Metalleffektpigment

Metalleffektpigmente, veraltet Bronzen sind Pigmente zur Erzeugung eines optisch metallischen Effektes, welcher umgangssprachlich auch als Metalliceffect bezeichnet wird. Das Pigment besteht hierbei aus üblicherweise plättchenförmigen Partikeln mit einem üblichen Partikeldurchmesser im zwei- bis dreistelligen Mikrometerbereich, obwohl auch tetraedrische Partikelgeometrien dokumentiert sind, welche Inhomogenitäten des Metalleffektes (Fließlinien) verhindern.^[1] Die optische Wirkung dieser Effektpigmente beruht auf der Ausrichtung der planaren Partikeloberflächen parallel zur Oberfläche des umgebenden Systems, an denen eine gerichtete Reflexion auftritt. Metalleffektpigmente werden im Colour Index unter C.I. Pigment Metal gelistet.^[2]

Metalleffektpigmente werden zum Erreichen von Glanzeffekten in Druckfarben, Kunststoffen, Kosmetika und Lacken (siehe Metalliclack und Metal-Flake-Lackierung) eingesetzt. Die größte wirtschaftliche Bedeutung haben Aluminium (C.I. Pigment Metal 1, historisch Silberbronze) und Messing (C.I. Pigment Metal 2, Goldbronze). Schätzungen zufolge beläuft sich der Weltmarkt für Metalleffekte auf 25.000 Tonnen jährlich.^{[2][3]:552[3]:571}

Metalleffektpigmente sind innerhalb der Effektpigmente die älteste Untergruppe neben den Perlglanzpigmenten. Die Grundidee entwickelte sich im vierten bis dritten Jahrhundert vor Christus aus dem Goldschlägerhandwerk in Ägypten. Die Abfälle, die beim Ausschlagen von Gold zu sehr dünnen Folien entstehen, wurden in die Vorläufer der modernen Lacksysteme eingerührt, so dass diese eine goldene Farbe erhielten. Seit dem 18. Jahrhundert nach Christus wird Messing anstelle des teuren Goldes eingesetzt. Später wurden auch feine Aluminiumflitter hergestellt, die zur Erzeugung eines silbernen Farbtons verwendet wurden.^[4]

Das erste Verfahren zur großtechnischen Herstellung von Aluminiumpigmenten wurde 1910 in den USA entwickelt (Stampf-Verfahren). Da es sich um ein Trockenmahlverfahren handelte, war das Risiko einer Explosion sehr hoch, so dass das Verfahren schnell durch ein Nassmahlverfahren abgelöst wurde, das nach dem Erfinder und Patentinhaber „Hall-Prozess“ genannt wird. Bei Messingpigmenten ist die Trockenvermahlung weiterhin üblich.^[4][5]

Grundsätzlich unterscheidet man zwischen Leafing- und Non-Leafing-Pigmenten.^[6] Bei ersteren orientieren die Plättchen sich nach der Applikation im Beschichtungsfilm an der Oberfläche. So wird ein starker metallischer Glanzeindruck erzeugt, der jedoch nicht wisch- und kratzfest ist. Einsatzgebiete sind Druckfarben, Reflexionslacke und Aerosollacke, da der optische Effekt in diesen Anwendungen bestimmend ist. Messingpigmente sind grundsätzlich Leafing-Typen.^[4][7]

Non-Leafing-Pigmente verteilen sich nach der Applikation gleichmäßig in der Filmmatrix. Dadurch sind sie gegen Abrieb und Angriff von Chemikalien geschützt, weshalb sie im Farbton grauer und weniger „metallisch glänzend“ erscheinen. Zudem können sie zur Erzeugung farbiger Metallic-Effekte mit Buntpigmenten kombiniert werden. Dies ist mit Leafing-Pigmenten nur in geringen Konzentrationen möglich, da diese die gleichmäßig im Lack verteilten Buntpigmente durch die Konzentration an der Lackoberfläche überdecken. Haupteinsatzgebiete der Non-Leafing sind Automobillacke, Lacke für Mobiltelefone oder Elektroteile und allgemein Industrielacke.^[7]

Die Standardtypen werden auf Grund ihrer Form auch als Cornflakes bezeichnet. Dies sind Plättchen, die sehr unregelmäßig geformt sind und eine unebene Oberfläche haben. Die Cornflakes stellen die Urform der Metalleffektpigmente dar. Seit Beginn der 1990er Jahre werden abgerundete Plättchen mit einer glatten Oberfläche angeboten. Diese werden, ebenfalls aufgrund ihrer Form, als Silberdollar bezeichnet und erscheinen gegenüber den Cornflake-Typen brillanter und heller und finden daher in vielen modernen Lackierungen Anwendung. Silberdollar-Typen werden aus einem speziell eingestellten Grieß mit sphärischer Oberfläche hergestellt. Dieser wird bei der Mahlung nicht zerkleinert, sondern nur verformt.^[4]

Aluminiumtypen mit einem sehr hohen Aluminiumgehalt wurden in der Vergangenheit häufig für hochwertige Lackierungen, wie etwa bei Automobilen, angewendet. Diese Typen bieten einen wesentlich besseren Korrosionsschutz gegenüber Standardtypen. Aufgrund der inzwischen vorherrschenden Zweischicht-Technologie (Überbeschichtung mit Klarlack) haben diese Typen jedoch an Bedeutung verloren.^[4]

Das zu verarbeitende Metall (Aluminium oder Messing) wird zunächst geschmolzen und nach Erreichen der Schmelztemperatur aus der Schmelze heraus verdüst. Dabei entstehen unregelmäßig geformte, sphärische Partikel (Grieß). Die Metallpulver werden in der Folge in Kugelmühlen zu Plättchen (Flakes) verformt und zerkleinert. Dies geschieht bei Aluminiumpigmenten in Testbenzin und Schmiermittel (Ölsäure für Non-Leafing-Pigmente und Stearinsäure für Leafing-Pigmente), da sonst die Gefahr einer Staubexplosion besteht. Bei Messingpigmenten ist eine Trockenvermahlung problemlos möglich, da es wegen der wesentlich höheren Dichte nicht zu Staubexplosionen kommt. Nach der Vermahlung wird das Testbenzin mittels Filterpressen aus dem entstandenen Gemisch (Slurry) entfernt. Im letzten Schritt wird der Filterkuchen auf die jeweilige Handelsform eingestellt.^[4]

Metalleffektpigmente sind etwa 20 Mikrometer lang und bis zu einem Mikrometer im Durchmesser. Sie können ihre Wirkung nur entfalten, wenn die parallele Ausrichtung im Lackfilm, sowohl zueinander als auch zu Substrat- und Lackoberfläche, gelingt. Einfallendes Licht wird auf der Oberfläche des Effektpigments reflektiert und an den Kanten gestreut. Je flacher der Blickwinkel ist, umso mehr überwiegt der Effekt der Streuung, so dass der Lack dunkel erscheint. Bei steileren Blickwinkeln überwiegt dagegen die Reflexion, so dass der Lack und damit die Effektpigment enthaltenden Stellen des Lacks hell erscheinen. Der Effekt des Helligkeitsunterschiedes unter verschiedenen Betrachtungswinkeln wird als Helligkeitsflop bezeichnet. Sieht man die einzelnen Pigmentteilchen, so wird dies Sparkle-Effekt genannt. Dieser Effekt wird durch den Einsatz großer Pigmentteilchen verstärkt. Im Gegensatz zu den Perlglanzpigmenten sind die Pigmentplättchen selbst lichtundurchlässig.^{[7][8][9]:210}

Aufgrund der vom Betrachtungswinkel abhängigen Helligkeit ist eine farbmetrische Beurteilung schwierig. Die Entwicklung im Bereich der Farbmetrik hat jedoch dazu geführt, dass inzwischen Mehrwinkelmessgeräte angeboten werden, mit denen eine solche Beurteilung auch messtechnisch durchgeführt werden kann. Im Jahr 2000 wurden Normen dazu veröffentlicht.^[9]:212[10]

Eine zu starke Scherbeanspruchung bei der Dispergierung kann dazu führen, dass die Plättchen brechen und nicht mehr den gewünschten Effekt erzielen. Deshalb ist bei der Einarbeitung von Effektpigmenten eine schonende Verarbeitung notwendig. Bei Systemen mit niedriger Viskosität besteht die Gefahr der Sedimentation.^[9]:130f. In diesem Zusammenhang sind die handelsüblichen Pigmentpräparationen von Bedeutung, durch die eine geringere Dispergierarbeit nötig wird.

Elementares Aluminium reagiert mit Wasser zu Aluminiumhydroxid und Wasserstoff. Da der Effekt durch die hohe Oberfläche der Partikel aufgrund ihrer Plättchenform verstärkt wird, verfärben sich die Pigmente gräulich. Durch den Einsatz von Inhibitoren oder Beschichtungen (häufig aus Siliciumdioxid, Aluminiumoxid oder Polyacrylaten), die durch Modifikation des Hall-Prozesses aufgebracht werden, können sogenannte gasungsstabile Aluminiumpigmente erhalten werden.^[4]

Als Ersatz der teuren Polimentvergoldung wurden „Bronzen“ im 19. Jahrhundert bei der industriellen Herstellung von Bilderrahmen verwendet. Als Bindemittel diente Schellack, es wurde auch Leinöl verwendet. Um der Oxidierung vorzubeugen, ist meist eine zusätzliche Klarlackschicht wichtig. Im Heimwerkerbereich werden oft historische, selbst echt vergoldete Rahmen mit Metallpigment „aufgefrischt“, was sich dann in der Restauration nur schwer wieder entfernen lässt.

In Lacken, insbesondere in Automobillacken werden Metalleffektpigmente seit den 1920er Jahren eingesetzt. Ein weiteres Einsatzgebiet Metalleffektpigmente sind Pulverlacke, jedoch bestehen hierfür einige Einschränkungen. Neben diesem Hauptanwendungsgebiet werden die Pigmente in Kunststoffen, Druckfarben und Kosmetikartikeln eingesetzt.^{[9]:96[9]:145[9]:182[9]:209}

Im Folgenden werden alle im Colour Index gelisteten Metalleffektpigmente aufgeführt. Laut neueren Ausgaben des Colour Index sind C.I. Pigment Metal 3, 4 und 5 nicht mehr erhältlich.^[11]

1. ↑ Nils Maximilian Demski, Benjamin Lasson, Kyra Eowyn Reinert, Paul Hans Kamm, Tillmann Robert Neu, Francisco García-Moreno, Marco Jagodzinski, Daniel Alexandre Rolón, Markus Malcher, Dirk Oberschmidt: Manufacturing of tetrahedral metal effect pigment particles and analysis of their orientation in polymer melts. In: Powder Technology. Band 408, 1. August 2022, ISSN 0032-5910, S. 117717, doi:10.1016/j.powtec.2022.117717. 
2. ↑ ^{a b} H. Römpp: Römpp Lexikon Lacke und Druckfarben. Thieme, Stuttgart 1998, ISBN 3-13-776001-1, S. 378.
3. ↑ ^{a b} Ceresana Research: Marktstudie Pigmente. Band I.
4. ↑ ^{a b c d e f g} H. Kittel, J. Spille: Lehrbuch der Lacke und Beschichtungen. Band V: Pigmente, Füllstoffe und Farbmetrik. 2. Auflage. Hirzel, Stuttgart 2003, ISBN 3-7776-1015-1, S. 130ff.
5. ↑ US-Patent 3002891.
6. ↑ Die Bezeichnung dieser Pigmenteigenschaft ergibt sich aus en:leaf für Blatt, auch Blättchen
7. ↑ ^{a b c} Arthur Goldschmidt, Hans-Joachim Streitberger: BASF Handbuch Lackiertechnik. Vincentz Network, Hannover 2002, ISBN 3-87870-324-4, S. 164.
8. ↑ Ralf Glausch, M. Kieser, Roman Maisch, G. Pfaff, J. Weitzel: Perlglanzpigmente. Vincentz Verlag, Hannover 1996, S. 13.
9. ↑ ^{a b c d e f g} Gerhard Pfaff: Spezielle Effektpigmente: Grundlagen und Anwendungen. Technologie des Beschichtens. 2. Auflage. Vincentz Network, Hannover 2007, ISBN 978-3-86630-895-4. 
10. ↑ DIN 6157, Teil 2
11. ↑ Colour Index. Abgerufen am 21. Mai 2013.