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Quelle/Publication: Ausgabe/Issue: Seite/Page: Farbe & Lack 05/2004 38 Leichter Abschied vom Schwermetall Anorganische Farbpigmente ökologisch verträglich. Helen Hatcher, Stoke-on-Trent und Peter Kuchenbrod, Hamburg. Schwermetallhaltige Farbpigmente, vor allem im Gelb-Bereich, sind aus Umweltgründen stark reglementiert. Besonders bei attraktiven, leuchtenden Farbtönen taten sich Entwickler bislang schwer, genau definierte Farbtöne mit völlig anderen Pigmenten zu erreichen. Eine umweltverträglichere Lösung für coloristische Probleme im gelben bis orangen Farbraum kann das neue Zinn/Zink-Compound bieten. Die Industrie muss auf immer umweltfreundlichere Produkte setzen: schwermetallhaltige Farb-Pigmente sind in der Verwendung stark eingeschränkt und lassen nur noch schwer vermarkten. Schon aus diesem Grund verändert sich die Pigmentierung einzelner Farbtöne radikal. Die Umformulierung von leuchtenden Gelb-, Orange- und Rottönen war aber nur teilweise erfolgreich. In der Kunststoff-, sowie der Lack- und Farbenindustrie wurden Cadmium Pigmente und Bleichromate inzwischen weitgehend ersetzt. Während die Verwendung von Cadmium in Europa klar geregelt ist, gibt es für den Einsatz von Bleichromaten mit Ausnahme von dekorativen Anstrichmitteln keine offizielle Regulierung. Unabhängig davon arbeitet die Lackindustrie an deren Austausch. In dekorativen Beschichtungen und Automobillacken werden auf Blei basierende Pigmente seit Jahren nicht mehr verwendet, und die Pulverlackhersteller vollzogen auf freiwilliger Basis den völligen Austausch bis Ende des Jahres 2003. Die Formulierer sind nun mit der Herausforderung konfrontiert, definierte Farbtöne mit völlig anderen Pigmenten zu erreichen, ohne dabei die Wettbewerbsfähigkeit und nicht zuletzt die ohnehin knappen Margen zu erhalten. Die attraktiven, leuchtenden Farbtöne sind dabei am schwierigsten umzusetzen. Die schwermetallhaltigen Formulierungen gehen häufig Hand in Hand mit hoher Brillanz, guter Beständigkeit und leichter Einarbeitung. Gesamtperformance wird vom organischen Pigment bestimmt "High Performance" steht für viele Lack- und Kunststoffanwendungen an erster Stelle. Das Pigment wirkt dabei häufig als funktionelle Komponente, um die Lebensdauer einer Beschichtung zu beeinflussen und zu verlängern. Die Umformulierung eines Farbtones ist deshalb weit mehr als das Nachstellen der Farbe. Die Pigmenthersteller entwickelten ihre eigenen Ideen zur Lösung dieser Problematik, die ausnahmslos auf bisher verfügbaren Pigmenten aufbauen. Alle erarbeiteten Alternativen haben ihre individuellen Vorteile, aber kein einzelnes Pigment löst alle Probleme. Gibt es Raum für einen anderen Pigmenttyp oder eine andere Pigmentpalette? Die Autoren glauben, dass es diesen Raum gibt. Bleichromate wurden überwiegend durch organisch/anorganische Pigmentmischungen ersetzt. In den meisten Fällen sind organische Pigmente mit TiO 2 , Metallmischoxiden, Eisenoxidgelb oder einer Kombination daraus vermischt, um die notwendige Deckkraft der Beschichtung oder des Polymers zu erzielen. Brillante Farbtöne benötigen wegen der geringen Farbstärke der anorganischen Komponente hohe Anteile organischer Pigmente. Die Gesamtperformance dieser Formulierungen wird vom jeweiligen organischen Pigment bestimmt. Für High-Performance Anwendungen stellen sich folgende Probleme dar: - Die Hitzebeständigkeit der organischen Pigmente ist nicht ausreichend. Dies gilt speziell für technische Kunststoffe (ABS, PEI, PEEK, PA, PBT, PC) oder Beschichtungen, die während des Gebrauchs hohen Temperaturen ausgesetzt sind. - Die Chemikalienbeständigkeit von organischen Pigmenten ist nicht immer ausreichend. Dies gilt besonders für reaktive Polymere, säurekatalysierte Systeme oder Beschichtungen, die sauren Bedingungen ausgesetzt sind. - Die hohe Ölabsorption von organischen Pigmenten kann rheologische Probleme verursachen, wenn hohe Pigmentgehalte verwendet werden, um brillante Gelbfarbtöne zu erzielen. - Organische Pigmente können in vielen Polyolefinen Migration und Kristallisation auslösen. - Übliche anorganische Pigmente haben Schwächen in Brillanz und Farbstärke. Dadurch ist der Einsatz in leuchtenden Farbtönen eingeschränkt. Vollständige Farbtonpalette zwischen dem gelben und roten Farbquadranten Hersteller von organischen Pigmenten arbeiten an der Entwicklung von Pigmenten mit brillanteren Farben, verbesserten Beständigkeiten und erhöhtem Deckvermögen. Es wurden bereits diverse Entwicklungen im Markt präsentiert. Trotzdem klafft noch eine Lücke im gelben Farbspektrum, die aber nun geschlossen wurde. Die neu entwickelte "Solaplex"-Reihe bietet besondere Farbtoneigenschaften und, in Kombination mit den Metallmischoxiden aus der Colourplex-Serie, sehr gute Beständigkeiten. Damit kann ein ökologisch akzeptables Ergebnis im gelben Farbraum erzielt werden. Die neuen Pigmente stellen eine Alternative zu Pigmenten dar, die Cadmium, Blei, Chrom, Nickel, Antimon und Molybdän enthalten. Ihre chemische Zusammensetzung lässt sich in die Familie der rutilen Zinn/Zink-Compounds einordnen und hat einen neuen Colour-Index: Pigment Gelb 216 (Abb. 1). Die Pigmente besetzen Farborte, die in Farbton und Intensität zwischen Bleichromaten und herkömmlichen Titanaten liegen. Sie sind mit grünstichigen Bismut Vanadaten und organischen Pigmenten kombinierbar, um die vollständige Farbtonpalette zwischen dem gelben und roten Farbquadranten abzubilden (Abb. 2). Die entwickelten Pigmente bieten hinsichtlich Farbton und Material-Eigenschaften folgende Vorteile: - neuer Farbraum, - kostengünstige Formulierungsoptionen, - ausgezeichnete Opazität und Deckkraft, - ausgezeichnete Licht- und Wetterbeständigkeiten, - ausgezeichnete Chemikalienresistenz, - gute Temperaturstabilität, - leichte Dispergierbarkeit, - günstiges Abriebverhalten, - niedrige Ölabsorption, keine negative Auswirkung auf die Rheologie des Bindemittels, - nicht migrierend und non-warping. Vincentz Network +++ Schiffgraben 43 +++ D-30175 Hannover +++ Tel.:+49(511)9910-000

Leichter Abschied vom Schwermetall - European Coatings ...€¦ · Helen Hatcher, Johnson Matthey Pigments & Dispersions, Stoke-on-Trent, UK, studierte an der London University

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Leichter Abschied vom Schwermetall

Anorganische Farbpigmente ökologisch verträglich.Helen Hatcher, Stoke-on-Trent und Peter Kuchenbrod,Hamburg.Schwermetallhaltige Farbpigmente, vor allem imGelb-Bereich, sind aus Umweltgründen stark reglementiert.Besonders bei attraktiven, leuchtenden Farbtönen taten sichEntwickler bislang schwer, genau definierte Farbtöne mitvöllig anderen Pigmenten zu erreichen. Eineumweltverträglichere Lösung für coloristische Probleme imgelben bis orangen Farbraum kann das neueZinn/Zink-Compound bieten.Die Industrie muss auf immer umweltfreundlichere Produktesetzen: schwermetallhaltige Farb-Pigmente sind in derVerwendung stark eingeschränkt und lassen nur nochschwer vermarkten. Schon aus diesem Grund verändertsich die Pigmentierung einzelner Farbtöne radikal. DieUmformulierung von leuchtenden Gelb-, Orange- undRottönen war aber nur teilweise erfolgreich. In derKunststoff-, sowie der Lack- und Farbenindustrie wurdenCadmium Pigmente und Bleichromate inzwischenweitgehend ersetzt. Während die Verwendung vonCadmium in Europa klar geregelt ist, gibt es für den Einsatzvon Bleichromaten mit Ausnahme von dekorativenAnstrichmitteln keine offizielle Regulierung. Unabhängigdavon arbeitet die Lackindustrie an deren Austausch. Indekorativen Beschichtungen und Automobillacken werdenauf Blei basierende Pigmente seit Jahren nicht mehrverwendet, und die Pulverlackhersteller vollzogen auffreiwilliger Basis den völligen Austausch bis Ende desJahres 2003.Die Formulierer sind nun mit der Herausforderungkonfrontiert, definierte Farbtöne mit völlig anderenPigmenten zu erreichen, ohne dabei dieWettbewerbsfähigkeit und nicht zuletzt die ohnehin knappenMargen zu erhalten. Die attraktiven, leuchtenden Farbtönesind dabei am schwierigsten umzusetzen. Dieschwermetallhaltigen Formulierungen gehen häufig Hand inHand mit hoher Brillanz, guter Beständigkeit und leichterEinarbeitung.

Gesamtperformance wird vom organischen Pigmentbestimmt"High Performance" steht für viele Lack- undKunststoffanwendungen an erster Stelle. Das Pigment wirktdabei häufig als funktionelle Komponente, um dieLebensdauer einer Beschichtung zu beeinflussen und zuverlängern. Die Umformulierung eines Farbtones ist deshalbweit mehr als das Nachstellen der Farbe.Die Pigmenthersteller entwickelten ihre eigenen Ideen zurLösung dieser Problematik, die ausnahmslos auf bisherverfügbaren Pigmenten aufbauen. Alle erarbeitetenAlternativen haben ihre individuellen Vorteile, aber keineinzelnes Pigment löst alle Probleme. Gibt es Raum füreinen anderen Pigmenttyp oder eine anderePigmentpalette? Die Autoren glauben, dass es diesen Raumgibt.Bleichromate wurden überwiegend durchorganisch/anorganische Pigmentmischungen ersetzt. In denmeisten Fällen sind organische Pigmente mit TiO2,Metallmischoxiden, Eisenoxidgelb oder einer Kombinationdaraus vermischt, um die notwendige Deckkraft derBeschichtung oder des Polymers zu erzielen. BrillanteFarbtöne benötigen wegen der geringen Farbstärke der

anorganischen Komponente hohe Anteile organischerPigmente. Die Gesamtperformance dieser Formulierungenwird vom jeweiligen organischen Pigment bestimmt.Für High-Performance Anwendungen stellen sich folgendeProbleme dar:- Die Hitzebeständigkeit der organischen Pigmente ist nichtausreichend. Dies gilt speziell für technische Kunststoffe(ABS, PEI, PEEK, PA, PBT, PC) oder Beschichtungen, diewährend des Gebrauchs hohen Temperaturen ausgesetztsind.- Die Chemikalienbeständigkeit von organischen Pigmentenist nicht immer ausreichend. Dies gilt besonders für reaktivePolymere, säurekatalysierte Systeme oder Beschichtungen,die sauren Bedingungen ausgesetzt sind.- Die hohe Ölabsorption von organischen Pigmenten kannrheologische Probleme verursachen, wenn hohePigmentgehalte verwendet werden, um brillanteGelbfarbtöne zu erzielen.- Organische Pigmente können in vielen PolyolefinenMigration und Kristallisation auslösen.- Übliche anorganische Pigmente haben Schwächen inBrillanz und Farbstärke. Dadurch ist der Einsatz inleuchtenden Farbtönen eingeschränkt.

Vollständige Farbtonpalette zwischen dem gelben undroten FarbquadrantenHersteller von organischen Pigmenten arbeiten an derEntwicklung von Pigmenten mit brillanteren Farben,verbesserten Beständigkeiten und erhöhtemDeckvermögen. Es wurden bereits diverse Entwicklungenim Markt präsentiert. Trotzdem klafft noch eine Lücke imgelben Farbspektrum, die aber nun geschlossen wurde. Dieneu entwickelte "Solaplex"-Reihe bietet besondereFarbtoneigenschaften und, in Kombination mit denMetallmischoxiden aus der Colourplex-Serie, sehr guteBeständigkeiten. Damit kann ein ökologisch akzeptablesErgebnis im gelben Farbraum erzielt werden.Die neuen Pigmente stellen eine Alternative zu Pigmentendar, die Cadmium, Blei, Chrom, Nickel, Antimon undMolybdän enthalten. Ihre chemische Zusammensetzunglässt sich in die Familie der rutilen Zinn/Zink-Compoundseinordnen und hat einen neuen Colour-Index: Pigment Gelb216 (Abb. 1).Die Pigmente besetzen Farborte, die in Farbton undIntensität zwischen Bleichromaten und herkömmlichenTitanaten liegen. Sie sind mit grünstichigen BismutVanadaten und organischen Pigmenten kombinierbar, umdie vollständige Farbtonpalette zwischen dem gelben undroten Farbquadranten abzubilden (Abb. 2).Die entwickelten Pigmente bieten hinsichtlich Farbton undMaterial-Eigenschaften folgende Vorteile:- neuer Farbraum,- kostengünstige Formulierungsoptionen,- ausgezeichnete Opazität und Deckkraft,- ausgezeichnete Licht- und Wetterbeständigkeiten,- ausgezeichnete Chemikalienresistenz,- gute Temperaturstabilität,- leichte Dispergierbarkeit,- günstiges Abriebverhalten,- niedrige Ölabsorption, keine negative Auswirkung auf dieRheologie des Bindemittels,- nicht migrierend und non-warping.

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Glänzend Bewitterungsschnelltests undAußenbewitterung bestehenEine Kombination von Bewitterungsschnelltests undAußenbewitterung hat gezeigt, dass die neuen Pigmentegenauso beständig, in einigen Bindemittel sogar bessergegen Belastungen wie UV, Hitze und Licht sind als Nickel-oder Chrom-Antimontitanate, die in der Industrie alshochwertiger Standard gelten. Die Abb. 3 zeigtEigenschaften der neuen Pigmente im Vergleich zukonventionellen Titanaten und Bismut-Vanadat in einer CoilCoating Beschichtung auf Basis Polyester.In Abb. 4 sieht man die Vorteile in Farbton- undGlanzhaltung einer Formulierung mit den neu entwickeltenPigmenten. Drei mit einem Coil-Coating-Plastisolbeschichtete Bleche (gleicher Farbton) wurden bewittert.Herkömmliche Titanate zeigen in diesem System einedeutlich stärkere Veränderung des Farbtons. Die Abb. 5 und6 zeigen Polyester Coil-Coating Beschichtungen als Volltonund Weissabmischungen, verglichen mit Titanaten, nachzwei Jahren Außenbewitterung (Florida) eine besondersgute Glanzhaltung.

Wirkung von Langzeit-UV- Strahlung kannvorherberechnet werdenDie langfristige Lichtbeständigkeit wurde theoretischermittelt. Die UV-Transmission lässt Rückschlüsse daraufzu, welche Auswirkungen eine Langzeitbelichtung mitUV-Strahlung hat. Hohe Beständigkeiten gehen mitPigmenten einher, die keine Transmission von UV-Strahlungin das organische Bindemittel oder das Substrat zulassen.Sie agieren zum Beispiel dadurch funktionell, dass sieUV-Licht absorbieren und durch diese Schutzfunktion dieLebensdauer einer Beschichtung oder eines Kunststoffsverlängern.Die neuen Pigmente absorbieren UV-Licht gleichermaßenwie Bismutvanadat, aber deutlich mehr als Nickel- oderChromtitanat (Abb. 7). Verglichen mit Tintanaten sind diesichtbare Opazität und damit das Deckvermögen dervorgestellten Pigmente sehr gut.Auch wenn die UV-Beständigkeit von Bismutvanadat und"Solaplex"-Pigmenten vergleichbar ist, können dieSchwächen von Bismut in der Hitze- undSäurebeständigkeit Schwierigkeiten bereiten.Bismutvanadat dunkelt bei erhöhten Temperaturen nachund kann deshalb in technischen Kunststoffen nur begrenzteingesetzt werden.

Bestandener SO2-Belastungstest wichtiges Indiz fürAußenanwendbarkeitCoil Coating-Anwender achten bei der Prüfung neuerPigmente auf die SO2-Beständigkeit (Kesternich Test).Dieser Wert ist darüber hinaus wichtig für vieleAußenanwendungen wie Automobil und Bau, wo dieBelastung mit saurem Regen die Lebensdauer vonBeschichtungen beeinflusst. Die Pigmente bieten eine hoheBeständigkeit, die durchaus mit der von Titanatenvergleichbar ist und zusätzliche Möglichkeiten, helle, kräftigeFarbtöne für fast alle wichtigen Anwendungen zu erzielen(Abb. 8).Die entwickelten Pigmente werden für anspruchsvolleAnwendungen in Kunststoff, Lack- und Künstlerfarbenempfohlen. Sie eignen sich gut zum Einfärben von Lackenund Farben für dekorative Außenanwendungen wieIndustrie-Lacke, Fassadenfarben, Malerlacke, Pulverlacke,Coil-Coating und Automobilanwendungen einschließlichFahrzeuglacken.

Gelb ist wichtige Schutz- und SignalfarbeBrillantes Gelb wird häufig von Herstellern für Land- und

Baumaschinen verwendet. Das Gelb ist einSicherheitsfaktor und grenzt die Marke ab. Dies gilt auchzum Teil für Bagger und Elektrowerkzeuge. Sie bestehenhäufig aus vielen Einzelkomponenten aus eingefärbtemKunststoff und auch lackierten Teilen. Der Einsatz derneuen Pigmente ist in all diesen Werkstoffen möglich.Farbtonabweichungen werden auf ein Mindestmaßreduziert. Auch Straßenmarkierungen und Schilder sindhäufig leuchtend gelb und verlangen umweltgerechteFarbpigmente. Letztlich sind bei Yacht- undMarineanwendungen eine besonders hohe Beständigkeitgefragt, um gegen extreme Wetterbedingungen und gegeneine salzhaltige Umgebung zu schützen.Standardfarbtöne wie RAL 1003 Signalgelb können miteiner ganzen Reihe von Rohstoffen formuliert werden.Tab. 1 zeigt Beispielformulierungen von RAL 1003, die aufBleichromat, Titanat, Bismuth-Vanadat oder "Solaplex"basieren. Die Formulierungen wurden mit vergleichbaremDeckvermögen bei 60 µm Trockenfilmdicke in einerBeschichtung auf Basis Alkyd-Melamin getestet. InKombination mit hochwertigen organischen Pigmentenbieten die vorgestellten Pigmente bleifreie Formulierungenmit einem guten Preis-Leistungsverhältnis. Der teilweiseErsatz von teuren organischen Pigmenten und/oderBismutvanadat bietet ein Potenzial für verbesserteEigenschaften. Auch eine rein anorganische Formulierungvon RAL 1003 ist jetzt möglich.Die vorgestellten Produkte bietet eine umweltgerechteAlternative zu cadmium- und bleihaltigen Pigmenten. Nachder CHIP3 Einstufung 2002 und der begleitendenEU-Direktrive (67/548/EEC, 88/379/EEC) sind sie weder alsgefährlich noch als Sondermüll eingestuft. Sie entsprechender europäischen Richtlinie für indirektenLebensmittelkontakt (AP(89)1) und der Spielzeugnorm fürKunststoffe (EN71:Part3), basierend auf der Analyse vontypischen Chargen.Helen Hatcher, Johnson Matthey Pigments & Dispersions,Stoke-on-Trent, UK, studierte an der London UniversityChemie und war in der Zentralen Forschung von JahnsonMatthey an der Entwicklung von neuen Katalysatoren zurAbgasreinigung im Automobil beschäftigt. Dann wechseltesie zu Johnson Matthey Colours & Coatings und übernahmdort die Gruppenleitung in der Entwicklung Pigments andColourants. 1997 ging sie in das ProduktmanagementMetallmischoxidpigmente "Colourplex". Derzeit ist sie fürden Bereich New Product Development und dieMarkteinführung der Produkte verantwortlich.Peter Kuchenbrod, Nordmann Rassmann GmbH, Hamburg,ist seit 1996 verantwortlich für Vertrieb und Marketing"Lackadditive und Pigmente". Er erfuhr eine Ausbildung alsLacklaborant bei Schramm in Offenbach und arbeitete danndort im Bereich R&D Coil Coating. Dem schlossen sich eineAusbildung zum Industriekaufmann und Tätigkeiten imBereich Anwendungstechnik und Vertrieb Klebstoffe an.

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Abb. 1: Schwermetallfreie Gelbpigmente der Produktreihe "Solaplex" in Abmischungen1:4 mit TiO2.

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Abb. 2: Farborte von Gelbpigmenten.

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Abb. 3: Farbveränderungen der neuen Pigmente im Vergleich zu konventionellenTitanaten und Bismut-Vanadat in einer Coil Coating Beschichtung auf Basis Polyester.

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Abb. 4: Farbton- und Glanzhaltung einer Formulierung mit "Solaplex"-Pigmenten überden Zeitraum von zwei Jahren.

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Abb. 5 u. 6: Polyester Coil-Coating-Beschichtungen als Vollton undWeißabmischungen, verglichen mit Titanaten, nach zwei Jahren Außenbewitterung.

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Abb. 5 u. 6: Polyester Coil-Coating-Beschichtungen als Vollton undWeißabmischungen, verglichen mit Titanaten, nach zwei Jahren Außenbewitterung.

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Abb. 7: Neue Gelb-Pigmente absorbieren UV-Licht gleichermaßen wie Bismutvanadat,aber deutlich mehr als Nickel- oder Chromtitanat.

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Abb. 8: Versiedene Gelb-Pigmente nach einem SO2-Belastungstest.

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