ТЕРМОПЛАСТИЧНОЕ МОНОВОЛОКНО ДЛЯ ЩЕТИНЫ Российский патент 2006 года по МПК D01F6/60 D01F6/90 D01F6/92 D01F8/12 D01F8/14 A46D1/00 

Изобретение касается термопластичного моноволокна для щетины, которая подвергается воздействию повышенной влажности.

Щетина из термопластичных пластмасс используется для щеток различного рода, для кистей и тому подобного. При этом она подвергается очень разным воздействиям физического и химического рода, которые, с одной стороны, следуют из ее функционального использования при чистке, крашении, полировке, нанесении сред или тому подобном, и с другой стороны, из условий, преобладающих непосредственно при эксплуатации или на рабочем месте. К последним, в особенности, относятся вспомогательные среды, используемые при эксплуатации, как детергенты, средства для очистки, косметика, вода или тому подобное. К условиям окружающей среды на рабочем месте в особенности относится повышенная влажность воздуха, которая во взаимодействии с влажными вспомогательными средами способствует тому, что влажные вспомогательные среды не высыхают.

Поэтому щетина должна характеризоваться совокупностью свойств, удовлетворяющих эти очень разные требования. Это можно пояснить на примере зубной щетки, для которой различные требования проявляются особенно отчетливо потому, что щетина прежде всего характеризуется экстремально малым диаметром, который имеет значение приблизительно между 0,05 и 0,4 мм. Далее, волокна щетины расположены на малом расстоянии друг от друга и в связке даже плотно упакованы. С другой стороны, щетина для зубных щеток должна обладать хорошими свойствами при изгибе, чтобы, с одной стороны, изгибаться в чисто эластичной области и, с другой стороны, вновь без деформации иметь возможность возвращаться в исходное положение (возможность регенерации формы). Вследствие большого числа форм движения и нажима, индивидуального в зависимости от пользователя, при чистке зубов щетина должна обладать, принимая во внимание определенное время использования, хорошей устойчивостью к знакопеременному изгибу и долговечностью. Далее, пластмасса должна быть такой, чтобы щетина могла перерабатываться в механических или термических процессах изготовления, в особенности это относится к закреплению щетины на носителе. Наконец, щетина к концу эксплуатации должна оставаться закругленной, чтобы, с одной стороны, осуществлять бережное, но все-таки достаточное очищающее действие на поверхности зубов и в межзубном пространстве, с другой стороны, не наносить вред зубной эмали вследствие большой твердости, посредством краев или тому подобного, и не повреждать десен.

Вследствие, при необходимости плотного расположения щетины на зубной щетке щетина из-за используемых вспомогательных сред, таких как средства для чистки зубов, вода и т. д., а также из-за преобладающе повышенной влажности воздуха в месте использования, например в ванной комнате, постоянно находится во влажном состоянии, так как высыхание из-за плотного расположения щетины, с одной стороны, и условий окружающей среды, с другой стороны, было бы возможно только через очень длительный промежуток времени.

При повышенной влажности происходит ухудшение свойств щетины, которое уже было известно для ранее используемой натуральной щетины. Уже тогда случаи выхода из строя обозначали как «влажный распад» «wet breakdown» (US 2309021). Для натуральной щетины эти случаи выхода из строя, прежде всего, обусловлены тем, что она уже в процессе обработки посредством промывания и очистки лишается своего натурального жира, который у живых животных оказывает гидрофобное действие. Этот процесс у зубной щетки еще подкрепляется гидролитическим взаимодействием между средствами для чистки зубов и щетиной, а также абразивными частицами в средствах для чистки зубов. Этому «влажному распаду» пытаются противостоять посредством химической обработки поверхности натуральной щетины.

Таким образом, на основании изложенного, натуральные волокна для зубных щеток в значительной мере могли бы быть заменены синтетическими полимерами в виде высококачественных термопластов. Сегодня для зубных щеток используют щетину исключительно из полиамидов высокого качества таких, как особенно ПА 6.10 или 6.12. Эти качественные полиамиды являются дорогими, именно поэтому, не в последнюю очередь, для иного эти высококачественные полиамиды из-за себестоимости не используются.

Несмотря на то что высококачественные полиамиды полностью соответствуют требованиям прочности, однако известно, что они в значительной мере поглощают влагу, и поэтому их благоприятной прочности частично наносится ущерб. Это ухудшение прочностных свойств тем раньше ведет к выходу щетины из строя, чем меньше ее диаметр, так как влажность быстро проникает до сердцевины щетины. Сегодня зубные щетки часто в зависимости от жесткости их щетины подразделяют, например, на мягкие, средние или жесткие, что в первую очередь зависит от диаметра щетины. Эта градация качества вследствие поглощения влаги через некоторое время эксплуатации перестает соответствовать действительности. Поглощение и накопление влаги в промежутках щетины ведет к значительным гигиеническим проблемам, так как влажность способствует росту бактерий, что вынуждает к длительному времени сушки, которое на практике не может соблюдаться (U.S. News & World Report 12.10.87, Seite 88).

Поэтому было предпринято достаточное количество попыток использовать щетину из других термопластичных моноволокон, которые уже оказались пригодными для щетины другого рода. К ним особенно относится щетина из термопластичных сложных полиэфиров, которая проявляет сравнимое поведение при изгибе и устойчивость к знакопеременному изгибу, но для зубных щеток до сих пор не могла использоваться, во-первых, из-за повышенной жесткости и связанной с этим опасности повреждения десен и зубной эмали. Далее, щетина имеет склонность к расщеплению и образованию заусенцев при механической обработке, особенно при округлении используемых концов. Наконец, она характеризуется сильным прилипанием грязи, что не позволяет хорошо очищать зубную щетку с помощью ополаскивания.

Хотя в текстильной промышленности известны соэкструдированные волокна (EP 0763611 A1), которые состоят из полиэфирной сердцевины и полиамидной оболочки, однако в этом случае на первом месте находится другая совокупность свойств, чем в случае щетины. Соэкструдированные моноволокна для зубных щеток известны (WO 97/14830) и состоят, среди прочего, из полиамидной оболочки и полиэфирной сердцевины, однако в оболочке опять используют только высококачественные полиамиды. В другом варианте с менее качественными полиамидами в оболочке сердцевина состоит из сополимера простого и сложного эфира, который, однако, является эластомером и поэтому не соответствует требованиям к щетине для зубных щеток. Это же имеет место в случае других известных структур композитов (GB 980814), сердцевина и оболочка которых состоят из различных обработанных поливинилхлоридов.

Целью изобретения является разработка моноволокна для щетины, совокупность свойств которого при уменьшенной стоимости материалов оптимально соответствует желательным функционально-техническим требованиям и окружающим условиям при употреблении.

Поставленная задача решается термопластичным моноволокном, образующим исходный материал для щетины, при этом моноволокно характеризуется полимерной смесью из, по крайней мере, одного полиамида (ПА) и, по крайней мере, одного термопластичного сложного полиэфира (ПЭ).

Конкретное соотношение смеси (ПА/ПЭ) выбирают в соответствии с технико-функциональными свойствами, необходимыми для эксплуатации щетины, с одной стороны, и с условиями окружающей среды, в которой щетина эксплуатируется, с другой стороны.

За небольшим исключением, смеси полимеров образуют многофазные системы, которые известны для сплавов металлов. Таким образом, полимеры ведут себя в смесях иначе, чем многие низкомолекулярные вещества, которые, например, переходят в раствор и образуют однофазную систему. Причиной является молекулярное взаимодействие на основе ван-дер-ваальсовых сил, дипольного взаимодействия и водородных связей, которые у однородных макромолекул более выражены, чем между различными полимерами в фазе смеси. Далее, играет роль степень свернутости макромолекул и выигрыш энтропии при смешивании, который также вследствие стерического эффекта у макромолекул меньше, чем у низкомолекулярных веществ.

В смесях термопластичных сложных полиэфиров и полиамидов полярные группы обоих полимеров положительно влияют на смешиваемость. Различные длины сегментов объясняют тенденцию к многофазности. Она вполне желательна, если при достаточно высоких силах связывания продолжают сохраняться технико-физические и химические свойства компонентов смеси, что имеет место в смеси ПА/ПЭ. Причина состоит в том, что морфология смешанной фазы ПА/ПЭ, в противоположность гомогенной смеси, в значительной степени характеризуется кристалличностью отдельных компонентов, так что сохраняются положительные свойства полимеров, образующих смесь. Смесь ПА/ПЭ в волокне характеризуется меньшей характеристической жесткостью, чем в случае чистого сложного полиэфира, но, наоборот, лучшей характеристикой гистерезисных потерь, которая скорее соответствует поведению найлона. Далее, смешанная фаза имеет характер, подобный дисперсии, чем может объясняться лучшая ударная вязкость по сравнению с чистыми компонентами смеси. Доли полимеров в смеси для экструзии термопластичных моноволокон позволяют оптимально регулировать профиль требований к щетине. Так, поведение при изгибе и возможность регенерации формы могут регулироваться диаметром щетины и ее длиной, а также в зависимости от конкретного вида использования щетины (зубные щетки, массажные щетки, ручные щетки, косметические щетки, кисти и т. д.). Таким же образом они могут приспосабливаться к физическим и химическим условиям, преобладающим в месте эксплуатации, на основе используемых там сред (средства для чистки зубов, чистящие средства, вода и т. д.) и преобладающим условиям окружающей среды (сухая или влажная атмосфера, влагосодержание в связке щетины и т. д.).

Соотношение в смеси ПА/ПЭ может варьироваться в широких пределах без причинения какого-либо ущерба стабильности смешанной фазы. Например, соотношение в смеси ПА/ПЭ может варьироваться между 10/90 мас.% и 90/10 мас.%, предпочтительно оно находится между 20/80 мас.% и 80/20 мас.%.

Если прочность при изгибе («bending strength») и ее константа в течение периода эксплуатации также при экстремально влажных условиях является одним из основных требований, повышают долю ПЭ за счет доли ПА. Со своей стороны, подобранная доля ПА способствует улучшенному восстановлению первоначальной формы после изгиба в сухом состоянии («bend recovery»). Напротив, на возможность регенерации формы при экстремально влажных условиях окружающей среды высокая доля ПА скорее оказывает неблагоприятное влияние, что объясняется увеличенным поглощением воды ПА. Если одним из основных требований является несминаемость щетины и эффективность чистки (поведение при истирании), повышают долю ПА за счет доли ПЭ, что одновременно ведет к лучшей обработке очищающих поверхностей и их окружения (например, зубной эмали, десен). Оптимизированное соотношение смеси ПА/ПЭ, по крайней мере, скорее всего соответствующее совокупности требований, общепринятых для зубных щеток, находится для доли ПА между 10 и 30 мас.% и для доли ПЭ от 70 до 90 мас.%.

Далее, соотношение смеси позволяет подобрать геометрию щетины, принимая во внимание условия окружающей среды на месте эксплуатации. Так, доля ПЭ в соотношении смеси устанавливается тем выше, чем меньше поперечное сечение щетины, чтобы предотвратить проникновение влаги в тонкий профиль и происходящее в результате этого нанесение вреда свойствам при изгибе и возможности регенерации формы.

Независимо от геометрии щетины рекомендуется повышение доли ПЭ за счет доли ПА, чем сильнее и/или продолжительнее действие влажности в месте эксплуатации щетины. Однако эта рекомендация не является обязательной, так как в определенных случаях эксплуатации поглощение влаги щетиной желательно, чтобы жидкие активные среды лучше связывались со щетиной.

Термопластичный сложный полиэфир предпочтительно является полиалкилентерефталатом (ПАТ), причем в особенности речь идет о полиэтилентерефталате (ПЭТ) или полибутилентерефталате (ПБТ), или их смесях.

Эти термопластичные сложные полиэфиры не только особенно пригодны для щетины из-за своих технологических свойств, сверх того значительно выгоднее по цене, чем высококачественные полиамиды, как ПА 6.12, до сих пор применяемые для изготовления щетины для зубных щеток.

Далее, высокая доля ПАТ дает возможность заменить высококачественный ПА, по крайней мере, частично, менее качественным и приемлемым по цене ПА как ПА 6.

Таким образом, полиамидный компонент смеси может быть выбран, например, из группы высококачественных полиамидов, как ПА 6.10, ПА 6.12, ПА 11, ПА 12, с одной стороны, и из группы менее качественных полиамидов, как ПА 6, ПА 6.6, с другой стороны, принимая во внимание требование, что смешанная фаза должна обладать достаточной стабильностью.

Далее, изобретение касается термопластичного моноволокна в форме, по крайней мере, двухслойного соэкструдата для щетины, которая при эксплуатации подвергается повышенной влажности. У такого соэкструдата, по крайней мере, один слой состоит из полимерной смеси вышеописанного состава.

Соэкструдат может иметь оба слоя в концентрической форме, то есть в форме сердцевины и оболочки. Вместо этого соэкструдат может также характеризоваться несколькими мононитями, которые уложены во втором слое, определяющем внешний профиль моноволокна. Далее, соэкструдат может состоять из сердцевины, которая определяет только часть объема, в то время как второй слой образует объем посредством дополняющих сегментов, например, характеризуется в основном прямоугольным поперечным сечением, которое преобладающе состоит из одного слоя и только в конце из другого слоя.

Независимо от конкретной геометрии соэкструдата, один слой которого образован из смеси полимеров согласно изобретению, второй слой может состоять из одного отдельного полиамида или смеси полиамидов, как и, наоборот, второй слой также может быть образован из термопластичного сложного полиэфира или смеси таких сложных полиэфиров.

Если соэкструдат состоит из сердцевины и оболочки, то предпочтительно сердцевина состоит из ПАТ или смеси полиалкиленовых сложных эфиров, в то время как оболочка образована из полиамида или смеси полиамидов.

В случае щетины для зубных щеток сердцевина определяет в основном поведение при изгибе и возможность регенерации формы, в то время как оболочка в основном ответственна за очищающее действие, за распределение наносимых сред или чистящих сред. Хотя такая щетина характеризуется повышенным впитыванием влаги в оболочке, однако это не отражается или лишь незначительно сказывается на прочностных свойствах, так как они в основном определяются сердцевиной с ее значительно сниженным влагопоглощением.

Сердцевина может также состоять только из термопластичного сложного полиэфира или смеси сложных полиэфиров, так как она непосредственно не принимает участия в чистящем действии, в то время как оболочка состоит из полимерной смеси согласно изобретению. Далее, полимерная смесь согласно изобретению может присутствовать как в сердцевине, так и в оболочке, причем в сердцевине соотношение смеси может быть повышено в пользу доли ПЭ или доли ПАТ, а в оболочке в пользу доли ПА.

Далее, исключительные прочностные свойства полимерной смеси согласно изобретению позволяют для сердцевины, состоящей из этой смеси, обеспечить оболочку из любого полимера, особенно из одного ПА или смеси ПА. Таким образом, становится возможным оптически различно окрашивать оболочку, что для ПЭ и смесей ПЭ возможно только очень ограниченно, в то время как, например, полиамиды могут окрашиваться особенно хорошо. Далее, эта комбинация материалов позволяет изготавливать оболочку очень тонкой. В зависимости от цели применения диаметр щетины варьируется от 5,0 мм для грубых щеток, как уличные щетки, вплоть до 0,1 мм для зубных щеток, косметических щеток и т. д. У щетины с диаметром от 0,5 до 5 мм оболочка может иметь толщину от 0,01 до 0,5 мм. У щетины для зубных щеток с диаметром в области от 0,1 до 0,3 мм толщина оболочки может находиться в области между 10 и 50 мкм. Таким образом, износ может определяться тем, что при длительной эксплуатации окрашенная оболочка изнашивается и обнажается сердцевина, неокрашенная или, по крайней мере, другой окраски, так что потребитель визуально обращает внимание на степень изношенности.

Далее, полимерная смесь согласно изобретению со своими определяющими стабильность свойствами позволяет изготовить трехслойный соэкструдат тем что, например, сердцевина состоит из ПАТ или смеси ПАТ, второй слой состоит из полимерной смеси согласно изобретению и внешний слой образован эластомером или смесью эластомеров. При этом особенно рекомендуется сополимер простого и сложного эфира вследствие своего сродства к доле сложного полиэфира в среднем слое. Здесь также с помощью внешнего полезного слоя выполняются оптимальные требования к щеткам, очистке, массажу или нанесению сред.

Далее, сердцевина также может быть получена в виде полой сердцевины, чтобы поглощать среды и подавать их на свободные концы щетины.

Далее, для щетины, состоящей из сердцевины и оболочки, в том случае, если оболочка состоит из полимерной смеси согласно изобретению или из ПА, или смеси ПА, механическая обработка концов щетины приводит к улучшению качества, в частности возможны безупречные закругления без образования кромки.

Изобретение относится к технологии получения термопластичных моноволокон и может быть использовано при производстве для щетины, которая при использовании подвергается воздействию повышенной влажности. Моноволокно состоит из полимерной смеси из, по крайней мере, одного полиамида (ПА) и, по крайней мере, одного термопластичного сложного полиэфира (ПЭ). Соотношение смеси выбрано в соответствии с технико-функциональными свойствами, определяемыми назначением щетины, с одной стороны, и окружающими условиями на месте использования щетины, с другой стороны. Доля полиамида составляет 10-30 мас.%. Доля полиэфира составляет 70-90 мас.%. Полученная щетина полностью удовлетворяет необходимым функционально-техническим требованиям и окружающим условиям при употреблении при уменьшенной ее стоимости. 15 з.п. ф-лы.

1. Термопластичное моноволокно для щетины, при использовании подвергающейся повышенной влажности, при этом моноволокно характеризуется полимерной смесью из, по крайней мере, одного полиамида (ПА) и, по крайней мере, одного термопластичного сложного полиэфира (ПЭ), отличающееся тем, что соотношение смеси ПА/ПЭ включает долю ПА от 10 до 30% мас. и долю ПЭ от 70 до 90% мас.2. Моноволокно по п.1, отличающееся тем, что термопластичный сложный полиэфир является полиалкилентерефталатом (ПАТ).3. Моноволокно по п.1, отличающееся тем, что термопластичный сложный полиэфир является полиэтилентерефталатом (ПЭТ), или полибутилентерефталатом (ПБТ), или их смесью.4. Моноволокно по одному из пп.1-3, отличающееся тем, что полиамид (ПА) является смесью различных полиамидов.5. Моноволокно по п.4, отличающееся тем, что компоненты смеси полиамидов выбраны из группы ПА 6.10, ПА 6.12, ПА 11, ПА 12 и из группы ПА 6, ПА 6.6.6. Термопластичное моноволокно в форме, по крайней мере, двухслойного соэкструдата для щетины, которая при использовании подвергается повышенной влажности, при этом соэкструдат имеет сердцевину и оболочку и, по меньшей мере, оболочка состоит из полимерной смеси, по меньшей мере, одного полиамида (ПА) и, по меньшей мере, одного термопластичного сложного полиэфира (ПЭ), отличающееся тем, что соотношение смеси ПА/ПЭ включает долю ПА от 10 до 30% мас. и долю ПЭ от 70 до 90% мас..7. Моноволокно по п.6, отличающееся тем, что сердцевина состоит из полиамида или смеси различных полиамидов.8. Моноволокно по п.7, отличающееся тем, что компоненты смеси полиамидов выбраны из группы ПА 6.10, ПА 6.12, ПА 11, ПА 12 и группы ПА 6, ПА 6.6.9. Моноволокно по п.6, отличающееся тем, что сердцевина состоит из термопластичного сложного полиэфира или смеси таких полиэфиров по п.2 или 3.10. Моноволокно по одному из пп.6-9, отличающееся тем, что сердцевина состоит из чистого ПАТ или смеси полиалкиленовых сложных эфиров.11. Моноволокно по одному из пп.6-9, отличающееся тем, что также сердцевина состоит из полимерной смеси, в которой соотношение смеси ПА/ПЭ включает долю ПА от 10 до 30% мас. и долю ПЭ от 70 до 90% мас.12. Моноволокно по одному из пп.6-11, отличающееся тем, что, по меньшей мере, один слой двухслойного соэкструдата по сравнению с другим слоем является оптически различно окрашенным.13. Моноволокно по одному из пп.6-12, отличающееся тем, что сердцевина имеет диаметр между 0,1 и 5,0 мм и оболочка имеет толщину между 0,001 и 0,5 мм.14. Моноволокно по одному из пп.6-13, отличающееся тем, что для щетины зубных или косметических щеток сердцевина имеет диаметр между 0,1 и 0,3 мм и оболочка имеет толщину от 0,001 до 0,005 мм.15. Моноволокно по одному из пп.6-14, отличающееся тем, что оно состоит из трехслойного соэкструдата с сердцевиной и оболочкой и внешним слоем из эластомера.16. Моноволокно по одному из пп.6-15, отличающееся тем, что сердцевина формируется в виде полой сердцевины.