Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung von Island-in-the-Sea-Monofilamenten für Zahnbürstenborsten mit erhöhter Reinigungsleistung - 1000-in-1-Filament

Das Projektziel ist die vereinfachte Fertigung biegesteifer Bikomponentenfasern des Typs „Island-in-the-Sea“ mit einer hohen definierten Anzahl an Mikrofilamenten für die Zahnreinigung. Die freien Borstenenden in der Zahnbürste werden über eine flexible feinfaserige Struktur verfügen, um Fissuren leicht zu erreichen. Durch die hohe Flexibilität der Borstenenden in Kombination mit deren großen Oberflächen wird die Zahnvorsorge signifikant verbessert. Die übergeordnete Arbeitshypothese des Vorhabens besteht darin, die Reinigungsleistung von Zahnbürsten zu erhöhen, indem Mikrofilamentbündel als Borsten verwendet werden, die in ein Versteifungssystem (Matrix) eingebettet sind. Es wird untersucht, ob sich die im Rahmen des am DWI durchgeführten Vorgängerprojektes erforschte manuelle Fertigung von Filamentbündeln mit einem Versteifungssystem (Schrumpfschlauch) auf einen industriellen Fertigungsprozess mit einem Polymermatrix- Versteifungssystem übertragen lassen. Die sich hieraus abgeleitete Arbeitshypothese ist, dass sich die genannten Borsten erzeugen lassen, indem anstelle gebündelter Mikrofasern spaltbare Bikomponentenfasern des Typs „Islands-In-The-Sea“ im Schmelzspinnverfahren hergestellt werden. Hierbei werden zunächst Mikrofilamente während des Spinnprozesses in eine Matrix eingebettet. Eine weitere Arbeitshypothese ist, dass die Trennung der Mikrofilamente von dem Versteifungssystem an der Borstenspitze ohne Zusatz chemischer Mittel, sondern gezielt mechanisch durch Schleifen oder multidirektionale mechanische Kräfte radial zur Längsachse der Borsten erfolgen kann. Die KMU`s entlang der Herstellungskette von Bürstenborsten profitieren durch die innovativen Bikomponentenborsten durch Umsatzsteigerungen aufgrund von neuartigen Produkten.

Ergebniszusammenfassung:

Als zentrales Ergebnis stehen mehrere in Kooperation mit dem PBA-Mitglied Sossna GmbH entwickelte Spinndüsen und deren Geometrien sowie ein stabiler Herstellungsprozess für die Bikomponentenfasern. Die Anwendungsmöglichkeiten der Simulation reichen über „Bikomponentenfilamente für Zahnbürstenborsten“ hinaus und können in nahezu jedem Faserbildungsprozess mit eingesetzt werden. Auch eine Anwendung in der Kunststofftechnik ist denkbar. Das gewonnene Knowhow kann neben dem Anwendungsfall Zahnbürstenborsten auch für weitere Monofilamentprozesse, wie beispielsweise Bürstenborsten oder Kunstrasenfilamente eingesetzt werden.

Im Rahmen der Arbeiten der ZPP wurde zunächst das Abrasionsverhalten kommerziell erhältlicher Zahnbürsten auf gesunder und säure-erodierter Zahnhartsubstanz untersucht. Zusammenfassend zeigte sich, dass auf gesunder Zahnhartsubstanz das größte Schädigungspotential für die meisten der untersuchten Parameter für die Zahnbürste Muji fine bristles beobachtet werden konnte, wohingegen die Curaprox 5460 das geringste Schädigungspotential für die meisten der untersuchten Parameter zeigte. Insgesamt zeigte die Demonstratorzahnbürste auf gesunder ebenso wie auf säure-erodierter Zahnhartsubstanz vergleichbare Abrasionswerte in Schmelz und Dentin wie handelsübliche Zahnbürsten.

Da sich im Rahmen der Nutzung der Demonstratorzahnbürste Einschränkungen hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften der Borsten („Kniebildung“, „Blumenstraußeffekt“) zeigten, weist dies auf eine über dieses Projekt hinausgehende Notwendigkeit der Optimierung mechanischer Eigenschaften hin. Trotz dieser Einschränkungen zeigte die Demonstratorzahnbürste die beschriebene statistisch signifikante Überlegenheit im Vergleich zu kommerziell erhältlichen Zahnbürsten, sodass vermutet werden kann, dass diese Überlegenheit bei Beseitigung der beschriebenen mechanischen Einschränkungen noch deutlicher ausfällt.