DE102022130277A1

DE102022130277A1 - Elektrisch leitendes Papiergefüge, Verfahren zum Herstellen desselben und Verwendung

Info

Publication number: DE102022130277A1
Application number: DE102022130277.6A
Authority: DE
Inventors: Stefan Schusser; Thomas Bodendieck; Mario Keller; Rudolf Seidler; Alexander Tantscher; Daniel Lenssen
Original assignee: Giesecke and Devrient Currency Technology GmbH
Current assignee: Giesecke and Devrient Currency Technology GmbH
Priority date: 2022-11-16
Filing date: 2022-11-16
Publication date: 2024-05-16
Also published as: EP4372146A1

Abstract

Elektrisch leitendes Papiergefüge mit cellulosehaltigen Faserstoffen und elektrisch leitfähigen Fasern, wobei das Papiergefüge zumindest einen ersten Flächenbereich und zumindest einen zweiten Flächenbereich beinhaltet, wobei der zumindest eine erste Flächenbereich des Papiergefüges eine im Wesentlichen konstante Schichtdicke aufweist und der zumindest eine zweite Flächenbereich des Papiergefüges alternierend angeordnete Stellen mit höherer Schichtdicke und Stellen mit geringerer Schichtdicke aufweist, sodass der zumindest eine zweite Flächenbereich des Papiergefüges verglichen mit dem zumindest einen ersten Flächenbereich des Papiergefüges über einen höheren elektrischen Widerstand verfügt.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisch leitendes Papiergefüge, ein Verfahren zum Herstellen desselben und eine Verwendung des elektrisch leitenden Papiergefüges.
Elektrisch leitende Papiergefüge, die z.B. auf cellulosehaltigen Faserstoffen und Kohlenstofffasern basieren, sind im Stand der Technik bekannt, siehe z.B. die WO 2020/224800 A1 und die EP 2 770 104 B1 . Es ist somit grundsätzlich bekannt, flächige Papiersubstrate mit leitfähigen Fasern, insbesondere Carbonfasern, Metallfasern oder graphitisierte Kohlefasern, oder anderen, eine Leitfähigkeit bereitstellenden Materialien, z.B. Carbon-Nanotubes, so auszustatten, dass der elektrische Strom durch das flächige Papiersubstrat hindurchfließt. Je nach dem vorliegenden spezifischen Widerstand kann das Papiersubstrat für unterschiedliche Zwecke genutzt werden, z.B. als Heizelement, als Element für die elektromagnetische Abschirmung oder als Element für die Signaldetektion.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes elektrisch leitendes Papiergefüge bereitzustellen. Insbesondere soll das elektrisch leitende Papiergefüge im Hinblick auf das Hindurchfließen des elektrischen Stroms durch das flächige Papiersubstrat über eine verbesserte gegenständliche Beschaffenheit verfügen, um auf diese Weise die Anwendungsvielfalt vorteilhaft zu vergrößern.
Diese Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Ansprüchen definierten Merkmalskombinationen gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Zusammenfassung der Erfindung

1. (Erster Aspekt der Erfindung) Elektrisch leitendes Papiergefüge mit cellulosehaltigen Faserstoffen und elektrisch leitfähigen Fasern, wobei das Papiergefüge zumindest einen ersten Flächenbereich und zumindest einen zweiten Flächenbereich beinhaltet, wobei der zumindest eine erste Flächenbereich des Papiergefüges eine im Wesentlichen konstante Schichtdicke aufweist und der zumindest eine zweite Flächenbereich des Papiergefüges alternierend angeordnete Stellen mit höherer Schichtdicke und Stellen mit geringerer Schichtdicke aufweist, sodass der zumindest eine zweite Flächenbereich des Papiergefüges verglichen mit dem zumindest einen ersten Flächenbereich des Papiergefüges über einen höheren elektrischen Widerstand verfügt.
2. (Bevorzugte Ausgestaltung) Elektrisch leitendes Papiergefüge nach Klausel 1, wobei sich der zumindest eine erste Flächenbereich des Papiergefüges im Falle einer Versorgung des Papiergefüges mit elektrischem Strom stärker als der zumindest eine zweite Flächenbereich des Papiergefüges erhitzt.
3. (Bevorzugte Ausgestaltung) Elektrisch leitendes Papiergefüge nach Klausel 1 oder 2, wobei das Papiergefüge zwei für das Einbringen von elektrischem Strom in das Papiergefüge geeignete Stromleitschienen aufweist, wobei die beiden Stromleitschienen parallel angeordnet sind, d.h. eine Stromleitschiene an einem Ende des Papiergefüges und die weitere Stromleitschiene an dem gegenüber liegenden Ende des Papiergefüges.
4. (Bevorzugte Ausgestaltung) Elektrisch leitendes Papiergefüge nach einer der Klauseln 1 bis 3, wobei die alternierend angeordneten Stellen mit höherer Schichtdicke des Papiers und Stellen mit geringerer Schichtdicke des Papiers des zumindest einen zweiten Flächenbereichs jeweils die Gestalt von Streifen aufweisen, wobei die Streifen in einer zur Längsachse des jeweiligen Streifens senkrecht angeordneten, sogenannten ersten Richtung des Papiergefüges alternierend angeordnet sind.
5. (Bevorzugte Ausgestaltung) Elektrisch leitendes Papiergefüge nach Klausel 4 mit Rückbezug auf Klausel 3, wobei die Längsachse jeder der beiden parallelen Stromleitschienen entlang einer zur ersten Richtung des Papiergefüges senkrecht angeordneten, sogenannten zweiten Richtung des Papiergefüges verläuft.
6. (Bevorzugte Ausgestaltung) Elektrisch leitendes Papiergefüge nach einer der Klauseln 1 bis 5, wobei das Papiergefüge eine Mehrzahl erster Flächenbereiche und eine Mehrzahl zweiter Flächenbereiche beinhaltet.
7. (Bevorzugte Ausgestaltung) Elektrisch leitendes Papiergefüge nach einer der Klauseln 1 bis 6, wobei bezüglich der alternierend angeordneten Stellen mit höherer Schichtdicke und Stellen mit geringerer Schichtdicke im zumindest einen zweiten Flächenbereich des Papiergefüges das prozentuale Schichtdickenverhältnis der geringeren Schichtdicke bezogen auf die höhere Schichtdicke in einem Bereich von 0% bis 90%, vorzugsweise in einem Bereich von 30% bis 90%, insbesondere bevorzugt in einem Bereich von 40% bis 80%, liegt.
8. (Bevorzugte Ausgestaltung) Elektrisch leitendes Papiergefüge nach Klausel 3 oder einer der auf Klausel 3 rückbezogenen Klauseln 4 bis 7, wobei die beiden Stromleitschienen jeweils auf einem kontinuierlichen, elektrisch leitfähigen Faden zur Kontaktierung des elektrisch leitenden Papiergefüges basieren, wobei der Faden von einem Ende bis zum gegenüberliegenden Ende des Papiergefüges eingebettet ist und insbesondere ein Metalldraht, ein Metallfaden, ein Metallband, ein auf einem Trägersubstrat wie etwa eine Kunststofffolie basierender, mit einem Metall beschichteter Faden, ein Laminat aus (Kunststoff-)Folien und Metallfolien, ein Metallgeflecht, ein Zopfgeflecht, ein Gestrick oder ein Lahnband ist.
9. (Bevorzugte Ausgestaltung) Elektrisch leitendes Papiergefüge nach einer der Klauseln 1 bis 8, wobei die alternierend angeordneten Stellen mit höherer Schichtdicke des Papiers und Stellen mit geringerer Schichtdicke des Papiers im zumindest einen zweiten Flächenbereich des Papiergefüges mittels eines partiellen Entfernens von Fasermaterial insbesondere mittels Fräsen oder mittels einer Rundsiebpapiermaschine oder mittels einer Langsiebpapiermaschine oder mittels eines Wasserzeichen-Egoutteurs oder mittels eines Prägezylinders oder mittels eines Moulette-Zylinders erhältlich sind.
10. (Zweiter Aspekt der Erfindung) Verfahren zum Herstellen eines elektrisch leitenden Papiergefüges nach einer der Klauseln 1 bis 8, aufweisend:
- - das Bereitstellen einer Stoffsuspension aus cellulosehaltigem Faserstoff und Wasser in einer Papiermaschine;
- - gegebenenfalls das Zugeben wenigstens eines chemischen Additivs;
- - das Zugeben elektrisch leitfähiger Fasern; und
- - das Bilden einer Papierbahn.
11. (Bevorzugte Ausgestaltung) Verfahren nach Klausel 10, wobei der Schritt des Bereitstellens einer Stoffsuspension aus cellulosehaltigem Faserstoff und Wasser in einer Rundsiebpapiermaschine erfolgt und der Schritt des Bildens einer Papierbahn das Einführen zweier kontinuierlicher, elektrisch leitfähiger Fäden in die in der Rundsiebpapiermaschine befindliche Stoffsuspension umfasst, wobei die Fäden so an das Rundsieb herangeführt werden, dass während der Bildung der Papierbahn eine Einbettung der Fäden in den Faseraufbau erfolgt, um auf diese Weise Stromleitschienen zu erzeugen.
12. (Bevorzugte Ausgestaltung) Verfahren nach Klausel 10 oder 11, wobei das Papiergefüge so gebildet wird, dass es sich aus zwei separaten Papierlagen zusammensetzt und die elektrisch leitfähigen Fäden zwischen diesen Papierlagen angeordnet werden.
13. (Dritter Aspekt der Erfindung) Verwendung des elektrisch leitenden Papiergefüge nach einer der Klauseln 1 bis 9 als Heizelement, als Element für die elektromagnetische Abschirmung oder als Element für die Signaldetektion.

Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Elektrisch leitende Papiergefüge können z.B. als Flächenheizung eingesetzt werden. Üblicherweise ist die Flächenleitfähigkeit eines elektrisch leitenden Papiergefüges infolge des Herstellungsprozesses über die Fläche hinweg im Wesentlichen konstant. Bei einem konstanten Abstand der den elektrischen Strom einspeisenden Stromleitschienen führt der konstante Flächenwiderstand des elektrisch leitenden Papiergefüges somit mit Bezug auf die gesamte, mit Strom versorgte Fläche zu einer homogenen Temperatur. Eine lokal begrenzte niedrigere oder höhere Temperatur ist somit nicht möglich, weswegen sowohl die Anwendungsbreite als auch die Energieeffizienz der herkömmlichen elektrisch leitenden Papiergefüge limitiert sind.
Die vorliegende Erfindung beruht auf dem Gedanken, ein verbessertes elektrisch leitendes Papiergefüge bereitzustellen, indem die auf dem Gebiet der Banknotenherstellung bekannte Wasserzeichentechnologie sowie weitere geeignete Verfahren zur Steuerung der Papierdicke zum Einsatz kommen. Mithilfe der Technologie zur Herstellung von Wasserzeichen lassen sich im Papier dünnere und dickere Stellen erzeugen. Durch eine lokale Variation der Schichtdicke des Papiers z.B. parallel zu zwei den elektrischen Strom einspeisenden Stromleitschienen steigt der elektrische Widerstand des elektrisch leitenden Papiergefüges, d.h. der elektrische Widerstand des Papiers lässt sich gewissermaßen durch eine lokale Umverteilung des Papiermaterials steigern. Auf diese Weise lässt sich die Wärmeentstehung lokal verändern und für verschiedene Anwendungen vorteilhaft nutzen. Beispielsweise ist es möglich, eine Flächenheizung so bereitzustellen, dass einerseits erste Flächenbereiche mit konstanter Schichtdicke des Papiers vorliegen und andererseits zweite Flächenbereiche vorliegen, die sowohl dünne Papierstellen als auch dicke Papierstellen aufweisen. Im Falle des Einspeisens von elektrischem Strom heizen sich die glatten und unstrukturierten ersten Flächenbereiche etwas stärker auf als die unregelmäßigen und strukturierten zweiten Flächenbereiche, d.h. die zweiten Flächenbereiche bleiben im Falle der Inbetriebnahme des elektrisch leitenden Papiergefüges etwas kühler als die ersten Flächenbereiche.
Auf Grundlage der lokalen Variation des elektrischen Widerstands im Papier bieten sich vielfältige Anwendungsmöglichkeiten:

- Die Heizleistung des elektrisch leitenden Papiergefüges kann auf spezielle Bereiche fokussiert werden, in denen die Wärme gewünscht ist. Entsprechend kann die Heizleistung des elektrisch leitenden Papiergefüges in weiteren Bereichen reduziert werden, um auf diese Weise die Energieeffizienz zu steigern.
- Eine lokal unterschiedliche elektromagnetische Abschirmwirkung des elektrisch leitenden Papiergefüges kann bewerkstelligt werden, sodass besondere Antennenstrukturen oder dergleichen realisierbar sind.
- Optische Muster, insbesondere Flächenbereiche, die sowohl dünne Papierstellen als auch dicke Papierstellen aufweisen, sind z.B. mittels IR-Strahlung erkennbar, sodass auf diese Weise versteckte Sicherheitsmerkmale oder Produktkennungen erzeugbar sind.
- Im Bereich der den Strom einspeisenden Stromleitschienen kann das Papiermaterial ggf. mindestens zum Teil entfernt werden, sodass z.B. im Zuge eines Aufwickelns des elektrisch leitenden Papiergefüges zu einem Rollenmaterial eine zu hohe Wellenbildung oder Faltenbildung in bestimmten Bereichen vermieden werden kann.

Das erfindungsgemäße elektrisch leitende Papiergefüge umfasst cellulosehaltige Faserstoffe und elektrisch leitfähige Fasern, insbesondere Carbonfasern, wobei das Papiergefüge zumindest einen ersten Flächenbereich und zumindest einen zweiten Flächenbereich beinhaltet, wobei der zumindest eine erste Flächenbereich des Papiergefüges eine im Wesentlichen konstante Schichtdicke aufweist und der zumindest eine zweite Flächenbereich des Papiergefüges alternierend angeordnete Stellen mit höherer Schichtdicke und Stellen mit geringerer Schichtdicke aufweist, sodass der zumindest eine zweite Flächenbereich des Papiergefüges verglichen mit dem zumindest einen ersten Flächenbereich des Papiergefüges über einen höheren elektrischen Widerstand verfügt. Insbesondere im Falle einer Versorgung des Papiergefüges mit elektrischem Strom erhitzt sich der zumindest eine erste Flächenbereich des Papiergefüges stärker als der zumindest eine zweite Flächenbereich des Papiergefüges.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist das elektrisch leitende Papiergefüge zwei für das Einbringen von elektrischem Strom in das Papiergefüge geeignete Stromleitschienen auf, wobei die beiden Stromleitschienen parallel angeordnet sind, d.h. eine Stromleitschiene an einem Ende des Papiergefüges und die weitere Stromleitschiene an dem gegenüber liegenden Ende des Papiergefüges. Die Formulierung „am Ende des Papiergefüges“ ist dabei weit zu verstehen, d.h. es muss nicht zwangsläufig eine endständige Anordnung der jeweiligen Stromleitschiene vorliegen, sondern die entsprechende Stromleitschiene kann auch im Wesentlichen am Ende des Papiergefüges angeordnet sein. Die jeweilige Stromleitschiene kann z.B. auf einem kontinuierlichen, elektrisch leitfähigen Faden zur Kontaktierung des elektrisch leitenden Papiergefüges basieren, wobei der Faden von einem Ende bis zum gegenüberliegenden Ende des Papiergefüges eingebettet ist und insbesondere ein Metalldraht, ein Metallfaden, ein Metallband, ein auf einem Trägersubstrat wie etwa eine Kunststofffolie basierender, mit einem Metall beschichteter Faden, ein Laminat aus (Kunststoff-)Folien und Metallfolien, ein Metallgeflecht, ein Zopfgeflecht, ein Gestrick oder ein Lahnband ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weisen die alternierend angeordneten Stellen mit höherer Schichtdicke des Papiers und Stellen mit geringerer Schichtdicke des Papiers des zumindest einen zweiten Flächenbereichs jeweils die Gestalt von Streifen auf, wobei die Streifen in einer zur Längsachse des jeweiligen Streifens senkrecht angeordneten, sogenannten ersten Richtung des Papiergefüges alternierend angeordnet sind. Dabei wird insbesondere bevorzugt, dass die Längsachse jeder der beiden parallelen Stromleitschienen entlang einer zur ersten Richtung des Papiergefüges senkrecht angeordneten, sogenannten zweiten Richtung des Papiergefüges verläuft. Die einzelnen Streifen weisen jeweils eine bevorzugte Breite in einem Bereich von 1 mm bis 20 mm, weiter bevorzugt in einem Bereich von 3 mm bis 10 mm und insbesondere bevorzugt in einem Bereich von 5 mm bis 7 mm auf.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform beinhaltet das elektrisch leitende Papiergefüge eine Mehrzahl erster Flächenbereiche und eine Mehrzahl zweiter Flächenbereiche.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das elektrisch leitende Papiergefüge so beschaffen, dass bezüglich der alternierend angeordneten Stellen mit höherer Schichtdicke und Stellen mit geringerer Schichtdicke im zumindest einen zweiten Flächenbereich des Papiergefüges das prozentuale Schichtdickenverhältnis der geringeren Schichtdicke bezogen auf die höhere Schichtdicke in einem Bereich von 0% bis 90%, weiter bevorzugt in einem Bereich von 30% bis 90% und insbesondere bevorzugt in einem Bereich von 40% bis 80 % liegt.
Die alternierend angeordneten Stellen mit höherer Schichtdicke des Papiers und Stellen mit geringerer Schichtdicke des Papiers im zumindest einen zweiten Flächenbereich des Papiergefüges sind insbesondere mittels eines partiellen Entfernens von Fasermaterial, z.B. mittels Fräsen oder mittels einer Rundsiebpapiermaschine oder mittels einer Langsiebpapiermaschine oder mittels eines Wasserzeichen-Egoutteurs oder mittels eines Prägezylinders oder mittels eines Moulette-Zylinders erhältlich.
Das erfindungsgemäße elektrisch leitende Papiergefüge wird vorzugsweise mittels einer Rundsiebtechnologie hergestellt. Auf diese Weise ist es grundsätzlich möglich, variierende Faserzusammensetzungen zu verarbeiten. Es ist zweckmäßig, den cellulosehaltigen Faserstoffen elektrisch leitfähige Kurzschnittfasern, insbesondere Carbonfasern, beizumischen. Die elektrisch leitfähigen Kurzschnittfasern weisen insbesondere eine Faserlänge im Bereich von 3 bis 6 mm auf. Die Menge, in der die elektrisch leitfähigen Kurzschnittfasern beigemischt werden, wird zweckmäßigerweise so gewählt, dass genügend Faser-zu-Faser-Kontakte gegeben sind und somit ein geeigneter elektrischer Stromfluss gewährleistet ist. Das elektrisch leitende Papiergefüge kann weitere natürliche und/oder synthetische Faserstoffe, gegebenenfalls chemische Additive und gegebenenfalls Restfeuchte enthalten. Des Weiteren kann die elektrische Leitfähigkeit nicht nur durch elektrisch leitfähige Kurzschnittfasern, insbesondere Carbonfasern oder metallische Kurzschnittfasern, sondern auch durch Zugabe von Kohlenstoffpartikeln oder Carbon-Nanotubes erzielt werden.
Die Rundsiebtechnologie ermöglicht es, einen kontinuierlichen, leitfähigen Faden in den Kern des elektrisch leitenden Papiergefüges einzubetten, sodass das elektrisch leitende Papiergefüge von einem Ende bis zum gegenüberliegenden Ende mit dem kontinuierlichen, leitfähigen Faden durchzogen ist, siehe z.B. die WO 2020/224800 A1 . Der auf diese Weise in das elektrisch leitende Papiergefüge eingebettete, kontinuierliche, leitfähige Faden stellt somit eine bevorzugte Stromleitschiene bzw. einen Kontaktfaden dar. Der Begriff „Kontaktfaden“ ist hierin als Faden zur Kontaktierung des elektrisch leitenden Papiergefüges zu verstehen, der innerhalb des elektrisch leitenden Papiergefüges an vielen Stellen direkt mit den darin enthaltenen elektrisch leitfähigen (Kurzschnitt-)Fasern, Kohlenstoffpartikeln und/oder Carbon-Nanotubes leitfähig verbunden ist. Der in das elektrisch leitende Papiergefüge eingebettete Kontaktfaden ist bezüglich seiner Anordnung im Papier insbesondere einem in ein Banknotenpapier eingebetteten Sicherheitsfaden vergleichbar. Zweckmäßigerweise wird nicht lediglich ein kontinuierlicher, leitfähiger Faden in das elektrisch leitenden Papiergefüges eingebracht, sondern es wird mit Vorteil eine Mehrzahl kontinuierlicher, leitfähiger Fäden in das elektrisch leitende Papiergefüge eingebracht. Die Kontaktfäden ermöglichen einerseits eine leichte Kontaktierung an den Enden der Fäden und stellen andererseits durch ihre Einbringung über die gesamte Fläche des elektrisch leitenden Papiergefüges hinweg eine ortsnahe Stromversorgung aller Bereiche her. Die Kontaktfäden erfüllen somit in besonders vorteilhafter Weise eine Doppelfunktion. Das erfindungsgemäße, mit Kontaktfäden versehene, elektrisch leitende Papiergefüge zeichnet sich darüber hinaus durch seine Robustheit und Langzeitbeständigkeit aus.
Die für das erfindungsgemäße, elektrisch leitende Papiergefüge verwendbaren cellulosehaltigen Faserstoffe können z.B. von Faserstoffen natürlichen Ursprungs oder von synthetischen Faserstoffen gewählt werden. Cellulosehaltige Faserstoffe natürlichen Ursprungs umfassen z.B. Holzfasern, Halbzellstoffe, Thermomechanical Pulp, Baumwollfasern, chemisch aufgeschlossene Cellulose wie Sulfat- oder Sulfitzellstoff, Holzstoff, chemisch modifizierten Holzstoff, wiederaufbereitete Faserstoffe und Kombinationen zweier oder mehrerer der vorstehend genannten Elemente.
Den cellulosehaltigen Faserstoffen werden leitfähige Materialien, insbesondere leitfähige Fasern, wie etwa Carbonfasern bzw. Kohlenstofffasern, metallische (Kurzschnitt-)Fasern oder metallisierte Kunststofffasern, und/oder leitfähige Partikel, wie etwa Kohlenstoffpartikel, Carbon-Nanotubes oder Fullerene, zugesetzt. Beispielsweise kann der Anteil an elektrisch leitfähigen Kurzschnittfasern, die mit Bezug auf die cellulosehaltigen Faserstoffe beigemischt werden, je nach Anwendung insbesondere in einem Bereich von wenigen Gewichtsprozent (Gew.-%) bis 50 Gew.-% oder mehr variieren. Zweckmäßigerweise werden so viele leitfähige Fasern beigemengt, dass die sogenannte Perkolationsschwelle überschritten wird, um eine ausreichende Leitfähigkeit sicherzustellen. Demzufolge ist ein ausreichendes Netzwerk an leitfähigen Fasern nötig, sodass der elektrische Stromfluss gewährleistet ist.
Den cellulosehaltigen Faserstoffen werden als leitfähige Materialien insbesondere Carbonfasern bzw. Kohlenstofffasern beigemischt. Unter Kohlenstofffasern werden vorzugsweise industriell erzeugte Fasern, die aus kohlenstoffhaltigem Material gebildet und z.B. durch Pyrolyse in eine graphitartige Kohlenstoffanordnung umgewandelt werden, verstanden. Solche Fasern können isotrop oder anisotrop erzeugt werden und haben meist einen Durchmesser in einem Bereich von 5 µm bis 8 µm. Diese Einzelfasern werden bei der Verarbeitung zu Bündel (Roving) mit 1000 bis 400 000 Einzelfasern zusammengefasst und können dann weiterverarbeitet werden. Kohlenstofffasern sind sowohl elektrisch, als auch thermisch gut leitfähig. Darüber hinaus werden als Kohlenstofffasern Faserstoffe aus einer Gruppe verstanden, die hochfeste Kohlenstofffasern, hochsteife Kohlenstofffasern und/oder hochfeste Kohlenstofffasern aufweist. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Anteil an Kohlenstofffasern in dem Papiergefüge (bei kontrollierten klimatischen Bedingungen von 23 °C und 50 % rel. Luftfeuchtigkeit) in einem Bereich von 5 Gew.-% bis 20 Gew.-%, insbesondere in einem Bereich von 10 Gew.-% bis 15 Gew.-%. Hierbei ist auch zu berücksichtigen, dass mit der Zunahme des Anteils an primären und/oder wiederaufbereiteten Kohlenstofffasern der spezifische Widerstand des hiermit gebildeten Papiergefüges unter Umständen abnimmt und die Leitfähigkeit des so gebildeten Papiers zunimmt. Vorteil eines erhöhten Anteils an Kohlenstofffasern im Papiergefüge sind unter anderem eine verbesserte Leitfähigkeit, die Reduzierung des elektrischen Widerstandes im Blatt- bzw. Papiergefüge und die damit verbundene höhere Leistungsaufnahme. Der Papierfaserstoff kann beispielsweise auf cellulosischen Fasern, z.B. Baumwollfasern, basieren, wobei ggf. synthetische Fasern (z.B. Polyethylenterephthalat(PET)-Fasern, Bikomponentenfasern, Polymilchsäure(PLA)-Fasern) beigemengt sind. Der Papierfaserstoff kann ggf. durch eine gezielte Mahlung (z.B. Holländermahlung) gezielt fibrilliert werden, um auf diese Weise ein besonders hohes Festigkeitspotential für das zu erzeugende Papiergefüge bereitzustellen. Der spezifische Widerstand des erfindungsgemäßen Papiergefüges liegt z.B. im Bereich von 10^-2 Ωm bis 10^-5 Ωm.
Dem erfindungsgemäßen elektrisch leitenden Papiergefüge können gegebenenfalls chemische Additive hinzugefügt werden, die z.B. aus einer Gruppe ausgewählt werden, welche insbesondere Retentionsmittel, Entwässerungshilfsmittel, Retentionsmittel-Dual-Systeme oder Mikropartikelsysteme, Nass- und Trockenverfestiger, Leimungsmittel, Füllstoffe und/ oder Pigmente, insbesondere aus einer Gruppe von Talkum, Titandioxid, Aluminiumhydroxid, Bentonit, Bariumsulfat, Calciumcarbonat, Kaolin ausgewählt, Entschäumer, Entlüfter, Biozide, Enzyme, Bleichhilfsmittel, optische Aufheller, Farbstoffe, Nuancierfarbstoffen, Störstofffänger, Fällungsmittel (Fixiermittel), Benetzungsmittel, pH-Regulatoren umfasst. Alternativ oder in Kombination kann das chemische Additiv auch aus einer Gruppe von vorzugsweise wasserlöslichen Polymeren ausgewählt werden, welche insbesondere aminhaltige Polymere, Polyethylenimin, Pyrolidin, Polyamide, Polyacrylamid, Aridin, Proteine, Peptide, polyetherhaltige Polymere, insbesondere Polyethylenoxid, Polyether, hydroxylgruppenhaltige Polymere, insbesondere Stärke, Carboxymethylcellulose, Polyvinylalkohol, geladene Polymere, insbesondere kationische Polymere, insbesondere kationische Stärke, Maisstärke, Kartoffelstärke, Weizenstärke, Reisstärke, ammoniumgruppenhaltige Polymere, anionische Polymere, insbesondere anionisch modifizierte Polyacrylamide, sulfonisierte Polymere, anorganische Salze mit hoher Ladungsdichte, insbesondere Aluminiumsalze, Aluminium(III)Chloride, Aluminiumsulfat, Natriumaluminat, anorganische, geladene Partikel/ Pigmente, insbesondere Bentonit, Montmorillonit, Natriumsilikat, Naßverfestiger, insbesondere Epichlorhydrinharze, Glyoxal, Zirkoniumsalze, Zirkoncarbonat, Kombination aus anionischen Polymeren und kationisch modifiziertem Pigmenten, Hilfsmittel zur Reduzierung des Entflammpunktes, Kombinationen hiervon und dergleichen umfasst. Des Weiteren können bei Bedarf Oberflächenleime hinzugefügt werden, z.B. auf Basis von Acrylaten, Styrolacrylaten, Polyurethanen oder Mischpolymeren aus Acrylaten und Polyurethanen.
Das erfindungsgemäße Papiergefüge weist gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform ein Flächengewicht nach DIN EN ISO 536 auf, welches in einem Bereich von 15 g/m² bis 1000 g/m², vorzugsweise in einem Bereich von 20 g/m² bis 300 g/m², liegt.
Das erfindungsgemäße Papiergefüge weist ferner z.B. eine Leistungsaufnahme auf, welche im Bereich von 50 W/m² bis 5000 W/m² liegt. Hierbei ist auf der Oberfläche des Papiergefüges z.B. eine Temperatur im Bereich von 15 °C bis z.B. 180 °C erzielbar.
Das erfindungsgemäße, elektrisch leitende Papiergefüge kann zur Steuerung der gewünschten Eigenschaften mit zusätzlichen Armierungsfasern versehen werden. Zusätzlich ist eine Oberflächenleimung oder eine Oberflächenimprägnierung möglich.
Mit Bezug auf die Stromleitschienen, insbesondere (Kontakt-)Fäden, sind unterschiedliche Ausführungen denkbar. Wichtig bei allen Ausführungen ist, dass ein Kontakt zu den im Papiergefüge befindlichen, leitfähigen Komponenten, insbesondere metallische Fasern und/oder Carbonfasern, sichergestellt ist. Im einfachsten Fall kann ein metallischer Faden, z.B. aus gewalztem Metall, ein Metallband oder ein Metalldraht verwendet werden, wobei das Metall insbesondere von einem gut leitfähigen Metall wie etwa Silber, Kupfer, Gold, Aluminium, Wolfram, Eisen oder dergleichen oder einer Legierung eines oder mehrerer der vorstehend genannten Elemente gewählt ist. Des Weiteren ist aber auch die Verwendung eines metallisierten Fadens möglich, z.B. die Verwendung eines auf einer Kunststoffträgerfolie als Trägersubstrat basierenden, mit einem gut leitfähigen Metall wie etwa Silber, Kupfer, Gold, Aluminium, Wolfram, Eisen oder dergleichen metallisierten Fadens. Als Kunststoffträgerfolie kann insbesondere Polyethylenterephthalat (PET) verwendet werden. Des Weiteren kann als (Kontakt-)Faden eine metallisierte Folie oder ein Laminat aus Folien und gewalzten Metallfolien verwendet werden. Eine besonders zuverlässige Kontaktierung mittels Crimp-Kontakten oder ZIF-Steckverbindern (ZIF = Zero Insertion Force) ist mit rein metallischen Fäden, die als Metallband, z.B. mit einer Breite in einem Bereich von 2 bis 5 mm, ausgeführt sind, denkbar. Eine erhöhte Metalldicke verbessert dabei den dauerhaften Kontakt. Metallisierte Fäden dieser Art können zur besseren Fixierung des Kontaktfadens im elektrisch leitenden Papiergefüge zusätzlich, zumindest einseitig, mit einem Klebstoff ausgestattet sein, der mit Vorteil ein leitfähiger Klebstoff ist. Weiterhin ist es möglich, dass der im elektrisch leitenden Papiergefüge eingebettete (Kontakt-)Faden im Bereich der Kontaktierungsstelle partiell freiliegt, wie es im Banknotenbereich bei sogenannten Fensterfäden der Fall ist.
Weiterhin können die (Kontakt-)Fäden zusätzlich an der Oberseite mit einer Schutzschicht oder Schutzfolie versehen sein, die nach Bedarf im Kontaktierungsbereich, d.h. im Fensterbereich, entfernt wird.
Der Begriff (Kontakt-)Faden ist nicht zwangsläufig auf die alleinige Ausgestaltung als (eher schmaler) Faden beschränkt, der z.B. eine Breite von 2 mm oder weniger aufweist, sondern Ausgestaltungen wie (eher breite) Streifen oder Bänder sind ebenfalls denkbar, die z.B. eine Breite von 4 mm bis 20 mm, oder sogar eine Breite bis 30 mm, aufweisen. Grundsätzlich ist es ebenfalls denkbar, dass als (Kontakt-)Faden ein einfacher leitfähiger Metalldraht oder ein Metallgeflecht verwendet wird. Auch Ausführungsvarianten wie z.B. Flachlitzen, Zopfgeflechte, Gestricke, Lahnbänder und dergleichen sind möglich. Die Dicke des (Kontakt-)Fadens kann z.B. in einem Bereich von 10 bis 300 µm, bevorzugt in einem Bereich von 10 bis 200 µm, weiter bevorzugt in einem Bereich von 10 bis 100 µm und insbesondere bevorzugt in einem Bereich von 10 bis 50 µm gewählt werden.
Das erfindungsgemäße elektrisch leitende Papiergefüge kann zusätzlich mit einem leitfähigen Muster aus Leiterbahnen bedruckt werden, um auf diese Weise die Distanzen zwischen zwei (oder eine Mehrzahl größer als zwei) als Elektroden dienenden Kontaktfäden zu verringern. Das Bedrucken, d.h. das Bereitstellen der gedruckten Leiterbahnen, kann zum Beispiel mittels eines Siebdruckverfahrens erfolgen. Als leifähige Lacke, die das leitfähige Muster erzeugen, können z.B. wässrige Siebdruckfarben auf Basis von Rußpartikeln, Silberpartikeln oder anderen die Leitfähigkeit herstellenden Partikeln verwendet werden. Das leitfähige Muster aus gedruckten Leiterbahnen wird zweckmäßigerweise in einem solchen Muster erzeugt, dass die Distanzen zwischen zwei den beiden Elektroden in allen Bereichen annähernd ähnlich ist. Die Kontaktierung des leitfähigen Musters zu den im Substrat eingebetteten Kontaktfäden kann gemäß einer bevorzugten Variante so erfolgen, dass die Kontaktierung über die Stellen (sogenannte Fadenfenster) erfolgt, an denen die Kontaktfäden partiell freiliegen. Die Maßnahme des zusätzlichen Bedruckens mit einem leitfähigen Muster bewirkt, dass das Erzeugnis als ein leitfähiges Flächenelement mit relativ niedrigen Spannungen betrieben werden kann. Durch den verringerten Abstand zweier Elektroden kann schon bei geringerer Anzahl an leitfähigen Fasern im Substrat ein für die jeweilige Anwendung, z.B. eine Heizung, nötiger Strom erreicht werden. Alternativ kann bei der gleichen Anzahl an leitfähigen Fasern im Substrat ein gewünschter Strom bereits mit einer niedrigeren Spannung erreicht werden. Durch eine geeignete Anpassung der Dimension der leitfähigen Fasern und des aufgedruckten, leitfähigen Musters kann sogar die Perkolationsschwelle herabgesetzt werden. Letztere beschreibt den Mindestanteil an Leitfasern, die nötig sind, um ein durchgängig leitfähiges Fasernetzwerk zwischen zwei als Elektroden dienenden Kontaktfäden und somit einen relevanten Stromfluss zu erreichen. Somit ergibt sich eine Kostenersparnis hinsichtlich der kostenintensiven leitfähigen Fasern. Eine geringere Betriebsspannung bewirkt darüber hinaus die Senkung des Aufwands, z.B. für die Ansteuerelektronik, und die Erhöhung der Arbeitssicherheit.
Das elektrisch leitende Papiergefüge kann insbesondere mittels Klebekontakte oder sogenannter Crimpkontakte mit einer Stromquelle verbunden werden.
Das elektrisch leitende Papiergefüge kann insbesondere ein einlagiges Papiergefüge sein. In einer besonderen Ausführungsvariante ist das elektrisch leitende Papiergefüge ein mehrlagiges Papiergefüge, das insbesondere mittels eines Kaschierens erzeugt wird. Gegebenenfalls können die Stromleitschienen zwischen den einzelnen Lagen des mehrlagigen Papiergefüges vorliegen.
Die vorliegende Erfindung umfasst weiterhin ein Verfahren zum Herstellen eines elektrisch leitenden Papiergefüges, aufweisend:

- das Bereitstellen einer Stoffsuspension aus cellulosehaltigem Faserstoff und Wasser in einer Papiermaschine, insbesondere eine Rundsiebpapiermaschine oder eine Langsiebpapiermaschine;
- gegebenenfalls das Zugeben wenigstens eines chemischen Additivs;
- das Zugeben elektrisch leitfähiger Fasern; und
- das Bilden einer Papierbahn.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt der Schritt des Bereitstellens einer Stoffsuspension aus cellulosehaltigem Faserstoff und Wasser in einer Rundsiebpapiermaschine, wobei der Schritt des Bildens einer Papierbahn insbesondere das Einführen zweier kontinuierlicher, elektrisch leitfähiger Fäden in die in der Rundsiebpapiermaschine befindliche Stoffsuspension umfasst, wobei die Fäden so an das Rundsieb herangeführt werden, dass während der Bildung der Papierbahn eine Einbettung der Fäden in den Faseraufbau erfolgt, um auf diese Weise Stromleitschienen zu erzeugen.
Die Rundsiebtechnologie ist z.B. aus dem Bereich der Herstellung von Banknotenpapier bekannt, siehe z.B. die EP 0 279 880 A1 und die EP 0 492 407 A1 . Bei Rundsiebanlagen wird der Faden in die Pulpe eingeführt und an das Sieb derart herangeführt, dass während der Blattbildung eine Einbettung des Fadens in den Faseraufbau erfolgt. Der Faden kann dabei vollständig in das Papiergefüge eingebettet werden, sodass der Faden für den Betrachter weder von der Vorderseite, noch von der Rückseite sichtbar ist. Der Faden kann aber auch so eingebettet werden, dass er nach dem Einbetten in das Papiergefüge auf einer Seite frei zugänglich vorliegt. Dies ist z.B. durch mechanisches Entfernen, insbesondere durch Absaugen, der sich auf einer Seite des Fadens abgelagerten Papierschicht möglich. Die Bildung frei zugänglicher Bereich auf zumindest einer Seite des eingebetteten Fadens kann aber auch dadurch erfolgen, dass die Breite das Fadens genügend hoch gewählt wird, siehe z.B. die EP 0 625 431 A1 . Des Weiteren kann der Faden so in das Papiergefüge eingebettet werden, dass der Faden zumindest an einer Stelle des Papiergefüges an dessen Oberfläche freiliegt, um einen sogenannten Fensterfaden zu bilden. Die Herstellung von Fenstersicherheitsfäden ist im Bereich der Herstellung von Banknotenpapier bekannt, siehe z.B. die EP 0 059 056 A1 . Der Faden wird dabei außerhalb der Pulpe so an das Papiersieb herangeführt, dass der Faden auf erhabenen Stellen (bzw. Höcker), die auf dem Papiersieb aufgebracht sind, zu liegen kommt. An den Stellen, an denen der Faden auf den Höckern aufliegt, kann sich auf der dem Sieb zugewandten Seite kein Papier bilden, sodass der Faden genau an diesen Stellen in dem später fertigen Papier frei zugänglich ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird das Papiergefüge so gebildet, dass es sich aus zwei separaten Papierlagen zusammensetzt und die elektrisch leitfähigen Fäden zwischen diesen Papierlagen angeordnet werden. Eine solche Herstellung ist aus der Herstellung von Banknotenpapier mit eingebettetem Sicherheitsfaden bekannt, siehe z.B. die EP 0 229 645 A1 .
Die vorliegende Erfindung umfasst weiterhin eine Verwendung des elektrisch leitenden Papiergefüges als Heizelement, als Element für die elektromagnetische Abschirmung oder als Element für die Signaldetektion. Die Verwendung des elektrisch leitenden Papiergefüges als Heizelement ist insbesondere geeignet in Böden, Wänden, Tapeten, Behältnissen, Stoffen, Kleidung, Tischplatten, Heizplatten, Heizmatten, Auto-Innenheizungen, insbesondere Tür-, Sitz- oder Armaturenbrettheizungen.
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:

1-3 ein elektrisch leitendes Papiergefüge gemäß einem Vergleichsbeispiel;
4-6 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen, elektrisch leitenden Papiergefüges;
7 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen, elektrisch leitenden Papiergefüges; und
8 ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen, elektrisch leitenden Papiergefüges.

1 zeigt in Draufsicht ein Vergleichsbeispiel eines elektrisch leitenden Papiergefüges 1 mit zwei im Papiersubstrat 2 eingebetteten, für das Einbringen von elektrischem Strom geeigneten Stromleitschienen 3, insbesondere Kontaktfäden. Die beiden Stromleitschienen 3 sind parallel angeordnet, d.h. eine Stromleitschiene 3 befindet sich an einem Ende des Papiersubstrats 2 und die weitere Stromleitschiene 3 an dem gegenüber liegenden Ende des Papiersubstrats 2. Der Blockpfeil „A“ veranschaulicht die sogenannte erste Richtung des elektrisch leitenden Papiergefüges 1. Die Längsachse jeder der beiden parallelen Stromleitschienen 3 verläuft entlang der zur ersten Richtung „A“ des Papiergefüges 1 senkrecht angeordneten, sogenannten zweiten Richtung (siehe Blockpfeil „B“) des Papiergefüges. Das elektrisch leitende Papiergefüge 1 beruht auf einem Papiersubstrat 2, das ein Papierfaserstoff und elektrisch leitfähige Kurzschnittfasern, insbesondere Carbonfasern, enthaltendes Gemisch aufweist. Die Stromleitschienen 3 wurden mittels einer Rundsiebpapiermaschine, wie sie insbesondere in der 3 der EP 0 279 880 A1 gezeigt ist, in das Papiersubstrat 2 eingebettet. Anhand der 1 ist erkennbar, dass die Stromleitschienen 3 das elektrisch leitende Papiergefüge 1 von einem Ende bis zum gegenüberliegenden Ende durchziehen.
Die 2 veranschaulicht schematisch das elektrisch leitende Papiergefüge 1 der 1 in Querschnittansicht, d.h. entlang der in der 1 gezeigten Linie C-C'. Der Doppelpfeil „d“ veranschaulicht die Schichtdicke des Papiersubstrats 2. Der in der 2 gestrichelt dargestellte Bereich 4 wird in der 3 vergrößert dargestellt. Aus der 3 geht hervor, dass das Papiersubstrat 2 eine konstante Schichtdicke d aufweist.
Grundsätzlich hängt der elektrische Widerstand R₀ von der Breite und der Länge der Heizfläche sowie von der Flächenleitfähigkeit des Papiers 2 zwischen den Stromleitschienen 3 ab.
Die 4 zeigt in Draufsicht ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen elektrisch leitenden Papiergefüges 5 mit zwei im Papiersubstrat 6 eingebetteten, für das Einbringen von elektrischem Strom geeigneten Stromleitschienen 7, insbesondere Kontaktfäden. Die beiden Stromleitschienen 7 sind parallel angeordnet, d.h. eine Stromleitschiene 7 befindet sich an einem Ende des Papiersubstrats 6 und die weitere Stromleitschiene 7 an dem gegenüber liegenden Ende des Papiersubstrats 6. Der Blockpfeil „A“ veranschaulicht die sogenannte erste Richtung des elektrisch leitenden Papiergefüges 5. Die Längsachse jeder der beiden parallelen Stromleitschienen 7 verläuft entlang der zur ersten Richtung „A“ des Papiergefüges 5 senkrecht angeordneten, sogenannten zweiten Richtung (siehe Blockpfeil „B“) des Papiergefüges. Das elektrisch leitende Papiergefüge 5 beruht auf einem Papiersubstrat 6, das ein Papierfaserstoff und elektrisch leitfähige Kurzschnittfasern enthaltendes Gemisch aufweist. Die Stromleitschienen 7 wurden mittels einer Rundsiebpapiermaschine, wie sie insbesondere in der 3 der EP 0 279 880 A1 gezeigt ist, in das Papiersubstrat 6 eingebettet. Anhand der 4 ist erkennbar, dass die Stromleitschienen 7 das elektrisch leitende Papiergefüge 5 von einem Ende bis zum gegenüberliegenden Ende durchziehen. Im Bereich der beiden Stromleitschienen 7 weist der jeweilige Flächenbereich des Papiersubstrats 6 eine konstante Schichtdicke auf. Im schraffiert dargestellten Flächenbereich außerhalb der beiden Stromleitschienen 7 beinhaltet das Papiersubstrat 6 alternierend angeordnete Stellen mit höherer Schichtdicke und Stellen mit geringerer Schichtdicke. Die alternierend angeordneten Stellen mit höherer Schichtdicke des Papiers und Stellen mit geringerer Schichtdicke des Papiers besitzen jeweils die Gestalt von Streifen, die in der Richtung des Blockpfeils „A“ alternierend angeordnet sind. Die Längsachse der einzelnen Streifen erstreckt sich entlang der Richtung des Blockpfeils „B“ .
Die 5 veranschaulicht schematisch das erfindungsgemäße elektrisch leitende Papiergefüge 5 der 4 in Querschnittansicht, d.h. entlang der in der 4 gezeigten Linie D-D'. Der Doppelpfeil „d“ veranschaulicht die Schichtdicke des Papiersubstrats 6. Der in der 5 gestrichelt dargestellte Bereich 8 wird in der 6 vergrößert dargestellt. Aus der 6 geht hervor, dass sich mittels der Technologie zur Herstellung von Wasserzeichen Stellen 9 mit höherer Schichtdicke und Stellen 10 mit geringerer Schichtdicke im Papier 6 erzeugen lassen. Im erfindungsgemäßen Beispiel gemäß den 4 bis 6 weisen die Stellen 9 mit höherer Schichtdicke und Stellen 10 mit geringerer Schichtdicke jeweils die Gestalt von Streifen auf.
Durch eine lokale Variation der Schichtdicke d parallel zu den Stromschienen 7 steigt der elektrische Widerstand auf den Wert R_neu. Realisiert man beispielsweise eine beliebige Anzahl dünnerer und dickerer Streifen mit konstanter Breite, so ergibt sich nach kurzer Rechnung die nachstehend gezeigte Formel (1-1): $R_{n e u} = \frac{R_{o}}{1 - {(\frac{Δ d}{d})}^{2}}$
Durch die lokale „Umverteilung“ des Papiers lässt sich somit der elektrische Widerstand steigern.
Kombiniert man im Papier erste Flächenbereiche, die eine konstante Schichtdicke aufweisen (siehe z.B. die 3), mit zweiten Flächenbereichen, die alternierend angeordnete Stellen mit höherer Schichtdicke und Stellen mit geringerer Schichtdicke aufweisen (siehe z.B. die 6), dann resultiert ein elektrisch leitendes Papiergefüge, in dem sich im Falle einer Versorgung mit elektrischem Strom die ersten, glatten, unstrukturierten Flächenbereiche stärker als die strukturierten, zweiten Flächenbereich des Papiergefüges erhitzen. Anders gesagt, die zweiten Flächenbereiche des Papiergefüges bleiben im Zuge des Erhitzens etwas kühler als die ersten Flächenbereiche.
Die 7 veranschaulicht in Draufsicht ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen elektrisch leitenden Papiergefüges 11 mit zwei im Papiersubstrat 12 eingebetteten, für das Einbringen von elektrischem Strom geeigneten Stromleitschienen 13, insbesondere Kontaktfäden. Im Papier sind erste Flächenbereiche 15, die eine konstante Schichtdicke aufweisen (siehe z.B. die 3), mit zweiten Flächenbereichen 14, die alternierend angeordnete Stellen mit höherer Schichtdicke und Stellen mit geringerer Schichtdicke aufweisen (siehe z.B. die 6), kombiniert. Die zweiten Flächenbereiche 14 des Papiergefüges bleiben im Zuge des Erhitzens etwas kühler als die ersten Flächenbereiche 15. Im Beispiel gemäß der 7 sind die ersten Flächenbereiche 15 und die zweiten Flächenbereiche 14 jeweils linienförmig, sodass sich eine eindimensional abwechselnde Reihenfolge der Flächenbereiche ergibt.
Die 8 veranschaulicht in Draufsicht ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen elektrisch leitenden Papiergefüges 16 mit zwei im Papiersubstrat 17 eingebetteten, für das Einbringen von elektrischem Strom geeigneten Stromleitschienen 18, insbesondere Kontaktfäden. Im Papier sind erste Flächenbereiche 19, die eine konstante Schichtdicke aufweisen (siehe z.B. die 3), mit zweiten Flächenbereichen 20, die alternierend angeordnete Stellen mit höherer Schichtdicke und Stellen mit geringerer Schichtdicke aufweisen (siehe z.B. die 6), kombiniert. Die zweiten Flächenbereiche 20 des Papiergefüges bleiben im Zuge des Erhitzens etwas kühler als die ersten Flächenbereiche 19. Im Beispiel gemäß der 8 bilden die ersten Flächenbereiche 19 und die zweiten Flächenbereiche 20 zusammen ein Mosaik, insbesondere ein Muster gemäß einem Schachbrett, sodass sich eine zweidimensional abwechselnde Reihenfolge der Flächenbereiche ergibt.
Gemäß den obigen Ausführungsbeispielen kann die Heizleistung auf die Bereiche fokussiert werden, in denen eine hohe Wärmeerzeugung besonders erwünscht wird. Ein verringertes Erwärmen in den anderen Bereichen steigert die Energieeffizienz.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel, das zeichnerisch nicht dargestellt ist, sind die Stromleitschienen (siehe die Bezugsnummer 3 in der 2 sowie die Bezugsnummer 7 in der 5) so in das Papiergefüge eingebettet, dass sie an einer Hauptfläche des Papiergefüges frei zugänglich sind, z.B. in Analogie zu den 4 und 5 der WO 2020/224800 A1 .
In einem weiteren Ausführungsbeispiel, das zeichnerisch nicht dargestellt ist, sind die Stromleitschienen (siehe die Bezugsnummer 3 in der 2 sowie die Bezugsnummer 7 in der 5) vollständig in das Papiergefüge eingebettet, z.B. in Analogie zu den 2 und 3 der WO 2020/224800 A1 . Gegebenenfalls können die eingebetteten Stromleitschienen partiell freiliegen, z.B. in Analogie zu der 6 oder der 7 der WO 2020/224800 A1 .
In einem weiteren Ausführungsbeispiel, das zeichnerisch nicht dargestellt ist, sind die Stromleitschienen durch nachträglich auf das Papiergefüge aufgeklebte Kupferbänder erzeugt.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel, das zeichnerisch nicht dargestellt ist, basieren die Stromleitschienen auf Leitspuren (z.B. Zn-Spuren), die z.B. durch ein Plasmaverfahren erzeugt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2020224800 A1 [0002, 0015, 0047, 0048]
EP 2770104 B1 [0002]
EP 0279880 A1 [0031, 0036, 0039]
EP 0492407 A1 [0031]
EP 0625431 A1 [0031]
EP 0059056 A1 [0031]
EP 0229645 A1 [0032]

Claims

Elektrisch leitendes Papiergefüge mit cellulosehaltigen Faserstoffen und elektrisch leitfähigen Fasern, wobei das Papiergefüge zumindest einen ersten Flächenbereich und zumindest einen zweiten Flächenbereich beinhaltet, wobei der zumindest eine erste Flächenbereich des Papiergefüges eine im Wesentlichen konstante Schichtdicke aufweist und der zumindest eine zweite Flächenbereich des Papiergefüges alternierend angeordnete Stellen mit höherer Schichtdicke und Stellen mit geringerer Schichtdicke aufweist, sodass der zumindest eine zweite Flächenbereich des Papiergefüges verglichen mit dem zumindest einen ersten Flächenbereich des Papiergefüges über einen höheren elektrischen Widerstand verfügt.
Elektrisch leitendes Papiergefüge nach Anspruch 1, wobei sich der zumindest eine erste Flächenbereich des Papiergefüges im Falle einer Versorgung des Papiergefüges mit elektrischem Strom stärker als der zumindest eine zweite Flächenbereich des Papiergefüges erhitzt.
Elektrisch leitendes Papiergefüge nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Papiergefüge zwei für das Einbringen von elektrischem Strom in das Papiergefüge geeignete Stromleitschienen aufweist, wobei die beiden Stromleitschienen parallel angeordnet sind, d.h. eine Stromleitschiene an einem Ende des Papiergefüges und die weitere Stromleitschiene an dem gegenüber liegenden Ende des Papiergefüges.
Elektrisch leitendes Papiergefüge nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die alternierend angeordneten Stellen mit höherer Schichtdicke des Papiers und Stellen mit geringerer Schichtdicke des Papiers des zumindest einen zweiten Flächenbereichs jeweils die Gestalt von Streifen aufweisen, wobei die Streifen in einer zur Längsachse des jeweiligen Streifens senkrecht angeordneten, sogenannten ersten Richtung des Papiergefüges alternierend angeordnet sind.
Elektrisch leitendes Papiergefüge nach Anspruch 4 mit Rückbezug auf Anspruch 3, wobei die Längsachse jeder der beiden parallelen Stromleitschienen entlang einer zur ersten Richtung des Papiergefüges senkrecht angeordneten, sogenannten zweiten Richtung des Papiergefüges verläuft.
Elektrisch leitendes Papiergefüge nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Papiergefüge eine Mehrzahl erster Flächenbereiche und eine Mehrzahl zweiter Flächenbereiche beinhaltet.
Elektrisch leitendes Papiergefüge nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei bezüglich der alternierend angeordneten Stellen mit höherer Schichtdicke und Stellen mit geringerer Schichtdicke im zumindest einen zweiten Flächenbereich des Papiergefüges das prozentuale Schichtdickenverhältnis der geringeren Schichtdicke bezogen auf die höhere Schichtdicke in einem Bereich von 0% bis 90%, vorzugsweise in einem Bereich von 30% bis 90%, insbesondere bevorzugt in einem Bereich von 40% bis 80%, liegt.
Elektrisch leitendes Papiergefüge nach Anspruch 3 oder einem der auf Anspruch 3 rückbezogenen Ansprüche 4 bis 7, wobei die beiden Stromleitschienen jeweils auf einem kontinuierlichen, elektrisch leitfähigen Faden zur Kontaktierung des elektrisch leitenden Papiergefüges basieren, wobei der Faden von einem Ende bis zum gegenüberliegenden Ende des Papiergefüges eingebettet ist und insbesondere ein Metalldraht, ein Metallfaden, ein Metallband, ein auf einem Trägersubstrat wie etwa eine Kunststofffolie basierender, mit einem Metall beschichteter Faden, ein Laminat aus (Kunststoff-)Folien und Metallfolien, ein Metallgeflecht, ein Zopfgeflecht, ein Gestrick oder ein Lahnband ist.
Elektrisch leitendes Papiergefüge nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die alternierend angeordneten Stellen mit höherer Schichtdicke des Papiers und Stellen mit geringerer Schichtdicke des Papiers im zumindest einen zweiten Flächenbereich des Papiergefüges mittels eines partiellen Entfernens von Fasermaterial insbesondere mittels Fräsen oder mittels einer Rundsiebpapiermaschine oder mittels einer Langsiebpapiermaschine oder mittels eines Wasserzeichen-Egoutteurs oder mittels eines Prägezylinders oder mittels eines Moulette-Zylinders erhältlich sind.
Verfahren zum Herstellen eines elektrisch leitenden Papiergefüges nach einem der Ansprüche 1 bis 8, aufweisend: - das Bereitstellen einer Stoffsuspension aus cellulosehaltigem Faserstoff und Wasser in einer Papiermaschine; - gegebenenfalls das Zugeben wenigstens eines chemischen Additivs; - das Zugeben elektrisch leitfähiger Fasern; und - das Bilden einer Papierbahn.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Schritt des Bereitstellens einer Stoffsuspension aus cellulosehaltigem Faserstoff und Wasser in einer Rundsiebpapiermaschine erfolgt und der Schritt des Bildens einer Papierbahn das Einführen zweier kontinuierlicher, elektrisch leitfähiger Fäden in die in der Rundsiebpapiermaschine befindliche Stoffsuspension umfasst, wobei die Fäden so an das Rundsieb herangeführt werden, dass während der Bildung der Papierbahn eine Einbettung der Fäden in den Faseraufbau erfolgt, um auf diese Weise Stromleitschienen zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, wobei das Papiergefüge so gebildet wird, dass es sich aus zwei separaten Papierlagen zusammensetzt und die elektrisch leitfähigen Fäden zwischen diesen Papierlagen angeordnet werden.
Verwendung des elektrisch leitenden Papiergefüge nach einem der Ansprüche 1 bis 9 als Heizelement, als Element für die elektromagnetische Abschirmung oder als Element für die Signaldetektion.