Metalleffekt-Pigmente E-Book

Peter Wißling

• Herausgeber: Vincentz Network
• Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien
• Serie: Farbe und Lack Edition
• Sprache: Deutsch

Seitenzahl: 311

Veröffentlichungsjahr: 2014

Beschreibung

Metalleffekt-Pigmente zeichnen sich nicht nur durch besondere optische Effekte, sondern auch durch ihren Schutz gegenüber äußeren Einflüssen aus. Faktoren, die eine Vielzahl von Anwendungsbereichen ermöglichen. Ob bei Küchenmöbeln, bei Bekleidungsstücken oder bei Verzierungen auf Nahrungsmitteln, der Einsatz dieser Pigmente ist zunehmend zum Trend geworden. Das neue Fachbuch "Metalleffekt-Pigmente" bietet dementsprechend komprimiertes Fachwissen. Die Autoren liefern einen umfassenden Überblick über Herstellungsverfahren, Eigenschaften bis hin zu den vielfältigen Anwendungsbereichen dieser besonderen Pigmente.

Leseprobe

Vincentz Network GmbH & Co KG

Peter Wißling et al.

Metalleffekt-Pigmente

2., überarbeitete Auflage

Umschlagsbild: Eckart GmbH

Bibliographische Information der Deutschen Bibliothek

Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliographie; detaillierte bibliographische Daten sind im Internet über http://dnb.ddb.de abrufbar.

Peter Wißling et al.

Metalleffekt-Pigmente

Hannover: Vincentz Network, 2013

FARBE UND LACK EDITION

ISBN 3-86630-831-0

ISBN 978-3-86630-831-2

© 2013 Vincentz Network GmbH & Co. KG, Hannover

Vincentz Network, Plathnerstr. 4c, 30175 Hannover, Germany

Das Werk einschließlich seiner Einzelbeiträge aus Abbildungen ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwendung außerhalb der engen Grenzen des Urhebergesetzes ist ohne Zustimmung des Verlages unzulässig und strafbar.

Dies gilt insbesondere für die Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen.

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Satz: Vincentz Network, Hannover

ISBN 3-86630-831-0

ISBN 978-3-86630-831-2

eBook-Herstellung und Auslieferung: readbox publishing, Dortmundwww.readbox.net

FARBE UND LACK EDITION

Peter Wißling et al.

Metalleffekt-Pigmente

2., überarbeitete Auflage

Auf ein Wort

Silberfarbene Autos, trotz zahlreicher weißer oder schwarzer Autos, metallisch glänzende Handys und Fernseher, trotz weiß und schwarz glänzender Mobiltelefone, goldene Etiketten auf Bierflaschen, trotz abnehmender versilberter Fläche auf Etiketten, glitzernder Lippenstift, Feuerwerke.

Dies sind Beispiele des alltäglichen und selbstverständlichen Einsatzes von Metalleffekt-Pigmenten – und ihre Anwendungen werden zunehmend breiter und vielfältiger; auch nach dem Milleniums Hype „silber“.

Grund für die ungebrochene Beliebtheit ist der äußerst attraktive optische Effekt. Objekte erscheinen glänzend, metallisch und formbetont. Sie wirken innovativ und zeitlos. Neben den optischen Gestaltungsmöglichkeiten bieten Metalleffekt-Pigmente eine Vielzahl weiterer, funktionaler Anwendungsmöglichkeiten. Traditionell bekannt sind Schutzfunktionen gegen äußere Einflüsse, wie Wetterfestigkeit und Chemikalienbeständigkeit. Verstärktes Interesse finden derzeit elektrisch leitfähige Metallpigmente. Neue Untersuchungen zeigen, dass sich Aluminiumpigmente hervorragend zur Wärmereflektion in Wandbeschichtungen und auf Textilien eignen und damit den Energiebedarf in Gebäuden senken können.

Die sich ändernden Einsatzbereiche erfordern die Neuauflage des bewährten Metalleffektbuches. Hier werden die neuen, funktionalen Anwendungen ausführlich beschrieben.

Daneben wird in dieser zweiten Auflage auf ganz neue Einsatzgebiete für Metalleffekt-Pigmente, wie die Verwendung in Bautenfarben oder in funktionalen Beschichtungen auf textilen Substraten, ausführlich eingegangen.

Die Neuauflage des Buches greift Bewährtes auf, so den umfassenden Überblick über Herstellungsverfahren und grundlegende Eigenschaften der Metalleffekt-Pigmente. Diese wurden in vielen Punkten überarbeitet und auf den aktuellsten Stand gebracht.

Das Konzept und der Inhalt dieser zweiten Auflage bleiben auf ein breites Publikum vom Studenten bis zum Chemiker und vom Rohstoffproduzenten bis zum Farben- und Lackhersteller verschiedenster Disziplinen ausgerichtet. Die dargestellten Grundlagen und Anwendungen von Metalleffekt-Pigmenten ermöglichen einerseits Studierenden und technisch interessierten Laien ein Basiswissen und andererseits Fachkräften eine Vertiefung ihre Kenntnisse zu einzelnen Themen.

Peter Wißling

Hartenstein, September 2012

Die Informationen zu den Richtrezepturen sind aufgrund von gewissenhaft durchgeführten Versuchen zusammengestellt und sollen bestens beraten. Bei der Vielseitigkeit der Verwendungen kann eine Gewähr nicht übernommen werden.

Fragen bitte an: Eckart GmbH, Güntersthal 4, D-91235 Hartenstein,

Fax: [phone], Tel.: [phone] oder [phone]

Inhaltsverzeichnis

Teil IHistorie

Teil IIGrundlagen

1Metalleffekt-Pigmente

2Aluminium-, Goldbronze- und Zinkpigmente

2.1Herstellverfahren

2.1.1Aluminiumpigmente nach dem Hall’schen Nassmahl-Verfahren

2.1.2Goldbronzepigmente nach dem Hametag’schen Trockenmahl-Verfahren

2.2Eigenschaften

2.2.1Benetzungsverhalten: Leafing und Non-Leafing

2.2.2Optische Eigenschaften

2.2.3Teilchengröße, Teilchengrößenverteilung, Teilchenform

2.2.4Mechanische Stabilität

2.2.5Chemische Stabilität

2.2.6Temperaturstabilität

3Prüfmethoden

3.1Prüfungen an Pulvern und Pasten

3.1.1Genormte Prüfmethoden nach DIN 55923

3.2Prüfungen am Pigment

3.2.1Methoden der Teilchengrößenmessung

3.2.2Mikroskopische Charakterisierungsverfahren

3.2.3Stabilität der Pigmente

3.3Prüfungen an der pigmentierten Beschichtung

3.3.1Goniophotometrie

3.3.2Farbmessung

Teil IIISpezialeffekt-Pigmente

1PVD-Pigmente

1.1Herstellprozess

1.2Spezielle Charakteristik von PVD-Pigmenten

1.2.1Metalliceffekt der PVD-Pigmente

1.2.2Deckvermögen

1.2.3Lichtstreuung

1.2.4Oberflächenbeschaffenheit der PVD-Pigmente

1.2.5Non-Leafing-Eigenschaften

1.3Anwendungsbereiche und -hinweise

1.3.1Allgemeines

1.3.2Formulierung

1.3.3Anwendungen in der grafischen Industrie

1.3.4Anwendungen im Bereich von Lacken und Beschichtungen

2Farbige Aluminiumpigmente

2.1Oxidierte Aluminiumpigmente

2.1.1Oxidbeschichtung

2.1.2Herstellprozess

2.1.3Strukturierte Oberflächen

2.1.4Farbausprägung

2.1.5Eigenschaftsprofil

2.2Farbige Aluminiumpigmente

2.2.1Farbigkeit durch Schichten mit hohem Brechungsindex

2.2.2Farbigkeit durch Aufbringen von Interferenzfarben

3Plättchen auf Eisenbasis

3.1Eisen-Flakes

3.2Eigenschaften und Anwendungen

3.3Magnetisierbare Eisen-Flakes

Teil IVAnwendungen

1Lacksysteme und ihre Anwendungen

1.1Lacksysteme

1.1.1Lösemittelhaltige Lacke

1.1.2Wasserbasierte Lacke

1.1.3Pulverlack-Systeme

1.1.4UV-härtende Lacke

1.2Anwendungen

1.2.1Automobillacke

1.2.2Dekorationslacke

1.2.3Industrielacke und funktionale Anwendungen

1.2.4Bautenfarben

2Druck

2.1Offset-Druck

2.1.1Allgemeines

2.1.2Offset-Druckfarbe

2.1.3Offset-Druckprozess

2.1.4Metalleffekt-Pigmente für Offset-Druckfarben

2.1.5PVD-Pigmente für den Offset-Druck

2.1.6Verarbeitungshinweise Offset-Druckfarben

2.1.7Troubleshooting für metallisierte Offset-Farben

2.1.8Empfehlungen für die Veredelung von Offset-Druckfarben

2.1.9Applikation von Offset-Druckfarben über das Lackierwerk

2.2Tief-, Flexo- und Siebdruck

2.2.1Tiefdruck

2.2.2Flexodruck

2.2.3Siebdruck

2.2.4Metalleffekt-Pigmente in Tief-, Flexo- und Siebdruckfarbenformulierungen

2.2.5Formulierung und Herstellung von Tief-, Flexo- und Siebdruckfarben

3Kunststoff

3.1Anwendung und Verarbeitung

3.2Metalleffekt-Pigmente für Kunststoffe

3.2.1Aluminiumpigmente

3.2.2Goldbronze-Pigmente

3.2.3Lieferformen

3.3Orientierungsprobleme beim Spritzgießen

3.3.1Reduzierung der Sichtbarkeit der Bindenähte

3.4Scorim-Prozess in Kombination mit In-Mould-Heating-Verfahren

4Technische Anwendungen

4.1Eigenschaften und Anforderungen

4.1.1Eigenschaften

4.1.2Prüfkriterien für technische Metallplättchen

4.2Anwendungen in der Baustoffindustrie

4.2.1Metall-Flakes für die Porenbetonfertigung

4.2.2Metall-Flakes in Putzen und Mörteln

4.3Metall-Flakes als Energieträger

4.3.1Pyro-Produkte und Slurries

4.4Metall-Flakes in der chemischen Industrie

4.4.1Aluminium-Flakes als Reduktionsmittel

5Korrosionsschutz

5.1Wirkungsweise plättchenförmiger Zinkpigmente

5.2Verarbeitung, Applikation und Lackeigenschaften

5.3Anwendungsgebiete

5.4Umwelt und Wirtschaftlichkeit

5.5Schlussbetrachtung

6Kosmetik

6.1Applikationsbereiche

6.2Formulierung

6.2.1Lip Gloss, Lippenstift, Kosmetikstift, Grundierung, Rouge

6.2.2Gepresste Puder: Kompaktpuder, Lidschatten, Rouge

6.2.3Wimperntusche

6.2.4Nagellack

6.3Produktsicherheit

7Textilveredelung

7.1Allgemeines

7.2Modetextilien

7.3Technische Textilien oder auch Smart Textiles

7.3.1Elektrische Leitfähigkeit durch Metallpigmente

7.3.2Wärmereflexion

7.3.3Abriebfestigkeit

Teil VWirkungen auf Mensch und Umwelt

1Physiologische Wirkungen

2Zulassung von Metallpigmenten

2.1Kosmetik

2.2Lebensmittelverpackungen

2.3Spielzeug

Teil VISicherheitshinweise

1Physikalische Gefahren von Metalleffekt-Pigmentpulvern und -pasten

2Brandbekämpfung bei Metalleffekt-Pigmentpulvern/-pasten

3Besonderheiten zum Umgang mit Metallpigmenten in Pulverlacken

4Allgemeine Sicherheitsmaßnahmen zum Umgang mit Metalleffekt-Pigmentpulvern/-pasten

Autoren

Index

Teil I Historie

Metallische Effekte, ob golden oder silberfarbig, sind seit Jahrtausenden in den verschiedensten Kulturkreisen von besonderer Bedeutung. Ein echter „Hype“ ereignete sich beim Übergang ins dritte nachchristliche Jahrtausend als Silber „Millenium-Farbton“ wurde.

Dabei unterliegen alle Farbtontrends, und mit ihnen auch die Metalleffekte zyklischen Schwankungen, die kaum vorherzusehen oder zu berechnen sind.

In unserer modernen Gesellschaft finden Metalleffekt-Pigmente immer neue Anwendungen, von Küchenmöbeln über Bekleidungsstücke bis hin zu Verzierungen auf Nahrungsmitteln. Damit eröffnen sich ganz neue Anwendungsgebiete für Pigmente, die bereits im dritten Jahrtausend vor Christus in Ägypten bekannt waren.

Edelmetalle – die historischen Wurzeln

Gold wurde nachweislich bereits 2500 v. Chr. in Ägypten zu dünnsten Folien ausgeschlagen, welche dann als verzierender Überzug bei Stuckelementen an Bauteilen und Kunstwerken Verwendung fanden. Nur auf edelste Bauwerke, den Palästen der Pharaonen und Tempeln der altägyptischen Gottheiten, konnten derart aufwändige und kostspielige Arbeiten aufgebracht werden, denn reines Gold war (und ist es noch immer) extrem teuer. Dafür verlieh dieses wertvolle Metall den damit verzierten Objekten einen erhabenen Charakter.

Vom Nahen Osten breitete sich die Technik des Ausschlagens von Gold zu dünnen Folien über Mesopotamien, Indien und Korea bis nach Japan aus, wo es sich ab etwa 800 n. Chr. nachweisen lässt.

Goldschlägerhandwerk in Deutschland

Über Griechenland und Italien gelangte diese Form der edlen Verzierung bis nach Deutschland. Im fränkischen Raum von Fürth, Nürnberg und Schwabach entstand ein Zentrum des Goldschlägerhandwerks. Es ist daher verständlich, dass viele der folgenden Entwicklungen auf dem Gebiet der Metalleffekt-Pigmente in dieser Region gemacht wurden. Beim Ausschlagen von Gold zu hauchdünnen Blattgoldfolien fiel immer auch plättchenförmiger Goldstaub als Abfall- und Nebenprodukt an, das als Pigment weiterverwendet wurde.

Goldene Tinten und Farben

Goldstaub-Pigmente arbeitete man bald in Tinten und Lackfirnisse ein. Somit war es möglich, goldfarbene Drucke und streichfähige Goldlacke herzustellen, die wesentlich leichter zu verarbeiten waren. Auch konnte man Objekte mit unebenen Oberflächen goldfarben bestreichen. Darüber hinaus ließ sich Pergament goldglänzend bedrucken.

Verwendung fanden solche Farben neben der Verschönerung von Bauwerken und Möbeln vor allem zum Bedrucken von Schriften und zum Verzieren von Keramiken und Lederarbeiten.

Messing als Ersatzgold

Goldverzierte Keramiken und Lederarbeiten waren für lange Zeit nur den höchsten sozialen Schichten vorbehalten, bis etwa um 1760 das wesentlich günstigere Messing als Echtgold angeboten wurde. Erfunden hatte es ein Fürther Meister namens Albert Huber. Er hatte begriffen, dass Messing ähnlich gut verformbar ist wie Gold – ganz anders als die Legierung aus Kupfer und Zinn. Diese ist hart und spröde und lässt sich zwar formstabil verarbeiten (z.B. zu Glocken und Statuen), nicht aber zu feinen Pigmenten ausschlagen. Chemisch gesehen handelt es sich bei Messing um Kupfer-/Zink-Legierungen, die man wegen ihrer Farbe auch als Goldbronzen bezeichnet (vgl. S. 20, Kapitel II-2.1.2, Goldbronze-Pigmente nach dem Hametag‘schen Trockenmahl-Verfahren).

Zunächst wurden Echtgold und Goldbronzen zu etwa gleichen Mengen verwendet, denn der beim Schlagen mittels Hammer anfallende Messingstaub ließ sich ähnlich gut wie echtes Gold in Drucke und Firnisse einarbeiten. Mit Beginn des 20. Jahrhunderts bürgerte sich für diese Erzeugnisse der Begriff Bronzefarben ein.

Aufgrund ihres niedrigeren Preises fanden Bronzefarben immer weitere Anwendungen. Vor allem handelte es sich dabei um Tapeten und Bordüren, die in Europa und auch in England, Frankreich und sogar in den Vereinigten Staaten von Amerika besonders begehrt waren. Der gestiegene Bedarf konnte nur mit effizient arbeitenden Einrichtungen gedeckt werden. Um 1830 erfand in Nürnberg Georg Benda eine Bronze-Reibemühle. Dieses erste mechanische Gerät zum Ausschlagen der Folien zu feinen Pigmenten fand rasch Verbreitung. Später wurden Bronzepigmente mittels Dampfkraft hergestellt. Dampfhämmer leiteten ab etwa 1860 eine industriell zu nennende Produktion in Franken ein.

Aluminiumpigmente für Silbereffekte

Mit der Einführung von plättchenförmigem Aluminiumstaub im 19. Jahrhundert ließen sich dann auch Silbereffekte darstellen. Grundvoraussetzung für die intensive Verbreitung der Silberpigmente war die 1892 erfundene Kryolith-Elektrolyse als großtechnisches Darstellungsverfahren von bis dahin überproportional teurem Aluminium. In Europa fiel der Aluminiumstaub analog zur Goldbronze-Herstellung beim Ausschlagen von Aluminium zu dünnen Folien an. Anders dagegen in Japan und den USA: Hier war der Rohstoff Abfallprodukt aus der Aluminiumverhüttung und Aluminiumfolienherstellung. Ab etwa 1910 ließ sich Aluminiumstaub großtechnisch produzieren, als ein amerikanisches Unternehmen einen Mahlprozess erfand, bei dem in großen Kugelmühlen Aluminiumgranulat verformt wurde. Dieses Verfahren war zunächst explosionsgefährlich, da die Pigmentherstellung auf trockenem Weg erfolgte. Erst durch die Einführung von Testbenzin als Mahlmedium durch Hall wurde es möglich, Aluminiumpigmente sicher und in großen Mengen darzustellen. Plättchenförmige Aluminiumpigmente wurden in Analogie zu den Goldbronzen als Silberbronzen bezeichnet, ein Begriff, der bis zum heutigen Tag gebräuchlich ist.

Neue Anwendungsgebiete

Nach dem 2. Weltkrieg fanden Gold- und Silberbronzen weitere neue Anwendungsgebiete. Dazu gehören Schiffsfarben, Applikationen in Kunststoffen und in der Kosmetik. Insbesondere im Automobilbereich ermöglichte die Einführung von Metallics neuartige Effekte, die heute in diesem Sektor nicht mehr wegzudenken sind.

Teil II Grundlagen

Teil II Grundlagen

1Metalleffekt-Pigmente

Gegenstand dieser Darstellung sind Metall-Flakes, d.h. plättchenförmige Metalleffekt-Pigmente aus Aluminium, Zink, Kupfer oder Messing. Sie werden in der DIN-Norm 55944 als anorganische Pigmente mit rein metallischem und glänzendem Charakter beschrieben. Zur Verbesserung der Stabilität können Metalleffekt-Pigmente auch organisch oder anorganisch beschichtet sein.

Metalleffekt-Pigmente bilden lediglich eine kleine Gruppe in der großen Familie der Metallpigmente. Den Begriff Metallpigment definiert die DIN-Norm 55943 [1] als ein Pigment, das aus Metallen oder Metalllegierungen besteht. In der lacktechnischen Praxis umfasst dieser Begriff darüber hinaus auch die Vielzahl der Pigmente, die in irgendeiner chemischen Form Metallatome im Molekül aufweisen. Darunter fällt zum einen die Gruppe der anorganischen Buntpigmente, die als einen Verbindungsanteil ein oder mehrere Metallatome enthält. Wichtige Vertreter sind Eisenoxide, Chromoxidgrün, die ökologisch nicht ganz unbedenklichen Cadmium- und Bismutvanadate sowie auch Chrompigmente in den Farben gelb, orange oder rot.

Zum anderen umfasst die Gruppe der Metallpigmente auch die organischen Buntpigmente, die –meistens als zentrales Atom – ein Metall enthalten. Breite Anwendung finden aus dieser Gruppe die Phthalocyanin- und Ultramarinblau-Pigmente.

Eine Reihe von Füllstoffen und echten Korrosionsschutzpigmenten enthält ein oder mehrere Metallatome. Die Rede ist hier von Zinksulfid und -weiß sowie Zinkphosphaten, die als moderne Korrosionsschutzpigmente ökologisch bedenkliche Produkte ersetzt haben. Auch Eisenglimmer gehört zu dieser Gruppe.

Reine Metallpigmente liegen in ihrer metallischen Form vor, wie etwa Zinkstaub, der weltweit als Korrosionsschutzpigment in Zinkstaubfarben verarbeitet wird. Eine ähnliche Anwendung, wenn auch in einem geringeren Maße, erfolgt mit Edelstahl- und Nickelpigmenten. Sie werden häufig mit anderen Korrosionsschutzpigmenten kombiniert. Eine ganz spezielle Verbindung stellen Ferrite dar, die als magnetisierbare Metallpigmente auf Tonträgern zum Einsatz kommen. Diese Aufzählung erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit. Weiterführende Informationen zu den einzelnen Pigmenten finden sich in der Literatur [2, 3].

Die in den folgenden Kapiteln beschriebenen Metalleffekt-Pigmente haben überwiegend die Aufgabe, einen optisch attraktiven Effekt zu erzeugen (hell-dunkel oder Farbflop). Darüber hinaus können einige Pigmente auch funktionale Aufgabe erfüllen (z.B. Zink-Flakes als Korrosionsschutz). Nicht beschrieben werden einige spezielle, mehrphasig aufgebaute Metalleffekt-Pigmente, bei denen Aluminium-Flakes als Träger fungieren und dieses Substrat nachbeschichtet wird. Hier sei auf die Literatur verwiesen [3].

1.1Literaturhinweise

[1]DIN 55943, Oktober 2001, S. 1 und 13

[2]Ullmanns Enzyklopädie, Weinheim 1979, Band 18, S. 629ff und S. 545ff

[3]Kittel, H.: Pigmente, Füllstoffe und Farbmetrik. Stuttgart 2003, Bd. 5

2Aluminium-, Goldbronze- und Zinkpigmente

2.1Herstellverfahren

2.1.1Aluminiumpigmente nach dem Hall’schen Nassmahl-Verfahren

Vorkommen und Gewinnung

Aluminium ist das in der Erdrinde am weitesten verbreitete Metall. Es kommt in Oxid-Form in zahlreichen Mineralien vor. Für die Aluminiumgewinnung hat Bauxit, ein Gemisch aus Eisenoxid und Aluminiumoxyhydrat, die größte Bedeutung. Ergiebige Fundstätten liegen in Frankreich, Ungarn, den USA, Italien, Jugoslawien, China und Australien. Bauxit wird durch einen nasschemischen Aufschluss von Eisenverunreinigungen befreit und anschließend schmelzelektrolytisch in die metallische Form überführt. Angeboten wird dieses Aluminium in Form von Barren, die sich einfach transportieren und lagern lassen.

Verdüsung und Vermahlung

Bei der Herstellung von Aluminiumgranulat, dem Ausgangsprodukt von Aluminiumpigmenten, werden diese Barren vor Ort in einem Ofen geschmolzen, der auf mindestens 700 °C, leicht oberhalb der Schmelztemperatur von Aluminium, aufgeheizt worden ist. Moderne Öfen arbeiten nach dem Induktionsprinzip. Das Leichtmetall wird in die flüssige Phase überführt, um es dann durch eine Düse unter hohem Luftdruck zu versprühen (Abbildung II-2.1).

Abbildung II-2.1: Verdüsen von flüssigem Aluminium unter hohem Luftdruck

Abbildung II-2.2: Aluminiumgrieß als Ausgangsstoff für die Vermahlung zum Flake

Abbildung II-2.3: Kugelmühle für die Vermahlung von Aluminiumgrieß zum Flake

Das verdüste Metall kühlt unmittelbar nach der Verdüsung ab und liegt abhängig von den Verdüsungsparametern als isometrisches Granulat vor (Abbildung II-2.2).

Dieses in der Industrie als Aluminiumgrieß bezeichnete Material ist der Rohstoff für die Vermahlung, bei der Effektpigmente in plättchenförmiger Gestalt, sogenannte Flakes, entstehen. Notwendig ist die Vermahlung zum Flake, weil der sphärische Grieß viel zu grob ist, um in die dünnen Lack- oder Druckschichten eingearbeitet zu werden. Außerdem weist er nicht die geforderten Eigenschaften hinsichtlich Deckvermögen und Brillanz auf, die an ein Effektpigment gestellt werden.

Im Hall’schen Nassmahl-Verfahren, einer Kugelmühlenvermahlung, wird der pulverförmige Aluminiumgrieß mit dem Mahlmedium Testbenzin und einer bestimmten Menge eines Schmiermittels, üblicherweise eine C18-Carbonsäure wie Öl- oder Stearinsäure, versetzt und sowohl zu Plättchen verformt als auch zerkleinert. Der Schmierstoff wird von den bei der Kugelmühlenvermahlung (Abbildung II-2.3) vom Aluminiumgrieß zum Plättchen entstehenden freien, hochreaktiven Aluminiumoberflächen adsorbiert und führt zu einer Belegung der sich unmittelbar nach der Vermahlung bildenden hydrophilen Oxidschicht. Vermeiden lassen sich so unkontrollierte Reaktionen, wie zum Beispiel Kaltverschweißungen der Pigmente und Agglomeratbildung. Die beim Mahlprozess entstehende Prozesswärme wird über Kühlsysteme abgeführt.

Sieben

Das Aluminiumpigment fällt in Form plättchenförmiger Teilchen mit einer bestimmten durchschnittlichen Teilchengröße und Teilchengrößenverteilung an. Im Prozess entstandene Agglomerate und Grobpartikel werden durch Siebschritte im Zuge einer Nachsiebung entfernt (Abbildung II-2.4).

Die Siebung hat neben der Entfernung der im Mahlprozess eventuell entstandenen Agglomerate eine weitere wichtige Funktion: Sie begrenzt das Teilchenspektrum nach oben hin. Die Entfernung des sogenannten Überkorns wird auch als Grenzkornsiebung bezeichnet.

In den Anfängen der Nassvermahlung waren Zielfraktionen mit weniger als 63 μm und später dann mit weniger als 40 bis 45 μm üblich.

Abbildung II-2.4:Anlage für die Siebung von Aluminium-Flakes

Moderne Aluminiumpigmente werden auf Geweben mit weniger als 25 μm Maschenweite gesiebt. Da diese Produkte auch eine enge Teilchengrößenverteilung aufweisen, lassen sich mit ihnen hohe Glanzgrade in Lackapplikationen erreichen. Wichtig sind heute diese feinteiligen, im Grobkorn eng begrenzten Metalleffekt-Pigmente vor allem im Automobilbereich, wo bereits Schichtdickenreduktionen von 1 μm eine deutliche Kostenersparnis bringen. Auch bei Einschichtlackierungen für Handys und Computergehäuse, um nur einige zu nennen, sind feinteilige Effektpigmente von Vorteil.

Konfektionierung

Aluminiumpigmente werden aus Sicherheitsgründen als Pasten in den Handel gebracht. Während der Herstellung, d.h. in der Vermahlung in Kugelmühlen und anschließenden Siebung, darf die Konzentration der Aluminiumpigmente im Medium Testbenzin nicht zu hoch sein. Übliche Aluminiumgehalte liegen deutlich unter 30 %.

Anschließend gilt es hingegen in den Pasten, den Aluminiumpigmentanteil so hoch wie möglich einzustellen. Das Aufkonzentrieren des Pigments geschieht in Filterpressen, über die überschüssiges Testbenzin entfernt wird. Der Filterkuchen besteht aus 80 % Aluminiumpigment und 20 % Testbenzin.

Das verkaufsfertige Produkt wird auf einen handelsüblichen Gehalt von 65 % Aluminiumpigment und 35 % Lösemittel mit lackverträglichen, aromatenreichen Testbenzinen (z.B. Solventnaphtha) eingestellt. Diese Produkte können an Kunden zur Formulierung lösemittelhaltiger Metallic-Lacke oder Druckfarben ausgeliefert werden. Alternativ kann der Filterkuchen zu stabilisierten Pigmenten zur Anwendung in wässrigen Systemen weiterverarbeitet werden (vgl. Teil IV, Kapitel 1.1.2.). Auch ein Austausch des Lösemittels für weitere Anwendungen, etwa in Kunststoffen (vgl. Teil IV, Kapitel 3.), ist möglich.

2.1.2Goldbronzepigmente nach dem Hametag’schen Trockenmahl-Verfahren

Als Goldbronzepigmente werden Pigmentplättchen bezeichnet, die aus Kupfer oder Kupfer-Zink-Legierungen, also Messing, gefertigt werden. Vorkommen und Gewinnung von Zink werden im Kapitel über Zink-Flakes beschrieben, weshalb hier nur auf Kupfer eingegangen wird.

Vorkommen und Gewinnung von Kupfer

Kupfer kommt überwiegend gebunden als Oxid, Sulfid, Chlorid oder Carbonat in den USA, Kanada, Chile, im Kongo und in Simbabwe vor. Wichtigster Rohstoff ist Kupferkies (CuFeS2), der geröstet wird. In Schacht- oder Flammöfen wird im Zuge eines Röstungsprozesses Eisen als Schlacke abgetrennt. Das verbleibende schwefelhaltige Kupfer wird unter Sauerstoffzufuhr gereinigt und liegt dann als Rohkupfer vor, das in dem folgenden Arbeitsgang elektrolytisch weiter gereinigt und abgeschieden wird.

Zusammensetzung von Goldbronzen

Das Ausgangsmaterial für den Mahlprozess der Goldbronzen ist hochreines, elektrolytisch gewonnenes Kupfer und Zink. Diese beiden Metalle werden unter Zusatz von etwas Aluminium als Reduktionsmittel legiert. Das Kupfer-Zink-Verhältnis bestimmt den Farbton der Legierung. Im Allgemeinen liegt der Kupfergehalt zwischen 70 und 100 %. Bei Goldbronzepigmenten treten aufgrund dieser Legierungen charakteristische Farbtöne auf, sogenannte Naturfarbtöne (Tabelle II-2.1.):

Tabelle II-2.1: Legierungszusammensetzung bei Naturfarbtönen

Farbname

Legierung

Farbe

Kupfer

100 % Kupfer

kupferrot

Bleichgold

90 % Kupfer, 10 % Zink

rötlich

Reichbleichgold

85 % Kupfer, 15 % Zink

gelb

Reichgold

70 % Kupfer, 30 % Zink

gelbgrün

Verdüsung und Vermahlung

Durch Verdüsen der Metallschmelze erzeugt man spratzigen Metallgrieß, der in Kugelmühlen unter Zugabe von Stearinsäure mit Stahlkugeln zu Goldbronze-Flakes verarbeitet wird. Das Schmiermittel dient beim Mahlen, ebenso wie bei der Aluminium-Flake-Herstellung, in erster Linie der Verhinderung einer Kaltverschweißung der Pigmentpartikel (siehe Kapitel II-2.1.1).

Anders als bei Aluminiumplättchen ist der Mahlprozess im Allgemeinen jedoch ein Trockenmahlverfahren, das sogenannte Hametag’sche Trockenmahl-Verfahren. Der Grund liegt darin, dass Goldbronze-Pigmente in Gegenwart von Sauerstoff nicht zu Staubexplosionen neigen, und daher bei entsprechenden Vorsichtsmaßnahmen trocken in Kugelmühlen vermahlen werden können. Die entstehenden Pulver sind universell in nahezu allen Lösemitteln und Bindemitteln einsetzbar. Wie die Aluminiumpigmente haben auch Goldbronzen eine plättchenförmige Gestalt. Ihre Dichte ist jedoch rund dreimal so hoch wie bei vergleichbaren Aluminium-Flakes.

Klassierung

Um die verschiedenen Pigmentfeinheiten zu erreichen (z.B. für Bronzierdruck – sehr grobe Teilchen mit einer durchschnittlichen Teilchengröße d50 von 50 μm; für Offsetdruck – extrem feine Teilchen mit d50 kleiner als 5 μm), sind mehrere Mahlstufen mit unterschiedlichen Mahlbedingungen nötig. Hierbei spielen Mühlengröße, -durchmesser, -drehgeschwindigkeit, Kugelgröße, Mahldauer und Schmiermittel eine wichtige Rolle. Durch eine Klassierung mit Zyklonen wird nach der Vermahlung das Pigment im Luftstrom nach dem Prinzip der Schwer- und Fliehkraft aufgetrennt.

Um später den metallpigmentierten Beschichtungen bestmöglichen metallischen Glanz zu verleihen, wird bei der anschließenden Nachbearbeitung zusätzliches Schmiermittel auf die Oberfläche der Plättchen „aufpoliert“.

Feuerfärbung

Das Sortiment an kupfer- und messingfarbenen Naturtönen kann durch die sogenannte Feuerfärbung vor der Weiterverarbeitung erweitert werden. Dabei lässt man über einen bestimmten Zeitraum unter definierter Temperatur Luftsauerstoff auf das Pigment einwirken und erhält so eine dünne Oxidschicht auf dem Metallplättchen. Durch Interferenzreflexion werden interessante Farbnuancierungen hervorgerufen. Gängige Farbtöne sind Zitron-, Dukatengold- oder Feuerrottöne, um die wichtigsten zu nennen.

Zink-Flakes

Zink kommt überwiegend als sulfidisches oder oxidisches Erz in der Natur vor. Hiervon ist Zinkblende, ein Zinksulfid, das zur Verhüttung am häufigsten verwendete Erz. Abbaugebiete liegen in Polen, Frankreich, England, Australien, Kanada, den USA und Australien. Zinkblende wird zunächst reduziert und anschließend elektrolytisch gereinigt.

Analog zur Aluminium-Flake-Herstellung erfolgt nach der Verdüsung des schmelzflüssigen Metalls mit Luft die Herstellung der Zink-Flakes entweder durch Nassmahlung in Testbenzin oder durch eine Trockenzerkleinerung und Verformung. Als Schmierstoff wird in aller Regel Stearinsäure eingesetzt.

2.2Eigenschaften

2.2.1Benetzungsverhalten: Leafing und Non-Leafing

Bei den verschiedenen Herstellungsverfahren muss zur Vermeidung von Kaltverschweißungen der Pigmentplättchen stets ein Mahlhilfsmittel (Schmiermittel) zugesetzt werden. Dessen Natur beeinflusst in charakteristischer Weise das Benetzungsverhalten der Metallpigmente. Grundsätzlich unterscheidet man bei Aluminiumpigmenten zwischen Leafing- und Non-Leafing-Typen (vgl. DIN 55923). Bei Goldbronze- und Zinkpigmenten werden im Mahlprozess nur Leafing-Typen hergestellt.

2.2.1.1Leafing-Pigmente

Abbildung II-2.5: Aufschwimmen der Leafing-Pigmente in der Beschichtung

Von Leafing-Pigmenten spricht man, wenn diese aufgrund hoher Grenzflächenspannung vom Bindemittel nicht benetzt werden und deshalb im Nassfilm aufschwimmen und sich an der Oberfläche ausrichten (Abbildung II-2.5). Diesen Effekt erzielt man beispielsweise durch Verwendung von Stearinsäure als Mahlhilfsmittel.

Reflexionseffekte

Leafing-Pigmente werden aufgrund ihrer Spiegelwirkung vor allem in Dekorationslacken, zum Beispiel bei Chromeffektlackierungen, und insbesondere im Druck eingesetzt. Neben höchstem Glanz zeigen sie allerdings eine mäßige Wisch- und Kratzfestigkeit, da die Plättchen in der Bindemittelmatrix nur unzureichend fixiert sind.

Das Aufschwimmverhalten der Leafing-Pigmente ist in unpolaren Systemen am stärksten ausgeprägt. Aromatische Formulierungsbestandteile, also Löse- oder Bindemittel, fördern das Aufschwimmverhalten der Plättchen. In Lack- oder Drucksystemen mit stark polaren Löse- oder Bindemitteln besteht immer die Tendenz, dass Leafing-Pigmente durch Benetzung „absaufen“ und zu Non-Leafing-Pigmenten werden. Im Bedarfsfall können – besonders in Druckanwendungen – spezielle Leafing-stabilisierende Additive zugesetzt werden.

Barriereschutz

Leafing-Pigmente sind nebenbei auch ideale Korrosionsschutzpigmente. Sie erzeugen durch ihr Aufschwimmvermögen eine dichte Sperrschicht, welche zunächst einmal das Eindringen von Feuchtigkeit und anderen reaktiven Medien in den Lackfilm erschwert bzw. durch die langen Diffusionswege zumindest stark verzögert (Tortuosität). In der Folge rosten metallische Substrate deutlich weniger (vgl. S. 243, Kapitel IV-5.1, Wirkungsweise plättchenförmiger Zinkpigmente).

Zusätzlich wird Strahlung (sowohl im sichtbaren als auch im UV- und IR-Bereich) reflektiert und somit ein beschichtetes Objekt vor Überhitzung geschützt (IR-Reflexion: Tankanstriche, Dachanstriche) oder die Zerstörung des Bindemittels durch UV-Strahlen, die sogenannte „Kreidung“, stark verzögert.

Übersicht über Leafing-Aluminiumpigmente

In Tabelle 2-2 findet sich eine allgemeine Übersicht über Leafing-Aluminiumpigmente mit wichtigen Kennzahlen und Anwendungsbereichen.

Tabelle II-2.2: Unterteilung der Leafing-Pigmente. Bei den hier beispielhaft genannten Produkten handelt es sich um Fabrikate aus dem Hause Eckart.

2.2.1.2Non-Leafing-Pigmente

Pigmentausrichtung

Abbildung II-2.6: Gleichmäßige Verteilung der Non-Leafing-Pigmente in der Beschichtung

Als Non-Leafing-Pigmente werden solche Pigmente bezeichnet, die vollständig vom Bindemittel benetzt werden, und sich daher gleichmäßig im gesamten Lack-/Druckfilm verteilen (Abbildung II-2.6). Die eingesetzten Bindemittel sind üblicherweise mittel- bis hochpolar.

Man erhält in optischer Hinsicht nicht ganz so metallisch wirkende, aber dafür absolut wischfeste Beschichtungen. Durch die Kombination mit transparenten, d.h. nicht streuenden Buntpigmenten erzielt man überfärbte Metalleffektlackierungen, wie sie beispielsweise bei Automobildecklacken (Metallics) bekannt sind. Des Weiteren sind sie überlackierbar.

In bestimmten Fällen können durch Zugabe von stark polaren Additiven oder Bindemitteln, insbesondere aber auch durch Netzmittel, in Druck- und Lacksystemen Leafing-Pigmente in Non-Leafing-Pigmente überführt werden. Vor allem im Druckbereich wendet man diese Technik gezielt an, um die Vorteile des Non-Leafing-Verhaltens (bessere Abriebbeständigkeit bzw. Spaltfestigkeit) nutzen zu können (s. vorher). Gängiger sind heutzutage allerdings Non-Leafing-Aluminiumpigmente, die durch Verwendung von Ölsäure als Mahlhilfsmittel während des Zerkleinerungsprozesses gezielt hergestellt werden. In Tabelle II-2.3 findet sich eine allgemeine Übersicht über Non-Leafing-Aluminiumpigmente mit wichtigen Kennzahlen und Anwendungsbereichen.

2.2.1.3Oberflächenbelegung bei Goldbronzepigmenten

Goldbronzepigmenten, die im Hametag-Verfahren als Leafing-Typen dargestellt werden, verleiht eine Nachbeschichtung (z.B. mit SiO2) Non-Leafing-Eigenschaften. Neben der Umwandlung zu Non-Leafing-Goldbronzen erreicht man durch die SiO2-Belegung eine Temperaturstabilität der Produkte bis zu 200 °C. Standard Leafing-Typen aus dem Hametag’schen Trockenmahl-Verfahren sind lediglich bis etwa 80 °C stabil. Unter der Bezeichnung „Standart“ Dorolan (aus dem Hause Eckart) sind die beschichteten Qualitäten bekannt geworden.

Das Aufbringen einer SiO2-Beschichtung durch einen schonenden Sol-Gel-Prozess verleiht Goldbronzepigmenten zusätzlich eine verbesserte Chemikalienstabilität, da die SiO2-Schutzschicht einer Entzinkung vorbeugt bzw. ein in Lösung gehen von Kupfer-Ionen verhindert, zumindest solche Vorgänge deutlich verzögert. Dies wird besonders in aggressiven Systemen geschätzt, wie etwa in Bindemitteln mit hoher Funktionalität oder in Nitrocellulosesystemen mit hohen Restgehalten an Nitriersäuren. Die Lagerstabilität steigt beim Einsatz von beschichteten Non-Leafing-Goldbronzen deutlich an.

In Einschichtlacken für die Beschichtung von Kunststoffen, beispielsweise bei Handys oder Computer-Zubehör, bringt die Verwendung von beschichteten Non-Leafing-Typen ebenfalls Vorteile, weil hier im Vergleich zu den unbeschichteten eine wesentlich bessere Wisch- und Chemikalienbeständigkeit gegeben ist.

Tabelle II-2.3: Beispiele von Non-Leafing-Pigmenten. Bei den hier beispielhaft genannten Produkten handelt es sich um Fabrikate aus dem Hause Eckart.

Vergleichsweise unbedeutend ist bisher die Verwendung der „Standart“ Dorolan-Typen in Einbrennlacken. Hier bieten Kombinationen aus Aluminium-Flake-Buntpigmenten ein breiteres Eigenschaftsprofil. In Automobilsystemen haben sich die beschichteten Non-Leafing-Goldbronzepigmente wegen ihrer mangelnden Bewitterungsstabilität und wegen ihrer in Ringleitungssystemen problematischen Sedimentationstendenz nicht durchsetzen können.

Ein klassisches Anwendungsgebiet dieser beschichteten Goldbronzepigmente sind Pulverlacke. Das Kapitel 1.1.3 im Teil IV erläutert detailliert und vergleichend die verschiedenen Produktgruppen.

2.2.1.4Orientierungsphänomene

Bei den beschriebenen Non-Leafing-Metalleffekt-Pigmenten ist die Orientierung der Pigmentplättchen im Medium von ausschlaggebender Bedeutung für die Optimierung des Metallglanzes. Maximalen Glanz erhält man bei planparalleler Ausrichtung der Plättchen zur Oberfläche. Lokal abweichende Orientierung – insbesondere auf großen Flächen – führt zu Wolkenbildung oder zu einem unruhigen Salz-und-Pfeffer-Effekt.

Im Lackbereich wird die Orientierung der plättchenförmigen Pigmente im Wesentlichen durch die Lackformulierung und die Applikationsbedingungen beeinflusst. In der flüssigen, über Spritzverfahren aufgebrachten Lackschicht, die sich aus den auf das Objekt gelangenden Lacktröpfchen mehr oder weniger schnell bildet, sind – wegen der relativ niedrigen Spritzviskosität – die Pigmente zunächst statistisch ungeordnet verteilt. Durch Abdunsten des Lösemittels schrumpft der Nassfilm und presst die Pigmentblättchen in eine Lage parallel zur beschichteten Oberfläche. Diese Ausrichtung ist umso ausgeprägter, je geringer die Viskosität des Lackfilms ist, d.h. in der Regel je höher der Anteil des Lösemittels im Lack ist. Dies wiederum erklärt, warum die Pigmentorientierung und damit metallischer Glanz in low-solid Lacken wesentlich leichter zu erzielen ist als in High Solid-Lacken (vgl. S. 83, Abbildung IV-1.1, Kapitel IV-1.1.1, Pigmentorientierung und Festkörper).

Das abdunstende Lösemittel kann jedoch innerhalb des Nassfilms auch starke Turbulenzen erzeugen und steht dann bei zu langsamer Verdunstung durch Bildung sogenannter Bénard-Zellen einer Pigmentorientierung im Wege (Wolkenbildung durch Nahordnung, Flockung). Hier hilft man sich durch Verwendung von Lackkomponenten, welche die Lösemittel schnell abgeben (z.B. Celluloseacetobutyrate) bzw. durch Zugabe von Additiven, die die Pigmentteilchen in Dispersion halten. In der Literatur wird unter anderem auf die positive Wirkung von Wachsdispersionen als „Abstandshalter“ hingewiesen [1].

Die oben diskutierten Zusammenhänge gelten prinzipiell auch für Druckanwendungen. Zusätzlich ist hier jedoch der Einfluss des Druckträgers zu berücksichtigen, der – mehr oder weniger – saugfähig für ein Wegschlagen der verwendeten Lösemittel sorgt. Je geringer die Saugfähigkeit des Druckträgers, desto besser ist die Pigmentorientierung und damit der Metalliceffekt. Umso langsamer ist dann auch die Trocknungszeit für den Druck.

Fließlinien in Kunststoffanwendungen

Beim Spritzgießen metallpigmentierter Kunststoffe orientieren sich die Pigmente entlang der Fließrichtung der flüssigen Polymerschmelze. Damit ist im Allgemeinen für eine optimale Orientierung gesorgt. Beim Zusammentreffen unterschiedlicher Orientierungsebenen kommt es zu den sogenannten Fließlinien in den Spritzgussteilen (vgl. S. 222f, Kapitel IV-3.3, Orientierungsprobleme beim Spritzgießen).

Eine Unterscheidung zwischen Leafing- und Non-Leafing-Effekten wird aufgrund der hohen Applikationsviskosität und der geringen Orientierung der Metalleffekt-Pigmente in der Kunststoffmatrix im Vergleich zu Lackanwendungen nicht gemacht.

2.2.2Optische Eigenschaften

Der Metalliceffekt, den unser Auge bei der Betrachtung entsprechender Metalleffekt-Pigmentapplikationen wahrnimmt, ist eine Kombination aus gerichteter Reflexion des einfallenden Lichts an der Metalleffekt-Pigmentoberfläche und Streuung an den Metallpigmentkanten bzw. an Unebenheiten auf der Metallpigmentoberfläche (Abbildung II-2.7).

Abbildung II-2.7: Lichtreflexion und Streuung durch den Metalliceffekt

Einflussfaktoren

Um den Metalliceffekt zu optimieren, ist es nötig, den Anteil der gerichteten Reflexion an der Plättchenoberfläche soweit wie möglich

zu erhöhen und gleichzeitig die Streuung (an den Ecken und Kanten sowie auch den Unebenheiten der Oberfläche der Metall-Flakes) zu verringern. Der optische Eindruck hängt im Wesentlichen ab von:

•Art des Metalls (Aluminium, Messing usw.)

•Benetzungsverhalten des Pigments (Leafing- oder Non-Leafing)

•Oberflächenglätte der Pigmentpartikel

•Teilchengröße und Teilchengrößenverteilung

•Formfaktor (Durchmesser zu Teilchendicke) der Plättchen

•Art der Grenzfläche (Luft oder Bindemittel)

Lichtstreuung und ungerichtete Reflexion sind nicht nur an den Pigmentkanten, sondern auch an möglichen Defekten auf der Pigmentoberfläche anzutreffen. Die Metalleffekt-Pigmente sind während herkömmlicher Herstellverfahren unterschiedlich starken äußeren mechanischen Einwirkungen ausgesetzt, die oftmals zu unregelmäßigen Teilchendicken, vor allem jedoch auch zu Oberflächendefekten führen. Nur das relativ aufwendige PVD-Verfahren (Physical Vapor Deposition (vgl. Teil III, Kapitel 1)) erzeugt fehlerfreie Oberfläche. Die Abwesenheit von Oberflächendefekten hat ein hohes Maß an gerichteter Reflexion zur Folge (vgl. S. 63, Abbildung III-1.4).

Einzelmerkmale des Metalliceffekts am nicht applizierten Pigment

Es ist nicht einfach, ohne Angaben zur Orientierung der Partikel, den visuellen Eindruck des Metalliceffekts zu beschreiben und messtechnisch zu erfassen, da er sich aus einer Summe charakteristischer Einzeleffekte zusammensetzt. Dies sind im Einzelnen:

•Farbton

•Helligkeit (lightness)

•Brillanz (brilliance)

•Deckvermögen (tinting strength oder hiding power)

•Sparkle-Effekt und Körnigkeit

•Wolkigkeit

2.2.2.1Helligkeit

Die metallische Brillanz beschreibt das Reflexionsvermögen eines Pigments und wie „metallisch“ ein Metalleffekt-Pigment auf einen Betrachter wirkt. Pigmente sind brillant, wenn sie die Lichtstrahlung in hohem Maße reflektieren und wenig ungerichtete Lichtstreuung bzw. -absorption ins Graue stattfindet.

Metalleffekt-Pigmente sind im Allgemeinen umso brillanter, je gröber die Typen und je perfekter die Pigmentoberflächen sind oder auch je enger ihre Teilchengrößenverteilung ist. Liegen sehr feine, irregulär geformte Pigmente in einer weiten Teilchengrößenverteilung vor, verschiebt sich der Farbton nach Grau („schmutziges Grau“). Für die Effektpigmentindustrie stellen sehr feine helle Pigmente mit hoher metallischer Brillanz eine fortwährende Herausforderung dar.

2.2.2.2Brillanz

Grobteilige Metalleffekt-Pigmente mit durchschnittlichen Teilchengrößen von größer als 25 μm werden als Sparkle-Typen (etwa Glitzertypen) bezeichnet. Bei direkter Beleuchtung (Sonnenschein) vermag das Auge die Spiegelebenen einzelner Partikel wahrzunehmen. Der Sparkle-Effekt verändert sich dabei in Abhängigkeit vom Beleuchtungswinkel. Dieser Glitzereindruck ändert sich völlig bei bedecktem Himmel und nun wird eher die Körnigkeit als ein Hell/Dunkel-Muster wahrgenommen. Die visuelle Wahrnehmung der Körnigkeit hängt von der Flake-Größe oder der Flake-Orientierung ab. Daraus resultiert ein uneinheitliches und unregelmäßiges Muster. Der Beobachtungswinkel ist dabei von geringer Bedeutung.

Abbildung II-2.8: Schematische Darstellung der EffektmessungQuelle: Byk

Abbildung II-2.9: BYK-Gardner BYK-macQuelle: Byk

Die herkömmliche 5-Winkelfarbmessung berechnet die Farbwerte, indem die spektrale Reflexion über den gesamten Messfleck gemittelt wird. Daher wird nicht zwischen der Farbe des Basislacks und der Reflexion der Aluminium-Flakes unterschieden. Folglich können zwei Effektlackierungen die gleichen Werte mit einem 5-Winkel Spektralphotometer haben, jedoch visuell sehr unterschiedlich aussehen. Der visuelle Unterschied resultiert aus den unterschiedlichen Flake-Effekten.

Die objektive Erfassung von Sparkle und Körnigkeit wurde in einem neuen Messsystem der Firma Byk-Gardner, Byk-mac mit Hilfe unterschiedlicher Beleuchtungen und moderner Kameratechnologie umgesetzt. Zur Messung der Körnigkeit simuliert eine durch weißbeschichtete Halbkugeln hervorgerufene, diffuse Beleuchtung die visuelle Wahrnehmung bei bewölktem Himmel. Die direkte Beleuchtung zur Simulation von Sonnenschein wird unter drei Winkeln mittels hochintensiver Power-LEDs durchgeführt. Nach jeder Beleuchtung nimmt die Kamera ein Bild auf, das durch Auswertung des Helligkeitshistogramms, numerische Messwerte für den Sparkle-Effekt pro Winkel als auch die Körnigkeit in Sekundenschnelle liefert. Die Algorithmen wurden zusammen mit Partnern aus der Auotmobil-, der Pigment- und Lackindustrie aufgrund visueller Auswertungen empirisch ermittelt. Zur besseren Differenzierung wird der Sparkle-Effekt durch ein zweidimensionales System beschrieben: Glitzerfläche und Glitzerintensität. Körnigkeit und Glitzer sind dabei zwei voneinander unabhängige Parameter. Ein Effektlack kann z.B. bei gleicher Körnigkeit unterschiedlichen Sparkle-Effekt zeigen.

Abbildung II-2.10: Einfluss der Flake-Größe auf Glitzer und KörnigkeitQuelle: Byk

2.2.2.3Wolkigkeit

Wolkigkeit ist eine unerwünschte Störung, die besonders bei hellen Effektlacken ins Auge sticht. Der Gesamteindruck der Oberfläche zeigt flächenähnliche, unregelmäßige Bereiche variierender Helligkeit. Ursachen sind zum Beispiel Fehlorientierung der Metallic-Flakes oder Schichtdickenvariationen des Basislacks. Die visuelle Beurteilung wird jedoch stark vom Prüfer und den Lichtverhältnissen beeinflusst. Verschiedentlich werden Spektralphotometer eingesetzt um die Prüfoberfläche in einem flächigen Raster zu vermessen. Allerdings sind hierbei hunderte Messungen erforderlich, was zu enormem Zeitaufwand führt und somit nur im Labor Verwendung findet.

Abbildung II-2.11: Wolkigkeitsmessung (Messprinzip)Quelle: Byk

Hierfür hat z.B. die Firma Byk-Gardner ein portables Handgerät entwickelt, mit dem die Helligkeitsschwankungen auf großen Flächen schnell geprüft werden können. Das Messgerät, Cloud-Runner, tastet die Oberfläche optisch über eine definierte Strecke (max. 100 cm) unter verschiedenen Detektionswinkeln ab und nimmt dabei die Helligkeitsschwankungen auf. Dies ist notwendig, weil die Sichtbarkeit von Wolken auch von der Betrachtungsrichtung abhängt.

Abbildung II-2.12: BYK-Gardner cloud-runner

Das Messsignal wird nach Wolkengröße gefiltert und Wolkigkeitskennwerte berechnet. Je höher der Messwert ist, umso deutlicher ist die Wolkigkeit erkennbar. Damit sind Unterschiede leicht ersichtlich und es können Zielwerte für Lackfreigabe und Prozesskontrolle definiert werden.

2.2.2.4Glanz: DOI, Flop und Buntton

Hinsichtlich des „Glanzes“ sind in Automobillacken für Aluminiumpigmente von Bedeutung:

•Abbildeschärfe (DOI)

•Flop- oder Abkippverhalten

•Bunttonsättigung

Abbildeschärfe (DOI)

Der DOI-Wert (Distinctness-of-Image) diente ursprünglich in den USA zur Beurteilung von Einschichtlacken, wird heute auch für Zweischichtlacke benutzt. Bei der Ermittlung des DOI-Wertes handelt es sich um eine den Decklackstand beschreibende Glanzmessung nahe am Reflexionswinkel, welche entweder subjektiv in der Glow-Box oder messtechnisch durchgeführt werden kann (Referenz: z.B. von Byk-Gardner die Wave-Scan Messgeräte). Die erhaltenen Messwerte sind Relativzahlen (0 bis 100). Je höher der DOI-Wert, desto schärfer erscheint die Abbildung von kontrastreichen Objekten durch Spiegelung an der lackierten Oberfläche. Der DOI-Wert einer Lackierung wird beeinflusst durch die Teilchengröße und Teilchengrößenverteilung eines Pigments, seine Bindemittelverträglichkeit und allgemeinen Verlaufseigenschaften des verwendeten Klarlacks. Dieser Begriff darf nicht mit dem Glanz (siehe weiter) verwechselt werden.

Abbildung II-2.13: BYK-Gardner Wave-Scan zur Vermessung von DOIQuelle: Byk

Flop- oder Abkippverhalten

Der Flop (auch Travel genannt) ist wohl die charakteristischste optische Eigenschaft der Metalleffekt-Pigmente und wird oft als der Metalliceffekt schlechthin bezeichnet. Hierunter versteht man die Änderung der Helligkeit in Abhängigkeit vom Betrachtungswinkel. Dies wird bei der Abmusterung der Prüfbleche durch ein leichtes Abkippen der Bleche während der Betrachtung mit bloßem Auge beurteilt, deshalb bezeichnet man den Flop auch als Abkippverhalten. In der Praxis ermittelt man das Flopverhalten am Helligkeitskontrast beim Betrachten von lackierten Oberflächen unter verschiedenen Blickwinkeln (Helligkeitsflop) Je größer der Helligkeitsunterschied zwischen den Betrachtungswinkeln ist, desto mehr werden die Konturen eines Gegenstandes betont. Um die Farbtonänderung von Interferenzlacken zu beobachten, sollte das Probenblech von oben nach unten bewegt werden. Dabei vergrößert bzw. verkleinert sich der Winkel zur Lichtquelle. Bei Perlglanzpigmenten und bei wenigen, modernen Effektpigmenten kann ein sogenannter Farbflop erzeugt werden.

Bunttonsättigung bei Metalleffekt-Pigmenten

Unter der Bunttonsättigung versteht man hier die Eigenschaft eines Metalleffekt-Pigmentes, einen durch ein Buntpigment erzeugten Farbton zu überdecken bzw. zu beeinflussen. Es besteht ein direkter Zusammenhang mit dem Deckvermögen (siehe im Folgenden). Allgemein ist die Bunttonsättigung umso stärker, je feiner das Metalleffekt-Pigment oder je breiter die Teilchengrößenverteilung (siehe weiter) ist.

Messung des Metalliceffekts/Flops

Eine anerkannte Methode zur Bestimmung des Abkippverhaltens einer Lackierung ist die Messung des reflektierten Lichtes mit einem Goniophotometer (Abbildung II-2.14). Hierbei wird die Lackierung unter 45° monochromatisch beleuchtet und das reflektierte Licht unter mehreren Winkeln gemessen, die sich zwischen 0° und 90° gezielt einstellen lassen (vgl. S. 53, Kapitel II-3.3.1, Goniophotometrie)

Misst man mit Hilfe dieser Anordnung das reflektierte Licht unter verschiedenen Winkeln, zeigt sich ein deutliches Maximum im Reflexionswinkel (Glanzwinkel). Da der Einfallswinkel des Lichtes 45° beträgt, ist auch die höchste Reflexionsintensität bei diesem Winkel gegeben. Diese höchste Lichtreflexion entspricht dem hellen visuellen Eindruck in der Aufsicht, alle übrigen Messwerte entsprechen den dunkleren Eindrücken beim Abkippen.

Abbildung II-2.14: Goniophotometer zur Bestimmung des Metalliceffektes

Zur Qualitätskontrolle vor Ort, im Lacklabor oder an der Produktionslinie, werden heutzutage meistens portable Mehrwinkelfarbmessgeräte eingesetzt, die mit fünf Betrachtungswinkel das Flopverhalten von Metallicbeschichtungen und mit 6-Winkeln das Farb-Flopverhalten von Perlglanzbeschichtungen beschreiben. Bei der Mehrwinkelfarbmessung bezieht sich die Messgeometrie auf die Differenz zum Glanzwinkel. Der Betrachtungswinkel wird von der spekularen Reflexion in der Beleuchtungsebene weg gemessen. Der Winkel ist positiv, wenn er von der spekularen Reflexion zur Normalen hin gemessen wird. Bei einigen neuen Interferenzpigmenten wandert der Farbort über einen weiten Bereich. Damit die gesamte Farbtonveränderung erfasst wird, ist es notwendig, Beobachtungs- und Beleuchtungswinkel zu ergänzen. Um eine einfache Anwendung in der Praxis mit einem portablen Messgerät zu gewährleisten, wurde ein Beobachtungswinkel „hinter dem Glanz“ bei -15° hinzugefügt.

Die glanznahen Betrachtungswinkel (15° und 25°) werden hauptsächlich von der Applikationsmethode beeinflusst, die zu einer nicht parallelen Ausrichtung der Metallicplättchen führen kann. Der 45°-Betrachtungswinkel spiegelt die Farbmessung von Unilacken wieder und die glanzfernen Winkel (75° und 110°) sind notwendig, um den gewünschten Helligkeitsflop zu beurteilen. Außerdem schreiben ASTM und ISO-Normen für Effektlackierungen eine gerichtete Beleuchtung im Gegensatz zur Rundum-Beleuchtung von Unibeschichtungen vor. Eine Rundum-Beleuchtung minimiert den Einfluss eines gerichteten Effekts von Metallicplättchen, dem sogenannte Jalousien-Effekt. Daher, könnten zwei Metallicbeschichtungen mit unterschiedlicher Flake-Orientierung bei der Rundum-Beleuchtung dieselben Messwerte liefern, jedoch wäre ein großer visueller Unterschied wahrnehmbar.

Abbildung II-2.15: Schematische Darstellung der Mehrwinkelfarbmessung unter 6-Winkeln jedoch mit 6. Winkel bei -15°Quelle: Byk

Tabelle II-2.4. Vergleich von Flop-Indices

Ein weiterer sehr nützlicher Index ist der sogenannte Flop-Index – eine Maßzahl, die das Abkippverhalten einer Metallicbeschichtung beschreibt. Forscher der Firma DuPont Performance Coatings entwickelten einen Algorithmus, der auf den Helligkeitswerten der 15°, 45° and 110°-Winkel basiert [5]. Damit sollen Pigmente beschreibbar und miteinander vergleichbar werden:

Werden verschiedene Aluminium-Flakes in ein definiertes Lacksystem bei konstant gehaltener Pigmentierungshöhe eingearbeitet und unter gleichen Bedingungen appliziert [3], lassen sich beispielsweise aufgrund unterschiedlicher Orientierung und vermehrter Kanteneffekte die in Tabelle 2-4. aufgeführten Flop-Indices aus den farbmetrischen Messungen ermitteln [4]:

2.2.2.5Deckvermögen