Die Erfindung betrifft ein thermoplastisches Monofilament für Borsten, die im Gebrauchszustand erhöhter Feuchtigkeit ausgesetzt sind.

Borsten aus thermoplastischen Kunststoffen werden für Bürsten unterschiedlicher Art, für Pinsel und dergleichen eingesetzt. Dabei sind sie sehr unterschiedlichen Beanspruchungen physikalischer und chemischer Art ausgesetzt, die einerseits aus ihrem funktionellen Einsatz beim Bürsten, Streichen, Polieren, beim Applizieren von Medien oder dergleichen, andererseits aus den unmittelbar beim Gebrauch oder am Gebrauchsort herrschenden Bedingungen resultieren. Zu letzteren sind insbesondere die beim Gebrauch eingesetzten Hilfsmedien, wie Reinigungsmittel, Putzmittel, Kosmetika, Wasser oder dergleichen zu nennen. Als Umgebungsbedingungen am Gebrauchsort sind insbesondere eine erhöhte Luftfeuchtigkeit zu nennen, die in Wechselwirkung mit feuchten Hilfsmedien dazu beiträgt, dass die feuchten Hilfsmedien nicht trocknen.

Borsten müssen daher ein Eigenschaftsprofil aufweisen, das diesen sehr unterschiedlichen Anforderungen genügt. Dies sei beispielhaft an einer Zahnbürste erläutert, bei der die unterschiedlichen Anforderungen deshalb besonders deutlich werden, weil die Borsten zunächst einen extrem kleinen Durchmesser aufweisen, der etwa zwischen 0,05 und 0,4mm liegt. Weiterhin sind die Borsten in geringem Abstand voneinander angeordnet und in Bündeln sogar dicht gepackt. Auf der anderen Seite müssen Borsten für Zahnbürsten ein gutes hohes Biegeverhalten zeigen, um einerseits im rein elastischen Bereich ausweichen und andererseits wieder ohne Verformung in die Ausgangslage zurückkehren zu können (Wiederaufrichtvermögen). Aufgrund der Vielzahl von Bewegungsformen und des je nach Benutzer individuellen Andrucks beim Zähneputzen müssen die Borsten unter Berücksichtigung einer angemessenen Nutzungsdauer eine gute Biegewechselfestigkeit und Dauerfestigkeit besitzen. Ferner muss der Kunststoff so beschaffen sein, dass die Borste sich in mechanischen oder thermischen Fertigungsprozessen verarbeiten läßt, wozu insbesondere die Befestigung der Borsten am Borstenträger zählt. Schließlich müssen sich die Borsten am Nutzungsende verrunden lassen, um einerseits eine schonende, gleichwohl aber ausreichende Bürstwirkung auf den Zahnoberflächen und in den Interdentalräumen zu erzeugen, ohne andererseits den Zahnschmelz durch zu große Härte, durch Kanten oder dergleichen zu beeinträchtigen oder das Zahnfleisch zu verletzen.

Wegen des notwendigerweise dichten Borstenbesatzes bei einer Zahnbürste sind die Borsten aufgrund der verwendeten Hilfsmedien, wie Zahnputzmittel, Wasser etc, wie aber auch durch die am Gebrauchsort, z.B. im Badezimmer herrschende erhöhte Luftfeuchtigkeit, ständig mit Feuchtigkeit belastet, zumal ein Abtrocknen wegen des dichten Borstenbesatzes einerseits und der Umgebungsbedingungen andererseits nur über einen sehr langen Zeitraum möglich wäre.

Mit der erhöhten Feuchtigkeit geht eine Schwächung der Borste einher, die schon bei den früher verwendeten Naturborsten erkannt worden war. Schon damals wurde der Versagensfall als "wet breakdown" bezeichnet (US 2 309 021). Bei Naturborsten beruht dieser Versagensfall vornehmlich darauf, dass sie bereits anläßlich des Verarbeitungsprozesses durch Wasch- und Reinigungsvorgänge ihres natürlichen Fettes verlustig gehen, das am lebenden Tier hydrophobierend wirkt. Unterstützt wird dieser Vorgang bei einer Zahnbürste noch durch hydrolytische Wechselwirkungen zwischen Zahnputzmitteln und Borste sowie durch abrassive Partikel in den Zahnputzmitteln. Diesem "wet breakdown" versuchte man durch chemische Oberflächenbehandlung der Naturborste zu begegnen.

Aus den genannten Gründen konnten bei Zahnbürsten Naturfasern erst dann in bedeutsamem Umfang durch synthetische Kunststoffe ersetzt werden, als entsprechend hochwertige Thermoplaste zur Verfügung standen. Heute werden Borsten für Zahnbürsten ausschließlich aus Polyamiden hochwertiger Qualitäten, wie insbesondere PA 6.10 oder 6.12. eingesetzt. Diese Polyamid-Qualitäten sind entsprechend teuer, und zwar nicht zuletzt deshalb, weil diese hochwertigen Polyamide aus Kostengründen anderweitig nicht einsetzbar sind.

Hochwertige Polyamide erfüllen zwar in hervorragender Weise die Festigkeitsanforderungen, sind jedoch dafür bekannt, dass sie in nicht unerheblichem Umfang Feuchtigkeit aufnehmen und dadurch ihre günstigen Festigkeitswerte teilweise einbüßen. Diese Verschlechterung der Festigkeitseigenschaften führt umso eher zum Versagen der Borste, je kleiner deren Durchmesser ist, da die Feuchtigkeit schnell bis in den Kern der Borste penetriert. Heute werden Zahnbürsten häufig anhand der Härte ihrer Borsten ausgelobt, beispielsweise als weich (soft), mittel (medium) oder hart, wofür in erster Linie der Borstendurchmesser verantwortlich ist. Diese Qualitätsstufung trifft wegen der Feuchtebelastung nach einiger Nutzungsdauer nicht mehr zu. Mit der Feuchteaufnahme und der Speicherung von Feuchtigkeit in den Borstenzwischenräumen gehen erhebliche hygienische Probleme einher, da die Feuchtigkeit das Bakterienwachstum fördert, das wiederum längere Trockenzeiten erzwingen würde, die in der Praxis aber nicht eingehalten werden können (U.S. News & World Report 12.10.87, Seite 88).

Es hat deshalb nicht an Versuchen gefehlt, Borsten aus anderen thermoplastischen Monofilamenten, die sich bereits bei Bürsten anderer Art bewährt haben, einzusetzen. Hier sind insbesondere Borsten aus thermoplastischen Polyestern zu nennen, die ein vergleichbares Biegeverhalten und Biegewechselverhalten zeigen, sich aber bei Zahnbürsten bisher nicht durchsetzen konnten. Grund hierfür ist zum einen die größere Härte und die damit verbundene Verletzungsgefahr von Zahnfleisch und Zahnschmelz. Sie neigen ferner zum Spleißen und zur Gratbildung bei der mechanischen Verarbeitung, insbesondere beim Verrunden der nutzungsseitigen Enden. Schließlich zeigen sie eine stärke Schmutzbindung, lassen sich also durch Ausspülen der Zahnbürste nur schlecht reinigen.

Ein gattungsgemäßes thermoplastisches Monofilament in Form eines wenigstens zweischichtigen Koextrudates für Borsten ist in der WO97/14830 A beschrieben und besitzt einen Kern und einen Mantel, wobei der Kern und/oder der Mantel aus einer Polymermischung aus Polyamid (PA) und einem thermoplastischen Polyester (PE) bestehen kann. Über bestimmte Mischungsverhältnisse PA/PE ist in dieser Druckschrift jedoch nichts ausgesagt.

Aus der DD 103933 A ist eine Borste aus einer Mischung aus Polyamid (PA) und einem thermoplastischen Polyester (PE) bekannt, wobei das Mischungsverhältnis PA/PE zwischen 95/5 bis 50/50 Mass% liegen soll. Bei den Borsten handelt es sich jedoch nicht um ein Koextrudat.

Die US 4,507,361 beschreibt eine Borste aus einer thermoplastischen Matrix, in der abrasive Füllmaterialien verteilt sind. Es handelt sich dabei nicht um ein Koextrudat, sondern um eine im 1-Komponenten-Verfahren hergestellte Borste, wobei die thermoplastische Matrix aus 70% bis 90% Polyethylenterephtalat (PET) und 10 bis 30% Polyamid (PA) bestehen kann.

In der Textiltechnik sind koextrudierte Filamente bekannt (EP 0 763 611 A1), die aus einem Polyester-Kern und einem Polyamid-Mantel bestehen, doch stehen hier andere Eigenschaftsprofile im Vordergrund als dies bei Borsten der Fall ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Monofilament für Borsten vorzuschlagen, dessen Eigenschaftsprofil sich bei reduzierten Werkstoffkosten an die gewünschten funktionell-technischen Anforderungen und an die Umgebungsbedingungen bei Gebrauch optimal anpassen läßt.

Diese Aufgabe wird an einem das Ausgangsmaterial für Borsten bildenden thermoplastischen Monofilament in Form eines wenigstens zweischichtigen Koextrudates mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dabei weist das Koextrudat einen Kern und einen Mantel auf, wobei zumindest der Mantel aus einer Polymermischung aus wenigstens einem Polyamid (PA) und wenigstens einem thermoplastischen Polyester (PE) besteht, wobei das Mischungsverhältnis PA/PE einen PA-Anteil von 10 bis 30% Mass% und einen PE-Anteil von 70 bis 90% Mass% enthält.

Das konkrete Mischungsverhältnis (PA/PE) wird entsprechend den für den Gebrauch der Borste maßgeblichen technischfunktionellen Eigenschaften einerseits und den am Gebrauchsort für die Funktion der Borste maßgeblichen Umgebungsbedingungen andererseits ausgewählt.

Mit wenigen Ausnahmen bilden Mischungen von Polymere (Polymer-Blend) Mehrphasensysteme wie sie auch von Metallegierungen bekannt sind. Sie verhalten sich somit in Mischung anders als viele niedermolekulare Stoffe, die beispielsweise in Lösung gehen und ein Einphasesystem bilden. Die Ursache liegt in molekularen Wechselwirkungen aufgrund von Van der Waals-, Dipol- und Wasserstoffbrückenkräften, die bei gleichartiger Makromolekülen wirksamer sind als zwischen unterschiedlichen Polymeren in der Mischphase. Ferner spielt der Grad der Verschlaufung der Makromoleküle und der Entropiegewinn beim Mischen eine Rolle, der auch aufgrund sterischer Effekte bei Makromolen geringer ist als bei niedermolekularen Stoffen.

Bei Blends aus thermoplastischem Polyester und Polyamiden wirken sich polare Gruppen beider Polymere positiv auf die Mischbarkeit aus. Die unterschiedlichen Segmentlängen begründen die Tendenz zur Mehrphasigkeit. Diese ist dann durchaus erwünscht, wenn bei ausreichend hohen Bindungskräften die technisch-physikalischen und chemischen Eigenschaften der an der Mischung beteiligten Komponenten erhalten bleiben, was bei einem PA/PE-Blend gegeben ist. Der Grund liegt darin, dass die Morphologie der Mischphase PA/PE im Gegensatz zu homogenen Blends weitgehend die den Komponenten eigene Kristallinität zeigt, so dass die positiven Eigenschaften der den Blend bildenden Polymere erhalten bleiben. PA/PE-Blends zeigen an einem Filament eine geringere Steifigkeit als reine Polyester, umgekehrt aber ein besseres Dämpfungsverhalten, das eher dem von Nylon entspricht. Ferner zeigt die Mischphase dispersionsartigen Charakter, womit sich eine bessere Schlagzähigkeit gegenüber den reinen Mischungskomponenten erklären läßt.

Die Anteile der Polymere an dem Blend für die Extrusion des thermoplastischen Monofilamentes lassen sich auf das Anforderungsprofil der Borste optimal einstellen. So lassen sich das Biegeverhalten und das Wiederaufrichtvermögen in Anpassung an Borstendurchmesser und -länge sowie an die konkrete Nutzungsart der Borste (Zahnbürsten, Massagebürsten, Handbürsten, Kosmetikbürsten, Pinsel etc.) einstellen. Ebenso kann sie sich den am Gebrauchsort herrschenden physikalischen und chemischen Bedingungen aufgrund der dort verwendeten Medien (Zahnputzmittel, Putzmittel, Wasser etc.) und den herrschenden Umgebungsbedingungen (trockene oder feuchte Atmosphäre, Feuchterückhaltung im Borstenbesatz etc.) anpassen.

Das Mischungsverhältnis PA/PE kann in den genannten Grenzen variiert werden, ohne dass die Stabilität der Mischphase nennenswert beeinträchtigt wird.

Steht die Biegefestigkeit ("bending strength") und deren Konstanz über die Nutzungsdauer auch unter extrem feuchten Bedingungen im Vordergrund des Anforderungsprofils, wird man den PE-Anteil zu Ungunsten des PA-Anteils anheben. Ein gleichwohl angemessener PA-Anteil sorgt für ein verbessertes Wiederaufrichtvermögen im trockenen Zustand ("bend recovery"). Umgekehrt wird das Wiederaufrichtvermögen bei extrem feuchten Umgebungsbedingungen durch einen hohen PA-Anteil eher ungünstig beeinflußt, was sich aus der größeren Wasseraufnahme von PA erklärt. Stehen die Gleitfähigkeit der Borste und die Effektivität der Reinigung (Abriebverhalten) im Vordergrund, wird man den PA-Anteil auf Kosten des PE-Anteils erhöhen, womit zugleich eine schonendere Behandlung der zu reinigenden Fläche und ihrer Umgebung (z.B. des Zahnschmelzes, des Zahnfleisches) einhergeht. Ein optimiertes Mischungsverhältnis PA/PE, das zumindest dem bei Zahnbürsten üblichen Anforderungsprofil am ehesten entspricht, liegt bei einem PA-Anteil zwischen 10 und 30 Mass% bzw. einem PE-Anteil von 70 bis 90 Mass%.

Ferner läßt sich das Mischungsverhältnis an die Borstengeometrie unter Berücksichtigung der Umgebungsbedingungen am Gebrauchsort anpassen. So wird man den PE-Anteil am Mischungsverhältnis umso höher ansetzen, je kleiner der Querschnitt der Borste ist, um der Penetration von Feuchtigkeit in den dünnen Querschnitt und der hiermit einhergehenden Beeinträchtigung des Biegeverhaltens und des Wiederaufrichtvermögens vorzubeugen.

Unabhängig von der Geometrie der Borste empfiehlt sich eine Anhebung des PE-Anteils auf Kosten des PA-Anteils je stärker und/oder andauernder die Feuchteinwirkung am Gebrauchsort der Borste ist. Diese Empfehlung hat jedoch keinen zwingenden Charakter, da in bestimmten Anwendungsfällen die Feuchtigkeitsaufnahme der Borste erwünscht ist, um flüssige Wirkmedien besser an die Borste zu binden.

Das thermoplastische Polyester ist vorzugsweise ein Polyalkylenterephthalat (PAT), wobei insbesondere Polyetylenterephthalat (PET) oder Polybutylenterephthalat (PBT) oder eine Mischung derselben in Frage kommen.

Diese thermoplastischen Polyester sind nicht nur hinsichtlich ihrer technologischen Eigenschaften für Borsten besonders geeignet, sondern darüber hinaus wesentlich preisgünstiger als die bisher für Zahnbürsten-Borsten verwendeten hochwertigen Polyamide wie PA 6.12.

Ein hoher Anteil von PAT gibt ferner die Möglichkeit hochwertiges PA zumindest teilweise durch geringerwertiges und kostengünstiges PA wie PA 6 zu ersetzen.

So kann die Polyamid-Komponente der Mischung beispielsweise aus der Gruppe der höherwertigeren Polyamide, wie PA 6.10, PA 6.12, PA 11, PA 12 einerseits und der Gruppe geringerwertiger Polyamide, wie PA 6, PA 6.6 andererseits ausgewählt werden unter Beachtung der Forderung, dass die Mischphase eine ausreichende Stabilität aufweisen muß.

Das Koextrudat kann die beiden Schichten in konzentrischer Form, also in Form eines Kerns und eines Mantels aufweisen. Stattdessen kann das Koextrudat auch mehrere Monofile aufweisen, die in einer den Außenquerschnitt des Monofilaments bestimmenden zweiten Schicht eingebettet sind. Ferner kann da Koextrudat aus einem Kern bestehen, der nur einen Teil des Umfangs bestimmt, während die zweite Schicht den Umfang vervollständigende Segmente bildet, beispielsweise einen im wesentlichen rechteckigen Querschnitt aufweisen, der überwiegend von der einen Schicht und nur in den Ecken von der anderen Schicht gebildet ist.

Unabhängig von der konkreten Geometrie des Koextrudates, dessen eine Schicht von der Polymermischung der erfindungsgemäßen Art gebildet wird, kann die zweite Schicht aus einem einzigen Polyamid oder einer Mischung von Polyamiden bestehen, wie umgekehrt auch die zweite Schicht aus einem thermoplastischen Polyester oder einer Mischung solcher Polyester gebildet sein kann.

Besteht das Koextrudat aus einem Kern und einem Mantel, so ist vorzugsweise vorgesehen, dass der Kern aus einem PAT oder einer Mischung von Polyalkylenestern besteht, während der Mantel aus einem Polyamid oder einer Polyamidmischung gebildet ist.

Im Falle einer Borste für Zahnbürsten bestimmt der Kern im wesentlichen das Biegeverhalten und das Wiederaufrichtvermögen, während der Mantel im wesentlichen für die Bürstwirkung, für das Verteilen von Auftragsmedien oder Reinigungsmedien verantwortlich ist. Eine solche Borste weist zwar im Mantel eine erhöhte Wasseraufnahme auf, doch wirkt sich diese auf die Festigkeitseigenschaft nicht oder nur unwesentlich aus, da diese maßgeblich durch den Kern mit seiner erheblich reduzierten Feuchtigkeitsaufnahme bestimmt wird.

Es kann der Kern auch nur aus einem thermoplastischen Polyester oder einer Polyestermischung bestehen, da er an der Bürstwirkung nicht unmittelbar beteiligt ist, während der Mantel aus der erfindungsgemäßen Polymermischung besteht. Ferner kann die erfindungsgemäße Polymermischung sowohl im Kern als auch im Mantel vorhanden sein, wobei im Kern das Mischungsverhältnis zugunsten des PE- bzw. PAT-Anteils, im Mantel zugunsten des PA-Anteils angehoben sein kann.

Schließlich kann der Kern als Hohlkern ausgebildet sein, um Medien aufzunehmen und am freien Ende der Borste abzugeben.

Schließlich ist noch darauf hinzuweisen, dass eine aus Kern und Mantel bestehende Borste dann, wenn der Mantel aus der erfindungsgemäßen Polymermischung besteht, die mechanische Bearbeitung der Borstenenden zu einer besseren Qualität führt, insbesondere ein einwandfreies Verrunden ohne Kantenbildung ermöglicht.