Füllstoffe — Typen und Eigenschaften

Was Füllstoffe sind

Füllstoffe sind überwiegend anorganische, im Bindemittel praktisch unlösliche Feststoffe mit nur geringem Farb- und Deckvermögen (siehe L-39). Sie beeinflussen gezielt Volumen, Kosten, Rheologie, mechanische Eigenschaften, Oberflächenstruktur, Barrierewirkung und PVK. Ihre Wirkung hängt dabei nicht nur von der chemischen Zusammensetzung ab, sondern ebenso von Partikelgröße, Partikelgrößenverteilung, Teilchenform und Oberflächenchemie.

Wichtige Füllstofftypen

• Calciumcarbonat (CaCO₃, Kreide/Calcit) — Vorteil: günstig, leicht dispergierbar, vielseitig für Volumen, Kosten, Rheologie und mechanische Eigenschaften. Nachteil: säureempfindlich (reagiert z. B. mit saurem Regen), dadurch begrenzte Bewitterungs- und Chemikalienbeständigkeit; für sich genommen mechanisch eher weich.
• Talkum (Magnesiumsilicat, plättchenförmig) — Vorteil: gute Barrierewirkung, Rheologie, Schleifbarkeit. Nachteil: kann Glanz und Deckvermögen mindern; muss frei von faserigen (asbestähnlichen) Verunreinigungen sein.
• Baryt/Schwerspat (BaSO₄) — Vorteil: chemisch sehr beständig und säurefest, geringer Bindemittelbedarf, hoher Füllgrad möglich; deshalb in hochwertigen Grundierungen und Füllern. Nachteil: hohe Dichte (rund 4,4 g/cm³) — hohes Gewicht und höhere Kosten je Liter Lack, Neigung zum Absetzen; kaum verstärkende oder rheologische Wirkung.
• Kaolin/China Clay (Al₂Si₂O₅(OH)₄) — Vorteil: plättchenförmig, gute Rheologie und Schleifbarkeit; calciniertes Kaolin streut zusätzlich Licht und kann einen Teil des Titandioxids ersetzen. Nachteil: mindert bei hohem Anteil den Glanz; die mattierende Wirkung hängt stark von der Rezeptur ab.
• Kieselgur (siliciumdioxidreich, hochporös) — Vorteil: starke Mattierung, weil die porösen Teilchen im trocknenden Film eine feine Oberflächenrauheit erzeugen; dieselbe Porosität bedingt die hohe Ölzahl und die große Oberfläche; die hohe Porosität kann daneben auch Feuchtigkeit binden. Nachteil: hoher Bindemittelbedarf treibt die Rezepturkosten und erschwert die Dispergierung; je nach Aufbereitung erhöhtes Gesundheitsrisiko durch kristallines SiO₂ (siehe Arbeitssicherheit unten).
• Glimmer (Schichtsilicate, plättchenförmig) — Vorteil: Barrierewirkung, mechanische Verstärkung, geringere Schwindung und dadurch höhere Rissbeständigkeit des Films. Nachteil: mindert häufig den Glanz deutlich, erschwert bei hohem Anteil den Verlauf.
• Quarzmehl (kristallines SiO₂) — Vorteil: hohe Härte und Abriebfestigkeit. Nachteil: krebserzeugend bei inhalativer Exposition — konsequenter Arbeitsschutz zwingend (siehe unten); wichtig ist dabei die Abgrenzung zu amorphen Kieselsäuren (z. B. pyrogene Kieselsäure, gefällte Kieselsäure): Deren Siliciumdioxid ist nicht kristallin aufgebaut und gilt arbeitsmedizinisch als deutlich unbedenklicher als kristallines Quarzmehl — beide sind chemisch „SiO₂“, aber wegen der unterschiedlichen Struktur nicht gleich zu bewerten.
• Bentonit (Tonmineralgemisch, meist Montmorillonit-reich) — Vorteil: Rheologie, Thixotropie, Sedimentations- und Standfestigkeit. Nachteil: Der Typ muss zum System passen — natürliche Natrium-Bentonite für wässrige Systeme, organisch modifizierte Bentonite (Organoclays) für lösemittelhaltige. Organoclays brauchen einen polaren Aktivator und hohe Scherung; ohne beides bleibt die Wirkung aus oder der Film wird trüb. Bentonite sind außerdem empfindlich gegenüber Formulierungsänderungen. Genau genommen wird Bentonit wegen der geringen Einsatzmenge und der gezielten Wirkung in der Praxis zu den Rheologieadditiven gezählt und nicht zu den Volumen-Füllstoffen (vgl. die Additiv-Definition in L-01). Er wird hier mit aufgeführt, weil er wie die übrigen Füllstoffe ein teilchenförmiges Mineral ist.

Wie Füllstoffe geordnet werden

Was einen weißen Feststoff zum Füllstoff macht und nicht zum Weißpigment, ist keine Frage der Chemie, sondern der Optik. Üblicherweise zieht man die Grenze bei der Brechzahl: Weißpigmente liegen über 1,7, Füllstoffe im Allgemeinen darunter. Die Norm selbst (DIN EN ISO 18451-1) macht die Zuordnung dagegen von der Anwendung abhängig und nennt keinen festen Brechzahlwert. Weil die Bindemittel selbst um 1,5 liegen, ist der Sprung an der Grenzfläche zum Füllstoff klein — das Licht wird kaum abgelenkt, der Füllstoff verschwindet optisch im Film und deckt nicht. Titandioxid in der Rutil-Modifikation liegt bei rund 2,7 und streut das Licht an jeder Grenzfläche stark; Anatas erreicht nur etwa 2,55 und deckt deshalb schlechter (siehe L-166). Das gilt für Filme unterhalb der kritischen PVK; darüber sitzen Luftgrenzflächen im Film, und dann streut auch ein Füllstoff (siehe L-55). Und es erklärt, warum sich Weißpigment nicht beliebig durch Füllstoff ersetzen lässt.

Nach der Chemie ordnet man Füllstoffe nach der Stoffgruppe — bei den Salzen nach dem Anion:

• Sulfate: Bariumsulfat, als Mineral Schwerspat, als Fällungsprodukt Blanc fixe. Chemisch träge, schwer, geringer Bindemittelbedarf.
• Silicate: Glimmer, Talkum und Kaolin — Schichtsilicate, deshalb plättchenförmig, deshalb barrierewirksam.
• Carbonate: Calciumcarbonat als natürliche Kreide, als gemahlener Kalkstein oder Marmor (Calcit) und als gefälltes Produkt; dazu Dolomit, das Calcium-Magnesium-Carbonat: Es verhält sich wie Calcit, ist aber härter und verträgt Säure etwas besser.
• Oxide, hier vor allem Siliciumdioxid: synthetisch als gefällte und pyrogene Kieselsäure, beide amorph — sie wirken als Mattierungs- und Rheologiemittel und werden im Labor meist zu den Additiven gezählt; natürlich als Quarzmehl (kristallin) oder als naturbelassene Kieselgur (amorph). Kristallin oder amorph ist hier eine Arbeitsschutzfrage (siehe unten) — und calcinierte Kieselgur kann Cristobalit enthalten und zählt dann zu den kristallinen Stäuben.

Bei Carbonaten und Sulfaten gibt es jede Sorte zweimal: als gemahlenes Mineral und als synthetisch gefälltes Produkt. Das gefällte Produkt ist reiner, weißer und gleichmäßiger im Korn, kostet aber ein Vielfaches — Blanc fixe neben Schwerspat zeigt den Unterschied.

Weil Füllstoffe nicht decken sollen, dürfen ihre Teilchen gröber sein als die eines Weißpigments, das auf sein Streuoptimum eingestellt ist (siehe L-44).

Form bestimmt die Wirkung — aber nicht allein

Die Teilchenform beeinflusst Packung, Orientierung, Rheologie und Barrierewirkung. Annähernd isometrische (kugelige) Teilchen ermöglichen eine kompakte Packung und dienen vor allem der Volumeneinstellung. Plättchenförmige Teilchen wie Talkum, Glimmer oder bestimmte Tonminerale orientieren sich dagegen im Film und verlängern so den Diffusionsweg für Wasser, Sauerstoff und andere Medien (Tortuositätseffekt), was die Barrierewirkung verbessern kann. Wie stark, entscheiden Orientierung und Packung der Plättchen im Film.

Ölzahl und PVK

Die Ölzahl gibt an, wie viel Leinöl (in g je 100 g Feststoff) man einarbeiten muss, bis aus dem Pulver eine zusammenhängende, kittartige Paste entsteht — bestimmt nach DIN EN ISO 787-5. Sie ist damit ein Maß für den Bindemittelbedarf und weist auf eine große bzw. schwer zugängliche Oberfläche hin. Wichtig: Eine hohe Ölzahl erhöht nicht automatisch die PVK — die PVK ist eine rechnerische Rezepturgröße. Die Ölzahl beeinflusst stattdessen den Bindemittelbedarf und kann damit die kritische PVK (KPVK) des konkreten Systems senken; die tatsächliche PVK rückt dadurch näher an die KPVK heran, und Glanz und Beständigkeit können kippen (siehe L-55). Die KPVK selbst ist keine feste Zahl, sondern hängt von Partikelgröße, Teilchenform, Oberfläche, Ölzahl und Packungsstruktur des jeweiligen Systems ab.

Spezifische Oberfläche und Dispergierung

Mit steigender spezifischer Oberfläche wächst der Bedarf an Bindemittel, Netz- und Dispergiermittel sowie an Dispergierenergie. Viele Pigmente und Füllstoffe liegen im Bereich einiger bis etwa 100 m²/g; hochdisperse Materialien wie bestimmte Ruße oder pyrogene Kieselsäuren können dagegen mehrere hundert m²/g erreichen und sind entsprechend anspruchsvoller zu dispergieren. Sehr feinteilige Feststoffe besitzen zudem eine hohe Oberflächenenergie und neigen ohne ausreichende Stabilisierung zur Reagglomeration bzw. Flokkulation.

Rheologie: Warum manche Füllstoffe stark wirken

Feinteilige oder plättchenförmige Füllstoffe können über Partikel-Partikel-Wechselwirkungen und ihre große Oberfläche die Strukturviskosität eines Lackes erhöhen. Tonminerale wie Bentonit können in geeigneten Systemen ausgeprägte thixotrope Strukturen erzeugen und so Sedimentationsstabilität und Standfestigkeit verbessern; die konkrete Wirkung hängt stark von Bindemittel, Lösemittel/Wasser, Oberflächenchemie und Dispergierung ab.

Arbeitssicherheit: Quarz und kristallines Siliciumdioxid

Bei quarzhaltigen Füllstoffen ist die inhalative Exposition gegenüber alveolengängigem kristallinem Siliciumdioxid (insbesondere Quarz und Cristobalit) zu vermeiden — eine langfristige bzw. hohe Exposition kann schwere Lungenerkrankungen verursachen. Nach TRGS 906 gelten Tätigkeiten mit alveolengängigem kristallinem Siliciumdioxid als krebserzeugend (IARC Gruppe 1). Einen klassischen AGW gibt es nicht; maßgeblich sind der Beurteilungsmaßstab von 0,05 mg/m³ in der alveolengängigen Fraktion und der EU-Grenzwert von 0,1 mg/m³ (A). Zum Vergleich: Der allgemeine Staubgrenzwert nach TRGS 900 liegt bei 1,25 mg/m³ (A) — Quarzfeinstaub ist also rund 25-mal strenger geregelt. Entscheidend ist dabei ausdrücklich die kristalline Struktur, nicht die bloße chemische Formel SiO₂: Amorphe Kieselsäuren — etwa pyrogene Kieselsäure oder gefällte Kieselsäure, wie sie als Rheologieadditiv eingesetzt werden (siehe L-23) — besitzen kein geordnetes Kristallgitter und gelten arbeitsmedizinisch als deutlich unbedenklicher als kristallines Quarzmehl oder Cristobalit; sie unterliegen nicht derselben Karzinogenitätseinstufung. Schutzprinzip bei den kristallinen Formen: Staubentwicklung möglichst vermeiden → staubarme Arbeitsverfahren → wirksame technische Absaugung an der Entstehungsstelle → organisatorische Maßnahmen → geeigneter Atemschutz, wenn eine Exposition nicht ausreichend ausgeschlossen werden kann. Bei Kieselgur hängt die tatsächliche Gefährdung vom Gehalt und von der Form des enthaltenen kristallinen SiO₂ ab — nicht jede Kieselgur ist gleich zu bewerten: Naturbelassene, ungebrannte Kieselgur besteht überwiegend aus amorphem SiO₂ mit nur geringem kristallinen Anteil. Wird sie dagegen kalziniert (insbesondere flussmittelkalziniert), wandelt sich ein erheblicher Teil des amorphen SiO₂ in kristallines Cristobalit um — Gehalt an gefährlichem kristallinem SiO₂ und Gesundheitsrisiko steigen dadurch deutlich. Auskunft über Aufbereitungsart und tatsächlichen Gehalt gibt das Sicherheitsdatenblatt des konkreten Produkts.

Merksatz