Disperse Systeme und Kolloide

Was eine Phasengrenzfläche ist

Eine Phasengrenzfläche ist die Grenze zwischen zwei Phasen. Im Lack liegt sie zum Beispiel zwischen den festen Pigmentteilchen und der flüssigen kontinuierlichen Phase. „Nicht mischbar“ ist dabei kein taugliches Kriterium — es passt allenfalls auf Flüssigkeitsgemische, nicht auf einen Feststoff in einer Flüssigkeit.

Die äußere Grenzfläche eines Feststoffs oder einer Flüssigkeit zur Gasphase wird üblicherweise Oberfläche genannt — etwa beim noch nicht dispergierten Pigmentpulver, das eine hohe Oberfläche zur Luft besitzt. Streng genommen ist auch sie eine Grenzfläche zwischen zwei Phasen; die Unterscheidung ist Sprachgebrauch, keine harte Trennung.

Aufbau eines dispersen Systems

Ein disperses System — kurz Dispersion — besteht aus einer fein verteilten dispersen Phase, auch diskontinuierliche oder innere Phase genannt, und einem Dispersionsmittel als kontinuierlicher Phase. Die Grenzfläche zwischen beiden ist wegen der feinen Verteilung sehr groß und bestimmt die Eigenschaften des Systems entscheidend mit.

Pigmentierte oder gefüllte Lacke sind genau solche Systeme. Wegen ihrer im Verhältnis zum Feststoffvolumen enormen inneren Phasengrenzfläche werden sie in der Lacktechnik anschaulich als grenzflächenüberladene Systeme bezeichnet: „überladen“ heißt hier, dass sehr viel Grenzflächenenergie im System steckt, mit der Rezeptur und Verarbeitung zurechtkommen müssen — kein streng definierter Fachterminus, sondern ein plastisches Bild für diesen Umstand. Warum diese Energie das System überhaupt instabil macht, erklärt L-50.

Lacktechnisch wichtige Kombinationen

Im Lackzustand:

• fest in flüssig — Suspension: pigmentierte oder gefüllte Flüssiglacke, Polymerdispersionen
• fest in fest — pigmentierter bzw. gefüllter ausgehärteter Lackfilm. Achtung: Nicht jeder Lackfilm ist eine Dispersion — ein klarer, homogener Film ist keine.
• flüssig in flüssig — Emulsionen, z. B. Öl-in-Wasser-Emulsionen
• gasförmig in flüssig — Schäume

Erst im Applikationszustand:

• fest in gasförmig — Pulverlack im zerstäubten Zustand. Das Pulver selbst ist zunächst nur ein Feststoffgemisch; das Aerosol entsteht beim Sprühen.
• flüssig in gasförmig — zerstäubte Flüssiglacke

Gasförmig in gasförmig gilt nicht als Dispersion: Unter üblichen Bedingungen bilden verschiedene Gase homogene Gasgemische.

Nicht jeder Lack ist ein disperses System: Der klassische, molekular gelöste Klarlack enthält keine disperse Phase und ist deshalb keine Dispersion. Klarlacke mit Polymerdispersionen, Mattierungsmitteln oder Nanopartikeln sind dagegen sehr wohl disperse Systeme.

Kolloide

Ein weiteres Unterscheidungsmerkmal ist die Teilchengröße der dispersen Phase. Kolloidal ist eine Zustands- und Größenordnung, grob von etwa 1 nm bis 1 µm (1000 nm); in der Lacktechnik wird häufig auch der Bereich ab etwa 5 nm angegeben. Oberhalb liegen grobe Verteilungen, unterhalb molekulare Lösungen. Wichtig: Diese Einteilung ist keine scharfe Grenze, sondern eine Größenordnung — die Angaben in der Literatur weichen deshalb voneinander ab.

Wie fein und gleichmäßig eine disperse Phase verteilt ist, beschreibt der Dispersitätsgrad — ein Maß für den Zerteilungszustand der dispersen Phase: Je feiner und einheitlicher die Teilchen verteilt sind, desto höher ist er. Maßgeblich ist dabei nicht allein die mittlere Teilchengröße, sondern auch die Teilchengrößenverteilung.

Größenordnungen in der Praxis

• Technische Pigment- und Füllstoffdispersionen: Primärkristallgrößen von 10 bis 1000 nm, Füllstoffe teilweise darüber. Für die praktische Dispersion ist allerdings nicht die Primärkristallgröße allein maßgeblich — entscheidend sind ebenso die vorhandenen Aggregate und Agglomerate und wie weit sie beim Dispergieren abgebaut werden (siehe L-44, L-53). Dispersionsmittel ist Lösemittel, lösemittelfreies Bindemittel, Bindemittellösung oder Bindemitteldispersion. Im letzten Fall ist das Dispersionsmittel selbst schon ein disperses System — feine Polymerteilchen in Wasser oder Lösemittel —, und es entsteht eine zusätzliche Grenzfläche: neben der zwischen Pigment und Dispersionsmittel jetzt auch die zwischen den Polymerteilchen und ihrem eigenen Medium.
• Technische Bindemittel- und Polymerdispersionen: Polymerteilchen liegen typischerweise im Submikrometerbereich, können aber auch größer sein. Nicht jede technische Polymerdispersion ist deshalb kolloidal.

Je kleiner die Teilchen, desto größer ihre spezifische Oberfläche — „spezifisch“ heißt dabei: bezogen auf die Masse, also Quadratmeter pro Gramm (m²/g), nicht die Oberfläche als Absolutwert. Bei gleicher eingesetzter Masse wächst dadurch auch die insgesamt vorhandene Grenzfläche im Lack. Die Größenordnungen dazu stehen in L-44 und L-45.

Feine Additive gehören dazu

Zur dispersen Phase zählen nicht nur Pigmente und Füllstoffe, sondern auch sehr feine funktionelle Additive — allen voran pyrogene Kieselsäure und organophile Schichtsilicate. Ihre Primärpartikel sind nur wenige Nanometer groß; in Pulver und Lack liegen sie allerdings als Aggregate und Agglomerate unterschiedlicher Größe vor. Über Wasserstoffbrücken zwischen oberflächenständigen Silanolgruppen (Kieselsäure) beziehungsweise ein Kartenhaus-Gerüst (Schichtsilicate) bilden sie ein reversibles Partikelnetzwerk im Lack: unter Scherung deutlich niedrigere Viskosität, in Ruhe bzw. bei kleiner Scherung wieder strukturierter.

Die Wirkkette lautet: Partikelnetzwerk → Fließgrenze und strukturviskoses Verhalten → bessere Standfestigkeit und geringere Sedimentation. Fließgrenze und Thixotropie sind dabei nicht dasselbe: Eine Fließgrenze beschreibt, ab welcher Belastung das System überhaupt zu fließen beginnt; von Thixotropie spricht man erst, wenn sich die Struktur unter Scherung zeitabhängig abbaut und in Ruhe wieder aufbaut (siehe L-46).

Schon kleine Mengen wirken stark: Wegen ihrer hohen spezifischen Oberfläche und häufig hohen Ölzahl benötigen sie viel flüssige Phase zur Benetzung und können dadurch Rezepturviskosität und Bindemittelbedarf beeinflussen (siehe L-46 und L-55).

Merksatz