专利名称：具有不同硬度的刷毛的制作方法本发明总体上涉及刷子和刷子生产领域，更具体地讲，涉及一种刷毛组件，其中，刷毛的底部末端与支撑梁连接，它可以采用基线、粘接线或其他将刷毛的共同底部末端结合在一起以便形成一排的形式。所述刷毛组件的特别有用的用途是这样的刷子结构其中，刷毛组件片段跨越刷子头或其他支撑结构的开放部位，并且所述刷毛的弹性至少部分是由所述支撑梁的扭转特征决定的。相关技术的说明以前的申请，如U.S.SN09/092092；09/092094；09/455308和09/550657披露了一种生产刷毛组件的方法，该方法包括将聚合物单丝缠绕在一个心轴上，并且通过施加溶剂、粘接剂或热能将单独的缠绕条与一个或多个基线粘接在一起。根据上述申请，披露了一种用于生产包括一个心轴，如矩形形状的心轴的刷毛组件的装置，在所述心轴上缠绕了至少一个连续的丝条或单丝。所述丝条或单丝形成多个“缠绕条”，这些缠绕条与至少一个“基线”接触，这些基线大体上垂直于缠绕条。在所述缠绕条和基线的接触点上，采用超声波能量或其他方式将所述单独的缠绕条和基线粘接在一起。在一个下游加工点上，使用切割工具将所述粘接的基线和缠绕条切割成刷毛组件。在图1中示出了一种用于生产刷毛组件的特别优选的装置，其中，装置10包括一个矩形形状的心轴12，在心轴周围缠绕着单丝14。缠绕机构16绕心轴12旋转，绕出多个“缠绕条”18，通过一个总体上用编号20表示的输送机构，使所述缠绕机构沿心轴12垂直运动。由靠近相应的加热元件24的供应源(未示出)提供四个基线22，使其与所述缠绕条接触。当给与基线接触的超声波加热元件提供能量时，彼此接触的单丝缠绕条和/或基线的表面变成塑性材料；在冷却之后，该冷却是在缠绕条离开所述加热元件之后马上发生的，所述单丝缠绕条和基线被粘接在一起。当粘接的缠绕条和基线进一步离开所述加热元件时，它们会通过切割工具26，从图1中只能看到4个切割工具中的2个。切割工具26将粘接的缠绕条分割成4个刷毛串28，每一个刷毛串可以卷绕在线轴上(未示出)或卷绕在其他装置上，以便作进一步加工。图2是表示一个单丝缠绕条18和一个基线22的接触点的放大示意图。基线由超声加热元件的角形物30固定，而由输送机构20的缆索32使单丝缠绕条在心轴12上平移。缆索32和基线22以相同的速度沿相同方向运动，以便将粘接的缠绕条和基线转移到切割工具26处，并且切割成独立的刷毛串28。在图3中示出了一个刷毛串28，它具有一个基线22，以及由事先被用于形成缠绕条的单丝构成的两排刷毛34和36。所述两排刷毛具有形成V形的倾向，使基线位于“V”字的顶点。可以采用进一步的加工步骤，使得所述刷毛排彼此平行；必要时还可以采用其他取向。
在上述申请中披露了如何生产刷毛串，以及如何将它们与刷子主体结合形成各种刷子的细节。在使用本文和上述申请中所披露的刷毛串生产刷子时，将所述刷毛串切割成被称为“刷毛组件”的长度。可以将所述长度的刷毛包埋在或以其他方式粘接在刷子主体上，以便形成各种大小、形状和类型的刷子。
尽管上文所述的刷毛组件具有很多优点，但是一直存在着对改进的刷子以及用在刷子上的改进的刷毛的需要，并且还需要用于改变或以其他方式控制刷毛的硬度，而又不必改变刷毛本身的物理参数的方法和装置。


本发明的一个目的是提供一种刷毛组件，其中，可以通过改变支撑所述刷毛的梁结构的一种或多种参数来改变刷毛的硬度。
本发明的另一个目的是提供一种刷毛组件，其中，可以通过改变用于支撑刷子的刷毛的梁结构的一种或多种参数来改变刷子的刷毛的硬度。
本发明的再一个目的是提供一种在不改变刷毛本身的材料或直径的前提下改变刷毛硬度的方法。
上述目的和其他目的是通过提供一种刷子实现的，该刷子包括一个刷子主体，至少一个刷毛组件，该组件包括具有相反的第一和第二末端的支撑梁，以及具有近端和远端的一排刷毛，在所述刷子主体和支撑梁之间至少有一个连接点，从而形成所述刷毛组件的延伸到自由空间的至少一部分，和用于改变所述刷毛组件的刷毛硬度的装置。
用于改变刷毛硬度的优选方式是所述梁的物理参数，如截面形状、材料特性，如杨氏模量和厚度。用于改变硬度的其他方式包括用一种聚合物材料，优选弹性材料对至少靠近刷子主体的刷毛的下部进行涂装，以及改变刷毛的横截面，如通过使其末端部分逐渐变细来改变刷毛的横截面。
通过参考以下详细说明和附图能够更好地理解本发明的上述和其他目的及特征。
附图的简要说明图1是用于生产刷毛串的装置的示意图；图2是表示图1所示装置中的单丝缠绕条和基线之间的接触点的放大剖视图，该接触点大体上位于超声波加热装置上；图3是包括与基线连接的第一排和第二排的刷毛的刷毛串的正视图；图4是表示跨越刷子头上的两个点、通过一个开口或开放空间的刷毛组件的垂直的纵剖视图；图5是沿图4中IV-IV线的垂直的横剖视图；图6是刷毛组件的端视图，其中，用一种弹性材料对刷毛的下部或近端部分进行涂装，以便提供额外的硬度；图7是表示构造基线变形率作为基线厚度或直径的曲线图；图8是刷毛组件以一定间隔与刷子主体上表面连接的侧面正视图；图9是刷毛组件的侧面正视图；图10是图9所示刷毛组件的端视图；图11是图9所示刷毛组件在刷毛远端部分逐渐变细以后的侧面正视图，和图12是图11所示刷毛组件的端视图。
优选实施方案的详细说明参见图4和5，刷毛组件38具有一个基线40和两排刷毛42和44。刷毛组件38固定在两个固定结构46和48上，在它们之间是一个开放空间50。固定结构46和48可以是同一个刷子头的不同部分，例如，其中由刷子头形成一个开口，而刷毛组件38跨越所述开口延伸到自由空间中。对于本发明来说，刷毛组件38的长度不受限制，或者自由地跨越连接或固定在相对不运动的结构或半刚性结构上的相反的两个末端之间。
在过去，刷毛的硬度一直是通过刷毛的某些参数而在一定程度上加以控制的，如改变其长度或高度、截面形状、粗细、以及所使用材料的类型。采用按本文所述方法制造的刷毛组件，可以生产具有相对较高的纵横比的刷毛排列、平均长度、细的刷毛排。这种刷毛组件具有节省生产成本的额外优点。
本发明的一个方面是，当通过将刷毛的相反两端连接在刷子主体上的不同点上而将单个的刷毛组件悬挂在自由空间中，同时位于所述相反两端之间的长度的支撑梁保持不连接或者部分分离时，就产生了另一种控制硬度的机制即刷毛组件的底部结构的扭转运动和弯曲，可以使刷毛的表观硬度发生改变。例如，刷毛可以绕悬挂的基线或其他支撑“梁”结构的轴线转动，其结果是，感觉上要比所述梁结构完全连接在刷子主体上时更柔软一些。因此，举例来说，通过改变基线的特性或者通过改变生产基线的材料，可以使较大直径的刷毛在感觉上比较细刷毛单丝更柔软或者与它同样柔软。所述特征包括生产基线或其他梁材料的杨氏模量；基线的直径；基线的几何形状或截面形状；位于两个连接点之间的基线的未连接的长度；施加在基线上的张力；以及所述支撑梁的扭转硬度和弯曲硬度。
当让刷毛组件的基线部分跨越两个连接点之间时，可以实现其他刷毛动作或运动。所述跨越长度可以通过设计的刷子类型确定，如牙刷(与真空刷子相对)、总体大小、和所需要的活动程度。对于特定材料来说，在刷毛组件中保持基线几何形状、刷毛直径和刷毛高度稳定，刷毛的柔软度会根据沿着所述刷毛组件的非连接部分的位置而改变。第一簇和最后一簇刷毛(与连接点最近的刷毛)具有最大的硬度，而中间的刷毛最柔软。
通过每一个刷毛顶端，根据由以下因素所产生的累加作用所产生的不同的位移，由沿着悬挂长度所施加的恒定的力产生了感知硬度的连续变化刷毛的弯曲、基线在刷毛底部部分的转动程度(扭转运动)、基线在刷毛底部的弯曲或扭曲、以及对基线材料特性的选择。位于与刷子头的连接点或与该连接点并列的刷毛组件中的刷毛具有有限的运动，主要是弯曲运动，并且类似于形成在传统刷子的簇毛孔的刷毛。尽管位于靠近所述固定点的刷毛具有类似于传统刷子的刷毛的运动，但是距离所述连接点更远一些的刷毛，由于基线组件的作用而具有逐渐降低的硬度值(更大的运动)。
上文所述的基线可以是在以前的申请中所披露的独立的材料条，或者可以通过没有与基线连接的刷毛的熔合部位形成其他“梁”，如当刷毛并排排列，并且在底部熔合在一起时。所述熔合部位就成为梁或基线。还可以用胶线或挤压线形成所述梁。
通过对上述参数进行组合和匹配，人们实际上可以制成具有任何程度的刷毛硬度的刷毛组件产品。通过组合物理尺寸，并通过使用固体或具有孔隙的长丝材料，可以将刷毛组件制成具有一定范围的硬度。横跨连接点之间的距离，以及在某种程度上所述张力，也将可以对定制运动范围做出贡献。
线性刷毛组件中的刷毛，如在以前的申请中所披露的刷毛，能比在传统簇毛孔中密集堆积的刷毛更自由地运动。传统簇毛技术将10根刷毛集中在一个孔中。所述孔可以具有很多形状，但共同之处是它们具有低的纵横比，圆形孔的纵横比为1.0，椭圆形或矩形孔的纵横比高达10。当集中在所述孔中时，大多数刷毛与各方面的相邻的刷毛接触，并因此产生摩擦。这样，通过由这些相邻的刷毛提供的支撑，提高了特定直径刷毛的刷毛硬度，并有效缩短了能自由运动的长度。比较而言，本文所披露的刷毛组件具有较大的纵横比。因此，单根刷毛具有较少的与它相互作用、并且支撑着它的与它相邻的刷毛，并且因此硬度较低。
参见图7，对尼龙刷子长丝进行了模拟，并示出了其结果。使用作为常数的直径为0.006英寸的尼龙刷毛，而基线是变化的，用钢材作为底部，以便与扭力“硬”材料进行比较。在水平轴线上，示出了以英寸为单位的沿底部长丝的距离。假设连接是以1英寸的间距分布的，最大弯曲出现在所述跨度的中间点上。所示出的钢材基线因为它本身所固有的特性以及所施加的力而没有弯曲。不过，直径较小、模量较低的聚合物基线的弯曲程度增加。总之，可以看出刷毛的弯曲，从末端刷毛到中央刷毛是变化的，并且所述底部长丝只有略微的弯曲。另外，弯曲是刷毛悬臂弯曲加上底部长丝旋转的总和，而底部长丝直径对刷毛弯曲有很大影响。
利用跨越刷毛组件在不同的点上连接刷毛组件，而留下不连接的部分，这样做在不同类型的刷子上具有多种可能的用途。例如，在真空结合中，开放的刷子头连接，使得空气能够通过所述刷子结构向上流动，并且保持最小的空气流阻力，因为刷毛没有必要被连续地包埋在支撑结构中。在这种情况下，为了进行一般性清理，高扭转硬度是优选的，以便在刷毛长度上具有很小的扭转弯曲。
在某些摩擦型刷子用途中，刷毛的侧面比刷毛的顶端更有用。在使用较大的刷毛时，这些刷毛不容易弯曲，因此其使用通常更多地局限于顶端。通过将这种刷毛连接在可以在力的作用下发生扭转的支撑底部结构上，刷毛倾向于偏离旋转方向，并且更多地暴露出刷毛的侧面，从而增加了工件和刷毛之间的接触面积(从而获得了效率)。
清洗刷——用于诸如橡胶软管末端上的、用来清洗汽车的刷子应当是柔软的，并且可以让流体(清洗液或漂洗液)与刷毛一同工作。优选的结合应当使得所述溶液能够从刷毛的底部排出。这样一来不仅能够连续湿润刷毛，而且还能清除滞留在刷毛中的有害的污物颗粒。需要柔软的刷毛，以避免损害汽车的光泽。刷毛的侧面比刷毛的末端对汽车光泽的磨损更小。因此，如果它能够通过扭转弯曲暴露出刷毛侧面而不是顶端的话，就可以使用更硬一些的(强力侵入)刷毛。
在其他刷子设计中，具有足够硬度的底部结构的刷毛组件可以不需要本领域传统意义上的支撑主体、刷子头或金属丝。所述组件的底部结构可以直接连接在手柄上，如在画眉刷或洗瓶圆刷中的情况。通过正确选择与刷毛连接的所述底部结构的横截面，可以使该底部结构对弯曲来说相对较硬，但从扭转角度来看比较柔软。这样使得刷毛在沿轴向运动使用时比较硬，而在做旋转运动使用时比较柔软。
一般，所述刷毛组件没有必要在基线的末端连接，如将刷毛组件悬挂在刷子头或其他支撑结构的开口上面。例如，在图8中，刷毛组件64包括一个基线66和一排刷毛68。在这种情况下刷毛组件以一定的间隔与刷子头70的上表面连接，如通过点焊缝72、74和76连接。与上文披露的内容吻合，最接近所述点焊缝的刷毛具有最大的表观硬度，因为所述点焊缝对基线66的扭转运动量有制约作用。不过，可以通过控制由焊接材料覆盖的基线的表面积的大小，控制由所述点焊缝提供的制约量。用焊接材料完全覆盖基线将会产生最大的限制作用。
点焊缝可以通过任何传统方式进行，包括超声波加热(假设刷毛和基线中的一种或两种是由聚合材料制成)、粘接剂粘接、常规加热(与塑性变形相关)、以及实际上任何其他合适方式。另外，如果圆形基线66是沿着刷子主体表面、沿着焊接线或胶缝连续连接的话，并且如果所述粘接只是在基线66和所述表面之间的切点上的话，所述刷毛会因为所述基线的扭转运动而表现出较低的硬度，这种扭转运动是由于基线没有与其周围完全结合这一事实而得以实现的。因此，通过控制基线与底部刷子结构的周向结合程度，能产生可控制的硬度。
对某些用途来说，优选非常细的长丝，因为这种长丝的柔软度及其进入小的部位的能力，如对于牙刷来说，进入小的齿间和齿龈部位的能力。不过，由于这种长丝截面积小，使得这种刷毛脆弱，并且在用于牙刷上时不耐用。因此，本发明的另一方面是为刷毛组件提供一种弹性涂层，它能加强所述刷毛组件从粘接部位到刷毛预定高度的长丝的强度。将所述涂层涂在刷毛的靠近刷子的一端。对所述涂层高度进行选择，以便产生需要的簇毛硬度。这种结构类似于没有适当清洗干净的、用过的油漆刷子，其中，由于位于底部的油漆干燥和变硬，使得刷毛的近端底部变得比远端部分粗。
对刷毛进行涂装，使得可以将诸如2-5密耳的长丝的细的长丝完整用于簇毛或刷毛组件中，并具有诸如6-10密耳的较大直径长丝的表观硬度。图6表示这样一种涂装的刷毛组件52，其中，沿着刷毛的近端部分，给其近端与基线58连接的两排刷毛54和56提供聚合物涂层60和62。涂层延伸的长度及其厚度和诸如硬度的材料特性，将决定为细的刷毛所增加的硬度量。
所述涂层可以是弹性树脂或其他合适材料，这些材料具有特定的机械性能，以便加强远离刷子的刷毛末端。所述涂层还能提供优选磨损指示、杀菌或其他理想特性的功能，这些功能是单丝刷毛本身难于整合的。所述弹性树脂涂层，还能通过在基线和刷毛之间增加额外的粘性，减少刷毛从刷毛组件上脱落的可能性。在生产刷子的过程中，刷子生产者还可以将所述涂层用作粘接剂，特别是在采用不使用基线的技术时。
刷毛组件的非粘接末端不进行涂装，也不与相邻的长丝结合。这种结构具有类似于锥形长丝的性能。这种结构还具有抗张开的倾向。特定长丝的硬度由所使用的树脂的相对粘度、所涂敷的树脂的厚度以及被处理刷毛的面积(高度)决定。
涂装对于局限于最低5密耳的刷毛的牙刷来说具有特别的用途。直径这样小的刷子，由于存在会导致张开的磨损而具有相对缩短的使用寿命。在传统簇毛刷子上，如果不是不能够在刷毛上涂上薄的涂层，那涂起来也将是困难的，因为要将刷毛堆积在密集的簇毛孔中，由于同一种原因也不能选择要涂装的刷毛。使用本文以及以前的申请中所披露的刷毛组件，刷子生产者可以将薄的涂层涂在刷毛/簇毛的特定部分。
为了在刷毛上形成涂层，使用具有较低熔点的聚合物，通过浸液涂装或通过热熔融涂装，沿着刷毛的特定高度对单个刷毛束进行涂装或将刷毛粘接在一起，留下其余的长度不进行涂装。所述浸液涂装剂可以是杜邦公司的Elvamide?三元共聚物，如由M.I.Kohan披露于“尼龙塑料手册”的286-287页上的6/66/610或6/66/69。三元共聚物可溶于热的甲醇或甲醇/水溶液中。这种共聚物通常用于丝线粘接。
所述热熔融涂装剂还可以是低熔点尼龙，如为了进行热熔融涂装而生产的尼龙。例如，由Elf Atochem生产的Platamide H105——6/66/12尼龙三元共聚物，或由EMS生产的Griltex?1。其他例子包括由Elf Atochem生产的Pebax?尼龙弹性体，用于与尼龙长丝热粘接，以及Hytrel?聚酯弹性体，用于与聚酯长丝热粘接。其他例子包括与诸如马来酐的活性材料接枝的低熔点材料。例如，Kraton?FG1901X，它是用马来酐改性的SEBS嵌段共聚物。可以在本发明中使用的胶水的例子是氰基丙烯酸酯，它以“超级胶水(SuperGlue)”为商标出售。
图9和10表示刷毛组件78，它与以前所披露的组件一样，包括一个基线80和两排刷毛82和84。图9和10中所示的比例是放大了的，以突出刷毛近端和远端的特征。另外，所示出的基线是矩形形状的，并且位于两排刷毛之间，不过，事实上可以采用任何形状。另外，所述基线可以是能起到将刷毛组件悬挂在开口上方的支撑梁作用的任何装置，或者只是在特定位置上支撑所述梁，使得所述梁能够在刷毛做刷的动作期间发生扭转运动。
如图9和10所示，刷毛的远端部分是修剪过的，并且具有与同基线80连接的近端部分大体上相同的粗细。根据本发明，通过机械研磨刷毛的远端部分产生如图11和12所示的锥形，可以改变刷毛的硬度。研磨工艺产生了刷毛的锥形部分86，该部分可以沿刷毛的长度方向从刷毛的远端向下延伸到占刷毛总长度的大约33％。
逐渐变细的刷毛改变了刷毛的表观硬度。例如，10密耳的长丝通过研磨带的研磨，可以降低到原始直径或粗细的10％，例如，在其顶端形成1密耳的粗细。所述锥形部分可以向下延伸到占刷毛总长度的33％。除此之外，制约因素是效率，即一开始使用较细的刷毛，可能比将总长度33％的刷毛逐渐变细更有效。
尽管研磨带是研磨并在刷毛的远端部分形成锥形部分的一种方法，但也可以使用其他方法。
上面业已结合优选实施方案对本发明进行了说明。不过，本领域技术人员可以理解的是，在不超出本发明范围的前提下，可以对这些优选实施方案加以改变和改进。因此，对本领域技术人员来说显而易见的这些和其他改变和改进，被认为包括在本发明范围内。


通过让携带有刷毛(54、55、68、82、84)的支撑梁(22、66、80)根据刷子动作发生扭转运动来改变刷毛硬度。扭转运动是通过使所述支撑梁沿支撑梁长度的至少一部分与刷子头分离而实现的。在特别优选的实施方案中，生产了采用改变硬度技术的刷子，该刷子具有包括至少一排与起着支撑梁作用的基线或类似结构连接的刷毛的刷毛组件。所述基线可以通过刷子上的开口连接，并且，因此在其相反末端连接，或者以任意数量的间隔连接，选择间隔的数量和长度，以便获得需要的硬度。