Pigmentierungshöhe und kritische PVK

PVK und P/B als Maß der Pigmentierung

Die Pigmentierungshöhe beschreibt, wie viel Pigment und Füllstoff ein Film im Verhältnis zum Bindemittel enthält. Zwei Maße sind gebräuchlich: das Pigment-Bindemittel-Verhältnis P/B als Massenverhältnis und die Pigmentvolumenkonzentration PVK als Volumenanteil. Für das Filmverhalten ist die PVK aussagekräftiger, weil es auf das Volumen und nicht auf die Masse ankommt.

P/B und PVK an einem Beispiel

Eine Rezeptur enthält 300 g deckendes Eisenoxidrot (ρ = 5,0 g/cm³) und 200 g Bindemittel-Festkörper (ρ = 1,1 g/cm³). Das P/B-Verhältnis ist schnell gebildet: 300 g / 200 g = 1,50 — auf einen Massenteil Bindemittel kommen anderthalb Massenteile Pigment. Für die PVK werden zuerst die Volumina gerechnet: V(Pigment) = 300 / 5,0 = 60,0 cm³ und V(Bindemittel) = 200 / 1,1 = 181,8 cm³. Damit ist PVK = 60,0 / (60,0 + 181,8) · 100 % = 24,8 %. Daran sieht man, warum die Masse allein in die Irre führt: Obwohl anderthalbmal so viel Pigment wie Bindemittel eingewogen wurde, nimmt es wegen seiner hohen Dichte nur knapp ein Viertel des Filmvolumens ein.

Formel

PVK = V(Pig + Füll) / V(Pig + Füll + Bindemittel-FK) · 100 %

V = Volumen jeder Komponente (Masse durch Dichte)

Die kritische PVK

Die kritische PVK (KPVK) ist diejenige Pigmentierung, bei der das Bindemittel gerade noch ausreicht, um die Hohlräume der dichtest gepackten Pigmentteilchen vollständig zu füllen. Unterhalb der KPVK ist genug Bindemittel da, um einen dichten, geschlossenen Film zu bilden. Das ist die Voraussetzung für Glanz — allein genügt es nicht, denn auch Verlauf, Oberflächenglätte und ein etwaiges Mattierungsmittel entscheiden mit. Oberhalb steigt die Wahrscheinlichkeit luftgefüllter Poren und Leerstellen deutlich; Glanz, Festigkeit und Barrierewirkung nehmen dann ab.

Was die Packung bestimmt

Wo die KPVK eines Gemischs liegt, hängt davon ab, wie gut sich die Teilchen packen lassen. Gleich große Kugeln lassen viel Hohlraum zwischen sich. Sind kleinere Teilchen dabei, die in die Lücken passen, bleibt weniger Hohlraum — es wird weniger Bindemittel gebraucht, um ihn zu füllen, und die KPVK liegt höher. Auch die Form wirkt mit: Plättchen- und nadelförmige Teilchen packen schlechter als kompakte. Deshalb kombiniert man in Füllern und Grundierungen bewusst Füllstoffe verschiedener Korngrößen. Und deshalb ist eine KPVK, die aus der Ölzahl eines einzelnen Pigments gerechnet wurde, für ein Gemisch immer nur eine Näherung.

Eigenschaften über die Pigmentierung

• Glanz fällt mit steigender PVK, weil die Oberfläche zunehmend rau wird.
• Die Härte durchläuft mit steigender Pigmentierung ein Optimum in der Nähe der KPVK — solange das Pigment härter ist als das Bindemittel, steigt sie zunächst an und fällt oberhalb der KPVK wieder ab, weil dann luftgefüllte Poren den Film schwächen. Die Tiefung als Maß der Verformbarkeit hat dagegen kein Optimum: Sie fällt schon weit unterhalb der KPVK mit jedem zusätzlichen Feststoffanteil, weil der Elastizitätsmodul steigt und die Bruchdehnung sinkt; oberhalb der KPVK fällt sie steil ab, weil die Poren zusätzlich als Rissauslöser wirken.
• Oberhalb der KPVK wird der Film matt und porös; Sperrwirkung und Nassabriebbeständigkeit fallen, Wasseraufnahme und Schleifbarkeit steigen.

Überkritisch — mit Absicht

Manchmal fährt man die PVK bewusst über die KPVK. Vor allem matte Innendispersionsfarben (Wandfarben) sind meist überkritisch pigmentiert. Die luftgefüllten Poren im Film erhöhen das Deckvermögen — Trockendeckvermögen durch Lichtstreuung an den zusätzlichen Luft-Grenzflächen —, erzeugen einen tiefmatten Farbton und machen den Film wasserdampfdurchlässig (diffusionsoffen), bei zugleich niedrigen Kosten (weniger Bindemittel, mehr Füllstoff). Der Preis dafür ist geringe Nassabriebbeständigkeit und Kreidungsneigung; deshalb erreichen gerade preiswerte, hoch pigmentierte Wandfarben nach DIN EN 13300 nur die schlechteren Nassabriebklassen, typisch Klasse 3 oder schlechter (Klasse 3 bis 5). Achtung: Die Skala ist invers — Klasse 1 bezeichnet die höchste, Klasse 5 die geringste Beständigkeit. Geprüft wird der Abtrag nach DIN EN ISO 11998. Die Klasse ergibt sich dabei aus Abtrag und Zyklenzahl gemeinsam: Klasse 1 unter 5 µm, Klasse 2 von 5 µm bis unter 20 µm und Klasse 3 von 20 µm bis unter 70 µm, jeweils nach 200 Scheuerzyklen; Klasse 4 unter 70 µm und Klasse 5 ab 70 µm werden schon nach 40 Zyklen bewertet. Die Grenzen sind einseitig offen gesetzt, damit innerhalb derselben Zyklenzahl jeder Messwert genau einer Klasse zufällt — ein Abtragswert ohne Angabe der Zyklenzahl lässt sich nicht einstufen. Der alten Bezeichnung „scheuerbeständig“ entsprechen die Klassen 1 und 2, „waschbeständig“ der Klasse 3.

Füller, Haftgrundierungen und Spachtel werden oft überkritisch pigmentiert — die Mikroporosität verbessert die Haftung der Folgeschicht und erleichtert das Schleifen. Korrosionsschutz-Grundierungen, die über Barrierewirkung schützen sollen, werden dagegen bewusst unterhalb der KPVK formuliert: Dort ist der Film dicht und geschlossen, was den Durchtritt von Wasser, Sauerstoff und Ionen bremst. Eine Ausnahme bilden Zinkstaubfarben — zinkstaubreiche Grundierungen für den kathodischen Korrosionsschutz: Damit die Zinkteilchen den Stahl als Opferanode schützen können, müssen sie einander und den Untergrund elektrisch berühren. Das erfordert einen sehr hohen Zinkanteil (oft über 90 % im Trockenfilm) und entsprechend hohe, kritische bis überkritische Pigmentierung; zu viel Bindemittel würde die Zinkteilchen elektrisch isolieren und den kathodischen Schutz aufheben. Zu Arbeitsschutzaspekten beim Schweißen und thermischen Trennen zinkbeschichteter Teile — insbesondere zum Risiko des Zinkrauches — siehe L-101.

KPVK aus der Ölzahl abschätzen

Die Ölzahl gibt an, wie viel Öl 100 g Pigment unter genormten Prüfbedingungen aufnehmen, bis eine zusammenhängende Paste entsteht. Sie ist ein empirischer Prüfkennwert für den Bindemittelbedarf — nicht dasselbe wie die BET-Oberfläche, auch wenn beide zusammenhängen. Aus der Ölzahl lässt sich die KPVK näherungsweise berechnen:

KPVK = 100 / (1 + ρP · OZ / (ρL · 100))
ρP = Pigmentdichte (g/cm³) · OZ = Ölzahl (g/100 g)
ρL = Dichte des Referenzöls (Leinöl: 0,93 g/cm³)

Beispiel Eisenoxidrot mit ρP = 5,0 g/cm³ und Ölzahl 24: KPVK = 100 / (1 + 5,0 · 24 / (0,93 · 100)) = 43,7 %. Der Wert ist eine Näherung; er ersetzt keine Messung an der fertigen Rezeptur.

Hoch-BET-Rohstoffe: nach Wirkung dosieren

Manche Rohstoffe haben eine sehr große spezifische Oberfläche (BET-Oberfläche) — pyrogene Kieselsäure (rund 100–400 m²/g) oder Ruß (Pigmentruße bis rund 600, Leitfähigkeitsruße bis über 1000 m²/g). Ihr reines Teilchenvolumen (Masse durch Dichte) ist klein, ihr Beitrag zur PVK also gering. Trotzdem wirken sie stark: Die riesige Oberfläche bindet viel Bindemittel und bringt eine sehr hohe Ölzahl mit. Deshalb dosiert man diese Stoffe nach Wirkung in Gewichtsprozent — kleine Menge, große Wirkung: Kieselsäure für Thixotropie und Standfestigkeit (Schutz vor Ablaufen), Ruß für Farbtiefe und Deckung —, nicht über eine Ziel-PVK.

Für die KPVK-Abschätzung ist das wichtig: Die KPVK folgt aus der Ölzahl des gesamten Pigment-Füllstoff-Gemischs. Wer die hohe Ölzahl der Hoch-BET-Anteile nicht mitrechnet, erhält eine zu hohe KPVK und plant die Rezeptur „zu dicht“ — im fertigen Film fehlt dann Bindemittel (siehe L-59).

Merksatz