安全颜料的制作方法

1.本发明总体上涉及一种薄片，其包括抗磁材料层；以及至少一个附加层。薄片，例如多个薄片，可以分散在液体介质中以形成组合物。可以将该组合物施加到基材的表面以形成安全装置。还公开了一种制造所述安全装置的方法。


背景技术：

2.纸币通常包含许多安全特征以防止伪造。在这些特征中，有表现出不同虚幻光学效果的光学安全装置。这些效果是由变色小片(platelets)的光反射引起的，所述变色小片分散在印在纸币表面的安全油墨层中。
3.安全油墨包含在有机载体(粘合剂)中随机取向的变色干涉颜料的可磁化小片。所述小片沿着外加磁场的线的方向有序地排列。在磁场中，小片以它们平面的最长对角线沿着磁场的磁力线进行排列，以头尾相接的链在磁力线的方向上伸出的形式组织自己。已知的小片形式的可磁化变色干涉颜料是包括多种材料的多层薄膜结构。
4.小片含有几种不同的金属。其中一种金属是铁磁性的，因此小片会响应施加的磁场。已经描述了许多磁敏金属及其合金的薄膜。它们包括ni、co、fe、gd、tb、dy、er及其合金，fesi、feni、feco、fenimo、smco5、ndco5、sm2co
17
、nd2fei4b、sr6fe2o3、tbfe2、alnico、fe3o4、nife2o4、mnfe2o4、cofe2o4、或yig或gdig型石榴石。这些金属表现出方向依赖性。
5.材料磁特性的方向依赖性是其磁各向异性。铁磁体表现出几种不同类型的磁各向异性，例如磁晶各向异性、形状各向异性、磁致弹性各向异性、交换各向异性、感应磁各向异性和织构感应各向异性。小片的整体磁各向异性是所有这些因素的总和。然而，这些因素对小片方向性的贡献是不同的。当暴露于外场时，形状各向异性对小片取向的贡献最大。在这种情况下，磁化体的最长尺寸类似于“易”磁化轴，在小片的情况下，磁化体的最长尺寸是其对角线之一。
6.需要另一类磁性材料，其可用于制造具有不同虚幻光学效果从而防止伪造的纸币。


技术实现要素：

7.在一个方面，公开了一种薄片，其包括抗磁材料层；以及至少一个附加层。
8.在另一方面，公开了一种制造安全装置的方法，其包括将含有抗磁性材层和至少一个附加层的薄片分散在液体介质中以形成组合物；将组合物施加到基材上以形成安全装置；向安全装置施加磁场，使得薄片的平面垂直于磁场排列。
9.各实施方案的其他特征和优点将部分地在随后的描述中示出，并且将部分地从描述中变得明显，或者可以通过实践各实施方案而获知。各实施方案的目的和其他优点将通过本文描述中特别指出的要素和组合来实现和获得。
附图说明
10.从具体实施方式和附图可以更全面地理解本发明的几个方面和实施方案，其中：
11.图1示出了磁体；
12.图2a示出了图2b的一部分的放大图；
13.图2b示出了由横截面图示出的图1的磁体产生的磁场。
14.图3a示出了图3b的一部分的放大图；
15.图3b示出了与图2b的磁场平行排列的磁性薄片；
16.图4a示出了图4b的一部分的放大图；
17.图4b示出了垂直于图2b的磁场排列的、根据本技术的一个方面的薄片；
18.图5示出了例如从图3a和3b获得的光学效果；和
19.图6示出了具有磁性颜料(左)和根据本发明的一个方面的安全颜料(右)的安全纸币。
20.在整个说明书和附图中，相同的附图标记标识相同的部件。
具体实施方式
21.应当理解，前述总体描述和以下详细描述均仅是示例性和解释性的，旨在提供对本文的各实施方案的解释。可以针对具体附图来描述每个附图中所示的层/组件，但是应当理解，对特定层/组件的描述将适用于其他附图中等价的层/组件。
22.在本发明的宽范围和变化的实施方案中，本文公开了薄片，其包括抗磁材料层；以及至少一个附加层。薄片，例如多个薄片，可以分散在液体介质中以形成组合物。可以将组合物施加到基材的表面以形成安全装置。还公开了一种制造所述安全装置的方法。
23.薄片可以包括抗磁材料层。抗磁材料中的电子可以重新排列它们的轨道，从而产生与磁场相反的小的持续电流。以这种方式，抗磁材料可以被磁场排斥。抗磁材料的非限制性示例包括铋、铜、汞、银、金、钯、铍、钙、锌、铅、镉、铊。在一方面，抗磁材料是铋。抗磁材料可以是无机化合物，例如agcl和bicl3。在另一方面，抗磁材料可包括有机化合物，例如苯胺、苯、甲烷、辛烷、萘和二苯胺。
24.为了使抗磁材料受磁场影响，抗磁材料应该具有由下式确定的特定体积磁化率范围：m＝xvh，其中m是材料的磁化强度(安培/米)，h是磁场强度(安培/米)，xv是负数。在一个方面，抗磁材料具有范围为约
‑
2.00
×
106至约
‑
300.0
×
106的体积磁化率；例如，从约
‑
5.00
×
106到约
‑
290.0
×
106；作为进一步的示例，从约
‑
10.00
×
106到约
‑
285.0
×
106。
25.抗磁材料层可以以允许抗磁材料受磁场影响的任何合适的物理厚度存在。为此，通常，抗磁材料层通常比磁性材料(例如铁磁性或顺磁性材料)层厚。一方面，抗磁材料可以存在于物理厚度范围为约250nm至约3000nm的层中；例如，约500nm至约3000nm；作为进一步的示例，约750nm至约2500nm。在另一方面，抗磁材料层具有范围为约950nm到约2000nm的物理厚度。
26.薄片可以包括至少一个附加层，例如反射体层、电介质层或间隔层，以及吸收体层。所述至少一个附加层可以存在于抗磁材料层的第一表面上。例如，薄片可以具有以下结构：抗磁材料/反射体/电介质/吸收体。为这种形式时，薄片是不对称的。
27.在另一方面，所述至少一个附加层可以存在于抗磁材料层的第一表面和第二表面
上。例如，薄片可以具有以下结构：吸收体/电介质/反射体/抗磁材料/反射体/电介质/吸收体。为这种形式时，薄片是对称的。抗磁材料层可以是薄片中的中心层或芯。在另一方面，薄片可以包括含有抗磁材料层和至少一个附加层的任意和所有的层结构组合。存在于所述至少一个附加层中的材料的选择和薄片的结构可以根据薄片的预期用途来设计。
28.用于本文中公开的薄片的反射体层可包括金属和/或金属合金。在一个示例中，可以使用具有反射特性的任何材料。具有反射特性的材料的非限制性示例包括铝、银、铜、金、铂、锡、钛、钯、镍、钴、铑、铌、铬及其化合物、组合或合金。其他合适的反射性合金和化合物的示例包括青铜、黄铜、氮化钛等，以及上面列出的金属的合金，例如银
‑
钯。反射体层可具有固有颜色，例如铜、金、银铜合金、黄铜、青铜、氮化钛及其化合物、组合或合金。
29.吸收体层可以包括任何吸收体材料，包括选择性吸收材料和非选择性吸收材料。例如，吸收体层可以由非选择性吸收金属材料形成，该金属材料沉积至吸收体层至少部分吸收或半透明的厚度。非选择性吸收材料的示例可以是灰色金属，例如铬或镍。选择性吸收材料的示例可以是铜或金。一方面，吸收材料可以是铬。合适的吸收体材料的非限制性示例包括金属吸收体，例如铬、铝、银、镍、钯、铂、钛、钒、钴、铁、锡、钨、钼、铑、铌、碳、石墨、硅、锗、金属陶瓷和可用于形成吸收体层的上述吸收体材料的各种组合、混合物、化合物或合金。
30.上述吸收体材料的合适合金的示例可以包括inconel(ni
‑
cr
‑
fe)、不锈钢、哈氏合金(ni
‑
mo
‑
fe；ni
‑
mo
‑
fe
‑
cr；ni
‑
si
‑
cu)和钛基合金，如与碳混合的钛(ti/c)、与钨混合的钛(ti/w)、与铌混合的钛(ti/nb)、与硅混合的钛(ti/si)及其组合。用于吸收体层的合适化合物的其他示例包括钛基化合物，例如硅化钛(tisi2)、硼化钛(tib2)及其组合。或者，吸收体层可以由设置在ti基体中的钛基合金构成，或者可以由设置在钛基合金基体中的ti构成。
31.电介质层可以充当薄片中的间隔物。电介质层可以形成为具有对于特定波长有效的光学厚度。电介质层可以任选地是透明的，或者可以是选择性吸收的以有助于颜料的颜色效果。光学厚度是一个众所周知的光学参数，定义为乘积ηd，其中η是层的折射率，d是层的物理厚度。通常，层的光学厚度以等于4ηrf/λ的四分之一波长光学厚度(qwot)表示，其中λ是发生qwot条件的波长。取决于所需的颜色变化，电介质层的光学厚度可以为在约400nm的设计波长处约2qwot至在约700nm的设计波长处约9qwot，例如在400
‑
700nm处约2
‑
6qwot。取决于所需的颜色特性，电介质层可具有约100nm至约800nm，例如约140nm至约650nm的物理厚度。
32.用于电介质层的合适材料包括具有“高”折射率(在此定义为大于约1.65)的材料，以及具有“低”折射率(此处定义为约1.65或更低)的材料。电介质层可以由一种材料形成或由多种材料组合和配置形成。例如，电介质层可以仅由低折射率材料或仅由高折射率材料组成，或由两种或更多种低折射率材料的混合物或多个子层、两种或更多种高折射率材料的混合物或多个子层、或低折射率和高折射率材料的混合物或多个子层组成。此外，电介质层可以部分或完全由高/低电介质光学堆叠形成。当电介质层部分地由电介质光学堆叠形成时，电介质层的剩余部分可以用如上所述的一种材料或各种材料组合和配置形成。
33.用于电介质层的合适的高折射率材料的非限制性示例包括硫化锌(zns)、氧化锌(zno)、氧化锆(zro2)、二氧化钛(tio2)、类金刚石碳、氧化铟(ino3)、氧化铟锡(ito)、五氧化二钽(ta2o5)、氧化铈(ceo2)、氧化钇(y2o3)、氧化铕(eu2o3)、铁氧化物如三(iii)氧化二(ii)
铁(feo4)和氧化铁(fe2o)(ferric oxide)、氮化铪(hfn)、碳化铪(hfc)、氧化铪(hfo2)、氧化镧(la2o3)、氧化镁(mgo)、氧化钕(nd2o3)、氧化镨(pr6o
11
)，氧化钐(sm2o3)、三氧化锑(sb2o3)、一氧化硅(sio)、三氧化硒(se2o3)、氧化锡(sno2)、三氧化钨(wo)、它们的组合等。
34.用于电介质层的合适的低折射率材料的非限制性示例包括二氧化硅(sio2)，氧化铝(al2o3)，诸如氟化镁(mgf2)、氟化铝(alf3)、氟化铈(cef3)、氟化镧(laf3)、氟化钠铝(例如na3alf6、na5al3f
14
)、氟化钕(ndf3)、氟化钐(smf3)、氟化钡(baf2)、氟化钙(caf2)、氟化锂(lif)的金属氟化物，其组合或具有约1.65或更小的折射率的任何其他低折射率材料。例如，有机单体和聚合物可用作低折射率材料，包括二烯或烯烃，例如丙烯酸酯(例如，甲基丙烯酸酯)、全氟烯烃、聚四氟乙烯(teflon)、氟化乙烯丙烯(fep)、它们的组合等。
35.薄片，例如多个薄片，可以分散在液体介质中以形成组合物。液体介质的非限制性示例包括聚乙烯醇、聚乙酸乙烯酯聚乙烯吡咯烷酮、聚(乙氧基乙烯)、聚(甲氧基乙烯)、聚(丙烯酸)、聚(丙烯酰胺)、聚(氧乙烯)、聚(马来酸酐)、羟乙基纤维素，醋酸纤维素，聚(糖)如阿拉伯树胶和果胶，聚(缩醛)如聚乙烯醇缩丁醛，聚(卤化乙烯)如聚氯乙烯和聚偏二氯乙烯(polyvinylene chloride)，聚(二烯)如聚丁二烯，聚(烯烃)如聚乙烯、聚(丙烯酸酯)如聚丙烯酸甲酯、聚(甲基丙烯酸酯)如聚甲基丙烯酸甲酯、聚(碳酸酯)如聚(氧羰基氧六亚甲基)(poly(oxycarbonyl oxyhexamethylene)、聚(酯)如聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚氨酯、聚(硅氧烷)，聚(硫化物)、聚(砜)、聚(乙烯腈)、聚(丙烯腈)、聚(苯乙烯)、聚(亚苯基)如聚(2,5二羟基
‑
1,4
‑
亚苯基乙烯)、聚(酰胺)、天然橡胶、甲醛树脂、其他聚合物和聚合物的混合物和聚合物与溶剂的混合物。
36.可以将组合物施加到基材的表面以形成安全装置。基材可由柔性材料制成。基材可以是在制造过程中可以接收沉积的多个层的任何合适的材料。合适的基材材料的非限制性示例包括聚合物网，例如聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)、玻璃箔、玻璃片、聚合物箔、聚合物片、金属箔、金属片、陶瓷箔、陶瓷片、离子液体、纸、硅晶片等。基材的厚度可以变化，但可以在例如约2μm至约100μm的范围内，作为进一步的示例在约10μm至约50μm的范围内。
37.一种制造安全装置的方法，包括将含有抗磁材料层和至少一个附加层的薄片分散在液体介质中以形成组合物；将组合物施加到基材上以形成安全装置；向安全装置施加磁场，使得薄片的平面垂直于磁场排列。
38.磁场的施加包括将具有施加的组合物的基材放置在磁体上。磁体可以是永磁体，如钕铁硼、钐钴、陶瓷磁体、铁氧体磁体和alnico等；或电磁体。在一个方面，磁体可以是能够产生用于平坦化包括抗磁材料层的薄片的磁场强度的任何磁体。例如，磁体可以具有大于约3.5的最大能量积(bh
最大
)，例如大于约5.5，作为进一步的示例，大于约26。特别地，磁场的施加可以来自最大能量积大于约3.5的磁体。
39.包含抗磁材料的薄片的平坦化可能需要几秒到超过一分钟的时间，例如几分钟。为此，磁场的施加可以持续大于10秒的时间，例如大于30秒，例如大于一分钟。
40.诸如可用于平坦化的时间、液体介质的粘度、薄片的尺寸和薄片的磁特性之类的因素可影响所期望的薄片排列。在本技术中，包含抗磁材料层的薄片垂直于磁场排列。
41.该方法还可以包括固化垂直于磁场排列的薄片。固化步骤可以包括固定排列的薄片的任何干燥和/或固化过程，例如使用紫外光、可见光、红外或电子束。以此方式，固化的、排列的薄片可在基材上形成不透明区域。
42.在用可磁化颜料印刷的光学安全装置中，光学效果基于落在平的颜料小片上的光线朝向观察者的反射，如图5所示。磁性小片18沿着磁力线20排列成菲涅耳样凸面柱状反射体。来自光源24的光线22延伸到小片18的平面上。不同取向的小片的平滑表面将光线22沿由反射定律支配的多个方向反射到周围空间中。没有损失地进入观察者28的眼睛的光线26看起来是最亮的。所有其他反射光线都以不同的灰色阴影被感知。在观察者的头脑中，所有光线一起看起来像暗背景上的亮带30，从而产生了光学效果。下面详细解释由所述薄片所产生的光学效果的差异。
43.实施例
44.制备具有以下结构的薄片：cr/mgf2/al/bi1000nm/al/mgf2/cr。将薄片分散在液体介质中以形成组合物，例如uv可固化油墨。用丝网印刷技术将该组合物涂布到纸基材上以形成安全装置。该组合物暴露于来自如图1所示的环状磁体的磁场。
45.磁体表现出如图2a和图2b所示的磁场。如图2a所示，磁体顶部表面中间的磁力线方向垂直(中间的箭头)于该表面。另外，该表面的边缘附近的磁场线方向是水平的，如向右和向左的箭头。
46.图4a和4b示出了当暴露于图2a和图2b所示的磁场时的组合物。如图4b所示，基材10，例如纸卡，涂覆有组合物层12，也即薄片16分散在液体介质中。基材10被放置在磁体14上，磁体14表示为图1中磁体的横截面。薄片16被磁场排斥并在液体介质中如下取向：薄片16的平面垂直于磁场线。图4a示出了图4b的一部分的放大图。
47.比较例
48.制备具有以下结构的薄片：cr/mgf2/al/ni60nm/al/mgf2/cr。将薄片分散在液体介质中以形成组合物，例如uv可固化油墨。用丝网印刷技术将该组合物涂布到纸基材上以形成安全装置。该组合物暴露于来自如图1所示的环状磁体的磁场。磁场示于图2a和2b中。
49.图3a和图3b示出了当暴露于图2a和图2b所示的磁场时的组合物。如图3b所示，基材10，例如纸质卡片，涂覆有组合物层12，也即薄片18分散在液体介质中。基材10被放置在磁体14上，磁体14表示为图1中磁体的横截面。薄片18自身在液体介质中如下取向：薄片18的平面平行于磁场线。图3a示出了图3b的一部分的放大图。
50.现在参考图6，用含有以相似浓度分散的本发明薄片(含bi)和对比薄片(含ni)的无色透明的uv可固化组合物，将两个相同尺寸的、油墨填充的圆形区域1和2通过相同的丝网并排印刷到基材(纸测试钞)上。每个印刷的特征都被放置在同一个永磁体的顶部，在磁场中排列薄片后，组合物用uv光固化。
51.区域1中的组合物包含具有可磁化镍中心层的对比薄片。区域1显示出一个半透明的灰色填充圆和两个狭窄的明亮圆形轮廓3。出现灰色填充区域是因为含镍薄片垂直于基材表面排列，即薄片的最长平面平行于磁场排列，如图3a和图3b所示。经排列的薄片相对于基材表面成非常陡峭的角度，间隔很远，从而允许通过固化的无色组合物观察基材图形。明亮的轮廓3指的是在磁体边缘处薄片平行于基材表面排列的位置，如图2a中水平的左右箭头所示。
52.回到图6，印刷有包含具有抗磁材料(例如铋)层的薄片的组合物的区域2具有完全不同的外观。它没有透明区域。特征中的薄片与基材成小角度，反射不同方向的入射光。平面平行于基材表面(并垂直于磁场)的小片形成明亮的轮廓4，如图4a和图4b所示。组合物的
外观和横截面分析证明了外加磁场对含抗磁性材料的薄片的排斥。
53.根据前文的描述，本领域技术人员可以理解本文教导可以以多种形式实施。因此，虽然已经结合特定实施方案及其示例描述了这些教导，但本文教导的真实范围不应受限于此。在不脱离本文教导的范围的情况下，可以进行各种改变和修改。
54.本文公开的范围应被广义地解释。本公开旨在公开获得本文公开的装置、活动和机械动作的等效物、手段、系统和方法。对于所公开的每个装置、制品、方法、手段、机械元件或机构，本公开还旨在在其公开内容中包括并教导用于实践本文公开的许多方面、机构和装置的等效物、手段、系统和方法。此外，本公开涉及涂层及其许多方面、特征和元素。这样的装置在其使用和操作中可以是动态的，本发明旨在涵盖所述装置的使用和/或光学装置的制造以及其与本文所公开的操作和功能的描述和精神相一致的许多方面的等效物、手段、系统和方法。本技术的权利要求同样被广泛地解释。在许多实施方案中对本文发明的描述本质上仅是示例性的，因此，不脱离本发明的主旨的变化旨在落入本发明的范围内。这种变化不应被视为背离本发明的精神和范围。