Vom Wurzelholz zum Vielfarbenwunder

100 JAHRE KUNSTSTOFFE
Zahnbürsten in aller Munde.
Täglich nutzen wir sie, die Zahnbürste. Weltweit. Das war nicht
immer so. Noch vor gut einhundert Jahren galt sie als Luxusgut,
das nur dem Adel und den Reichen vorbehalten war. Erst der
Kunststoff machte sie zu einem
erschwinglichen Massenprodukt,
das strahlend weiße Zähne in
jedermanns Lächeln zaubert.
Zahnbürsten sind heute Hightech-Produkte: komplexe Bürstenmuster, mehrere Farben
sowie harte und weiche Materialien im Griff (Foto: Fotolia)
Vom Wurzelholz zum
Vielfarbenwunder
che Funde aus altägyptischen Gräbern
von ca. 3000 v. Chr. belegen dies. Als erste Zahnbürste diente ein kleiner Kaustock
aus Wurzeln des Arrakbaums oder aus
dünnen Aststücken der Miswakpflanze
(Bild 1). Das Ende wurde so lange angekaut,
bis es zerfaserte und als Bürste diente. Einige Naturvölker verwenden solche Kaustöckchen noch heute.
Einer der ersten urkundlich erwähnten überzeugten Zähneputzer war der
Prophet Mohammed (570–632). Er
schnitzte kleine Holzstäbchen aus Wurzeln, um sich damit Speisereste aus den
Zähnen zu entfernen. Das Reinigen der
Zähne mit Holzstäbchen hatte zu jener
Zeit zusätzlich einen religiösen Charakter. Die Reinigung sollte die Kraft der Gebete verstärken.
BERND STEIN
ie Verbrauchszahlen sind heute gigantisch. Wenn nur zwei von drei
Erdenbürgern eine Zahnbürste pro
Jahr einsetzen, ergibt dies eine Jahresproduktion von ca. 4,6 Milliarden Zahnbürsten – welch eine astronomische Zahl. Allein im aktuellen Zeitraum 2010 bis 2020
wächst die Weltbevölkerung nach Schätzungen der Deutschen Stiftung Weltbevölkerung jährlich um rund 80 Millionen
Menschen, die alle Zahnbürsten benötigen. Um diesen enormen Bedarf zu decken, müssen die produzierenden Unternehmen an 365 Tagen im Jahr 12,6 Millionen Zahnbürsten herstellen. Die dafür
notwendige Materialmenge läge bei etwa
70 000 Tonnen pro Jahr.
D
Zeitreise in die Vergangenheit
Starten wir eine Reise in die Vergangenheit und blicken zurück auf die Geschichte der Zahnbürste. Schon die alten Ägypter legten Wert auf Zahnpflege. ZahlreiARTIKEL ALS PDF unter www.kunststoffe.de
Dokumenten-Nummer KU110382
Schon im Mittelalter Importe
aus China
Bild 1. Der historische Bogen der Zahnpflege
spannt sich vom Kauholz bis zur heute benutzten optisch attraktiven, hygienisch einwandfreien Zahnbürste (Foto: blend-a-med)
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Der Vorläufer unserer heutigen Zahnbürste fand 1498 in China die erste
schriftliche Erwähnung. Die Bürste hatte
eine Pinselform und die Borsten stammten aus den Nackenhaaren von Hausschweinen. Die Borsten wurden an Stie© Carl Hanser Verlag, München
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len aus Bambus oder Knochen befestigt.
Rund ein Jahrhundert später, also zu Beginn des 17. Jahrhunderts, wurde der erste plattenförmige Borstenträger – ebenfalls aus Knochen – erwähnt, den wir im
Prinzip heute noch nutzen. Diese Bürsten
wurden bereits im 17. Jahrhundert von
Kaufleuten nach Europa gebracht. Sie waren jedoch sehr teuer. Deshalb konnten
sich nur Könige, der Hochadel sowie die
Reichen der Hanse diesen damaligen Luxusartikel leisten (Bild 2).
Erste manuelle Fabrikproduktion
in England
In Europa entwarf 1780 William Addis in
England die „moderne“ Zahnbürste. Sie
wurde weltweit erstmalig in einer Zahnbürstenfabrik, der Addis Ltd., Brushworks, gefertigt. Diese Zahnbürste bestand aus einem handgefertigten Griff aus
Kuhknochen, der vorne perforiert war,
um Borsten des Kuhschwanzes aufzunehmen. Später ersetzte Addis die Kuhknochen durch handgefertigte Holzgriffe und
bestückte sie mit Schweineborsten, Ziegen- oder Pferdehaaren, die mit Fäden zu
dünnen Bündeln zusammengebunden
waren (Bild 3). Weitere 60 Jahre danach,
1840, gründete der Drechsler August Zippe in Schmölln, Thüringen, die erste
deutsche Zahnbürstenfabrik.
Bild 2. Anfangs konnten sich nur Adelige
den damaligen
Luxusartikel leisten,
wie diese Bürste
mit einem Griff aus
Perlmutt
(Foto: Dr. Klaus Simon)
Zur gleichen Zeit (1845) eröffnete Alphonse DuPont mit einem Partner eine
Zahnbürstenfabrik in Beauvais, 80 km
nördlich der französischen Hauptstadt Paris. Im Deutschland des 19. Jahrhunderts
setzte die Industrialisierung erst in den
30er-Jahren ein.So konnten die englischen
Erfahrungen und die Ergebnisse der französischen Maschinenwissenschaften genutzt und zu großer Reife fortentwickelt
werden.
Beginn des Maschinenzeitalters
Ende des 19. Jahrhunderts setzte das Maschinenzeitalter ein. Historischen Quellen zufolge installierte DuPont in seiner
Fabrik zwei Dampfmaschinen. Es gab sieben Montagemaschinen, 84 Kreissägen,
24 Polier- und 66 Lochmaschinen. 1892
beschäftigte er 2000 Mitarbeiter mit der
Herstellung von Bürsten und
Zahnbürsten. Die industrielle
Produktion erbrachte eine riesige Zeitersparnis gegenüber
der rein manuellen Fertigung.
Ein Vergleich: War es für DuPont bereits ein großer Fortschritt, durch die Nutzung erster Maschinen für die Herstellung einer Zahnbürste „nur“
noch 20 Minuten zu benötigen, werden heute, rund einhundert Jahre später, Zahnbürsten in vollautomatischen
Zwillingsanlagen in anderthalb Minuten gefertigt – das eigentliche Bestopfen dauert dabei nur noch zwei Sekunden.
Der Materialverbrauch dieser Fabrik war vielfältig. Es
wurden jährlich 250 Tonnen
exotische Hölzer, 220 Tonnen
einheimische Hölzer, 4500
Tonnen Knochen und 100
Tonnen Schweine- und Wildschweinborsten für die HerBild 4. Die ersten Maschinen für das maschinelle Stopfen
stellung 6300 verschiedener
der Borstenfilamente wurden zu Beginn des 20. Jahrhunderts
Bürstenmodelle
benötigt.
hergestellt; hier ein Zahnbürstenautomat von 1928
(Woher kamen nur all die
(Foto: Zahoransky)
Schweine?)
Zelluloid – Start in die
Kunststoffära
Mit der Erfindung des Zelluloids durch
John Wesley Hyatt im Jahre 1870 startete
ein neues Zeitalter der Zahnbürste. Zelluloid ersetzte die kostbaren Naturstoffe
wie Elfenbein, Schildpatt und Holz. Das
erste Anwendungsgebiet für Zelluloid waren Gaumenplatten für Gebisse. Die ersten Zahnbürstengriffe folgten Anfang des
20. Jahrhunderts. Diese Griffe wurden aus
Zelluloidplatten ausgesägt und anschließend in einer mit Sand gefüllten Zentrifuge auf Hochglanz poliert. Es entstanden erstmalig wunderschöne Zahnbürsten mit Sandwicheffekt. Als Filamente
wurden wahlweise Schweine-, Dachsoder Pferdehaare benutzt.
Die ersten Stopfmaschinen für das maschinelle Stopfen der Borstenfilamente
stellte ab 1902 die neu gegründete Firma
Anton Zahoransky in Todtnau im
Schwarzwald her. Bis dahin war die geringe Haltekraft der Borstenbündel das
Hauptübel der mechanischen Bürstenfertigung. Durch eine besondere Formgebung der Backen im Werkzeug gelang es
Anton Zahoransky, eine gekreuzte Drahtschlinge herzustellen. Damit erreichte er >
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Bild 3. Die handgeschnitzte und mit 300 Jahren
älteste Zahnbürste Europas wurde in Minden
gefunden (links). In der Mitte zwei Exemplare
aus dem 19./20. Jahrhundert, daneben eine zeitgenössische Bürste (Foto: LWL/Brentführer)
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Bild 5. Früher war das Polyamid der ersten Generation herstellungsbedingt so scharfkantig,
dass Zahnfleischbluten fast die Regel war. Heute runden Spezialmaschinen die nur 0,18 mm dicken
Borsten im Sekundentakt ab (Fotos: Zahoransky)
erstmalig eine absolut sichere Befestigung
der Bündel im Bürstenholz. Diese bahnbrechende Neuheit war der Startschuss
für den Jungunternehmer vom Aufbau einer mechanischen Werkstatt hin zur
Gründung einer Maschinenfabrik (Bild 4).
Bis zum endgültigen Durchbruch der
maschinellen Bürstenherstellung brauchte es jedoch noch viel Zeit, um die Widerstände bei den Bürstenfabrikanten und
Heimarbeitern zu überwinden. Die landläufige Meinung der Verbraucher lautete:
„Stanzware ist Schundware“.
Kunststoffe machen
die Zahnbürste für jedermann
erschwinglich
Ab den zwanziger Jahren des vorigen
Jahrhunderts setzte sich das Zelluloid
endgültig als das gängigste Material für
Zahnbürstengriffe durch. Die Produktion
der Zahnbürsten mit diesem innovativen
Werkstoff war aber wegen der hohen Ent-
zündungsgefahr bei der mechanischen
Bearbeitung höchst gefährlich. Nicht selten brannten ganze Fabriken ab.
Erst mit der Erfindung des Nylons (Polyamid 66) im Jahre 1935 und seiner Verwendung als Borstenmaterial ab 1938 begann die Massenherstellung von Zahnbürsten und das Zeitalter hygienisch einwandfreier Produkte. Getrübt wurde die
Freude am Zähneputzen jedoch durch das
harte Nylon der ersten Generation. Es war
– im Gegensatz zu den Tierborsten – herstellungsbedingt so scharfkantig, dass das
empfindliche Zahnfleisch verletzt werden
konnte. Dieses änderte sich erst 1950, als
ein weicheres Polyamid verfügbar war und
Zahoransky Spezialmaschinen zum Runden der Borsten entwickelt hatte (Bild 5).
Heutige Anlagen runden die durchschnittlich nur 7 mil (0,18 mm) dicken
Borsten spielend im Sekundentakt ab.
Anfang der 50er-Jahre kamen die ersten Kunststoffgriffe aus Polystyrol auf den
Markt. Damit begann die rasante Ent-
wicklung des Spritzgießverfahrens in der
Zahnbürstenfertigung. Auch hier zählte
Zahoransky neben der M+C Schiffer
GmbH, Neustadt (Wied), die 1949 die
erste ankerlose Zahnbürste in Deutschland patentieren ließ, zu den Pionieren.
Bereits Mitte der 50er-Jahre baute das Unternehmen für die Firma Faller (die heutige Interbros GmbH, in die KrallmannGruppe eingegliedert), eine Bürstenfabrik
in Todtnau, ein Spritzgießwerkzeug. Mitte der 60er-Jahre entwickelte Carl Schiffer
das erste angusslose Ein-Kavitäten-Werkzeug für Zahnbürstengriffe. Gespritzt wurden die Teile auf einer
Boy 15, der ersten Spritzgießmaschine, die Max Schiffer entwickelte und auf der Hannover
Messe 1968 einem breiten Publikum vorstellte. Das Spritzgießverfahren brachte ihn auf die
Idee, die Löcher für die Filamentbüschel durch ins Werkzeug ragende Drahtstifte mitzuspritzen. Damit entfiel das
aufwendige Bohren.
Zahoransky konnte nun
seine Bohr- und Stopfmaschinen durch Zwillingsmaschinen ersetzen. Die Stückkosten reduzierten sich wesentlich. Somit vereinte das
neue Herstellungsverfahren
einen enormen Ausstoß mit
erschwinglichen Preisen.
Bild 7. Eine der ersten elektrischen Zahnbürsten stammt
aus dem Jahr 1963
(Foto: Braun)
Elektrische Antriebe und immer
neue Designlösungen
Bild 6. Mehrfarbige Griffe mit einer durch TPE-Einlagen verbesserten Haptik sind heute Standard. Das schlangenförmige
Gelenk (oben) soll den Druck auf das Zahnfleisch begrenzen
(Fotos: Jonas Bergsten, Oral-B)
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Die letzten 50 Jahre in der Geschichte der
Zahnbürste sind geprägt durch immer
neue Designlösungen. Die Griffe, heute
mehrheitlich aus PP, wurden mehrfarbig,
die Haptik durch TPE-Einlagen verbessert (Bild 6). Heute gibt es Zahnbürsten mit
bis zu sechs verschiedenen Materialien
und Farben.
In den frühen 60er-Jahren gab es die
erste elektrische Zahnbürste, die sich aber
nicht durchsetzen konnte (Bild 7). Der Dinosaurier unter den elektrischen Zahnbürsten, im gleichen Jahrzehnt entwickelt, stammte aus den Laboren der
Blend-a-med-Forschung. Bis Ende der
80er-Jahre dümpelte die Nachfrage nach
elektrischen Zahnbürsten dahin. Sie galt
als unnützes Zahnpflegeprodukt.
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Bild 8.
Kinder haben ihre
Freude an den bunten
Motiven (Foto: Doriat)
Erst als Peter Hilfinger, damaliger Leiter der Forschungsabteilung bei Braun
Oral-B in Marktheidenfeld (heute Gillette), den runden Bürstenkopf erfand,
der sich anfänglich in Kreis-, später in oszillierenden Bewegungen drehte, kam der
Durchbruch der elektrischen. Insbesondere für Kinder gibt es heute zahlreiche
farbenfrohe und mit Figurenmotiven gestaltete Bürsten (Bild 8). Inzwischen besitzt
etwa jeder dritte deutsche Haushalt eine
Akku-betriebene elektrische Zahnbürste.
Als Weiterentwicklung gilt die elektronische Schallzahnbürste.
Bild 9. Das Hot-Tufting-Verfahren erhöht die
Komplexität der Bürstenmuster. Die in einem
Einsatz platzierten Bündel werden dabei umspritzt (Foto: Zahoransky)
Auch die Filamente wurden durch eine
Vielzahl von unterschiedlichen Formen
und Schliffen der Borsten erweitert. Bei
dem neuen Hot-Tufting-Fertigungsverfahren werden in einem ersten Schritt die
Bündel sowohl in Form als auch in Topografie hergestellt. Dadurch erhält man eine noch höhere Komplexität der Bürsten-
muster (Bild 9). Im zweiten Schritt bringt
man die Bündel in den Spritzgießeinsatz
ein. Im dritten werden die Bündelenden
angeschmolzen und im vierten Schritt
umspritzt. Mit diesem Verfahren sind
ganz neue Geometrien und Mischungen
von Härtegraden der Bündel möglich.
Neben den unbegrenzten Designmöglichkeiten des Bürstenkopfes konnte auch
die Hygiene durch das Umspritzen deutlich verbessert werden.
Vollautomatische Komplettlinien
Was vor Jahrhunderten als mühsame
Handarbeit begann, geschieht heute in
verketteten, vollautomatischen Fertigungslinien. Beginnend mit dem Spritzgießen mehrfarbiger Griffe in 32-fachWerkzeugen, über die automatische,
orientierte Zuführung zur Zwillingsstopfmaschine mit anschließendem Konturschnitt und Rundung der Filamente. Danach werden die Zahnbürsten in die tiefgezogene Folie der vollautomatischen
Blister-Verpackungsanlage eingelegt. In
der nachfolgenden Siegelstation wird die
zugeführte Deckfolie verschweißt und
anschließend die einzelnen Bürsten ausgestanzt. Diese Hochleistungsanlagen haben einen jährlichen Ausstoß von rund
45 Millionen Zahnbürsten (Bild 10).
Ist damit die Entwicklung der
Zahnbürste ausgereizt?
Bei dem gigantischen Materialverbrauch
liegt ein zukünftiger Anreiz in der Herstellung „grüner“ Zahnbürsten aus sortenreinem Material, um mit Recycling
Ressourcen einzusparen. Auch unternimmt die Branche erste zarte Versuche,
Bürstenkörper aus Holzfasern zu spritzen, um auf der Ökowelle mitzuschwimmen.
Die größte Sorge aber nimmt den Herstellern vermutlich auch kein noch so ausgefeiltes Ökoprodukt und keine noch so
wissenschaftlich untermauerte Marketingkampagne ab. Der Verbraucher lässt
sich einfach nicht überzeugen, zukünftig
die Bürste doch mindestens drei Mal im
Jahr zu erneuern. QUELLEN
1 Zahoransky, H.: 100 Jahre Zahoransky – Das Jubiläumsbuch
2 Wikipedia: Die Zahnbürste
3 Simon, K.: Vom Luxusgut zum Gebrauchsgegenstand. Zahnärztliche Mitteilungen, zm online,
1. März 2005
DER AUTOR
DR.-ING. BERND STEIN, geb. 1964,
studierte allgemeinen Maschinenbau an der TU Darmstadt. Seit
August 2005 ist er Vorstand Technik
bei der Zahoransky AG, Todtnau-Geschwend. Davor
war er acht Jahre in leitenden technischen Funktionen, u.a. als Verantwortlicher für Fertigungstechnologie und Leiter Sondermaschinenbau, bei Braun und
Oral-B im Gillette-Konzern tätig.
SUMMARY
FROM BURL WOOD TO
MULTI-COLORED MIRACLE
TOOTHBRUSHES FOR ALL. Toothbrushes are something
that we use every day. But that was not always the case.
A good hundred years ago, they were considered luxuries that only the rich and nobility could have. It took
the advent of plastics to make them affordable to the
masses, and to put the sparkle in everyone’s smile.
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Bild 10. Vollautomatische Hochleistungsanlagen haben einen
Ausstoß von jährlich
45 Mio. Zahnbürsten
(Foto: Zahoransky)
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