EP3966388B1 - Elektrisch leitendes papiergefüge, verfahren zum herstellen desselben und verwendung - Google Patents

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EP3966388B1
EP3966388B1 EP20723991.4A EP20723991A EP3966388B1 EP 3966388 B1 EP3966388 B1 EP 3966388B1 EP 20723991 A EP20723991 A EP 20723991A EP 3966388 B1 EP3966388 B1 EP 3966388B1
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EP
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paper structure
electrically conductive
electrically conducting
embedded
paper
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EP3966388A1 (de
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Rudolf Seidler
Daniel Lenssen
Maik Rudolf Johann Scherer
Christoph HUNGER
Erwin Bacher
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Giesecke and Devrient Currency Technology GmbH
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Definitions

  • the invention relates to an electrically conductive paper structure, namely a heating element, and a method for producing the same.
  • Electrically conductive paper structures which are based, for example, on cellulose-containing fiber materials and carbon fibers, are known in the prior art, see for example the EP 2 770 104 B1 . It is therefore generally known to equip flat paper substrates with conductive fibers, in particular metal fibers or graphitized carbon fibers, or other materials that provide conductivity, for example carbon nanotubes, in such a way that the electrical current flows through the flat paper substrate.
  • the paper substrate can be used for different purposes, for example as a heating element, as an element for electromagnetic shielding or as an element for signal detection.
  • the electrically conductive paper structure can be contacted in various ways in order to conduct electrical current through the paper structure from the contacts.
  • adhesive contacts that are applied to parts of the surface of the electrically conductive paper structure are common.
  • the disadvantage here is the contacting through rather poorly conductive organic adhesive layers, which are also susceptible to detachment under mechanical stress.
  • the EP 0 753 623 A2 describes a security paper with an electrically conductive element that uses suitable detection devices enables precise detection and monitoring so that counterfeits can be prevented.
  • the US 4761205 describes a document of value, namely a banknote, with a security thread embedded in it.
  • the EP 2 848 734 A1 describes a paper structure made of carbon fibers with at least two classes of fiber materials that have different lengths of carbon fibers.
  • the present invention is therefore based on the object of providing an electrically conductive paper structure with improved contacting.
  • the present invention is based on the idea of providing an electrically conductive paper structure with improved contacting in analogy to a security thread inserted into banknote paper, that continuous, electrically conductive contact threads are embedded in the electrically conductive paper structure.
  • the electrically conductive paper structure is thus traversed by the continuous, conductive contact threads from one end to the opposite end. This enables easy contacting of the electrically conductive paper structure at the ends of the contact threads and, by introducing the contact threads over the entire surface of the paper structure, provides a local power supply to all areas of the paper structure.
  • the electrically conductive paper structure there is a plurality of continuous, electrically conductive threads for contacting the electrically conductive paper structure, each of which is embedded from one end to the opposite end of the paper structure, the majority preferably having a value in the range from two to eight, more preferably one Value in the range from two to six and particularly preferably the value two.
  • the electrically conductive paper structure according to the invention can be produced, for example, using conventional round screen technology. In this way it is fundamentally possible to process varying fiber compositions. It is advisable to add conductive, metallic short-cut fibers to the cellulose-containing fiber materials.
  • the metallic short-cut fibers typically have a fiber length in the range of 3 to 12 mm. The amount in which the conductive, metallic short-cut fibers are added is expediently chosen so that there are sufficient fiber-to-fiber contacts and thus a suitable electrical current flow is guaranteed.
  • the electrically conductive paper structure can contain other natural and/or synthetic fibers, optionally chemical additives and optionally residual moisture.
  • the can Electrical conductivity can be achieved not only by conductive metallic fibers, in particular short-cut metallic fibers, but also by adding carbon fibers, carbon particles or carbon nanotubes.
  • Round screen technology makes it possible to embed a continuous, conductive thread into the core of the electrically conductive paper structure, so that the electrically conductive paper structure is traversed from one end to the opposite end with the continuous, conductive thread.
  • the continuous, conductive thread embedded in the electrically conductive paper structure in this way thus represents a contact thread.
  • the term "contact thread” is to be understood here as a thread for contacting the electrically conductive paper structure, which is directly connected at many points within the electrically conductive paper structure is conductively connected to the conductive, metallic (short-cut) fibers, carbon fibers, carbon particles and/or carbon nanotubes contained therein.
  • the contact thread embedded in the electrically conductive paper structure according to the invention is comparable to a security thread embedded in banknote paper in terms of its arrangement in the paper.
  • a security thread embedded in banknote paper in terms of its arrangement in the paper.
  • the contact threads enable easy contacting at the ends of the threads and, on the other hand, through their introduction over the entire surface of the electrically conductive paper structure, they provide a local power supply to all areas.
  • the contact threads thus fulfill a double function in a particularly advantageous manner.
  • the electrically conductive paper structure according to the invention provided with contact threads is also characterized by its robustness and long-term durability.
  • the cellulose-containing fiber materials that can be used for the electrically conductive paper structure according to the invention can be chosen, for example, from fiber materials of natural origin or from synthetic fiber materials.
  • Cellulose-containing fibers of natural origin include, for example, wood fibers, semi-pulps, thermomechanical pulp, cotton fibers, chemically digested cellulose such as sulfate or sulfite pulp, wood pulp, chemically modified wood pulp, recycled fibers and combinations of two or more of the above-mentioned elements.
  • the cellulose-containing fiber materials are given conductive materials, in particular conductive fibers, such as metallic (short-cut) fibers, graphitized carbon fibers (also referred to herein simply as “carbon fibers”) or metallized plastic fibers, and/or conductive particles, such as carbon particles, carbon nanotubes or fullerenes , added.
  • conductive fibers such as metallic (short-cut) fibers, graphitized carbon fibers (also referred to herein simply as “carbon fibers”) or metallized plastic fibers, and/or conductive particles, such as carbon particles, carbon nanotubes or fullerenes , added.
  • the proportion of metallic short-cut fibers that are added in relation to the cellulose-containing fiber materials can vary, depending on the application, in particular in a range from a few percent by weight (wt.%) to 50 wt.% or more. It is advisable to add so many conductive fibers that the so-called percolation threshold is exceeded in order to ensure sufficient conductivity. As a result,
  • carbon fibers in particular can be added to the cellulose-containing fiber materials as conductive materials.
  • Carbon fibers are preferably industrially produced fibers made from carbon-containing materials Material is formed and converted into a graphite-like carbon arrangement, for example by pyrolysis. Such fibers can be produced isotropically or anisotropically and usually have a diameter in the range of 5 ⁇ m to 8 ⁇ m. During processing, these individual fibers are combined into bundles (roving) with 1,000 to 400,000 individual fibers and can then be further processed. Carbon fibers are both electrically and thermally conductive.
  • carbon fibers are understood to mean fibrous materials from a group that includes high-strength carbon fibers, high-stiff carbon fibers and/or high-strength carbon fibers.
  • the carbon fibers that can be used according to the invention can have a preferred length distribution or a corresponding center of gravity, which is preferably in a range from 1 ⁇ m to 50,000 ⁇ m, for example in a range from 8000 ⁇ m to 50,000 ⁇ m, in particular in a range from 1 ⁇ m to 8000 ⁇ m and particularly preferably in a range from 5000 ⁇ m to 8000 ⁇ m.
  • This length distribution is advantageous both when using primary carbon fibers and when using reprocessed carbon fibers, since the corresponding carbon fibers can be mixed well and, in particular, homogeneously with the other cellulose-containing fiber materials in the stable mixture to produce the paper structure.
  • the aim here is in particular to ensure the most homogeneous possible distribution of the at least two fiber components both in the suspension for producing a paper structure and in the paper structure itself.
  • the proportion of carbon fibers in the paper structure (under controlled climatic conditions of 23 ° C and 50% relative humidity) is greater than 35% by weight.
  • the specific resistance of the paper structure formed thereby may decrease and the Conductivity of the paper formed in this way increases.
  • the advantages of an increased proportion of carbon fibers in the paper structure include improved conductivity, the reduction of electrical resistance in the sheet or paper structure and the associated higher power consumption.
  • the increased use of carbon fibers can be achieved through the selected fiber length distribution of the carbon fibers and/or the combination with the paper pulp. This can be, for example, cotton fiber material, which is specifically fibrillated by targeted grinding (Dutch grinding) and can therefore provide a particularly high strength potential for the paper structure to be produced.
  • the specific resistance of the paper structure according to the invention is, for example, in the range from 10 -2 ⁇ m to 10 -5 ⁇ m.
  • chemical additives can be added to the electrically conductive paper structure according to the invention, which are selected, for example, from a group which in particular includes retention agents, drainage aids, retention agent dual systems or microparticle systems, wet and dry solidifiers, sizing agents, fillers and/or pigments, in particular from one Group of talc, titanium dioxide, aluminum hydroxide, bentonite, barium sulfate, calcium carbonate, kaolin selected, defoamers, deaerators, biocides, enzymes, bleaching aids, optical brighteners, dyes, shading dyes, impurity scavengers, precipitants (fixing agents), wetting agents, pH regulators.
  • retention agents for example, from a group which in particular includes retention agents, drainage aids, retention agent dual systems or microparticle systems, wet and dry solidifiers, sizing agents, fillers and/or pigments, in particular from one Group of talc, titanium dioxide, aluminum hydroxide, bentonite, barium sulf
  • the chemical additive can also be selected from a group of preferably water-soluble polymers, which in particular include amine-containing polymers, polyethyleneimine, pyrolidine, polyamides, polyacrylamide, aridine, proteins, peptides, polyether-containing polymers, in particular polyethylene oxide, polyethers, hydroxyl group-containing polymers, in particular starch, carboxymethylcellulose, polyvinyl alcohol, charged polymers, in particular cationic polymers, in particular cationic starch, corn starch, potato starch, wheat starch, rice starch, polymers containing ammonium groups, anionic polymers, in particular anionically modified polyacrylamides, sulfonated polymers, inorganic salts with high charge density, in particular aluminum salts, aluminum (III) chlorides, aluminum sulfate, sodium aluminate, inorganic , charged particles/pigments, in particular bentonite, montmorillonite, sodium silicate, wet strength agents, in particular epichlorohydr
  • the paper structure according to the invention has a basis weight according to DIN EN ISO 536, which is in a range from 15 g/m 2 to 1000 g/m 2 , preferably in a range from 20 g/m 2 to 300 g/ m 2 .
  • the paper structure according to the invention also has, for example, a power consumption which is in the range from 50 W/m 2 to 5000 W/m 2 .
  • a temperature in the range from 15 °C to 130 °C can be achieved on the surface of the paper structure.
  • the electrically conductive paper structure according to the invention can be provided with additional reinforcing fibers to control the desired properties. Additionally, surface sizing or surface impregnation is possible.
  • contact threads different designs are conceivable. What is important for all versions is that there is contact with the paper structure located conductive components, in particular metallic fibers and / or carbon fibers, is ensured.
  • a metallic thread for example made of rolled metal, a metal strip or a metal wire, can be used as the contact thread, the metal being in particular a highly conductive metal such as silver, copper, gold, aluminum, tungsten, iron or the like or an alloy one or more of the above-mentioned elements is selected.
  • a metallized thread is also possible, for example the use of a thread based on a plastic carrier film as a carrier substrate and metallized with a highly conductive metal such as silver, copper, gold, aluminum, tungsten, iron or the like.
  • a plastic carrier film in particular can be used as a plastic carrier film.
  • PET polyethylene terephthalate
  • a metallized foil or a laminate made of foils and rolled metal foils can be used as the contact thread.
  • ZIF Zero Insertion Force
  • metallized threads of this type can additionally be equipped, at least on one side, with an adhesive, which is advantageously a conductive adhesive. Furthermore, it is possible for the contact thread embedded in the electrically conductive paper structure to be partially exposed in the area of the contact point, as is the case with so-called window threads in the banknote area.
  • the contact threads can also be provided on the top with a protective layer or protective film, which is removed as required in the contacting area, ie in the window area.
  • contact thread is not necessarily limited to the sole design as a (rather narrow) thread, which has a width of 2 mm or less, for example, but designs such as (rather wide) stripes or bands are also conceivable, which have a width of 4 mm, for example up to 20 mm, or even a width of up to 30 mm.
  • a simple conductive metal wire or a metal mesh is used as the contact thread.
  • Design variants such as flat strands, braids, knitted fabrics, lanyards and the like are also possible.
  • the thickness of the contact thread can be selected, for example, in a range from 10 to 300 ⁇ m, preferably in a range from 10 to 200 ⁇ m, more preferably in a range from 10 to 100 ⁇ m and particularly preferably in a range from 10 to 50 ⁇ m.
  • the electrically conductive paper structure according to the invention can additionally be printed with a conductive pattern of conductor tracks in order to reduce the distances between two (or a plurality larger than two) contact threads serving as electrodes.
  • the printing ie the provision of the printed conductor tracks, can be carried out, for example, using a screen printing process.
  • aqueous screen printing inks based on soot particles, silver particles or other particles that produce conductivity can be used as conductive paints that produce the conductive pattern.
  • the conductive pattern of printed conductor tracks is expediently produced in a pattern such that the distances between two electrodes are approximately similar in all areas.
  • the conductive pattern can be contacted with the contact threads embedded in the substrate in such a way that the contact is made via the points (so-called thread windows) at which the contact threads are partially exposed.
  • the measure of the additional Printing with a conductive pattern means that the product can be operated as a conductive surface element with relatively low voltages. Due to the reduced distance between two electrodes, the current required for the respective application, for example heating, can be achieved even with a smaller number of conductive fibers in the substrate. Alternatively, with the same number of conductive fibers in the substrate, a desired current can be achieved with a lower voltage. By appropriately adjusting the dimension of the conductive fibers and the printed conductive pattern, even the percolation threshold can be reduced.
  • the latter describes the minimum proportion of conductive fibers that are necessary to achieve a consistently conductive fiber network between two contact threads serving as electrodes and thus a relevant current flow. This results in cost savings with regard to the cost-intensive conductive fibers.
  • a lower operating voltage also reduces costs, for example for the control electronics, and increases work safety.
  • the present invention further includes a method for producing an electrically conductive paper structure.
  • the process used for this is a round sieve technology, which is known from the field of banknote paper production, see for example EP 0 279 880 A1 and the EP 0 492 407 A1 .
  • the thread is inserted into the pulp and brought to the screen in such a way that the thread is embedded in the fiber structure during sheet formation.
  • the thread can be completely embedded in the paper structure so that the thread is not visible to the viewer from either the front or the back.
  • the thread can also be embedded in such a way that it is freely accessible on one side after it has been embedded in the paper structure. This can be done, for example, by mechanical removal, particularly by suction, on one side paper layer deposited on the thread is possible.
  • the formation of a freely accessible area on at least one side of the embedded thread can also be achieved by choosing the width of the thread to be sufficiently high, see for example EP 0 625 431 A1 .
  • the thread can be embedded in the paper structure in such a way that the thread is exposed at least at one point of the paper structure on its surface in order to form a so-called window thread.
  • the production of window security threads is known in the field of banknote paper production, see for example the EP 0 059 056 A1 .
  • the thread is brought outside the pulp to the paper screen in such a way that the thread comes to rest on raised areas (or bumps) that are applied to the paper screen. At the points where the thread rests on the bumps, no paper can form on the side facing the sieve, so that the thread is freely accessible at exactly these points in the later finished paper.
  • the method for producing the electrically conductive paper structure according to the invention can also be carried out by assembling the paper structure from two separate paper layers and arranging the thread between these paper webs. Such production is known from the production of banknote paper with embedded security thread, see for example EP 0 229 645 A1 .
  • the invention further includes the use of the electrically conductive paper structure as a heating element, in particular as a heating element in floors, walls, wallpaper, containers, fabrics, clothing, table tops, heating plates, heating mats, car interior heaters, in particular door, seat or dashboard heaters.
  • Fig. 1 shows a cross-sectional view of an exemplary embodiment of a thread 1 (contact thread) for contacting an electrically conductive paper structure.
  • the thread 1 to be introduced into an electrically conductive paper structure is initially in the form of an endless thread wound on a spool, for example, and is based on a carrier substrate 2, in the example polyethylene terephthalate (PET), which is coated on its surface with a conductive metal 3, for example copper or silver. is coated.
  • PET polyethylene terephthalate
  • the thread 1 has a width of 3 mm and a thickness of 50 ⁇ m.
  • Fig. 2 shows a top view of a first exemplary embodiment of an electrically conductive paper structure 4 according to the invention with four separate contact threads 6 completely embedded in the paper structure.
  • the contact threads 6 have the one in the above Figure 1 structure shown.
  • the electrically conductive paper structure 4 is based on a mixture containing paper pulp and metallic short-cut fibers.
  • the contact threads 6 were made using a round wire paper machine, as used in particular in the Figure 3 the EP 0 279 880 A1 is shown, completely embedded in the paper layer 5, so that the contact threads 6 are not visible to the viewer from either the front or the back of the electrically conductive paper structure 4. Based on Figure 2 It can be seen that the contact threads 6 pass through the electrically conductive paper structure 4 from one end to the opposite end.
  • the electrically conductive paper structure 4 therefore has excellent contact at both ends. That in the Figure 2 Paper structure 4 shown has the shape of a square sheet with four contact threads 6 embedded therein. The sheet can be cut to a format suitable for the user as desired. In addition, the number of contact threads present in the cut sheet can be adjusted 6 can be freely chosen. For example, the paper structure 4 can be cut so that four individual, strip-shaped, electrically conductive paper structures are obtained, each containing an embedded contact thread 6.
  • Fig. 3 shows the electrically conductive paper structure 4 according to the first exemplary embodiment in a cross-sectional view.
  • the contact threads 6, which are completely embedded in the electrically conductive paper structure 4, are each arranged in the paper layer 5 in such a way that the contact threads 6 in the Figure 1 shown, electrically conductive metallization 3 at the top and the PET carrier substrate 2 at the bottom.
  • Fig. 4 shows a top view of a second exemplary embodiment of an electrically conductive paper structure 7 according to the invention with embedded contact threads 9, which are freely accessible on one side.
  • the contact threads 9 have the one in the above Figure 1 structure shown.
  • the electrically conductive paper structure 7 is based on a mixture containing paper pulp and carbon fibers.
  • the contact threads 9 were embedded in the paper layer 8 using a round wire paper machine so that the contact threads 9 can be seen by the viewer from the front. This can be accomplished, for example, by using a suitable round sieve which has suitable raised areas at the points that come into contact with the threads to be embedded.
  • the production can take place by mechanically removing, in particular by suction, the paper layer deposited on one side of the thread.
  • the contact threads 9 pass through the electrically conductive paper structure 7 from one end to the opposite end.
  • the electrically conductive paper structure 7 therefore has excellent contact at both ends. Because the contact threads 9 are freely accessible on the front of the paper structure 7, the electrically conductive Paper structure 7 can be contacted on its front in numerous places.
  • Fig. 5 shows the electrically conductive paper structure 7 according to the second exemplary embodiment in a cross-sectional view.
  • the contact threads 9, which are freely accessible on the front of the electrically conductive paper structure 7, are each arranged in the paper layer 8 in such a way that the contact threads 9 in the Figure 1 shown, electrically conductive metallization 3 at the top and the PET carrier substrate 2 at the bottom.
  • Fig. 6 shows a top view of a third exemplary embodiment of an electrically conductive paper structure 10 according to the invention with contact threads 12 which are embedded in the paper layer 11 in the form of window threads.
  • the contact threads 12 embedded in the electrically conductive paper structure 10 are freely accessible in certain areas 13 (so-called window areas).
  • the electrically conductive paper structure is based on a mixture containing paper pulp and metallic short-cut fibers.
  • the contact threads 12 were similar to that from the EP 0 059 056 A1 known method for producing banknotes with window security threads embedded in the paper.
  • the electrically conductive paper structure 10 thus has excellent contact at both ends. Because the contact threads 12 are freely accessible in the window areas 13, the front of the electrically conductive paper structure 10 can also be contacted in these locations.
  • the contact thread was based on a plastic substrate coated with a conductive metal.
  • a strapless metallic thread could alternatively be used, so that in the Figure 1 PET carrier substrate 2 shown is omitted.
  • Such a carrierless metallic thread has better electrical conductivity compared to a plastic substrate coated with conductive metal.
  • threads based on (thinly) rolled conductive metal are advantageous.
  • a wire made of conductive metal is used as the contact thread.
  • Fig. 7 shows a top view of a fourth exemplary embodiment of an electrically conductive paper structure 14 according to the invention with two contact threads 16 and 17, which are completely embedded in the paper layer 15 with the exception of two points 18 and 19.
  • the contact threads 16 and 17 embedded in the electrically conductive paper structure 14 are freely accessible in the areas 18 and 19 where contact with the power source takes place.
  • signs "+” and "-" in the Figure 7 refers to the positive pole or negative pole of the power source.
  • Fig. 8 shows a top view of a fifth exemplary embodiment of an electrically conductive paper structure 20 according to the invention with two contact threads 22 and 23, each of which is embedded in the paper structure 21 in the form of window threads, the electrically conductive paper structure 21 additionally being printed with a conductive pattern 28 made of printed conductor tracks is. In this way the distance between the two serving as electrodes is reduced Contact threads 22 and 23 reduced.
  • the contact threads 22 and 23 embedded in the electrically conductive paper structure 21 are freely accessible in the areas 24 and 25 where contact with the power source takes place. With the signs "+" and "-" in the Figure 8 refers to the positive pole or negative pole of the power source.
  • the contact threads 22 and 23 are contacted via the thread windows with the additionally printed conductive pattern 28.
  • the printing was carried out using a screen printing process.
  • An aqueous screen printing ink based on silver particles served as the conductive lacquer that produces the conductive pattern 28.
  • the conductive pattern 28 is expediently present in such a pattern that the distances between the two electrodes 22 and 23 are approximately similar in all areas.
  • the measure of additional printing with the conductive pattern 28 means that the product can be operated as a conductive surface element with relatively low voltages.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein elektrisch leitendes Papiergefüge, nämlich ein Heizelement, und ein Verfahren zum Herstellen desselben.
  • Elektrisch leitende Papiergefüge, die z.B. auf cellulosehaltigen Faserstoffen und Kohlenstofffasern basieren, sind im Stand der Technik bekannt, siehe z.B. die EP 2 770 104 B1 . Es ist somit grundsätzlich bekannt, flächige Papiersubstrate mit leitfähigen Fasern, insbesondere 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.
  • Das elektrisch leitende Papiergefüge kann auf verschiedene Art und Weise kontaktiert werden, um ausgehend von den Kontakten elektrischen Strom durch das Papiergefüge hindurch zu leiten. Üblich sind z.B. Klebekontakte, die auf Teile der Oberfläche des elektrisch leitenden Papiergefüges aufgebracht werden. Von Nachteil ist dabei die Kontaktierung durch eher schlecht leitfähige organische Klebschichten, die zudem anfällig gegenüber einem Ablösen bei mechanischer Beanspruchung sind. Weiterhin ist es oftmals wünschenswert, das elektrisch leitende Papiergefüge mit sogenannten Crimpkontakten zu verbinden. Dies ist mittels aufgeklebter Elemente nur sehr schwer realisierbar.
  • Die EP 0 753 623 A2 beschreibt ein Sicherheitspapier mit einem elektrisch leitfähigen Element, das mittels geeigneter Detektionsvorrichtungen eine präzise Detektion und ein Monitoring ermöglicht, sodass Fälschungen verhindert werden können.
  • Die US 4761205 beschreibt ein Wertdokument, nämlich eine Banknote, mit einem darin eingebetteten Sicherheitsfaden.
  • Die EP 2 848 734 A1 beschreibt ein Papiergefüge aus Carbonfasern mit wenigstens zwei Klassen bildenden Faserstoffen, die unterschiedliche Längen aus Carbonfasern aufweisen.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein elektrisch leitendes Papiergefüge mit einer verbesserten Kontaktierung bereitzustellen.
  • Diese Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Ansprüchen definierten Merkmalskombinationen gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
    • Zusammenfassung der Erfindung
    1. 1. (Erster Aspekt der Erfindung) Elektrisch leitendes Papiergefüge, nämlich ein Heizelement, mit cellulosehaltigen Faserstoffen und elektrisch leitfähigen Fasern, wobei im elektrisch leitenden Papiergefüge eine Mehrzahl kontinuierlicher, elektrisch leitfähiger Fäden zur Kontaktierung des elektrisch leitenden Papiergefüges von einem Ende bis zum gegenüberliegenden Ende des Papiergefüges eingebettet sind.
    2. 2. (Bevorzugte Ausgestaltung) Elektrisch leitendes Papiergefüge nach Klausel 1, wobei die Mehrzahl einen Wert im Bereich von zwei bis acht, bevorzugt einen Wert im Bereich von zwei bis sechs und insbesondere bevorzugt den Wert zwei annimmt.
    3. 3. (Bevorzugte Ausgestaltung) Elektrisch leitendes Papiergefüge nach Klausel 1 oder 2, wobei die elektrisch leitfähigen Fasern metallische Fasern, insbesondere metallische Kurzschnittfasern mit einer bevorzugten Faserlänge in einem Bereich von 3 mm bis 12 mm, und/oder Kohlenstofffasern sind.
    4. 4. (Bevorzugte Ausgestaltung) Elektrisch leitendes Papiergefüge nach einer der Klauseln 1 bis 3, wobei das elektrisch leitende Papiergefüge zusätzliche elektrisch leitfähige Materialien, insbesondere Kohlenstoffpartikel und/oder Carbon-Nanotubes, enthält.
    5. 5. (Bevorzugte Ausgestaltung) Elektrisch leitendes Papiergefüge nach einer der Klauseln 1 bis 4, wobei der jeweilige elektrisch leitfähige Faden zur Kontaktierung des elektrisch leitenden Papiergefüges 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 Zopfgeflechte, ein Gestrick oder ein Lahnband ist.
    6. 6. (Bevorzugte Ausgestaltung) Elektrisch leitendes Papiergefüge nach einer der Klauseln 1 bis 5, wobei das Papiergefüge auf einer einzelnen Papierlage beruht, in die der jeweilige elektrisch leitfähige Faden zur Kontaktierung des elektrisch leitenden Papiergefüges eingebettet ist.
    7. 7. (Bevorzugte Ausgestaltung) Elektrisch leitendes Papiergefüge nach einer der Klauseln 1 bis 5, wobei das Papiergefüge auf zwei separaten Papierlagen beruht, zwischen denen der jeweilige elektrisch leitfähige Faden zur Kontaktierung des elektrisch leitenden Papiergefüges angeordnet ist.
    8. 8. (Bevorzugte Ausgestaltung) Elektrisch leitendes Papiergefüge nach einer der Klauseln 1 bis 7, wobei
      • der jeweilige elektrisch leitfähige Faden zur Kontaktierung des elektrisch leitenden Papiergefüges vollständig im Papiergefüge eingebettet ist, sodass der Faden für den Betrachter weder von der Vorderseite, noch von der Rückseite sichtbar ist; oder
      • der jeweilige Faden so im Papiergefüge eingebettet ist, dass der Faden im Papiergefüge auf einer Seite frei zugänglich vorliegt; oder
      • der jeweilige Faden so im Papiergefüge eingebettet ist, dass der Faden zumindest an einer Stelle des Papiergefüges an seiner Oberfläche partiell freiliegt.
    9. 9. (Bevorzugte Ausgestaltung) Elektrisch leitendes Papiergefüge nach einer der Klauseln 1 bis 8, wobei das elektrisch leitende Papiergefüge zusätzlich chemische Additive und Restfeuchte aufweist.
    10. 10. (Bevorzugte Ausgestaltung) Elektrisch leitendes Papiergefüge nach einer der Klauseln 1 bis 9, wobei das elektrisch leitende Papiergefüge zusätzlich mit einem leitfähigen Muster aus Leiterbahnen bedruckt ist.
    11. 11. (Bevorzugte Ausgestaltung) Elektrisch leitendes Papiergefüge nach Klausel 10, wobei im elektrisch leitenden Papiergefüge zwei oder mehr kontinuierliche, elektrisch leitfähige Fäden zur Kontaktierung des elektrisch leitenden Papiergefüges von einem Ende bis zum gegenüberliegenden Ende des Papiergefüges eingebettet sind, wobei die Fäden jeweils so im Papiergefüge eingebettet sind, dass jeder Faden an mehreren Stellen des Papiergefüges an seiner Oberfläche partiell freiliegt, wobei das elektrisch leitende Papiergefüge so mit dem leitfähigen Muster aus Leiterbahnen bedruckt ist, dass die Kontaktierung des leitfähigen Musters zu den im Papiergefüge eingebetteten Fäden über die Stellen erfolgt, an denen die Fäden partiell freiliegen.
    12. 12. (Zweiter Aspekt der Erfindung) Verfahren zum Herstellen eines elektrisch leitenden Papiergefüges nach einer der Klauseln 1 bis 11, aufweisend:
      • das Bereitstellen einer Stoffsuspension aus cellulosehaltigem Faserstoff und Wasser;
      • gegebenenfalls das Zugeben wenigstens eines chemischen Additivs;
      • das Zugeben elektrisch leitfähiger Fasern;
      • das Einführen einer Mehrzahl kontinuierlicher, elektrisch leitfähiger Fäden in die in einer Rundsiebpapiermaschine befindliche Stoffsuspension, wobei die Fäden so an das Rundsieb herangeführt werden, dass während der Blattbildung (bzw. während der Bildung der Papierbahn) eine Einbettung der Fäden in den Faseraufbau erfolgt.
    13. 13. (Bevorzugte Ausgestaltung) Verfahren nach Klausel 12, wobei das Papiergefüge so gebildet wird, dass es sich aus zwei separaten Papierlagen zusammensetzt und die Fäden zwischen diesen Papierlagen angeordnet werden.
    Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
  • Die vorliegende Erfindung beruht auf dem Gedanken, ein elektrisch leitendes Papiergefüge mit verbesserter Kontaktierung in Analogie zu einem in ein Banknotenpapier eingebrachten Sicherheitsfaden dadurch bereitzustellen, dass kontinuierliche, elektrisch leitfähige Kontaktfäden in das elektrisch leitende Papiergefüge eingebettet werden. Das elektrisch leitende Papiergefüge wird damit von einem Ende bis zum gegenüberliegenden Ende von den kontinuierlichen, leitfähigen Kontaktfäden durchzogen. Dies ermöglicht eine leichte Kontaktierung des elektrisch leitenden Papiergefüges an den Enden der Kontaktfäden und stellt durch die Einbringung der Kontaktfäden über die gesamte Fläche des Papiergefüges eine ortsnahe Stromversorgung aller Bereiche des Papiergefüges dar.
  • Im elektrisch leitenden Papiergefüge liegt eine Mehrzahl kontinuierlicher, elektrisch leitfähiger Fäden zur Kontaktierung des elektrisch leitenden Papiergefüges vor, die jeweils von einem Ende bis zum gegenüberliegenden Ende des Papiergefüges eingebettet sind, wobei die Mehrzahl vorzugsweise einen Wert im Bereich von zwei bis acht, weiter bevorzugt einen Wert im Bereich von zwei bis sechs und insbesondere bevorzugt den Wert zwei annimmt.
  • Das erfindungsgemäße elektrisch leitende Papiergefüge kann z.B. mittels einer konventionellen Rundsiebtechnologie hergestellt werden. Auf diese Weise ist es grundsätzlich möglich, variierende Faserzusammensetzungen zu verarbeiten. Es ist zweckmäßig, den cellulosehaltigen Faserstoffen leitfähige, metallische Kurzschnittfasern beizumischen. Die metallischen Kurzschnittfasern weisen typischerweise eine Faserlänge im Bereich von 3 bis 12 mm auf. Die Menge, in der die leitfähigen, metallischen 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 leitfähige, metallische Fasern, insbesondere metallische Kurzschnittfasern, sondern auch durch Zugabe von Kohlenstofffasern, 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. Der auf diese Weise in das elektrisch leitende Papiergefüge eingebettete, kontinuierliche, leitfähige Faden stellt somit 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 leitfähigen, metallischen (Kurzschnitt-)Fasern, Kohlenstofffasern, Kohlenstoffpartikeln und/oder Carbon-Nanotubes leitfähig verbunden ist. Der erfindungsgemäß in das elektrisch leitende Papiergefüge eingebettete Kontaktfaden ist bezüglich seiner Anordnung im Papier 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 metallische (Kurzschnitt-)Fasern, graphitisierte Kohlefasern (hierin auch einfach "Kohlenstofffasern" genannt) oder metallisierte Kunststofffasern, und/oder leitfähige Partikel, wie etwa Kohlenstoffpartikel, Carbon-Nanotubes oder Fullerene, zugesetzt. Beispielsweise kann der Anteil an metallischen 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.
  • Des Weiteren können den cellulosehaltigen Faserstoffen als leitfähige Materialien insbesondere Kohlenstofffasern beigemischt werden. 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. Die erfindungsgemäß verwendbaren Kohlenstofffasern können eine bevorzugte Längenverteilung bzw. einen entsprechenden Schwerpunkt aufweisen, welche vorzugsweise in einem Bereich von 1 µm bis 50 000 µm, z.B. in einem Bereich von 8000 µm bis 50 000 µm, insbesondere in einem Bereich von 1 µm bis 8000 µm und insbesondere bevorzugt in einem Bereich von 5000 µm bis 8000 µm liegt. Diese Längenverteilung ist sowohl beim Einsatz von primären Kohlenstofffasern, als auch bei wiederaufbereiteten Kohlenstofffasern von Vorteil, da sich so die entsprechenden Kohlenstofffasern gut und insbesondere homogen mit den übrigen cellulosehaltigen Faserstoffen des Stallgemisches zur Herstellung des Papiergefüges mischen lassen. Ziel ist es insbesondere hierbei, eine möglichst homogene Verteilung der wenigstens zwei Faserstoffbestandteile sowohl in der Suspension zur Herstellung eines Papiergefüges, als auch im Papiergefüge selbst zu gewährleisten. Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Anteil an Kohlenstofffasern in dem Papiergefüge (bei kontrollierten klimatischen Bedingungen von 23 °C und 50 % rel. Luftfeuchtigkeit) größer als 35 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 Leitungsaufnahme. Erzielt werden kann der erhöhte Einsatz von Kohlenstofffasern durch die gewählte Faserlängenverteilung der Kohlenstofffasern und/oder die Kombination mit dem Papierfaserstoff. Dieser kann beispielsweise Bauwollfaserstoff sein, der insbesondere durch eine gezielte Mahlung (Holländermahlung) gezielt fibrilliert wird und damit ein besonders hohes Festigkeitspotential für das zu erzeugende Papiergefüge bereitstellen kann. 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.
  • 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 130 °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 Kontaktfäden sind unterschiedliche Ausführungen denkbar. Wichtig bei allen Ausführungen ist, dass ein Kontakt zu den im Papiergefüge befindlichen, leitfähigen Komponenten, insbesondere metallischen Fasern und/oder Kohlenstofffasern, sichergestellt ist. Im einfachsten Fall kann als Kontaktfaden 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 Kontaktfaden 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 Kontaktfaden im Bereich der Kontaktierungsstelle partiell freiliegt, wie es im Banknotenbereich bei sogenannten Fensterfäden der Fall ist.
  • Weiterhin können die Kontaktfäden zusätzlich an der Oberseite mit einer Schutzschicht oder Schutzfolie versehen sein, die nach Bedarf im Kontaktierungsbereich, d.h. im Fensterbereich, entfernt wird.
  • Der Begriff Kontaktfaden 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 Kontaktfaden 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 Kontaktfadens 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.
  • Die vorliegende Erfindung umfasst ferner ein Verfahren zum Herstellen eines elektrisch leitenden Papiergefüges. Als Verfahren wird hierfür eine Rundsiebtechnologie eingesetzt, die aus dem Bereich der Herstellung von Banknotenpapier bekannt ist, 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.
  • Das Verfahren zum Herstellen des erfindungsgemäßen elektrisch leitenden Papiergefüges kann des Weiteren so erfolgen, in dem man das Papiergefüge aus zwei separaten Papierlagen zusammensetzt und den Faden zwischen diesen Papierbahnen anordnet. Eine solche Herstellung ist aus der Herstellung von Banknotenpapier mit eingebettetem Sicherheitsfaden bekannt, siehe z.B. die EP 0 229 645 A1 .
  • Ein bevorzugtes Verfahren zum Herstellen des erfindungsgemäßen elektrisch leitenden Papiergefüges weist insbesondere die folgenden Schritte auf:
    • Das Bereitstellen einer Stoffsuspension aus cellulosehaltigem Faserstoff und Wasser.
    • Gegebenenfalls das Zugeben wenigstens eines chemischen Additivs.
    • Das Zugeben des elektrisch leitfähigen Matetrials, insbesondere elektrisch leitfähige Fasern wie etwa Kohlenstofffasern.
    • Das Einführen eines kontinuierlichen, elektrisch leitfähigen Fadens in die in einer Rundsiebpapiermaschine befindliche Stoffsuspension, wobei der Faden so an das Rundsieb herangeführt wird, dass während der Blattbildung eine Einbettung des Fadens in den Faseraufbau erfolgt.
  • Die Entwässerung erfolgt dabei durch Ablaufen des Wassers in das Innere des Rundsiebes.
  • Die Erfindung umfasst ferner die Verwendung des elektrisch leitenden Papiergefüges als Heizelement, insbesondere als Heizelement 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:
    • Fig. 1
    in Querschnittansicht ein Ausführungsbeispiel eines Fadens (Kontaktfaden) zur Kontaktierung eines elektrisch leitenden Papiergefüges;
    Fig. 2
    in Draufsicht ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen, elektrisch leitenden Papiergefüges mit darin vollständig eingebetteten Kontaktfäden;
    Fig. 3
    das elektrisch leitende Papiergefüge gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel in Querschnittansicht;
    Fig. 4
    in Draufsicht ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen, elektrisch leitenden Papiergefüges mit eingebetteten Kontaktfäden, die einseitig frei zugänglich sind;
    Fig. 5
    das elektrisch leitende Papiergefüge gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel in Querschnittansicht;
    Fig. 6
    in Draufsicht ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen, elektrisch leitenden Papiergefüges mit Kontaktfäden, die in der Form von Fensterfäden in das Papiergefüge eingebettet sind.
    Fig. 7
    in Draufsicht ein viertes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen, elektrisch leitenden Papiergefüges mit zwei in das Papiergefüge eingebetteten Kontaktfäden; und
    Fig. 8
    in Draufsicht ein fünftes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen, elektrisch leitenden Papiergefüges mit zwei Kontaktfäden, die jeweils in der Form von Fensterfäden in das Papiergefüge eingebettet sind, wobei das elektrisch leitende Papiergefüge zusätzlich mit einem leitfähigen Muster bedruckt ist.
  • Fig. 1 zeigt in Querschnittansicht ein Ausführungsbeispiel eines Fadens 1 (Kontaktfaden) zur Kontaktierung eines elektrisch leitenden Papiergefüges. Der in ein elektrisch leitendes Papiergefüge einzubringende Faden 1 liegt zunächst in Form eines z.B. auf eine Spule aufgewickelten Endlosfadens vor und basiert auf einem Trägersubstrat 2, im Beispiel Polyethylenterephthalat (PET), das auf seiner Oberfläche mit einem leitfähigen Metall 3, z.B. Kupfer oder Silber, beschichtet ist. Der Faden 1 weist eine Breite von 3 mm und eine Dicke von 50 µm auf.
  • Fig. 2 zeigt in Draufsicht ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen, elektrisch leitenden Papiergefüges 4 mit vier separaten, vollständig im Papiergefüge eingebetteten Kontaktfäden 6. Die Kontaktfäden 6 weisen den in der obigen Figur 1 gezeigten Aufbau auf. Das elektrisch leitende Papiergefüge 4 beruht auf einem Papierfaserstoff und metallische Kurzschnittfasern enthaltenden Gemisch. Die Kontaktfäden 6 wurden mittels einer Rundsiebpapiermaschine, wie sie insbesondere in der Figur 3 der EP 0 279 880 A1 gezeigt ist, vollständig in die Papierlage 5 eingebettet, sodass die Kontaktfäden 6 für den Betrachter weder von der Vorderseite, noch von der Rückseite des elektrisch leitenden Papiergefüges 4 sichtbar sind. Anhand der Figur 2 ist erkennbar, dass die Kontaktfäden 6 das elektrisch leitende Papiergefüge 4 von einem Ende bis zum gegenüberliegenden Ende durchziehen. Das elektrisch leitende Papiergefüge 4 weist somit an seinen beiden Enden eine ausgezeichnete Kontaktierung auf. Das in der Figur 2 gezeigte Papiergefüge 4 weist die Form eines quadratischen Bogens mit vier darin eingebetteten Kontaktfäden 6 auf. Der Bogen kann je nach Belieben zu einem für den Benutzer geeigneten Format zurechtgeschnitten werden. Darüber hinaus kann die Anzahl der im zugeschnittenen Bogen vorliegenden Kontaktfäden 6 frei gewählt werden. Beispielsweise kann das Papiergefüge 4 so zugeschnitten werden, dass vier einzelne, streifenförmige, elektrisch leitende Papiergefüge erhalten werden, die jeweils einen eingebetteten Kontaktfaden 6 enthalten.
  • Fig. 3 zeigt das elektrisch leitende Papiergefüge 4 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel in Querschnittansicht. Die vollständig in das elektrisch leitende Papiergefüge 4 eingebetteten Kontaktfäden 6 sind jeweils so in der Papierlage 5 angeordnet, dass die in der Figur 1 gezeigte, elektrisch leitende Metallisierung 3 oben und das PET-Trägersubstrat 2 unten vorliegen.
  • Fig. 4 zeigt in Draufsicht ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen, elektrisch leitenden Papiergefüges 7 mit eingebetteten Kontaktfäden 9, die einseitig frei zugänglich sind. Die Kontaktfäden 9 weisen den in der obigen Figur 1 gezeigten Aufbau auf. Das elektrisch leitende Papiergefüge 7 beruht auf einem Papierfaserstoff und Kohlenstofffasern enthaltenden Gemisch. Die Kontaktfäden 9 wurden mittels einer Rundsiebpapiermaschine so in die Papierlage 8 eingebettet, sodass die Kontaktfäden 9 für den Betrachter von der Vorderseite her erkennbar sind. Dies kann z.B. durch Verwenden eines geeigneten Rundsiebs bewerkstelligt werden, das an den Stellen, die mit den einzubettenden Fäden in Berührung kommen, geeignete erhabene Bereiche aufweist. Alternativ kann die Erzeugung mittels eines mechanischen Entfernens, insbesondere durch Absaugen, der sich auf einer Seite des Fadens abgelagerten Papierschicht erfolgen. Anhand der Figur 4 ist erkennbar, dass die Kontaktfäden 9 das elektrisch leitende Papiergefüge 7 von einem Ende bis zum gegenüberliegenden Ende durchziehen. Das elektrisch leitende Papiergefüge 7 weist somit an seinen beiden Enden eine ausgezeichnete Kontaktierung auf. Dadurch, dass die Kontaktfäden 9 an der Vorderseite des Papiergefüges 7 frei zugänglich sind, kann das elektrisch leitende Papiergefüge 7 an seiner Vorderseite an zahlreichen Orten kontaktiert werden.
  • Fig. 5 zeigt das elektrisch leitende Papiergefüge 7 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel in Querschnittansicht. Die an der Vorderseite des elektrisch leitenden Papiergefüges 7 frei zugänglichen Kontaktfäden 9 sind jeweils so in der Papierlage 8 angeordnet, dass die in der Figur 1 gezeigte, elektrisch leitende Metallisierung 3 oben und das PET-Trägersubstrat 2 unten vorliegen.
  • Fig. 6 zeigt in Draufsicht ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen, elektrisch leitenden Papiergefüges 10 mit Kontaktfäden 12, die in der Form von Fensterfäden in der Papierlage 11 eingebettet sind. Die im elektrisch leitenden Papiergefüge 10 eingebetteten Kontaktfäden 12 sind in bestimmten Bereichen 13 (sogenannte Fensterbereiche) frei zugänglich. Das elektrisch leitende Papiergefüge beruht auf einem Papierfaserstoff und metallische Kurzschnittfasern enthaltenden Gemisch. Die Kontaktfäden 12 wurden ähnlich dem aus der EP 0 059 056 A1 bekannten Verfahren zur Herstellung von Banknoten mit Fenstersicherheitsfäden in das Papier eingebettet. Das elektrisch leitende Papiergefüge 10 weist somit an seinen beiden Enden eine ausgezeichnete Kontaktierung auf. Dadurch, dass die Kontaktfäden 12 in den Fensterbereichen 13 frei zugänglich sind, kann die Vorderseite des elektrisch leitenden Papiergefüges 10 auch diesen Orten kontaktiert werden.
  • Der Querschnitt entlang der in der Figur 6 gezeigten, gedachten Linie A-A' entspricht dem in der Figur 5 gezeigten Querschnitt.
  • Der Querschnitt entlang der in der Figur 6 gezeigten, gedachten Linie B-B' entspricht dem in der Figur 3 gezeigten Querschnitt.
  • In den obigen Ausführungsbeispielen basierte der Kontaktfaden auf einem mit einem leitfähigen Metall beschichteten Kunststoffsubstrat. Anstelle eines solchen Fadens könnte alternativ ein trägerloser metallischer Faden verwendet werden, sodass das in der Figur 1 gezeigte PET-Trägersubstrat 2 weggelassen wird. Ein solcher trägerloser metallischer Faden weist verglichen mit einem mit leitfähigem Metall beschichteten Kunststoffsubstrat eine bessere elektrische Leitfähigkeit auf. Insbesondere Fäden, die auf (dünn) gewalztem leitfähigem Metall basieren, sind von Vorteil.
  • In weiteren Ausführungsbeispielen, die an die obigen Ausführungsbeispiele angelehnt sind, wird als Kontaktfaden ein Draht aus leitfähigem Metall verwendet.
  • Fig. 7 zeigt in Draufsicht ein viertes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen, elektrisch leitenden Papiergefüges 14 mit zwei Kontaktfäden 16 und 17, die mit Ausnahme zweier Stellen 18 und 19 vollständig in der Papierlage 15 eingebettet sind. Die im elektrisch leitenden Papiergefüge 14 eingebetteten Kontaktfäden 16 und 17 sind in den Bereichen 18 und 19, an denen die Kontaktierung zur Stromquelle erfolgt, frei zugänglich. Mit den Zeichen"+" und "-" in der Figur 7 wird jeweils der Pluspol bzw. Minuspol der Stromquelle bezeichnet.
  • Fig. 8 zeigt in Draufsicht ein fünftes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen, elektrisch leitenden Papiergefüges 20 mit zwei Kontaktfäden 22 und 23, die jeweils in der Form von Fensterfäden in das Papiergefüge 21 eingebettet sind, wobei das elektrisch leitende Papiergefüge 21 zusätzlich mit einem leitfähigen Muster 28 aus gedruckten Leiterbahnen bedruckt ist. Auf diese Weise wird die Distanz zwischen den beiden als Elektroden dienenden Kontaktfäden 22 und 23 verringert. Die im elektrisch leitenden Papiergefüge 21 eingebetteten Kontaktfäden 22 und 23 sind in den Bereichen 24 und 25, an denen die Kontaktierung zur Stromquelle erfolgt, frei zugänglich. Mit den Zeichen"+" und "-" in der Figur 8 wird jeweils der Pluspol bzw. Minuspol der Stromquelle bezeichnet. Die Kontaktfäden 22 und 23, die jeweils in Form von Fensterfäden im Papiergefüge 21 eingebettet sind, sind darüber hinaus so beschaffen, dass sie an mehreren Stellen (siehe z.B. die Bezungsnummern 26 und 27) des Papiergefüges an der Oberfläche partiell freiliegen (sogenannte Fadenfenster). Über die Fadenfenster erfolgt eine Kontaktierung der Kontaktfäden 22 und 23 mit dem zusätzlich aufgedruckten leitfähigen Muster 28. Das Bedrucken erfolgte mittels eines Siebdruckverfahrens. Als leifähiger Lack, der das leitfähige Muster 28 erzeugt, diente eine wässrige Siebdruckfarbe auf Basis von Silberpartikeln. Das leitfähige Muster 28 liegt zweckmäßigerweise in einem solchen Muster vor, dass die Distanzen zwischen den beiden Elektroden 22 und 23 in allen Bereichen annähernd ähnlich ist. Die Maßnahme des zusätzlichen Bedruckens mit dem leitfähigen Muster 28 bewirkt, dass das Erzeugnis als ein leitfähiges Flächenelement mit relativ niedrigen Spannungen betrieben werden kann.

Claims (13)

  1. Elektrisch leitendes Papiergefüge, nämlich ein Heizelement, mit cellulosehaltigen Faserstoffen und elektrisch leitfähigen Fasern, dadurch gekennzeichnet, dass im elektrisch leitenden Papiergefüge eine Mehrzahl kontinuierlicher, elektrisch leitfähiger Fäden zur Kontaktierung des elektrisch leitenden Papiergefüges von einem Ende bis zum gegenüberliegenden Ende des Papiergefüges eingebettet sind.
  2. Elektrisch leitendes Papiergefüge nach Anspruch 1, wobei die Mehrzahl einen Wert im Bereich von zwei bis acht, bevorzugt im Bereich von zwei bis sechs, annimmt.
  3. Elektrisch leitendes Papiergefüge nach Anspruch 1 oder 2, wobei die elektrisch leitfähigen Fasern metallische Fasern, insbesondere metallische Kurzschnittfasern mit einer bevorzugten Faserlänge in einem Bereich von 3 mm bis 12 mm, und/oder Kohlenstofffasern sind.
  4. Elektrisch leitendes Papiergefüge nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das elektrisch leitende Papiergefüge zusätzliche elektrisch leitfähige Materialien, insbesondere Kohlenstoffpartikel und/oder Carbon-Nanotubes, enthält.
  5. Elektrisch leitendes Papiergefüge nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der jeweilige elektrisch leitfähige Faden zur Kontaktierung des elektrisch leitenden Papiergefüges 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 Zopfgeflechte, ein Gestrick oder ein Lahnband ist.
  6. Elektrisch leitendes Papiergefüge nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Papiergefüge auf einer einzelnen Papierlage beruht, in die der jeweilige elektrisch leitfähige Faden zur Kontaktierung des elektrisch leitenden Papiergefüges eingebettet ist.
  7. Elektrisch leitendes Papiergefüge nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Papiergefüge auf zwei separaten Papierlagen beruht, zwischen denen der jeweilige elektrisch leitfähige Faden zur Kontaktierung des elektrisch leitenden Papiergefüges angeordnet ist.
  8. Elektrisch leitendes Papiergefüge nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei
    - der jeweilige elektrisch leitfähige Faden zur Kontaktierung des elektrisch leitenden Papiergefüges vollständig im Papiergefüge eingebettet ist, sodass der Faden für den Betrachter weder von der Vorderseite, noch von der Rückseite sichtbar ist; oder
    - der jeweilige Faden so im Papiergefüge eingebettet ist, dass der Faden im Papiergefüge auf einer Seite frei zugänglich vorliegt; oder
    - der jeweilige Faden so im Papiergefüge eingebettet ist, dass der Faden zumindest an einer Stelle des Papiergefüges an seiner Oberfläche partiell freiliegt.
  9. Elektrisch leitendes Papiergefüge nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das elektrisch leitende Papiergefüge zusätzlich chemische Additive und Restfeuchte aufweist.
  10. Elektrisch leitendes Papiergefüge nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das elektrisch leitende Papiergefüge zusätzlich mit einem leitfähigen Muster aus Leiterbahnen bedruckt ist.
  11. Elektrisch leitendes Papiergefüge nach Anspruch 10, wobei im elektrisch leitenden Papiergefüge zwei oder mehr kontinuierliche, elektrisch leitfähige Fäden zur Kontaktierung des elektrisch leitenden Papiergefüges von einem Ende bis zum gegenüberliegenden Ende des Papiergefüges eingebettet sind, wobei die Fäden jeweils so im Papiergefüge eingebettet sind, dass jeder Faden an mehreren Stellen des Papiergefüges an seiner Oberfläche partiell freiliegt, wobei das elektrisch leitende Papiergefüge so mit dem leitfähigen Muster aus Leiterbahnen bedruckt ist, dass die Kontaktierung des leitfähigen Musters zu den im Papiergefüge eingebetteten Fäden über die Stellen erfolgt, an denen die Fäden partiell freiliegen.
  12. Verfahren zum Herstellen eines elektrisch leitenden Papiergefüges nach einem der Ansprüche 1 bis 11, aufweisend:
    - das Bereitstellen einer Stoffsuspension aus cellulosehaltigem Faserstoff und Wasser;
    - gegebenenfalls das Zugeben wenigstens eines chemischen Additivs;
    - das Zugeben elektrisch leitfähiger Fasern;
    - das Einführen einer Mehrzahl kontinuierlicher, elektrisch leitfähiger Fäden in die in einer Rundsiebpapiermaschine befindliche Stoffsuspension, wobei die Fäden so an das Rundsieb herangeführt werden, dass während der Blattbildung bzw. während der Bildung der Papierbahn eine Einbettung der Fäden in den Faseraufbau erfolgt.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Papiergefüge so gebildet wird, dass es sich aus zwei separaten Papierlagen zusammensetzt und die Fäden zwischen diesen Papierlagen angeordnet werden.
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