Robert Besold

In der Automobillackierung (sowohl Erst- als auch Reparatur- und auch Zubehörteilelackierung) haben sich in den letzten Jahren reine Silberfarbtöne eine Spitzenposition ergattert: Ca. 40 % der neu zugelassenen Autos in Europa waren/sind silberfarben. Aber auch "eingefärbte" Metalleffekte (Kombinationen von Metallicpigmenten mit transparenten Farbpigmenten) sind sehr beliebt, sodass nahezu 70 % der Farbtöne Metalleffekte aufweisen.

Auch in anderen Bereichen sind Metalleffekte nahezu allgegenwärtig. Gute Beispiele hierfür sind die "Consumer Electronics", also Mobiltelefone, Computer, Drucker, TV oder Kameras.
Im Architektursektor werden ganze Fassadenplatten im Coilcoating- Verfahren bandbeschichtet oder einzelne Bauelemente pulverlackiert.

Dies sind nur einige wenige Beispiele aus der Lackindustrie, wo Metallpigmente verarbeitet werden. Daneben kennen wir Metalleffekte natürlich aus der Druckfarbenindustrie, nämlich von Verpackungen (für z.B. Zigaretten, Kosmetika, Bierflaschen, Lebensmittel oder "non food"), Etiketten, Tapeten, Tissues oder Illustrationsdrucksachen, und aus der Kunststoffindustrie.

Metallpigmente kommen als Pulver, als lösemittelhaltige Paste, als harzgebundenes Granulat, als Konzentrat oder als fertige Druckfarbe auf den Markt. Aus Sicherheitsgründen (Vermeidung von Staubexplosionen!) werden hauptsächlich "angeteigte" Pasten eingesetzt.

Grundsätzlich gibt es zwei verschiedene Effektmechanismen: die Lichtreflexion und die Interferenz.
Der klassische Metalleffekt beruht auf der Reflexion von Licht an den ebenen Flächen der blättchenförmigen Metallpigmente. Über Interferenzpigmente wird in einem anderen Beitrag dieser Reihe berichtet.

Die wichtigsten Metallpigmente bestehen aus Aluminium bzw. "Goldbronze", einer Legierung aus Kupfer und Zink, die je nach Legierungszusammensetzung unterschiedliche Farbtöne annehmen kann.

Abbildung 1: REM-aufnahme von Aluminiumgrieß

Die blättchenförmige ("zweidimensionale") Struktur der Pigmente erzeugt man während des Herstellprozesses aus dreidimensionalen "Metallgrießen" durch eine Verformung und Zerkleinerung in Kugelmühlen.

Abbildung 2: REM-Aufnahme "cornflake Typ"

Je nach Morphologie der Pigmentteilchen unterscheiden wir zwischen den klassischen "cornflake Pigmenten" mit unregelmäßiger Struktur und z.T. rauer Oberfläche und den "Silberdollars" mit runder Struktur und mehr oder weniger glatter Oberfläche.

Abbildung 3: REM-Aufnahme "Silberdollar" Typ

Eine wesentlich aufwändigere Variante stellen die sog. "VMP's" (= vacuum metallized pigments) dar, die durch Ablösen und Zerkleinern von im Hochvakuum metallisierten PET-Folien hergestellt werden.

Abbildung 4: REM-Aufnahme "VMP" Typ

Durch ihre extrem glatte Oberfläche sind sie hoch reflektierend und man kann mit dieser Pigmentklasse sowohl im Lackier- als auch im Druckprozess metallische, folienähnliche Effekte erzielen.

Dass der Metalleffekt auf der Reflexion von Licht an den ebenen Pigmentoberflächen beruht, wurde schon erwähnt. Diese Reflexion wird aber überlagert durch Lichtstreuung an den Kanten bzw. an (Mikro)rauigkeiten an den Pigmentoberflächen; der "Metalleffekt" ist also eine Summe aus Reflexion und Streuung und umso intensiver ausgeprägt, je höher der Anteil reflektierten Lichtes ist.

Abbildung 5: Reflexion und Streuung an Metallpigmenten

Hiermit ergeben sich folgende Qualitätskriterien, die man bei der Auswahl der Pigmente je nach Anwendungsgebiet beachten muss:

Teilchengröße
• Je größer das Teilchen (= die reflektierende Oberfläche), desto stärker der Metalleffekt (Brillanz, "Sparkle Efekt"),
• je feiner das Teilchen, desto ausgeprägter ist die Streuung an den Kanten, der Effekt wird gleichmäßiger aber auch dunkler.

Die Auswahl der Teilchengröße wird im wesentlichen auch durch die Verarbeitungstechnologie bestimmt und durch den d50-Wert (durchschnittliche Teilchengröße) charakterisiert. Handelsübliche Metallpigmente rangieren dabei von ca. 3 µm (Offsetdruck) bis z.T. über 50 µm ("high sparkle Effekte"). Die gängigen Aluminiumpigmente für Automobillacke, Consumer Electronics, Bandlackierung, Pulverlacke, aber auch Tief- und Flexodruck usw. liegen in einem d50 Bereich von ca. 8 bis- 25 µm.

Teilchenform - Pigmentmorphologie
Die Entwicklung der "Silberdollar Pigmente" oder auch "Rundpigmente" hat neue Dimensionen im Metalleffekt ermöglicht: durch die runde Teilchenform und die glatte Oberfläche wird die Reflexion maximiert und der Streuanteil deutlich gesenkt, der Metalleffekt wird intensiver, Brillanz und Helligkeit gegenüber gleich großen "cornflake Pigmenten" deutlich gesteigert. Mit feinen "Silberdollars" lassen sich helle Seidenglanzeffekte erzielen. Diese Pigmentklasse (d50 8 bis 20 µm) stellt zur Zeit den Hauptanteil bei Automobillacken und hochwertigen Industrielacken.

Teilchengrößenverteilung
Auch hier gilt: je höher der Anteil an feinen und feinsten Pigmenten, desto höher ist der Streueffekt und desto geringer ausgeprägt ist der Metalleffekt. Da sich andererseits aber (zu) grobe Teilchen nachteilig beim Verarbeiten und in der Effektausbildung (Oberflächenglanz, Abbildungsschärfe reflektierter Bilder, Deckvermögen etc.) auswirken, ging die Entwicklung in den letzten Jahren immer mehr zu morphologisch hochwertigen und eng klassierten Metalleffektpigmenten in der jeweils benötigten Feinheitsklasse.

Pigmentorientierung
Neben den bereits beschriebenen Parametern Teilchengröße, Teilchengrößenverteilung und Teilchenmorphologie, ist die Orientierung der Pigmente in der Applikation (Lack- bzw. Druckfilm, aber auch eingefärbter Kunststoff) von extremer Wichtigkeit. Je paralleler ausgerichtet sich die Metallblättchen im Lackfilm orientieren, desto gerichteter ist auch die Lichtreflexion und damit desto besser der Metalleffekt. Rezeptur- und v.a. auch Applikationsbedingungen spielen hier je nach Anwendungsgebiet eine entscheidende Rolle.

Flop Effekt
An dieser Stelle muss auch der "Flop Effekt" (auch "twotone effect" , Hell/Dunkel-Effekt oder "Abkippverhalten") beschrieben werden, da er neben Brillanz, Glanz usw. wohl das charakteristischste Merkmal des Metalleffekts ist und oft alleinig mit diesem identifiziert wird. Hierunter versteht man die Abhängigkeit des Helligkeitsempfindens vom Betrachtungswinkel: Während man im bzw. nahe am Glanzwinkel je nach Reflexionsgrad das Maximum der Helligkeit beobachtet, wird der Effekt abseits des Glanzwinkels deutlich dunkler wahrgenommen ("Helligkeitsflop"). Hierdurch erscheinen dreidimensionale Objekte, wie z.B. Automobilkarosserien, wesentlich "plastischer" und damit hochwertiger, was sicherlich auch zum Siegeszug des Metalleffekts in der Automobillackierung beigetragen hat.

Leafing/Nonleafing
Eine Beschreibung des Metalleffekts wäre unvollständig, wenn nicht auf die generelle Unterscheidung zwischen Leafing- und Nonleafing Pigmenten hingewiesen werden würde: Je nach Benetzungsverhalten schwimmen die Metallpigmente im Film nach oben auf (leafing) und bilden dadurch eine mehr oder weniger dichte Lage von Pigmenten an der Filmoberfläche, oder werden vollkommen benetzt und verteilen sich homogen im Film (nonleafing).

Abbildung 6: leafing/nonleafing


Ursächlich für das unterschiedliche Benetzungsverhalten sind die bei der Herstellung/ Zerkleinerung notwendigerweise zugesetzten Schmiermittel. Bei der Verwendung von Stearinsäure erhält man leafing Pigmente, mit ungesättigten Fettsäuren (z.B. Ölsäure) erhält man nonleafing Pigmente.

Leafing Pigmente bilden einen metallischen, silberglänzenden Metalleffekt aus, der v.a. in Korrosionsschutzanstrichen, Dekorationslacken, Dachbeschichtungen, aber auch in Druckverfahren zur Anwendung kommt (Kosmetikaverpackungen, Bierflaschenetiketten). Nachteil des Leafingeffekts ist die schlechte Überlackierbarkeit (geringere Oberflächenspannung!), Abriebfestigkeit und die Tatsache, dass durch die Pigmentorientierung an der Filmoberfläche keine eingefärbten Metalleffekte möglich sind.

Nonleafing Pigmente orientieren sich gleichmäßig im Film, sind dadurch vor Abrieb und korrodierenden Einflüssen geschützt und können auch problemlos überlackiert werden.
Besonders charakteristisch ist jedoch die Möglichkeit, durch Kombination mit transparenten Buntpigmenten gefärbte Metalleffekte zu erzeugen.
Klassische Anwendungen sind Grundierungen (Barriereschutzprinzip) und allgemeine Industrielacke. Nonleafing Aluminiumigmente, die den oben beschriebenen Qualitätskriterien entsprechen, finden Anwendung in Fahrzeugdecklacken (i.d.R. in Verbindung mit einem zusätzlichen Klarlackauftrag), in hochwertigen Industrielackierungen (s.o.), in Druckfarben und in Masterbatches zur Kunststoffeinfärbung.

Spezialanwendungen und hier vor allem die umweltfreundlichen wässerigen Lack- und Druckfarbensysteme, strahlenhärtende UV- bzw. EB-Systeme oder Pulverlacke. müssen auf hochwertige Metalleffekte nicht verzichten.
Durch Nachbehandlungs- und nanoskalige Beschichtungsverfahren lassen sich die Eigenschaften der Metallpigmente den chemischen und physikalischen Eigenschaften anpassen.
Aluminiumpigmente für wässerige Anwendungen müssen z.B. durch geeignete Inhibitoren vor der Reaktion mit Wasser geschützt werden, um die Bildung von Wasserstoff ("gassing") zu vermeiden.
Die Hydrophobierung der Aluminiumoberflächen durch Mahlhilfsmittel wie Ölsäure oder Stearinsäure ist nicht ausreichend, um die stark exotherm verlaufende Reaktion der Pigmente mit Wasser zu verhindern. Aluminiumpigmente reagieren mit Wasser unter Wasserstoffentwicklung nach folgender Bilanzgleichung:

2Al + 6H₂0   →   2Al(OH)₃ + 3H₂↑

Infolge der großen spezifischen Oberfläche von Aluminiumpigmenten (1 - 10 m²/g, BET-Verfahren [1],[2]) kann die Reaktion sehr heftig ablaufen. Selbst bei langsamer Reaktion sind der Verlust des metallischen Glanzes und eine Beeinträchtigung der Lagerstabilität (Agglomeration) die Folge. Marktüblich zur Stabilisierung sind hier z.B. phosphororganische Verbindungen aber auch Beschichtungen mit organischen (polymeren) bzw. anorganischen Materialien.

Bei Anwendungen in Pulverlacken sorgen SiO₂-Beschichtungen nicht nur für die geforderte Chemikalienbeständigkeit, sondern auch für die elektrische Aufladbarkeit der Metallpigmente.

Dr. Robert Besold Schlenk Metallpulver GmbH & Co.KG Barnsdorfer Hauptstr. 5 91154 Roth Tel.: +49 (0)9171 808-211 Fax: +49 (0)9171 808-201 E-Mail: robert.besold@schlenk.de