PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE19848409A1 27.04.2000
Titel Elektrostatisch aufladbares Flachmaterial
Anmelder Esselte Leitz GmbH & Co KG, 70469 Stuttgart, DE;
FEW Chemicals GmbH, 06766 Wolfen, DE
Erfinder Wiederrecht, Hartmut, 74348 Lauffen, DE;
Thiele, Dieter, 06120 Halle, DE;
Weigt, Wilfried, 06849 Dessau, DE;
Meier, Frank, 06108 Halle, DE
Vertreter Wolf & Lutz, 70193 Stuttgart
DE-Anmeldedatum 21.10.1998
DE-Aktenzeichen 19848409
Offenlegungstag 27.04.2000
Veröffentlichungstag im Patentblatt 27.04.2000
IPC-Hauptklasse D21H 27/00
IPC-Nebenklasse D21H 25/04   D21H 21/14   
Zusammenfassung Die Erfindung bezieht sich auf ein elektrostatisch aufladbares und beschriftbares Flachmaterial. Um trotz guter Beschriftbarkeit gute elektrostatische Eigenschaften zu erzielen, wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, daß das Flachmaterial eine Kernschicht (10) aus Papier aufweist, die zumindest auf ihrer einen breitseitigen Oberfläche eine porendichte Funktionsschicht (14) aus dielektrischem Material aufweist.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein elektrostatisch aufladbares und beschriftbares Flachmaterial der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung.

Elektrostatisch aufladbares Flachmaterial dieser Art wird beispielsweise bei Präsentationsvorrichtungen (Flip-Charts) eingesetzt. Die elektrostatisch aufgeladenen und beschrifteten Blätter können an glatten Oberflächen, wie Wänden, Türen, Glasscheiben, Möbelstücken haftend befestigt werden, ohne zusätzliche Haftmittel zu verwenden. Bei bekannten Präsentationsvorrichtungen dieser Art (US-A-5 O10 671 und WO 97/12352) wird als beschriftbares Flachmaterial üblicherweise eine gegebenenfalls eingefärbte Kunststoff-Folie verwendet. Kunststoff-Folien haben dabei den Vorteil, daß sie ein geringes Flächengewicht, einen hohen Isolationswiderstand und eine hohe Dielektrizitätskonstante aufweisen, so daß eine gute Haftung gewährleistet ist. Andererseits wird als nachteilig empfunden, daß die Folien lappig sind und keine für den Beschriftungsvorgang ausreichende Steifigkeit aufweisen und daß Besonderheiten bei ihrer Entsorgung berücksichtigt werden müssen.

Andererseits ist bereits vorgeschlagen worden, Papierbahnen, wie Seidenpapier, elektrostatisch aufzuladen und damit andere Materialien zu kaschieren. Da Papier eine hohe Wasseraufnahmefähigkeit aufweist, tritt jedoch relativ schnell eine Entladung ein, die einer dauerhaften Haftfähigkeit entgegenwirkt.

Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein elektrostatisch aufladbares und beschriftbares Flachmaterial zu entwickeln, das hinsichtlich der Beschriftbarkeit papierähnliche Eigenschaften aufweist und dennoch eine gute und dauerhafte elektrostatische Haftung gewährleistet.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird die im Patentanspruch 1 angegebene Merkmalskombination vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Der erfindungsgemäßen Lösung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß Papier in trockenem Zustand zwar gute Isolatoreigenschaften aufweist, die eine elektrostatische Aufladung ermöglichen. Andererseits weist Papier aufgrund der Dochtwirkung seiner Fasern eine hohe Wasseraufnahmefähigkeit auf, die in feuchter Umgebung zu einer Verschlechterung der Isolatoreigenschaften und zu einer raschen Entladung gegenüber der Umgebung und gegenüber einer Haftunterlage führt.

Ausgehend hiervon wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, daß das erfindungsgemäße Flachmaterial eine Kernschicht aus Papier aufweist, die zumindest an ihrer einen breitseitigen Oberfläche eine porendichte Funktionsschicht aus dielektrischem Material aufweist. Bevorzugt ist die Kernschicht auf beiden Seiten mit einer porendichten dielektrischen Funktionsschicht versehen. Die erfindungsgemäße Funktionsschicht hat einmal die Aufgabe, die Wasseraufnahmefähigkeit und den Wasserdurchgang zu der aus Papier bestehenden Kernschicht zu reduzieren und zum anderen die Isolatorwirkung des Flachmaterials zu erhöhen. Die Funktionsschicht kann dabei extrem dünnwandig ausgebildet sein und braucht zur Steifigkeit des Flachmaterials nichts beizutragen. Diese wird durch die Kernschicht aus Papier geprägt.

Eine weitere Verbesserung der elektrostatischen Ladungseigenschaften kann dadurch erzielt werden, daß die Kernschicht einen porendichten Strich aus wasserlöslichem Isolatormaterial aufweist und daß die dielektrische Funktionsschicht auf der gestrichenen Kernschicht angeordnet ist. Wenn die gestrichene Kernschicht glatt gewalzt, insbesondere kalandriert ist, treten keine Zellstoffasern nach außen, die zu einer Dochtwirkung und zu einer Erhöhung der Wasseraufnahmefähigkeit führen könnten. Die für den Strich verwendete Streichfarbe weist zweckmäßig ein Bindemittel auf PVA- oder einer anderen SHO-Basis auf.

Um die elektrische Aufladung zu verbessern, ist es von Vorteil, wenn die Funktionsschicht eine relative Dielektrizitätskonstante größer 10, vorzugsweise größer 50 aufweist.

Zur Erhöhung der Ladungsdichte kann der Funktionsschicht auch ein Ferroelektrikum, insbesondere Bariumtitanat, beigemischt werden.

Auf die Dicke der Funktionsschicht und des Striches kommt es nur insofern an, als hierdurch die Poren und Fasern der Kernschicht gebunden werden müssen. Die hierzu notwendige Dicke der Funktionsschicht beträgt 2 bis 20 µm, während die Strichdicke zweckmäßig 1 bis 10 µm beträgt. Die Kernschicht aus Papier weist zweckmäßig eine Dicke von 40 bis 300 µm auf, wobei das Flächengewicht der Kernschicht weniger als 45 g/m2 betragen sollte.

Eine weitere Verbesserung des elektrostatischen Ladeverhaltens kann dadurch erzielt werden, daß die Kernschicht aus Papier zusätzlich einen porenverschließenden Füllstoff enthält.

Um die Wasseraufnahmefähigkeit zu reduzieren, ist es von Vorteil, wenn die dielektrische Funktionsschicht wasserunlöslich ist. Sie sollte jedoch in einem leicht flüchtigen organischen Lösungsmittel, wie Aceton, löslich sein.

Für den bestimmungsgemäßen Gebrauch ist es von Vorteil, wenn das aus dem beschriebenen Materialverbund bestehende Flachmaterial in elektrisch aufgeladenem Zustand auf eine Stützrolle aufgerollt ist.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung in schematischer Weise dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 einen Ausschnitt aus einem spiegelsymmetrisch aufgebauten, elektrostatisch aufladbaren und beschriftbaren Flachmaterial in vergrößerter geschnittener Darstellung;

Fig. 2 ein Schema einer Station zur elektrostatischen Aufladung einer Bahn aus elektrostatisch aufladbarem Flachmaterial nach Fig. 1.

Das elektrostatisch aufladbare Flachmaterial ist bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel als symmetrischer Materialverbund ausgebildet mit einer Kernschicht 10 aus Papier, die beidseitig mit Streichfarbe 12 gestrichen und unter Porenverschluß gewalzt ist und die zusätzlich beidseitig mit einer Funktionsschicht 14 aus dielektrischem Material versehen ist.

Das elektrostatisch aufladbare Flachmaterial 18 kann in einer Ladestation, Fig. 2, im Bahndurchlauf aufgeladen und zu Rollen aufgewickelt werden. Zu diesem Zweck durchläuft die von einer Rolle 16 abgezogene Flachmaterialbahn 18 kontaktlos zwischen den Elektroden 19 ein elektrisches Feld 17, erzeugt vom Generator 20 zur Entionisierung. Dadurch werden definierte, reproduzierbare elektrische Eigenschaften vor Aufladung des Materials erzeugt. Anschließend durchläuft die Flachmaterialbahn ebenfalls kontaktlos das elektrische Feld 23 zwischen den Elektroden 22, erzeugt vom Generator 20, zur elektrostatischen Aufladung der Funktionsschicht gegen Erdpotential und wird auf die Rolle 24 aufgewickelt. Das Flachmaterial auf der Rolle 24 speichert einen Teil seiner (positiven oder negativen) Ladung gegenüber der Umgebung und Erdpotential, so daß nach dem Abziehen des Materials 18 von der Rolle 24 und dem Abtrennen einzelner Blätter eine Haftwirkung gegenüber festen, auf Erdpotential befindlichen Unterlagen erzielt werden kann.

Ausführungsbeispiele 1. Zielsetzung

Die im folgenden untersuchten Flachmaterialien sollen elektrostatisch aufladbar sein und mittels elektrischer Anziehungskräfte an typischen Bürowänden, wie Tapeten, Kunststoffen oder Holz ohne andere Hilfsmittel haften. Das Flachmaterial soll mit handelsüblichen Filzschreibern beschriftet werden können.

2. Eingesetzte Materialien

Die Versuche wurden mit vier unterschiedlichen Papiersorten durchgeführt.

  • 1. Spezialpapier der Firma Köhler, A5, unbehandelt mit einem Flächengewicht von 40 g/m2
  • 2. dito mit SHO-Strich
  • 3. dito mit 2 g/m2 PVA-Strich (Monit 8-88) als Rollenware
  • 4. Beschichtungspapier von PTS Heidenau als Bogenware mit einem Flächengewicht von 60 g/m2.

Für die dielektrische Funktionsschicht kamen folgende Stoffe zum Einsatz:

  • A) vier verschiedene wässrig lösliche Stoffe aus
    • 1. Polyvinylalkohol (PVA)
    • 2. Hydroxipropylcellulose (HPC)
    • 3. Gelatine
    • 4. PVdC-Latices
  • B) acht verschiedene organisch wässrig lösliche Schichtstoffe als Sole auf Basis SiO2-Dispersionen, hergestellt mit der Sole-Gel-Technologie aus Siloxanen des Typs Si(OR)4 mit R = Alkyl, mit modifizierter hydrophober Oberfläche und
  • C) mehr als 30 verschiedene organisch lösliche Systeme, die aus 10 Polymeren und deren Kombinationen abgeleitet sind:
    • 1. Polystyrol (PH 408)
    • 2. Schellack
    • 3. Kolophonium (Rosin)
    • 4. Polyamid (PA)
    • 5. Nitrocellulose (Flewo)
    • 6. Polymethylmethacrylat (PMMA)
    • 7. Paraffin
    • 8. Piaflex
    • 9. Harzkombinationen

3. Prüfmethoden

Charakterisiert wurden die Versuchsmuster nach folgenden Kriterien:

  • - Haftung an Holz, Kunststoff, Tapete, Fliesen
  • - Beschreibbarkeit mit drei handelsüblichen Markern

    Stift 1: Edding 380, Flipchart-Marker

    Stift 2: Planmaster, TZ 1 Board-Marker Spezial

    Stift 3: Staedtler, Pigmentmarker waterbase

4. Aufladung

Zum Aufladen der Muster wurde ein Hochspannungsgenerator AG 25 der Firma Haug GmbH & Co. KG, Leinfelden- Echterdingen eingesetzt. Die maximale Ladespannung wird dort mit +25 kV angegeben. Die Aufladung der Muster erfolgte in einer Spezialvorrichtung im diskontinuierlichen Betrieb. Diese besteht im wesentlichen aus

  • - dem Aufladegenerator und einer Stabelektrode
  • - Entionisierungsgerät
  • - einem Transportsystem mit regelbarem Antrieb
  • - und einem Basisrahmen mit Gehäuse

Die Papiere befinden sich nach der Beschichtung in einem elektrisch undefinierten Zustand. Deshalb wurde vor der Aufladung eine Entionisierung (Entladung) durchgeführt. Die auf einem Transportband befindlichen Versuchsmuster passieren zuerst zweimal eine Entladeelektrode und sodann eine positive oder negative Aufladeelektrode. Unmittelbar nach dem Aktivieren der Funktionsschicht (Aufladung) wurde mit einem Feldmesser die elektrostatische Aufladung gemessen und die Entladung über die Zeit verfolgt (Abklingkurve). Gleichzeitig wurde die Haftung an verschiedenen Untergründen (Holz, Glas, Fliesen, Tapete) getestet. Hierbei handelt es sich um das entscheidende anwendungstechnische Kriterium für die Qualität der Versuchsmuster und die temporäre elektrostatische Eigenschaft der Funktionsschicht (dielektrische Schicht). Bei dem elektrostatischen Selbsthaften an typischen Bürowänden handelt es sich um eine äußerst komplexe Größe. Sie hängt in starkem Maße von den topographischen und dielektrischen Eigenschaften der Untergründe und den Umgebungsbedingungen Temperatur und Luftfeuchtigkeit ab. Als Charakteristikum des beschichteten elektrostatischen Flachmaterals an sich umfaßt es neben dem elektrostatischen Verhalten, das Gewicht, die Schmiegsamkeit und die Oberflächenrauhigkeit. Diese letzteren Eigenschaften werden zum überwiegenden Teil vom Papierkern bestimmt.

5. Versuchsergebnisse Einschichtsystem

Papiere der Sorte (1) wurden mit einer wässrigen oder organischen Lösung einmalig beschichtet. Die Beschichtungslösungen werden weitgehend vom Papier aufgesaugt. Es kommt in der Regel nicht zur Ausbildung einer geschlossenen Polymerschicht; die auf das Papier aufgebrachten elektrischen Ladungen fließen schnell wieder ab.

Bei einer mehrfachen Beschichtung mit dem gleichen Stoffsystem verlangsamt sich der Ladungsabfluß wie am Beispiel einer PMMA-Beschichtung in der nachfolgenden Tabelle gezeigt wird: Tabelle I



6. Versuchsergebnis Doppel- und Mehrschichtsysteme

Die Papieroberfläche wird mit einer polymeren Unterschicht (Strich) versiegelt und anschließend mit einer Funktionsschicht, bestehend aus einem anderen Stoffsystem (dielektrisches Material) überschichtet. Je geschlossener die Funktionsschicht ist, um so geringer ist der Ladungsabfluß.

Die Dicke der Unterschicht hat bei der Stabilisierung der Ladungen keine Bedeutung, solange sie keine Defekte aufweist und ein Aufreißen der Funktionsschicht verhindert. Eine Erhöhung der Schichtdicke führt in diesem Fall zu keiner Erhöhung der aufbringbaren Ladungsmenge.

Dieses Modell entspricht die Funktionsbeschichtung von gestrichenen Papieren, wenn der vom Papierhersteller aufgebrachte Strich den spezifischen Anforderungen entspricht. Ein solches Material könnte das wässrige System PVA sein. Im Verlauf der Untersuchungen wurden sowohl Unterbeschichtungen mit PVA getestet (Versuchsnummern 232 bis 250) als auch von der Firma Köhler versuchsweise mit PVA gestrichenes Papier eingesetzt (Versuchsnummern 300 bis 315).

Aus mechanischen Gründen ist ein symmetrischer Aufbau des Flachmaterialverbunds vorteilhaft. Damit wird der Krümmungsneigung (Curling) entgegengewirkt, ein Umstand, der besonders in Rollen mit kleinem Krümmungsradius wichtig ist. Aus diesem Grund wurden auch einige Versuche mit beidseitiger Beschichtung durchgeführt (z. B. Versuchsnummern 277, 290).

In der Tabelle II sind ausgewählte Versuchsergebnisse unter den oben angegebenen Kriterien aufgezeigt. In dieser Tabelle bedeuten: - Foral/Resin Harzkombinationen - Pia Piaflex (PMMA-Copolymere) - PH-408 Polystyrol - Flewo Nitrocellulose

Die Ergebnisse sind wie folgt zusammenzufassen:

  • - Sowohl bei wässrigen als auch bei organischen Stoffsystemen gibt es verschiedene aussichtsreiche Varianten.
  • - Die besten Ergebnisse wurden mit mehreren Schichten und Kombinationen unterschiedlicher Polymerer erzielt.
  • - Die Größe der elektrostatischen Aufladung ist vergleichbar mit der einer Polypropylenfolie 7050. Der zeitliche Entladungsgradient erreichte bei den bisher durchgeführten Versuchen jedoch nicht den Stand der Polypropylenfolie.
  • - Einige der Versuchsmuster hafteten über mehrere Stunden an ausgewählten Wandflächen aus Holz, Möbelfurnier und Fliesen. Andererseits wurde bei diesen Haftungsversuchen auch die unbefriedigenden Materialeigenschaften der Papiersubstrate aufgezeigt.
  • - Bei dem Test zur Beschreibbarkeit und zur Tintendurchschlagfestigkeit zeichneten sich keine Probleme ab.







Zusammenfassend ist folgendes festzuhalten: Die Erfindung bezieht sich auf ein elektrostatisch aufladbares und beschriftbares Flachmaterial. Um trotz guter Beschriftbarkeit gute elektrostatische Eigenschaften zu erzielen, wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, daß das Flachmaterial eine Kernschicht (10) aus Papier aufweist, die zumindest auf ihrer einen breitseitigen Oberfläche eine porendichte Funktionsschicht (14) aus dielektrischem Material aufweist.


Anspruch[de]
  1. 1. Elektrostatisch aufladbares und beschriftbares Flachmaterial, gekennzeichnet durch eine Kernschicht (10) aus Papier, die zumindest auf ihrer einen breitseitigen Oberfläche eine porendichte Funktionsschicht (14) aus dielektrischem Material aufweist.
  2. 2. Flachmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kernschicht (10) auf beiden breitseitigen Oberflächen mit einer porendichten dielektrischen Funktionsschicht (14) versehen ist.
  3. 3. Flachmaterial nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kernschicht (10) einen porendichten Strich (12) aus vorzugsweise wasserlöslichem Isolatormaterial aufweist und daß die dielektrische Funktionsschicht auf der gestrichenen Kernschicht (10,12) angeordnet ist.
  4. 4. Flachmaterial nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die gestrichene Kernschicht (10,12) glatt gewalzt, insbesondere kalandriert ist.
  5. 5. Flachmaterial nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kernschicht (10) einen Strich (12) auf PVA-Basis aufweist.
  6. 6. Flachmaterial nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kernschicht (10) einen SHO- Strich (12) aufweist.
  7. 7. Flachmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrische Funktionsschicht eine relative Dielektrizitätskonstante >2, vorzugsweise >4 aufweist.
  8. 8. Flachmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrische Funktionsschicht ein Material aus der Stoffgruppe Polyvinylalkohol (PVA), Hydroxipolypropylcellulose (HPC), Gelatine und Polyvinylidenchlorid (PVDC) aufweist.
  9. 9. Flachmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrische Funktionsschicht (14) ein organisch wässrig lösliches Material als Sol auf der Basis SiO2-Dispersionen, hergestellt mit der Sol-Gel-Technologie aus Siloxanen des Typs Si(OR)4 mit R = Alkyl mit hydrophober Oberfläche aufweist.
  10. 10. Flachmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrische Funktionsschicht aus einem organisch löslichen Stoff der Gruppe Polystyrol, Schellack, Kolophonium (Rosin), Polyamid (PA), Nitrocellulose (Flewo), Polymere von Estern oder Imiden der Acrylsäure-Methacrylsäure, insbesondere Polymethylmethacrylat (PMMA), Paraffin, Piaflex, Harzkombination, Polypropylen (PP) enthält.
  11. 11. Flachmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der dielektrischen Funktionsschicht ein Ferroelektrikum, vorzugsweise Bariumtitanat, beigemischt ist.
  12. 12. Flachmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrische Funktionsschicht eine Dicke von 1 bis 20 µm aufweist.
  13. 13. Flachmaterial nach einem der Ansprüche 3 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Strich eine Dicke von 1 bis 10 µm aufweist.
  14. 14. Flachmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Kernschicht eine Dicke von 25 bis 300 µm aufweist.
  15. 15. Flachmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Kernschicht einen porenverschließenden Füllstoff enthält.
  16. 16. Flachmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Kernschicht ein Flächengewicht von weniger als 45 g/m2 besitzt.
  17. 17. Flachmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß es in elektrostatisch aufgeladenem Zustand auf eine Stützrolle aufgerollt ist.






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com