Orientierung von Effektpigmenten - FARBE UND LACK · Rheologie-Additive sind vornehmlich zur Verbesserung der Ringleitungsstabilität erforderlich, um das Absetzen der spezifisch

Quelle/Publication: Farbe und Lack

Ausgabe/Issue: 11/2008

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Orientierung von Effektpigmenten

Zur Erzielung einer guten Effektpigment-Orientierung in wässrigen Lacksystemen, sindRheologieadditive unverzichtbar. Sie helfen, dieviskoelastischen Eigenschaften der Lacke zuoptimieren. Rheologiemodifizierende Wachsadditiveführen zu besonders guten Lackierergebnissen.

Einfluss der Rheologie in wässrigen LacksystemenSylvia Bühne, Axel Woocker* und Anne Linzmaier, WeselWie in vielen Bereichen der Lackindustrie istauch bei der Autolackierung ein deutlicher Trendzu umweltverträglichen wässrigen Beschichtungenerkennbar. Aufgrund der unterschiedlichen physikalischenund anwendungstechnischen Eigenschaften wässrigerFormulierungen gegenüber Lösemittelhaltiger ergeben sichfür den Lackentwickler neue Anforderungen.Metallic-Effekte werden durch den Einsatz vonEffektpigmenten erzielt. Ein optimaler Effekt wird durch einegleichmäßige Verteilung der Pigmente in der Beschichtungerreicht, wobei die Effektpigmente deflockuliert und parallelzum Untergrund ausgerichtet sein müssen (Abb. 1).Beim Metallic-Effekt variiert das Hell-Dunkel-Empfindenin Abhängigkeit vom Betrachtungswinkel (Flip-Flop), daunterschiedlich viel Licht reflektiert wird (Abb. 2) [1].

Effektpigmente in wässrigen Lacken orientierenIn lösemittelbasierenden Effektpigment-Basecoats ist einegute Orientierung auch ohne spezielle Rheologie-Additive erzielbar. Dank einer schnellen Filmtrocknungwerden die Effektpigmente schnell horizontal fixiert.Rheologie-Additive sind vornehmlich zur Verbesserung derRingleitungsstabilität erforderlich, um das Absetzen derspezifisch schwereren Effektpigmente zu vermeiden.Im Gegensatz zu diesen konventionellen Basecoatshaben Rheologie-Additive bei wässrigen Basecoats einenwesentlichen Einfluss auf das Lackierergebnis. Dierichtige Auswahl kann entscheidend für eine optimaleEffektpigment-Orientierung sein. Die Ursache hierfürliegt in der deutlich langsameren Verdunstung vonWasser gegenüber Lösemitteln und der dadurch längerenTrocknungsphase. Der Lack kommt deutlich "nasser" aufdem Blech an, so dass die Effektpigmente länger mobilbleiben und sich desorientieren können.Entscheidend für die Auswahl geeigneter Rheologieadditivesind die Kenntnisse darüber, welche Eigenschaftendie Orientierung positiv beeinflussen. Die rheologischenAnforderungen reichen vom Absetzverhalten derPigmente während der Lagerung über einegeeignete Applikationsviskosität, bis zu einem schnellenViskositätsanstieg nach der Applikation zur Erzielung einesgleichmäßigen Spritzbildes.Diese Anforderungen erfüllt ein pseudoplastischeingestellter Lack, da während der Applikation einedeutliche Scherverdünnung eintritt und die Viskositätnach der Applikation schnell wieder auf dasAusgangsniveau ansteigt. Thixotrope Rheologie-Additive

zeigen dagegen Einschränkungen hinsichtlich derEffektpigment-Orientierung, da die Viskosität des Lackesnach der Scherung zunächst noch auf einem niedrigerenNiveau verbleibt, können die Pigmente in dieser Zeitspanneleicht ihre Orientierung verlieren. Eine höhere Dosierungdes Additivs kann den Viskositätsanstieg beschleunigenund den unerwünschten Effekt kompensieren.Für ein homogenes Spritzbild muss die Viskosität derFormulierung (Mindestviskosität) der Formulierung auf dasApplikationsverhalten abgestimmt sein. Eine zu niedrigeViskosität schränkt das Standvermögen ein und kanneine ausgeprägte Tendenz zu Kantenflucht und Wolkigkeitverursachen.Neben diesen Parametern ist das viskoelastische Verhaltenvon Bedeutung. Vor allem die elastischen Anteile sind füreine gute Effektpigment-Orientierung entscheidend: Nachder Spritzapplikation müssen die elastischen Anteile größersein als die viskosen. Die Pigmentteilchen sind dannin einer schwachen Gel-Struktur fixiert und können sichwährend der Trocknung nicht desorientieren.Bei Produkten mit vorherrschend viskosen Eigenschaftenkann eine gute Orientierung dagegen nur eingeschränkterzielt werden. Durch eine entsprechende Dosierunglässt sich zwar eine hohe Applikationsviskositäteinstellen und so die Beweglichkeit der Pigmente imNassfilm reduzieren, eine Kompensation der fehlendenelastischen Anteile ist jedoch nicht möglich und dasErgebnis bleibt ein Kompromiss hinsichtlich Orientierung,Verlaufseigenschaften und Kantenflucht (Abb.3).

Viskoelastizität im BlickpunktCharakteristisch für viskoelastische Substanzen ist eineKombination aus elastischen und viskosen Eigenschaften.Der Begriff selbst sagt noch nichts darüber aus, welcheder beiden Eigenschaften dominiert. Während elastischeSubstanzen Deformationsenergie unter Scherbelastungspeichern und bei Entlastung wieder abgeben (Feder:100%elastisch), geht bei viskosen Substanzen die Energiedurch Reibungswärme beim Fließprozess verloren(Wasser:100% viskos) [2].Zur Bestimmung der viskoelastischen Eigenschaftenbenötigt man ein Rheometer, mit dem oszillatorischeMessungen durchgeführt werden können. Hierdurch erhältman die rheologischen Größen G` (Speichermodul =elastische Anteile) und G‘‘ (Verlustmodul = viskose Anteile),durch die sich eindeutige Aussgen im Hinblick auf eineoptimale Effektpigment-Orientierung ableiten lassen (Abb.4).

Pseudoplastische Additive mit elastischenEigenschaftenAdditive, wie Schichtsilikate und Acrylatverdicker, eignensich zwar grundsätzlich zur Einstellung einer geeignetenViskosität (Mindestviskosität) sowie zur Erhöhung dererforderlichen elastischen Eigenschaften, lassen sichjedoch nur schlecht handhaben. So sind Schichtsilikatenur schwer zu dispergieren und verursachen auch



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bei Einarbeitung über ein Halbfabrikat häufig Stippen.Acrylatverdicker führen oft zu einer Vergrauung desBasecoats, obwohl sie zur besseren Handhabung bereitsverdünnt und vorneutralisiert eingesetzt werden.PUR-Verdicker sind in ihrer Handhabung gewöhnlichunproblematisch, weisen allerdings keine nennenswertenelastischen Anteile auf. Nachteilig ist jedoch, dass sieaufgrund ihres assoziativen Verhaltens mit dem Bindemittelunterschiedlich wirksam sind. Die Wirkung der im Marktnicht weit verbreiteten wässrigen Polyamide ist ebenfallsstark systemabhängig und ihr Handling ähnlich schwierigwie bei Schichtsilikaten. Eine ganz neue Additive-Klasse für wässrige Systeme sind rheologiemodifizierendeWachsadditive (RM-Wachsaddive). Für den Einsatz inlösungsmittelhaltigen Systemen sind sie bereits seitvielen Jahren erfolgreich im Einsatz. Nun wurden ihrevorteilhaften Eigenschaften auch auf die Verwendung inwässrigen Systemen übertragen. Das Ergebnis ist ein RM-Wachadditiv mit pseudoplastischem Fließverhalten undausgeprägten elastischen Eigenschaften. Das Produkt isteinfach zu handhaben und gut verträglich. HerkömmlicheWachsadditive zeigen in wässrigen Systemen nur sehrbedingt rheologische Wirksamkeit und können daher nurin Kombination mit Rheologie-Additiven eingesetzt werden(Tab. 1).Umfangreiche Prüfungen von unterschiedlichenRheologieadditiven in einer Metallic Basecoat Formulierungmit Detailuntersuchung zur Viskoelastizität zeigen denEinfluss der Rheologie und hier vor allem der elastischenAnteile auf die Effektpigment-Orientierung (Tab. 1).

RM-Wachsadditiv versus PUR-VerdickerExemplarisch wurde das RM-Wachs-additiv hier mit einemPUR-Verdicker verglichen, da sich beide Additive imviskoelastischen Verhalten am stärksten unterscheiden.Für die messtechnische Bewertung der Viskoelastizitätwurden die beiden unterschiedlich rheologisch eingestelltenBasecoats im Vergleich zur Nullprobe (ohne Additiv) mitHilfe von Oszillationsversuchen geprüft. Dazu wurden dieProben mit einer vorgegebenen Frequenz (1 Hz) und einerkontinuierlich ansteigenden Amplitude (Deformation 0,1 -100 %) belastet (Abb. 5).Unabhängig von der Höhe der Deformation dominiertbei der Nullprobe ein viskoses Verhalten (G‘‘>>G‘).Die elastischen Anteile sind vernachlässigbar gering unddaher in der Graphik nicht enthalten. Der mit PUR-Verdicker eingestellte Basecoat zeigt ein sehr ähnlichesVerhalten, allerdings auf einem deutlich höheren Niveaufür die viskosen Anteile. Die elastischen Anteile liegenauch hier weit unter den viskosen.Der Basecoat mitdem RM-Wachsadditiv verhält sich dagegen völlig anders,hier dominieren die elastischen Anteile deutlich. DiesesVerhalten bleibt auch bei zunehmender Deformation übereinen weiten Bereich bestehen. Eine Zerstörung derStruktur mit einem Übergang zu stärker viskosem Verhaltentritt erst bei höheren Deformationswerten auf (SchnittpunktG‘ und G‘‘). Dieser wesentliche messtechnischeUnterschied spiegelt sich anwendungstechnisch wider: DieOrientierung der Aluminium-Flakes, die Gleichmäßigkeitund die Kantenflucht der Lackierung fallen wesentlichbesser aus.

Einfluss des Elastizitäts-NiveausUm zu testen, welchen Einfluss die Elastizität aufdie Effektpigment-Orientierung hat, wurden Proben mit

unterschiedlichem Gehalt an RM-Wachsadditiv untersucht.Der Festkörperanteil (FK) der Proben wurde dabei konstantgehalten, um keine weiteren Einflussgrößen zuzulassen.In der Praxis wird der Basecoat durch die Applikation starkgeschert. In Abhängigkeit von der Additiv-Dosierung bauensich die elastischen Anteile danach unterschiedlich schnellwieder auf. Um dies nachzuahmen, wurde ein so genannterSprungversuch in drei Abschnitten gewählt (3-IntervallMessung). Im ersten Intervall wurde die ungescherte Probeoszillatorisch gemessen, um das Ausgangsniveau derViskoelastizität (G‘ und G‘‘) zu bestimmen. Anschließendwurden die Proben im zweiten Intervall zur Simulation derSpritzapplikation durch einen Rotationsversuch kurz undstark geschert, um vorhandene Strukturen zu zerstören.Im dritten Intervall erfolgte erneut eine oszillatorischeMessung, bei der die Höhe der Elastizität und dieSchnelligkeit des Wiederaufbaus der Struktur bewertetwurden (Abb. 6).Erwartungsgemäß nehmen mit steigender Dosierung desRM-Wachsadditivs sowohl die elastischen als auch dieviskosen Anteile zu, wobei in dieser Formulierung dieelastischen Anteile ab einer Dosierung von 5% über dieviskosen dominieren. Wie die Messergebnisse im drittenIntervall zeigen, nimmt auch die Geschwindigkeit derStrukturerholung mit steigender Dosierung zu.Zur anwendungstechnischen Beurteilung wurden dieBasecoats mit einem Spritzautomaten unter gleichenBedingungen lackiert und durch einen Klarlack komplettiert.(Die Probe mit 4% RM-Wachsadditiv wurde aufgrundihrer zu geringen elastischen Anteile und einer zuniedrigen Viskosität nicht in die anwendungstechnischeAbtestung eingezogen.) Anschließend erfolgte die optischeBewertung der Lackierergebnisse mit einem BYK-mac,einem Messgerät, das den Gesamt-Farbeindruck vonEffektlacken misst und sowohl die Farbtonänderungals auch den Glitzereffekt erfasst. Ausgewertet wurdenneben dem Flop auch die Gleichmäßigkeit und dieIntensität des Metallic-Effektes. Zusätzlich erfolgte einevisuelle Bewertung der Kantenflucht und des homogenenGesamteindrucks der Lackierung.Wie sich zeigte, korrelieren die rheologischenMessergebnissen gut mit den Lackierergebnissen. DieOrientierung wird mit steigenden elastischen Anteilenbesser. Die Probe mit 7% RM-Wachsadditiv erzielte dasbeste Resultat. Noch höhere Dosierungen führen zwarzu noch höheren elastischen Anteilen, gleichzeitig nimmtjedoch die Viskosität Werte an, die eine praktikableSpritzapplikation nicht mehr zulassen.Die Ergebnisse hängen vom Festkörperanteil derFormulierung und von der Art des Bindemittels ab. Dieoptimale Dosierung ist also immer systemabhängig (Tab.2).

Optimierung durch AdditivkombinationBei kritischer Betrachtung der Messergebnisse wirdoffensichtlich, dass bei ausschließlicher Bewertung derFlop-Werte zwar der größte Hell-Dunkel-Unterschied beieiner Dosierung von 5% RM-Wachsadditiv erzielt wurde,die Effektpigment-Verteilung und die Schichtdicke jedocherst bei einer Dosierung von 7% gleichmäßig ausfallen.Daher wurde im nächsten Schritt überprüft, ob durcheine geeignete Kombination des RM-Wachsadditivs miteinem überwiegend viskosen Additiv (PUR-Verdicker)eine weitere Optimierung der Effektpigment-Orientierung



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gegenüber der Dosierung von 7% RM-Wachsadditivmöglich ist. Hierzu wurde die Additivkombination 5%RM-Wachsadditiv mit 0,2% PUR-Verdicker verwendet.Die Dosierung des PUR-Verdickers wurde so gewählt,dass beide Basecoats die gleiche Brookfieldviskositätaufwiesen (DVI, Spindel 4, 50 UpM, 550 mPas). DieBewertung erfolgte mit einer 3-Intervall-Messung (Abb.7). Im ersten Intervall ist zu erkennen, dass durch dieKombination mit dem PUR-Verdicker die Viskosität unddamit auch das Niveau von G´ und G´´ angehoben wurdenund die elastischen Anteile (G‘) dominieren. Im drittenIntervall direkt nach der Scherung überwiegen zunächstdie viskosen Anteile (G‘‘ > G‘). Mit zunehmendemStrukturaufbau überschneiden sich die beiden Kurven,und sehr schnell überwiegen wieder die elastischenAnteile (G‘ > G‘‘). Auffällig ist, dass sich der Einsatzdes PUR-Verdickers nicht auf die Geschwindigkeit desStrukturaufbaus auswirkt.Während bei der Dosierung von 7% RM-Wachsadditivdie elastischen Anteile nach der Scherung sofort wiederdominieren, liegen bei der Dosierung mit 5% RM-Wachsadditiv die elastischen Anteile für kurze Zeit unterden viskosen. Dies scheint für eine ideale Effektpigment-Orientierung noch günstiger zu sein: Direkt nach derApplikation können sich die Effektpigmente noch besserausrichten, wenn sie nicht unmittelbar nach dem Auftreffenauf dem Untergrund in der elastischen Gelstruktur desBasecoats fixiert werden. Entscheidend ist, dass dieserStrukturaufbau mit dem Wechsel zu dominierendenelastischen Anteilen nicht zu lange dauert, da sich dieEffektpigmente ansonsten wieder desorientieren können.Die Additivkombination liefert den Lack mit dem bestenGesamteindruck. Gegenüber der Dosierung mit 7% RM-Wachsadditiv ist der Flop-Effekt deutlich verbessert, ohnedass die Gleichmäßigkeit und die Intensität des Metallic-Effektes leiden (Tab. 3).

FazitDie geeignete Auswahl der Rheologie-Additive ist derentscheidende Schritt, um eine optimale Effektpigment-Orientierung in wässrigen Effektpigment-Basecoats zuerzielen. Das Additiv sollte für ein pseudoplastischesFließverhalten, die erforderliche Mindestviskosität undausreichend hohe elastische Anteile sorgen. Dieoszillatorische Bewertung des viskoelastischen Verhaltensist eine effektive Methode, zur Optimierung derEffektpigment-Orientierung.s

t Literatur:[1] Wißling P., Metalleffekt-Pigmente, Vincentz, 2005 [2]Mezger T., Das Rheologie-Handbuch, Vincentz, 2006* Korrespondierender AutorKontakt:Axel WoockerByk-Chemie GmbHTel. +49 [email protected]

t Ergebnisse auf einen Blick- Geeignete Rheologie-Additive sind zur Erzielung einer

guten Effektpigment-Orientierung in wässrigen Basecoatserforderlich.

- Entscheidend für ein gutes Ergebnis sind einpseudoplastisches Fließverhalten, ein geeignetesViskositätsniveau (Mindestviskosität) und dominierendeelastische - Anteile nach der Spritzapplikation.

- Die neue Produktklasse der wässrigenrheologiemodifizierenden Wachsadditive sorgt für einesehr gute Effektpigment-Orientierung.

- Additivkombinationen eignen sich zur weiterenOptimierung, um das ideale Verhältnis von elastischen zuviskosen Anteilen einzustellen.

- Sylvia BühneBYK, Jahrgang 1968, studierte an der FachhochschuleKrefeld Chemieingenieurwesen/Lacktechnik und ist seit1991 für BYK tätig. Sie ist im Bereich F&E alsLaborleiterin für die Anwendungstechnik neue ProdukteLackadditive zuständig.- Axel WoockerBYK, Jahrgang 1959, machte 1983 seinen Abschluss alsLacktechniker in Stuttgart. Anschließend arbeitete er beiverschiedenen Firmen in der Lackindustrie und ist seit 1995für BYK tätig. Seit 2003 ist er im Bereich Marketing für dieProduktgruppe der Rheologieadditive verantwortlich.- Anne LinzmaierBYK, Jahrgang 1968, studierte an der FachhochschuleKrefeld Chemieingenieurwesen/Lacktechnik und ist seit1993 für BYK tätig. Im Bereich Anwendungstechnik Lack istsie als Laborleiterin für Fahrzeuglacke zuständig.



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Additiv Verhältniselastisch/viskos

Handling Endbeurteilung

RM-Wachsadditiv Elastisch >viskos

Gut, einfacheEinarbeitung„Ready To Use“

Optimal

Schichtsilikat Elastisch >viskos

Halbfabrikaterforderlich, schwerdispergierbar

Stippen

Acrylatverdicker Elastisch >viskos

Halbfabrikaterforderlich,vorneutralisieren

Vergrauung

Polyamid Elastisch >viskos

niedrigprozentigesHalbfabrikatschwierig zuhandhaben

Stippen

PUR-Verdicker Viskos >elastisch

Gut, aber starksystemabhängigundcolöserempfindlich

Wolkigkeit,Kantenflucht

EVA Wachsadditiv Viskos >elastisch

Gut KeinViskositätseffekt



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Abb. 4: Flüssigkeiten mit unterschiedlichem viskoelastischem Verhalten



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Abb. 5: Oszillationsmessungengeben Aufschluss über die viskosen(G‘‘) und elastischen Anteile (G‘)der Lackformulierungen mit RM-Wachsadditiven bzw. PUR-Verdickerals Additiv



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Abb. 6: Einfluss der RM-Wachsadditiv-Konzentration auf das viskoelastischeVerhalten



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Abb. 7: Viskoelastisches Verhalten:Basecoats mit 5% und 7% RM-Wachsadditiv im Vergleich zurFormulierung mit einer Kombinationaus RM-Wachsadditiv und PUR-Verdicker



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Bild zu Orientierung vonEffektpigmenten



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Abb. 1: Gute (links) und schlechte(rechts) Orientierung von Aluminium-Flakes in Metalleffekt-Lacken(Lichtmikroskopie)



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Abb. 2: Ein idealer Flip-Flop undeine hohe Brillanz entstehen, wenndie Flakes parallel zur Oberflächeorientiert, nicht agglomeriert undgleichmäßig verteilt vorliegen



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Abb. 3: Viskosität und Viskoelastizitätder Lackformulierung beeinflussendas Ergebnis der Lackierung ganzerheblich.

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