专利名称：构造化制品的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种经短纤维或粒子构造化(textured)的制品。
表面经过短纤维或织构粒子构造化的材料比如可用作牙科卫生用具(比如牙刷、牙线、牙缝刷)和研磨用品(比如修甲或修足用品、清洁用品)。目前而言，短纤维或织构粒子一般是利用粘合剂固着在表面上的。
本发明发现，不采用粘合剂以使短纤维或织构粒子固着在基础材料或基体上也能制造出构造化的表面(比如用作牙线或牙刷刷丝)。通过热或化学软化一种预成型基体(比如由TeflonTM、KevlarTM、棉、聚酯、聚乙烯或其它塑料制成的膜、纤维、或线丝)，然后采用静电点涂器将短纤维或织构粒子施用到软化过的基体上，就能制得构造化材料。另外一种途径是，在基体成型(比如挤出、熔体吹制、铸模、编织或牵引工艺)过程中施用短纤维或织构粒子。
一般地，本发明其特征在于一种制造构造化制品的方法。制品可以是，比如牙科卫生用品(比如洁口刷具、牙线线丝)。此方法包括以下几个步骤，织构粒子(或双端短纤维的一端)与基体表面在织构粒子(或短纤维)或基体二者之一或全都经过部分软化的条件下(比如以溶剂处理或加热)进行接触；并使软化区域硬化以制造构造化制品。
上述方法中的接触步比如可在基体挤出之后但在基体冷却之前于包括有一个挤出步和一个冷却步的热挤出工艺中进行。
包括使用短纤维的方法也包括一个施加电磁场的步骤，它能使短纤维按照相对基体表面基本固定的角度定向排列。短纤维比如可涂以导电性物质(比如单宁酸和淀粉)。
按上述方法制造的制品也可视为本发明的一方面，如包括由上述方法制造的刷丝的牙刷和牙缝刷以及包括由上述方法制造的线丝的牙线。这类制品也可包括活性成份，可与水溶性物质如淀粉、果胶或纤维素混合。
本发明另一个实施方案其特征在于另一个制造构造化制品的方法。此方法包括以下几个步骤，挤出双层基体，其中外层包括短纤维；在基体冷却之前施加电磁场，使短纤维按照相对基体表面基本固定的角度定向排列，以制造构造化制品。
基体比如可以是按壳/核构造排列的同轴线丝，其中第一层是壳而第二层是核。
本发明另外一个实施方案其特征也在于一种制造构造化制品的方法。此方法包括以下几个步骤，向基体表面上喷涂一种包括短纤维的悬浮体；并随后施加电磁场，使短纤维按照相对基体表面基本固定的角度定向排列，以制造构造化制品。
悬浮体比如可包括溶解在溶剂中的聚合物，在此情况下此方法也包括除去溶剂以使短纤维在聚合物中以一定角度固定下来的步骤。
另外，悬浮体可包括熔融的聚合物；并且此方法进一步包含冷却聚合物以使短纤维在聚合物中按所述角度固定下来。
本发明另外一个实施方案其特征在于一种包括刷丝的洁口刷具(比如牙刷或牙缝刷)，其带有无需粘合剂即能固着的短纤维。
本发明再一个实施方案其特征在于一种包括线丝的牙线，其带有无需粘合剂即能固着的短纤维。
短纤维可通过热或化学软化短纤维的一端并随后使刷丝或线丝与短纤维的软化端相接触的方法而固着在洁口用具的刷丝或牙线的线丝上。再者，短纤维可通过热或化学软化刷丝或线丝的一个表面并随后使软化过的刷丝或线丝与短纤维相接触的方法而固着在刷丝或线丝上。另外一种方法是，短纤维可通过挤出同轴刷丝或线丝，其中外层含有净偶极性的短纤维，并随后在冷却之前施加电磁场以使短纤维按照相对刷丝或线丝表面基本固定的角度定向排列的方法而固着在刷丝或线丝上。短纤维可选包括活性成份。
新型制品和方法的优点包括改进了机械性能、增强了生物相容性、提高了对制品物理结构的控制能力以及以自由或受控释放(即粒子)形式用作治疗剂释放用储存器的潜在用途。
短纤维或粒子是通过熔化或溶解工艺而固着在基体上的；因此就能避免采用有毒的粘合剂。
不采用粘合剂的另一个好处是同粘合法相比，新型方法一般更能增强短纤维对基体的固着力；在某些情况下，这种固着是永久性的。因此，新型方法可制造出力学完整性更高的制品。
因为带有静电荷的粒子或短纤维可在电磁场的作用下定向排列，所以可精确控制纤维相对基体固定的角度。
经短纤维或粒子构造化的牙刷线丝可在刷牙过程中深入牙缝之间；这类线丝的直径可制得比普通牙刷线丝更细，而且还能显示出优异的力学完整性和弯曲回复能力。
构造化牙线在用牙线清理牙齿时也能增大清洁面。
从以下的详细描述中以及权利要求中都很容易看出新型制品和方法的其它特点和优点。
图1是牙刷的透视图。
图2是电动牙刷的侧视图，除去刷身以露出内部结构。
用于表面构造化的基体可制自任何的天然或合成物质，前提是至少一种组份能通过加热或化学的方法软化。适宜物质的例子包括，但并不限于淀粉、聚烯烃(比如聚乙烯和聚丙烯)、聚酰胺(比如NylonTM6-12、NylonTM6、聚邻苯二甲酰胺)、棉、KevlarTM、NPBT、缩醛树脂、聚酯(比如PET、PBT)、氟聚合物(比如PVdF、PTFE)、聚丙烯酸酯、聚砜及其混合物。其它适宜的聚合物材料包括热塑性弹性体比如聚醚酰胺(比如PebaxTM)、聚氨酯(比如PellethaneTM)、聚烯烃弹性体(比如SantopreneTM)、苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯嵌段共聚物、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物、苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物(比如KratonTM橡胶)及其混合物。这些聚合物材料可含有填料和添加剂，从而赋予刷丝以强度、润滑、织构、摩擦和色泽性能。适宜填料和添加剂的例子包括高岭土、PTFE、二氧化钛等。
短纤维或织构粒子一般与一种或多种上述的天然或合成材料、净电或磁偶极性的粒子或纤维相混合。可利用混合设备如双螺杆挤出机，通过各类纤维级聚合物树脂与磁性材料如氧化铁、钐钴或钕的混合来产生磁偶极性。纤维或粒子中所含的磁性材料其百分比典型地约为1～20wt.％。可将粒状混合物挤出成型为超细纤维(即直径约0.004″～0.1″并切成0.03″～0.25″长)。
构造化组分中可添加树脂并混合成一相。另一种方法是，各个独立的相可以共挤出成各种构造，比如以一种材料为中心螺旋而另一种材料构成外层环状壁面、一种聚合物形成壳层包裹住另一聚合物(壳/核)、一种聚合物于另一聚合物膜上形成涂层的三室(即三个腔)型刷丝，或者是结构上平行排列的聚合物。各组份也可包括多芯纤维(比如用作牙线)、为壳所包裹的单纤维(比如牙线、洁口刷具的刷丝)、片体(比如膜或罩面材料)或其组合形式。
可采用电磁场或电流以使短纤维或织构粒子相对基体的熔融表面定向排列。在构造化制品的制造过程中，也可采用电磁场或电流以使所有纤维都能按特定的角度定向排列。比如静电场就能使短纤维相对基体表面垂直定向排列。就磁场定向法而言，需要选择熔融温度低于磁性丧失温度的基础材料。
短纤维或织构粒子可按照有规图案(比如沿基体各个方向均匀分隔、按几何图形排列或者按数字、字母或其它装饰性图案的形状排列)或随机分布的方式固着。比如可通过不连续软化基体表面的方法来形成图案，或采用蜡纸、筛板或其它掩蔽方法以使短纤维或粒子有选择性地穿入柔化表面的特定区域。纤维或粒子也可沿着线丝的长度方向螺旋状排列，或者在线丝的正反两侧排列成两条单线。
因为表面的构造化处理不一定会为主体纤维的结构完整性所要求，所以可采用特种纤维为牙刷或牙线线丝提供增加的功能。可向线丝中引入的独特纤维的例子包括超吸收性纤维、抛光纤维和润滑纤维。所有可生产类型的纤维都可作为用以表面构造化的短纤维。短纤维的长度和旦数可变。适于静电涂覆的纤维其长度在0.03″～0.25″的范围内。除此之外，各种类型的粒状材料都能采用，包括各种类型的微米级磨料、TeflonTM、和盐。本发明并不限于这些材料在纤维表面上的应用；对包括泡沫、塑料、金属和木材的表面也适用。
基体、短纤维和/或织构粒子可经由药剂或其它活性成份进行处理。另外，短纤维或织构粒子还可由生物降解型或水溶性物质制成，活性成份溶于其中。纤维或粒子比如可由淀粉制成。
各种不同的物质，单独或以任何适宜的混合形式，均可用作活性成份。对于在牙科卫生用具中的用途而言，物质或物质的混合体必须是适于口腔应用的(比如在按本文所需的用量采用时无毒)。适宜的活性成份包括，比如治疗剂(比如杀菌剂、抗龈炎剂、消炎剂、防龋齿剂、口气清新剂、脱敏剂、防结石剂、抗菌斑剂、抗病毒剂、密封剂、再矿化剂)、非治疗剂(比如香料、香水、增亮剂、颜料、染料、表面活性剂、磨料或泡腾剂比如碳酸氢钠)、油料(比如香精、芳香油、香油和油溶性治疗剂如Triclosan)及其混合物。
适宜的活性成份的例子包括氟化钠、氟化亚锡、单氟磷酸钠、chlorhexidine、chlorhexidine盐、四环素、氯化十六烷基吡啶鎓、triclosan、焦磷酸四钠、焦磷酸二氢二钠、氯化锌、柠檬酸锌、氯化锶、草酸钙、硝酸钾、桉叶油素、薄荷醇、百里酚、十二烷基硫酸钠、聚氧化乙烯山梨醇脂肪酸酯、硫酸钙、过氧化物、薄荷油和肉桂。其它适用的添加剂包括聚丙烯酸酯、角叉菜胶、羧甲基纤维素、硅石、铝土、FD&C蓝2#和色淀FD&C蓝#2。
活性成份也可包括粘合剂，以赋予松密度和粘度。适宜粘合剂的例子包括合成的有机聚合物(比如Carbopol树脂)、无机化合物(比如石英粉末)、改性的纤维素化合物(比如羧甲基纤维素和羟乙基纤维素)、天然蔬菜胶(比如角叉菜胶和藻酸钠)和细菌胶(比如黄原胶)。
这些物质的优选浓度取决于活性成份所需的功能并且很容易为技术人员所确定。
活性成份可以是任何许用的形式，包括溶液、分散体、微乳液、凝胶、膏体和粉末。除此之外，可将物质吸收在于某个表面上施用的微粒的外表面上。
虽然一般优选活性成份沿着整个构造化制品的长度和宽度方向均匀分布，但是活性成份也能以点块状或其它非均匀的分布形式分布。
可采用酸或碱(比如甲酸、盐酸、硫酸、硝酸、乙酸、氢氧化钠、氢氧化钾、氨水或碳酸钠)、有机溶剂(比如乙酸乙酯、丙酮、氯仿、己烷、乙醇、二氯甲烷、甲醇、石油醚、乙醚或丙烯腈)或者是热，以软化基体材料从而使短纤维或织构粒子得以穿入表面并在中和、稀释或冷却之后物理固着于表面上。
在本发明的某些实施方案中，即短纤维或粒子悬浮在熔融的聚合物中，并用以涂覆基体表面或者挤出形成同轴线丝的外壳，纤维可由熔融温度范围比外壳或涂层中所用的材料高得多的材料制成，从而使细纤维能够保持其力学上的完整性。纤维可由能固着在外壳材料上的树脂制成，以使短纤维能牢固地锚固在所制的线丝上。
为提高磁性纤维或粒子的力学完整性，可涂以一层薄薄的天然或合成表面涂层。表面涂层也能避免线丝在经过长时间磨损后生渍。
PebaxTM聚醚酰胺材料特别适于制造新型制品和方法中所用的线丝，因为可从不同级别的PebaxTM制造出各种各样的纤维并且其熔融温度相对较低(即160～180C)。用作主体外壳材料的树脂其熔融范围应该理想地相对较低，鉴于短纤维要保持其纤维特性之故。除此之外，如果采用磁性偶极来使细纤维在双组份线丝的壳层中定向排列，所升高的温度应该理想地不会有损于材料所显示的磁性。
纤维在所挤出的双组份线丝的外壳中的定向排列一般取决于多个变量，包括挤出机的速度以及用以产生定向排列效果的磁场或电场的强度。因此，毛刺状线丝可能不一定非得相对主体纤维垂直定向排列，而是有可能以某个角度。
也可采用类似制造管道清洁用具时所用的步骤来制造构造化制品，特别是在基体包括线丝的实施方案中。在管道清洁用具的制造过程中，当两根金属线扭在一起成核时，短纤维就夹在两线之间。这些纤维构成了管道清洁用具的清洁部件。在工艺过程中可对纤维的角度和密度/充填度进行控制。另外，经过最初的构造化工艺之后可在制品的外围缠上其它纤维。
洁口刷具包括牙刷和牙缝刷。牙刷一般包括刷体，带有一个手柄和刷头。刷头包括刷丝束、反复折叠成一排刷刺的膜或者是二者组合的形式。在新型牙刷中，短纤维或织构粒子从一部分或全部刷丝或刷刺上伸出。
牙缝刷也包括手柄和刷头。牙缝刷的刷头一般包括一根坚硬的丝干，其直径小到足以容入牙缝。本发明的一个实施方案是一种新型牙缝刷，带有从丝干上突出的短纤维或织构粒子。
与目前牙刷中所用的标准(即8mil)线丝相比，细(即4-5mil)线丝具有更强的牙缝穿透能力，但其物理强度却由于直径较细而受影响。短纤维构造化的牙刷线丝能提高牙缝穿透能力却无损主体丝干的结构完整性。除此之外，短纤维线丝也增大了表面积并且在每个线丝上形成独特的表面构造，这有利于提高噬菌斑的清除效果。在牙线纤维或牙刷线丝的表面上加以功能独特的细纤维，能提高治疗效果。参见图1，牙刷10包括牙刷体12，有手柄14和刷头16，并且刷丝部分18固着在刷头16上。短纤维20从刷丝18上伸出。
牙刷10的刷体12可采用现有技术中已知的常用方法制造。手柄制成适合手持的形状，但可选制成电动牙刷的形状。刷头的构造可变并且可以是长方形、椭圆形、菱形或任何其它形状。刷丝未固着的一端可修成齐头、V形、锯齿形、弧线形或其它任何所需的形状。手柄14和刷头16的形状和尺寸可变并且手柄和刷头的轴心可处于相同或不同的平面上。刷丝部分18由按现有技术已知的方式，比如订制或热成束，固着在刷头上的各个刷丝的一个或多个丝束构成。短纤维可经前述的任何方法固着在刷丝上。刷丝和短纤维可由上述适于用作组件材料的任何材料制成。
刷丝的横截面积基本上是均匀的，为约0.003″～约0.15″。刷丝可切成对牙刷应用而言所需的长度。刷丝的形状可能是圆柱形，虽然刷丝也可能是各种适宜的形状(比如叶形、环形、多边形、正方形、长方形、六角形、菱形、锁孔形、X形、Y形、U形或星形)和构造。刷丝材料部分可加以弯曲或变形处理，于是各部分中有可能有一部分彼此不成直线。
牙刷可包括与构造化刷丝组合的其它类型的刷丝，比如单和多组份刷丝(比如通过不同聚合物的共挤出而形成的刷丝)、褶皱刷丝、上胶刷丝、多构造刷丝(比如多腔刷丝)及其组合形式。刷丝也可包括U.S.Ser.No.08/753,927所述的磨损指示器，在此就其全文参考引用。
短纤维刷丝可一部分或全部处于外围丝束中，或者一部分或全部位于内部丝束中。刷丝也能包括在非常规丝束中，其中刷丝并不紧固在刷柄上的洞中。
洁口刷具不一定是普通形状的手动牙刷，如图1所示，而且可能是专为刷牙而设计的任何类型的刷具，其包括刷体以及伸出刷体外的刷丝或刷刺。比如，牙刷可能是任何类型的电动牙刷，比如牙刷50，有其刷体52、颈54、驱动轴56以及通过驱动机构60(比如小齿轮)按可驱动的方式连接到驱动轴56上的刷头58，如图2所示。刷头58包括多个刷丝62，每个在其表面上都带有织构粒子64。
洁口刷具可以是牙缝刷，以清洁口腔的牙缝区域。这类洁口刷具可包括一根带缺口的单刷丝或者是在单个丝束中排列的多根带缺口的刷丝，其中每个刷丝都包括短纤维。
牙线包括任何用以清洁口中牙缝和牙龈的一定长度的柔性制品，包括比如单丝、多丝和/或涂蜡的牙线，或者是牙带。牙线一般包括一根由一根或多根连续线丝(比如多根捻合或编结的线丝)构成的纤维芯。
适宜用作牙线线丝的材料包括合成聚合物线丝(比如聚酰胺如NylonTM6、NylonTM612)、人造丝、聚乙烯、氟聚合物(比如PVdF、PTFE)、PBT、缩醛树脂、聚酯、DACRONTM和醋酸酯聚合物、聚丙烯酸酯、聚砜、热塑性弹性体，例如Kratons(比如苯乙烯-乙烯或苯乙烯-丁烯嵌段共聚物)、PebaxTM(比如聚醚酰胺嵌段共聚物)、热塑性聚氨酯及其混合物。这类材料优选在正常的牙线使用条件下其强度足以经得住剪切或断裂破坏。牙线也可包括U.S.Ser.No.08/753,927所述的磨损指示器，在此就其全文参考引用。
经短纤维或粒子构造化的牙线能提高噬菌斑的清除效果，而这是普通牙线所无法实现的。而且，构造化线丝或牙线的表面积能增强香味和治疗剂的传递能力并给出更软且刺激更少的表面。
在以下的实施例中对新型制品和方法作以进一步的说明，但这并不对本发明在权利要求中所述的范围构成限制。
C-Flex(肖氏A硬度30)90-milNylonTM6-6(20 WPI皱褶)22-milNylonTM(X形)16-milAmodel(PMX 93084)65-mil每种纤维芯都经88％甲酸处理15、30、45或60秒以软化表面。采用Dekkor B(Creative Coating Corp.Nashua，N.H.)手持静电植绒设备将0.05″、1.8旦的短NylonTM纤维(Claremont Flock，Claremont，N.H.)按上述方法静电施用到纤维芯的表面上。1分钟后以去离子水洗涤构造化纤维。
除了构造化纤维之外，采用上述的酸软化工艺测试了各种类型的塑料膜。PebaxTM膜经过酸软化并随后以0.05″～0.15″长的NylonTM纤维进行构造化处理。
权利要求
1.一种制造构造化制品的方法，包含使双端短纤维的一端与基体表面在短纤维或基体二者之一或全都经过部分软化的条件下进行接触；并且使软化区域硬化以制造所述的构造化制品。
2.权利要求1的方法，其中制品是牙科卫生用具。
3.权利要求2的方法，其中牙科卫生用具是洁口刷具刷丝。
4.权利要求2的方法，其中牙科卫生用具是牙线线丝。
5.权利要求1的方法，其中通过以溶剂处理表面而使一部分基体表面软化。
6.权利要求1的方法，其中通过加热表面而使一部分基体表面软化。
7.权利要求1的方法，其中通过以溶剂处理短纤维而使短纤维与基体接触的一端软化。
8.权利要求1的方法，其中通过加热短纤维而使短纤维与基体接触的一端软化。
9.权利要求1的方法，其中接触步在包括一个挤出步和一个冷却步的热挤出工艺中于基体挤出之后但在基体冷却之前进行。
10.权利要求1的方法，其中进一步包含施加电磁场，从而使短纤维能按照相对基体表面基本固定的角度定向排列。
11.权利要求10的方法，其中对短纤维涂以导电性物质。
12.由权利要求1方法制造的制品。
13.权利要求12的制品，进一步包含活性成份。
14.权利要求13的制品，其中至少一部分短纤维包含水溶性物质与活性成份的混合物。
15.一种牙刷，包含由权利要求3方法制造的刷丝。
16.一种牙缝刷，包含由权利要求3方法制造的刷丝。
17.牙线，包含由权利要求4方法制造的线丝。
18.一种制造构造化制品的方法，包含使织构粒子与基体表面在织构粒子或基体二者之一或全都经过部分软化的条件下进行接触；并且使软化部分硬化以制造所述的构造化制品。
19.权利要求18的方法，其中制品是牙科卫生用具。
20.权利要求19的方法，其中牙科卫生用具是洁口刷具刷丝。
21.权利要求19的方法，其中牙科卫生用具是牙线线丝。
22.权利要求18的方法，其中通过以溶剂处理表面而使一部分基体表面软化。
23.权利要求18的方法，其中通过加热表面而使一部分基体表面软化。
24.权利要求18的方法，其中通过以溶剂处理织构粒子而使织构粒子软化。
25.权利要求18的方法，其中通过加热织构粒子而使织构粒子软化。
26.权利要求18的方法，其中接触步在包括一个挤出步和一个冷却步的热挤出工艺中于基体挤出之后但在基体冷却之前进行。
27.一种由权利要求18方法制造的制品。
28.权利要求27的制品，进一步包含活性成份。
29.权利要求28的制品，其中至少一部分织构粒子包含水溶性物质与活性成份的混合物。
30.一种牙刷，包含由权利要求20方法制造的刷丝。
31.一种牙缝刷，包含由权利要求20方法制造的刷丝。
32.牙线，包含由权利要求21方法制造的线丝。
33.一种制造构造化制品的方法，包含挤出双层基体，其中外层包含短纤维；并且在基体冷却之前施加电磁场，使短纤维按照相对基体表面基本固定的角度定向排列，以制造所述的构造化制品。
34.权利要求33的方法，其中所述的基体是按壳/核构造排列的同轴线丝，所述的第一层是壳而第二层是核。
35.一种制造构造化制品的方法，包含向基体表面上喷涂包含短纤维的悬浮体；并且施加电磁场，使短纤维按照相对基体表面基本固定的角度定向排列，以制造所述的构造化制品。
36.权利要求35的方法，其中所述的悬浮体包含溶解在溶剂中的聚合物，并且此方法进一步包含除去溶剂以使短纤维在聚合物中以所述的角度固定下来。
37.权利要求35的方法，其中所述的悬浮体包含熔融的聚合物；并且此方法进一步包含冷却聚合物以使短纤维在聚合物中以所述的角度固定下来。
38.一种包含刷丝的洁口刷具，其中刷丝上带有并非粘于其上的短纤维。
39.权利要求38的洁口刷具，其中短纤维进一步包含活性成份。
40.权利要求38的洁口刷具，其中短纤维是通过热或化学软化短纤维的一端并随后使刷丝与短纤维的软化端相接触的方法而固着在刷丝上的。
41.权利要求38的洁口刷具，其中短纤维是通过热或化学软化刷丝的一个表面并随后使软化的刷丝与短纤维相接触的方法而固着在刷丝上的。
42.包含线丝的牙线，其中线丝上带有并非粘于其上的短纤维。
43.权利要求42的牙线，其中短纤维进一步包含活性成份。
44.权利要求42的牙线，其中短纤维是通过热或化学软化短纤维的一端并随后使线丝与短纤维的软化端相接触的方法而固着在线丝上的。
45.权利要求42的牙线，其中短纤维是通过热或化学软化线丝的一个表面并随后使软化的线丝与短纤维相接触的方法而固着在线丝上的。
46.权利要求42的牙线，其中短纤维是通过挤出同轴线丝的方法而实现固着的，其中外层含有净偶极性的短纤维；并且在挤出的线丝冷却之前施加电磁场，使短纤维按照相对线丝表面基本固定的角度定向排列。
全文摘要
本发明发现,不采用粘合剂以使短纤维或织构粒子固着在基础材料或基体上也能制造出植绒或构造化材料(比如用作牙线或牙刷刷丝)。通过热或化学软化一种预成型基体(比如由Teflon
文档编号A61C15/04GK1308500SQ99808465
公开日2001年8月15日 申请日期1999年7月8日 优先权日1998年7月10日
发明者G·G·瓜伊 申请人:加拿大吉勒特公司