EP1310381A2 - Bahnförmige Materialien mit Oberflächenstruktur, Verfahren zu deren Herstellung und deren Verwendung - Google Patents

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EP1310381A2
EP1310381A2 EP02024848A EP02024848A EP1310381A2 EP 1310381 A2 EP1310381 A2 EP 1310381A2 EP 02024848 A EP02024848 A EP 02024848A EP 02024848 A EP02024848 A EP 02024848A EP 1310381 A2 EP1310381 A2 EP 1310381A2
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EP
European Patent Office
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radiation
curing
surface structure
paint
cylinder
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EP02024848A
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English (en)
French (fr)
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EP1310381B1 (de
EP1310381A3 (de
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Friedrich Dr. Kastner
Johann Hilburger
Franz Schweiger
Matthias Müller
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Hueck Folien GmbH
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Hueck Folien GmbH
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B41—PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
    • B41M—PRINTING, DUPLICATING, MARKING, OR COPYING PROCESSES; COLOUR PRINTING
    • B41M3/00—Printing processes to produce particular kinds of printed work, e.g. patterns
    • B41M3/14—Security printing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05D—PROCESSES FOR APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05D3/00—Pretreatment of surfaces to which liquids or other fluent materials are to be applied; After-treatment of applied coatings, e.g. intermediate treating of an applied coating preparatory to subsequent applications of liquids or other fluent materials
    • B05D3/02—Pretreatment of surfaces to which liquids or other fluent materials are to be applied; After-treatment of applied coatings, e.g. intermediate treating of an applied coating preparatory to subsequent applications of liquids or other fluent materials by baking
    • B05D3/0209—Multistage baking
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B05D3/06—Pretreatment of surfaces to which liquids or other fluent materials are to be applied; After-treatment of applied coatings, e.g. intermediate treating of an applied coating preparatory to subsequent applications of liquids or other fluent materials by exposure to radiation
    • B05D3/061—Pretreatment of surfaces to which liquids or other fluent materials are to be applied; After-treatment of applied coatings, e.g. intermediate treating of an applied coating preparatory to subsequent applications of liquids or other fluent materials by exposure to radiation using U.V.
    • B05D3/065—After-treatment
    • B05D3/067—Curing or cross-linking the coating
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
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    • B05D3/00—Pretreatment of surfaces to which liquids or other fluent materials are to be applied; After-treatment of applied coatings, e.g. intermediate treating of an applied coating preparatory to subsequent applications of liquids or other fluent materials
    • B05D3/12—Pretreatment of surfaces to which liquids or other fluent materials are to be applied; After-treatment of applied coatings, e.g. intermediate treating of an applied coating preparatory to subsequent applications of liquids or other fluent materials by mechanical means

Definitions

  • the invention relates to web-like materials with a durable transferable or adherent surface structure, in particular a Diffraction structure, a process for their preparation and their use.
  • Web-shaped materials with surface structures, in particular Diffraction structures are used in various applications, for example, in the decoration, as components in particular optical Components in the technical field and in architecture, as Security elements for value documents and volumes, as Packaging elements and the like.
  • thermoplastic carrier or lacquer layer by means of pressure and temperature.
  • disadvantage of the surface structures thus produced is their low thermal, mechanical and chemical resistance by embossing in thermoplastic compositions.
  • the resistance of the surface structures, in particular against the processing pressure and the processing temperature in the heat sealing process and / or sterilization is usually not sufficient, so in this case the packaging process with the usual machines can be done, but strict restrictions in terms of pressure and temperature are respected or expensive ancillary equipment must be installed.
  • the surface structures produced in the thermoplastic molding process prove to be too little resistant.
  • WO 94/18609 is a method for simultaneous replication and direct application of a hologram or other diffraction grating a printing material, in particular on paper or cardboard, by means of a Surface relief structure bearing matrix known in which this structure in a radiation-curable lacquer layer is molded, wherein the curing of the Lacquer layer from the matrix side through the radiolucent Matrizenober Assembly takes place. Essentially, the curing of the the lacquer layer receiving the relief before removing the matrix from the paper or cardboard. According to this method, both self-adhesive products as It would also be possible to produce heat-sealing foils with diffraction structures.
  • diffraction structures are relatively inexpensive and can be conveniently replicated or applied to a substrate by means of this method, such a method or the product produced in this way is unsuitable for a number of applications.
  • the surface structures are too inaccurate produced by this method, since on the one hand the quartz glass embossing cylinder used in particular the surface is not precise and homogeneous enough to produce.
  • the photopolymers used for the matrix are poorly resistant under the process conditions, whereby the life of the embossing tool is only low.
  • the object of the invention is therefore a carrier substrate with a diffraction or diffractive structure or a surface relief and a method and to provide a device for its production, in which on the one hand the Illustration of the diffraction structure independent of the type of carrier substrate with excellent precision, on the other hand, the carrier film and the thereon diffraction structure without interference with in the Packaging industry or in other technical areas, for example in the field of architecture in the manufacture of components, usual parameters can be processed without restriction, so an excellent Resistance of the diffraction structure is ensured.
  • the subject of the invention are therefore sheet-like materials with complete or partially transferable or fully liable or subject to limitations Surface structures, characterized in that the respective Transferable or adhesive surface structure by molding a Matrix in a radiation-curable applied to a carrier substrate Varnish which is pre-cured to the gel point at the time of the impression, followed, whereupon the radiation-curable varnish after application of the Surface structure is completely cured.
  • Another object of the invention is a process for the preparation web-shaped materials with a completely or partially transferable or completely or motionally limited surface structure, thereby characterized in that provided in a first step, a carrier substrate is in a second step, this carrier substrate in a Coating process is coated with a radiation-curable varnish, in a third step, this lacquer up to the gel point by stimulation with Radiation of a defined wavelength is pre-cured, and at the same time Impression of the surface structure is carried out in a fourth step the further curing (main hardening) of the radiation-curable varnish Excitation radiation of a pre-hardening step different Wavelength carried out, followed by a post-curing and optionally Further coating or finishing steps are performed.
  • surface structures are understood to mean, in particular, diffraction or diffraction and relief structures understood.
  • Carrier foils are preferably flexible as the carrier substrate Plastic films, for example, from Pl, PP, MOPP, PE, PPS, PEEK, PEK, PEI, PSU, PAEK, LCP, PEN, PBT, PET, PA, PC, COC, POM, ABS, PVC in question.
  • the carrier films preferably have a thickness of 5 - 700 ⁇ m, preferably 8 - 200 microns, more preferably 12 to 50 microns on.
  • the carrier substrate can on one or both sides with a hot or Be provided or cold seal adhesive or a self-adhesive coating the application of the surface structure and optionally after Performing further coating steps are provided with it.
  • the carrier substrate is used in a coating process such as a screen printing, gravure or flexographic printing with a radiation-curable varnish coated.
  • the coating can be selective or over the entire area.
  • the radiation-curable lacquer may for example be a radiation-curable Paint system based on a polyester, an epoxy or polyurethane system 2 or more different, known in the art photoinitiators contains, at different wavelengths, a curing of the paint system to initiate to varying degrees.
  • a Activatable photoinitiator at a wavelength of 200 to 400 nm the second photoinitiator then at a wavelength of 370 to 600 nm enableable.
  • the area where the second photoinitiator is excited should be lie in the transmission wavelength range of the carrier substrate used.
  • Electron radiation can be used.
  • a radiation-curable varnish As a radiation-curable varnish, a water-thinnable varnish can also be used be used. Preference is given to polyester-based paint systems.
  • the impression of the surface structure, ie the diffraction, diffraction or relief structure, for example, at controlled temperature by means of a die or using a stamping die in the radiation-curable lacquer layer, which was pre-cured by activation of the first photoinitiator to the gel point and at the time of molding in this stage is located. If a water-dilutable radiation-curable lacquer is used, it is optionally possible to precede predrying, for example by means of IR radiators.
  • the layer thickness of the applied radiation-curable varnish may vary depending on Requirements for the final product and thickness of the substrate vary and amounts generally between 0.5 and 50 ⁇ m, preferably between 2 and 10 ⁇ m, more preferably between 2 and 5 microns.
  • the stamping mold can be transparent, it can be a welded, glued, be soldered or seamless metal sleeve or plastic sleeve. Prefers nickel sleeves are used. To make an exact impression of the To obtain surface structure, it is expedient to the embossing tool a temperature-controlled pneumatic and flow-cooled or to install heated clamping cylinder.
  • the carrier substrate is brought into contact with the temperature-controlled clamping cylinder, the embossing of the surface structure is preferably carried out only when the carrier substrate coated with the radiation-curable lacquer is in contact with the cylinder.
  • a precise control of the process parameters such as pressure and in particular temperature in order to avoid too rapid or too slow a change in state of the paint layer.
  • the curing of the UV varnish and then a post-curing takes place.
  • the surface structure introduced into the radiation-curable lacquer draws due to great precision, in particular due to the hardening of the paint in two steps out. Furthermore, the structure has excellent durability, especially chemical, thermal and mechanical resistance.
  • the product is therefore available after appropriate packaging Security element in data carriers, in particular value documents such as Badges, cards, banknotes or labels, seals and the like suitable, but also as packaging material in the pharmaceutical and Food industry, for example in the form of blister foils, for example Medicines, covers or packaging, for example in the Food industry as food film, for example for dairy products particularly suitable.
  • Such products are also particularly suitable for decorative applications or optical elements, for example in the Architecture and the like.
  • the carrier substrate thus provided with a surface structure can subsequently provided with further layers, for example with additional paint, color or metallic layers or insulators, respectively may have different properties.
  • the application of the further layers either selectively, overlapping or congruent with the surface structure or even only in those areas that were left out by selective application of the structure respectively. It can also be made a full-surface coating.
  • the embossed structure with a paint with the same or similar refractive index as that of partially used overprinted radiation-curable coating system. This selectively increases the surface texture in the overprinted areas invisible, so to speak deleted.
  • the paint can be transparent or colorless or else luminescent, for example fluorescent or be phosphorescent.
  • the application of the ink application can then register-controlled in one operation or in another printing unit insetterschreib by any method, for example by gravure, flexographic, screen printing, digital printing and the like done to the embossing process.
  • the color or lacquer used is soluble in a solvent, preferably water, but it is also possible to use a dye soluble in any solvent, for example in alcohol, esters and the like.
  • the color or the colored lacquer can be customary compositions based on natural or artificial macromolecules.
  • the soluble color may be pigmented or unpigmented.
  • As pigments all known pigments can be used. Particularly suitable are TiO 2 , ZnS, kaolin and the like.
  • the printed carrier substrate is optionally treated to improve the adhesion of the subsequently applied layer by means of an in-line plasma (low pressure or adjplasma-), corona or flame process.
  • High-energy plasma for example Aroder Ar / O 2 plasma, cleans the surface of toning residues of the printing inks. The necessary sharp delimitation of the contours of the recesses, which is necessary for the necessary precision of the coding is achieved.
  • the surface is activated. In this case, terminal polar groups are generated on the surface. This improves the adhesion of metals and the like to the surface.
  • a thin metal or metal oxide layer can be applied as adhesion promoter, for example by sputtering or vapor deposition.
  • adhesion promoter particularly suitable are Cr, Al, Ag, Ti, Cu, TiO 2 , Si oxides or chromium oxides.
  • This adhesion promoter layer generally has a thickness of 0.1 nm to 5 nm, preferably 0.2 nm to 2 nm, particularly preferably 0.2 to 1 nm.
  • color or paint layers can each have a variety of Compositions are used.
  • the composition of the individual Layers can vary in particular according to their task, so whether the individual layers serve only decoration purposes or one functional layer or whether the layer is both a Dekorationsals should also be a functional layer.
  • the layers to be printed may be pigmented or unpigmented.
  • pigments it is possible to use all known pigments, for example titanium dioxide, zinc sulfide, kaolin, ATO, FTO, aluminum, chromium oxides and silicon oxides, as well as colored pigments.
  • solvent-based coating systems and systems without solvents can be used.
  • Suitable binders are various natural or synthetic binders.
  • the functional layers may have certain electrical, magnetic, chemical, physical and also optical properties exhibit.
  • For adjusting electrical properties can For example, graphite, carbon black, conductive organic or inorganic Polymers.
  • Metal pigments for example copper, aluminum, silver, gold, Iron, chromium and the like
  • metal alloys such as copper-zinc or copper-aluminum or also amorphous or crystalline ceramic pigments such as ITO and the like may be added.
  • doped or not doped semiconductors such as silicon, germanium or ion conductors such as amorphous or crystalline metal oxides or metal sulfides used as an additive become.
  • Layer polar or partially polar compounds such as surfactants or nonpolar Compounds such as silicone additives or hygroscopic or not hygroscopic salts are used or added.
  • paramagnetic, diamagnetic and also ferromagnetic materials such as iron, nickel and Cobalt or its compounds or salts (for example, oxides or Sulfides) can be used.
  • the optical properties of the layer can be determined by visible dyes or pigments, luminescent dyes or pigments which are in the visible, fluoresce or phosphoresce in the UV range or in the IR range, Effect pigments, such as liquid crystals, pearlescent, bronzes and / or multilayer color change pigments and heat-sensitive colors or pigments influence. These can be used in all possible combinations. In addition, phosphorescent pigments alone or in Combination with other dyes and / or pigments are used.
  • Various properties can also be combined by adding various additives mentioned above.
  • colored and / or conductive magnetic pigments All mentioned conductive additives can be used.
  • conductive additives can be used.
  • dyeing of magnetic pigments it is possible to use all known soluble and non-soluble dyes or pigments.
  • a brown magnetic ink can be adjusted to metallic, for example silvery, by adding metals in their color shade.
  • the ink or lacquer used may be soluble in a solvent, preferably water, but a dye soluble in any solvent, for example in alcohol, esters and the like, may also be used.
  • the color or the colored lacquer can be customary compositions based on natural or artificial macromolecules.
  • the color may be pigmented or unpigmented.
  • pigments all known pigments can be used. Particularly suitable are TiO 2 , ZnS, kaolin and the like. If a soluble color layer is used, it may optionally be removed after application of another layer in the process according to the invention by a suitable solvent adapted to the composition of the color layer in order to be able to produce codings in the form of characters and / or patterns of any possible type.
  • Isolators are, for example, organic substances and their derivatives and Compounds, for example paint and varnish systems, e.g. Epoxy, Polyester, Rosin, acrylate, alkyd, melamine, PVA, PVC, isocyanate, Urethane systems that can be radiation-curing, for example by Heat or UV radiation, suitable.
  • paint and varnish systems e.g. Epoxy, Polyester, Rosin, acrylate, alkyd, melamine, PVA, PVC, isocyanate
  • Urethane systems that can be radiation-curing, for example by Heat or UV radiation, suitable.
  • These layers can be prepared by known methods, for example by Vaporizing, sputtering, printing (eg gravure, flexo, screen, digital printing) and the like), spraying, electroplating and the like become.
  • the thickness of the functional layer is 0.001 to 50 ⁇ m, preferably 0.1 to 20 microns.
  • the ink layer by a suitable solvent, the on the composition of the color layer is matched, removed.
  • the paint is water-soluble.
  • the replacement by mechanical action are supported.
  • the thickness of this layer is about 0.01 - 5 microns.
  • the desired end product is obtained.
  • multilayer structures which are different in the superimposed layers Have properties. It is possible by combining different properties of the individual layers, for example Layers with different conductivity, magnetizability, optical Properties, absorption behavior and the like constructions, for example for security elements with several precise authenticity features manufacture.
  • the thus produced coated film also by a protective lacquer layer are protected or, for example, by laminating or the like further refined.
  • the product can be applied with a sealable adhesive, such as a hot or cold seal adhesive to the appropriate substrate, or embedded in paper for security papers by conventional methods, for example.
  • sealants can be equipped with visible or visible in the UV light, fluorescent, phosphorescent or laser and IR radiation absorbing features to increase the security against counterfeiting.
  • These features may also be present in the form of patterns or characters or show color effects, in principle any number of colors, preferably 1 to 10 colors or color mixtures, are possible.
  • the carrier substrate may be used after one-sided coating after application be removed or left on the product.
  • the carrier film optionally specially equipped on the uncoated side be scratch resistant, antistatic and the like. The same applies to a possible lacquer layer on the carrier substrate.
  • To produce the sheet-like materials according to the invention is in a first step provided a carrier substrate, in a second step radiation-curable paint applied, this paint to the gel point through Pre-hardened excitation with radiation of a defined wavelength and at the same time taking the impression of the surface structure, in one fourth step, the further curing (main hardening) of the radiation-curable Lacks by excitation with radiation to the pre-curing step different wavelength carried out, followed by a post-curing and optionally carried out further coating or finishing steps become.
  • the coating of the carrier substrate takes place in a coating process, For example, a screen flexo or gravure printing with a radiation-curable varnish.
  • the coating can be selective or full-surface respectively.
  • the radiation-curable varnish picked up and via a transfer cylinder and applied to the carrier substrate via a gravure cylinder.
  • the viscosity of the paint system becomes precise via the temperature setting controlled.
  • the paint application temperature is about 20 - 80 ° C, preferably 30 - 60 ° C, particularly preferably 40 - 50 ° C, where Lackund Tool temperature should each be at the same level.
  • Essential for a uniform coating order is that the to be applied lacquer always at exactly controlled temperature and constant purity and in a steady flow is picked up and applied. In particular, it is also a so-called. Avoid foaming of the varnish before or during application.
  • a preheating step by a Radiation source for example, an IR emitter are connected upstream.
  • the lamps are selected so that a selective excitation of the photoinitiators takes place.
  • Hg lamps, Hg lamps doped in the long-wave range, especially Ga, Fe, Ga / Pb-doped Hg lamps, in the visible light range fluorescent tubes and the like are suitable for excitation in the short-wave range.
  • the main curing can also be done by electron beam curing.
  • the energy of the UV lamp which is used to cure to the gel point, can be controlled by the radiator parameters, but also by an upstream aperture. Since only small amounts of UV light are necessary for precuring to the gel point, the use of a cooled diaphragm for metering the radiation is recommended. Pre-curing is carried out in contact with a temperature-controlled roller for more precise control of the process speed.
  • the main hardening process is carried out to improve the uniformity and increase the production speed with 2 or more radiation sources (eg UV lamps) or, if curing in the visible light range, with 2 or more fluorescent tubes positioned so that the maximum light output through the film on the die falls.
  • radiation sources eg UV lamps
  • fluorescent tubes positioned so that the maximum light output through the film on the die falls.
  • unfocused lamps are used with parabolic or open space reflectors.
  • the power of the radiation source used for curing to the gel point is about 80 to 240 W / cm, preferably 100 to 180 W / cm, the Power of the radiation sources used for the main hardening, is about 160 to 400 W / cm, preferably 200 to 240 W / cm.
  • a subsequent hardening with corresponding radiation sources can then also be carried out, the power of which corresponds approximately to the power of the radiation sources used for hardening up to the gel point.
  • the post cure is again in contact with a temperature controlled roll.
  • the spectral composition of the lamps and the Intensity distribution with a corresponding inline spectrometer too monitor and thereby optionally the performance of the curing radiation to regulate.
  • the impression of the surface structure is made by a stamping die in the bis to the gel point precured lacquer layer.
  • This stamping mold can be transparent It can be a welded, glued or soldered or seamless Be metal sleeve or plastic sleeve. Preference is given to nickel sleeves used. To obtain a precise embossing of the surface structure is it is convenient the stamping tool on a pneumatic and Temperature-cooled clamping cylinder to assemble.
  • the paint properties in particular the photoinitiator mixture used and the one used Curing lights make it possible to release the system without a release layer adjust.
  • Another object of the invention is an apparatus for producing the sheet-like materials according to the invention according to the invention Process, characterized in that the paint applicator off a heated paint tray, a carry cylinder and a Gravure cylinder, the precure stage from a temperature controlled Chill roller with an associated radiation source for precuring, the embossing unit from a temperature-controlled embossing cylinder, the two or several radiation sources are assigned to the main hardening, and the Post-curing stage of a temperature-controlled cooling roller, at least a radiation source is assigned for postcuring, and consists of Tiefdruckwerk and a drying station consists.
  • Fig. 1 a variant of such a device is shown.
  • the paint pan 2 as shown in Fig. 2, consists of a Outer trough 21 and an inner tub 22 with a return plate 22a.
  • 23 means the inlet of the radiation-curable varnish from a reservoir 23 a via a pump 23 b and a filter 23 c
  • 24 means the outflow of radiation-curable varnish from the outer tub 22 in the reservoir.
  • 3 means the dip cylinder and 4 the transfer cylinder.
  • 25 means one Distribution tunnel for the radiation-curable lacquer
  • 26 the distributor plate of the Distributor tunnel.
  • a reservoir 23 a which is preferably designed double-walled and is heated to a corresponding temperature of the radiation-curable Adjusting paint is through a pump 23 b and a fine filter 23 c of the radiation-curable lacquer in the heated inner tub 22 of the paint pan. 2 promoted.
  • the radiation-curable lacquer is over a Distributor tunnel 25 and the distributor plate 26, which arranged with regularly Openings is evenly distributed.
  • the inner tub has at the inner surface of the shape of an approximately half-cylinder, this surface is dimensioned so that the dip cylinder 2 in a defined constant Distance to the inner surface of the paint pan can intervene.
  • the dip cylinder With about 1 / 3-1 / 2 of its circumference in the conveyed into the inner tub radiation-curable varnish.
  • the heated inner tub is doing so dimensioned that they are heated on the from the outflow 24 of the surrounding Outside trough facing away on the dimension of a half-cylinder, however, its shape is essentially continuing return plate up to a height of at least half the diameter up to about 2/3 of the Diameter of the immersion cylinder has.
  • the dip cylinder now takes the radiation curable paint from the Inner pan of the paint pan and transfers it to the transfer cylinder. It now runs the excess paint, not from the carry cylinder is taken over the outside of the inner tub in the outer tub 21 back. Likewise (not shown in FIG Doctor blade 6 (shown in Fig.1) not applied to the gravure cylinder paint back to the outer tub.
  • the temperature-controlled embossing cylinder are two or more Radiation sources assigned to the main hardening, wherein the embossing process in the pre-cured to the gel point lacquer simultaneously with the main hardening he follows.
  • the planned gravure printing unit and the subsequent drying station can according to the usual manner according to the prior art be executed.
  • the paint is brought to a temperature of 50 ° C and conveyed by a pump in the heated inner tub of the paint pan. About the dip cylinder, the transfer cylinder and the gravure cylinder and the doctor associated therewith, the paint is applied to the web. Subsequently, the pre-curing of the paint is carried out to the gel point at a temperature of 60 ° C by means of a Hg radiation source with upstream cooled (to 60 ° C) aperture. The embossing of the arbitrary surface structure is then carried out on an embossing cylinder with simultaneous hardening with 2 Hg / Ga radiation sources at a temperature of 70 ° C. For complete curing, the web is passed over a temperature-controlled cylinder using a Hg radiation source. Subsequently, the material web thus provided with a surface structure can be guided into a conventional gravure printing unit and a subsequent drying station.

Abstract

Die Erfindung betrifft bahnförmige Materialien mit vollständig oder teilweise transferierbaren oder vollständig oder motivbegrenzt haftenden Oberflächenstrukturen, die durch Abformung in eine bis zum Gelpunkt gehärtete strahlungshärtbare Lackschicht, mit nachfolgender weiterer Aushärtung der Lackschicht hergestellt werden. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft bahnförmige Materialien mit einer beständigen transferierbaren oder haftenden Oberflächenstruktur, insbesondere einer Diffraktionsstruktur, ein Verfahren zu deren Herstellung und deren Verwendung.
Bahnförmige Materialien mit Oberflächenstrukturen, insbesondere Diffraktionsstrukturen, werden in verschiedenen Einsatzgebieten verwendet, beispielsweise in der Dekoration, als Bauelemente insbesondere optische Bauelemente im technischen Bereich und in der Architektur, als Sicherheitselemente für Wertdokumente und Datenträger, als Verpackungselemente und dergleichen.
Es ist bekannt, Beugungs- bzw. Diffraktionsstrukturen, beispielsweise Beugungsgitter und dergleichen durch thermische Abformung in eine insbesondere thermoplastische Träger- bzw. Lackschicht mittels Druck und Temperatur herzustellen.
Nachteil der so hergestellten Oberflächenstrukturen ist deren geringe thermische, mechanische und chemische Beständigkeit durch das Prägen in thermoplastische Massen. Für Anwendungen als Heißsiegelfolien, beispielsweise Verpackungen, Blister in der pharmazeutischen Industrie oder Lebensmittelverpackungen, ist die Beständigkeit der Oberflächenstrukturen, insbesondere gegen den Verarbeitungsdruck und die Verarbeitungstemperatur beim Heißsiegelvorgang und/oder bei der Sterilisation meist nicht ausreichend, sodass in diesem Fall der Verpackungsvorgang nicht mit den üblichen Maschinen erfolgen kann, sondern strenge Beschränkungen hinsichtlich Druck und Temperatur einzuhalten sind oder aufwendige Zusatzeinrichtungen installiert werden müssen. Auch bei Siegelvorgängen gegen beispielsweise Stahl und auch andere Kunststoffe erweisen sich die im thermoplastischen Abformverfahren hergestellten Oberflächenstrukturen als zu wenig beständig.
Aus der WO 94/18609 ist ein Verfahren zur gleichzeitigen Replikation und direkten Applikation eines Holgramms oder eines anderen Beugungsgitters auf einen Bedruckstoff, insbesondere auf Papier oder Karton, mittels einer die Oberflächenreliefstruktur tragenden Matrize bekannt, bei dem diese Struktur in eine strahlungshärtbare Lackschicht abgeformt wird, wobei die Härtung der Lackschicht von der Matrizenseite her durch die strahlungsdurchlässige Matrizenoberfläche erfolgt. Im wesentlichen erfolgt dabei die Aushärtung der das Relief aufnehmenden Lackschicht vor Abnahme der Matrize vom Papier bzw. Karton. Nach diesem Verfahren sollen sowohl selbstklebende Produkte als auch Heißsiegelfolien mit Diffraktionsstrukturen herstellbar sein.
Durch dieses Verfahren sind Diffraktionsstrukturen zwar relativ kostengünstig und bequem auf ein Substrat replizierbar bzw. applizierbar, allerdings ist ein derartiges Verfahren bzw. das derart hergestellte Produkt für eine Reihe von Anwendungen nicht geeignet.
Für Anwendungen als Sicherheitselement sind die Oberflächenstrukturen nach diesem Verfahren zu wenig präzise herstellbar, da einerseits der verwendete Quarzglas-Prägezylinder insbesondere die Oberfläche nicht präzise und homogen genug herstellbar ist. Die für die Matrize verwendeten Fotopolymere sind unter den Verfahrensbedingungen nur schlecht beständig, wodurch die Lebensdauer des Prägewerkzeugs nur gering ist. Die Übertragung der Oberflächenstruktur in eine Lackschicht, die noch während die Matrize auf dem Trägerpapier bzw. Karton aufliegt, vollständig ausgehärtet wird, ist außerdem zuwenig exakt, da bei Abnahme der Matrize nach der Aushärtung die Lackschicht und damit die Oberflächenstruktur gegebenenfalls mechanisch nicht zur Gänze unversehrt bleibt.
Die verwendbaren Lacke sind sehr beschränkt, da sich in der Praxis nur kationisch härtbare UV-Lacke als geeignet erwiesen haben.
Aufgabe der Erfindung ist es daher ein Trägersubstrat mit einer Diffraktions- bzw. Beugungsstruktur oder einem Oberflächenrelief und ein Verfahren und eine Vorrichtung zu dessen Herstellung bereitzustellen, bei dem einerseits die Abbildung der Diffraktionsstruktur unabhängig von der Art des Trägersubstrats mit ausgezeichneter Präzision erfolgt, andererseits die Trägerfolie und die darauf befindliche Diffraktionsstruktur ohne Beeinträchtigung mit in der Verpackungsindustrie oder in anderen technischen Bereichen, beispielsweise im Architekturbereich bei der Herstellung von Bauteilen, üblichen Parametern ohne Einschränkung verarbeitet werden kann, also eine ausgezeichnete Beständigkeit der Diffraktionsstruktur gewährleistet ist.
Gegenstand der Erfindung sind daher bahnförmige Materialien mit vollständig oder teilweise transferierbaren oder vollständig oder motivbegrenzt haftenden Oberflächenstrukturen, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige transferierbare oder haftende Oberflächenstruktur durch Abformen einer Matrize in einen auf ein Trägersubstrat aufgebrachten strahlungshärtbaren Lack, der zum Zeitpunkt der Abformung bis zum Gelpunkt vorgehärtet ist, erfolgt, worauf anschließend der strahlungshärtbare Lack nach Aufbringung der Oberflächenstruktur vollständig ausgehärtet wird.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung bahnförmiger Materialien mit einer vollständig oder teilweise transferierbaren oder vollständig oder motivbegrenzt haftenden Oberflächenstruktur, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Schritt ein Trägersubstrat bereitgestellt wird, in einem zweiten Schritt dieses Trägersubstrat in einem Beschichtungsverfahren mit einem strahlungshärtbaren Lack beschichtet wird, in einem dritten Schritt dieser Lack bis zum Gelpunkt durch Anregung mit Strahlung einer definierten Wellenlänge vorgehärtet wird, und gleichzeitig die Abformung der Oberflächenstruktur durchgeführt wird, in einem vierten Schritt die weitere Aushärtung (Haupthärtung) des strahlungshärtbaren Lacks durch Anregung Strahlung einer zum Vorhärtungsschritt unterschiedlichen Wellenlänge durchgeführt, worauf eine Nachhärtung und gegebenenfalls weitere Beschichtungs- bzw. Veredelungsschritte durchgeführt werden.
Unter Oberflächenstrukturen werden im folgenden insbesondere Diffraktions- bzw. Beugungs- und Reliefstrukturen verstanden.
Als Trägersubstrat kommen beispielsweise Trägerfolien vorzugsweise flexible Kunststofffolien, beispielsweise aus Pl, PP, MOPP, PE, PPS, PEEK, PEK, PEI, PSU, PAEK, LCP, PEN, PBT, PET, PA, PC, COC, POM, ABS, PVC in Frage. Die Trägerfolien weisen vorzugsweise eine Dicke von 5 - 700 µm, bevorzugt 8 - 200 µm, besonders bevorzugt 12 - 50 µm auf.
Das Trägersubstrat kann ein- oder beidseitig mit einem Heiß- oder Kaltsiegelkleber oder einer Selbstklebebeschichtung versehen sein oder nach der Aufbringung der Oberflächenstruktur und gegebenenfalls nach Durchführung weiterer Beschichtungsschritte damit versehen werden.
Das Trägersubstrat wird in einem Beschichtungsverfahren wie beispielsweise einem Siebdruck-, Tiefdruck- oder Flexodruckverfahren mit einem strahlungshärtbaren Lack beschichtet. Die Beschichtung kann selektiv oder vollflächig erfolgen.
Der strahlungshärtbare Lack kann beispielsweise ein strahlungshärtbares Lacksystem auf Basis eines Polyester-, eines Epoxy- oder Polyurethansystems das 2 oder mehr verschiedene, dem Fachmann geläufige Photoinitiatoren enthält, die bei unterschiedlichen Wellenlängen eine Härtung des Lacksystems in unterschiedlichem Ausmaß initiieren können. So kann beispielsweise ein Photoinitiator bei einer Wellenlänge von 200 bis 400 nm aktivierbar sein, der zweite Photoinitiator dann bei einer Wellenlänge von 370 bis 600 nm aktivierbar. Zwischen den Aktivierungswellenlängen der beiden Photoinitiatoren sollte genügend Differenz eingehalten werden, damit nicht eine zu starke Anregung des zweiten Photoinitiators erfolgt, während der erste Photoinitiator aktiviert wird. Der Bereich, in dem der zweite Photoinitiator angeregt wird, sollte im Transmissionswellenlängenbereich des verwendeten Trägersubstrats liegen.
Für die Haupthärtung (Aktivierung des zweiten Photoinitiators) kann auch Elektronenstrahlung verwendet werden.
Als strahlungshärtbarer Lack kann auch ein wasserverdünnbarer Lack verwendet werden. Bevorzugt werden Lacksysteme auf Polyesterbasis.
Die Abformung der Oberflächenstruktur, also der Diffraktions-, Beugungs- oder Reliefstruktur erfolgt beispielsweise bei kontrollierter Temperatur mittels einer Matrize oder unter Verwendung einer Prägeform in die strahlungshärtbare Lackschicht, die durch Aktivierung des ersten Photoinitiators bis zum Gelpunkt vorgehärtet wurde und zum Zeitpunkt der Abformung sich in diesem Stadium befindet.
Wird ein wasserverdünnbarer strahlungshärtbarer Lack verwendet kann gegebenenfalls eine Vortrocknung vorgeschaltet werden, beispielsweise durch IR-Strahler.
Die Schichtdicke des aufgebrachten strahlungshärtbaren Lacks kann je nach Anforderung an das Endprodukt und Dicke des Substrats variieren und beträgt im allgemeinen zwischen 0,5 und 50 µm, vorzugsweise zwischen 2 und 10 µm, besonders bevorzugt zwischen 2 und 5 µm.
Die Abformung der Oberflächenstruktur erfolgt registergenau zur Beschichtung des Trägersubstrats, wobei eine Toleranz von +/- 0,5 mm eingehalten werden kann. Dies wird durch eine Registersteuerung erreicht
Die Prägeform kann transparent sein, sie kann ein geschweißter, geklebter, gelöteter oder nahtloser Metallsleeve oder Kunststoffsleeve sein. Bevorzugt werden Nickelsleeves verwendet. Um eine genaue Prägung der Oberflächenstruktur zu erhalten, ist es zweckmäßig das Prägewerkzeug auf einem temperaturkontrollierten pneumatischen und strömungsgekühlten oder beheizten Spannzylinder zu montieren.
Dabei wird das Trägersubstrat in Kontakt mit dem temperaturgesteuerten Spannzylinder gebracht, die Prägung der Oberflächenstruktur erfolgt vorzugsweise nur dann, wenn das mit dem strahlungshärtbaren Lack beschichtete Trägersubstrat sich in Kontakt mit dem Zylinder befindet.
Dabei erfolgt eine genaue Kontrolle der Verfahrensparameter, wie Druck und insbesondere Temperatur, um eine zu rasche oder zu langsame Zustandsveränderung der Lackschicht zu vermeiden.
Dabei erfolgt die Aushärtung des UV-Lacks und anschließend eine Nachhärtung.
Die in den strahlungshärtbaren Lack eingebrachte Oberflächenstruktur zeichnet sich durch große Präzision insbesondere aufgrund der Härtung des Lacks in zwei Stufen aus. Ferner weist die Struktur ausgezeichnete Beständigkeit, insbesondere chemische, thermische und mechanische Beständigkeit auf. Das Produkt ist gegebenenfalls nach entsprechender Konfektionierung daher als Sicherheitselement in Datenträgern, insbesondere Wertdokumenten wie Ausweisen, Karten, Banknoten oder Etiketten, Siegeln und dergleichen geeignet, aber auch als Verpackungsmaterial in der pharmazeutischen und Lebensmittelindustrie, beispielsweise in Form Blisterfolien, beispielsweise für Medikamente, Abdeckungen oder Verpackungen, beispielsweise in der Lebensmittelindustrie als Lebensmittelfolie beispielsweise für Molkereiprodukte besonders geeignet. Besonders geeignet sind derartige Produkte auch für dekorative Anwendungen oder optische Elemente, beispielsweise in der Architektur und dergleichen.
Das so mit einer Oberflächenstruktur versehene Trägersubstrat kann anschließend mit weiteren Schichten versehen werden, beispielsweise mit weiteren Lack-, Farb- oder metallischen Schichten oder Isolatoren, die jeweils unterschiedliche Eigenschaften aufweisen können.
Dabei kann die Aufbringung der weiteren Schichten entweder selektiv, überlappend oder deckungsgleich mit der Oberflächenstruktur oder auch nur in jenen Bereichen die bei selektivem Aufbringen der Struktur ausgespart wurden erfolgen. Es kann auch eine vollflächige Beschichtung vorgenommen werden.
Zur Herstellung sogenannter partieller Hologramme kann vor dem Aufbringen weiterer Schichten, beispielsweise einer Metallschicht die geprägte Struktur mit einem Lack mit gleichem oder ähnlichen Brechungsindex wie der des verwendeten strahlungshärtbaren Lacksystems partiell überdruckt werden. Dadurch wird selektiv die Oberflächenstruktur in den überdruckten Bereichen unsichtbar, sozusagen gelöscht. Der Lack kann dabei transparent oder farblos oder aber auch lumineszierend, beispielsweise fluoreszierend oder phosphoreszierend sein.
Zur Herstellung partiell metallisierter oder mit einer Lack- oder Farblackschichtversehener Oberflächenstrukturen empfiehlt es sich vorerst einen Farbauftrag beispielsweise für Sicherheitsanwendungen in Form einer Codierung bzw. einer negativen Codierung aufzubringen.
Die Aufbringung des Farbauftrags kann anschließend an den Prägevorgang in einem Arbeitsgang registergesteuert oder in einem weiteren Druckwerk insettergesteuert durch ein beliebiges Verfahren, beispielsweise durch Tiefdruck, Flexodruck, Siebdruck, Digitaldruck und dergleichen erfolgen. Die verwendete Farbe bzw. der verwendete Farblack ist in einem Lösungsmittel, vorzugsweise in Wasser löslich, es kann jedoch auch eine in jedem beliebigen Lösungsmittel, beispielsweise in Alkohol, Estern und dergleichen lösliche Farbe verwendet werden. Die Farbe bzw. der Farblack können übliche Zusammensetzungen auf Basis von natürlichen oder künstlichen Makromolekülen sein. Die lösliche Farbe kann pigmentiert oder nicht pigmentiert sein. Als Pigmente können alle bekannten Pigmente verwendet werden. Besonders geeignet sind TiO2, ZnS, Kaolin und dergleichen.
Anschließend wird das bedruckte Trägersubstrat gegebenenfalls zur Verbesserung der Haftung der nachfolgend aufgebrachten Schicht mittels eines Inline-Plasma- (Niederdruck- oder Atmosphärenplasma-), Corona- oder Flammprozesses behandelt. Durch energiereiches Plasma, beispielsweise Aroder Ar/O2-Plasma wird die Oberfläche von Tonungsresten der Druckfarben gereinigt. Dabei wird die notwendige scharfe Abgrenzung der Konturen der Aussparungen, die für die notwenige Präzision der Codierung notwendig ist, erreicht. Gleichzeitig wird die Oberfläche aktiviert. Dabei werden endständige polare Gruppen an der Oberfläche erzeugt. Dadurch wird die Haftung von Metallen und dergleichen an der Oberfläche verbessert.
Gegebenenfalls kann gleichzeitig mit der Anwendung der Plasma- bzw. Corona- oder Flammbehandlung eine dünne Metall- oder Metalloxidschicht als Haftvermittler, beispielsweise durch Sputtern oder Aufdampfen aufgebracht werden. Besonders geeignet sind dabei Cr, Al, Ag, Ti, Cu, TiO2, Si-Oxide oder Chromoxide. Diese Haftvermittlerschicht weist im allgemeinen eine Dicke von 0,1 nm - 5nm, vorzugsweise 0,2 nm - 2nm, besonders bevorzugt 0,2 bis 1 nm auf.
Dadurch wird die Haftung der einer partiell oder vollflächig aufgebrachten strukturierten weiteren funktionellen Schicht weiter verbessert. Das ist Voraussetzung für die Erzeugung von funktionellen Schichten mit hoher Präzision und guter Haftung.
Anschließend können auch weitere Schichten aufgebracht werden.
Als solche Farb- bzw. Lackschichten können jeweils verschiedenste Zusammensetzungen verwendet werden. Die Zusammensetzung der einzelnen Schichten kann insbesondere nach deren Aufgabe variieren, also ob die einzelnen Schichten ausschließlich Dekorationszwecken dienen oder eine funktionelle Schicht sein sollen oder ob die Schicht sowohl eine Dekorationsals auch eine funktionelle Schicht sein soll.
Die zu druckenden Schichten können pigmentiert oder nicht pigmentiert sein. Als Pigmente können alle bekannten Pigmente, wie beispielsweise Titandioxid, Zinksulfid, Kaolin, ATO, FTO, Aluminium, Chrom- und Siliciumoxide als auch farbige Pigmente verwendet werden. Dabei sind lösungsmittelhaltige Lacksysteme als auch System ohne Lösungsmittel verwendbar.
Als Bindemittel kommen verschiedene natürliche oder synthetische Bindemittel in Frage.
Die funktionellen Schichten beispielsweise können bestimmte elektrische, magnetische, chemische, physikalische und auch optische Eigenschaften aufweisen.
Zur Einstellung elektrischer Eigenschaften, beispielsweise Leitfähigkeit können beispielsweise Graphit, Ruß, leitfähige organische oder anorganische Polymere. Metallpigmente (beispielsweise Kupfer, Aluminium, Silber, Gold, Eisen, Chrom und dergleichen), Metalllegierungen wie Kupfer-Zink oder Kupfer-Aluminium oder auch amorphe oder kristalline keramische Pigmente wie ITO und dergleichen zugegeben werden. Weiters können auch dotierte oder nicht dotierte Halbleiter wie beispielsweise Silicium, Germanium oder lonenleiter wie amorphe oder kristalline Metalloxide oder Metallsulfide als Zusatz verwendet werden. Ferner können zur Einstellung der elektrischen Eigenschaften der Schicht polare oder teilweise polare Verbindungen, wie Tenside oder unpolare Verbindungen wie Silikonadditive oder hygroskopische oder nicht hygroskopische Salze verwendet oder zugesetzt werden.
Zur Einstellung der magnetischen Eigenschaften können paramagnetische, diamagnetische und auch ferromagnetische Stoffe, wie Eisen, Nickel und Cobalt oder deren Verbindungen oder Salze (beispielsweise Oxide oder Sulfide) verwendet werden.
Die optischen Eigenschaften der Schicht lassen sich durch sichtbare Farbstoffe bzw. Pigmente, lumineszierende Farbstoffe bzw. Pigmente, die im sichtbaren, im UV-Bereich oder im IR-Bereich fluoreszieren bzw. phosphoreszieren, Effektpigmente, wie Flüssigkristalle, Perlglanz, Bronzen und/oder Multilayer-Farbumschlagpigmente und wärmeempfindliche Farben bzw. Pigmente beeinflussen. Diese sind in allen möglichen Kombinationen einsetzbar. Zusätzlich können auch phosphoreszierende Pigmente allein oder in Kombination mit anderen Farbstoffen und/oder Pigmenten eingesetzt werden.
Es können auch verschiedene Eigenschaften durch Zufügen verschiedener oben genannter Zusätze kombiniert werden. So ist es möglich angefärbte und/oder leitfähige Magnetpigmente zu verwenden. Dabei sind alle genannten leitfähigen Zusätze verwendbar.
Speziell zum Anfärben von Magnetpigmenten lassen sich alle bekannten löslichen und nicht löslichen Farbstoffe bzw. Pigmente verwenden. So kann beispielsweise eine braune Magnetfarbe durch Zugabe von Metallen in ihrem Farbton metallisch, z.B. silbrig eingestellt werden.
Zum Drucken löslicher Schichten kann die verwendete Farbe bzw. der verwendete Farblack in einem Lösungsmittel, vorzugsweise in Wasser löslich sein, es kann jedoch auch eine in jedem beliebigen Lösungsmittel, beispielsweise in Alkohol, Estern und dergleichen lösliche Farbe verwendet werden. Die Farbe bzw. der Farblack können übliche Zusammensetzungen auf Basis von natürlichen oder künstlichen Makromolekülen sein. Die Farbe kann pigmentiert oder nicht pigmentiert sein. Als Pigmente können alle bekannten Pigmente verwendet werden. Besonders geeignet sind TiO2, ZnS, Kaolin und dergleichen.
Bei Verwendung einer löslichen Farbschicht kann diese gegebenenfalls nach Aufbringung einer weiteren Schicht im erfindungsgemäßen Verfahren durch ein geeignetes Lösungsmittel, das auf die Zusammensetzung der Farbschicht abgestimmt ist, entfernt werden, um Codierungen in Form von Zeichen und/oder Mustern jeder möglichen Art herstellen zu können.
Ferner können beispielsweise Isolatorschichten aufgebracht werden. Als Isolatoren sind beispielsweise organische Substanzen und deren Derivate und Verbindungen, beispielsweise Farb- und Lacksysteme, z.B. Epoxy-, Polyester-, Kolophonium-, Acrylat-, Alkyd-, Melamin-, PVA-, PVC-, Isocyanat-, Urethansysteme, die strahlungshärtend sein können, beispielsweise durch Wärme- oder UV-Strahlung, geeignet.
Diese Schichten können durch bekannte Verfahren, beispielsweise durch Bedampfen, Sputtern, Drucken (beispielsweise Tief-, Flexo-, Sieb-, Digitaldruck) und dergleichen) , Sprühen, Galvanisieren und dergleichen aufgebracht werden. Die Dicke der funktionellen Schicht beträgt 0,001 bis 50 µm, vorzugsweise 0,1 bis 20 µm.
Anschließend wird die Farbschicht durch ein geeignetes Lösungsmittel, das auf die Zusammensetzung der Farbschicht abgestimmt ist, entfernt. Bevorzugt ist der Farbauftrag wasserlöslich. Gegebenenfalls kann die Ablösung durch mechanische Einwirkung unterstützt werden.
Um das Anlösen der abgedeckten Farbschicht weiter zu verbessern kann auch vollflächig oder passergenau eine dünne pigmentierte Farbschicht oder eine reine Pigmentschicht aufgebracht werden, wobei die Dicke dieser Schicht etwa 0,01 - 5 µm beträgt.
Durch das Ablösen des Farbauftrags mit den über dem Farbauftrag befindlichen Bereichen der funktionellen Schicht, wird das gewünschte Endprodukt erhalten.
Bei derart durch ein- oder mehrmalige Wiederholung eines oder mehrerer beschriebener Verfahrensschritte können Multilayer-Aufbauten hergestellt werden, die in den übereinander aufgebrachten Schichten unterschiedliche Eigenschaften aufweisen. Es ist dabei möglich durch Kombination von verschiedenen Eigenschaften der einzelnen Schichten, beispielsweise Schichten mit unterschiedlicher Leitfähigkeit, Magnetisierbarkeit, optischen Eigenschaften, Absorptionsverhalten und dergleichen Aufbauten zum Beispiel für Sicherheitselemente mit mehreren präzisen Echtheitsmerkmalen herzustellen.
Dabei können die Verfahrensschritte beliebig oft wiederholt werden, wobei beispielsweise bei vollflächiger Aufbringung einer funktionellen Schicht der Farbauftrag gegebenenfalls entfallen kann, die Inline-Plasma-, Corona- bzw. Flammbehandlung gegebenenfalls mit gleichzeitigem Aufbringen eines Haftvermittlers jedoch vorteilhaft sein kann.
Es können aber auch beispielsweise in bekannten Direktmetallisierungsverfahren oder in bekannten Mehrfarben-Druckverfahren weitere Schichten aufzubringen.
Gegebenenfalls kann die so hergestellte beschichtete Folie auch noch durch eine Schutzlackschicht geschützt werden oder beispielsweise durch Kaschieren oder dergleichen weiterveredelt werden.
Gegebenenfalls kann das Produkt mit einem siegelfähigen Kleber, beispielsweise einem Heiß- oder Kaltsiegelkleber auf das entsprechende Trägermaterial appliziert werden, oder beispielsweise bei der Papierherstellung für Sicherheitspapiere durch übliche Verfahren in das Papier eingebettet werden.
Diese Siegelkleber können mit sichtbaren oder im UV Licht sichtbaren, fluoreszierenden, phosphoreszierenden oder Laser- und IR-Strahlung absorbierenden Merkmalen zur Erhöhung der Fälschungssicherheit ausgestattet sein. Diese Merkmale können auch in Form von Mustern oder Zeichen vorhanden sein oder farbliche Effekte zeigen, wobei im Prinzip beliebig viele Farben, vorzugsweise 1 bis 10 Farben oder Farbmischungen, möglich sind.
Das Trägersubstrat kann bei einseitiger Beschichtung nach der Anwendung entfernt werden oder am Produkt verbleiben. Dabei kann die Trägerfolie gegebenenfalls auf der nicht beschichteten Seite besonders ausgerüstet werden, beispielsweise kratzfest, antistatisch und dergleichen. Gleiches gilt für eine etwaige Lackschicht auf dem Trägersubstrat.
Zu Herstellung der erfindungsgemäßen bahnförmigen Materialien wird in einem ersten Schritt ein Trägersubstrat bereitgestellt, in einem zweiten Schritt ein strahlungshärtbarer Lack aufgetragen, dieser Lack bis zum Gelpunkt durch Anregung mit Strahlung einer definierten Wellenlänge vorgehärtet und gleichzeitig die Abformung der Oberflächenstruktur durchgeführt, in einem vierten Schritt die weitere Aushärtung (Haupthärtung) des strahlungshärtbaren Lacks durch Anregung mit Strahlung einer zum Vorhärtungsschritt unterschiedlichen Wellenlänge durchgeführt, worauf eine Nachhärtung und gegebenenfalls weitere Beschichtungs- bzw. Veredelungsschritte durchgeführt werden.
Die Beschichtung des Trägersubstrats erfolgt in einem Beschichtungsverfahren, beispielsweise einem Sieb- Flexo- oder Tiefdruckvefahren mit einem strahlungshärtbaren Lack. Die Beschichtung kann selektiv oder vollflächig erfolgen.
Beispielsweise wird dabei aus einer beheizten temperaturkontrollierten Wanne der strahlungshärtbare Lack aufgenommen und über einen Übertragszylinder und über einen Tiefdruckzylinder auf das Trägersubstrat aufgebracht. Dabei wird über die Temperatureinstellung die Viskosität des Lacksystems präzise kontrolliert. In Abhängigkeit vom verwendeten Lacksystem und dem verwendeten Trägersubstrat beträgt die Lackauftragstemperatur etwa 20 - 80°C, vorzugsweise 30 - 60°C, besonders bevorzugt 40 - 50°C, wobei Lackund Werkzeugtemperatur jeweils auf gleichem Niveau liegen sollten.
Wesentlich für einen gleichmäßigen Lackauftrag ist dabei, dass der aufzutragende Lack immer bei exakt kontrollierter Temperatur und gleichbleibender Reinheit gehalten wird und in einem gleichmäßigen Fluß aufgenommen und aufgetragen wird. Insbesondere ist dabei auch ein sog. Schäumen des Lacks vor oder beim Auftrag zu vermeiden.
Bei Verwendung eines wasserverdünnbaren strahlungshärtbaren Lacks kann vor dem Härtungsschritt bis zum Gelpunkt ein Vorwärmschritt durch eine Strahlungsquelle, beispielsweise einen IR-Strahler vorgeschaltet werden.
Die Lampen sind derart ausgewählt, dass eine selektive Anregung der Photoinitiatoren erfolgt.
Für die Anregung im kurzwelligen Bereich eignen sich beispielsweise Hg-Lampen, im langwelligen Bereich dotierte Hg-Lampen, besonders Ga-, Fe-, Ga/Pb-dotierte Hg-Lampen, im Bereich des sichtbaren Lichts Leuchtstoffröhren und dergleichen. Insbesondere die Haupthärtung kann auch durch Elektronenstrahlhärtung erfolgen.
Die Energie der UV-Lampe, die zur Härtung bis zum Gelpunkt verwendet wird, kann durch die Strahlerparameter, aber auch durch eine vorgeschaltete Blende gesteuert werden.
Da zur Vorhärtung bis zum Gelpunkt nur geringe UV-Lichtdosen notwendig sind, ist der Einsatz einer gekühlten Blende zur Dosierung der Strahlung empfehlenswert.
Die Vorhärtung erfolgt in Kontakt mit einer temperaturgeregelten Walze zur genaueren Steuerung der Prozessgeschwindigkeit.
Vorteilhafterweise wird der Haupthärtungsvorgang zur Verbesserung der Gleichmäßigkeit und zur Erhöhung der Produktionsgeschwindigkeit mit 2 oder mehreren Strahlungsquellen (z.B. UV-Lampen) oder, falls die Härtung im Bereich des sichtbaren Lichtes mit 2 oder mehreren Leuchtstoffröhren durchgeführt, die so positioniert sind, dass die maximale Lichtausbeute durch die Folie auf die Matrize fällt.
Vorzugweise werden unfokussierte Lampen mit parabolischen oder Freiflächenreflektoren eingesetzt.
Die Leistung der Strahlungsquelle, die zur Härtung bis zum Gelpunkt eingesetzt wird, beträgt etwa 80 bis 240 W/cm, vorzugsweise 100 bis 180 W/cm, die Leistung der Strahlungsquellen, die zur Haupthärtung eingesetzt werden, beträgt etwa 160 bis 400 W/cm, vorzugsweise 200 bis 240 W/cm.
Gegebenfalls kann anschließend noch eine Nachhärtung mit entsprechenden Strahlungsquellen durchgeführt werden, wobei deren Leistung in etwa der Leistung der Strahlungsquellen, die zur Härtung bis zum Gelpunkt eingesetzt werden entspricht. Die Nachhärtung erfolgt wiederum in Kontakt mit einer temperaturgeregelten Walze.
Durch die genaue Kontrolle des Nachhärtungsvorganges können die Eigenschaften des Produktes insbesondere in Hinblick auf Haftfähigkeit und Release , sowie die chemische Beständigkeit gesteuert werden. Bei weitreichender Nachhärtung wird die chemische Beständigkeit deutlich verbessert, bei geringerer Nachhärtung wird die Releasefähigkeit des Produktes verbessert.
Um sicherzustellen, das bei den Härtungsschritten, also gegebenenfalls Vorhärtung, Härtung bis zum Gelpunkt, Aushärtung und Nachhärtung ein bestimmter Wellenlängebereich im Verfahren eingehalten wird, ist es empfehlenswert die spektrale Zusammensetzung der Lampen und die Intensitätsverteilung mit einem entsprechenden Inline-Spektrometer zu überwachen und dadurch gegebenenfalls die Leistung der Härtungsstrahlung zu regeln.
Die Abformung der Oberflächenstruktur erfolgt durch eine Prägeform in die bis zum Gelpunkt vorgehärteten Lackschicht. Diese Prägeform kann transparent sein, sie kann ein geschweißter, geklebter oder gelöteter oder nahtloser Metallsleeve oder Kunststoffsleeve sein. Bevorzugt werden Nickelsleeves verwendet. Um eine genaue Prägung der Oberflächenstruktur zu erhalten, ist es zweckmäßig das Prägewerkzeug auf einem pneumatischen und temperaturgekühlten Spannzylinder zu montieren.
Nach der Haupthärtung bzw. nach einer entsprechenden Nachhärtung können weitere Beschichtungs- und oder Veredelungsschritte durchgeführt werden. Dabei können diese Schritte entweder direkt in einem weiteren Arbeitsgang registergesteuert anschließend an den Prägevorgang durchgeführt werden. Es ist jedoch auch möglich die weiteren Beschichtungs- bzw. Veredelungsschritte in einem oder mehreren weiteren Arbeitsgängen durchzuführen, wobei es vorteilhaft ist, diese Schritte register- und passergenau durchzuführen. Dies kann dann vorteilhafterweise so erfolgen, dass eine registergenaue Einsteuerung der bereits mit der Oberflächenstruktur versehenen Trägerbahn, beispielsweise durch Insettergesteuerte Zuführung erfolgt.
Durch Abstimmung der Eigenschaften der Trägerfolie, insbesondere Rauhigkeit, Oberflächenenergie und UV-Absorption, der Lackeigenschaften, insbesondere der verwendeten Photoinitiatormischung und der verwendeten Härtungslampen ist es möglich, das System releasefähig ohne Releaseschicht einzustellen. Durch Verwendung einer Primerschicht auf Basis eines Polyester-Epoxy-, Kolophonium-, Acrylat-, Alkyd-, Melamin-, PVA-, PVC-, Isocyanat- oder Urethansystems und entsprechende Strahlungsquelleneinstellung (wie Abstand der Strahlungsquellen, Leistung und Spektralbereich) kann das System haftend eingestellt werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können Oberflächenstrukturen jeglicher Dimension abgeformt werden, die nicht größer als die Schichtdicke des UV-Lacks sind.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Herstellung der erfindungsgemäßen bahnförmigen Materialien nach dem erfindungsgemäßen Verfahren, die dadurch gekennzeichnet ist, dass das Lackauftragswerk aus einer beheizten Lackwanne, einem Übertragszylinder und einem Tiefdruckzylinder, die Vorhärtungsstufe aus einer temperaturgeregelten Kühlwalze mit einer ihr zugeordneten Strahlungsquelle zur Vorhärtung besteht, das Prägewerk aus einem temperaturgeregelten Prägezylinder, dem zwei oder mehrere Strahlungsquellen zur Haupthärtung zugeordnet sind, und die Nachhärtungsstufe aus einer temperaturgeregelten Kühlwalze, der zumindest eine Strahlungsquelle zur Nachhärtung zugeordnet ist, besteht und einem Tiefdruckwerk und einer Trockenstation besteht.
In Fig. 1 ist eine Variante einer derartigen Vorrichtung dargestellt. Darin bedeuten 1 das Trägersubstrat, 2 die beheizte Lackwanne, die den strahlungshärtbaren Lack enthält, 3 den Tauchzylinder, 4 den Übertragszylinder, 5 den Tiefdruckzylinder, 6 eine Rakel, 7 die Strahlungsquelle, mit der der Lack bis zum Gelpunkt vorgehärtet wird, 6a eine gekühlte Blende, 8 die temperaturgesteuerte Kühlwalze, 9 a und 9b die Strahlungsquellen für die Haupthärtung, 10 den Prägezylinder, 11 die Strahlungsquelle für die Nachhärtung, 12 die temperaturgesteuerte Kühlwalze, 13 ein Tiefdruckwerk und 14 eine Trockenstation.
Wie bereits erwähnt, ist es zur gleichmäßigen Aufbringung des Lacks notwendig, dass dieser auf ständig exakt kontrollierter Temperatur und unter gleichmäßiger Zufuhr und Reinheit gehalten wird und außerdem insbesondere auch das sogenannte Schäumen des Lacks verhindert wird.
Das kann insbesondere durch eine besondere Ausgestaltung des Lackauftragwerks, insbesondere auch der Lackwanne erreicht werden.
Dabei besteht die Lackwanne 2, wie in Fig. 2 dargestellt, aus einer Außenwanne 21 und einer Innenwanne 22 mit einem Rücklaufblech 22a. 23 bedeutet den Zulauf des strahlungshärtbaren Lacks aus einem Vorratsbehälter 23a über eine Pumpe 23b und einen Filter 23 c, 24 bedeutet die Abfluss des strahlungshärtbaren Lacks aus der Außenwanne 22 in den Vorratsbehälter. 3 bedeutet den Tauchzylinder und 4 den Übertragszylinder. 25 bedeutet einen Verteilertunnel für den strahlungshärtbaren Lack, 26 das Verteilerblech des Verteilertunnels.
Aus einem Vorratsbehälter 23a, der vorzugsweise doppelwandig ausgeführt ist und beheizt ist um eine entsprechende Temperatur des strahlungshärtbaren Lacks einzustellen, wird über eine Pumpe 23 b und einen Feinfilter 23c der strahlungshärtbare Lack in die beheizte Innenwanne 22 der Lackwanne 2 gefördert. In der Innenwanne wird der strahlungshärtbare Lack über einen Verteilertunnel 25 und das Verteilerblech 26, das mit regelmäßig angeordneten Öffnungen versehen ist, gleichmäßig verteilt. Die Innenwanne hat an der inneren Oberfläche die Form eines etwa Halbzylinders, wobei diese Oberfläche so dimensioniert ist, dass der Tauchzylinder 2 in einem definierten konstanten Abstand zur Innenoberfläche der Lackwanne eingreifen kann. Je nach Höhe der Füllung in der Innenwanne 22 der Lackwanne greift der Tauchzylinder mit etwa 1/3-1/2 seines Umfangs in den in die Innenwanne geförderten strahlungshärtbaren Lacks ein. Die beheizte Innenwanne ist dabei so dimensioniert, dass sie auf der vom Abfluss 24 der umgebenden beheizten Außenwanne abgewandten Seiteein über die Dimension eines Halbzylinders, allerdings dessen Form im wesentlichen fortsetzendes Rücklaufblech bis zu einen Höhe von zumindest der Hälfte des Durchmessers bis zu etwa 2/3 des Durchmessers des Tauchzylinders aufweist.
Der Tauchzylinder nimmt nun den strahlungshärtbaren Lack aus der Innenwanne der Lackwanne auf und überträgt ihn auf den Übertragszylinder. Dabei läuft nun der überschüssige Lack, der nicht vom Übertragszylinder aufgenommen wird, über die Außenseite der Innenwanne in die Außenwanne 21 zurück. Ebenso läuft (in Fig2. nicht dargestellt) jener Lackanteil der über die Rakel 6 (in Fig.1 dargestellt) nicht auf den Tiefdruckzylinder aufgebrachte Lack in die Außenwanne zurück.
Aufgrund der Ausrichtung der Außenwanne nicht plan in einer Ebene sondern mit einem leichten Gefälle von der dem Abfluss abgewandten Seite der Lackwanne zu der Seite auf der der Abfluss situiert ist, wird der in der Außenwanne 21 aufgefangene Lack aus dem gesamten Lackauftragswerk wieder zurück in den Vorratsbehälter 23a geführt. In der Innenwanne befindet sich also immer nur aus dem Vorratsbehälter unter definierter Temperatur und mit der über die Pumpe 23 b definierten Zuflussgeschwindigkeit eingebrachter Lack.
Durch die Vermeidung des Rücklaufs von nicht über die folgenden Zylinder und die Rakel aufgebrachten Lacks in die Innenwanne wird dabei die Temperatur des Lacks in der Innenwanne korrekt konstant gehalten und auch ein sogenanntes Schäumen des Lacks durch Lufteintrag vermieden. Ferner wird die Temperatur des Lacks in der Innenwanne ständig über einen Temperatursensor (in Fig.2 nicht dargestellt) kontrolliert
Der Lackauftrag kann daher mit ausgezeichneter Gleichmäßigkeit unter definierten Bedingungen erfolgen.
Alle weiteren in der Vorrichtung vorgesehenen Zylinder und Walzen werden in Abhängigkeit vom jeweils verwendeten Lacksystem einer genauen Temperaturkontrolle unterzogen.
Dem temperaturkontrollierten Prägezylinder sind zwei oder mehrere Strahlungsquellen zur Haupthärtung zugeordnet, wobei der Prägevorgang in den bis zum Gelpunkt vorgehärteten Lack gleichzeitig mit der Haupthärtung erfolgt.
Es ist auch möglich in der Vorrichtung nach dem Haupthärtungsvorgang gegebenenfalls Strahlungsquellen zur Nachhärtung, bzw. vor der ersten Härtungsstufe (bis zum Gelpunkt) Strahlungsquellen zur Vorwärmung (insbesondere bei Verwendung eines wasserenthaltenden strahlungshärtbaren Lacks vorzusehen.
Das vorgesehene Tiefdruckwerk und die nachfolgende Trockenstation können nach der üblichen dem Stand der Technik entsprechenden Art und Weise ausgeführt sein.
Beispiel 1:
In einem doppelwandigen Vorratsgefäß wird ein strahlungshärtbarer Lack folgender Zusammensetzung bereitgestellt:
  • 26,5% Polyesteracrylat
  • 6,6% Epoxynovolackacrylat in Trimethylolpropantriacrylat/Hydroxyetyhlmetacrylat
  • 26,5% hexafunktionelles atiphatisches Urethanacrylat
  • 5,31% Mischung aus Pentaerythritoltri- und tetracrylat
  • 21.2% Trimethylethylolpropantriacrylat
  • 6,6% tertiäres Amin
  • 6,9% Darocure (Initiator für den Kurzwelligen UV-Bereich)
  • 0,2 % BAPO (Initiator für den kurzwelligen UV-Bereich)
    • Der Lack wird auf eine Temperatur von 50°C gebracht und über eine Pumpe in die beheizte Innenwanne der Lackwanne gefördert. Über den Tauchzylinder, den Übertragszylinder und den Tiefdruckzylinder sowie die diesem zugeordnete Rakel wird der Lack auf die Materialbahn aufgebracht. Anschließend erfolgt die Vorhärtung des Lacks bis zum Gelpunkt bei einer Temperatur von 60°C mittels einer Hg- Strahlungsquelle mit vorgeschalter gekühlter (auf 60°C) Blende. Anschließend erfolg auf einem Prägezylinder die Prägung der beliebigen Oberflächenstruktur unter gleichzeitiger Aushärtung mit 2 Hg/Ga - Strahlungsquellen bei einer Temperatur von 70°C. Zur vollständigen Aushärtung wird die Materialbahn über einen temperaturkontrollierten Zylinder unter Verwendung einer Hg-Strahlungsquelle.
    Anschließend kann die so mit einer Oberflächenstruktur versehene Materialbahn in ein konventionelle Tiefdruckwerk und eine anschließende Trockenstation geführt werden.

    Claims (14)

    1. Bahnförmige Materialien mit vollständig oder teilweise transferierbarer oder vollständig oder motivbegrenzt haftender Oberflächenstruktur, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige transferierbare oder haftende Oberflächenstruktur durch Abformen einer Matrize in einen auf ein Trägersubstrat aufgebrachten strahlungshärtbaren Lack, der zum Zeitpunkt der Abformung bis zum Gelpunkt vorgehärtet ist, erfolgt, worauf anschließend der strahlungshärtbare Lack nach Aufbringung der Oberflächenstruktur vollständig ausgehärtet wird.
    2. Bahnförmige Materialien nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach Aushärtung der Oberflächenstruktur weitere Beschichtungsund Veredelungsschritte durchgeführt werden.
    3. Bahnförmige Materialien nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der strahlungshärtbare Lack zwei Photoinitiatoren enthält, die bei verschiedenen Wellenlängen aktivierbar sind.
    4. Verfahren zur Herstellung bahnförmiger Materialien mit einer vollständig oder teilweise transferierbaren oder vollständig oder motivweise haftenden Oberflächenstruktur, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Schritt ein Trägersubstrat bereitgestellt wird, in einem zweiten Schritt dieses Trägersubstrat in einem Tiefdruckverfahren mit einem strahlungshärtbaren Lack beschichtet wird, in einem dritten Schritt dieser Lack bis zum Gelpunkt durch Anregung mit Strahlung einer definierten Wellenlänge vorgehärtet wird, in einem vierten Schritt die Abformung der Oberflächenstruktur und gleichzeitig die weitere Aushärtung des strahlungshärtbaren Lacks durch Anregung mit Strahlung einer zum Vorhärtungsschritt unterschiedlichen Wellenlänge durchgeführt wird, worauf eine Nachhärtung und gegebenenfalls weitere Beschichtungs- bzw. Veredelungsschritte durchgeführt werden.
    5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung des Trägersubstrats mit dem strahlungshärtbare Lack in einem Tiefdruckverfahren erfolgt, wobei der strahlungshärtbare Lack aus einer beheizten Lackwanne aufgenommen und bei einer definierten Temperatur über einen Übertragszylinder und einen Tiefdruckzylinder auf das Trägersubstrat aufgebracht wird.
    6. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der verwendete strahlungshärtbare Lack 2 Photoinitiatoren enthält, die bei unterschiedlichen Wellenlängen eine Härtung des Lacksystems in unterschiedlichem Ausmaß initiieren können.
    7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, das der Haupthärtungsvorgang durch mindestens 2 Strahlungsquellen erfolgt, die so positioniert sind, dass die maximale Lichtausbeute durch das Trägersubstrat auf die Matrize bzw. Prägeform fällt.
    8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorhärtung und eine Nachhärtung durchgeführt wird.
    9. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Prägevorgang bei einer definierten Temperatur zu dem Zeitpunkt, an dem das mit einem strahlungshärtbaren Lack beschichtete Trägersubstrat sich in Kontakt mit einem temperaturkontrollierten Spannzylinder befindet, durchgeführt wird.
    10. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Beschichtungs- und Veredelungsschritte in einem anschließenden Arbeitsgang durchgeführt werden.
    11. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Haupthärtung durch Elektronenstrahlung erfolgt.
    12. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Lackauftragswerk aus einer beheizten Lackwanne, einem Übertragszylinder und einem Tiefdruckzylinder, die Vorhärtungsstufe aus einer temperaturgeregelten Kühlwalze mit einer ihr zugeordneten Strahlungsquelle zur Vorhärtung besteht, das Prägewerk aus einem temperaturgeregelten Prägezylinder, dem zwei oder mehrere Strahlungsquellen zur Haupthärtung zugeordnet sind, und die Nachhärtungsstufe aus einer temperaturgeregelten Kühlwalze, der zumindest eine Strahlungsquelle zur Nachhärtung zugeordnet ist, besteht und einem Tiefdruckwerk und einer Trockenstation besteht.
    13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die beheizte Lackwanne aus einer Innen- und einer Außenwanne besteht, wobei die Innenwanne eine innere Oberfläche im wesentlichen in Form eines Halbzylinders mit einem einseitig diese Form fortsetzenden Rücklaufblech aufweist, das zumindest bis zur Hälfte bis 2/3 des Umfangs des in die Innenwanne eingreifenden Tauchzylinders reicht und die Außenwanne in Richtung der vom Abfluss abgewandten Seite zu jener Seite auf der der Abfluss zugewandt ist geneigt angeordnet ist.
    14. Verwendung der bahnförmigen Materialien gemäß den Ansprüchen 1 bis 3 als Sicherheitselemente in Datenträgern, insbesondere Wertdokumenten, wie Ausweisen, Karten, Banknoten, als Bauelemente in der Architektur und in anderen technischen Bereichen und als Verpackungsmaterialien in der pharmazeutischen oder Lebensmittelindustrie.
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