Faktoren, die die Pigmentfarbe beeinflussen

 

Zahlreiche Faktoren beeinflussen die Farbe von Pigmenten, wobei die chemische Struktur, die Kristallform und die Oberflächenbehandlung entscheidende Faktoren sind, die sowohl die Farbe als auch die sekundären Eigenschaften beeinflussen. Die Farbe eines Pigments wird in erster Linie durch seine chemische Struktur bestimmt. Aber auch die Art der Kristallform, die Form, die Partikelgröße und die Oberflächenbehandlung können die Farbe verändern. Bei den Phthalocyaninblau-Pigmenten weist beispielsweise die α-Kristallform einen roten Farbton auf, die β-Kristallform einen grünen Farbton, und die ε-Kristallform ergibt ein Phthalocyaninblau-Pigment mit einem röteren Farbton als die α-Form. Sekundäre Eigenschaften von Pigmenten - wie Kristallstabilität, Licht- und Wetterbeständigkeit, Deckvermögen und Transparenz, Farbstärke, Glanz, Rheologie, Dispergierbarkeit, Hitzebeständigkeit und chemische Beständigkeit - sind für die Marktdifferenzierung und -segmentierung von zunehmender Bedeutung.

 

 

Chemische Struktur

 

Auf der Grundlage der allgemeinen chemischen Struktur können Pigmente in anorganische Pigmente, organische Pigmente und Effektpigmente eingeteilt werden.

 

1) Anorganische Pigmente:Dazu gehören Titandioxid, Ruß, Eisenoxide, Bleichromate, Chrom- und Cadmiumoxide, Ultramarinblau, Wismutvanadat und zusammengesetzte anorganische Pigmente, die nach ihrer chemischen Struktur klassifiziert sind.

2) Organische Pigmente: Organische Pigmente werden nach ihrer chemischen Struktur grob in Azopigmente, polyzyklische Pigmente und Metallkomplexpigmente eingeteilt. Azopigmente sind überwiegend herkömmliche organische Pigmente mit geringer Farbechtheit, obwohl es auch Ausnahmen wie Benzimidazolon gibt. Diazokondensationspigmente hingegen gehören zur Kategorie der organischen Hochleistungspigmente. Polyzyklische und Metallkomplexpigmente sind organische Hochleistungspigmente mit ausgezeichneten Farbechtheits- und Beständigkeitseigenschaften.

 

3) Effektpigmente: Aluminiumpulver, Kupferpulver, metallisches Aluminium, natürlicher Glimmer, synthetischer Glimmer, Glasflocken, Wismut-Oxychlorid, Graphitflocken, polymere Strukturfarben und farbverändernde Pigmente, um nur einige zu nennen.

Kristall und Oberflächenbehandlung

 

Die Teilchengröße, die Größenverteilung, die Kristallform, die Kristallstruktur und die Kristallinität der Pigmentkristalle beeinflussen die Farbleistung und die sekundären Eigenschaften. Pulver weisen entweder eine kristalline oder amorphe Struktur auf, während Pigmente immer in kristalliner Form vorliegen. Pigmentkristalle sind die kleinsten Pigmentteilchen, die aus Atomen oder Molekülen bestehen, die in bestimmten Mustern angeordnet und zusammengesetzt sind. Ihre unterschiedlichen Formen und Mikrostrukturen können mit Hilfe der Elektronenmikroskopie beobachtet werden.

Die kleinsten Partikel in Pigmentdispersionen werden als Primärpartikel bezeichnet und haben einen Durchmesser von etwa 0,05 bis 1 μm. Sie weisen verschiedene Formen wie Würfel, Kugeln, Stäbchen und Nadeln auf.

 

Aufgrund ihrer hohen Oberflächenenergie haben Primärpartikel eine starke Tendenz, spontan zu aggregieren und die Oberflächenenergie zu verringern. Sie bilden in der Regel eng strukturierte Aggregate durch zufällige Rand-zu-Rand- oder Face-to-Face-Bindung. Diese Aggregate haben einen größeren Durchmesser als Primärteilchen, der im Allgemeinen zwischen 1 und 10 μm liegt. Während der Filtrations- und Trocknungsprozesse bei der Pigmentherstellung agglomerieren Primärpartikel und Aggregate oder die Aggregate selbst zu größeren, locker strukturierten Agglomeraten mit Partikelgrößen von über 10 μm.

Die kristallinen Eigenschaften von Pigmenten äußern sich in der Regel durch die folgenden Eigenschaften, die jeweils einen unterschiedlich starken Einfluss auf die Leistung des Pigments haben. Partikelgröße, -form und -größenverteilung wirken sich besonders stark auf die Pigmenteigenschaften aus.

• Partikelgröße Im Allgemeinen klein, gemessen in Mikrometern (μm).
• Partikelgrößenverteilung, die üblicherweise durch Parameter wie D10, D50 und D90 gemessen wird. Ein D50 von 20μm bedeutet beispielsweise, dass 50% der Pigmentteilchen einen durchschnittlichen Durchmesser von 20μm haben.
• Form der Kristallpartikel, z. B. nadelförmig, kugelförmig, kubisch oder andere Formen.
• Kristallstruktur: Ein einzelnes Pigment kann mehrere Kristallformen aufweisen. Phthalocyaninblau hat beispielsweise α-, β- und ε-Formen, während Titandioxid als Anatas, Rutil und Brookit existiert. Unterschiedliche Kristallstrukturen führen zu unterschiedlichen Farbeigenschaften und sekundären Merkmalen.
• Die Kristallinität beeinflusst in erster Linie die Farbechtheit. Eine Erhöhung der Kristallinität verbessert die Lichtechtheit, Witterungsbeständigkeit und Hitzebeständigkeit eines Pigments, während gleichzeitig die rheologischen Eigenschaften, die Lösemittelbeständigkeit und die Beständigkeit gegen Farbausbluten verbessert werden.

 

Die Oberflächenbehandlung ist ein wichtiger Prozess und eine wichtige Technologie bei der Pigmentverarbeitung. Die Hauptfunktion der Oberflächenbehandlung besteht darin, die Polarität der Partikeloberfläche zu verändern, um eine gute Kompatibilität zwischen dem Pigment und dem Anwendungsmedium zu gewährleisten. Dadurch werden Anwendungseigenschaften wie Dispersion, Rheologie, Beständigkeit und Stabilität des Dispersionssystems verbessert. Ein und dasselbe Pigment kann durch verschiedene Oberflächenbehandlungen verarbeitet werden, um Produkttypen mit spezifischen Anwendungseigenschaften zu erzeugen, wie z. B. leichte Dispergierung, Antiflockung, hohes Deckvermögen oder hohe Transparenz sowie Eignung für lösungsmittelbasierte oder wasserbasierte Anwendungen.

 

Der Einfluss der Partikelgröße auf Pigmente

 

Auch die Teilchengrößen von Pigmenten mit unterschiedlichen Strukturen variieren stark. Im Allgemeinen haben anorganische Pigmente größere Teilchengrößen als organische Pigmente. Unter den anorganischen Pigmenten hat Ruß sehr kleine Teilchengrößen, sogar kleiner als einige organische Pigmente, während Titandioxid und Eisenoxide größere Teilchengrößen haben. Die Teilchengröße von Eisenoxidrot kann das Dutzendfache der Teilchengröße von Titandioxid erreichen.

Einfluss der Partikelgröße auf den Farbton

Der Farbton von Pigmenten mit identischer chemischer Struktur variiert mit der Teilchengröße. Bei einem bestimmten Pigment nimmt der Farbwinkel mit abnehmender Teilchengröße zu und mit zunehmender Teilchengröße ab. Wenn die Teilchengröße eines bestimmten Pigments abnimmt, verschiebt sich sein Farbton auf dem Farbkreis gegen den Uhrzeigersinn. Umgekehrt verschiebt sich der Farbton bei zunehmender Teilchengröße gegen den Uhrzeigersinn zu den benachbarten Farbtönen.

 

Einfluss der Partikelgröße auf Oberfläche und Eigenschaften

Je kleiner die Pigmentteilchen sind, desto größer ist ihre spezifische Oberfläche. Kleinere Teilchen weisen eine stärkere Adsorptionsfähigkeit und eine höhere Viskosität im Medium auf, was natürlich größere Mengen an Dispergiermitteln zur Dispersion und Viskositätsreduzierung erfordert. Verschiedene Teilchengrößen desselben Pigments weisen unterschiedliche Eigenschaften in Bezug auf Farbsättigung, Rheologie, Transparenz oder Deckvermögen, Tönungsstärke und Wetterbeständigkeit auf.

Kleine Partikelgröße	Leistung	Große Partikelgröße
Hohe Transparenz	Transparenz/Durchlässigkeit	Hoher Erfassungsgrad
Hoch	Stärke der Färbung	Niedrig
Schlecht	Rheologie	Gut
Schlecht	Witterungsbeständigkeit	Gut
Hoch	Farbsättigung	Niedrig

 

Der Einfluss der Partikelgrößenverteilung auf Mahlen und Dispergieren

Beim Mahlen und Dispergieren von Pigmenten werden Scherkräfte eingesetzt, um Agglomerate in Aggregate oder idealerweise in Primärpartikel aufzubrechen und so die Leistung zu verbessern. Gleichzeitig weisen Pigmente mit engeren Teilchengrößenverteilungen eine höhere Farbsättigung und Tönungsstärke auf. Das nachstehende Diagramm der Teilchengrößenverteilung, das β-Phasen-Phthalocyaninblau in einem wässrigen System nach unterschiedlichen Dispergierzeiten zeigt, verdeutlicht, dass mit zunehmender Mahldauer eine immer feinere durchschnittliche Teilchengröße und eine konzentriertere Verteilung erreicht wird, die sich einer idealen Verteilung nähert. Ein übermäßiges Mahlen kann jedoch manchmal zu unerwünschten Effekten wie Farbtonverschiebungen und verminderter Leistung führen.

 

Zusätzlich zu den oben genannten Faktoren hat auch die Kristallform einen erheblichen Einfluss auf die rheologischen Eigenschaften von Pigmenten. Aggregate, die aus Pigmentteilchen mit plättchen- oder stäbchenförmigen Kristallen gebildet werden, weisen im Vergleich zu Aggregaten aus Teilchen mit anderen Kristallformen ein größeres Volumen auf. Unter gleichen Bedingungen besitzen diese Aggregate eine geringere Viskosität und zeigen eine relativ bessere Dispergierbarkeit im Dispersionsmedium.