EP4372146A1 - Electrically conductive paper structure, method for producing the same and use thereof - Google Patents

Electrically conductive paper structure, method for producing the same and use thereof Download PDF

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Publication number
EP4372146A1
EP4372146A1 EP23020502.3A EP23020502A EP4372146A1 EP 4372146 A1 EP4372146 A1 EP 4372146A1 EP 23020502 A EP23020502 A EP 23020502A EP 4372146 A1 EP4372146 A1 EP 4372146A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
paper
paper structure
electrically conductive
layer thickness
locations
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP23020502.3A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Alexander TANTSCHER
Rudolf Seidler
Daniel Lenssen
Mario Keller
Stefan Schusser
Thomas Bodendieck
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Giesecke and Devrient Currency Technology GmbH
Original Assignee
Giesecke and Devrient Currency Technology GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Giesecke and Devrient Currency Technology GmbH filed Critical Giesecke and Devrient Currency Technology GmbH
Publication of EP4372146A1 publication Critical patent/EP4372146A1/en
Pending legal-status Critical Current

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    • D21PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
    • D21HPULP COMPOSITIONS; PREPARATION THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASSES D21C OR D21D; IMPREGNATING OR COATING OF PAPER; TREATMENT OF FINISHED PAPER NOT COVERED BY CLASS B31 OR SUBCLASS D21G; PAPER NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • D21H21/00Non-fibrous material added to the pulp, characterised by its function, form or properties; Paper-impregnating or coating material, characterised by its function, form or properties
    • D21H21/14Non-fibrous material added to the pulp, characterised by its function, form or properties; Paper-impregnating or coating material, characterised by its function, form or properties characterised by function or properties in or on the paper
    • D21H21/40Agents facilitating proof of genuineness or preventing fraudulent alteration, e.g. for security paper
    • DTEXTILES; PAPER
    • D21PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
    • D21HPULP COMPOSITIONS; PREPARATION THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASSES D21C OR D21D; IMPREGNATING OR COATING OF PAPER; TREATMENT OF FINISHED PAPER NOT COVERED BY CLASS B31 OR SUBCLASS D21G; PAPER NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • D21H21/48Elements suited for physical verification, e.g. by irradiation
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    • D21PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
    • D21HPULP COMPOSITIONS; PREPARATION THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASSES D21C OR D21D; IMPREGNATING OR COATING OF PAPER; TREATMENT OF FINISHED PAPER NOT COVERED BY CLASS B31 OR SUBCLASS D21G; PAPER NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • D21H27/00Special paper not otherwise provided for, e.g. made by multi-step processes
    • D21H27/30Multi-ply

Definitions

  • the invention relates to an electrically conductive paper structure, a method for producing the same and a use of the electrically conductive paper structure.
  • Electrically conductive paper structures based on e.g. cellulose-containing fibers and carbon fibers are known in the state of the art, see e.g. WO 2020/224800 A1 and the EP 2 770 104 B1 It is therefore generally known to equip flat paper substrates with conductive fibers, in particular carbon fibers, metal fibers or graphitized carbon fibers, or other materials that provide conductivity, e.g. 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, e.g. as a heating element, as an element for electromagnetic shielding or as an element for signal detection.
  • the present invention is based on the object of providing an electrically conductive paper structure that is improved compared to the prior art.
  • the electrically conductive paper structure should have an improved physical quality with regard to the flow of electrical current through the flat paper substrate in order to advantageously increase the variety of applications.
  • Electrically conductive paper structures can be used, for example, as surface heating.
  • the surface conductivity of an electrically conductive paper structure is essentially constant across the surface as a result of the manufacturing process. With a constant distance between the current conducting rails feeding the electrical current, the constant surface resistance of the electrically conductive paper structure leads to a homogeneous temperature with respect to the entire area supplied with electricity. A locally limited lower or higher temperature is therefore not possible. which is why both the application range and the energy efficiency of conventional electrically conductive paper structures are limited.
  • the present invention is based on the idea of providing an improved electrically conductive paper structure by using the watermark technology known in the field of banknote production and other suitable methods for controlling the paper thickness.
  • the technology for producing watermarks thinner and thicker areas can be created in the paper.
  • the electrical resistance of the electrically conductive paper structure increases, i.e. the electrical resistance of the paper can be increased to a certain extent by locally redistributing the paper material. In this way, the heat generation can be changed locally and used advantageously for various applications.
  • first surface areas with a constant layer thickness of the paper and, on the other hand, there are second surface areas that have both thin paper areas and thick paper areas.
  • second surface areas that have both thin paper areas and thick paper areas.
  • the electrically conductive paper structure comprises cellulose-containing fiber materials and electrically conductive fibers, in particular carbon fibers, wherein the paper structure comprises at least one first surface area and at least one second surface area, wherein the at least one first surface area of the paper structure has a substantially constant layer thickness and the at least one second surface area of the paper structure has alternating locations with a higher layer thickness and locations with a lower layer thickness, so that the at least one second surface area of the paper structure has a higher electrical resistance compared to the at least one first surface area of the paper structure.
  • the at least one first surface area of the paper structure heats up more than the at least one second surface area of the paper structure.
  • the electrically conductive paper structure has two current conducting rails suitable for introducing electrical current into the paper structure, the two current conducting rails being arranged in parallel, i.e. one current conducting rail at one end of the paper structure and the other current conducting rail at the opposite end of the paper structure.
  • the wording "at the end of the paper structure" is to be understood broadly, i.e. the respective current conducting rail does not necessarily have to be arranged at the end, but the corresponding current conducting rail can also be arranged essentially at the end of the paper structure.
  • the respective current conducting rail can, for example, be based on a continuous, electrically conductive thread for contacting the electrically conductive paper structure, wherein the thread is embedded from one end to the opposite end of the paper structure and is in particular a metal wire, a metal thread, a metal strip, a thread coated with a metal based on a carrier substrate such as a plastic film, a laminate of (plastic) films and metal foils, a metal braid, a braided braid, a knitted fabric or a lamella tape.
  • a carrier substrate such as a plastic film, a laminate of (plastic) films and metal foils, a metal braid, a braided braid, a knitted fabric or a lamella tape.
  • the alternately arranged locations with a higher layer thickness of the paper and locations with a lower layer thickness of the paper of the at least one second surface area each have the shape of strips, wherein the strips are arranged alternately in a so-called first direction of the paper structure arranged perpendicular to the longitudinal axis of the respective strip. It is particularly preferred that the longitudinal axis of each of the two parallel current conducting rails runs along a so-called second direction of the paper structure that is arranged perpendicular to the first direction of the paper structure.
  • the individual strips each have a preferred width in a range from 1 mm to 20 mm, more preferably in a range from 3 mm to 10 mm and particularly preferably in a range from 5 mm to 7 mm.
  • the electrically conductive paper structure includes a plurality of first surface regions and a plurality of second surface regions.
  • the electrically conductive paper structure is designed such that, with regard to the alternately arranged locations with a higher layer thickness and locations with a lower layer thickness in at least one second surface area of the paper structure, the percentage layer thickness ratio of the lower layer thickness relative to the higher layer thickness is in a range from 0% to 90%, more preferably in a range from 30% to 90% and particularly preferably in a range from 40% to 80%.
  • the alternately arranged areas with a higher layer thickness of the paper and areas with a lower layer thickness of the paper in at least one second surface area of the paper structure are obtainable in particular by means of a partial removal of fiber material, e.g. by means of milling or by means of a round-wire paper machine or by means of a fourdrinier paper machine or by means of a watermark dandy roll or by means of an embossing cylinder or by means of a moulette cylinder.
  • the electrically conductive paper structure according to the invention is preferably produced using a round screen technology. In this way, it is fundamentally possible to process varying fiber compositions. It is expedient to add electrically conductive short-cut fibers, in particular carbon fibers, to the cellulose-containing fiber materials.
  • the electrically conductive short-cut fibers in particular have a fiber length in the range of 3 to 6 mm.
  • the amount in which the electrically conductive short-cut fibers are added is expediently selected so that sufficient fiber-to-fiber contacts are provided and thus a suitable electrical current flow is ensured.
  • the electrically conductive paper structure can contain other natural and/or synthetic fiber materials, optionally chemical additives and optionally residual moisture.
  • the electrical conductivity can be achieved not only by electrically conductive short-cut fibers, in particular carbon fibers or metallic short-cut fibers, but also by adding carbon particles or carbon nanotubes.
  • the cylinder 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 permeated with the continuous, conductive thread from one end to the opposite end, see e.g. the WO 2020/224800 A1 .
  • the continuous, conductive thread embedded in the electrically conductive paper structure in this way thus represents a preferred current conducting rail or a contact thread.
  • the term "contact thread” is to be understood here as a thread for contacting the electrically conductive paper structure, which within the electrically conductive paper structure is directly in contact at many points with the electrically conductive (short-cut) fibers, carbon particles and/or Carbon nanotubes are conductively connected.
  • the contact thread embedded in the electrically conductive paper structure is comparable in terms of its arrangement in the paper, in particular, to a security thread embedded in banknote paper. It is expedient not to introduce just one continuous, conductive thread into the electrically conductive paper structure, but rather to advantageously introduce a plurality of continuous, conductive threads into the electrically conductive paper structure.
  • the contact threads enable easy contact at the ends of the threads and, on the other hand, by introducing them over the entire surface of the electrically conductive paper structure, they establish a local power supply to all areas.
  • the contact threads thus fulfill a dual 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 selected, for example, from fiber materials of natural origin or from synthetic fiber materials.
  • Cellulosic fiber materials of natural origin include, for example, wood fibers, semi-cellulose, thermomechanical pulp, cotton fibers, chemically digested cellulose such as sulfate or sulfite pulp, wood pulp, chemically modified wood pulp, recycled fiber materials and combinations of two or more of the above-mentioned elements.
  • Conductive materials in particular conductive fibers, such as carbon fibers, metallic (short-cut) fibers or metallized plastic fibers, and/or conductive particles, such as carbon particles, carbon nanotubes or fullerenes, are added to the cellulose-containing fibers.
  • conductive fibers such as carbon fibers, metallic (short-cut) fibers or metallized plastic fibers, and/or conductive particles, such as carbon particles, carbon nanotubes or fullerenes
  • the proportion of electrically conductive Short-cut fibers that are added to the cellulose-containing fibers vary in a range from a few percent by weight (wt.%) to 50 wt.% or more. It is advisable to add enough conductive fibers to exceed the so-called percolation threshold in order to ensure sufficient conductivity. As a result, a sufficient network of conductive fibers is required to ensure the flow of electrical current.
  • Carbon fibers in particular are added to the cellulose-containing fibers as conductive materials.
  • Carbon fibers are preferably understood to be industrially produced fibers that are made from carbon-containing material and converted into a graphite-like carbon structure, 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 processed further. Carbon fibers are good electrical and thermal conductors.
  • carbon fibers are understood to be fibers from a group that includes high-strength carbon fibers, high-stiffness carbon fibers and/or high-strength carbon fibers.
  • the proportion of carbon fibers in the paper structure is in a range from 5% to 20% by weight, in particular in a range from 10% to 15% by weight. It should also be taken into account that with the increase in the proportion of primary and/or recycled carbon fibers, the specific resistance of the paper structure formed thereby may decrease. and the conductivity of the paper thus formed increases.
  • the advantages of an increased proportion of carbon fibers in the paper structure include improved conductivity, a reduction in electrical resistance in the sheet or paper structure and the associated higher power consumption.
  • the paper fiber can be based on cellulosic fibers, e.g. cotton fibers, with synthetic fibers (e.g. polyethylene terephthalate (PET) fibers, bicomponent fibers, polylactic acid (PLA) fibers) optionally mixed in.
  • PET polyethylene terephthalate
  • PPA polylactic acid
  • the paper fiber can be fibrillated in a targeted manner by means of targeted grinding (e.g. Dutch grinding) in order to provide a particularly high strength potential for the paper structure to be produced.
  • targeted grinding e.g. Dutch grinding
  • 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 optionally be added to the electrically conductive paper structure according to the invention, which are selected, for example, from a group which includes in particular retention agents, drainage aids, retention agent dual systems or microparticle systems, wet and dry strength agents, sizing agents, fillers and/or pigments, in particular selected from a group of talc, titanium dioxide, aluminum hydroxide, bentonite, barium sulfate, calcium carbonate, kaolin, defoamers, deaerators, biocides, enzymes, bleaching aids, optical brighteners, dyes, shading dyes, impurity scavengers, precipitants (fixing agents), wetting agents, pH regulators.
  • a group which includes in particular retention agents, drainage aids, retention agent dual systems or microparticle systems, wet and dry strength agents, sizing agents, fillers and/or pigments, in particular selected from a group of talc, titanium dioxide, aluminum hydroxide, bentonite, barium sulfate, calcium
  • the chemical additive can also be selected from a group of preferably water-soluble polymers, which include in particular amine-containing polymers, polyethyleneimine, pyrolydine, polyamides, polyacrylamide, aridine, proteins, peptides, polyether-containing polymers, in particular polyethylene oxide, polyethers, hydroxyl-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 epichlorohydrin
  • 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 further 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 180 °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.
  • additional reinforcing fibers to control the desired properties.
  • surface sizing or surface impregnation is possible.
  • a metallic thread e.g. made of rolled metal, a metal strip or a metal wire can be used, the metal being selected in particular from a highly conductive metal such as silver, copper, gold, aluminum, tungsten, iron or the like or an alloy of one or more of the aforementioned elements.
  • a metallized thread is also possible, e.g.
  • 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 the plastic carrier film.
  • PET polyethylene terephthalate
  • a metallized film or a laminate made of films and rolled metal films can be used as the (contact) thread.
  • ZIF Zero Insertion Force
  • Metallized threads of this type can also be provided with an adhesive, at least on one side, to better fix the contact thread in the electrically conductive paper structure.
  • This adhesive is preferably a conductive adhesive. It is also 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 banknotes.
  • the (contact) threads can additionally be provided with a protective layer or protective film on the upper side, which can be removed as required in the contact area, i.e. in the window area.
  • the term (contact) thread is not necessarily limited to the sole design as a (rather narrow) thread, which for example has a width of 2 mm or less, but designs such as (rather wide) strips or bands are also conceivable, which for example have a width of 4 mm to 20 mm, or even a width of up to 30 mm.
  • a simple conductive metal wire or a metal braid is used as the (contact) thread.
  • Design variants such as flat strands, braids, knitted fabrics, lamella tapes 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 greater than two) contact threads serving as electrodes.
  • the printing ie the provision of the printed conductor tracks, can be carried out, for example, by means of a screen printing process.
  • aqueous screen printing inks based on soot particles, silver particles or other particles that produce conductivity can be used, for example.
  • the conductive pattern of printed conductor tracks is expediently produced in such a pattern that the distances between two of the two electrodes are approximately similar in all areas. is.
  • 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) where the contact threads are partially exposed.
  • the measure of 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, a current required for the respective application, e.g. a heater, can be achieved 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 suitably adapting the dimension of the conductive fibers and the printed, conductive pattern, the percolation threshold can even be reduced.
  • the latter describes the minimum proportion of conductive fibers that are necessary to achieve a continuously 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 expensive conductive fibers.
  • a lower operating voltage also reduces the cost, e.g. for the control electronics, and increases work safety.
  • the electrically conductive paper structure can be connected to a power source in particular by means of adhesive contacts or so-called crimp contacts.
  • the electrically conductive paper structure can in particular be a single-layer paper structure.
  • the electrically conductive paper structure is a multi-layer paper structure, which is in particular of lamination. If necessary, the current conducting rails can be present between the individual layers of the multi-layer paper structure.
  • the step of providing a stock suspension of cellulose-containing fiber material and water takes place in a cylinder-forming paper machine, wherein the step of forming a paper web comprises in particular the introduction of two continuous, electrically conductive threads into the stock suspension located in the cylinder-forming paper machine, wherein the threads are guided to the cylinder-forming machine in such a way that during the formation of the paper web the threads are embedded in the fiber structure in order to produce current-conducting rails in this way.
  • the round screen technology is known, for example, from the production of banknote paper, see for example the EP 0 279 880 A1 and the EP 0 492 407 A1 .
  • the thread is introduced into the pulp and brought to the screen in such a way that the thread is embedded in the fibre structure during sheet formation.
  • the thread can be completely embedded in the paper structure so that the thread is not visible to the observer from either the front or the back.
  • the thread can but also embedded in such a way that it is freely accessible on one side after embedding in the paper structure. This is possible, for example, by mechanically removing, in particular by suction, the paper layer deposited on one side of the thread.
  • the formation of freely accessible areas on at least one side of the embedded thread can also be achieved by choosing the width of the thread sufficiently high, see, for example, the 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 on the surface of the paper structure 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 guided outside the pulp to the paper screen in such a way that the thread comes to rest on raised areas (or bumps) on the paper screen. At the points where the thread rests on the bumps, no paper can form on the side facing the screen, so that the thread is freely accessible at precisely these points in the later finished paper.
  • the paper structure is formed in such a way that it is composed of two separate paper layers and the electrically conductive threads are arranged between these paper layers.
  • Such a production is known from the production of banknote paper with embedded security thread, see e.g. EP 0 229 645 A1 .
  • the present invention further comprises a use of the electrically conductive paper structure as a heating element, as an element for electromagnetic shielding or as an element for signal detection.
  • the use of the electrically conductive paper structure as a heating element is particularly Suitable for use in floors, walls, wallpaper, containers, fabrics, clothing, table tops, heating plates, heating mats, car interior heaters, especially door, seat or dashboard heaters.
  • Fig.1 shows a top view of a comparative example of an electrically conductive paper structure 1 with two current conducting rails 3, in particular contact threads, embedded in the paper substrate 2 and suitable for introducing electrical current.
  • the two current conducting rails 3 are arranged in parallel, ie one current conducting rail 3 is located at one end of the paper substrate 2 and the another current conducting rail 3 at the opposite end of the paper substrate 2.
  • the block arrow "A” illustrates the so-called first direction of the electrically conductive paper structure 1.
  • the longitudinal axis of each of the two parallel current conducting rails 3 runs along the so-called second direction (see block arrow "B") of the paper structure, which is arranged perpendicular to the first direction "A" of the paper structure 1.
  • the electrically conductive paper structure 1 is based on a paper substrate 2, which has a mixture containing paper fiber and electrically conductive short-cut fibers, in particular carbon fibers.
  • the current conducting rails 3 were produced by means of a round-wire paper machine, as is particularly known in the Figure 3 the EP 0 279 880 A1 shown, embedded in the paper substrate 2. Based on the Figure 1 It can be seen that the current conducting rails 3 pass through the electrically conductive paper structure 1 from one end to the opposite end.
  • the Figure 2 schematically illustrates the electrically conductive paper structure 1 of the Figure 1 in cross-sectional view, ie along the Figure 1 shown line C-C'.
  • the double arrow "d" illustrates the layer thickness of the paper substrate 2.
  • the Figure 2 The dashed area 4 is shown in the Figure 3 shown enlarged. From the Figure 3 It can be seen that the paper substrate 2 has a constant layer thickness d.
  • the electrical resistance R 0 depends on the width and length of the heating surface as well as on the surface conductivity of the paper 2 between the current conducting rails 3.
  • the Fig.4 shows in plan view a first embodiment of an electrically conductive paper structure 5 according to the invention with two embedded in the paper substrate 6, suitable for the introduction of electrical current Current conducting rails 7, in particular contact threads.
  • the two current conducting rails 7 are arranged in parallel, i.e. one current conducting rail 7 is located at one end of the paper substrate 6 and the other current conducting rail 7 at the opposite end of the paper substrate 6.
  • the block arrow "A” illustrates the so-called first direction of the electrically conductive paper structure 5.
  • the longitudinal axis of each of the two parallel current conducting rails 7 runs along the so-called second direction (see block arrow "B") of the paper structure, which is arranged perpendicular to the first direction "A" of the paper structure 5.
  • the electrically conductive paper structure 5 is based on a paper substrate 6 which has a mixture containing paper fiber and electrically conductive short-cut fibers.
  • the current conducting rails 7 were produced by means of a round-wire paper machine, as is used in particular in the Figure 3 the EP 0 279 880 A1 shown, embedded in the paper substrate 6. Based on the Figure 4 it can be seen that the current conducting rails 7 run through the electrically conductive paper structure 5 from one end to the opposite end. In the area of the two current conducting rails 7, the respective surface area of the paper substrate 6 has a constant layer thickness. In the hatched surface area outside the two current conducting rails 7, the paper substrate 6 contains alternating locations with a higher layer thickness and locations with a lower layer thickness.
  • the alternating locations with a higher layer thickness of the paper and locations with a lower layer thickness of the paper each have the shape of strips that are alternately arranged in the direction of the block arrow "A".
  • the longitudinal axis of the individual strips extends along the direction of the block arrow "B”.
  • the Figure 5 schematically illustrates the electrically conductive paper structure 5 according to the invention of Figure 4 in cross-sectional view, ie along the Figure 4 shown line D-D'.
  • the double arrow “d” illustrates the Layer thickness of the paper substrate 6.
  • the Figure 5 The dashed area 8 is shown in the Figure 6 shown enlarged. From the Figure 6 It can be seen that by means of the technology for producing watermarks, locations 9 with a higher layer thickness and locations 10 with a lower layer thickness can be produced in the paper 6. In the example according to the invention according to Figures 4 to 6, the locations 9 with a higher layer thickness and the locations 10 with a lower layer thickness each have the shape of stripes.
  • the local "redistribution" of the paper can thus increase the electrical resistance.
  • an electrically conductive paper structure results in which, when supplied with electrical current, the first, smooth, unstructured surface areas heat up more than the structured, second surface areas of the paper structure.
  • the second surface areas of the paper structure remain somewhat cooler than the first surface areas during heating.
  • the Fig.7 illustrates in plan view a second embodiment of an electrically conductive paper structure 11 according to the invention with two current conducting rails 13, in particular contact threads, embedded in the paper substrate 12 and suitable for introducing electrical current.
  • the second surface areas 14 of the paper structure remain somewhat cooler than the first surface areas 15 during heating.
  • the first surface areas 15 and the second surface areas 14 are each linear, resulting in a one-dimensional alternating sequence of the surface areas.
  • the Fig.8 illustrates in plan view a third embodiment of an electrically conductive paper structure 16 according to the invention with two current conducting rails 18, in particular contact threads, embedded in the paper substrate 17 and suitable for introducing electrical current.
  • the second surface areas 20 of the paper structure remain somewhat cooler during heating than the first surface areas 19.
  • the first surface areas 19 and the second surface areas 20 together form a mosaic, in particular a pattern according to a chessboard, so that a two-dimensional alternating sequence of the surface areas results.
  • the heating power can be focused on the areas in which high heat generation is particularly desired. Reduced heating in the other areas increases energy efficiency.
  • the current guide rails are embedded in the paper structure in such a way that they are freely accessible on a main surface of the paper structure, e.g. in analogy to the Figures 4 and 5 the WO 2020/224800 A1 .
  • the current guide rails (see reference number 3 in the Figure 2 and reference number 7 in the Figure 5 ) completely embedded in the paper structure, e.g. in analogy to the Figures 2 and 3 the WO 2020/224800 A1 If necessary, the embedded current guide rails can be partially exposed, e.g. in analogy to the Figure 6 or the Figure 7 the WO 2020/224800 A1 .
  • the current conducting rails are created by copper strips subsequently glued to the paper structure.
  • the current guide rails are based on conductive tracks (e.g. Zn tracks), which are generated, for example, by a plasma process.

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Abstract

Elektrisch leitendes Papiergefüge mit cellulosehaltigen Faserstoffen und elektrisch leitfähigen Fasern, wobei das Papiergefüge zumindest einen ersten Flächenbereich und zumindest einen zweiten Flächenbereich beinhaltet, wobei der zumindest eine erste Flächenbereich des Papiergefüges eine im Wesentlichen konstante Schichtdicke aufweist und der zumindest eine zweite Flächenbereich des Papiergefüges alternierend angeordnete Stellen mit höherer Schichtdicke und Stellen mit geringerer Schichtdicke aufweist, sodass der zumindest eine zweite Flächenbereich des Papiergefüges verglichen mit dem zumindest einen ersten Flächenbereich des Papiergefüges über einen höheren elektrischen Widerstand verfügt.Electrically conductive paper structure with cellulose-containing fiber materials and electrically conductive fibers, wherein the paper structure includes at least a first surface region and at least a second surface region, wherein the at least one first surface region of the paper structure has a substantially constant layer thickness and the at least one second surface region of the paper structure has alternately arranged locations with a higher layer thickness and locations with a lower layer thickness, so that the at least one second surface region of the paper structure has a higher electrical resistance compared to the at least one first surface region of the paper structure.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisch leitendes Papiergefüge, ein Verfahren zum Herstellen desselben und eine Verwendung des elektrisch leitenden Papiergefüges.The invention relates to an electrically conductive paper structure, a method for producing the same and a use of the electrically conductive paper structure.

Elektrisch leitende Papiergefüge, die z.B. auf cellulosehaltigen Faserstoffen und Kohlenstofffasern basieren, sind im Stand der Technik bekannt, siehe z.B. die WO 2020/224800 A1 und die EP 2 770 104 B1 . Es ist somit grundsätzlich bekannt, flächige Papiersubstrate mit leitfähigen Fasern, insbesondere Carbonfasern, Metallfasern oder graphitisierte Kohlefasern, oder anderen, eine Leitfähigkeit bereitstellenden Materialien, z.B. Carbon-Nanotubes, so auszustatten, dass der elektrische Strom durch das flächige Papiersubstrat hindurchfließt. Je nach dem vorliegenden spezifischen Widerstand kann das Papiersubstrat für unterschiedliche Zwecke genutzt werden, z.B. als Heizelement, als Element für die elektromagnetische Abschirmung oder als Element für die Signaldetektion.Electrically conductive paper structures based on e.g. cellulose-containing fibers and carbon fibers are known in the state of the art, see e.g. WO 2020/224800 A1 and the EP 2 770 104 B1 It is therefore generally known to equip flat paper substrates with conductive fibers, in particular carbon fibers, metal fibers or graphitized carbon fibers, or other materials that provide conductivity, e.g. carbon nanotubes, in such a way that the electrical current flows through the flat paper substrate. Depending on the specific resistance present, the paper substrate can be used for different purposes, e.g. as a heating element, as an element for electromagnetic shielding or as an element for signal detection.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes elektrisch leitendes Papiergefüge bereitzustellen. Insbesondere soll das elektrisch leitende Papiergefüge im Hinblick auf das Hindurchfließen des elektrischen Stroms durch das flächige Papiersubstrat über eine verbesserte gegenständliche Beschaffenheit verfügen, um auf diese Weise die Anwendungsvielfalt vorteilhaft zu vergrößern.The present invention is based on the object of providing an electrically conductive paper structure that is improved compared to the prior art. In particular, the electrically conductive paper structure should have an improved physical quality with regard to the flow of electrical current through the flat paper substrate in order to advantageously increase the variety of applications.

Diese Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Ansprüchen definierten Merkmalskombinationen gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.This object is achieved by the feature combinations defined in the independent claims. Further developments of the invention are the subject of the dependent claims.

Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention

  • 1. (Erster Aspekt der Erfindung) Elektrisch leitendes Papiergefüge mit cellulosehaltigen Faserstoffen und elektrisch leitfähigen Fasern, wobei das Papiergefüge zumindest einen ersten Flächenbereich und zumindest einen zweiten Flächenbereich beinhaltet, wobei der zumindest eine erste Flächenbereich des Papiergefüges eine im Wesentlichen konstante Schichtdicke aufweist und der zumindest eine zweite Flächenbereich des Papiergefüges alternierend angeordnete Stellen mit höherer Schichtdicke und Stellen mit geringerer Schichtdicke aufweist, sodass der zumindest eine zweite Flächenbereich des Papiergefüges verglichen mit dem zumindest einen ersten Flächenbereich des Papiergefüges über einen höheren elektrischen Widerstand verfügt.1. (First aspect of the invention) Electrically conductive paper structure with cellulose-containing fiber materials and electrically conductive fibers, wherein the paper structure includes at least a first surface region and at least a second surface region, wherein the at least one first surface region of the paper structure has a substantially constant layer thickness and the at least one second surface region of the paper structure has alternately arranged locations with a higher layer thickness and locations with a lower layer thickness, so that the at least one second surface region of the paper structure has a higher electrical resistance compared to the at least one first surface region of the paper structure.
  • 2. (Bevorzugte Ausgestaltung) Elektrisch leitendes Papiergefüge nach Klausel 1, wobei sich der zumindest eine erste Flächenbereich des Papiergefüges im Falle einer Versorgung des Papiergefüges mit elektrischem Strom stärker als der zumindest eine zweite Flächenbereich des Papiergefüges erhitzt.2. (Preferred embodiment) Electrically conductive paper structure according to clause 1, wherein the at least one first surface region of the paper structure heats up more strongly than the at least one second surface region of the paper structure when the paper structure is supplied with electrical current.
  • 3. (Bevorzugte Ausgestaltung) Elektrisch leitendes Papiergefüge nach Klausel 1 oder 2, wobei das Papiergefüge zwei für das Einbringen von elektrischem Strom in das Papiergefüge geeignete Stromleitschienen aufweist, wobei die beiden Stromleitschienen parallel angeordnet sind, d.h. eine Stromleitschiene an einem Ende des Papiergefüges und die weitere Stromleitschiene an dem gegenüber liegenden Ende des Papiergefüges.3. (Preferred embodiment) Electrically conductive paper structure according to clause 1 or 2, wherein the paper structure has two current conducting rails suitable for introducing electrical current into the paper structure, wherein the two current conducting rails are arranged in parallel, ie one current conducting rail at one end of the paper structure and the further current conducting rail at the opposite end of the paper structure.
  • 4. (Bevorzugte Ausgestaltung) Elektrisch leitendes Papiergefüge nach einer der Klauseln 1 bis 3, wobei die alternierend angeordneten Stellen mit höherer Schichtdicke des Papiers und Stellen mit geringerer Schichtdicke des Papiers des zumindest einen zweiten Flächenbereichs jeweils die Gestalt von Streifen aufweisen, wobei die Streifen in einer zur Längsachse des jeweiligen Streifens senkrecht angeordneten, sogenannten ersten Richtung des Papiergefüges alternierend angeordnet sind.4. (Preferred embodiment) Electrically conductive paper structure according to one of clauses 1 to 3, wherein the alternately arranged locations with a higher layer thickness of the paper and locations with a lower layer thickness of the paper of the at least one second surface region each have the shape of strips, wherein the strips are arranged alternately in a so-called first direction of the paper structure arranged perpendicular to the longitudinal axis of the respective strip.
  • 5. (Bevorzugte Ausgestaltung) Elektrisch leitendes Papiergefüge nach Klausel 4 mit Rückbezug auf Klausel 3, wobei die Längsachse jeder der beiden parallelen Stromleitschienen entlang einer zur ersten Richtung des Papiergefüges senkrecht angeordneten, sogenannten zweiten Richtung des Papiergefüges verläuft.5. (Preferred embodiment) Electrically conductive paper structure according to clause 4 with reference to clause 3, wherein the longitudinal axis of each of the two parallel current conducting rails runs along a so-called second direction of the paper structure arranged perpendicular to the first direction of the paper structure.
  • 6. (Bevorzugte Ausgestaltung) Elektrisch leitendes Papiergefüge nach einer der Klauseln 1 bis 5, wobei das Papiergefüge eine Mehrzahl erster Flächenbereiche und eine Mehrzahl zweiter Flächenbereiche beinhaltet.6. (Preferred embodiment) Electrically conductive paper structure according to one of clauses 1 to 5, wherein the paper structure includes a plurality of first surface regions and a plurality of second surface regions.
  • 7. (Bevorzugte Ausgestaltung) Elektrisch leitendes Papiergefüge nach einer der Klauseln 1 bis 6, wobei bezüglich der alternierend angeordneten Stellen mit höherer Schichtdicke und Stellen mit geringerer Schichtdicke im zumindest einen zweiten Flächenbereich des Papiergefüges das prozentuale Schichtdickenverhältnis der geringeren Schichtdicke bezogen auf die höhere Schichtdicke in einem Bereich von 0% bis 90%, vorzugsweise in einem Bereich von 30% bis 90%, insbesondere bevorzugt in einem Bereich von 40% bis 80%, liegt.7. (Preferred embodiment) Electrically conductive paper structure according to one of clauses 1 to 6, wherein with respect to the alternately arranged locations with higher layer thickness and locations with lower layer thickness in at least one second surface area of the paper structure, the percentage layer thickness ratio of the lower layer thickness based on the higher layer thickness is in a range from 0% to 90%, preferably in a range from 30% to 90%, particularly preferably in a range from 40% to 80%.
  • 8. (Bevorzugte Ausgestaltung) Elektrisch leitendes Papiergefüge nach Klausel 3 oder einer der auf Klausel 3 rückbezogenen Klauseln 4 bis 7, wobei die beiden Stromleitschienen jeweils auf einem kontinuierlichen, elektrisch leitfähigen Faden zur Kontaktierung des elektrisch leitenden Papiergefüges basieren, wobei der Faden von einem Ende bis zum gegenüberliegenden Ende des Papiergefüges eingebettet ist und insbesondere ein Metalldraht, ein Metallfaden, ein Metallband, ein auf einem Trägersubstrat wie etwa eine Kunststofffolie basierender, mit einem Metall beschichteter Faden, ein Laminat aus (Kunststoff-)Folien und Metallfolien, ein Metallgeflecht, ein Zopfgeflecht, ein Gestrick oder ein Lahnband ist.8. (Preferred embodiment) Electrically conductive paper structure according to clause 3 or one of the clauses 4 to 7 referring back to clause 3, wherein the both current conducting rails are each based on a continuous, electrically conductive thread for contacting the electrically conductive paper structure, wherein the thread is embedded from one end to the opposite end of the paper structure and is in particular a metal wire, a metal thread, a metal strip, a thread based on a carrier substrate such as a plastic film and coated with a metal, a laminate of (plastic) films and metal foils, a metal braid, a braided braid, a knitted fabric or a lamella tape.
  • 9. (Bevorzugte Ausgestaltung) Elektrisch leitendes Papiergefüge nach einer der Klauseln 1 bis 8, wobei die alternierend angeordneten Stellen mit höherer Schichtdicke des Papiers und Stellen mit geringerer Schichtdicke des Papiers im zumindest einen zweiten Flächenbereich des Papiergefüges mittels eines partiellen Entfernens von Fasermaterial insbesondere mittels Fräsen oder mittels einer Rundsiebpapiermaschine oder mittels einer Langsiebpapiermaschine oder mittels eines Wasserzeichen-Egoutteurs oder mittels eines Prägezylinders oder mittels eines Moulette-Zylinders erhältlich sind.9. (Preferred embodiment) Electrically conductive paper structure according to one of clauses 1 to 8, wherein the alternately arranged locations with a higher layer thickness of the paper and locations with a lower layer thickness of the paper in at least one second surface area of the paper structure are obtainable by means of a partial removal of fiber material, in particular by means of milling or by means of a round-wire paper machine or by means of a fourdrinier paper machine or by means of a watermark dandy roll or by means of an embossing cylinder or by means of a moulette cylinder.
  • 10. (Zweiter Aspekt der Erfindung) Verfahren zum Herstellen eines elektrisch leitenden Papiergefüges nach einer der Klauseln 1 bis 8, aufweisend:
    • das Bereitstellen einer Stoffsuspension aus cellulosehaltigem Faserstoff und Wasser in einer Papiermaschine;
    • gegebenenfalls das Zugeben wenigstens eines chemischen Additivs;
    • das Zugeben elektrisch leitfähiger Fasern; und
    • das Bilden einer Papierbahn.
    10. (Second aspect of the invention) A method for producing an electrically conductive paper structure according to any one of clauses 1 to 8, comprising:
    • providing a suspension of cellulosic pulp and water in a paper machine;
    • optionally adding at least one chemical additive;
    • adding electrically conductive fibers; and
    • the formation of a paper web.
  • 11. (Bevorzugte Ausgestaltung) Verfahren nach Klausel 10, wobei der Schritt des Bereitstellens einer Stoffsuspension aus cellulosehaltigem Faserstoff und Wasser in einer Rundsiebpapiermaschine erfolgt und der Schritt des Bildens einer Papierbahn das Einführen zweier kontinuierlicher, elektrisch leitfähiger Fäden in die in der Rundsiebpapiermaschine befindliche Stoffsuspension umfasst, wobei die Fäden so an das Rundsieb herangeführt werden, dass während der Bildung der Papierbahn eine Einbettung der Fäden in den Faseraufbau erfolgt, um auf diese Weise Stromleitschienen zu erzeugen.11. (Preferred embodiment) The method according to clause 10, wherein the step of providing a suspension of cellulose-containing pulp and Water in a cylinder mold paper machine and the step of forming a paper web comprises introducing two continuous, electrically conductive threads into the stock suspension in the cylinder mold paper machine, wherein the threads are brought to the cylinder mold in such a way that during the formation of the paper web the threads are embedded in the fiber structure in order to produce current-conducting rails.
  • 12. (Bevorzugte Ausgestaltung) Verfahren nach Klausel 10 oder 11, wobei das Papiergefüge so gebildet wird, dass es sich aus zwei separaten Papierlagen zusammensetzt und die elektrisch leitfähigen Fäden zwischen diesen Papierlagen angeordnet werden.12. (Preferred embodiment) A method according to clause 10 or 11, wherein the paper structure is formed so that it is composed of two separate paper layers and the electrically conductive threads are arranged between these paper layers.
  • 13. (Dritter Aspekt der Erfindung) Verwendung des elektrisch leitenden Papiergefüge nach einer der Klauseln 1 bis 9 als Heizelement, als Element für die elektromagnetische Abschirmung oder als Element für die Signaldetektion.13. (Third aspect of the invention) Use of the electrically conductive paper structure according to any one of clauses 1 to 9 as a heating element, an electromagnetic shielding element or a signal detection element.
Ausführliche Beschreibung der bevorzugten AusführungsformenDetailed Description of the Preferred Embodiments

Elektrisch leitende Papiergefüge können z.B. als Flächenheizung eingesetzt werden. Üblicherweise ist die Flächenleitfähigkeit eines elektrisch leitenden Papiergefüges infolge des Herstellungsprozesses über die Fläche hinweg im Wesentlichen konstant. Bei einem konstanten Abstand der den elektrischen Strom einspeisenden Stromleitschienen führt der konstante Flächenwiderstand des elektrisch leitenden Papiergefüges somit mit Bezug auf die gesamte, mit Strom versorgte Fläche zu einer homogenen Temperatur. Eine lokal begrenzte niedrigere oder höhere Temperatur ist somit nicht möglich, weswegen sowohl die Anwendungsbreite als auch die Energieeffizienz der herkömmlichen elektrisch leitenden Papiergefüge limitiert sind.Electrically conductive paper structures can be used, for example, as surface heating. Usually, the surface conductivity of an electrically conductive paper structure is essentially constant across the surface as a result of the manufacturing process. With a constant distance between the current conducting rails feeding the electrical current, the constant surface resistance of the electrically conductive paper structure leads to a homogeneous temperature with respect to the entire area supplied with electricity. A locally limited lower or higher temperature is therefore not possible. which is why both the application range and the energy efficiency of conventional electrically conductive paper structures are limited.

Die vorliegende Erfindung beruht auf dem Gedanken, ein verbessertes elektrisch leitendes Papiergefüge bereitzustellen, indem die auf dem Gebiet der Banknotenherstellung bekannte Wasserzeichentechnologie sowie weitere geeignete Verfahren zur Steuerung der Papierdicke zum Einsatz kommen. Mithilfe der Technologie zur Herstellung von Wasserzeichen lassen sich im Papier dünnere und dickere Stellen erzeugen. Durch eine lokale Variation der Schichtdicke des Papiers z.B. parallel zu zwei den elektrischen Strom einspeisenden Stromleitschienen steigt der elektrische Widerstand des elektrisch leitenden Papiergefüges, d.h. der elektrische Widerstand des Papiers lässt sich gewissermaßen durch eine lokale Umverteilung des Papiermaterials steigern. Auf diese Weise lässt sich die Wärmeentstehung lokal verändern und für verschiedene Anwendungen vorteilhaft nutzen. Beispielsweise ist es möglich, eine Flächenheizung so bereitzustellen, dass einerseits erste Flächenbereiche mit konstanter Schichtdicke des Papiers vorliegen und andererseits zweite Flächenbereiche vorliegen, die sowohl dünne Papierstellen als auch dicke Papierstellen aufweisen. Im Falle des Einspeisens von elektrischem Strom heizen sich die glatten und unstrukturierten ersten Flächenbereiche etwas stärker auf als die unregelmäßigen und strukturierten zweiten Flächenbereiche, d.h. die zweiten Flächenbereiche bleiben im Falle der Inbetriebnahme des elektrisch leitenden Papiergefüges etwas kühler als die ersten Flächenbereiche.The present invention is based on the idea of providing an improved electrically conductive paper structure by using the watermark technology known in the field of banknote production and other suitable methods for controlling the paper thickness. With the help of the technology for producing watermarks, thinner and thicker areas can be created in the paper. By locally varying the layer thickness of the paper, e.g. parallel to two current conducting rails feeding the electrical current, the electrical resistance of the electrically conductive paper structure increases, i.e. the electrical resistance of the paper can be increased to a certain extent by locally redistributing the paper material. In this way, the heat generation can be changed locally and used advantageously for various applications. For example, it is possible to provide surface heating in such a way that, on the one hand, there are first surface areas with a constant layer thickness of the paper and, on the other hand, there are second surface areas that have both thin paper areas and thick paper areas. When electrical current is fed in, the smooth and unstructured first surface areas heat up somewhat more than the irregular and structured second surface areas, i.e. the second surface areas remain somewhat cooler than the first surface areas when the electrically conductive paper structure is put into operation.

Auf Grundlage der lokalen Variation des elektrischen Widerstands im Papier bieten sich vielfältige Anwendungsmöglichkeiten:

  • Die Heizleistung des elektrisch leitenden Papiergefüges kann auf spezielle Bereiche fokussiert werden, in denen die Wärme gewünscht ist. Entsprechend kann die Heizleistung des elektrisch leitenden Papiergefüges in weiteren Bereichen reduziert werden, um auf diese Weise die Energieeffizienz zu steigern.
  • Eine lokal unterschiedliche elektromagnetische Abschirmwirkung des elektrisch leitenden Papiergefüges kann bewerkstelligt werden, sodass besondere Antennenstrukturen oder dergleichen realisierbar sind.
  • Optische Muster, insbesondere Flächenbereiche, die sowohl dünne Papierstellen als auch dicke Papierstellen aufweisen, sind z.B. mittels IR-Strahlung erkennbar, sodass auf diese Weise versteckte Sicherheitsmerkmale oder Produktkennungen erzeugbar sind.
  • Im Bereich der den Strom einspeisenden Stromleitschienen kann das Papiermaterial ggf. mindestens zum Teil entfernt werden, sodass z.B. im Zuge eines Aufwickelns des elektrisch leitenden Papiergefüges zu einem Rollenmaterial eine zu hohe Wellenbildung oder Faltenbildung in bestimmten Bereichen vermieden werden kann.
Based on the local variation of the electrical resistance in the paper, a wide range of applications are possible:
  • The heating power of the electrically conductive paper structure can be adjusted to specific Areas where heat is required can be focused on. Accordingly, the heating power of the electrically conductive paper structure can be reduced in other areas in order to increase energy efficiency.
  • A locally different electromagnetic shielding effect of the electrically conductive paper structure can be achieved, so that special antenna structures or the like can be realized.
  • Optical patterns, especially surface areas that have both thin and thick paper areas, can be recognized using IR radiation, for example, so that hidden security features or product identifiers can be created in this way.
  • In the area of the current conducting rails that feed the current, the paper material can be removed at least in part if necessary, so that, for example, when the electrically conductive paper structure is wound up into a roll material, excessive corrugation or wrinkling in certain areas can be avoided.

Das erfindungsgemäße elektrisch leitende Papiergefüge umfasst cellulosehaltige Faserstoffe und elektrisch leitfähige Fasern, insbesondere Carbonfasern, wobei das Papiergefüge zumindest einen ersten Flächenbereich und zumindest einen zweiten Flächenbereich beinhaltet, wobei der zumindest eine erste Flächenbereich des Papiergefüges eine im Wesentlichen konstante Schichtdicke aufweist und der zumindest eine zweite Flächenbereich des Papiergefüges alternierend angeordnete Stellen mit höherer Schichtdicke und Stellen mit geringerer Schichtdicke aufweist, sodass der zumindest eine zweite Flächenbereich des Papiergefüges verglichen mit dem zumindest einen ersten Flächenbereich des Papiergefüges über einen höheren elektrischen Widerstand verfügt. Insbesondere im Falle einer Versorgung des Papiergefüges mit elektrischem Strom erhitzt sich der zumindest eine erste Flächenbereich des Papiergefüges stärker als der zumindest eine zweite Flächenbereich des Papiergefüges.The electrically conductive paper structure according to the invention comprises cellulose-containing fiber materials and electrically conductive fibers, in particular carbon fibers, wherein the paper structure comprises at least one first surface area and at least one second surface area, wherein the at least one first surface area of the paper structure has a substantially constant layer thickness and the at least one second surface area of the paper structure has alternating locations with a higher layer thickness and locations with a lower layer thickness, so that the at least one second surface area of the paper structure has a higher electrical resistance compared to the at least one first surface area of the paper structure. In particular in the case of a supply of the paper structure With electric current, the at least one first surface area of the paper structure heats up more than the at least one second surface area of the paper structure.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist das elektrisch leitende Papiergefüge zwei für das Einbringen von elektrischem Strom in das Papiergefüge geeignete Stromleitschienen auf, wobei die beiden Stromleitschienen parallel angeordnet sind, d.h. eine Stromleitschiene an einem Ende des Papiergefüges und die weitere Stromleitschiene an dem gegenüber liegenden Ende des Papiergefüges. Die Formulierung "am Ende des Papiergefüges" ist dabei weit zu verstehen, d.h. es muss nicht zwangsläufig eine endständige Anordnung der jeweiligen Stromleitschiene vorliegen, sondern die entsprechende Stromleitschiene kann auch im Wesentlichen am Ende des Papiergefüges angeordnet sein. Die jeweilige Stromleitschiene kann z.B. auf einem kontinuierlichen, elektrisch leitfähigen Faden zur Kontaktierung des elektrisch leitenden Papiergefüges basieren, wobei der Faden von einem Ende bis zum gegenüberliegenden Ende des Papiergefüges eingebettet ist und insbesondere ein Metalldraht, ein Metallfaden, ein Metallband, ein auf einem Trägersubstrat wie etwa eine Kunststofffolie basierender, mit einem Metall beschichteter Faden, ein Laminat aus (Kunststoff-)Folien und Metallfolien, ein Metallgeflecht, ein Zopfgeflecht, ein Gestrick oder ein Lahnband ist.According to a preferred embodiment, the electrically conductive paper structure has two current conducting rails suitable for introducing electrical current into the paper structure, the two current conducting rails being arranged in parallel, i.e. one current conducting rail at one end of the paper structure and the other current conducting rail at the opposite end of the paper structure. The wording "at the end of the paper structure" is to be understood broadly, i.e. the respective current conducting rail does not necessarily have to be arranged at the end, but the corresponding current conducting rail can also be arranged essentially at the end of the paper structure. The respective current conducting rail can, for example, be based on a continuous, electrically conductive thread for contacting the electrically conductive paper structure, wherein the thread is embedded from one end to the opposite end of the paper structure and is in particular a metal wire, a metal thread, a metal strip, a thread coated with a metal based on a carrier substrate such as a plastic film, a laminate of (plastic) films and metal foils, a metal braid, a braided braid, a knitted fabric or a lamella tape.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weisen die alternierend angeordneten Stellen mit höherer Schichtdicke des Papiers und Stellen mit geringerer Schichtdicke des Papiers des zumindest einen zweiten Flächenbereichs jeweils die Gestalt von Streifen auf, wobei die Streifen in einer zur Längsachse des jeweiligen Streifens senkrecht angeordneten, sogenannten ersten Richtung des Papiergefüges alternierend angeordnet sind. Dabei wird insbesondere bevorzugt, dass die Längsachse jeder der beiden parallelen Stromleitschienen entlang einer zur ersten Richtung des Papiergefüges senkrecht angeordneten, sogenannten zweiten Richtung des Papiergefüges verläuft. Die einzelnen Streifen weisen jeweils eine bevorzugte Breite in einem Bereich von 1 mm bis 20 mm, weiter bevorzugt in einem Bereich von 3 mm bis 10 mm und insbesondere bevorzugt in einem Bereich von 5 mm bis 7 mm auf.According to a further preferred embodiment, the alternately arranged locations with a higher layer thickness of the paper and locations with a lower layer thickness of the paper of the at least one second surface area each have the shape of strips, wherein the strips are arranged alternately in a so-called first direction of the paper structure arranged perpendicular to the longitudinal axis of the respective strip. It is particularly preferred that the longitudinal axis of each of the two parallel current conducting rails runs along a so-called second direction of the paper structure that is arranged perpendicular to the first direction of the paper structure. The individual strips each have a preferred width in a range from 1 mm to 20 mm, more preferably in a range from 3 mm to 10 mm and particularly preferably in a range from 5 mm to 7 mm.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform beinhaltet das elektrisch leitende Papiergefüge eine Mehrzahl erster Flächenbereiche und eine Mehrzahl zweiter Flächenbereiche.According to a further preferred embodiment, the electrically conductive paper structure includes a plurality of first surface regions and a plurality of second surface regions.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das elektrisch leitende Papiergefüge so beschaffen, dass bezüglich der alternierend angeordneten Stellen mit höherer Schichtdicke und Stellen mit geringerer Schichtdicke im zumindest einen zweiten Flächenbereich des Papiergefüges das prozentuale Schichtdickenverhältnis der geringeren Schichtdicke bezogen auf die höhere Schichtdicke in einem Bereich von 0% bis 90%, weiter bevorzugt in einem Bereich von 30% bis 90% und insbesondere bevorzugt in einem Bereich von 40% bis 80% liegt.According to a further preferred embodiment, the electrically conductive paper structure is designed such that, with regard to the alternately arranged locations with a higher layer thickness and locations with a lower layer thickness in at least one second surface area of the paper structure, the percentage layer thickness ratio of the lower layer thickness relative to the higher layer thickness is in a range from 0% to 90%, more preferably in a range from 30% to 90% and particularly preferably in a range from 40% to 80%.

Die alternierend angeordneten Stellen mit höherer Schichtdicke des Papiers und Stellen mit geringerer Schichtdicke des Papiers im zumindest einen zweiten Flächenbereich des Papiergefüges sind insbesondere mittels eines partiellen Entfernens von Fasermaterial, z.B. mittels Fräsen oder mittels einer Rundsiebpapiermaschine oder mittels einer Langsiebpapiermaschine oder mittels eines Wasserzeichen-Egoutteurs oder mittels eines Prägezylinders oder mittels eines Moulette-Zylinders erhältlich.The alternately arranged areas with a higher layer thickness of the paper and areas with a lower layer thickness of the paper in at least one second surface area of the paper structure are obtainable in particular by means of a partial removal of fiber material, e.g. by means of milling or by means of a round-wire paper machine or by means of a fourdrinier paper machine or by means of a watermark dandy roll or by means of an embossing cylinder or by means of a moulette cylinder.

Das erfindungsgemäße elektrisch leitende Papiergefüge wird vorzugsweise mittels einer Rundsiebtechnologie hergestellt. Auf diese Weise ist es grundsätzlich möglich, variierende Faserzusammensetzungen zu verarbeiten. Es ist zweckmäßig, den cellulosehaltigen Faserstoffen elektrisch leitfähige Kurzschnittfasern, insbesondere Carbonfasern, beizumischen. Die elektrisch leitfähigen Kurzschnittfasern weisen insbesondere eine Faserlänge im Bereich von 3 bis 6 mm auf. Die Menge, in der die elektrisch leitfähigen Kurzschnittfasern beigemischt werden, wird zweckmäßigerweise so gewählt, dass genügend Faser-zu-Faser-Kontakte gegeben sind und somit ein geeigneter elektrischer Stromfluss gewährleistet ist. Das elektrisch leitende Papiergefüge kann weitere natürliche und/oder synthetische Faserstoffe, gegebenenfalls chemische Additive und gegebenenfalls Restfeuchte enthalten. Des Weiteren kann die elektrische Leitfähigkeit nicht nur durch elektrisch leitfähige Kurzschnittfasern, insbesondere Carbonfasern oder metallische Kurzschnittfasern, sondern auch durch Zugabe von Kohlenstoffpartikeln oder Carbon-Nanotubes erzielt werden.The electrically conductive paper structure according to the invention is preferably produced using a round screen technology. In this way, it is fundamentally possible to process varying fiber compositions. It is expedient to add electrically conductive short-cut fibers, in particular carbon fibers, to the cellulose-containing fiber materials. The electrically conductive short-cut fibers in particular have a fiber length in the range of 3 to 6 mm. The amount in which the electrically conductive short-cut fibers are added is expediently selected so that sufficient fiber-to-fiber contacts are provided and thus a suitable electrical current flow is ensured. The electrically conductive paper structure can contain other natural and/or synthetic fiber materials, optionally chemical additives and optionally residual moisture. Furthermore, the electrical conductivity can be achieved not only by electrically conductive short-cut fibers, in particular carbon fibers or metallic short-cut fibers, but also by adding carbon particles or carbon nanotubes.

Die Rundsiebtechnologie ermöglicht es, einen kontinuierlichen, leitfähigen Faden in den Kern des elektrisch leitenden Papiergefüges einzubetten, sodass das elektrisch leitende Papiergefüge von einem Ende bis zum gegenüberliegenden Ende mit dem kontinuierlichen, leitfähigen Faden durchzogen ist, siehe z.B. die WO 2020/224800 A1 . Der auf diese Weise in das elektrisch leitende Papiergefüge eingebettete, kontinuierliche, leitfähige Faden stellt somit eine bevorzugte Stromleitschiene bzw. einen Kontaktfaden dar. Der Begriff "Kontaktfaden" ist hierin als Faden zur Kontaktierung des elektrisch leitenden Papiergefüges zu verstehen, der innerhalb des elektrisch leitenden Papiergefüges an vielen Stellen direkt mit den darin enthaltenen elektrisch leitfähigen (Kurzschnitt-)Fasern, Kohlenstoffpartikeln und/oder Carbon-Nanotubes leitfähig verbunden ist. Der in das elektrisch leitende Papiergefüge eingebettete Kontaktfaden ist bezüglich seiner Anordnung im Papier insbesondere einem in ein Banknotenpapier eingebetteten Sicherheitsfaden vergleichbar. Zweckmäßigerweise wird nicht lediglich ein kontinuierlicher, leitfähiger Faden in das elektrisch leitenden Papiergefüges eingebracht, sondern es wird mit Vorteil eine Mehrzahl kontinuierlicher, leitfähiger Fäden in das elektrisch leitende Papiergefüge eingebracht. Die Kontaktfäden ermöglichen einerseits eine leichte Kontaktierung an den Enden der Fäden und stellen andererseits durch ihre Einbringung über die gesamte Fläche des elektrisch leitenden Papiergefüges hinweg eine ortsnahe Stromversorgung aller Bereiche her. Die Kontaktfäden erfüllen somit in besonders vorteilhafter Weise eine Doppelfunktion. Das erfindungsgemäße, mit Kontaktfäden versehene, elektrisch leitende Papiergefüge zeichnet sich darüber hinaus durch seine Robustheit und Langzeitbeständigkeit aus.The cylinder 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 permeated with the continuous, conductive thread from one end to the opposite end, see e.g. the WO 2020/224800 A1 . The continuous, conductive thread embedded in the electrically conductive paper structure in this way thus represents a preferred current conducting rail or a contact thread. The term "contact thread" is to be understood here as a thread for contacting the electrically conductive paper structure, which within the electrically conductive paper structure is directly in contact at many points with the electrically conductive (short-cut) fibers, carbon particles and/or Carbon nanotubes are conductively connected. The contact thread embedded in the electrically conductive paper structure is comparable in terms of its arrangement in the paper, in particular, to a security thread embedded in banknote paper. It is expedient not to introduce just one continuous, conductive thread into the electrically conductive paper structure, but rather to advantageously introduce a plurality of continuous, conductive threads into the electrically conductive paper structure. On the one hand, the contact threads enable easy contact at the ends of the threads and, on the other hand, by introducing them over the entire surface of the electrically conductive paper structure, they establish a local power supply to all areas. The contact threads thus fulfill a dual 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.

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.The cellulose-containing fiber materials that can be used for the electrically conductive paper structure according to the invention can be selected, for example, from fiber materials of natural origin or from synthetic fiber materials. Cellulosic fiber materials of natural origin include, for example, wood fibers, semi-cellulose, thermomechanical pulp, cotton fibers, chemically digested cellulose such as sulfate or sulfite pulp, wood pulp, chemically modified wood pulp, recycled fiber materials and combinations of two or more of the above-mentioned elements.

Den cellulosehaltigen Faserstoffen werden leitfähige Materialien, insbesondere leitfähige Fasern, wie etwa Carbonfasern bzw. Kohlenstofffasern, metallische (Kurzschnitt-)Fasern oder metallisierte Kunststofffasern, und/oder leitfähige Partikel, wie etwa Kohlenstoffpartikel, Carbon-Nanotubes oder Fullerene, zugesetzt. Beispielsweise kann der Anteil an elektrisch leitfähigen Kurzschnittfasern, die mit Bezug auf die cellulosehaltigen Faserstoffe beigemischt werden, je nach Anwendung insbesondere in einem Bereich von wenigen Gewichtsprozent (Gew.-%) bis 50 Gew.-% oder mehr variieren. Zweckmäßigerweise werden so viele leitfähige Fasern beigemengt, dass die sogenannte Perkolationsschwelle überschritten wird, um eine ausreichende Leitfähigkeit sicherzustellen. Demzufolge ist ein ausreichendes Netzwerk an leitfähigen Fasern nötig, sodass der elektrische Stromfluss gewährleistet ist.Conductive materials, in particular conductive fibers, such as carbon fibers, metallic (short-cut) fibers or metallized plastic fibers, and/or conductive particles, such as carbon particles, carbon nanotubes or fullerenes, are added to the cellulose-containing fibers. For example, the proportion of electrically conductive Short-cut fibers that are added to the cellulose-containing fibers, depending on the application, vary in a range from a few percent by weight (wt.%) to 50 wt.% or more. It is advisable to add enough conductive fibers to exceed the so-called percolation threshold in order to ensure sufficient conductivity. As a result, a sufficient network of conductive fibers is required to ensure the flow of electrical current.

Den cellulosehaltigen Faserstoffen werden als leitfähige Materialien insbesondere Carbonfasern bzw. Kohlenstofffasern beigemischt. Unter Kohlenstofffasern werden vorzugsweise industriell erzeugte Fasern, die aus kohlenstoffhaltigem Material gebildet und z.B. durch Pyrolyse in eine graphitartige Kohlenstoffanordnung umgewandelt werden, verstanden. Solche Fasern können isotrop oder anisotrop erzeugt werden und haben meist einen Durchmesser in einem Bereich von 5 µm bis 8 µm. Diese Einzelfasern werden bei der Verarbeitung zu Bündel (Roving) mit 1000 bis 400 000 Einzelfasern zusammengefasst und können dann weiterverarbeitet werden. Kohlenstofffasern sind sowohl elektrisch, als auch thermisch gut leitfähig. Darüber hinaus werden als Kohlenstofffasern Faserstoffe aus einer Gruppe verstanden, die hochfeste Kohlenstofffasern, hochsteife Kohlenstofffasern und/oder hochfeste Kohlenstofffasern aufweist. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Anteil an Kohlenstofffasern in dem Papiergefüge (bei kontrollierten klimatischen Bedingungen von 23 °C und 50 % rel. Luftfeuchtigkeit) in einem Bereich von 5 Gew.-% bis 20 Gew.-%, insbesondere in einem Bereich von 10 Gew.-% bis 15 Gew.-%. Hierbei ist auch zu berücksichtigen, dass mit der Zunahme des Anteils an primären und/oder wiederaufbereiteten Kohlenstofffasern der spezifische Widerstand des hiermit gebildeten Papiergefüges unter Umständen abnimmt und die Leitfähigkeit des so gebildeten Papiers zunimmt. Vorteil eines erhöhten Anteils an Kohlenstofffasern im Papiergefüge sind unter anderem eine verbesserte Leitfähigkeit, die Reduzierung des elektrischen Widerstandes im Blatt- bzw. Papiergefüge und die damit verbundene höhere Leistungsaufnahme. Der Papierfaserstoff kann beispielsweise auf cellulosischen Fasern, z.B. Baumwollfasern, basieren, wobei ggf. synthetische Fasern (z.B. Polyethylenterephthalat(PET)-Fasern, Bikomponentenfasern, Polymilchsäure(PLA)-Fasern) beigemengt sind. Der Papierfaserstoff kann ggf. durch eine gezielte Mahlung (z.B. Holländermahlung) gezielt fibrilliert werden, um auf diese Weise ein besonders hohes Festigkeitspotential für das zu erzeugende Papiergefüge bereitzustellen. Der spezifische Widerstand des erfindungsgemäßen Papiergefüges liegt z.B. im Bereich von 10-2 Ωm bis 10-5 Ωm.Carbon fibers in particular are added to the cellulose-containing fibers as conductive materials. Carbon fibers are preferably understood to be industrially produced fibers that are made from carbon-containing material and converted into a graphite-like carbon structure, for example by pyrolysis. Such fibers can be produced isotropically or anisotropically and usually have a diameter in the range of 5 µm to 8 µm. During processing, these individual fibers are combined into bundles (roving) with 1,000 to 400,000 individual fibers and can then be processed further. Carbon fibers are good electrical and thermal conductors. In addition, carbon fibers are understood to be fibers from a group that includes high-strength carbon fibers, high-stiffness carbon fibers and/or high-strength carbon fibers. According to a further preferred embodiment of the present invention, the proportion of carbon fibers in the paper structure (under controlled climatic conditions of 23 °C and 50% relative humidity) is in a range from 5% to 20% by weight, in particular in a range from 10% to 15% by weight. It should also be taken into account that with the increase in the proportion of primary and/or recycled carbon fibers, the specific resistance of the paper structure formed thereby may decrease. and the conductivity of the paper thus formed increases. The advantages of an increased proportion of carbon fibers in the paper structure include improved conductivity, a reduction in electrical resistance in the sheet or paper structure and the associated higher power consumption. The paper fiber can be based on cellulosic fibers, e.g. cotton fibers, with synthetic fibers (e.g. polyethylene terephthalate (PET) fibers, bicomponent fibers, polylactic acid (PLA) fibers) optionally mixed in. The paper fiber can be fibrillated in a targeted manner by means of targeted grinding (e.g. Dutch grinding) in order to 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 Ωm to 10 -5 Ωm.

Dem erfindungsgemäßen elektrisch leitenden Papiergefüge können gegebenenfalls chemische Additive hinzugefügt werden, die z.B. aus einer Gruppe ausgewählt werden, welche insbesondere Retentionsmittel, Entwässerungshilfsmittel, Retentionsmittel-Dual-Systeme oder Mikropartikelsysteme, Nass- und Trockenverfestiger, Leimungsmittel, Füllstoffe und/ oder Pigmente, insbesondere aus einer Gruppe von Talkum, Titandioxid, Aluminiumhydroxid, Bentonit, Bariumsulfat, Calciumcarbonat, Kaolin ausgewählt, Entschäumer, Entlüfter, Biozide, Enzyme, Bleichhilfsmittel, optische Aufheller, Farbstoffe, Nuancierfarbstoffen, Störstofffänger, Fällungsmittel (Fixiermittel), Benetzungsmittel, pH-Regulatoren umfasst. Alternativ oder in Kombination kann das chemische Additiv auch aus einer Gruppe von vorzugsweise wasserlöslichen Polymeren ausgewählt werden, welche insbesondere aminhaltige Polymere, Polyethylenimin, Pyrolidin, Polyamide, Polyacrylamid, Aridin, Proteine, Peptide, polyetherhaltige Polymere, insbesondere Polyethylenoxid, Polyether, hydroxylgruppenhaltige Polymere, insbesondere Stärke, Carboxymethylcellulose, Polyvinylalkohol, geladene Polymere, insbesondere kationische Polymere, insbesondere kationische Stärke, Maisstärke, Kartoffelstärke, Weizenstärke, Reisstärke, ammoniumgruppenhaltige Polymere, anionische Polymere, insbesondere anionisch modifizierte Polyacrylamide, sulfonisierte Polymere, anorganische Salze mit hoher Ladungsdichte, insbesondere Aluminiumsalze, Aluminium(III)Chloride, Aluminiumsulfat, Natriumaluminat, anorganische, geladene Partikel/ Pigmente, insbesondere Bentonit, Montmorillonit, Natriumsilikat, Naßverfestiger, insbesondere Epichlorhydrinharze, Glyoxal, Zirkoniumsalze, Zirkoncarbonat, Kombination aus anionischen Polymeren und kationisch modifiziertem Pigmenten, Hilfsmittel zur Reduzierung des Entflammpunktes, Kombinationen hiervon und dergleichen umfasst. Des Weiteren können bei Bedarf Oberflächenleime hinzugefügt werden, z.B. auf Basis von Acrylaten, Styrolacrylaten, Polyurethanen oder Mischpolymeren aus Acrylaten und Polyurethanen.Chemical additives can optionally be added to the electrically conductive paper structure according to the invention, which are selected, for example, from a group which includes in particular retention agents, drainage aids, retention agent dual systems or microparticle systems, wet and dry strength agents, sizing agents, fillers and/or pigments, in particular selected from a group of talc, titanium dioxide, aluminum hydroxide, bentonite, barium sulfate, calcium carbonate, kaolin, defoamers, deaerators, biocides, enzymes, bleaching aids, optical brighteners, dyes, shading dyes, impurity scavengers, precipitants (fixing agents), wetting agents, pH regulators. Alternatively or in combination, the chemical additive can also be selected from a group of preferably water-soluble polymers, which include in particular amine-containing polymers, polyethyleneimine, pyrolydine, polyamides, polyacrylamide, aridine, proteins, peptides, polyether-containing polymers, in particular polyethylene oxide, polyethers, hydroxyl-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 epichlorohydrin resins, glyoxal, zirconium salts, zirconium carbonate, combinations of anionic polymers and cationically modified pigments, aids for reducing the flash point, combinations thereof and the like. Furthermore, surface adhesives can be added if required, e.g. based on acrylates, styrene acrylates, polyurethanes or mixed polymers of acrylates and polyurethanes.

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.According to a further particularly preferred embodiment, 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 .

Das erfindungsgemäße Papiergefüge weist ferner z.B. eine Leistungsaufnahme auf, welche im Bereich von 50 W/m2 bis 5000 W/m2 liegt. Hierbei ist auf der Oberfläche des Papiergefüges z.B. eine Temperatur im Bereich von 15 °C bis z.B. 180 °C erzielbar.The paper structure according to the invention further has, for example, a power consumption which is in the range from 50 W/m 2 to 5000 W/m 2 . In this case, a temperature in the range from 15 °C to 180 °C can be achieved on the surface of the paper structure.

Das erfindungsgemäße, elektrisch leitende Papiergefüge kann zur Steuerung der gewünschten Eigenschaften mit zusätzlichen Armierungsfasern versehen werden. Zusätzlich ist eine Oberflächenleimung oder eine Oberflächenimprägnierung möglich.The electrically conductive paper structure according to the invention can be provided with additional reinforcing fibers to control the desired properties. In addition, surface sizing or surface impregnation is possible.

Mit Bezug auf die Stromleitschienen, insbesondere (Kontakt-)Fäden, sind unterschiedliche Ausführungen denkbar. Wichtig bei allen Ausführungen ist, dass ein Kontakt zu den im Papiergefüge befindlichen, leitfähigen Komponenten, insbesondere metallische Fasern und/oder Carbonfasern, sichergestellt ist. Im einfachsten Fall kann ein metallischer Faden, z.B. aus gewalztem Metall, ein Metallband oder ein Metalldraht verwendet werden, wobei das Metall insbesondere von einem gut leitfähigen Metall wie etwa Silber, Kupfer, Gold, Aluminium, Wolfram, Eisen oder dergleichen oder einer Legierung eines oder mehrerer der vorstehend genannten Elemente gewählt ist. Des Weiteren ist aber auch die Verwendung eines metallisierten Fadens möglich, z.B. die Verwendung eines auf einer Kunststoffträgerfolie als Trägersubstrat basierenden, mit einem gut leitfähigen Metall wie etwa Silber, Kupfer, Gold, Aluminium, Wolfram, Eisen oder dergleichen metallisierten Fadens. Als Kunststoffträgerfolie kann insbesondere Polyethylenterephthalat (PET) verwendet werden. Des Weiteren kann als (Kontakt-)Faden eine metallisierte Folie oder ein Laminat aus Folien und gewalzten Metallfolien verwendet werden. Eine besonders zuverlässige Kontaktierung mittels Crimp-Kontakten oder ZIF-Steckverbindern (ZIF = Zero Insertion Force) ist mit rein metallischen Fäden, die als Metallband, z.B. mit einer Breite in einem Bereich von 2 bis 5 mm, ausgeführt sind, denkbar. Eine erhöhte Metalldicke verbessert dabei den dauerhaften Kontakt. Metallisierte Fäden dieser Art können zur besseren Fixierung des Kontaktfadens im elektrisch leitenden Papiergefüge zusätzlich, zumindest einseitig, mit einem Klebstoff ausgestattet sein, der mit Vorteil ein leitfähiger Klebstoff ist. Weiterhin ist es möglich, dass der im elektrisch leitenden Papiergefüge eingebettete (Kontakt-)Faden im Bereich der Kontaktierungsstelle partiell freiliegt, wie es im Banknotenbereich bei sogenannten Fensterfäden der Fall ist.Different designs are conceivable with regard to the current conducting rails, in particular (contact) threads. It is important in all designs that contact is ensured with the conductive components in the paper structure, in particular metallic fibers and/or carbon fibers. In the simplest case, a metallic thread, e.g. made of rolled metal, a metal strip or a metal wire can be used, the metal being selected in particular from a highly conductive metal such as silver, copper, gold, aluminum, tungsten, iron or the like or an alloy of one or more of the aforementioned elements. Furthermore, the use of a metallized thread is also possible, e.g. 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. Polyethylene terephthalate (PET) in particular can be used as the plastic carrier film. Furthermore, a metallized film or a laminate made of films and rolled metal films can be used as the (contact) thread. A particularly reliable contact using crimp contacts or ZIF connectors (ZIF = Zero Insertion Force) is possible with purely metallic threads that are designed as a metal strip, e.g. with a width in the range of 2 to 5 mm. An increased metal thickness improves the permanent contact. Metallized threads of this type can also be provided with an adhesive, at least on one side, to better fix the contact thread in the electrically conductive paper structure. This adhesive is preferably a conductive adhesive. It is also 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 banknotes.

Weiterhin können die (Kontakt-)Fäden zusätzlich an der Oberseite mit einer Schutzschicht oder Schutzfolie versehen sein, die nach Bedarf im Kontaktierungsbereich, d.h. im Fensterbereich, entfernt wird.Furthermore, the (contact) threads can additionally be provided with a protective layer or protective film on the upper side, which can be removed as required in the contact area, i.e. in the window area.

Der Begriff (Kontakt-)Faden ist nicht zwangsläufig auf die alleinige Ausgestaltung als (eher schmaler) Faden beschränkt, der z.B. eine Breite von 2 mm oder weniger aufweist, sondern Ausgestaltungen wie (eher breite) Streifen oder Bänder sind ebenfalls denkbar, die z.B. eine Breite von 4 mm bis 20 mm, oder sogar eine Breite bis 30 mm, aufweisen. Grundsätzlich ist es ebenfalls denkbar, dass als (Kontakt-)Faden ein einfacher leitfähiger Metalldraht oder ein Metallgeflecht verwendet wird. Auch Ausführungsvarianten wie z.B. Flachlitzen, Zopfgeflechte, Gestricke, Lahnbänder und dergleichen sind möglich. Die Dicke des (Kontakt-)Fadens kann z.B. in einem Bereich von 10 bis 300 µm, bevorzugt in einem Bereich von 10 bis 200 µm, weiter bevorzugt in einem Bereich von 10 bis 100 µm und insbesondere bevorzugt in einem Bereich von 10 bis 50 µm gewählt werden.The term (contact) thread is not necessarily limited to the sole design as a (rather narrow) thread, which for example has a width of 2 mm or less, but designs such as (rather wide) strips or bands are also conceivable, which for example have a width of 4 mm to 20 mm, or even a width of up to 30 mm. In principle, it is also conceivable that a simple conductive metal wire or a metal braid is used as the (contact) thread. Design variants such as flat strands, braids, knitted fabrics, lamella tapes and the like are also possible. The thickness of the (contact) thread can be selected, for example, in a range from 10 to 300 µm, preferably in a range from 10 to 200 µm, more preferably in a range from 10 to 100 µm and particularly preferably in a range from 10 to 50 µm.

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.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 greater than two) contact threads serving as electrodes. The printing, ie the provision of the printed conductor tracks, can be carried out, for example, by means of a screen printing process. As conductive paints that produce the conductive pattern, aqueous screen printing inks based on soot particles, silver particles or other particles that produce conductivity can be used, for example. The conductive pattern of printed conductor tracks is expediently produced in such a pattern that the distances between two of the two electrodes are approximately similar in all areas. is. According to a preferred variant, 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) where the contact threads are partially exposed. The measure of 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, a current required for the respective application, e.g. a heater, can be achieved 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 suitably adapting the dimension of the conductive fibers and the printed, conductive pattern, the percolation threshold can even be reduced. The latter describes the minimum proportion of conductive fibers that are necessary to achieve a continuously 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 expensive conductive fibers. A lower operating voltage also reduces the cost, e.g. for the control electronics, and increases work safety.

Das elektrisch leitende Papiergefüge kann insbesondere mittels Klebekontakte oder sogenannter Crimpkontakte mit einer Stromquelle verbunden werden.The electrically conductive paper structure can be connected to a power source in particular by means of adhesive contacts or so-called crimp contacts.

Das elektrisch leitende Papiergefüge kann insbesondere ein einlagiges Papiergefüge sein. In einer besonderen Ausführungsvariante ist das elektrisch leitende Papiergefüge ein mehrlagiges Papiergefüge, das insbesondere mittels eines Kaschierens erzeugt wird. Gegebenenfalls können die Stromleitschienen zwischen den einzelnen Lagen des mehrlagigen Papiergefüges vorliegen.The electrically conductive paper structure can in particular be a single-layer paper structure. In a special embodiment, the electrically conductive paper structure is a multi-layer paper structure, which is in particular of lamination. If necessary, the current conducting rails can be present between the individual layers of the multi-layer paper structure.

Die vorliegende Erfindung umfasst weiterhin ein Verfahren zum Herstellen eines elektrisch leitenden Papiergefüges, aufweisend:

  • das Bereitstellen einer Stoffsuspension aus cellulosehaltigem Faserstoff und Wasser in einer Papiermaschine, insbesondere eine Rundsiebpapiermaschine oder eine Langsiebpapiermaschine;
  • gegebenenfalls das Zugeben wenigstens eines chemischen Additivs;
  • das Zugeben elektrisch leitfähiger Fasern; und
  • das Bilden einer Papierbahn.
The present invention further comprises a method for producing an electrically conductive paper structure, comprising:
  • providing a stock suspension of cellulosic fiber and water in a paper machine, in particular a cylinder wire paper machine or a fourdrinier wire paper machine;
  • optionally adding at least one chemical additive;
  • adding electrically conductive fibers; and
  • the formation of a paper web.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt der Schritt des Bereitstellens einer Stoffsuspension aus cellulosehaltigem Faserstoff und Wasser in einer Rundsiebpapiermaschine, wobei der Schritt des Bildens einer Papierbahn insbesondere das Einführen zweier kontinuierlicher, elektrisch leitfähiger Fäden in die in der Rundsiebpapiermaschine befindliche Stoffsuspension umfasst, wobei die Fäden so an das Rundsieb herangeführt werden, dass während der Bildung der Papierbahn eine Einbettung der Fäden in den Faseraufbau erfolgt, um auf diese Weise Stromleitschienen zu erzeugen.According to a preferred embodiment, the step of providing a stock suspension of cellulose-containing fiber material and water takes place in a cylinder-forming paper machine, wherein the step of forming a paper web comprises in particular the introduction of two continuous, electrically conductive threads into the stock suspension located in the cylinder-forming paper machine, wherein the threads are guided to the cylinder-forming machine in such a way that during the formation of the paper web the threads are embedded in the fiber structure in order to produce current-conducting rails in this way.

Die Rundsiebtechnologie ist z.B. aus dem Bereich der Herstellung von Banknotenpapier bekannt, siehe z.B. die EP 0 279 880 A1 und die EP 0 492 407 A1 . Bei Rundsiebanlagen wird der Faden in die Pulpe eingeführt und an das Sieb derart herangeführt, dass während der Blattbildung eine Einbettung des Fadens in den Faseraufbau erfolgt. Der Faden kann dabei vollständig in das Papiergefüge eingebettet werden, sodass der Faden für den Betrachter weder von der Vorderseite, noch von der Rückseite sichtbar ist. Der Faden kann aber auch so eingebettet werden, dass er nach dem Einbetten in das Papiergefüge auf einer Seite frei zugänglich vorliegt. Dies ist z.B. durch mechanisches Entfernen, insbesondere durch Absaugen, der sich auf einer Seite des Fadens abgelagerten Papierschicht möglich. Die Bildung frei zugänglicher Bereich auf zumindest einer Seite des eingebetteten Fadens kann aber auch dadurch erfolgen, dass die Breite das Fadens genügend hoch gewählt wird, siehe z.B. die EP 0 625 431 A1 . Des Weiteren kann der Faden so in das Papiergefüge eingebettet werden, dass der Faden zumindest an einer Stelle des Papiergefüges an dessen Oberfläche freiliegt, um einen sogenannten Fensterfaden zu bilden. Die Herstellung von Fenstersicherheitsfäden ist im Bereich der Herstellung von Banknotenpapier bekannt, siehe z.B. die EP 0 059 056 A1 . Der Faden wird dabei außerhalb der Pulpe so an das Papiersieb herangeführt, dass der Faden auf erhabenen Stellen (bzw. Höcker), die auf dem Papiersieb aufgebracht sind, zu liegen kommt. An den Stellen, an denen der Faden auf den Höckern aufliegt, kann sich auf der dem Sieb zugewandten Seite kein Papier bilden, sodass der Faden genau an diesen Stellen in dem später fertigen Papier frei zugänglich ist.The round screen technology is known, for example, from the production of banknote paper, see for example the EP 0 279 880 A1 and the EP 0 492 407 A1 . In the case of round screen machines, the thread is introduced into the pulp and brought to the screen in such a way that the thread is embedded in the fibre structure during sheet formation. The thread can be completely embedded in the paper structure so that the thread is not visible to the observer from either the front or the back. The thread can but also embedded in such a way that it is freely accessible on one side after embedding in the paper structure. This is possible, for example, by mechanically removing, in particular by suction, the paper layer deposited on one side of the thread. The formation of freely accessible areas on at least one side of the embedded thread can also be achieved by choosing the width of the thread sufficiently high, see, for example, the EP 0 625 431 A1 . Furthermore, the thread can be embedded in the paper structure in such a way that the thread is exposed at least at one point on the surface of the paper structure 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 guided outside the pulp to the paper screen in such a way that the thread comes to rest on raised areas (or bumps) on the paper screen. At the points where the thread rests on the bumps, no paper can form on the side facing the screen, so that the thread is freely accessible at precisely these points in the later finished paper.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird das Papiergefüge so gebildet, dass es sich aus zwei separaten Papierlagen zusammensetzt und die elektrisch leitfähigen Fäden zwischen diesen Papierlagen angeordnet werden. Eine solche Herstellung ist aus der Herstellung von Banknotenpapier mit eingebettetem Sicherheitsfaden bekannt, siehe z.B. die EP 0 229 645 A1 .According to a preferred embodiment, the paper structure is formed in such a way that it is composed of two separate paper layers and the electrically conductive threads are arranged between these paper layers. Such a production is known from the production of banknote paper with embedded security thread, see e.g. EP 0 229 645 A1 .

Die vorliegende Erfindung umfasst weiterhin eine Verwendung des elektrisch leitenden Papiergefüges als Heizelement, als Element für die elektromagnetische Abschirmung oder als Element für die Signaldetektion. Die Verwendung des elektrisch leitenden Papiergefüges als Heizelement ist insbesondere geeignet in Böden, Wänden, Tapeten, Behältnissen, Stoffen, Kleidung, Tischplatten, Heizplatten, Heizmatten, Auto-Innenheizungen, insbesondere Tür-, Sitz- oder Armaturenbrettheizungen.The present invention further comprises a use of the electrically conductive paper structure as a heating element, as an element for electromagnetic shielding or as an element for signal detection. The use of the electrically conductive paper structure as a heating element is particularly Suitable for use in floors, walls, wallpaper, containers, fabrics, clothing, table tops, heating plates, heating mats, car interior heaters, especially door, seat or dashboard heaters.

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.Further embodiments and advantages of the invention are explained below with reference to the figures, in which a true-to-scale and true-to-proportion reproduction was omitted in order to increase clarity.

Es zeigen:

Figuren 1-3
ein elektrisch leitendes Papiergefüge gemäß einem Vergleichsbeispiel;
Figuren 4-6
ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen, elektrisch leitenden Papiergefüges;
Figur 7
ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen, elektrisch leitenden Papiergefüges; und
Figur 8
ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen, elektrisch leitenden Papiergefüges.
Show it:
Figures 1-3
an electrically conductive paper structure according to a comparative example;
Figures 4-6
a first embodiment of an electrically conductive paper structure according to the invention;
Figure 7
a second embodiment of an electrically conductive paper structure according to the invention; and
Figure 8
a third embodiment of an electrically conductive paper structure according to the invention.

Fig. 1 zeigt in Draufsicht ein Vergleichsbeispiel eines elektrisch leitenden Papiergefüges 1 mit zwei im Papiersubstrat 2 eingebetteten, für das Einbringen von elektrischem Strom geeigneten Stromleitschienen 3, insbesondere Kontaktfäden. Die beiden Stromleitschienen 3 sind parallel angeordnet, d.h. eine Stromleitschiene 3 befindet sich an einem Ende des Papiersubstrats 2 und die weitere Stromleitschiene 3 an dem gegenüber liegenden Ende des Papiersubstrats 2. Der Blockpfeil "A" veranschaulicht die sogenannte erste Richtung des elektrisch leitenden Papiergefüges 1. Die Längsachse jeder der beiden parallelen Stromleitschienen 3 verläuft entlang der zur ersten Richtung "A" des Papiergefüges 1 senkrecht angeordneten, sogenannten zweiten Richtung (siehe Blockpfeil "B") des Papiergefüges. Das elektrisch leitende Papiergefüge 1 beruht auf einem Papiersubstrat 2, das ein Papierfaserstoff und elektrisch leitfähige Kurzschnittfasern, insbesondere Carbonfasern, enthaltendes Gemisch aufweist. Die Stromleitschienen 3 wurden mittels einer Rundsiebpapiermaschine, wie sie insbesondere in der Figur 3 der EP 0 279 880 A1 gezeigt ist, in das Papiersubstrat 2 eingebettet. Anhand der Figur 1 ist erkennbar, dass die Stromleitschienen 3 das elektrisch leitende Papiergefüge 1 von einem Ende bis zum gegenüberliegenden Ende durchziehen. Fig.1 shows a top view of a comparative example of an electrically conductive paper structure 1 with two current conducting rails 3, in particular contact threads, embedded in the paper substrate 2 and suitable for introducing electrical current. The two current conducting rails 3 are arranged in parallel, ie one current conducting rail 3 is located at one end of the paper substrate 2 and the another current conducting rail 3 at the opposite end of the paper substrate 2. The block arrow "A" illustrates the so-called first direction of the electrically conductive paper structure 1. The longitudinal axis of each of the two parallel current conducting rails 3 runs along the so-called second direction (see block arrow "B") of the paper structure, which is arranged perpendicular to the first direction "A" of the paper structure 1. The electrically conductive paper structure 1 is based on a paper substrate 2, which has a mixture containing paper fiber and electrically conductive short-cut fibers, in particular carbon fibers. The current conducting rails 3 were produced by means of a round-wire paper machine, as is particularly known in the Figure 3 the EP 0 279 880 A1 shown, embedded in the paper substrate 2. Based on the Figure 1 It can be seen that the current conducting rails 3 pass through the electrically conductive paper structure 1 from one end to the opposite end.

Die Figur 2 veranschaulicht schematisch das elektrisch leitende Papiergefüge 1 der Figur 1 in Querschnittansicht, d.h. entlang der in der Figur 1 gezeigten Linie C-C'. Der Doppelpfeil "d" veranschaulicht die Schichtdicke des Papiersubstrats 2. Der in der Figur 2 gestrichelt dargestellte Bereich 4 wird in der Figur 3 vergrößert dargestellt. Aus der Figur 3 geht hervor, dass das Papiersubstrat 2 eine konstante Schichtdicke d aufweist.The Figure 2 schematically illustrates the electrically conductive paper structure 1 of the Figure 1 in cross-sectional view, ie along the Figure 1 shown line C-C'. The double arrow "d" illustrates the layer thickness of the paper substrate 2. The Figure 2 The dashed area 4 is shown in the Figure 3 shown enlarged. From the Figure 3 It can be seen that the paper substrate 2 has a constant layer thickness d.

Grundsätzlich hängt der elektrische Widerstand R0 von der Breite und der Länge der Heizfläche sowie von der Flächenleitfähigkeit des Papiers 2 zwischen den Stromleitschienen 3 ab.Basically, the electrical resistance R 0 depends on the width and length of the heating surface as well as on the surface conductivity of the paper 2 between the current conducting rails 3.

Die Fig. 4 zeigt in Draufsicht ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen elektrisch leitenden Papiergefüges 5 mit zwei im Papiersubstrat 6 eingebetteten, für das Einbringen von elektrischem Strom geeigneten Stromleitschienen 7, insbesondere Kontaktfäden. Die beiden Stromleitschienen 7 sind parallel angeordnet, d.h. eine Stromleitschiene 7 befindet sich an einem Ende des Papiersubstrats 6 und die weitere Stromleitschiene 7 an dem gegenüber liegenden Ende des Papiersubstrats 6. Der Blockpfeil "A" veranschaulicht die sogenannte erste Richtung des elektrisch leitenden Papiergefüges 5. Die Längsachse jeder der beiden parallelen Stromleitschienen 7 verläuft entlang der zur ersten Richtung "A" des Papiergefüges 5 senkrecht angeordneten, sogenannten zweiten Richtung (siehe Blockpfeil "B") des Papiergefüges. Das elektrisch leitende Papiergefüge 5 beruht auf einem Papiersubstrat 6, das ein Papierfaserstoff und elektrisch leitfähige Kurzschnittfasern enthaltendes Gemisch aufweist. Die Stromleitschienen 7 wurden mittels einer Rundsiebpapiermaschine, wie sie insbesondere in der Figur 3 der EP 0 279 880 A1 gezeigt ist, in das Papiersubstrat 6 eingebettet. Anhand der Figur 4 ist erkennbar, dass die Stromleitschienen 7 das elektrisch leitende Papiergefüge 5 von einem Ende bis zum gegenüberliegenden Ende durchziehen. Im Bereich der beiden Stromleitschienen 7 weist der jeweilige Flächenbereich des Papiersubstrats 6 eine konstante Schichtdicke auf. Im schraffiert dargestellten Flächenbereich außerhalb der beiden Stromleitschienen 7 beinhaltet das Papiersubstrat 6 alternierend angeordnete Stellen mit höherer Schichtdicke und Stellen mit geringerer Schichtdicke. Die alternierend angeordneten Stellen mit höherer Schichtdicke des Papiers und Stellen mit geringerer Schichtdicke des Papiers besitzen jeweils die Gestalt von Streifen, die in der Richtung des Blockpfeils "A" alternierend angeordnet sind. Die Längsachse der einzelnen Streifen erstreckt sich entlang der Richtung des Blockpfeils "B".The Fig.4 shows in plan view a first embodiment of an electrically conductive paper structure 5 according to the invention with two embedded in the paper substrate 6, suitable for the introduction of electrical current Current conducting rails 7, in particular contact threads. The two current conducting rails 7 are arranged in parallel, i.e. one current conducting rail 7 is located at one end of the paper substrate 6 and the other current conducting rail 7 at the opposite end of the paper substrate 6. The block arrow "A" illustrates the so-called first direction of the electrically conductive paper structure 5. The longitudinal axis of each of the two parallel current conducting rails 7 runs along the so-called second direction (see block arrow "B") of the paper structure, which is arranged perpendicular to the first direction "A" of the paper structure 5. The electrically conductive paper structure 5 is based on a paper substrate 6 which has a mixture containing paper fiber and electrically conductive short-cut fibers. The current conducting rails 7 were produced by means of a round-wire paper machine, as is used in particular in the Figure 3 the EP 0 279 880 A1 shown, embedded in the paper substrate 6. Based on the Figure 4 it can be seen that the current conducting rails 7 run through the electrically conductive paper structure 5 from one end to the opposite end. In the area of the two current conducting rails 7, the respective surface area of the paper substrate 6 has a constant layer thickness. In the hatched surface area outside the two current conducting rails 7, the paper substrate 6 contains alternating locations with a higher layer thickness and locations with a lower layer thickness. The alternating locations with a higher layer thickness of the paper and locations with a lower layer thickness of the paper each have the shape of strips that are alternately arranged in the direction of the block arrow "A". The longitudinal axis of the individual strips extends along the direction of the block arrow "B".

Die Figur 5 veranschaulicht schematisch das erfindungsgemäße elektrisch leitende Papiergefüge 5 der Figur 4 in Querschnittansicht, d.h. entlang der in der Figur 4 gezeigten Linie D-D'. Der Doppelpfeil "d" veranschaulicht die Schichtdicke des Papiersubstrats 6. Der in der Figur 5 gestrichelt dargestellte Bereich 8 wird in der Figur 6 vergrößert dargestellt. Aus der Figur 6 geht hervor, dass sich mittels der Technologie zur Herstellung von Wasserzeichen Stellen 9 mit höherer Schichtdicke und Stellen 10 mit geringerer Schichtdicke im Papier 6 erzeugen lassen. Im erfindungsgemäßen Beispiel gemäß den Figuren 4 bis 6 weisen die Stellen 9 mit höherer Schichtdicke und Stellen 10 mit geringerer Schichtdicke jeweils die Gestalt von Streifen auf.The Figure 5 schematically illustrates the electrically conductive paper structure 5 according to the invention of Figure 4 in cross-sectional view, ie along the Figure 4 shown line D-D'. The double arrow "d" illustrates the Layer thickness of the paper substrate 6. The Figure 5 The dashed area 8 is shown in the Figure 6 shown enlarged. From the Figure 6 It can be seen that by means of the technology for producing watermarks, locations 9 with a higher layer thickness and locations 10 with a lower layer thickness can be produced in the paper 6. In the example according to the invention according to Figures 4 to 6, the locations 9 with a higher layer thickness and the locations 10 with a lower layer thickness each have the shape of stripes.

Durch eine lokale Variation der Schichtdicke d parallel zu den Stromschienen 7 steigt der elektrische Widerstand auf den Wert Rneu. Realisiert man beispielsweise eine beliebige Anzahl dünnerer und dickerer Streifen mit konstanter Breite, so ergibt sich nach kurzer Rechnung die nachstehend gezeigte Formel (1-1): R neu = R o 1 Δd d 2

Figure imgb0001
By locally varying the layer thickness d parallel to the busbars 7, the electrical resistance increases to the value R neu . For example, if any number of thinner and thicker strips with a constant width are created, a short calculation yields the formula (1-1) shown below: R new = R O 1 Δd d 2
Figure imgb0001

Durch die lokale "Umverteilung" des Papiers lässt sich somit der elektrische Widerstand steigern.The local "redistribution" of the paper can thus increase the electrical resistance.

Kombiniert man im Papier erste Flächenbereiche, die eine konstante Schichtdicke aufweisen (siehe z.B. die Fig. 3), mit zweiten Flächenbereichen, die alternierend angeordnete Stellen mit höherer Schichtdicke und Stellen mit geringerer Schichtdicke aufweisen (siehe z.B. die Fig. 6), dann resultiert ein elektrisch leitendes Papiergefüge, in dem sich im Falle einer Versorgung mit elektrischem Strom die ersten, glatten, unstrukturierten Flächenbereiche stärker als die strukturierten, zweiten Flächenbereich des Papiergefüges erhitzen. Anders gesagt, die zweiten Flächenbereiche des Papiergefüges bleiben im Zuge des Erhitzens etwas kühler als die ersten Flächenbereiche.If you combine the first surface areas in the paper that have a constant layer thickness (see e.g. the Fig.3 ), with second surface areas that have alternating areas with higher layer thickness and areas with lower layer thickness (see e.g. the Fig.6 ), then an electrically conductive paper structure results in which, when supplied with electrical current, the first, smooth, unstructured surface areas heat up more than the structured, second surface areas of the paper structure. In other words, the second surface areas of the paper structure remain somewhat cooler than the first surface areas during heating.

Die Fig. 7 veranschaulicht in Draufsicht ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen elektrisch leitenden Papiergefüges 11 mit zwei im Papiersubstrat 12 eingebetteten, für das Einbringen von elektrischem Strom geeigneten Stromleitschienen 13, insbesondere Kontaktfäden. Im Papier sind erste Flächenbereiche 15, die eine konstante Schichtdicke aufweisen (siehe z.B. die Fig. 3), mit zweiten Flächenbereichen 14, die alternierend angeordnete Stellen mit höherer Schichtdicke und Stellen mit geringerer Schichtdicke aufweisen (siehe z.B. die Fig. 6), kombiniert. Die zweiten Flächenbereiche 14 des Papiergefüges bleiben im Zuge des Erhitzens etwas kühler als die ersten Flächenbereiche 15. Im Beispiel gemäß der Figur 7 sind die ersten Flächenbereiche 15 und die zweiten Flächenbereiche 14 jeweils linienförmig, sodass sich eine eindimensional abwechselnde Reihenfolge der Flächenbereiche ergibt.The Fig.7 illustrates in plan view a second embodiment of an electrically conductive paper structure 11 according to the invention with two current conducting rails 13, in particular contact threads, embedded in the paper substrate 12 and suitable for introducing electrical current. First surface areas 15, which have a constant layer thickness (see e.g. the Fig.3 ), with second surface areas 14, which have alternately arranged areas with higher layer thickness and areas with lower layer thickness (see e.g. the Fig.6 ), combined. The second surface areas 14 of the paper structure remain somewhat cooler than the first surface areas 15 during heating. In the example according to the Figure 7 the first surface areas 15 and the second surface areas 14 are each linear, resulting in a one-dimensional alternating sequence of the surface areas.

Die Fig. 8 veranschaulicht in Draufsicht ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen elektrisch leitenden Papiergefüges 16 mit zwei im Papiersubstrat 17 eingebetteten, für das Einbringen von elektrischem Strom geeigneten Stromleitschienen 18, insbesondere Kontaktfäden. Im Papier sind erste Flächenbereiche 19, die eine konstante Schichtdicke aufweisen (siehe z.B. die Fig. 3), mit zweiten Flächenbereichen 20, die alternierend angeordnete Stellen mit höherer Schichtdicke und Stellen mit geringerer Schichtdicke aufweisen (siehe z.B. die Fig. 6), kombiniert. Die zweiten Flächenbereiche 20 des Papiergefüges bleiben im Zuge des Erhitzens etwas kühler als die ersten Flächenbereiche 19. Im Beispiel gemäß der Figur 8 bilden die ersten Flächenbereiche 19 und die zweiten Flächenbereiche 20 zusammen ein Mosaik, insbesondere ein Muster gemäß einem Schachbrett, sodass sich eine zweidimensional abwechselnde Reihenfolge der Flächenbereiche ergibt.The Fig.8 illustrates in plan view a third embodiment of an electrically conductive paper structure 16 according to the invention with two current conducting rails 18, in particular contact threads, embedded in the paper substrate 17 and suitable for introducing electrical current. First surface areas 19, which have a constant layer thickness (see e.g. the Fig.3 ), with second surface areas 20, which have alternately arranged areas with higher layer thickness and areas with lower layer thickness (see e.g. the Fig.6 ), combined. The second surface areas 20 of the paper structure remain somewhat cooler during heating than the first surface areas 19. In the example according to the Figure 8 the first surface areas 19 and the second surface areas 20 together form a mosaic, in particular a pattern according to a chessboard, so that a two-dimensional alternating sequence of the surface areas results.

Gemäß den obigen Ausführungsbeispielen kann die Heizleistung auf die Bereiche fokussiert werden, in denen eine hohe Wärmeerzeugung besonders erwünscht wird. Ein verringertes Erwärmen in den anderen Bereichen steigert die Energieeffizienz.According to the above embodiments, the heating power can be focused on the areas in which high heat generation is particularly desired. Reduced heating in the other areas increases energy efficiency.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel, das zeichnerisch nicht dargestellt ist, sind die Stromleitschienen (siehe die Bezugsnummer 3 in der Figur 2 sowie die Bezugsnummer 7 in der Figur 5) so in das Papiergefüge eingebettet, dass sie an einer Hauptfläche des Papiergefüges frei zugänglich sind, z.B. in Analogie zu den Figuren 4 und 5 der WO 2020/224800 A1 .In a further embodiment, which is not shown in the drawing, the current guide rails (see reference number 3 in the Figure 2 and reference number 7 in the Figure 5 ) are embedded in the paper structure in such a way that they are freely accessible on a main surface of the paper structure, e.g. in analogy to the Figures 4 and 5 the WO 2020/224800 A1 .

In einem weiteren Ausführungsbeispiel, das zeichnerisch nicht dargestellt ist, sind die Stromleitschienen (siehe die Bezugsnummer 3 in der Figur 2 sowie die Bezugsnummer 7 in der Figur 5) vollständig in das Papiergefüge eingebettet, z.B. in Analogie zu den Figuren 2 und 3 der WO 2020/224800 A1 . Gegebenenfalls können die eingebetteten Stromleitschienen partiell freiliegen, z.B. in Analogie zu der Figur 6 oder der Figur 7 der WO 2020/224800 A1 .In a further embodiment, which is not shown in the drawing, the current guide rails (see reference number 3 in the Figure 2 and reference number 7 in the Figure 5 ) completely embedded in the paper structure, e.g. in analogy to the Figures 2 and 3 the WO 2020/224800 A1 If necessary, the embedded current guide rails can be partially exposed, e.g. in analogy to the Figure 6 or the Figure 7 the WO 2020/224800 A1 .

In einem weiteren Ausführungsbeispiel, das zeichnerisch nicht dargestellt ist, sind die Stromleitschienen durch nachträglich auf das Papiergefüge aufgeklebte Kupferbänder erzeugt.In a further embodiment, which is not shown in the drawing, the current conducting rails are created by copper strips subsequently glued to the paper structure.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel, das zeichnerisch nicht dargestellt ist, basieren die Stromleitschienen auf Leitspuren (z.B. Zn-Spuren), die z.B. durch ein Plasmaverfahren erzeugt werden.In a further embodiment, which is not shown in the drawing, the current guide rails are based on conductive tracks (e.g. Zn tracks), which are generated, for example, by a plasma process.

Claims (13)

Elektrisch leitendes Papiergefüge mit cellulosehaltigen Faserstoffen und elektrisch leitfähigen Fasern, wobei das Papiergefüge zumindest einen ersten Flächenbereich und zumindest einen zweiten Flächenbereich beinhaltet, wobei der zumindest eine erste Flächenbereich des Papiergefüges eine im Wesentlichen konstante Schichtdicke aufweist und der zumindest eine zweite Flächenbereich des Papiergefüges alternierend angeordnete Stellen mit höherer Schichtdicke und Stellen mit geringerer Schichtdicke aufweist, sodass der zumindest eine zweite Flächenbereich des Papiergefüges verglichen mit dem zumindest einen ersten Flächenbereich des Papiergefüges über einen höheren elektrischen Widerstand verfügt.Electrically conductive paper structure with cellulose-containing fiber materials and electrically conductive fibers, wherein the paper structure includes at least a first surface region and at least a second surface region, wherein the at least one first surface region of the paper structure has a substantially constant layer thickness and the at least one second surface region of the paper structure has alternately arranged locations with a higher layer thickness and locations with a lower layer thickness, so that the at least one second surface region of the paper structure has a higher electrical resistance compared to the at least one first surface region of the paper structure. Elektrisch leitendes Papiergefüge nach Anspruch 1, wobei sich der zumindest eine erste Flächenbereich des Papiergefüges im Falle einer Versorgung des Papiergefüges mit elektrischem Strom stärker als der zumindest eine zweite Flächenbereich des Papiergefüges erhitzt.Electrically conductive paper structure according to claim 1, wherein the at least one first surface region of the paper structure heats up more strongly than the at least one second surface region of the paper structure when the paper structure is supplied with electrical current. Elektrisch leitendes Papiergefüge nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Papiergefüge zwei für das Einbringen von elektrischem Strom in das Papiergefüge geeignete Stromleitschienen aufweist, wobei die beiden Stromleitschienen parallel angeordnet sind, d.h. eine Stromleitschiene an einem Ende des Papiergefüges und die weitere Stromleitschiene an dem gegenüber liegenden Ende des Papiergefüges.Electrically conductive paper structure according to claim 1 or 2, wherein the paper structure has two current conducting rails suitable for introducing electrical current into the paper structure, wherein the two current conducting rails are arranged in parallel, i.e. one current conducting rail at one end of the paper structure and the further current conducting rail at the opposite end of the paper structure. Elektrisch leitendes Papiergefüge nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die alternierend angeordneten Stellen mit höherer Schichtdicke des Papiers und Stellen mit geringerer Schichtdicke des Papiers des zumindest einen zweiten Flächenbereichs jeweils die Gestalt von Streifen aufweisen, wobei die Streifen in einer zur Längsachse des jeweiligen Streifens senkrecht angeordneten, sogenannten ersten Richtung des Papiergefüges alternierend angeordnet sind.Electrically conductive paper structure according to one of claims 1 to 3, wherein the alternately arranged locations with a higher layer thickness of the paper and locations with a lower layer thickness of the paper of the at least one second surface area each have the shape of strips, wherein the strips are arranged alternately in a so-called first direction of the paper structure which is perpendicular to the longitudinal axis of the respective strip. Elektrisch leitendes Papiergefüge nach Anspruch 4 mit Rückbezug auf Anspruch 3, wobei die Längsachse jeder der beiden parallelen Stromleitschienen entlang einer zur ersten Richtung des Papiergefüges senkrecht angeordneten, sogenannten zweiten Richtung des Papiergefüges verläuft.Electrically conductive paper structure according to claim 4 with reference to claim 3, wherein the longitudinal axis of each of the two parallel current conducting rails runs along a so-called second direction of the paper structure arranged perpendicular to the first direction of the paper structure. Elektrisch leitendes Papiergefüge nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Papiergefüge eine Mehrzahl erster Flächenbereiche und eine Mehrzahl zweiter Flächenbereiche beinhaltet.An electrically conductive paper structure according to any one of claims 1 to 5, wherein the paper structure includes a plurality of first surface regions and a plurality of second surface regions. Elektrisch leitendes Papiergefüge nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei bezüglich der alternierend angeordneten Stellen mit höherer Schichtdicke und Stellen mit geringerer Schichtdicke im zumindest einen zweiten Flächenbereich des Papiergefüges das prozentuale Schichtdickenverhältnis der geringeren Schichtdicke bezogen auf die höhere Schichtdicke in einem Bereich von 0% bis 90%, vorzugsweise in einem Bereich von 30% bis 90%, insbesondere bevorzugt in einem Bereich von 40% bis 80%, liegt.Electrically conductive paper structure according to one of claims 1 to 6, wherein with respect to the alternately arranged locations with higher layer thickness and locations with lower layer thickness in at least one second surface area of the paper structure, the percentage layer thickness ratio of the lower layer thickness based on the higher layer thickness is in a range from 0% to 90%, preferably in a range from 30% to 90%, particularly preferably in a range from 40% to 80%. Elektrisch leitendes Papiergefüge nach Anspruch 3 oder einem der auf Anspruch 3 rückbezogenen Ansprüche 4 bis 7, wobei die beiden Stromleitschienen jeweils auf einem kontinuierlichen, elektrisch leitfähigen Faden zur Kontaktierung des elektrisch leitenden Papiergefüges basieren, wobei der Faden von einem Ende bis zum gegenüberliegenden Ende des Papiergefüges eingebettet ist und insbesondere ein Metalldraht, ein Metallfaden, ein Metallband, ein auf einem Trägersubstrat wie etwa eine Kunststofffolie basierender, mit einem Metall beschichteter Faden, ein Laminat aus (Kunststoff-)Folien und Metallfolien, ein Metallgeflecht, ein Zopfgeflecht, ein Gestrick oder ein Lahnband ist.Electrically conductive paper structure according to claim 3 or one of claims 4 to 7 referring back to claim 3, wherein the two current conducting rails are each based on a continuous, electrically conductive thread for contacting the electrically conductive paper structure, wherein the thread is embedded from one end to the opposite end of the paper structure and in particular is a metal wire, a metal thread, a metal strip, a metal strip based on a carrier substrate such as a plastic film, with a metal-coated thread, a laminate of (plastic) foils and metal foils, a metal braid, a plaited braid, a knitted fabric or a lamella tape. Elektrisch leitendes Papiergefüge nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die alternierend angeordneten Stellen mit höherer Schichtdicke des Papiers und Stellen mit geringerer Schichtdicke des Papiers im zumindest einen zweiten Flächenbereich des Papiergefüges mittels eines partiellen Entfernens von Fasermaterial insbesondere mittels Fräsen oder mittels einer Rundsiebpapiermaschine oder mittels einer Langsiebpapiermaschine oder mittels eines Wasserzeichen-Egoutteurs oder mittels eines Prägezylinders oder mittels eines Moulette-Zylinders erhältlich sind.Electrically conductive paper structure according to one of claims 1 to 8, wherein the alternately arranged locations with a higher layer thickness of the paper and locations with a lower layer thickness of the paper in at least one second surface area of the paper structure are obtainable by means of a partial removal of fiber material, in particular by means of milling or by means of a round-wire paper machine or by means of a fourdrinier paper machine or by means of a watermark dandy roll or by means of an embossing cylinder or by means of a moulette cylinder. Verfahren zum Herstellen eines elektrisch leitenden Papiergefüges nach einem der Ansprüche 1 bis 8, aufweisend: - das Bereitstellen einer Stoffsuspension aus cellulosehaltigem Faserstoff und Wasser in einer Papiermaschine; - gegebenenfalls das Zugeben wenigstens eines chemischen Additivs; - das Zugeben elektrisch leitfähiger Fasern; und - das Bilden einer Papierbahn. A method for producing an electrically conductive paper structure according to any one of claims 1 to 8, comprising: - providing a suspension of cellulosic pulp and water in a paper machine; - optionally adding at least one chemical additive; - adding electrically conductive fibres; and - forming a paper web. Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Schritt des Bereitstellens einer Stoffsuspension aus cellulosehaltigem Faserstoff und Wasser in einer Rundsiebpapiermaschine erfolgt und der Schritt des Bildens einer Papierbahn das Einführen zweier kontinuierlicher, elektrisch leitfähiger Fäden in die in der Rundsiebpapiermaschine befindliche Stoffsuspension umfasst, wobei die Fäden so an das Rundsieb herangeführt werden, dass während der Bildung der Papierbahn eine Einbettung der Fäden in den Faseraufbau erfolgt, um auf diese Weise Stromleitschienen zu erzeugen.A method according to claim 10, wherein the step of providing a stock suspension of cellulosic fiber and water takes place in a cylinder wire paper machine and the step of forming a paper web comprises introducing two continuous, electrically conductive threads into the stock suspension in the cylinder wire paper machine, wherein the threads are fed to the cylinder wire in such a way that during the formation of the paper web the threads are embedded in the fiber structure in order to produce current-conducting rails in this way. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, wobei das Papiergefüge so gebildet wird, dass es sich aus zwei separaten Papierlagen zusammensetzt und die elektrisch leitfähigen Fäden zwischen diesen Papierlagen angeordnet werden.A method according to claim 10 or 11, wherein the paper structure is formed such that it is composed of two separate paper layers and the electrically conductive threads are arranged between these paper layers. Verwendung des elektrisch leitenden Papiergefüge nach einem der Ansprüche 1 bis 9 als Heizelement, als Element für die elektromagnetische Abschirmung oder als Element für die Signaldetektion.Use of the electrically conductive paper structure according to one of claims 1 to 9 as a heating element, as an element for electromagnetic shielding or as an element for signal detection.
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