel ca. 85% der Borstenoberfläche.

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.

Figur 4 zeigt eine Borste, deren Polymerpartikel einen Partikeldurchmesser von 0,15 bis 0,25 mm aufweisen. Diese Borste zeigt gegenüber der Borste gemäß Figur 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.

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.

Bei der Borste gemäß Figur 4 beträgt der Anteil an aufgebrachten Partikeln ca. 15 Gew.-%. Dabei bedecken die Polymerpartikel ca. 39% der Borstenoberfläche.

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.

Figur 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.

Erreicht wird diese Ausgestaltung durch den Einsatz von Polymerpartikeln mit einer engeren Partikelgrößenverteilung.

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.

Bei der Borste gemäß Figur 5 beträgt der Anteil an aufgebrachten Partikeln ca. 15 Gew.-%. Dabei bedecken die Polymerpartikel ca. 45% der Borstenoberfläche.

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.

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.

Eine längere Energieeinwirkung führt insbesondere zu abgerundeten Partikeln mit sanfterer Schmutzentfernung und/oder zu einer festeren Haftung der Polymerpartikel an der Borste.

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.

Die Farbe der eingesetzten Partikel kann dabei zum Beispiel zur Anzeige einer vorbestimmten Abrasivitätsstufe oder zu einer besonderen ästhetischen Ausgestaltung dienen.

Aufgrund der sortenreinen Herstellung des Borstenmaterials ohne Materialmix ist das Borstenmaterial auch besonders gut recyclefähig.

Tabelle 1:

Die gemäß den Daten der Tabelle 1 hergestellten und bevorzugt verwendeten oberflächenstrukturierten Borsten der Gruppe A weisen wie die Borste der Figur

1 eine geringe Rauigkeit auf, die der Gruppe B weisen wie die Borste der Figur

2 eine erhabene und abgerundete Struktur auf, die der Gruppe C weisen wie die Borste der Figur 3 eine flache und abgerundete Struktur auf, die der Gruppe D weisen wie die Borste der Figur 4 eine gegenüber den vorgenannten Borsten deutlicher erhabene und weniger abgerundete Struktur auf und die Borsten der Gruppe E weisen wie die Borste der Figur 5 eine ausgeprägte Struktur mit abgerundeten, besonders gut haftenden Partikeln auf.