DE102015004884A1

DE102015004884A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen eines hochreinen magnetischen Partikelmaterials für eine Druckfarbe

Info

Publication number: DE102015004884A1
Application number: DE102015004884.8A
Authority: DE
Inventors: Martin Imhof; Alexander Bornschlegl
Original assignee: Giesecke and Devrient GmbH
Current assignee: Giesecke and Devrient Currency Technology GmbH
Priority date: 2014-06-24
Filing date: 2015-04-16
Publication date: 2015-12-24

Abstract

Die Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zum Herstellen eines hochreinen magnetischen Partikelmaterials für eine Druckfarbe. Bei einem solchen Verfahren wird – eine Dispersion (220) mit einem Anteil magnetischer Partikel (50), einem Anteil nichtmagnetischer Partikel (62) und einem Lösungsmedium (64) hergestellt, – die Dispersion einer Sedimentationskammer (202) zugeführt und dort für eine vorbestimmte Standzeit sedimentiert, – ein gewünschter Anteil der sedimentierten Dispersion mit magnetischen Partikeln (50) aus einem Auslass (206) der Sedimentationskammer (202) entnommen, und – werden die magnetischen Partikel (50) von dem Lösungsmedium (64) getrennt und getrocknet.

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zum Herstellen eines hochreinen magnetischen Partikelmaterials für eine Druckfarbe, insbesondere für den Sicherheitsdruck. Die Erfindung betrifft auch ein hochreines magnetisches Partikelmaterial, das durch derartige Verfahren erhalten ist.
Seit einigen Jahren werden im Sicherheitsdruck verstärkt magnetische Partikel in gedruckten Wertdokumenten eingesetzt. Magnetisch ausrichtbare Pigmente können verdruckt und durch ein geeignet orientiertes Magnetfeld beim Aushärten der Druckfarbe dauerhaft in einer bestimmten Orientierung fixiert werden. Daneben sind auch reversibel magnetisch ausrichtbare Pigmente vorgeschlagen worden, die in einer flüssigkeitsgefüllten Mikrokapsel verkapselt sind, so dass sie auch im fertigen gedruckten Wertdokument noch interaktiv und reversibel magnetisch ausgerichtet werden können. Der Nutzer kann durch einen externen Magneten beispielsweise die Helligkeit oder die Farbe einer Druckschicht verändern oder den Blick auf eine zuvor verborgene tiefer liegende Information freilegen.
Neben visuell wahrnehmbaren magnetischen Partikeln kommen auch im Bereich maschinenlesbarer Merkmale verschiedene magnetische Partikel zum Einsatz, die beispielsweise mit einem Sensor einer Banknotenbearbeitungsmaschine ausgelesen werden können. In diesem Zusammenhang ist es denkbar, dass maschinenlesbare Eigenschaften der Pigmente, z. B. piezochromer Pigmente, durch einen externen Magneten beeinflusst werden.
Für die visuelle Attraktivität von gedruckten Magnetmerkmalen und die sichere Verifikation maschinenlesbarer Magnetmerkmale ist eine hohe Qualität und Reinheit der magnetischen Partikel von überragender Bedeutung.
Eine Verunreinigung mit defekten oder nicht magnetischen Partikeln führt oft zu einem blasseren visuellen Erscheinungsbild bzw. zu einem verringerten Sensorsignal.
Ausgehend davon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen eines hochreinen magnetischen Partikelmaterials für eine Druckfarbe anzugeben. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung umfasst ein Verfahren zum Herstellen eines hochreinen magnetischen Partikelmaterials für eine Druckfarbe, insbesondere für den Sicherheitsdruck, bei dem

– eine Dispersion mit einem Anteil magnetischer Partikel, einem Anteil nichtmagnetischer Partikel und einem Lösungsmedium hergestellt wird,
– die Dispersion einer Sedimentationskammer zugeführt und dort für eine vorbestimmte Standzeit sedimentiert wird,
– ein gewünschte Anteil der sedimentierten Dispersion mit magnetischen Partikeln aus einem Auslass der Sedimentationskammer entnommen wird, und
– die magnetischen Partikel von dem Lösungsmedium getrennt und getrocknet werden.

Mit Vorteil enthält die Dispersion einen Anteil von mit einem magnetischen Pigment gefüllten Mikrokapseln, einen Anteil von Mikrokapseln ohne magnetischen Inhalt und das Lösungsmedium, wobei die Mikrokapseln und das Lösungsmedium so aufeinander abgestimmt sind, dass die gefüllten Mikrokapseln bei der Sedimentation absinken und die Mikrokapseln ohne magnetischen Inhalt aufschwimmen.
Besonders vorteilhaft ist gesehen, dass die Dispersion einen Anteil von mit einem magnetischen Pigment hoch gefüllten Mikrokapseln, einen Anteil von mit einem magnetischen Pigment niedrig gefüllten Mikrokapseln, einen Anteil von Mikrokapseln ohne magnetischen Inhalt und das Lösungsmedium enthält, wobei die Mikrokapseln und das Lösungsmedium so aufeinander abgestimmt sind, dass die hoch gefüllten Mikrokapseln bei der Sedimentation absinken, die niedrig gefüllten Mikrokapseln bei der Sedimentation aufschwimmen und die Mikrokapseln ohne magnetischen Inhalt schweben. In der Praxis führt eine Abstimmung der Mikrokapseln und des Lösungsmediums zu der vorstehend beschriebenen Anordnung der Mikrokapseln in der Sedimentationskammer. Dass die hoch gefüllten Mikrokapseln bei der Sedimentation absinken, ist in Anbetracht ihrer Dichte, die größer ist als die des Lösungsmediums gut zu verstehen. Allerdings ist nicht ganz klar, wieso die niedrig gefüllten Mikrokapseln bei der Sedimentation aufschwimmen, während die Mikrokapseln ohne magnetischen Inhalt schweben. Ohne an eine bestimmte Erklärung gebunden zu sein, ist für die Anordnung der Mikrokapseln in der Sedimentationskammer nach Ansicht der Erfinder eine Vielzahl an Einflussfaktoren zur Erklärung dieser Anordnung zu berücksichtigen. Zum einen spielt die Dichte des Lösungsmediums, der Kapselfüllung und der magnetischen Partikel eine zentrale Rolle. Die für die Kapselfüllung vorgesehenen öligen Flüssigkeiten weisen typischerweise eine Dichte von ca. 0,75 g/cm³ bis 0,95 g/cm³ auf. Die magnetischen Partikel in den Mikrokapseln haben typischerweise eine Dichte von > 4 g/cm³. Es scheint nach Ansicht der Erfinder Hinweise zu geben, dass die öligen Flüssigkeiten die magnetischen Partikel besser benetzen als das wässrige Lösungsmedium, wodurch die mit wenig magnetischen Partikeln gefüllten Mikrokapseln einen höheren Anteil an öligen Flüssigkeiten in der Mikrokapsel aufweisen, als die keine magnetischen Partikel enthaltenden Mikrokapseln, die wiederum einen höheren Anteil an wässrigem Lösungsmedium mit einer größeren Dichte enthalten. Im Ergebnis könnte es dadurch zu der beobachteten Anordnung von aufschwimmenden Mikrokapseln mit geringer Füllung an magnetischen Partikeln und schwebenden, ungefüllten Mikrokapseln kommen.
Des Weiteren scheinen Effekte eine Rolle zu spielen, die auch bei der Ausbildung von Emulsionen, d. h. nicht ohne Weiteres mischbaren Flüssigkeiten, beobachtet werden. Möglicherweise spielen auch noch weitere Ursachen für die beobachtete Anordnung von hoch gefüllten, niedrig gefüllten und nicht gefüllten Mikrokapseln eine Rolle.
In einer Weiterbildung der Erfindung wird die Reinigung und Aufkonzentrierung durch Sedimentation durch einen nachfolgenden Schritt der Magnetabscheidung weiter gesteigert.
In einer ersten vorteilhaften Verfahrensvariante ist vorgesehen, dass

D) der aus einem Auslass der Sedimentationskammer entnommene Anteil der sedimentierten Dispersion einer Kammer einer Magnetabscheidevorrichtung zugeführt wird, welche Kammer zumindest einen Dispersionseinlass zum Zuführen der Dispersion, einen Spüleinlass zum Zuführen einer Spüllösung, und einen Auslass zum Ablassen von Fluiden aus der Kammer in einen Abfall- oder einen Produktbehälter aufweist, und bei der die Magnetabscheidevorrichtung weiter eine in die Kammer ragende Rohrtülle für die Anlagerung der magnetischen Partikel umfasst, die einen in die Rohrtülle ein- und ausfahrbaren Magnetstab oder einen ein- und ausschaltbaren Elektromagnet-Stab enthält,
M1) wobei in der Magnetabscheidevorrichtung der Magnetstab in die Rohrtülle eingefahren ist oder wird, oder der Elektromagnet-Stab eingeschaltet ist oder wird, so dass magnetische Partikel an der Rohrtülle adsorbiert werden,
A) die Dispersion mit den nicht adsorbierten Partikeln über den Auslass in einen Abfallbehälter abgelassen wird,
M2) der Magnetstab aus der Rohrtülle herausgefahren wird, oder der Elektromagnet-Stab ausgeschaltet wird,
S) die an der Rohrtülle adsorbierten magnetischen Partikel mit einer über den Spüleinlass zugeführten Spüllösung abgelöst werden,
P) die Spüllösung mit den magnetischen Partikeln über den Auslass in einen Produktbehälter abgelassen wird, und
T) die magnetischen Partikel von der Spüllösung getrennt und getrocknet werden.

Im Rahmen dieser Anmeldung betrifft der Begriff „Spüllösung” eine Lösung, mit der magnetische Partikel von einem Gegenstand abgelöst werden können. Beispielsweise kann mit einer Spüllösung eine Ablösung der an einer Rohrtülle adsorbierten magnetischen Partikel erfolgen. Im einfachsten Fall handelt es sich bei der Spüllösung um gereinigtes Wasser, insbesondere enthärtetes oder entionisiertes Wasser. Darüber hinaus ist es aber auch denkbar, dass die Spüllösung weitere Reagenzien, insbesondere Tensidzusätze, enthält.
Sofern im Rahmen dieser Anmeldung von einer Trocknung der magnetischen Partikel gesprochen wird, kommen dafür grundsätzlich alle geeigneten Trocknungsverfahren in Betracht. Derzeit ist eine Sprühtrocknung besonders bevorzugt. Dabei werden die zu trocknenden Partikel im Gegenstrom mit warmer Luft beaufschlagt, um die Trocknung der Partikel herbeizuführen.
In einer vorteilhaften Verfahrensführung werden zwischen den Schritten A) und M2) einmal oder mehrfach folgende Schritte S2) bis M4) durchgeführt, in welchen

S2) über den Spüleinlass eine Spüllösung der Kammer zugeführt wird,
M3) der Magnetstab aus der Rohrtülle herausgefahren wird, oder der Elektromagnet-Stab ausgeschaltet wird,
S3) die an der Rohrtülle adsorbierten magnetischen Partikel mit einer über den Spüleinlass zugeführten Spüllösung abgelöst werden,
M4) der Magnetstab in die Rohrtülle eingefahren wird, oder der Elektromagnet-Stab eingeschaltet wird, so dass magnetische Partikel an der Rohrtülle adsorbiert werden.

Nach der einmaligen oder mehrfachen Wiederholung der Schritte S2) bis M4) wird in einem Schritt A2) die Dispersion mit den nicht adsorbierten Partikeln über den Auslass in einen Abfallbehälter abgelassen, und das Verfahren wird dann mit Schritt M2) weitergeführt.
Vor dem Einleiten in einen Abfallbehälter werden vorteilhaft in einem Schritt R) durch einen Rückgewinnungsmagneten magnetische Partikel aus der ausgelassenen Dispersion mit den nicht adsorbierten Partikeln entfernt.
In einer zweiten, ebenfalls vorteilhaften Verfahrensvariante ist vorgesehen, dass

D) der aus einem Auslass der Sedimentationskammer entnommene Anteil der sedimentierten Dispersion einer Magnetabscheidevorrichtung zugeführt wird, die eine Fließstrecke umfasst, in der die Dispersion mit den magnetischen Partikeln von einem Dispersionseinlass zu einem Auslass fließt, eine Abscheidestation zum Abscheiden magnetischer Partikel und einen umlaufenden ringförmigen Magnetschlauch, der in einem ersten Teilbereich in der Fließstrecke und in einem zweiten Teilbereich entlang der Abscheidestation verläuft und in dem ein ringförmiger Stapel aus Einzelmagneten angeordnet ist, und wobei die Dispersion mit den magnetischen Partikeln der Fließstrecke der genannten Magnetabscheidevorrichtung zugeführt wird, um im ersten Teilbereich entlang des ringförmige Magnetschlauchs von dem Dispersionseinlass zu dem Auslass zu fließen, wobei magnetische Partikel an dem Magnetschlauch adsorbiert werden,
M) der ringförmige Magnetschlauch zwischen dem ersten und zweiten Teilbereich umläuft, um die adsorbierten magnetische Partikel vom ersten zum zweiten Teilbereich zu transportieren, und
Ab) die transportierten magnetischen Partikel an der Abscheidestation von dem Magnetschlauch abgelöst und in einem Produktbehälter aufgefangen werden.

Die Dispersion mit den nicht adsorbierten Partikeln wird nach Durchlaufen der Fließstrecke zweckmäßig in einen Abfallbehälter geleitet. Dabei werden vorteilhaft vor dem Einleiten in einen Abfallbehälter in einem Schritt R) durch einen Rückgewinnungsmagneten magnetische Partikel aus der ausgelassenen Dispersion mit den nicht adsorbierten Partikeln entfernt.
Die Erfindung umfasst auch eine Vorrichtung zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens mit einer Sedimentationskammer mit einem Dispersionseinlass und zwei oder mehr Auslässen, die in unterschiedlichen Höhen der Sedimentationskammer angeordnet sind.
In einer ersten Erfindungsvariante umfasst die Vorrichtung vorzugsweise weiter eine Magnetabscheidevorrichtung zum Reinigen und Erhöhen der Konzentration magnetischer Partikel in einer Dispersion, mit

– einer Kammer zur Aufnahme der Dispersion mit den magnetischen Partikeln, welche zumindest einen Dispersionseinlass zum Zuführen der Dispersion, einen Spüleinlass zum Zuführen einer Spüllösung, und einen Auslass zum Ablassen von Fluiden aus der Kammer in einen Abfall- oder einen Produktbehälter aufweist, und
– einer in die Kammer ragende Rohrtülle für die Anlagerung der magnetischen Partikel, die einen in die Rohrtülle ein- und ausfahrbaren Magnetstab oder einen ein- und ausschaltbaren Elektromagnet-Stab enthält,
– wobei ein Auslass der Sedimentationsvorrichtung mit dem Dispersionseinlass der Magnetabscheidevorrichtung verbunden ist, so dass die vorgereinigte und aufkonzentrierte Dispersion von der Sedimentationsvorrichtung der Magnetabscheidevorrichtung zur weiteren Reinigung und Konzentrationserhöhung zugeführt wird.

In einer vorteilhaften Weiterbildung weist die Vorrichtung weiter eine Pumpe zum Umpumpen der in der Kammer befindlichen Dispersion über einen Umpumpzugang der Kammer auf.
Der Magnetstab ist mit Vorteil aus einem Stapel aus Einzelmagneten gebildet, vorzugsweise aus Selten-Erd-Permanentmagneten, wie etwa NdFeB- oder SmCo-basierten Permanentmagneten. Die Magnetabscheidevorrichtung kann auch mehrere Rohrtüllen aufweisen, die jeweils mit einem ein- und ausfahrbaren Magnetstab oder einem ein- und ausschaltbaren Elektromagnet-Stab versehen sind. Auch können mehrere Dispersionseinlässe vorgesehen sein, die vorteilhaft jeweils auf eine der Rohrtüllen ausgerichtet sind.
Denkbar ist ferner ein Magnetstab, der einen oder mehrere Elektromagneten in geeigneter Anordnung aufweist.
Am Auslass der Kammer ist vorteilhaft ein Rückgewinnungsmagnet zum Rückgewinnen magnetischer Partikel aus der ausgelassenen Dispersion angeordnet. Dadurch gehen auch bei erschöpfter Aufnahmekapazität des oder der Magnetstäbe keine magnetischen Gutpartikel verloren.
In einer zweiten Erfindungsvariante umfasst die Vorrichtung vorzugsweise weiter eine Magnetabscheidevorrichtung zum Reinigen und Erhöhen der Konzentration magnetischer Partikel in einer Dispersion, mit

– einer Fließstrecke, in der die Dispersion mit den magnetischen Partikeln von einem Dispersionseinlass zu einem Auslass fließt,
– einer Abscheidestation zum Abscheiden magnetischer Partikel, und
– einem umlaufenden ringförmigen Magnetschlauch, der in einem ersten Teilbereich in der Fließstrecke und in einem zweiten Teilbereich entlang der Abscheidestation verläuft und in dem ein ringförmiger Stapel aus Einzelmagneten angeordnet ist,
– wobei ein Auslass der Sedimentationsvorrichtung mit dem Dispersionseinlass der Magnetabscheidevorrichtung verbunden ist, so dass die vorgereinigte und aufkonzentrierte Dispersion von der Sedimentationsvorrichtung der Magnetabscheidevorrichtung zur weiteren Reinigung und Konzentrationserhöhung zugeführt wird.

In einer vorteilhaften Erfindungsvariante ist die Abscheidestation durch einen Abscheidemagneten gebildet, der die magnetischen Partikel von dem Magnetschlauch ablöst. Bei einer anderen, ebenfalls vorteilhaften Erfindungsvariante ist die Abscheidestation durch ein Mittel zum Ablösen gebildet, das die magnetischen Partikel von dem Magnetschlauch mechanisch ablöst.
Alternativ zu den vorstehend genannten Erfindungsvarianten, kann die Abscheidestation auch eine Spüleinrichtung aufweisen, die die magnetischen Partikel von dem Magnetschlauch ablöst. Die Spüleinrichtung kann mit jedem geeigneten Fluid, insbesondere mit Druckluft oder mit einem Flüssigkeitsstrahl betrieben werden.
Am Auslass der Kammer ist vorteilhaft ein Rückgewinnungsmagnet zum Rückgewinnen magnetischer Partikel aus der ausgelassenen Dispersion angeordnet. Dadurch gehen auch bei erschöpfter Aufnahmekapazität des oder der Magnetstäbe keine magnetischen Gutpartikel verloren.
Die Erfindung umfasst auch ein hochreines magnetisches Partikelmaterial, erhalten nach dem oben genannten Verfahren, in dem das Verhältnis der Zahl magnetischer Partikel zur Summe der Zahl magnetischer und nichtmagnetischer Partikel vorzugsweise mehr als 0,9, insbesondere mehr als 0,95, besonders bevorzugt mehr als 0,98 beträgt. Mit besonderem Vorteil ist das magnetische Partikelmaterial durch magnetisches Mikrokapselmaterial gebildet. Das oben genannte bevorzugte Verhältnis ist abhängig von der Art der gereinigten magnetischen Partikel wie folgt zu verstehen. Handelt es sich bei den gereinigten magnetischen Partikeln z. B. um magnetische (Nano-)Partikel, wird das Verhältnis gebildet durch die Zahl der magnetischen Partikel (Gutprodukt) zu der Summe der Zahl magnetischer und nichtmagnetischer Partikel. Bei der Zahl der nichtmagnetischen Partikel werden nur solche Partikel für die Ermittlung des Verhältnisses berücksichtigt, bei denen es sich grundsätzlich um magnetische Partikel handeln könnte, die aber herstellungsbedingt keine oder nur eine sehr unzureichende magnetische Schicht aufweisen. Es handelt sich z. B. also um solche Partikel, die dieselbe Trägerstruktur, z. B. aus Siliciumdioxid, aufweisen, wie die magnetischen Partikel. Bei der Herstellung werden diese Partikel aber aus diversen Gründen nicht mit der erforderlichen magnetischen Beschichtung ausgestattet, so dass im Ergebnis von einem nichtmagnetischen Partikel gesprochen werden muss. Unter die vorstehende Definition von nichtmagnetischen Partikeln fallen demnach insbesondere nicht Partikel, die lediglich ein Medium zur Aufbewahrung bzw. Lagerung der magnetischen Partikel darstellen. D. h., nicht unter die vorstehende Definition fallen z. B. Partikel des Lösungsmittels bzw. Reste des Lösungsmittels in der Charge mit magnetischem Partikelmaterial.
Wird das magnetische Partikelmaterial durch magnetische Mikrokapseln gebildet, ergibt sich das vorstehend genannte Verhältnis durch die Zahl der magnetischen Mikrokapseln zur Summe der Zahl magnetischer und nichtmagnetischer Mikrokapseln. Ein Verhältnis von 0,9 bedeutet in einem solchen Fall dann, dass 90% der Mikrokapseln magnetische Mikrokapseln sind, d. h. eine oder mehrere magnetische Partikel in der Mikrokapsel aufweisen.
Für den Fall, dass das magnetische Partikelmaterial durch magnetisches Mikrokapselmaterial gebildet wird, enthalten die Mikrokapseln in einer Erfindungsvariante mit Vorteil jeweils lediglich ein oder zwei magnetische Pigmente. In einer anderen, ebenfalls vorteilhaften Erfindungsvariante enthalten die Mikrokapseln mit Vorteil jeweils drei oder mehr magnetische Pigmente.
Weiter enthält die Erfindung auch ein magnetisches Partikelprodukt, insbesondere eine Druckfarbe, ein Sicherheitselement oder ein Wertdokument mit einem hochreinen magnetischen Partikelmaterial der oben genannten Art.
Schließlich enthält die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Druckfarbe für den Sicherheitsdruck, bei dem

– eine Dispersion mit einem Anteil magnetischer Partikel, einem Anteil nichtmagnetischer Partikel und einem Lösungsmedium hergestellt wird,
– die Dispersion einer Sedimentationskammer zugeführt und dort für eine vorbestimmte Standzeit sedimentiert wird,
– ein gewünschter Anteil der sedimentierten Dispersion mit magnetischen Partikeln aus einem Auslass der Sedimentationskammer entnommen wird,
– die magnetischen Partikel von dem Lösungsmedium getrennt und getrocknet werden, und
– die magnetischen Partikel zu einer Druckfarbe für den Sicherheitsdruck weiterverarbeitet werden.

In vorteilhaften Ausgestaltungen kann das Verfahren alle Verfahrensschritte enthalten, die oben für das Verfahren zum Herstellen eines hochreinen magnetischen Partikelmaterials beschrieben wurden.
Die beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen eignen sich für die Herstellung hochreinen Partikelmaterials jeglicher Art, insbesondere unverkapselter magnetischer Pigmente, magnetischer Nanoteilchen und magnetischer Mikrokapseln.
Alternativ oder zusätzlich zur Sedimentation können die beschriebenen Verfahren basierend auf Filtration mittels einer oder mehrerer Zentrifugen durchgeführt werden. Alternativ oder zusätzlich zur Sedimentation(-skammer) können die beschriebenen Vorrichtungen eine oder mehrere Zentrifugen aufweisen.
Weitere Ausführungsbeispiele sowie Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert, bei deren Darstellung auf eine maßstabs- und proportionsgetreue Wiedergabe verzichtet wurde, um die Anschaulichkeit zu erhöhen.
Es zeigen:
1 zur Illustration des Grundprinzips ein Sicherheitselement im Querschnitt,
2 in (a) bis (c) magnetische Mikrokapseln mit unterschiedlich starker Füllung mit Magnetpigment,
3 eine Sedimentationsvorrichtung zum Reinigen und Erhöhen der Konzentration magnetischer Mikrokapseln,
4 eine im Batchbetrieb arbeitende Magnetabscheidevorrichtung nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
5 eine für einen kontinuierlichen Betrieb eingerichtete Magnetabscheidevorrichtung nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung,
6 eine erfindungsgemäße Kombination einer Sedimentationsvorrichtung mit einer Magnetabscheidevorrichtung der oben beschriebenen Art,
7 eine weitere erfindungsgemäße Kombination einer Sedimentationsvorrichtung mit einer Magnetabscheidevorrichtung, und
8 eine Sedimentationsvorrichtung mit einer kontinuierlichen Zuführung der Dispersion, umfassend magnetische und nichtmagnetische Partikel.
Die Erfindung wird nun am Beispiel der Reinigung und Erhöhung der Konzentration einer Dispersion magnetischer Mikrokapseln erläutert. Dabei handelt es sich um magnetische, vorzugsweise zugleich optisch variable Pigmente, die in einer flüssigkeitsgefüllten Mikrokapsel verkapselt sind. Die magnetischen Pigmente sind in der Mikrokapsel im Wesentlichen frei drehbar und durch ein externes Magnetfeld reversibel ausrichtbar. Konkrete Ausgestaltungen und Varianten solcher magnetischer Mikrokapseln, sowie weitere Details zur Funktionsweise sind in den Druckschriften WO 2009/074284 A2 und WO 2012/130370 A1 beschrieben, deren Offenbarung insoweit in die vorliegende Beschreibung aufgenommen wird. Wie oben erläutert, eignet sich die Erfindung jedoch auch für die Reinigung und Konzentrationserhöhung anderer magnetischer Partikel, wie etwa unverkapselter magnetischer Pigmente oder magnetischer Nanoteilchen.
1 zeigt zur Illustration des Grundprinzips magnetischer Mikrokapseln ein Sicherheitselement 10 im Querschnitt, das eine Farbschicht 12 mit magnetischen Mikrokapseln 14 aufweist. Die linke Bildhälfte der Figur zeigt das Sicherheitselement 10 ohne magnetische Verifikationseinrichtung 20 bzw. einen Bereich 18 abseits einer Verifikationseinrichtung 20, während die rechte Bildhälfte einen Ausschnitt eines Bereichs 16 des Sicherheitselements zeigt, der unmittelbar über einem Motivmagneten 22 einer magnetischen Verifikationseinrichtung 20 angeordnet ist.
Zur Erzeugung des Sicherheitselements 10 ist auf das Banknotenpapier 30 einer Banknote eine Druckschicht 32 aufgebracht, die eine beliebige Information, beispielsweise ein Linienmuster 33 darstellen kann. Über diese informationsführende Druckschicht 32 ist im Siebdruckverfahren die Farbschicht 12 mit den magnetischen Mikrokapseln 14 aufgedruckt.
Die Aufbringung des Sicherheitselementes kann grundsätzlich auf ein beliebiges Substrat erfolgen. D. h., neben dem vorstehend erwähnten Banknotenpapier, bei dem es sich insbesondere um ein Baumwollpapier handelt, können auch andere Papiere mit einem Anteil x eines polymeren Materials zwischen 0 < x < 100 Verwendung finden. Darüber hinaus kann als Substrat auch ein Verbund aus Papier oder papierartigen Materialien und polymeren Materialien eingesetzt werden. Denkbar sind dabei insbesondere ein hybrides Material mit der Schichtenfolge Polymer/Papier/Polymer oder Papier/Polymer/Papier.
Selbstverständlich kann das Sicherheitselement nicht nur, wie vorstehend erwähnt, auf einem flächigen Substrat aufgebracht werden, sondern auch z. B. auf einem schmalen Folienstreifen oder Folienpatch, der wiederum auf einem flächigen Substratmaterial, z. B. einem Wertdokument angeordnet werden kann.
Sofern das Sicherheitselement in Zusammenhang mit Karten, insbesondere Ausweis- oder Kreditkarten, eingesetzt wird, muss das Sicherheitselement auf geeignete Schichten, insbesondere polymere Schichten, der Karte bzw. des Kartenverbundes angeordnet werden.
Die magnetischen Mikrokapseln 14 enthalten z. B. magnetisch ausrichtbare, plättchenförmige Eisenpigmente 36, die beispielsweise aus reduzierend behandeltem Carbonyleisenpulver hergestellt sind. Die Eisenpigmente 36 sind verkapselt und in ihrer Verkapselung 38 im Wesentlichen frei drehbar. Ohne äußeres Magnetfeld weisen Eisenpigmente 36 innerhalb ihrer Verkapselung 38 idealerweise keine Vorzugsorientierung auf, so dass die Gesamtheit der Eisenpigmente eine im Wesentlichen isotrope Orientierung zeigt (linke Bildhälfte der 1).). Weitere Varianten insbesondere der magnetischen Mikrokapseln 14 und Pigmente 36 können den Druckschriften WO 2009/074284 A2 und WO 2012/130370 A1 entnommen werden.
Wird das Sicherheitselement 10 über den Motivmagneten 22 der Verifikationseinrichtung 20 gebracht, so werden die magnetisch ausrichtbaren Eisenpigmente 36 durch dessen Magnetfeld ausgerichtet. Die Eisenpigmente 36 orientieren sich dabei mit ihrer Plättchenausdehnung entlang der Magnetfeldlinien 42. Aufgrund der in 1 gezeigten Form und Magnetisierung des Motivmagneten 22 treten die Magnetfeldlinien 42 im Bereich 16 im Wesentlichen senkrecht durch die Farbschicht 12 hindurch und richten die in ihrer Verkapselung frei drehbaren Eisenpigmente 36 ebenfalls im Wesentlichen senkrecht zur Ebene der Farbschicht 12 aus (rechter Bildteil der 1). Wegen ihrer plättchenförmigen Gestalt wirken die Eisenpigmente 36 für den Betrachter wie die Lamellen einer Jalousie, die den Blick auf die darunterliegenden Schichten freigeben oder ganz oder teilweise blockieren kann.
In den Bereichen 18, in denen die Eisenpigmente 36 im Wesentlichen isotrop angeordnet sind (linke Bildhälfte der 1) oder in Bereichen, in den die Eisenpigmente durch einen externen Magneten sogar parallel zur Ebene der Farbschicht 12 ausgerichtet sind, etwa durch einen externen Magneten, dessen Magnetfeldlinien in der Farbschicht 12 im Wesentlichen parallel zu dieser verlaufen, schränken die plättchenförmigen Pigmente die Sicht auf die darunterliegende Druckschicht 32 so stark ein, dass die Farbschicht 12 in diesem Bereich opak erscheint und der metallischen Glanz der Eisenpigmente 36 den visuellen Eindruck des Sicherheitselements dominiert.
Im Bereich 16, in dem die Eisenpigmente 36 durch den Motivmagneten 22 im Wesentlichen senkrecht zur Ebene der Farbschicht 12 ausgerichtet sind, geben sie wie die parallel gestellten Lamellen einer Jalousie den Blick auf die darunterliegende Druckschicht 32 und eine dort vorhandene Information 33 frei.
Wird die Verifikationseinrichtung 20 wieder von dem Sicherheitselement 10 entfernt, so relaxieren die magnetisch ausgerichteten Eisenpigmente 36 aufgrund ihrer freien Beweglichkeit innerhalb der Verkapselung 38 nach einiger Zeit wieder in den im Wesentlichen isotropen Ausgangszustand der linken Bildhälfte der 1. Die Änderung des visuellen Erscheinungsbilds des Sicherheitselements 10 kann so interaktiv ausgelöst und reversibel wieder zurückgenommen werden.
Für die visuelle Attraktivität des Magnetmerkmals der 1 ist eine hohe Qualität der verdruckten magnetischen Mikrokapseln 14 von großem Vorteil. Eine Verunreinigung der Mikrokapseln mit defekten oder nichtmagnetischen Kapseln führt in der Regel zu einer Trübung und damit zu einem blasseren Farbeindruck. Auch Mikrokapseln, die sehr viele magnetische Pigmente aufweisen, können den beabsichtigten visuellen Effekt beeinträchtigen, da sich die magnetischen Pigmente nur wenig oder im Extremfall nicht im externen Magnetfeld ausrichten können.
Mit Bezug auf 2(a) besteht eine magnetische Mikrokapsel 50 typischerweise aus einer dünnen Hüllwand 52, einer Ölfüllung 54 und plättchenförmigen magnetischen Pigmenten 56. Der d₉₀-Durchmesser einer Mikrokapsel-Charge beträgt dabei beispielsweise 22 μm. Während 2(a) die Idealerweise entstehenden, hoch gefüllten Mikrokapseln 50 zeigt, werden bei der Verkapselung der magnetischen Pigmente in der Praxis prozessbedingt auch Mikrokapseln 60 mit einer geringen Füllung an magnetischen Pigmenten 56 erzeugt, wie in 2(b) dargestellt, und Mikrokapseln 62 ganz ohne magnetischen Inhalt, wie in 2(c) gezeigt. Auch wird in der Regel ein Teil der Mikrokapseln nicht vollständig ausgebildet oder während der Produktion beschädigt. Eine Syntheseroute ohne defekte Kapseln ist derzeit nicht bekannt.
Erfindungsgemäß werden daher aus der nach der Verkapselung erhaltenen Dispersion möglichst viele defekte und unmagnetische Kapseln entfernt und die Dispersion dadurch gereinigt und die Konzentration magnetischer Partikel erhöht. Mit Bezug auf das Ausführungsbeispiel der 3 kann dazu eine Sedimentationsvorrichtung 200 zum Reinigen und Erhöhen der Konzentration magnetischer Mikrokapseln eingesetzt werden, die eine Sedimentationskammer 202 mit einem Dispersionseinlass 204 und drei, zunächst geschlossenen Auslässen 206, 208, 210 umfasst, welche in unterschiedlichen Höhen der Sedimentationskammer 202 angeordnet sind.
Nach dem Einleiten einer Dispersion 220, die hoch gefüllte Mikrokapseln 50 (wie beispielsweise in 2(a) gezeigt), niedrig gefüllte Mikrokapseln 60 (wie beispielsweise in 2(b) gezeigt) und Mikrokapseln 62 ohne magnetischen Inhalt (wie beispielsweise in 2(c) gezeigt) enthält, wird der Einlass 204 geschlossen und der Dispersion für eine vorbestimmte Standzeit Zeit zum Sedimentieren gegeben. Da die Sinkgeschwindigkeit der Partikel mit dem Dichteunterschied zwischen den Mikrokapseln 50, 60, 62 und dem Lösungsmedium 64 der eingefüllten Dispersion skaliert, erfordern geringere Dichteunterschiede eine längere Standzeit. In der Praxis kann die Standzeit beispielsweise einige Stunden betragen.
Die Dichte des Lösungsmediums kann insbesondere durch Zugabe von Salzen nach Wunsch eingestellt und auf die Dichte der zu sedimentierenden Mikrokapseln abgestimmt werden. Daneben können auch weitere Zusätze, wie etwa Tenside, zugegeben werden, um eine Agglomeration der Mikrokapseln zu verhindern. Auch Thixotropiemittel können vorteilhaft zum Einsatz kommen.
Durch eine Anpassung des Materials der Kapselhülle 52 und der Kapselfüllstoffe 54 (2) ist es auch möglich, Mikrokapseln mit besonders geeignetem Sedimentationsverhalten zu erzeugen, bei denen beispielsweise die gut gefüllten Mikrokapseln rasch absinken, während ungefüllte Mikrokapseln aufschwimmen. Zur Abstimmung kann insbesondere die Dichte und Größe der Kapselhülle 52, die Dichte der Kapselfüllung 54 und die Dichte des magnetischen Pigments 56 im jeweils möglichen Rahmen geeignet gewählt werden. Bei geeigneter Abstimmung kann die durchschnittliche Kapseldichte in einem Bereich von etwa 0,8 g/cm³ bis zu etwa 1,3 g/cm³ eingestellt werden, und so ein gewünschtes Sedimentationsverhalten vorgegeben werden.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung ergibt sich, wenn die Mikrokapseln 50, 60, 62 und das Lösungsmedium 64 der Dispersion wie im Ausführungsbeispiel der 3 so aufeinander abgestimmt sind, dass gut gefüllte Mikrokapseln 50 auf den Boden der Sedimentationskammer 202 absinken, niedrig gefüllte Mikrokapseln 60 aufschwimmen, und Mikrokapseln 62 ohne magnetischen Inhalt schweben.
Mögliche Ursachen für die Reihenfolge der Anordnung von niedrig gefüllten, nicht gefüllten und hoch gefüllten Mikrokapseln wurden bereits weiter oben genannt.
Nach erfolgter Trennung durch Sedimentation können die gut gefüllten Mikrokapseln 50 dann über den unteren Auslass 206 und die niedrig gefüllten Mikrokapseln 60 über den oberen Auslass 210 abgesaugt werden. Anstatt durch einen Auslass 210 können die aufschwimmenden Mikrokapseln 60 auch durch Zugabe von weiterem Lösungsmedium in einem Überlauf abgetrennt werden. Auch können die schwebenden Mikrokapseln 62 über den Auslass 206 abgesaugt werden, beispielsweise mit einem Schwimmer und optischen Sensor. Der Grad der Reinigung und Konzentrationserhöhung kann durch wiederholte Sedimentationstrennung gesteigert werden.
Grundsätzlich ist anzumerken, dass eine bestimmte Fraktion an Mikrokapseln neben der oben beschriebenen Absaugung mittels geeigneter Auslässe auch durch andere technische Mittel aus der Sedimentationskammer entfernt werden können. Beispielsweise kann in die Sedimentationskammer eine Schlauch auf einer festen Höhe installiert werden, über den die sich im Bereich der Schlauchöffnung vorhandenen Mikrokapseln abgesaugt werden. Alternativ kann ein Schlauch an einem Schwimmer derart befestigt werden, dass er in einer bestimmten Tiefe unterhalb des Schwimmers die sich im Bereich der Schlauchöffnung befindlichen Mikrokapseln absaugt. Eine solche Konstruktion berücksichtigt demnach immer den aktuellen Füllstand in der Sedimentationskammer, da das Schlauchende immer einen bestimmten Abstand vom Schwimmer aufweist und damit in einem bestimmten Abstand von der Flüssigkeitsoberfläche die Absaugung vornimmt.
Die hoch gefüllten Mikrokapseln 50 können beispielsweise zur Herstellung einer Druckfarbe besonders hoher Deckkraft verwendet werden, während die niedrig gefüllten Mikrokapseln 60 die Herstellung einer Druckfarbe erlauben, die trotz reversibler magnetischer Ausrichtbarkeit noch durchscheinend ist und den Blick auf eine darunterliegende Information nicht vollständig versperrt.
Durch die Abstimmung der Mikrokapseln 50, 60, 62 und des Mediums 64 werden bei der Sedimentation daher nicht nur die ungefüllten Mikrokapseln abgetrennt, sondern es können auch die hoch gefüllten Mikrokapseln 50 von den niedrig gefüllten Mikrokapseln 60 getrennt und eine jeweils separaten Verwendung in einer Druckfarbe zugeführt werden.
Allgemein können durch das beschriebene Verfahren magnetische Partikel und insbesondere magnetische Mikrokapseln in hoher Reinheit und Qualität produziert werden. Siebdrucke unter Verwendung einer Druckfarbe mit erfindungsgemäß gereinigten und aufkonzentrierten magnetischen Mikrokapseln zeigen unter Magnetfeldeinfluss einen deutlich stärkeren visuellen Effekt als vergleichbare Siebdrucke mit herkömmlichen, ungereinigten Mikrokapsel-Chargen.
Ganz allgemein lässt sich sagen, dass Drucke unter Verwendung einer Druckfarbe mit erfindungsgemäß gereinigten und aufkonzentrierten magnetischen Partikeln einen deutlich stärkeren visuellen Effekt als vergleichbare Drucke mit herkömmlichen, ungereinigten Partikel-Chargen zeigen. Werden mit dem beschriebenen Verfahren beispielsweise magnetische (Nano-)Partikel gereinigt, dann zeigt ein Aufdruck unter Verwendung einer Druckfarbe mit den so gereinigten Partikeln einen deutlich stärkeren visuellen Effekt als ein Druck unter Verwendung einer Druckfarbe mit nicht gereinigten Partikeln. Es versteht sich, dass ein Aufdruck der Druckfarben mit einem geeigneten Druckverfahren erfolgen muss. Neben dem bereits erwähnten Siebdruckverfahren sind für die Aufbringung von Druckfarben mit magnetischen (Nano-)Partikeln insbesondere Flexodruckverfahren, Offsetdruckverfahren etc. geeignet.
In einer weiteren Variante ist vorgesehen, die Sedimentationsvorrichtung gemäß 3 bezüglich der Zufuhr der Dispersion, umfassend magnetische und nichtmagnetische Partikel, zu modifizieren. Dies wird mit Bezug auf 8 erläutert. In 8 sind die einzelnen Teile der Sedimentationsvorrichtung 260, soweit vorhanden, mit den gleichen Bezugszeichen wie in der Sedimentationsvorrichtung 200 gemäß 3 bezeichnet. Im Unterschied zur Sedimentationsvorrichtung 200 gemäß 3, erfolgt die Zufuhr der Dispersion 220, umfassend hoch gefüllte Mikrokapseln 50, niedrig gefüllte Mikrokapseln 60 und Mikrokapseln 62 ohne magnetischen Inhalt, kontinuierlich. Eine kontinuierliche Zufuhr der Dispersion kann, z. B. wie in 8 gezeigt, mittels einer Rieseldüse 264 erfolgen. Die Mikrokapseln 50, 60 und 62 gelangen durch eine Öffnung 224 im oberen Bereich der Sedimentationskammer 260 in den Innenraum der Sedimentationskammer 260. Durch die kontinuierliche Zufuhr der Dispersion, umfassend die zu trennenden Mikrokapseln 50, 60 und 62, wird ein im Wesentlichen kontinuierlich ablaufendes Sedimentationsverfahren ermöglicht. Z. B. könnten die niedrig gefüllten Mikrokapseln 60 über den oberen Auslass 210 und die nicht gefüllten Mikrokapseln 62 über den Auslass 208 kontinuierlich aus der Sedimentationskammer 202 abgeführt werden. Nach einer bestimmten Zeit könnten schließlich die gefüllten Mikrokapseln 50 über den Auslass 206 aus der Sedimentationskammer 202 entfernt werden. Es versteht sich, dass die Verfahrensparameter für das mit einer Sedimentationsvorrichtung gemäß 3 durchgeführten Verfahren angepasst werden müssen, um ein im Wesentlichen kontinuierliches Verfahren auf einer Sedimentationsvorrichtung gemäß 8 durchführen zu können.
In einer Weiterbildung der Erfindung wird die durch Sedimentation erhaltene vorgereinigte Dispersion zur weiteren Reinigung und Konzentrationserhöhung einer Magnetabscheidevorrichtung zugeführt. Zwei Ausführungsbeispiele einer solchen Magnetabscheidevorrichtung werden nachfolgend mit Bezug auf 4 und 5 näher erläutert.
Mit Bezug auf 4 kann dazu eine im Batchbetrieb arbeitende Magnetabscheidevorrichtung 100 eingesetzt werden, die eine Kammer 102 zur Aufnahme der vorgereinigten Dispersion mit den magnetischen Partikeln aufweist. Die Kammer 102 enthält einen Dispersionseinlass 104 zum Zuführen der Dispersion, einen Umpumpzugang 106 zum Umpumpen des in der Kammer enthaltenen Fluids, einen Spüleinlass 108 zum Zuführen einer Spüllösung, und einen Auslass 110 zum Ablassen von Fluiden aus der Kammer 102 in einen Abfallbehälter 112 bzw. einen Produktbehälter 114.
Weiter ragt eine Rohrtülle 116 für die Anlagerung der magnetischen Partikel in die Kammer 102, welchen einen in die Rohrtülle 116 ein- und ausfahrbaren Magnetstab 118 enthält, der aus einem Stapel aus Einzelmagneten 120, beispielsweise einem Stapel aus NdFeB-Magneten hoher Flussdichte, besteht.
Das zugehörige Batch-Reinigungsverfahren kann dann beispielsweise wie folgt ablaufen. Nach dem Verkapselungsschritt wird die ungereinigte Magnetpartikel-Slurry zunächst mit Frischwasser verdünnt und in einem nicht gezeigten Eduktbehälter vorgelegt. Im Eduktbehälter wird die Dispersion der Magnetpartikel durch ein Rührwerk durchmischt, um ein Absetzen der Magnetpartikel zu verhindern. Dann wird die durchmischte Dispersion, wie oben beschrieben, durch Sedimentation, beispielsweise in der Sedimentationsvorrichtung 200 der 3, vorgereinigt. Die vorgereinigte Dispersion 130 mit den magnetischen Partikeln wird dann bei geschlossenem Auslass 110 über den Dispersionseinlass 104 in die Kammer 102 eingeleitet, bis ein vorbestimmter Füllstand in der Kammer erreicht ist. Anschließend wird der Dispersionseinlass 104 geschlossen.
Alternativ zu der Durchmischung der Dispersion der Magnetpartikel durch ein Rührwerk kann die Durchmischung auch durch eine geeignete Luftdurchströmung erfolgen. Beispielsweise kann durch ein Rohr Luft in den Eduktbehälter derart eingeleitet werden, dass die in der Dispersion der Magnetpartikel hervorgerufene Aufwirbelung ohne allzu große Scherkräfte erfolgt und damit eine schonende Aufwirbelung bzw. Durchmischung der Dispersion der Magnetpartikel erfolgt.
Der Magnetstab 118 befindet sich beim Einleiten der Dispersion 130 bereits in der Rohrtülle 116 in der in 4 dargestellten abgesenkten Position, so dass die gefüllten magnetischen Partikel (oft auch als Gutpartikel bezeichnet) der Dispersion 130 aufgrund der magnetischen Wechselwirkung an der Rohrtülle 116 adsorbiert werden. Defekte oder ungefüllte Partikel werden wegen der fehlenden Wechselwirkung dagegen nicht adsorbiert und verbleiben in der Dispersion. Um eine möglichst vollständige Adsorption der magnetischen Partikel an der Rohrtülle 116 zu erreichen, kann die Dispersion nach dem Einleiten über den Umpumpzugang 106 ein- oder mehrmals für einen bestimmten Zeitraum umgepumpt werden.
Nach erfolgter Adsorption wird der Auslass 110 geöffnet und die in der Kammer 102 enthaltene Dispersion mit den defekten und ungefüllten Partikeln über eine Umschaltklappe 124 in den Abfallbehälter 114 geleitet. Im Auslass 110 ist optional ein zusätzlicher Rückgewinnungsmagnet 122 vorgesehen, mit dem eventuell noch im Abwasser enthaltene Gutpartikel zurückgehalten und der weiteren Verarbeitung zugeführt werden können. Der Rückgewinnungsmagnet 122 kann abweichend von der Darstellung gemäß 3 und 4 auch in einer Rohrtülle angeordnet sein, was insbesondere den Reinigungsaufwand für den Rückgewinnungsmagneten verringert. Nach dem Ablassen des Abwassers wird der Auslass 110 wieder geschlossen.
In einer ersten Verfahrensalternative wird nun der Magnetstab 118 vollständig aus der Rohrtülle ausgefahren (Pfeil 132) und die an der Rohrtülle 116 adsorbierten Gutpartikel werden mit einer über den Spüleinlass 108 zugeführten Spüllösung 134 abgelöst. Die Spüllösung mit den Gutpartikeln wird dann über den Auslass 110 und die Umschaltklappe 124 in den Produktbehälter 112 geleitet. Ist im Auslass 110 ein Rückgewinnungsmagnet 122 vorgesehen, wird dieser für das Ablassen der Gutpartikel vom Auslass 110 entfernt (Bezugszeichen 136).
Im Produktbehälter 112 wird die aufschwimmende Wasserphase nach einer vorstimmten Absetzzeit abgesaugt, die Gutpartikel werden getrocknet und stehen dann in gereinigter und konzentrierter Form für die Weiterverarbeitung, beispielsweise in einer Druckfarbe, zur Verfügung.
Bei einer zweiten Verfahrensalternative wird nach dem Ablassen des Abwassers und Schließen des Auslasses 110 der Magnetstab 118 vollständig aus der Rohrtülle 116 ausgefahren und über den Spüleinlass 108 eine Spüllösung 134 der Kammer zugeführt, um die adsorbierten Partikel von der Rohrtülle abzulösen. Über den Umpumpzugang 106 wird die so entstehende, bereits aufkonzentrierte Dispersion mittels einer in der Figur nicht dargestellten Schlauchpumpe umgewälzt. Dann wird der Magnetstab 118 wieder in die Rohrtülle 116 eingefahren, wobei die Dispersion weiter umgepumpt wird. Dadurch können eventuell im ursprünglichen Filterkuchen vorhandene defekte oder ungefüllte Partikel ausgespült werden. Anschließend wird wie in der ersten Verfahrensalternative weiter verfahren, also der Magnetstab 118 vollständig aus der Rohrtülle ausgefahren, die an der Rohrtülle 116 adsorbierten Gutpartikel mit einer über den Spüleinlass 108 zugeführten Spüllösung 134 abgelöst, und die Spüllösung mit den Gutpartikeln über den Auslass 110 und die Umschaltklappe 124 in den Produktbehälter 112 geleitet. Die Schritte des Ablösen des Filterkuchens, der Reinigung mit einer Spüllösung und der erneuten magnetischen Adsorption können auch mehrmals wiederholt werden, um die Produktqualität weiter zu verbessern.
Typischerweise wird nach dem ersten Spülgang (erste Verfahrensalternative) bereits ein Anteil von 90% oder mehr Gutpartikeln, nach dem zweiten Spülgang (zweite Verfahrensalternative) von 95% oder mehr Gutpartikeln erreicht. Durch wiederholtes Spülen können noch höhere Konzentrationen erreicht werden.
Der im Auslass optional vorgesehene Rückgewinnungsmagnet 122 weist vorzugsweise eine höhere Flussdichte als der Magnetstab 118 auf. Die Flussdichte des Magnetstabs 118 liegt vorteilhaft im Bereich von 50 mT bis 1400 mT. Es versteht sich, dass die Kammer 102 auch mehrere Rohrtüllen mit aus- und einfahrbaren Magnetstäben aufweisen kann. Auch können mehrere Dispersionseinlässe vorgesehen sein. Anstelle eines aus- und einfahrbaren Magnetstabs kann auch ein Elektromagnet-Stab in der oder den Rohrtülle(n) vorgesehen sein. Ein solcher Elektromagnet-Stab muss nicht aus- und eingefahren werden, da das Magnetfeld des Elektromagnet-Stabs durch Ein- und Ausschalten erzeugt bzw. abgeschaltet werden kann.
5 zeigt eine weitere Magnetabscheidevorrichtung 150, die für einen kontinuierlichen Betrieb eingerichtet ist. Die Magnetabscheidevorrichtung 150 enthält eine Fließstrecke 152, in der die Dispersion 130 mit den magnetischen Partikeln von einem Dispersionseinlass 154 zu einem Auslass 156 fließt, eine Abscheidestation 158 zum Abscheiden magnetischer Partikel und einen umlaufenden ringförmigen Magnetschlauch 170, der in einem ersten Teilbereich 174 in der Fließstrecke 152 und in einem zweiten Teilbereich 176 an der Abscheidestation 158 verläuft und in dem ein ringförmiger Stapel aus Einzelmagneten 172 angeordnet ist.
Die Abscheidestation 158 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel durch einen Abscheidemagneten 160 gebildet, der aus einem Stapel aus Einzelmagneten besteht und der parallel zum zweiten Teilbereich 176 oszillierbar angeordnet ist (Bezugszeichen 162). Der Abscheidemagnet 160 weist eine höhere Feldstärke als die Einzelmagnete 172 des Magnetschlauchs 170 auf, so dass die magnetischen Partikel an der Abscheidestation 158 von dem Magnetschlauch 170 abgelöst werden.
Das kontinuierliche Reinigungsverfahren kann dann beispielsweise wie folgt ablaufen. Nach dem Verkapselungsschritt wird die ungereinigte Magnetpartikel-Slurry zunächst mit Frischwasser verdünnt und in einem nicht gezeigten Eduktbehälter vorgelegt. Im Eduktbehälter wird die Dispersion der Magnetpartikel durch ein Rührwerk durchmischt um ein Absetzen der Magnetpartikel zu verhindern. Dann wird die durchmischte Dispersion, wie oben beschrieben, durch Sedimentation, beispielsweise in der Sedimentationsvorrichtung 200 der 3 vorgereinigt. Die vorgereinigte Dispersion 130 mit den magnetischen Partikeln über den Dispersionseinlass 154 in die Fließstrecke 152 eingebracht, wo sie im ersten Teilbereich 174 entlang des Magnetschlauchs 170 zu dem Auslass 156 fließt.
Der Magnetschlauch 170 mit den Einzelmagneten 172 läuft im Ausführungsbeispiel im Uhrzeigersinn um (Pfeil 178), so dass aufgrund der magnetischen Wechselwirkung im ersten Teilbereich 174 kontinuierlich magnetische Partikel 50 (Gutpartikel) an dem Magnetschlauch 170 adsorbiert werden. Durch das Umlaufen des Magnetschlauchs 170 werden die adsorbierten Partikel aus der Fließstrecke 152 zur Abscheidestation 158 transportiert, wo sie durch den Abscheidemagneten 158 vom Magnetschlauch 170 abgelöst werden und im Produktbehälter 112 aufgefangen werden.
Die Dispersion mit den defekten und ungefüllten Partikeln 62 wird nach dem Durchlaufen der Fließstrecke in den Abfallbehälter 114 geleitet. Im Auslass 156 ist optional ein Rückgewinnungsmagnet 122 vorgesehen, mit dem eventuell noch in der Dispersion enthaltene Gutpartikel 50 entfernt und der weiteren Verarbeitung zugeführt werden können. Der optionale Rückgewinnungsmagnet 122 weist vorzugsweise eine höhere Flussdichte als die Einzelmagneten 172 auf.
In beiden Verfahrensvarianten wird die Kapselmasse der Gutpartikel in einem nachfolgenden Trocknungsschritt mit Vorteil zu einem Pulver verfestigt. Als Trocknungsschritt kommt beispielsweise eine Vakuumtrocknung, Gefriertrocknung oder Sprühtrocknung in Betracht, wobei die Sprühtrocknung derzeit besonders bevorzugt ist.
6 zeigt in schematischer Darstellung die vorteilhafte Kombination 250 einer Sedimentationsvorrichtung 200 mit einer Magnetabscheidevorrichtung 100 oder 150 der oben beschriebenen Art.
Bei der Kombinationsvorrichtung 250 des Ausführungsbeispiels der 6 wird eine Dispersion 220 mit hoch gefüllten Mikrokapseln 50, niedrig gefüllten Mikrokapseln 60 und Mikrokapseln 62 ohne magnetischen Inhalt zunächst in die Sedimentationsvorrichtung 200 eingebracht. Im Ausführungsbeispiel sind nur hoch gefüllte Mikrokapseln 50 von Interesse, so dass nach der Sedimentation die vorgereinigte Dispersion 230 mit einem bereits deutlich erhöhten Anteil an hoch gefüllten Mikrokapseln 50 zu der Magnetabscheidevorrichtung 100 oder 150 geleitet wird. Die Restdispersion 232 wird in einem Abfallbehälter 114 gesammelt oder, etwa zur Nutzung der niedrig gefüllten Kapseln 60, einer weiteren Verarbeitung zugeführt.
In der Magnetabscheidevorrichtung 100 bzw. 150 wird die Konzentration der hoch gefüllten Mikrokapseln in der Dispersion dann weiter erhöht, wie oben beschrieben. Die hochreinen magnetischen Mikrokapseln 240 werden in einem Produktbehälter 114 gesammelt, die bei der Magnetabscheidung entfernten defekten oder unmagnetischen Mikrokapseln 234 dem Abfallbehälter 114 zugeführt.
Die Kombination von Sedimentation und Magnetabscheidung erlaubt die Erzeugung hochreinen, hochkonzentrierten Partikelmaterials, wobei es sich wie oben beschrieben als vorteilhaft herausgestellt hat, zuerst die Sedimentation und nachfolgend die Magnetabscheidung durchzuführen.
Grundsätzlich ist es allerdings auch denkbar, eine Kombination von Sedimentation und Magnetabscheidung abweichend von der in 6 gezeigten Kombinationsvorrichtung 250 mit nur einer Kammer durchzuführen. Eine solche Kombinationsvorrichtung 270 ist in 7 gezeigt. Die Kombinationsvorrichtung 270 weist eine Kammer 102 auf, welche einen in die Rohrtülle 160 ein- und ausfahrbaren Magnetstab 118 enthält, der aus einem Stapel aus Einzelmagneten 120 besteht. Die Dispersion 220, umfassend hoch gefüllte, wenig gefüllte und nicht gefüllte Mikrokapseln 50, 60, 62, wird über einen Dispersionseinlass 214 zugeführt. Während der Einbringung der Dispersion 220 bleiben die Auslässe 206, 208 und 210 geschlossen.
Wie mit Bezug auf 4 beschrieben, kann die Kombinationsvorrichtung 270 ferner einen Umpumpzugang 106 und einen Spüleinlass 108 aufweisen, wobei durch den Spüleinlass 108 eine Spüllösung 134 zugeführt werden kann. Während der Zuführung der Dispersion 220 können der Spüleinlass 108 und der Umpumpzugang 106 geschlossen sein. Wie mit Bezug auf 4 beschrieben, wird die Dispersion 220 in die Kammer 102 eingeleitet und dann der Dispersionseinlass 214 geschlossen. Die mit magnetischen Partikeln gefüllten Mikrokapseln werden aufgrund der magnetischen Wechselwirkung an der Rohrtülle 116 adsorbiert. Defekte oder ungefüllte Mikrokapseln werden wegen der fehlenden Wechselwirkung dagegen nicht adsorbiert und verbleiben in der Dispersion. Nach erfolgter Adsorption werden die in der Kammer 102 befindlichen defekten und ungefüllten Mikrokapseln über den Auslass 206 aus der Kammer entfernt. Diese defekten und ungefüllten Mikrokapseln können über die Umschaltklappe 124 in den Abfallbehälter 112 geleitet werden. Anschließend kann der Magnetstab 118 aus der Rohrtülle 116 vollständig ausgefahren werden und die an der Rohrtülle 116 adsorbierten Gutpartikel werden mit einer über den Spüleinlasse 108 zugeführten Spüllösung 134 abgelöst, so dass diese in der Kammer 102 verbleiben. Dazu wurde nach dem Ablassen der ungefüllten und defekten Mikrokapseln der Abfluss 206 wieder geschlossen.
Die in der Kammer 102 verbleibende Dispersion, welche im Wesentlichen aus hoch gefüllten Mikrokapseln 50 und wenig gefüllten Mikrokapseln 60 besteht, wird nun eine vorgegebene Standzeit in der Kammer 102 belassen bis eine Trennung dieser Mikrokapseln, wie vorstehend mit Bezug auf 3 beschrieben, erfolgt ist. Durch die Auslässe 206, 208 und 210 ist dann je nach Füllstand der Kammer eine Abtrennung der hoch gefüllten Mikrokapseln 50 z. B. über den Auslass 206 und den Auslass 208 möglich. Mittels der vorstehend beschriebenen Kombinationsvorrichtung ist insbesondere eine sehr gute Trennung von hoch gefüllten Mikrokapseln 50 bzw. wenig gefüllten Mikrokapseln 60 möglich.
Alle beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen eignen sich auch für die Herstellung hochreinen Partikelmaterials z. B. aus unverkapselten magnetischen Pigmenten oder magnetischen Nanoteilchen, auch wenn gegenwärtig der Einsatz der Verfahren und Vorrichtungen für die Herstellung hochreinen Partikelmaterials aus magnetischen Mikrokapseln bevorzugt ist.
Alternativ oder zusätzlich zur Sedimentation können die beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen eine oder mehrere Zentrifugen aufweisen mittels derer eine Filtration vorgenommen wird.
Bezugszeichenliste

10: Sicherheitselement
12: Farbschicht
14: magnetische Mikrokapseln
16, 18: Bereiche
20: Verifikationseinrichtung
22: Motivmagnet
30: Banknotenpapier
32: Druckschicht
33: Linienmuster
36: magnetisch ausrichtbare Eisenpigmente
38: Verkapselung
42: Magnetfeldlinien
50: hoch gefüllte magnetische Mikrokapsel
52: Hüllwand
54: Ölfüllung
56: magnetische Pigmente
60: gering gefüllte Mikrokapsel
62: Mikrokapsel ohne magnetischen Inhalt
64: Lösungsmedium
100: Magnetabscheidevorrichtung
102: Kammer
104: Dispersionseinlass
106: Umpumpzugang
108: Spüleinlass
110: Auslass
112: Abfallbehälter
114: Produktbehälter
116: Rohrtülle
118: Magnetstab
120: Einzelmagnete
122: Rückgewinnungsmagnet
124: Umschaltklappe
130: Dispersion
132: Magnetstab ein- und ausfahren
134: Spüllösung
136: Bewegen Rückgewinnungsmagnet
150: Magnetabscheidevorrichtung
152: Fließstrecke
154: Dispersionseinlass
156: Auslass
158: Abscheidestation
160: Abscheidemagnet
162: Oszillation Abscheidemagnet
170: Magnetschlauch
172: Einzelmagnete
174, 176: Teilbereiche
178: Umlaufen Magnetschlauch
200, 260: Sedimentationsvorrichtung
202: Sedimentationskammer
204, 214: Dispersionseinlass
206, 208, 210: Auslässe
220: Dispersion
224: Öffnung
230: vorgereinigte Dispersion
232: Restdispersion
234: defekte oder unmagnetische Mikrokapseln
240: hochreine magnetische Mikrokapseln
264: Rieseldüse
250, 270: Kombinationsvorrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2009/074284 A2 [0048, 0054]
WO 2012/130370 A1 [0048, 0054]

Claims

Verfahren zum Herstellen eines hochreinen magnetischen Partikelmaterials für eine Druckfarbe, insbesondere für den Sicherheitsdruck, bei dem – eine Dispersion mit einem Anteil magnetischer Partikel, einem Anteil nichtmagnetischer Partikel und einem Lösungsmedium hergestellt wird, – die Dispersion einer Sedimentationskammer zugeführt und dort für eine vorbestimmte Standzeit sedimentiert wird, – ein gewünschter Anteil der sedimentierten Dispersion mit magnetischen Partikeln aus einem Auslass der Sedimentationskammer entnommen wird, und – die magnetischen Partikel von dem Lösungsmedium getrennt und getrocknet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dispersion einen Anteil von mit einem magnetischen Pigment gefüllten Mikrokapseln, einen Anteil von Mikrokapseln ohne magnetischen Inhalt und das Lösungsmedium enthält, wobei die Mikrokapseln und das Lösungsmedium so aufeinander abgestimmt sind, dass die gefüllten Mikrokapseln bei der Sedimentation absinken und die Mikrokapseln ohne magnetischen Inhalt aufschwimmen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dispersion einen Anteil von mit einem magnetischen Pigment hoch gefüllten Mikrokapseln, einen Anteil von mit einem magnetischen Pigment niedrig gefüllten Mikrokapseln, einen Anteil von Mikrokapseln ohne magnetischen Inhalt und das Lösungsmedium enthält, wobei die Mikrokapseln und das Lösungsmedium so aufeinander abgestimmt sind, dass die hoch gefüllten Mikrokapseln bei der Sedimentation absinken, die niedrig gefüllten Mikrokapseln bei der Sedimentation aufschwimmen und die Mikrokapseln ohne magnetischen Inhalt schweben.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem D) der aus einem Auslass der Sedimentationskammer entnommene Anteil der sedimentierten Dispersion einer Kammer einer Magnetabscheidevorrichtung zugeführt wird, welche Kammer zumindest einen Dispersionseinlass zum Zuführen der Dispersion, einen Spüleinlass zum Zuführen einer Spüllösung, und einen Auslass zum Ablassen von Fluiden aus der Kammer in einen Abfall- oder einen Produktbehälter aufweist, und bei der die Magnetabscheidevorrichtung weiter eine in die Kammer ragende Rohrtülle für die Anlagerung der magnetischen Partikel umfasst, die einen in die Rohrtülle ein- und ausfahrbaren Magnetstab oder einen ein- und ausschaltbaren Elektromagnet-Stab enthält, M1) wobei in der Magnetabscheidevorrichtung der Magnetstab in die Rohrtülle eingefahren ist oder wird, oder der Elektromagnet-Stab eingeschaltet ist oder wird, so dass magnetische Partikel an der Rohrtülle adsorbiert werden, A) die Dispersion mit den nicht adsorbierten Partikeln über den Auslass in einen Abfallbehälter abgelassen wird, M2) der Magnetstab aus der Rohrtülle herausgefahren wird, oder der Elektromagnet-Stab ausgeschaltet wird, S) die an der Rohrtülle adsorbierten magnetischen Partikel mit einer über den Spüleinlass zugeführten Spüllösung abgelöst werden, P) die Spüllösung mit den magnetischen Partikeln über den Auslass in einen Produktbehälter abgelassen wird, und T) die magnetischen Partikel von der Spüllösung getrennt und getrocknet werden.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Schritten A) und M2) einmal oder mehrfach folgende Schritte S2) bis M4) durchgeführt werden, in welchen S2) über den Spüleinlass eine Spüllösung der Kammer zugeführt wird, M3) der Magnetstab aus der Rohrtülle herausgefahren wird, oder der Elektromagnet-Stab ausgeschaltet wird, S3) die an der Rohrtülle adsorbierten magnetischen Partikel mit einer über den Spüleinlass zugeführten Spüllösung abgelöst werden, M4) der Magnetstab in die Rohrtülle eingefahren wird, oder der Elektromagnet-Stab eingeschaltet wird, so dass magnetische Partikel an der Rohrtülle adsorbiert werden, und dass nach der einmaligen oder mehrfachen Wiederholung der Schritte S2) bis M4) in einem Schritt A2) die Dispersion mit den nicht adsorbierten Partikeln über den Auslass in einen Abfallbehälter abgelassen wird, und dass das Verfahren dann mit Schritt M2) weitergeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Einleiten in einen Abfallbehälter in einem Schritt R) durch einen Rückgewinnungsmagneten magnetische Partikel aus der ausgelassenen Dispersion mit den nicht adsorbierten Partikeln entfernt werden.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem D) der aus einem Auslass der Sedimentationskammer entnommene Anteil der sedimentierten Dispersion einer Magnetabscheidevorrichtung zugeführt wird, die eine Fließstrecke umfasst, in der die Dispersion mit den magnetischen Partikeln von einem Dispersionseinlass zu einem Auslass fließt, eine Abscheidestation zum Abscheiden magnetischer Partikel und einen umlaufenden ringförmigen Magnetschlauch, der in einem ersten Teilbereich in der Fließstrecke und in einem zweiten Teilbereich entlang der Abscheidestation verläuft und in dem ein ringförmiger Stapel aus Einzelmagneten angeordnet ist, und wobei die Dispersion mit den magnetischen Partikeln der Fließstrecke der genannten Magnetabscheidevorrichtung zugeführt wird, um im ersten Teilbereich entlang des ringförmige Magnetschlauchs von dem Dispersionseinlass zu dem Auslass zu fließen, wobei magnetische Partikel an dem Magnetschlauch adsorbiert werden, M) der ringförmige Magnetschlauch zwischen dem ersten und zweiten Teilbereich umläuft, um die adsorbierten magnetischen Partikel vom ersten zum zweiten Teilbereich zu transportieren, und Ab) die transportierten magnetischen Partikel an der Abscheidestation von dem Magnetschlauch abgelöst und in einem Produktbehälter aufgefangen werden.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Dispersion mit den nicht adsorbierten Partikeln nach Durchlaufen der Fließstrecke in einen Abfallbehälter geleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Einleiten in einen Abfallbehälter in einem Schritt R) durch einen Rückgewinnungsmagneten magnetische Partikel aus der ausgelassenen Dispersion mit den nicht adsorbierten Partikeln entfernt werden.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 7 bis 9, bei dem der Magnetabscheidevorrichtung eine Dispersion mit magnetischen Mikrokapseln zugeführt wird.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10 mit einer Sedimentationskammer mit einem Dispersionseinlass und zwei oder mehr Auslässen, die in unterschiedlichen Höhen der Sedimentationskammer angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 11, weiter umfassend eine Magnetabscheidevorrichtung zum Reinigen und Erhöhen der Konzentration magnetischer Partikel in einer Dispersion, mit – einer Kammer zur Aufnahme der Dispersion mit den magnetischen Partikeln, welche zumindest einen Dispersionseinlass zum Zuführen der Dispersion, einen Spüleinlass zum Zuführen einer Spüllösung, und einen Auslass zum Ablassen von Fluiden aus der Kammer in einen Abfall- oder einen Produktbehälter aufweist, und – einer in die Kammer ragende Rohrtülle für die Anlagerung der magnetischen Partikel, die einen in die Rohrtülle ein- und ausfahrbaren Magnetstab oder einen ein- und ausschaltbaren Elektromagnet-Stab enthält, – wobei ein Auslass der Sedimentationsvorrichtung mit dem Dispersionseinlass der Magnetabscheidevorrichtung verbunden ist, so dass die vorgereinigte und aufkonzentrierte Dispersion von der Sedimentationsvorrichtung der Magnetabscheidevorrichtung zur weiteren Reinigung und Konzentrationserhöhung zugeführt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 11, weiter umfassend eine Magnetabscheidevorrichtung zum Reinigen und Erhöhen der Konzentration magnetischer Partikel in einer Dispersion, mit – einer Fließstrecke, in der die Dispersion mit den magnetischen Partikeln von einem Dispersionseinlass zu einem Auslass fließt, – einer Abscheidestation zum Abscheiden magnetischer Partikel, und – einem umlaufenden ringförmigen Magnetschlauch, der in einem ersten Teilbereich in der Fließstrecke und in einem zweiten Teilbereich entlang der Abscheidestation verläuft und in dem ein ringförmiger Stapel aus Einzelmagneten angeordnet ist, – wobei ein Auslass der Sedimentationsvorrichtung mit dem Dispersionseinlass der Magnetabscheidevorrichtung verbunden ist, so dass die vorgereinigte und aufkonzentrierte Dispersion von der Sedimentationsvorrichtung der Magnetabscheidevorrichtung zur weiteren Reinigung und Konzentrationserhöhung zugeführt wird.
Hochreines magnetisches Partikelmaterial, erhalten mit einem Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 10, in dem das Verhältnis der Zahl magnetischer Partikel zur Summe der Zahl magnetischer und nichtmagnetischer Partikel vorzugsweise mehr als 0,9, insbesondere mehr als 0,95, besonders bevorzugt mehr als 0,98 beträgt.
Hochreines magnetisches Partikelmaterial nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetische Partikelmaterial durch magnetisches Mikrokapselmaterial gebildet ist.
Magnetisches Partikelprodukt, insbesondere Druckfarbe, Sicherheitselement oder Wertdokument mit einem hochreinen magnetischen Partikelmaterial nach Anspruch 14 oder 15.
Verfahren zum Herstellen einer Druckfarbe für den Sicherheitsdruck, bei dem – eine Dispersion mit einem Anteil magnetischer Partikel, einem Anteil nichtmagnetischer Partikel und einem Lösungsmedium hergestellt wird, – die Dispersion einer Sedimentationskammer zugeführt und dort für eine vorbestimmte Standzeit sedimentiert wird, – ein gewünschter Anteil der sedimentierten Dispersion mit magnetischen Partikeln aus einem Auslass der Sedimentationskammer entnommen wird, – die magnetischen Partikel von dem Lösungsmedium getrennt und getrocknet werden, und – die magnetischen Partikel zu einer Druckfarbe für den Sicherheitsdruck weiterverarbeitet werden.