Pigmente und Füllstoffe

Systematik der Farbmittel

Farbmittel ist der genormte Oberbegriff für Pigmente und Farbstoffe zusammen (siehe DIN EN ISO 4618, vgl. L-01) — keine umgangssprachliche Bezeichnung, sondern ein fester Fachbegriff.

• Anorganische Farbmittel: natürliche und synthetische anorganische Pigmente.
• Organische Farbmittel: Pigmente (unlöslich) und Farbstoffe (löslich).

Füllstoffe gehören ausdrücklich nicht dazu, auch wenn sie optische Eigenschaften beeinflussen und in speziellen Fällen die Deckfähigkeit mitbestimmen können (siehe L-40).

Synthetische anorganische Pigmente lassen sich weiter in Weiß-, Schwarz-, Bunt- und Glanzpigmente unterteilen. Glanzpigmente sind meist anisometrisch aufgebaut — ihre Teilchen sind also nicht kugelig (isometrisch), sondern länglich oder plättchenförmig. Genau diese Form richtet sich beim Trocknen parallel zur Oberfläche aus und erzeugt so den metallischen Glanz bzw. den Perlmutteffekt. Beispiele sind Metalleffekt- und Perlglanzpigmente.

Definitionen

Ein Pigment ist eine aus Teilchen bestehende, im Anwendungsmedium praktisch unlösliche Substanz, die dekorativ als Farbmittel oder funktional wegen ihrer korrosionshemmenden oder anderer besonderer Eigenschaften verwendet wird. Ein Füllstoff ist eine meist pulverförmige, im Anwendungsmedium praktisch unlösliche Substanz mit allenfalls geringer farbgebender Wirkung, eingesetzt zur Vergrößerung des Volumens, zur Erzielung technischer Eigenschaften wie Abrieb- oder Steinschlagbeständigkeit und zur Beeinflussung optischer Eigenschaften. In speziellen Fällen wie Dispersionsfarben werden Füllstoffe ähnlich wie Weißpigmente zur Erhöhung der Deckfähigkeit eingesetzt.

Wichtige Pigmente und Füllstoffe

Wichtige Pigmente im Lack:

• Titandioxid (TiO₂) — das wichtigste Weißpigment; es besitzt — abhängig von Pigmenttyp, Partikelgröße, Dispergierung und Formulierung — ein sehr hohes Deckvermögen.
• Ruß (Carbon Black) — das wichtigste Schwarzpigment.
• Eisenoxidpigmente (rot, gelb, braun, schwarz) — die wichtigsten anorganischen Buntpigmente: günstig und wetterfest.

Wichtige Füllstoffe:

• Calciumcarbonat (Kreide/Calcit) — gehört zu den wichtigsten und sehr häufig eingesetzten Füllstoffen, insbesondere in vielen Bauten- und Industriebeschichtungen.
• Talkum (Magnesiumsilicat) — plättchenförmig, verbessert Schleifbarkeit und Barrierewirkung.
• Kaolin (China Clay) und Baryt (Bariumsulfat) — weitere wichtige Füllstoffe: Kaolin trägt je nach Formulierung zur Mattierung bei, ist aber kein reines Mattierungsmittel (siehe L-40); Baryt sorgt vor allem für hohe Dichte und Chemikalienbeständigkeit.

Organische oder anorganische Pigmente?

Bei der Pigmentwahl stehen sich zwei Gruppen mit deutlich unterschiedlichem Profil gegenüber.

Anorganische Pigmente sind Metalloxide, -sulfide und Mischoxide. Ihre Farbpalette ist begrenzter und die Farbtöne wirken stumpfer, dafür sind sie licht-, wetter- und temperaturbeständig — hitzebeständige Typen werden auch in Email, Keramik und Baustoffen eingesetzt, wo weit höhere Temperaturen auftreten, als ein Lackfilm je erreicht. Viele von ihnen decken gut und sind vergleichsweise günstig. Ältere Vertreter wie Cadmium- und Bleichromatpigmente sind heute allerdings stark beschränkt und für Neuentwicklungen ohne Bedeutung (siehe L-41).

Organische Pigmente sind unlösliche Verbindungen aus denselben Stoffklassen wie die Farbstoffe. Sie liefern klarere, brillantere Farbtöne und eine höhere Farbstärke, sind teils transparent und werden deshalb für Druckfarben, Effektlacke und das Einfärben von Kunststoffen gebraucht. Dafür sind sie deutlich teurer, und ihre Temperaturbeständigkeit ist begrenzt — als grobe Orientierung wird oft ein Bereich um 200 °C genannt, der je nach Klasse und Typ aber erheblich abweichen kann.

In der Praxis kombiniert man beide: ein anorganisches Pigment für Deckvermögen und Beständigkeit, ein organisches für Brillanz und Farbstärke im Farbton. Die Klassen der organischen Pigmente, ihre Bezeichnung nach Colour Index und ihr Verhalten beim Dispergieren behandelt L-42.

Welcher Farbton kommt aus welcher Gruppe?

Warum die Aufteilung überhaupt so verläuft, entscheidet der Brechungsindex. Anorganische Pigmente liegen deutlich über dem des Bindemittels, streuen das Licht stark und decken deshalb gut. Organische Pigmente liegen nahe am Bindemittel, streuen kaum und wirken transparent bis schwach deckend (siehe L-44). Daraus folgt die Grundregel: Deckvermögen kommt in der Regel von anorganischen Pigmenten, Brillanz und Farbstärke von organischen.

Nach Farbtonbereichen sieht die Aufteilung in der Praxis so aus:

• Weiß — ausschließlich anorganisch. Titandioxid ist wegen seines hohen Brechungsindex alternativlos; ein organisches Weißpigment gibt es nicht.
• Schwarz — überwiegend Ruß, daneben Eisenoxidschwarz.
• Gelb und Orange — anorganisch: Eisenoxidgelb (erdig und stumpf, dafür sehr wetterfest, deckend und günstig) sowie Bismutvanadat (PY 184), das einen für ein anorganisches Pigment ungewöhnlich reinen, grünstichigen Gelbton mit hervorragendem Deckvermögen und sehr guter Wetterechtheit liefert und deshalb Bleichromat und Cadmiumgelb ersetzt hat; oberhalb von etwa pH 12 ist es allerdings nicht alkalistabil. Organisch: Azo- und Benzimidazolon-Typen sowie DPP-Orange, wenn der Ton satt und brillant sein soll.
• Rot — anorganisch nur Eisenoxidrot, wetterfest und günstig, aber stumpf. Alle satten, brillanten Rottöne kommen organisch: Chinacridon, DPP, Perylen (siehe L-42).
• Blau — anorganisch vor allem Ultramarinblau: günstig, aber säureempfindlich. In der Breite dominiert organisch das Kupferphthalocyanin.
• Grün — anorganisch Chromoxidgrün, ein Chrom(III)-Oxid und damit kein Cr(VI)-Thema: sehr wetterfest und deckend, aber stumpf. Brillante Grüntöne liefert Phthalocyaningrün.
• Violett — praktisch nur organisch, vor allem Chinacridon; anorganische Violettpigmente sind eine Nische.
• Effektfarbtöne — Aluminium- und Perlglanzpigmente sind anorganisch (siehe oben, Systematik der Farbmittel).

Die Kostenfrage folgt derselben Linie: Eisenoxide und Titandioxid sind die günstigen Massenpigmente, die organischen Hochleistungsklassen ein Vielfaches teurer — ein weiterer Grund, deckende Bunttöne aus beiden Gruppen zu kombinieren.

Bei Gelb-, Orange- und Rottönen reicht auch das nicht immer: Dort erreicht man selbst mit mehreren Lagen kein zufriedenstellendes Deckvermögen. Gelöst wird das nicht über den Decklack, sondern über den Untergrund. Ein Grund- oder Zwischenanstrich mit hohem Titandioxid-Anteil übernimmt das Verbergen des Untergrunds, der Decklack nur noch den Farbton. Rein weiß grundiert man dabei nicht: Weiß hellt den Farbton auf, Grau vergraut ihn. Üblich ist ein Grund, der bereits in Richtung des Decklackfarbtons abgetönt ist — ein rötlich getönter Weißgrund unter Rot, ein gelblicher unter Gelb. Gemessen und beurteilt wird das Deckvermögen über das Kontrastverhältnis (siehe L-166).

Effektpigmente als Rohstoff: Typen und Handhabung

Die Systematik oben spricht von Glanzpigmenten; die heutige Norm nennt sie Effektpigmente. Ihre optische Wirkung im Film — Flop, Interferenz, Ausrichtung — behandelt L-114. Hier geht es um den Rohstoff selbst.

Metalleffektpigmente sind Metallblättchen, weit überwiegend aus Aluminium; daneben gibt es Goldbronzen aus Kupfer und Kupfer-Zink-Legierungen sowie Zinkblättchen. Aluminiumblättchen werden aus Aluminiumpulver in Kugelmühlen flachgewalzt. Die Substanz, die dabei als Mahlhilfsmittel dient, bleibt auf der Oberfläche und bestimmt, wie sich das Pigment später im Film verhält:

• Leafing-Typen (Stearinsäure-Belegung) steigen im nassen Film auf und legen sich knapp unter die Oberfläche — es entsteht eine geschlossene, spiegelnde Metallschicht. Gewünscht ist das bei Silberbronze-, Hitzeschutz- und Dachanstrichen. Ein Decklack haftet auf dieser Schicht nicht zuverlässig; deshalb kommen Leafing-Typen nicht unter einen Klarlack.
• Non-Leafing-Typen (Belegung mit Ölsäure oder anderen ungesättigten Fettsäuren) bleiben im Film gleichmäßig verteilt und lassen sich überlackieren. Der Metallic-Aufbau aus Basislack und Klarlack im Automobilbereich braucht diesen Typ.

Geliefert wird Aluminiumpigment meist als Paste mit etwa zwei Dritteln Metallanteil in Testbenzin, seltener als Pulver oder Granulat. Aluminiumpulver ist staubexplosionsfähig — deshalb sind Pasten im Labor der Regelfall, und Rohstoffgebinde bleiben dicht verschlossen.

Drei Regeln für das Einarbeiten:

• Nicht vermahlen, nur verteilen. Die Plättchen sind dünn und brechen unter Scherung. Gebrochene Plättchen vergrauen den Effekt: Brillanz und Flop gehen verloren und kommen nicht wieder. Perlmühle und hohe Dissolverdrehzahlen scheiden aus. Die Paste wird zuerst mit Lösemittel oder etwas Bindemittel angeteigt, damit die Agglomerate schonend aufgehen, und erst dann bei niedriger Drehzahl untergerührt.
• Zum Anteigen keine Chlorkohlenwasserstoffe verwenden. Aluminium kann mit ihnen heftig reagieren.
• Im Wasserlack entwickelt unbehandeltes Aluminium Wasserstoff: Das Metall reagiert mit dem Wasser, das Gebinde baut Druck auf, und das Gas ist zündfähig. Wasserlacke verlangen deshalb stabilisierte Qualitäten: Aluminiumblättchen, deren Oberfläche passiviert oder mit Siliciumdioxid beziehungsweise Polymer umhüllt ist. Wässrige Ansätze mit Aluminiumpigment werden trotzdem nie gasdicht verschlossen — Herstellerangaben zur Entlüftung beachten.

Perlglanzpigmente sind keine Metallblättchen, sondern durchscheinende Trägerplättchen — meist Glimmer — mit einer dünnen Metalloxidschicht; sie brechen ebenso leicht, entwickeln aber keinen Wasserstoff. Vorsicht bei Interferenzpigmenten: Es gibt sie auch auf Aluminiumträger, und dann gilt die Wasserstoffregel wieder. Ob ein Aluminiumkern vorliegt, steht im technischen Merkblatt, nicht im Namen.

Ruß — das wichtigste Schwarzpigment

Ruß ist das Schwarzpigment schlechthin und wird deshalb gesondert behandelt.

Gewonnen wird er durch unvollständiges Verbrennen oder Zersetzen von Kohlenwasserstoffen. Drei Verfahren sind für die Lackindustrie von Bedeutung: das Furnace-Verfahren, aus dem der größte Teil der Pigmentruße stammt, das Gasruß-Verfahren mit traditionell den feinsten Typen und das Flammruß-Verfahren mit den gröbsten. Auch die Oberfläche hängt am Verfahren: Beim Gasruß-Verfahren wird sie noch im Prozess oxidiert, das Pigment reagiert deshalb sauer; Furnaceruße reagieren basisch.

Was ein Ruß im Lack leistet, hängt an drei Merkmalen:

• Primärteilchengröße. Je feiner, desto höher die Schwärze im Vollton und desto höher die Farbstärke. Der Unterton kippt dabei mit der Anwendung: In der Weißaufhellung geben feine Ruße bräunliche und grobe Ruße bläuliche Grautöne — im Vollton ist es umgekehrt, dort wirken feine Ruße blaustichig und grobe bräunlich. Ein tiefes, blaustichiges Schwarz verlangt also den feinen Typ, ein neutral-bläuliches Grau eher den groben. Feinheit kostet Dispergieraufwand.
• Struktur. Die Primärteilchen sind zu verzweigten Aggregaten verwachsen; je stärker verzweigt, desto „höher“ die Struktur. Hochstrukturierte Ruße binden mehr Bindemittel, machen die Mahlpaste zäher — und nur mit ihnen lässt sich eine Beschichtung elektrisch ableitfähig einstellen. Ein praktisches Maß für die Struktur ist die Ölaufnahmezahl — gleiches Prinzip wie die Ölzahl in L-40, aber eine eigene Prüfmethode mit eigenen Zahlenwerten.
• Oberflächenchemie. Eine unpolare Rußoberfläche wird von polaren Bindemitteln schlecht benetzt. Für wässrige und polare Systeme werden Ruße deshalb oxidativ nachbehandelt; die sauren Gruppen auf der Oberfläche verbessern Benetzung und Stabilisierung. Der pH-Wert einer Rußaufschlämmung zeigt, ob die Oberfläche sauer ist — sei es vom Verfahren her wie beim Gasruß oder durch Nachbehandlung.

Im Labor ist Ruß das anspruchsvollste Standardpigment: sehr große spezifische Oberfläche (siehe L-44), feste Aggregate, hoher Netz- und Dispergiermittelbedarf. Geliefert wird er als Pulver oder als Perlruß; Perlruß staubt deutlich weniger, braucht aber mehr Energie beim Dispergieren. Pulverruß ist extrem feinteilig, staubt und färbt alles an: Einwiegen unter Absaugung, geschlossen arbeiten, Handschuhe. Wie Carbon Black gesundheitlich einzustufen ist, steht im Sicherheitsdatenblatt des jeweiligen Produkts; für lungengängige Feinstäube gilt in jedem Fall, die Exposition so gering wie möglich zu halten (siehe L-40).

Pigmentvolumenkonzentration

PVK = V(Pigment + Füllstoff) / V(Pigment + Füllstoff + Bindemittel-Festkörper) · 100 %

Volumen jeweils als Masse geteilt durch Dichte.

Warum die PVK zentral ist

Die PVK gibt an, welcher Anteil des Film-Volumens auf Pigment und Füllstoff entfällt und welcher auf den Bindemittel-Festkörper. Dieses Verhältnis beeinflusst maßgeblich Glanz, Deckvermögen, Porigkeit und mechanische Eigenschaften des fertigen Films — ihre Wirkung ist jedoch immer im Zusammenhang mit Pigmenten, Bindemittel und weiterer Formulierung zu betrachten.

Die kritische PVK (KPVK)

Die kritische PVK (KPVK) ist der Punkt, an dem gerade so viel Bindemittel vorhanden ist, dass alle Hohlräume zwischen den Teilchen vollständig gefüllt sind. Unterhalb der KPVK ist genug Bindemittel da — dichter, glänzender, gut schützender Film. Oberhalb reicht es nicht mehr, es bleibt Luft im Film: Glanz und Beständigkeit fallen ab, die Porosität steigt (matt, kreidend); das Deckvermögen dagegen nimmt zu — die Luftporen streuen zusätzlich Licht (Trockendeckvermögen, siehe L-55). Man rezeptiert deshalb mit bewusstem Abstand zur KPVK; das Verhältnis PVK/KPVK zeigt, wie nah man dran ist. Konzept, Rechenbeispiel und Ölzahl-Abschätzung in L-55 und L-59.

Größenordnungen

Die spezifische Oberfläche (BET-Oberfläche, gemessen über Gasadsorption) gibt die Oberfläche bezogen auf die Masse an — also in m² je Gramm Substanz; „spezifisch“ heißt hier „je Masseneinheit“, nicht die Gesamtoberfläche einer Charge. Von Pigmenten kann sie bis zu 100 m²/g betragen, bei Ruß und pyrogener Kieselsäure noch weit mehr. Sie ist für Lacklaboranten wichtig: Eine hohe BET-Oberfläche erhöht häufig die zu benetzende Fläche und damit den Bedarf an Bindemittel bzw. Netz-/Dispergiermittel und kann die Dispergierung erschweren. Zudem muss beim Zerteilen der Agglomerate neue Oberfläche geschaffen werden — das kostet Dispergierenergie —, und feinteilige Pigmente reagglomerieren ohne ausreichende Stabilisierung leichter, was Farbton und Glanz verändert (siehe L-44, L-53). Ölzahl (die Leinölmenge je 100 g Pigment bis zur zusammenhängenden, kittartigen Paste — DIN EN ISO 787-5, siehe L-40) und kritische PVK (siehe L-55) hängen jedoch vom gesamten Pigment-/Füllstoff- und Bindemittelsystem ab und sind nicht allein durch die BET-Oberfläche bestimmt. Daraus entsteht die große innere Grenzfläche zwischen Bindemittel und Pigment. Bemerkenswert am Rande: Viele feinteilige Pigmente und Füllstoffe wie Rußpigmente oder pyrogene Kieselsäure liegen mit Durchmessern unter 100 nm im Bereich dessen, was heute Nanopartikel genannt wird — altbekannte Lackrohstoffe unter neuer Überschrift.

Merksatz