-
Die Erfindung betrifft die Oberfläche eines Substrats (Textil, Papier, Leder, Kunstleder, Kunststoff), das durch den Anschluss an eine regelbare Stromquelle und durch spezielle Schichtung von vorhandenen Pasten und Farben eine steuerbare Farbveränderung aufweist.
-
Farbveränderungen auf Materialoberflächen werden durch den Einsatz von Effektpigmenten in Lackierungen erzielt, zum Beispiel bei Automobillackierungen oder bei Lackierungen von Möbeloberflächen. Im Bereich Textil werden die Effektpigmente zu Siebdruckpasten hinzugegeben und in Form von Mustern, Schriften oder Grafiken auf das Textil gedruckt.
-
Interferenzpigmente gehören zu der Gruppe der optischen Effektpigmente. Sie ermöglichen polychromatische Farbwechseleffekte durch einen wechselnden Betrachtungswinkel. Die Farbveränderung wird durch die Änderung des Betrachtungsblickwinkels sichtbar. Der Farbeffekt bei Interferenzpigmenten wechselt zwischen der eigentlichen Farbe und deren Komplementärfarbe. Interferenzpigmente werden in Lackierungen zum Beispiel bei Autos, Möbeln, Verpackungsmaterialien oder in Siebdruckpasten eingesetzt, beispielsweise auch für das Bedrucken von Tapeten oder Kleidungsstücken.
-
Thermochromatische Farben gehören der Gruppe der sensorischen Effekte an. Es sind Farben, die bei einer definierten Temperatur unsichtbar werden. Die optischen Eigenschaften beruhen auf der Veränderung durch Wärmeeinwirkung. Thermochromatische Pigmente sind Mikrokapseln in denen ein spezieller Farbstoff, z. B. Leukofarbstoff, und ein Aktivator, z. B. schwache Säure, enthalten ist. Leukofarbstoffe reagieren mit schwachen Säuren als Entwickler zu starken farbigen Komplexen. Durch die Zufügung eines Lösungsmittels als weitere Komponente kann die Schmelztemperatur und dadurch der Schmelzpunkt festgelegt werden. Farbstoff und Aktivator sind ohne Kontakt zueinander in einem festen Lösungsmittel dispergiert. Bei einer definierten einstellbaren Schmelztemperatur wird des Lösungsmittels flüssig. Dadurch kommen Farbstoff und Aktivator in Kontakt und die Farbstoffe verlieren daraufhin ihre Farbigkeit. Nach Rückgang der Temperatur ist dieser Effekt reversibel und kann einige tausend Mal wiederholt werden.
-
Die Farben sind im Temperaturbereich zwischen 10°C bis 65°C realisierbar. Der Farbumschlag kann sich zwischen 2°C und 10°C bewegen. Zudem ist die Empfindlichkeit der Farbe unter 33°C höher und wird darüber zunehmend träger. Bei Erreichen der Auslösertemperatur beginnt der Wechsel von Farbe zu Transparenz und erreicht sein Maximum bei 2 bis 4°C über der Auslösertemperatur.
-
Wie eine Art Mischsystem können thermochromatische Farben sowie Temperaturbereiche kombiniert und gemischt werden. Dabei können temperaturabhängig gestaffelte Farbumschläge erreicht werden. Auch die Mischung mit Buntfarben ist möglich, die jedoch immer lasierend sein müssen. Zu beachten ist, dass Schwarz und Weiß niemals zugemischt werden dürfen, da sie die thermochromatischen Pigmente neutralisieren. Thermochrome Produkte sind nicht hoch deckend. Wird zum Beispiel eine rote thermochromatische Farbe auf ein blaues Untergrundmaterial gedruckt, entsteht bei kalter Temperatur ein dunkles Violett. Bei Erwärmung wird die Farbe Blau sichtbar. Bis auf die Farbe Schwarz kann keine Farbe eine darunterliegende abdecken. Zu beachten ist die geringe UV-Beständigkeit der thermochromatischen Pigmente. Daher ist eine langfristige Innenanwendung möglich, jedoch nur eine kurzfristige im Außenbereich.
-
Thermochromatische Siebdruckfarben finden zum Beispiel Anwendung in Lebensmittelverpackungen, für Getränkeetikette, Rohrleitungen, Küchengeräte, Elektrogeräte und Werbeartikel, sowie in Textilien und Spielwaren. Dabei ist je nach Anwendung auf toxische Bestandteile der Pigmente zu achten.
-
Um den vollständigen Temperaturbereich von thermochromatischen Farben nutzen zu können, ist das Zuführen von Kälte oder Wärme erforderlich. Um unterschiedliche Temperatureinstellungen zu nutzen, insbesondere in sehr hohen Temperaturbereichen z. B. von 33°C bis 65°C, ist das Aussetzen der Farben der eingestellten Temperatur nötig. Die Idee der Steuerung und ästhetischen Nutzung von Farbverläufen durch Zuführung von Wärme beruht auf der Steuerung von thermochromatischen Farben. Sie ist im Textilbereich durch das Einweben von elektrisch leitfähigen Garnen möglich und wurde auch schon realisiert.
-
Die eingewobenen Garne dienen als elektrische Leiter, die durch die gesamte Textilbreite führen, was bei aufgedruckter thermochromatischer Farbe durch Erwärmung zum Farbumschlag führt. Nachteil hierbei ist, dass die leitenden Garne durch die gesamte Textilbreite verlaufen, die Farbe auf dem Leiter platziert sein muss und keine gezielte Ansteuerung von einzelnen Mustern und Farbflächen möglich ist. Jede Farbfläche, die auf dem elektrischen Leiter liegt, reagiert gleichzeitig.
-
Im Bereich der Effektpasten gibt es eine elektrisch leitende Paste, die für die Herstellung von Folientastaturen, Heizelementen, gedruckten Widerständen oder flexiblen Schaltkreisen verwendet wird. Die Paste basiert meist auf Kohlenstoffverbindungen, die sich zur Herstellung elektrischer Leiter eignet und es ermöglicht, Kontakte mittels Siebdruck auf Substrate aufzubringen.
-
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Substrat (Textil, Papier, Leder, Kunstleder, Kunststoff) zu schaffen, das durch den Anschluss an eine regelbare Stromquelle eine gezielt steuerbare Farbveränderung aufweist. Dies wird durch die spezielle Schichtung von vorhandenen Pasten und Farben für die Anwendung im Innenbereich möglich. Dieser gezielt ansteuerbare Farbwechsel kann sowohl schnell als auch langsam als Verlauf, in grafischer Form oder in Mustern erfolgen. Zudem sollen alle Farbwechselstufen optimal zeitlich kontrollierbar sein und einen temperaturabhängigen Verlauf optisch sichtbar machen.
-
Die Erfindung wird durch die Merkmale des Hauptanspruchs gelöst. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausführungsformen wieder.
-
Die Substratoberfläche ist aufgebaut aus Schichten von leitfähiger Druckpaste 3, Weißpaste 4 und thermochromatischen Pigmenten in einer transparenten Druckpaste 5. Alternativ ermöglicht die Kombination von thermochromatischen Pigmenten und Interferenzpigmenten in einer Druckpaste einen steuerbaren Farbverlauf durch Erwärmung der elektrisch leitfähigen Schicht auf der Oberfläche. Dieser wird dann optisch sichtbar.
-
Die erfindungsgemäße Substratoberfläche umfasst eine elektrisch leitende Schicht und eine darüber angeordnete Weißschicht, die Anschlussstellen für die Energiezufuhr frei lässt und die schwarze elektrisch leitende Schicht mit weiß überdeckt, damit die darüber angeordnete thermochromatische Farbschicht, deren Farbe sich bei Erwärmung ändert, optisch sichtbar ist.
-
Die Aufgabe des Erfindungsanspruchs wird durch einen eingenähten Kupferdraht in die freiliegenden Anschlussstellen der leitfähigen Schicht und den Anschluss des Kupferdrahts an eine Stromquelle gelöst.
-
Die erfindungsgemäße Substratoberfläche umfasst den Anschluss an eine regelbare Stromquelle (60 V), um den Farbwechsel zu steuern, welcher geeignet ist in der elektrisch leitenden Schicht der Oberfläche einen Gleichstrom zu erzeugen und damit die Schicht zu erwärmen.
-
Die Erwärmung der leitfähigen Paste ist bei Berührung ungefährlich. Sie ist abhängig von der Oberflächenspannung, die bei einer textilen Oberfläche beispielsweise um die 150 σ liegt. Der Stromfluss liegt bei max. 0,2 A.
-
Bei einer weiteren Ausführungsform der erfindungemäßen Oberfläche ist die elektrisch leitende Schicht so geformt, dass sie ein grafisches Objekt oder Muster bildet.
-
Erst die Weißpastenschicht über der schwarzen, elektrisch leitfähigen Druckpaste mit freiliegenden Anschlussstellen ermöglicht das Drucken der thermochromatischen Farbe als weitere Schicht. Die thermochromatische Farbe ist auf schwarzen Grund ansonsten nicht sichtbar.
-
Das Material kann als Dekorationsmittel zum Beispiel als Wandteppich oder Tapete eingesetzt werden oder als visualisiertes Temperaturmessgerät.
-
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels anhand der beigefügten Zeichnungen. Dabei zeigt:
-
1 eine mögliche Ausführungsform der erfindungsgemäßen Substratoberfläche im Querschnitt.
-
2 zeigt die erfindungsgemäße Substratoberfläche in perspektivischer Darstellung im Farbwechselzustand mit möglichem Farbverlauf und Krokodilsklammern als Verbindung des eingenähten Kupferdrahts zu der Stromquelle.
-
3 ist eine Draufsicht der erfindungsgemäßen Substratoberfläche. Sichtbar für dieses Ausführungsbeispiel ein möglicher Farbverlauf bei Erwärmung der elektrisch leitfähigen Schicht und der dadurch bedingten Reaktion der thermochromatischen Farbschicht.
-
In 4 ist die erfindungsgemäße Substratoberfläche im transparenten Zustand dargestellt mit möglichem Anschluss durch die Verbindung von Krokodilsklammern mit dem eingenähten Kupferdraht zu einem regelbaren Trafo.
-
In 1 ist eine mögliche Ausführungsform der erfindungsgemäßen Substratoberfläche im Querschnitt dargestellt. Auf der Oberfläche 2 des Substrats 1, welches beispielsweise Textil sein kann, ist eine elektrisch leitfähige Schicht 3, aufgebracht, die mit einer Schicht 4, weiß, bedeckt ist, die wiederum mit der thermochromatischen Farbschicht 5 bedeckt ist oder alternativ mit einer Schicht aus einer thermochromatischen und Interferenzpigmenten-Mischung. Die Weißpastenschicht 4 deckt die beiden Seiten der elektrisch leitfähigen Schicht 3 nicht ab, da dies die freiliegenden Anschlussstellen sind. Die freiliegenden Anschlussstellen sind jeweils mit einem eingenähten Kupferdraht versehen, der durch die Materialoberfläche 2 und das Substrat 1 führt. Die Farbschicht 5 kann wie bei herkömmlichen bedruckten Oberflächen ein Motiv, Muster oder eine Grafik wiedergeben.
-
Die elektrisch leitende Schicht 3 kann einen Kohlenstoffbestandteil aufweisen. Die Form der elektrisch leitenden Schicht 3 ist so gewählt, dass sie größer ist als die Form der weißen und thermochromatischen Schicht. Die Form der Weißpastenschicht 4 und der thermochromatischen Schicht 5 ist so gewählt, dass sie einander entsprechen und abdecken. Soll der Farbwechsel mehrere unabhängige Muster aufweisen, so ist eine Verbindung der elektrisch leitenden Schicht nötig, oder jedes Muster muss mit Anschlussstellen versehen sein, wie in 4.
-
Die Farbschicht 5 ist geeignet, sich bei ausreichender Erwärmung zu verfärben. Gewöhnlich erfolgt bei thermochromatischen Pigmenten die Verfärbung/der Übergang in einen transparenten Zustand über die Reaktion in den Mikrokapseln. Einen möglichen Farbverlauf zeigt für dieses Anwendungsbeispiel 3 Es sind aber auch Farbstoffe verwendbar, bei denen eine chemische Veränderung, die durch eine ausreichende Wärmeeinwirkung initiiert wird, zu einer Verfärbung führt. Fließt kein Strom durch die elektrisch leitfähige Schicht 3, entsteht keine Wärme, und die thermochromatische Schicht 5 ist in ihrem farbigen Zustand sichtbar. Beginnt die Erwärmung und wird die eingestellte Umschlagstemperatur der thermochromatischen Pigmente erreicht, beginnt der Farbverlauf. Die Farbeschicht 5 geht in einen transparenten Zustand über und lässt die Weißpastenschicht 4 zum Vorschein kommen. Je nachdem wie der Stromfluss geregelt wird, geht der Farbwechsel vonstatten. Fällt die Temperatur unter die eingestellte Rückumschlagstemperatur der thermochromatischen Farbe, verläuft der Farbwechsel von transparent zu farbig und endet bei der wiederhergestellten farbigen Fläche.
-
2 zeigt eine perspektivische Ansicht des Schichtaufbaus des Substrats mit der erfindungsgemäßen Substratoberfläche. Die Form, die die erfindungsgemäße Substratoberfläche bildet, kann eine Form, ein grafisches Muster oder eine Struktur sein. Es muss nicht mit den Schnittkanten oder Ränder des Substrats 1 übereinstimmen, sondern kann z. B. auch in der Mitte des Substrats liegen. Die elektrisch leitende Schicht 3 ist auf die Substratoberfläche 2 gedruckt oder anderweitig aufgebracht. Die Form dieser Schicht muss freiliegende Flächen aufweisen, die als Anschlussstellen für die Stromquelle dienen. Die freiliegenden Anschlussstellen sind jeweils mit eingenähtem Kupferdraht 6, 7 für die Verbindung zum Plus- bzw. Minuspol der Stromquelle versehen. Anfang und Ende jedes Kupferdrahts 6, 7 verläuft auf der Rückseite des Substrats 1 und wird in diesem Ausführungsbeispiel mit jeweils einer Krokodilsklammer 8, 9 mit dem Plus- und Minuspol der Stromquelle verbunden. Die Kupferdrähte 6, 7 dürfen sich unter keinen Umständen berühren, da dies einen Kurzschluss zur Folge hat.
-
Die Weißpastenschicht 4 und die thermochromatische Farbschicht 5, hier im Farbverlaufszustand von schwarz (kalt) nach transparent (über der Umschlagstemperatur) sichtbar, sind deckungsgleich.
-
4 zeigt den Anschluss an einer in diesem Ausführungsbeispiel möglichen Steuerung der Substratoberfläche 2 mit Schichtungen 3, 4, 5 an eine Stromquelle. Die erfindungsgemäße Substratoberfläche wird durch den eingenähten Kupferdraht 6, 7 in den freiliegenden Anschlussstellen der elektrisch leitenden Paste 3 mit je einer Krokodilsklammer 8, 9 für den Plus-/Minuspol mit einem regelbaren Trafo 10 (60 V) und einem Strommessgerät 11 verbunden. Durch den regelbaren Stromfluss ist die Erwärmung der elektrisch leitfähigen Paste 3 steuerbar und somit auch die Erwärmung der thermochromatischen Farbschicht 5, die die Farbveränderung bestimmt.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Substrat
- 2
- Substratoberfläche
- 3
- Leitfähige Schicht
- 4
- Weißpastenschicht
- 5
- Thermochromatische Schicht (oder Schicht: Thermochromatische Pigmente und Interferenzpigmente Mischung)
- 6
- Eingenähter Kupferdraht in freiliegende Anschlussstelle der leitfähigen Paste
- 7
- Eingenähter Kupferdraht in freiliegende Anschlussstelle der leitfähigen Paste
- 8
- Korokodilsklammer (Verbindung zum Plus Pol des Trafos/der Stromquelle)
- 9
- Korokodilsklammer (Verbindung zum Minus Pol des Trafos/der Stromquelle)
- 10
- Regelbarer Trafo
- 11
- Strommessgerät
