WO1998035096A1 - Lasermarkierbare papiere und kartonagen, verfahren zur herstellung dieser und verwendung im bereich verpackungen, wertpapiere, sicherheitspapiere und graphische erzeugnisse - Google Patents

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Alexandra Brownfield
Fiona Hall
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Definitions

  • the invention therefore relates to laser-markable papers and cardboards, characterized in that they contain inorganic platelet-shaped substrates with a particle size of 1-60 ⁇ m as the absorbent.
  • the platelet-shaped substrates By adding the platelet-shaped substrates in concentrations of 0.1 to 10% by weight based on the paper pulp, preferably 1 to 5% by weight and in particular 1 to 2% by weight, a high contrast is achieved in the laser marking.
  • concentration of the pigments in the paper pulp depends on the type of paper pulp, the paper thickness and the energy density of the laser used. The relatively low proportion of absorbent changes the paper product insignificantly and does not affect its processability.
  • the inorganic platelet-shaped substrates suitable for the marking preferably have particle sizes in the range from 1-40 ⁇ m, in particular from 1-20 ⁇ m.
  • Suitable absorbents are, in particular, TiO 2 flakes, BiOCI, uncoated or coated with one or more metal oxides, SiO 2 flakes, layered silicates such as annealed and unannealed mica, glass, talc, kaolin or sericite, while muscovite, biotite, phlogopite are particularly preferred as mica.
  • Vemiculite as well as synthetic mica can be used.
  • Mica is preferably used as layered silicate.
  • the layered silicates have particle sizes of 5-20 ⁇ m.
  • pearlescent pigments with a particle size of ⁇ 60 ⁇ m, preferably ⁇ 40 ⁇ m, in particular ⁇ 20 ⁇ m, can be used as absorbers, as described, for example, in German patents and patent applications 14 67 468, 19 59 998, 20 09 566, 22 14 545, 22 15 191, 22 44 298, 23 12 331, 25 22 572, 31 37 808, 31 37 809, 31 51 343, 31 51 354, 31 51 355, 32 11 602, 32 35 017 and 38 42 330.
  • pearlescent pigments based on mica flakes coated with metal oxides, in particular titanium dioxide and / or iron oxide are particularly preferably used. Not shiny mica pigments coated with metal oxides are known from DE-OS 44 21 223 and DE-OS 19 546 058.
  • a combination of a mixture of different inorganic platelet-shaped substrates in all conceivable mixing ratios can also be used as the absorbent.
  • layered silicates in particular mica
  • pearlescent pigments in particular mica pigments coated with TiO 2 , Fe 2 0 3 and / or Fe 3 0 4
  • electrically conductive platelet-shaped pigments as are known, for example, from DE-OS 38 42 330
  • the combination of pearlescent pigments with spherical Ti0 2 particles provides very good marking results.
  • High-energy radiation is preferably used for the marking, generally in the wavelength range from 150 nm to 1500 nm, preferably in the range from 150 to 1100 nm.
  • CO 2 lasers (1060 nm), Nd-YAG lasers (1067 or 532 nm) or pulsed UV lasers (excimer lasers) may be mentioned here.
  • Nd.YAG lasers (1064 or 532 nm) and CO 2 lasers (1060 nm) are particularly preferably used.
  • the energy densities of the lasers used are generally in the range from 0.3 mJ / cm 2 to 50 J / cm 2 , preferably 0.5 mJ / cm 2 to 20 J / cm 2 and particularly preferably 0.3 mJ / cm 2 to 10 J / cm 2 .
  • the pulse frequency is generally in the range from 0.1 to 20,000 Hz, preferably from 1,500 Hz to 15,000 Hz and in particular from 2,000 Hz to 10,000 Hz.
  • the pulse lengths and the type of irradiated paper product 1 to 20,000, preferably 1 to 5,000 and in particular 1 to 3,000 pulses are generally sufficient to achieve good inscriptions.
  • Very good marking results are achieved with the YAG laser if the pulse frequency at 1500 - 2000 Hz or 15000 - 20000 Hz, the current strength at 12 - 14 A or 20 - 22 A and the marking speed at 20 - 30 mm / s resp 150 - 200 mm / s.
  • all papers and cardboard boxes can be marked with sharp edges and with high contrast using a laser.
  • the laser inscription is such that the sample body is brought into the beam path of a laser, preferably a C0 2 or Nd.YAG laser. Labeling with an excimer laser is also possible.
  • the desired results can also be achieved with other conventional laser types which have a wavelength in the range of high absorption of the absorber used.
  • the hue and depth of color obtained are determined by the laser parameters such as the irradiation time and the irradiation power.
  • the power of the lasers used depends on the respective application and can be easily determined by a specialist in individual cases.
  • Papers and cardboard especially for the packaging sector, generally consist of 70 - 100% natural and synthetic fibers, which form the middle paper layer with 20 - 30% fillers and sizing agents. Due to the uniform one to three times application of a coat consisting of pigments for white coloring,
  • Binder and additives a closed, smooth surface is achieved on the base paper for subsequent printing and further processing.
  • the coated papers are produced with a matt or glossy satin finish, coated on one or both sides.
  • the paddle stirrers and vessel geometries used in the paper industry are suitable for incorporating the absorber materials into the paper pulp. In the manufacture of the paper pulp, the absorbent can be stirred into the paper machine in each process step before the task.
  • Paper usually consists of wood pulp and / or cellulose and possibly synthetic fibers and the so-called paper auxiliaries, such as e.g. Fillers, binders for sizing, retention agents, optical brighteners, dyes.
  • the absorber can be incorporated into the paper pulp in various ways.
  • the absorbent can be mixed with the pulp or wood pulp in a dry form.
  • the absorber can be mixed with the fibrous pulp made of cellulose or wood pulp.
  • a homogeneous distribution of the absorber material is also achieved if the absorbent is added to the individual components of the paper auxiliary. It is particularly preferred here to add the absorber material to the binder, which is required for sizing the paper.
  • the absorption material can also only be added when the pulp and paper auxiliaries are mixed. The finished pulp then goes to the paper machine.
  • the base paper with the absorber is usually coated one or more times on one or both sides.
  • the absorbent can also be stirred into the coating agent.
  • the absorbent can also be stirred into the coating agent.
  • the total proportion of the absorbent in the base paper and in the coating does not exceed the upper limit of 10% by weight based on the paper pulp, as otherwise no sharp-edged marking is guaranteed.
  • the absorption medium can also be incorporated into the paper or cardboard boxes in such a way that the base paper without
  • Absorbent is coated with a coating slip with absorbent.
  • the absorber is only in the coating agent and not in the actual paper pulp.
  • the fiber materials used are, in particular, the modified wood materials, such as TMP wood material (thermo-mechanical pulp) or CTMP wood material (chemo-thermo-mechanical pulp) or mixtures thereof.
  • the recovered pulp from the waste paper can also be used.
  • the marking result is positively influenced if chemical fibers are added to the fibers mentioned, in particular cellulose derivatives such as cellulose esters, ethers, acetate, viscose, carbon fibers, high-strength, temperature-resistant aramid fibers, polyterephthalic acid esters, polymers, and also copolymers.
  • cellulose derivatives such as cellulose esters, ethers, acetate, viscose, carbon fibers, high-strength, temperature-resistant aramid fibers, polyterephthalic acid esters, polymers, and also copolymers.
  • Such additions have a positive influence on the sharpness of the edges and the depth of color in the marking.
  • the fibrous feedstocks fillers such.
  • These fillers are also used as coating pigments in coating slips or cast coats for surface finishing.
  • binders e.g. Starch, casein, proteins, plastic dispersions, resin glues, etc. to consolidate the fiber structure, bind fillers and pigments, increase water resistance, improve writeability and printability.
  • binders e.g. Starch, casein, proteins, plastic dispersions, resin glues, etc. to consolidate the fiber structure, bind fillers and pigments, increase water resistance, improve writeability and printability.
  • bind fillers e.g. Starch, casein, proteins, plastic dispersions, resin glues, etc. to consolidate the fiber structure, bind fillers and pigments, increase water resistance, improve writeability and printability.
  • the choice of a suitable organic binder can do that
  • Suitable binders are in particular solvent-free glues, which are also used in paper coating, coating and impregnation.
  • Preferred binders are cationic resin sizes, rosin, modified rosin esters, synthetic alkyldiketenes, alkydiacryiates.
  • Plastic dispersions based on vinyl acetates and acrylate resins, chlorinated polypropylene, PVC copolymers, polyvinylene chloride, polyvinyl acetate and propionate should also be mentioned here.
  • Polyvinyl alcohol and polyvinyl ether as well as thermoplastics, such as polyurethanes, polyamines, polyolefins, such as. B. PE-LL, PE-LLD, PE-HD, polyethylene oxide, styrene polymers, such as. B.
  • PS and ABS styrene copolymers with butadiene, vinyl chloride polymers and polyester resins, phenol-formaldehyde resins, rosin-modified phenol-formaldehyde condensates, alkyd and terpene-phenol resins, urea-formaldehyde, poly (meth) acrylic plastics, Polyamides (PA) and thermoplastic polyurethanes, polyesters, polyarylene ethers, polyarylene sulfides, polyarylene sulfones.
  • the base paper is preferably coated with binders from the field of styrene copolymers with butadiene.
  • binders can also be used in the finishing of the paper.
  • aluminum sulfate and synthetic cationic compounds such as, for example, are used as retention agents to retain the fine and fillers during paper production.
  • dispersants are also recommended, since the inorganic, platelet-shaped substrates should be distributed as homogeneously as possible in the paper pulp in order to be able to achieve uniform, clear marking.
  • Suitable dispersants are e.g. B. Byk 410, Byk 346 (Byk-Chemie), Laponite RD / RDS (Laporte), Calgon neu (BK Ladenburg) and Polysalz SK (BASF).
  • the paper can also additionally contain light-sensitive pigments.
  • copper phosphate in particular a copper (II) hydroxide phosphate
  • copper (II) hydroxide phosphate should be mentioned in particular.
  • Particularly preferred here is a product such as is produced by heating blue Cu (II) orthophophate (Cu 3 (P0 4 ) 2. 3H 2 0) by heating to 100 to 200 ° C. and the chemical
  • the weight fraction of light-sensitive pigments in the paper pulp in combination with the absorbents should not exceed a total of 10% by weight based on the paper pulp.
  • the mixing ratio of the light-sensitive pigments with the platelet-shaped inorganic substrates is not subject to any particular restrictions.
  • the light-sensitive pigments are preferably added together with the absorber, but in principle the separate addition is also possible. A mixture of different light-sensitive pigments can also be added to the paper pulp.
  • the paper product pigmented according to the invention can be used in all fields where previously customary ink-jet processes or laser markings by removing printing inks have been used to label papers.
  • the marking and labeling For example, labels, all types of paper packaging for household products and consumer goods, wrapping paper, packaging for cigarettes and cosmetics can be marked with the help of laser light even in hard-to-reach places.
  • the paper product according to the invention can be used in packaging in the food or toy sector.
  • the markings on the packaging are characterized by the fact that they can be applied smudge-proof and scratch-resistant, hygienically clean during the marking process.
  • Another important area of application for laser marking is graphic products with a permanent and tamper-proof marking, which also meet the highest aesthetic demands of high-quality packaging printing by eliminating the need to print white or black areas in the design for later laser marking.
  • Another area of application is counterfeit-proof value and
  • Security fonts such as Banknotes, checks, credit cards, credit cards, ID cards, etc.
  • the marked paper products and cardboard boxes can still be subsequently printed and processed, e.g. lacquered, laminated or sealed without impairing the markability.
  • Base paper with a basis weight of approx. 70 g / m 2 consisting of:
  • Fibrous 100% pulp with a freeness of approx. 30 ° SR 7% calcium carbonate as filler in the paper based on fibrous 0.5% rosin (sizing agent)
  • cationic polyethyleneimine (Polymin SK, BASF) as retention aid 1.5% LS 820 (Ti0 2 mica pigment with an Si0 2 layer and a conductive layer of (Sn, Sb) 0 2 with a particle size of 1-15 ⁇ m from Merck KGaA, Darmstadt, Germany) based on the
  • the label paper produced in this way is labeled with a laser. Marking with a YAG laser (1500 Hz, 19A, 20 mm / s) leads to a dark, sharp-edged marking with a high contrast.
  • Base paper with a basis weight of approx. 70 g / m 2 consisting of:
  • Fibrous 100% pulp with a freeness of approx. 30 ° SR
  • LS 810 Ti0 2 mica pigment with a particle size of 8 to 28 ⁇ m from Merck KGaA, Darmstadt, FRG
  • the label paper is labeled with a C0 2 laser (energy density -2 J / cm 2 ) or a YAG laser (15000 Hz, 21 A, 150 mm / s). In both cases, the marking leads to a dark, sharp-edged marking.
  • a C0 2 laser energy density -2 J / cm 2
  • a YAG laser 15000 Hz, 21 A, 150 mm / s. In both cases, the marking leads to a dark, sharp-edged marking.
  • Base paper with a basis weight of approx. 70 g / m 2 consisting of:
  • Fibrous 100% pulp with a freeness of approx. 30 ° SR
  • the label paper is labeled with a YAG laser (1500 Hz, 19A, 20 mm / s).
  • the marking is dark and sharp and has a high contrast.
  • Base paper with a basis weight of approx. 70 g / m 2 consisting of:
  • Fibrous 100% pulp with a freeness of approx. 30 ° SR
  • Binder 10% styrene copolymers based on the filler
  • the coated paper shows with a C0 2 laser (energy density
  • Base paper with a basis weight of approx. 70 g / m 2 consisting of: fibrous material: 100% cellulose with a freeness of approx. 30 ° SR
  • Binder 10% styrene copolymers based on the filler
  • Absorber 1.5% LS 810 based on the filler
  • the coated paper shows a dark marking and a high contrast with a C0 2 laser (energy density -2 J / cm 2 ).
  • Fiber 100% CTMP wood pulp with a freeness of approx. 30 ° SR 8% calcium carbonate based on the fiber
  • the label paper is labeled with a YAG laser (1500 Hz, 19A, 20 mm / s).
  • the marking is dark and sharp and has a high contrast.
  • Fibrous 100% CTMP wood pulp with a freeness of approx. 30 ° SR
  • LS 800 mica pigment with a particle size of 1 to 15 ⁇ m from Merck KGaA, Darmstadt, Germany
  • the coated paper shows a dark marking and a high contrast with a C0 2 laser (energy density -2 J / cm 2 ).
  • Example 8 Use of absorber material in the cardboard box and in the paper coating
  • Cardboard with a basis weight of approx. 200 g / m 2 consisting of: 65% CTMP + 35% wood fiber (60% birch and 40% pine) 1, 0% rosin, 0.5% cationic polyethyleneimine
  • Binder styrene-butadiene dispersion
  • the cardboard shows with a C0 2 laser (energy density -2 J / cm 2 ) a dark marking and a high contrast.

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft lasermarkierbare Papiere und Kartonagen, die sich dadurch auszeichnen, dass sie als Absorptionsmittel anorganische plättchenförmige Substrate mit einer Teilchengrösse von 1-60 νm enthalten. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung der lasermarkierbaren Papiere und Kartonagen und auch deren Verwendung im Bereich Verpackungen, Wertpapiere, Sicherheitspapiere und graphische Erzeugnisse.

Description

LASERMARKIERBARE PAPIERE UND KARTONAGEN, VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG DIESER UND VERWENDUNG IM BEREICH VERPACKUNGEN, WERTPAPIERE, SICHERHEITSPAPIERE UND GRAPHISCHE ERZEUGNISSE
Die vorliegende Erfindung betrifft lasermarkierbare Papiere und Kartonagen, die sich dadurch auszeichnen, daß sie als Absorptionsmittel anorganische plättchenförmige Substrate mit einer Teilchengröße von
1-60 μm enthalten.
Die Kennzeichnung von Produktionsgütern wird in fast allen Industriezweigen zunehmend wichtiger. So müssen häufig zum Beispiel Produk- tionsdaten, Verfallsdaten, Barcodes, Firmenlogos, Seriennummern, etc. aufgebracht werden. Derzeit werden diese Markierungen überwiegend mit konventionellen Techniken wie Drucken, Prägen, Stempeln und Etikettieren ausgeführt. Wachsende Bedeutung gewinnt aber die berührungslose, sehr schnelle und flexible Markierung mit Lasern. Mit dieser Technik ist es möglich graphische Beschriftungen, wie z.B. Barcodes, mit hoher
Geschwindigkeit auch auf eine nicht plane Oberfläche aufzubringen.
Bei Druckererzeugnissen für den Verpackungsbereich (Faltschachteln, Etiketten, etc.) tritt immer häufiger die Forderung auf, die eingesetzten Papiere und Kartonagen direkt per Laser zu markieren, codieren und beschriften zu können, ohne zusätzliche Felder aufzudrucken.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es daher, lasermarkierbare Papiererzeugnisse zu finden, die unter der Einwirkung von Laserlicht eine gut lesbare und kantenscharfe Markierung ermöglichen. Papiere lassen sich aufgrund der geringen Schichtdicke nur schwierig oder überhaupt nicht mit dem Laser markieren. Damit das Papier laserbeschriftbar wird, war es notwendig in das Papier entsprechende Absorber einzuarbeiten. Das Absorptionsmittel sollte dabei eine sehr helle neutrale Eigenfarbe bzw. die Eigenschaften des zu markierenden Papiererzeugnisses besitzen und gleichzeitig nur in geringen Mengen eingesetzt werden müssen.
Überraschenderweise wurde nun gefunden, daß wenn man anorganische plättchenförmige Substrate mit einer Teilchengröße von 1-60 μm als Absorptionsmittel direkt in die Papiermasse oder in den Papierstrich einarbeitet, kontrastreiche, kantenscharfe und gut lesbare Markierungen auf Papier und Kartonagen erhalten werden.
Gegenstand der Erfindung sind daher lasermarkierbare Papiere und Kartonagen, dadurch gekennzeichnet, daß sie als Absorptionsmittel anorganische plättchenförmige Substrate mit einer Teilchengröße von 1-60 μm enthalten.
Durch den Zusatz der plättchenförmigen Substrate in Konzentrationen von 0,1 bis 10 Gew.% bezogen auf die Papiermasse, vorzugsweise 1 bis 5 Gew.% und insbesondere 1 bis 2 Gew.%, wird bei der Lasermarkierung ein hoher Kontrast erreicht. Die Konzentration der Pigmente in der Papiermasse ist allerdings abhängig von der Art der Papiermasse, der Papierdicke und der Energiedichte des verwendeten Lasers. Der relativ geringe Anteil an Absorptionsmittel verändert das Papiererzeugnis unwesentlich und beeinflußt auch nicht dessen Verarbeitbarkeit.
Die für die Markierung geeigneten anorganischen plättchenförmigen Substrate besitzen vorzugsweise Teilchengrößen im Bereich von 1-40 μm, insbesondere von 1-20 μm. Geeignete Absorptionsmittel sind insbesondere TiO2-Flakes, BiOCI, unbeschichtete oder mit ein oder mehreren Metalloxiden beschichtete SiO2-Flakes, Schichtsilikate wie geglühter und ungeglühter Glimmer, Glas, Talk, Kaolin oder Sericit, während als Glimmer besonders bevorzugt Muscovit, Biotit, Phlogopit, Vemiculit sowie auch synthetische Glimmer eingesetzt werden. Als Schichtsilikat wird vorzugsweise Glimmer eingesetzt. Die Schichtsilikate weisen Teilchengrößen von 5-20 μm auf.
Alle bekannten Perlglanzpigmente mit einer Teilchengröße < 60 μm vorzugsweise < 40 μm, insbesondere < 20 μm, können als Absorber verwendet werden, wie sie z.B. in den deutschen Patenten und Patentanmeldungen 14 67 468, 19 59 998, 20 09 566, 22 14 545, 22 15 191 , 22 44 298, 23 12 331 , 25 22 572, 31 37 808, 31 37 809, 31 51 343, 31 51 354, 31 51 355, 32 11 602, 32 35 017 und 38 42 330 beschrieben sind. Besonders bevorzugt werden jedoch Perlglanzpigmente auf Basis von mit Metalloxiden, insbesondere Titandioxid und/oder Eisenoxid, beschichteten Glimmerschuppen eingesetzt. Nicht glänzende mit Metalloxiden beschichtete Glimmerpigmente sind aus DE-OS 44 21 223 und DE-OS 19 546 058 bekannt.
Als Absorptionsmittel kann auch eine Kombination aus einem Gemisch verschiedener anorganischer plättchenförmiger Substrate in allen denk- baren Mischungsverhältnissen eingesetzt werden.
Vorzugsweise werden jedoch Schichtsilikate, insbesondere Glimmer, Perlglanzpigmente, insbesondere mit TiO2, Fe203 und/oder Fe304 beschichtete Glimmerpigmente, sowie elektrisch leitfähige plättchen- förmige Pigmente, wie sie z.B. aus der DE-OS 38 42 330 bekannt sind, allein oder im Gemisch verwendet. In einer weiteren bevorzugten Ausführung liefert die Kombination von Perlglanzpigmenten mit sphärischen Ti02-Teilchen sehr gute Markierungsergebnisse.
Bei der Markierung darf es nicht zu einer so starken Absorption mit dem plättchenförmigen Substrat kommen, daß in diesem Bereich das Papier verbrennt und nur ein schwarzer Fleck bzw. ein Loch auf dem Papier zurückbleibt. Die Absorption der Laserstrahlen und die Wechselwirkung mit dem Absorber ist von vielen Faktoren abhängig, u.a. vom verwendeten Papier, dem Absorber und der verwendeten Wellenlänge des Lasers.
Vorzugsweise wird bei der Markierung energiereiche Strahlung eingesetzt, im allgemeinen im Wellenlängenbereich von 150 nm bis 1500 nm, vorzugsweise im Bereich von 150 bis 1100 nm.
Beispielsweise seien hier C02-Laser (1060 nm), Nd-YAG-Laser (1067 bzw. 532 nm) oder gepulster UV-Laser (Excimer-Laser) erwähnt.
Besonders bevorzugt werden Nd.YAG-Laser (1064 bzw. 532 nm) und C02-Laser (1060 nm) eingesetzt. Die Energiedichten der eingesetzten Laser liegen im allgemeinen im Bereich von 0,3 mJ/cm2 bis 50 J/cm2, vorzugsweise 0,5 mJ/cm2 bis 20 J/cm2 und besonders bevorzugt 0,3 mJ/cm2 bis 10 J/cm2.
Bei der Verwendung von gepulsten Lasern liegt die Pulsfrequenz im allgemeinen im Bereich von 0,1 bis 20000 Hz, vorzugsweise von 1500 Hz bis 15000 Hz und insbesondere von 2000 Hz bis 10000 Hz. Abhängig von der Energiedichte des verwendeten Lasers, der Pulslängen und der Art der bestrahlten Papiererzeugnisses reichen zur Erzielung guter Beschriftungen im allgemeinen 1 bis 20000, vorzugsweise 1 bis 5000 und insbesondere 1 bis 3000 Pulse aus.
Sehr gute Markierungsergebnisse werden mit dem YAG-Laser erzielt, wenn die Pulsfrequenz bei 1500 - 2000 Hz bzw. 15000 - 20000 Hz, die Stromstärke bei 12 - 14 A bzw. 20 - 22 A und die Markiergeschwindigkeit bei 20 - 30 mm/s bzw. 150 - 200 mm/s liegt.
Nach dem erfmdungsgemäßen Verfahren können alle Papiere und Kartonagen mit Hilfe eines Lasers kantenscharf und kontrastreich beschriftet werden. Die Beschriftung mit dem Laser erfolgt derart, daß der Probenkörper in den Strahlengang eines Lasers, vorzugsweise eines C02- oder Nd.YAG-Lasers, gebracht wird. Ferner ist eine Beschriftung mit einem Excimer-Laser möglich. Jedoch sind auch mit anderen herkömmlichen Lasertypen, die eine Wellenlänge im Bereich hoher Absorption des verwendeten Absorbers aufweisen, die gewünschten Ergebnisse zu erzielen. Der erhaltene Farbton und die Farbtiefe werden durch die Laserparameter wie die Bestrahlungszeit und die Bestrahlungs- leistung bestimmt. Die Leistung der verwendeten Laser hängt von der jeweiligen Anwendung ab und kann im Einzelfall vom Fachmann ohne weiteres ermittelt werden.
Papiere und Kartonagen, insbesondere für den Verpackungsbereich, bestehen in der Regel aus 70 - 100 % natürlichen und synthetischen Fasern, die mit 20 - 30 % Füllstoffen und Leimungsmittel die mittlere Papierschicht bilden. Durch den gleichmäßigen ein- bis dreifachen Auftrag einer Strichmasse, bestehend aus Pigmenten zur Weißfärbung,
Bindemittel und Additiven, auf das Rohpapier wird eine geschlossene, glatte Oberfläche für die anschließende Bedruckung und Weiterverarbeitung erreicht. Die gestrichenen Papiere werden matt oder glänzend satiniert, einseitig oder beidseitig gestrichen hergestellt. Für die Einarbeitung der Absorbermaterialien in die Papiermasse sind die in der Papierindustrie verwendeten Flügelrührer und Gefäßgeometrien geeignet. Das Absorptionsmittel kann bei der Herstellung der Papiermasse bei jedem Verfahrensschritt vor Aufgabe auf die Papiermaschine untergerührt werden.
Papier besteht in der Regel aus Holzzellstoff und/oder Zellstoff und gegebenenfalls synthetischen Fasern und den sogenannten Papierhilfsmitteln, wie z.B. Füllstoffen, Bindemittel für die Leimung, Retentions- mittein, optischen Aufhellern, Farbstoffen. Die Einarbeitung des Absorbers in die Papiermasse kann auf verschiedene Arten erfolgen. So kann das Absorptionsmittel mit dem Zellstoff bzw. Holzstoff in trockener Form gemischt werden. Alternativ kann der Absorber dem faserigen Brei aus Zellstoff bzw. Holzstoff zugemischt werden. Eine homogene Verteilung des Absorbermaterials wird ebenfalls erreicht, wenn man das Absorptionsmittel den einzelnen Komponenten des Papierhilfsmittels zugibt. Besonders bevorzugt ist hierbei die Zugabe des Absorbermaterials zu dem Bindemittel, das für die Leimung des Papiers benötigt wird. Die Zugabe des Absorbermaterials kann aber auch erst dann erfolgen, wenn die Vermischung von Faserbrei und Papierhilfsstoffen erfolgt. Der fertige Papierbrei geht dann anschließend zur Papiermaschine.
Das Rohpapier mit dem Absorber wird in der Regel ein oder mehrmals ein- oder beidseitig gestrichen. In das Streichmittel kann ebenfalls das Absorptionsmittel eingerührt werden. Hierbei sollte allerdings der
Gesamtanteil des Absorptionsmittel im Rohpapier und in der Streichung die Obergrenze von 10 Gew.% bezogen auf die Papiermasse nicht übersteigen, da sonst keine kantenscharfe Markierung gewährleistet ist. Die Einarbeitung des Absorptionsmittel in das Papier bzw. die Kartonagen kann aber auch in der Weise erfolgen, daß das Rohpapier ohne
Absorptionsmittel mit einer Streichmasse mit Absorptionsmittel gestrichen wird. In diesem Fall befindet sich der Absorber lediglich in dem Streichmittel und nicht in der eigentlichen Papiermasse. Als Faserstoffe werden neben dem Holzstoff und dem Zellstoff insbesondere die modifizierten Holzstoffe, wie TMP-Holzstoff (Thermo- Mechanical-Pulp) oder CTMP-Holzstoff (Chemo-Thermo-Mechanical-Pulp) bzw. deren Gemische eingesetzt. Weiterhin kann auch der wiederge- wonnene Zellstoff aus dem Altpapier verwendet werden.
Das Markierungsergebnis wird positiv beeinflußt, wenn den genannten Fasern anteilig Chemiefasern zugesetzt werden, insbesondere Cellulosederivate wie Celluloseester, -ether, acetat, Viskose, Carbonfasern, hochfeste, temperaturstandfeste Aramidfasern, Polyterephthal- saäureester, Polymerisate, auch Copolymere. Durch derartige Zusätze wird die Kantenschärfe und die Farbtiefe bei der Markierung positiv beeinflußt.
Zur Verbesserung von Glätte, Bedruckbarkeit und Opazität des Papiers werden den faserigen Einsatzstoffen Füllstoffe, wie z. B. CaCO3, BaS04, AI(OH)3, CaS04, ZnS, SiO2, Kreide, Ti02, Kaolin, zugesetzt. Diese Füllstoffe werden auch als Streichpigmente in Streichmassen oder Gußstrichen zur Oberflächenvergütung verwendet.
Ein weiterer wichtiger Bestandteil der Papierhilfsmittel sind die Bindemittel, wie z.B. Stärke, Kasein, Proteine, Kunststoff-Dispersionen, Harzleime, u.a. zur Verfestigung des Fasergefüges, Bindung von Füllstoffen und Pigmenten, Erhöhung der Wasserfestigkeit, Verbesserung der Beschreib- und Bedruckbarkeit. Die Wahl eines geeigneten organischen Bindemittels kann das
Markierungsergebnis positiv beeinflussen. Besonders gute Markierungsergebnisse werden erhalten, wenn man das Bindemittel mit dem Absorbermaterial mischt und dieses dem Zellstoff bzw. Holzstoff in fester oder flüssiger Form zumischt. Geeignete Bindemittel sind insbesondere lösungsmittelfreie Leime, die auch in der Papierbeschichtung, Streichung und Imprägnierung Anwendung finden. Bevorzugte Bindemittel sind kationische Harzleime, Kolophonium, modifizierte Kolophoniumester, synthetische Alkyldiketene, Alkyidiacryiate. Weiterhin sind hier zu nennen Kunststoff-Dispersionen auf Basis von Vinylacetaten und Acrylatharzen, chloriertes Polypropylen, PVC- Copolymerisate, Polyvinylenchlorid, Polyvinylacetat und -propionat, Polyvinylalkohol und Polyvinylether, sowie thermoplastische Kunststoffe, wie z.B. Polyurethane, Polyamine, Polyolefine, wie z. B. PE-LL, PE-LLD, PE-HD, Polyethylenoxid, Styrol-Polymerisate, wie z. B. PS und ABS, Styrolcopolymere mit Butadien, Vinylchlorid-Polymerisate sowie Polyester- Harze, Phenol-Formaldehyd-Harze, Kolophomium-modifizierte Phenol- Formaldehyd-Kondensate, Alkyd- und Terpenphenolharze, Harnstoff- Formalaldehyd, Poly(meth)acryl-Kunststoffe, Polyamide (PA) und thermoplastische Polyurethane, Polyester, Polyarylenether, Polyarylensulfide, Polyarylensulfone.
Bei den gestrichenen Papieren wird das Rohpapier vorzugsweise mit Bindemitteln aus dem Bereich der Styrolcopolymere mit Butadien, beschichtet. Die oben genannten Bindemittel können ebenfalls bei der Veredelung des Papiers verwendet werden.
Die Kombination von dem Absorbermaterial mit den genannten Bindemitteln führt zu einem synergistischen Effekt und verbessert das Markierungsergebnis in der Weise, daß die Markierungen dunkler werden und eine höhere Kantenschärfe aufweisen.
Als Retentionsmittel zur Rückhaltung der Fein- und Füllstoffe während der Papierherstellung werden insbesondere Aluminiumsulfat und synthetische kationische Verbindungen, wie z. B. Ethyleniminpolymerisate verwendet.
Des weiteren empfiehlt sich der Einsatz von Dispergiermitteln, da die anorganischen, plättchenförmigen Substrate möglichst homogen in der Papiermasse verteilt sein sollten, um eine gleichmäßige, deutliche Markierung erzielen zu können. Geeignete Dispergiermittel sind z. B. Byk 410, Byk 346 (Byk-Chemie), Laponite RD/RDS (Laporte), Calgon neu (BK Ladenburg) und Polysalz SK (BASF).
Häufig werden je nach Papiersorte der Papiermasse noch optische Aufheller zur Erhöhung des Weißgrades zugesetzt. Neben Farbstoffen und Pigmenten zur Einfärbung der Papiermasse oder zur Oberflächenfärbung in Streichmassen kann gemäß einer bevorzugten Ausführungsform das Papier auch noch zusätzlich lichtsensitive Pigmente enthalten. Insbesondere die Oxide, Hydroxide, Sulfide, Sulfate und Phosphate von Kupfer, Bismuth, Zinn, Zink, Silber, Antimon, Mangan,
Eisen, Nickel und Chrom sind hier zu nennen. Hierbei ist besonders die Verwendung von Kupferphosphat, insbesondere ein Kupfer(ll)hydroxid- phosphat, zu erwähnen. Besonders bevorzugt ist hierbei ein Produkt, wie es durch Erhitzen von blauem Cu(ll)orthophophat (Cu3(P04)2 . 3H20) durch Erhitzen auf 100 bis 200 °C entsteht und die chemische
Summenformel 4CuO . P205 . H20 oder Cu3(P04)2 . Cu(OH)2 aufweist. Weitere geeignete Kupferphosphate sind 6CuO * P205 . 3H20, Cu3(P04)2 . 3Cu(OH)2, 5CuO . P205 . 3H20, Cu3(P04)2 . 2Cu(OH)2 . H20, 4CuO . P205, 4CuO * P205 . 3H20, 4CuO . P205 . 1 ,5H20, 4 CuO . P205 . 1 ,2H20.
Der Gewichtsanteil an lichtsensitiven Pigmenten in der Papiermasse in Kombination mit den Absorptionsmitteln sollte insgesamt 10 Gew.% bezogen auf die Papiermasse nicht übersteigen.
Das Mischungsverhältnis der lichtsensitiven Pigmente mit den plättchenförmigen anorganischen Substraten unterliegt an sich keiner besonderen Beschränkung.
Die Zugabe der lichtsensitiven Pigmente erfolgt vorzugsweise zusammen mit dem Absorber, prinzipiell ist aber auch die separate Zugabe möglich. Es kann auch ein Gemisch verschiedener lichtsensitiver Pigmente der Papiermasse zugesetzt werden.
Neben den üblicherweise eingesetzten Papierhilfsstoffen können zusätz- lieh noch weitere hier nicht genannte Additive der Papiermasse zugesetzt werden.
Die Verwendung des erfindungsgemäß pigmentierten Papiererzeugnisses kann auf allen Gebieten erfolgen, wo bisher übliche Ink-Jet-Verfahren oder Lasermarkierungen durch Abtragung von Druckfarben zur Beschriftung von Papieren eingesetzt werden. Die Kennzeichnung und Beschriftung von z.B. Etiketten, alle Arten von Papierverpackungen für Haushaltsprodukte und Gebrauchsgüter, Einwickelpapiere, Verpackungen für Zigaretten und Kosmetika können selbst an schwer zugänglichen Stellen mit Hilfe von Laserlicht markiert werden. Weiterhin kann das erfin- dungsgemäße Papiererzeugnis aufgrund seines geringen Schwermetallanteils bei Verpackungen im Lebensmittel- oder im Spielzeugbereich eingesetzt werden. Die Markierungen auf den Verpackungen zeichnen sich dadurch aus, daß sie wisch- und kratzfest, hygienisch rein beim Markierungsprozeß aufbringbar sind. Ein weiteres wichtiges Anwendungs- gebiet für die Laserbeschriftung sind graphische Erzeugnisse mit einer dauerhaften und fälschungssicheren Markierung, die zudem höchsten ästhetischen Ansprüchen des hochwertigen Verpackungsdruckes gerecht werden, indem keine weißen oder schwarzen Flächen für eine spätere Lasermarkierung in das Design mehr aufgedruckt werden müssen. Ein weiteres Anwendungsgebiet sind fälschungssichere Wert- und
Sicherheitsschriften, wie z.B. Geldscheine, Schecks, Scheckkarten, Kreditkarten, Ausweise, etc.
Die markierten Papiererzeugnisse und Kartonagen können weiterhin nachträglich bedruckt und weiterverarbeitet, z.B. lackiert, kaschiert oder versiegelt werden, ohne die Markierbarkeit zu beeinträchtigen.
Die nachfolgenden Beispiele sollen die Erfindung erläutern ohne sie jedoch zu begrenzen.
Beispiele
Herstellung von Papieren mit Etikettenpapier-Rezeptur
Beispiel 1
Basispapier mit einer Flächenmasse von ca. 70 g/m2 bestehend aus:
Faserstoff: 100 % Zellstoff mit einem Mahlgrad von ca. 30° SR 7 % Calciumcarbonat als Füllstoff im Papier bezogen auf Faserstoff 0,5 % Kolophonium (Leimungsmittel)
0,1 % kationisches Polyethylenimin (Polymin SK, BASF) als Retentionshilfsmittel 1 ,5 % LS 820 (Ti02-Glimmerpigment mit einer Si02-Schicht und einer leitfähigen Schicht aus (Sn,Sb)02 der Teilchengröße von 1-15 μm der Fa. Merck KGaA, Darmstadt, BRD) bezogen auf den
Faserstoff
Das so hergestellte Etikettenpapier wird mit einem Laser beschriftet. Die Markierung mit einem YAG-Laser (1500 Hz, 19A, 20 mm/s) führt zu einer dunklen, kantenscharfen Markierung mit einem hohen Kontrast.
Beispiel 2
Basispapier mit einer Flächenmasse von ca. 70 g/m2 bestehend aus:
Faserstoff: 100 % Zellstoff mit einem Mahlgrad von ca. 30° SR
7 % Ti02 als Füllstoff im Papier bezogen auf den Faserstoff 0,5 % synthetisches Alkyldiketen (Aquapel 2B, Herkules Siegburg) 0,1 % kationisches Polyethylenimin
1 ,5 % LS 810 (Ti02-Glimmerpigment mit einer Teilchengröße von 8 bis 28 μm der Fa. Merck KGaA, Darmstadt, BRD) bezogen auf den
Faserstoff
Das Etikettenpapier wird mit einem C02-Laser (Energiedichte -2 J/cm2) bzw. einem YAG-Laser (15000 Hz, 21 A, 150 mm/s) beschriftet. Die Markierung führt in beiden Fällen zu einer dunklen, kantenscharfen Markierung. Beispiel 3
Basispapier mit einer Flächenmasse von ca. 70 g/m2 bestehend aus:
Faserstoff: 100 % Zellstoff mit einem Mahlgrad von ca. 30° SR
7 % Bariumsulfat als Füllstoff im Papier bezogen auf den Faserstoff 0,5 % Kolophonium 0,1 % kationisches Polyethylenimin 1 ,5 % LS 825 (Glimmerpigment mit einer leitfähigen Schicht aus
(Sn,Sb)02 der Teilchengröße von 1 bis 15 μm der Fa. Merck KGaA, Darmstadt, BRD) bezogen auf den Faserstoff
Das Etikettenpapier wird mit einem YAG-Laser (1500 Hz, 19A, 20 mm/s) beschriftet. Die Markierung ist dunkel und kantenscharf und weist einen hohen Kontrast auf.
Beispiel 4
Einsatz von Absorbermaterial im Papierstrich
Basispapier mit einer Flächenmasse von ca. 70 g/m2 bestehend aus:
Faserstoff: 100 % Zellstoff mit einem Mahlgrad von ca. 30° SR
7 % Calciumcarbonat bezogen auf Faserstoff 0,5 % Kolophonium 0,1 % kationisches Polyethylenimin Strichschicht
Strichauftrag: 10 g/m2 und 20 g/m2
Füllstoff: Calciumcarbonat + Kaolin
Binder: 10 % Styrolcopolymere bezogen auf den Füllstoff
Absorber: 1 ,5 % LS 810 bezogen auf den Füllstoff
Das gestrichene Papier zeigt mit einem C02-Laser (Energiedichte
-2 J/cm2) bzw. einem YAG-Laser (20000 Hz, 21 A, 120 mm/s) in beiden
Fällen eine dunkle Markierung und einen hohen Kontrast. Beispiel 5
Einsatz von Absorbermaterial in der Papiermasse und im Papierstrich
Basispapier mit einer Flächenmasse von ca. 70 g/m2 bestehend aus: Faserstoff: 100 % Zellstoff mit einem Mahlgrad von ca. 30° SR
7 % Calciumcarbonat bezogen auf Faserstoff 0,5 % Kolophonium 0,1 % kationisches Polyethylenimin 1 ,5 % LS 800 bezogen auf den Faserstoff
Strichschicht
Strichauftrag: 10 g/m2 und 20 g/m2
Füllstoff: Calciumcarbonat + Kaolin
Binder: 10 % Styrolcopolymere bezogen auf den Füllstoff Absorber: 1 ,5 % LS 810 bezogen auf den Füllstoff
Das gestrichene Papier zeigt mit einem C02-Laser (Energiedichte -2 J/cm2) eine dunkle Markierung und einen hohen Kontrast.
Beispiel 6
Basispapier mit einer Flächenmasse von ca. 70 g/m2
Faserstoff: 100 % CTMP-Holzstoff mit einem Mahlgrad von ca. 30° SR 8 % Calciumcarbonat bezogen auf den Faserstoff
0,5 % Kolophonium 0,1 % kationisches Polyethylenimin
1 ,5 % LS 820 bezogen auf den Faserstoff
Das Etikettenpapier wird mit einem YAG-Laser (1500 Hz, 19A, 20 mm/s) beschriftet. Die Markierung ist dunkel und kantenscharf und weist einen hohen Kontrast auf. Beispiel 7
Basispapier mit einer Flächenmasse von ca. 70 g/m2
Faserstoff: 100 % CTMP-Holzstoff mit einem Mahlgrad von ca. 30° SR
8 % Calciumcarbonat bezogen auf den Faserstoff 0,5 % Kolophonium 0,1 % kationisches Polyethylenimin
1 ,5 % LS 800 (Glimmerpigment der Teilchengröße von 1 bis 15 μm der Fa. Merck KGaA, Darmstadt, BRD) bezogen auf den Faserstoff
Das gestrichene Papier zeigt mit einem C02-Laser (Energiedichte -2 J/cm2) eine dunkle Markierung und einen hohen Kontrast.
Beispiel 8 Einsatz von Absorbermaterial in der Kartonage und im Papierstrich
Kartonage mit einer Flächenmasse von ca. 200 g/m2 bestehend aus: 65 % CTMP + 35 % Holzfaser (60 % Birke und 40 % Pinie) 1 ,0 % Kolophonium 0,5 % kationisches Polyethylenimin
2,0 % LS 820 bezogen auf den Faserstoff
Strichschicht
Strichauftrag: 30 g/m2 und 30 g/m2 Füllstoff: TiO2 + Kaolin
Binder: Styrol-Butadien-Dispersion
Absorber: 1 ,5 % LS 820 bezogen auf den Füllstoff
Die Kartonage zeigt mit einem C02-Laser (Energiedichte -2 J/cm2) eine dunkle Markierung und einen hohen Kontrast.

Claims

Patentansprüche
1. Lasermarkierbare Papiere und Kartonagen, dadurch gekennzeichnet, daß das Papier als Absorptionsmittel ein anorganisches plättchenförmiges Substrat mit einer Teilchengröße von 1-60 μm enthält.
2. Lasermarkierbare Papiere und Kartonagen nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß das anorganische plättchenförmige Substrat Glimmer ist.
3. Lasermarkierbare Papiere und Kartonagen nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß das plättchenförmige anorganische Substrat ein Perlglanzpigment ist.
4. Lasermarkierbare Papiere und Kartonagen nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß das anorganische plättchenförmige Substrat ein elektrisch leitfähiges Pigment ist.
5. Lasermarkierbare Papiere und Kartonagen nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß das Absorptionsmittel ein Gemisch aus verschiedenen anorganischen plättchenförmigen Substraten ist.
6. Lasermarkierbare Papiere und Kartonagen nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil des
Absorptionsmittels 0,1 bis 10 Gew. %, bezogen auf die Papiermasse, beträgt.
7. Lasermarkierbare Papiere und Kartonagen nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie zusätzlich
Farbpigmente enthalten.
8. Lasermarkierbare Papiere und Kartonagen nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie zusätzlich lichtsensitive Pigmente enthalten.
9. Verfahren zur Herstellung der lasermarkierbaren Papiere und Kartonagen nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß das Absorptionsmittel bei der Papierherstellung in die Papiermasse und/oder in das Streichmittel eingerührt wird.
10. Verwendung von lasermarkierbaren Papieren und Kartonagen nach Anspruch 1 im Bereich Verpackungen, Wertpapiere, Sicherheitspapiere und graphischer Erzeugnisse.
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