Jochen Winkler

Gemäß der DIN 55943 und der DIN EN 971, Teil 1 ist ein Füllstoff: "eine Substanz in körniger oder Pulverform, die im Anwendungsmedium unlöslich ist und in Beschichtungsstoffen verwendet wird, um bestimmte physikalische Eigenschaften zu erreichen oder zu beeinflussen".

Jährlich werden etwa 15 Millionen Tonnen Füllstoffe im Wert von ca. 6 Mrd. Euro in polymeren Verbundwertstoffen, das heißt Kunststoffen, Elastomeren und Lacken und Farben, verarbeitet. Obwohl die Hauptmenge davon in den beiden zuerst genannten Systemen eingesetzt wird, ist die Verwendung in Lacken und Farben ebenfalls von hoher wirtschaftlicher und technischer Bedeutung. Nach Gysau ("Füllstoffe", Vincentz Network, Hannover, 2005, S. 16 ff) werden in Europa Farben und Lacke mit einem Gesamtwert von über 10 Millionen Tonnen produziert. Der mengenmäßige Anteil an Füllstoffen in diesen Systemen liegt bei etwa 42 %.
Der bei weitem wichtigste Füllstoff ist Calciumcarbonat mit einem Marktanteil von mehr als 70 %. Talkum, Kaolin (Schichtsilikate) und Wollastonit (Kettensilikat) machen zusammen etwa 10 % aus. Glimmer, Quarz, Schwerspat, Flussspat und Gips komplettieren zu 100 %.

Abbildung 1: Das Schichtsilikat Talkum verbessert deutlich die Haftung von Lackierungen auf dem Untergrund, ebenso auch die Schleifbarkeit von Grundierungen.

Füllstoffe unterscheiden sich von Pigmenten dadurch, dass sie nicht zum Einfärben eines Werkstoffs dienen. Die meisten Füllstoffe sind "unbunt", das heißt, es handelt sich um weiße Pulver. Um jedoch als Weißpigment geeignet zu sein, müsste ein Füllstoff eine weit höhere Brechzahl haben als das ihn umgebende Medium. Tabelle 1 zeigt eine Auflistung der wichtigsten Füllstoffe und ihre Brechzahlen. Weil gängige Lackbindemittel eine Brechzahl von 1,5 haben, folgt aus Tabelle 1, dass Füllstoffe nur dann als Weißpigment dienen können, wenn sie in einer "überkritischen" Pigmentvolumenkonzentration eingesetzt werden. Darunter versteht man die PVK, ab der nicht genügend Bindemittel in der Rezeptur vorliegt, um sämtlichen Pigmentteilchen zu umhüllen. Dann bildet sich eine Grenzfläche Füllstoff zu Luft aus. Dies ist aber nur bei Dispersionsfarben für Innenanwendungen der Fall, weswegen hier auch der größte Einsatz von CaCO₃ Füllstoffen anzutreffen ist.

Der vorliegende Beitrag beschränkt sich auf anorganische oder "mineralische" Füllstoffe, die sich in synthetische und natürliche Füllstoffe aufteilen lassen. Natürliche Füllstoffe werden bergmännisch gewonnen. Die Produkte werden meistens gemahlen, gesichtet und evtl. einer sauren Bleichung unterzogen. Im Vergleich zu synthetischen Füllstoffen (gefälltes CaCO₃, Blanc fixe etc.) sind natürliche Füllstoffe zwar preiswerter, aber koloristisch und in Bezug auf Reinheit (z. B. abrasive Quarzanteile im Schwerspat) weniger günstig.

Abbildung 2: Dornbiegetest auf Elastizität bzw. Sprödigkeit einer Lackierung (Quelle: BYK)

Der Einsatz von Füllstoffen führt nur dann zur Verbilligung von Rezepturen, wenn ein Volumenanteil des Füllstoffs weniger kostet als dasselbe Volumen an Bindemittel-Feststoff. Dies ist nur für sehr preiswerte Füllstoffe wie natürlich gewonnenes CaCO₃, Kaolin, Talkum oder Glimmer der Fall. Zumindest alle synthetischen Füllstoffe erfüllen diese Voraussetzung nicht. Sehr häufig werden daher Füllstoffe eingesetzt, um Werkstoffeigenschaften zu erzielen, die sonst nicht zu erreichen sind.
Neben intrinsischen, physikalischen Eigenschaften wie Kristallstruktur, Lichtabsorptionsverhalten, Mohs'sche Härte, Brechzahl, Wärmeleitfähigkeit, Wärmekapazität, Dielektrizitätskonstante und chemische Zusammensetzung, die nicht veränderlich sind, gibt es andere Eigenschaften, die variabel gestaltet werden können. Hierzu zählen die Partikelgröße und Partikelgrößenverteilung, Partikelform, die elektrische Oberflächenladung, Benetzbarkeit, Oberflächenchemie (durch anorganische und organische Oberflächenbehandlungen) und die Dispergierbarkeit. Dies führt zu einer Vielzahl verschiedener Produkte, die es im Idealfall ermöglichen, für jede Anwendung ein optimales Produkt zu finden. Zu den Lackierungseigenschaften, die durch Füllstoffe positiv beeinflusst werden können, zählen z. B. deren Härte, Verschleißfestigkeit, Schleifbarkeit, metal marking ("Bleistiftstrich" beim Kratzen durch Metall) oder die Verschmutzungsneigung. Diese Einflüsse können unmittelbar oder aber mittelbar auftreten, beispielsweise dadurch, dass die Füllstoffe "nukleierend" auf das Bindemittel wirken. Darunter versteht man, dass, ausgehend von Adsorptionserscheinungen der Füllstoffoberfläche, diese Füllstoffteilchen zur Kristallisation des Bindemittels führen. Dadurch wird deren Glasübergangstemperatur (Erweichungsbereich) erhöht und die Quelleigenschaften werden nachhaltig verändert.
Füllstoffe selbst quellen nicht in Flüssigkeiten und sind mechanisch nicht verformbar. Deswegen erhöhen sie generell die Härte von Beschichtungen, wobei allerdings auch die Sprödigkeit meist zunimmt. Im Dornbiegeversuch, bei dem die Haftung einer Beschichtung beim Biegen des Untergrundes über einen Metalldorn geprüft wird, verliert die Beschichtung dann schon bei geringeren Krümmungsradien ihre Haftung.

Auch der Glanz von Beschichtungen wird durch Füllstoffe beeinflusst. Grobe Füllstoffe verschlechtern durch die von ihnen verursachte Oberflächenrauheit den Glanz. Dies ist natürlich umso ausgeprägter, je dünner die Lackschicht ist. Werden hingegen nanoskalige Füllstoffe verwendet, so lässt sich der Glanz auf Wert steigern, die sogar höher liegen als der Glanz der unpigmentierten Beschichtung (Abb. 3). Das lässt sich durch Fließwiderstände erklären, die von nanoskaligen Füllstoffen verursacht werden. Der mittlere Oberflächenabstand a von Füllstoffteilchen in einem Lackfilm lässt sich mit Hilfe folgender Formel abschätzen.

d = Teilchendurchmesser
PVK = Pigmentvolumenkonzentration

Wird z. B. eine nanoskaliges Bariumsulfat der mittleren Teilchengröße von 20 nm in einem Klarlack zu einer PVK von 10 % (PVK = 0,1) eingesetzt, so stellt sich ein mittlerer Oberflächenabstand von ca. 15 nm ein. Durch die kleinen Abstände der Teilchen untereinander ergibt sich ein Fließwiderstand, denn die Teilchen sind sich beim Fließvorgang untereinander "im Wege". Dadurch wird in der Ablüftphase die Strukturierung der Lackoberfläche Fließen entgegengewirkt und der Glanz somit verbessert.

Abbildung 3: Glanz von 2K-Polyurethanbeschichtungen gefüllt mit 10 Vol% Bariumsulfat unterschiedlicher Teilchengrößen. (Glanz des ungefüllten Klarlacks 86 %); Reflexions- gleich Betrachtungswinkel 20° vom Lot

Im Gegensatz zu der Verwendung von Füllstoffen in Kunststoffen ist die Füllstoffeigenschafts-Wirkungsbeziehung bei Lacken und Farben allerdings weniger gut untersucht. Das liegt daran, dass es sich bei Lacken und Farben um vergleichsweise dünne Schichten bzw. Zwischenschichten handelt, deren mechanische Eigenschaften z. B. nicht nur von den Bulkeigenschaften des Verbundwerkstoffes (= Lackschicht) selber abhängen, sondern in hohem Maße auch von der Haftung, der Zwischenschichthaftung, der Quellbarkeit der Lackschicht durch Feuchtigkeit etc. beeinflusst werden. Deshalb geht die Grenzfläche zum Substrat in die Betrachtung mit ein, die aber schlecht "definiert" ist, das heißt deren Eigenschaften meistens nicht richtig verstanden werden. Der vorteilhafte Einsatz von Füllstoffen in Beschichtungen ist daher weitgehend eine Sache der Erfahrung.

Dr. Jochen Winkler Sachtleben Chemie GmbH Leiter der Forschung und Entwicklung Dr.-Rudolf-Sachtleben-Str. 4 E-Mail: j.winkler@sachtleben.de