Adalbert Huber
Moderne Effektpigmente findet man heute in vielen industriellen Anwendungen; doch noch vor wenigen Jahren gehörten sie zu den Exoten in der Pigmentwelt. So wurden sie im Lackbereich zunächst als Designlacke für die individuelle Fahrzeuglackierung eingesetzt, bis sie in der zweiten Hälfte der achtziger Jahre den Sprung in die automobile Serienlackierung schafften [1]. Und heute sind sie aus diesem Bereich nicht mehr wegzudenken und haben je nach Modell einen Anteil von weit über fünfzig Prozent bei Autolacken (Abbildung 1).
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Grundlage aller Farbeffekte ist die Wechselwirkung von Licht mit Materie. Die wichtigsten Wechselwirkungen sind Absorption, Streuung, Reflexion und Transmission.
Wird Licht von einem Pigment absorbiert erscheint es bei vollständiger Absorption schwarz, bei selektiver Absorption eines Ausschnittes aus dem Wellenspektrum zeigt es den Farbeindruck der reflektierten Komplementärfarbe und wird der Klasse der Absorptionspigmente zugeordnet.
Ein weiteres Charakteristikum eines Pigments ist sein Streuvermögen, je kleiner das Pigment und je höher der Brechzahlunterschied zum umgebenden Medium desto stärker die Streuung. Titandioxidpigmente streuen aufgrund der hohen Brechzahl stark und haben dadurch eine überragende Bedeutung als Weißpigment [2]. Durch die Variation der Teilchengröße werden die Streuung und die anwendungstechnischen Eigenschaften noch optimiert. Das Maximum wird bei einer Teilchengröße von 0,2µm erreicht. Die Streuung ist ebenfalls wellenlängensensitiv, sehr kleine Teilchen streuen stärker die kürzeren Wellenlängen und zeigen einen bläulichen Farbeindruck, den sogenannten Eis- bzw. Frosteffekt, der in der Direktreflexion ins Goldene übergeht.. Solche Pigmente werden als Mikrotitanoxidpigmente vor allem für Automobillacke vermarktet.
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Die wichtigsten im Lack eingesetzten Effektpigmente lassen sich in Metall- und Interferenzeffektpigmente einteilen. Während die Metallpigmente als charakteristische Eigenschaft die Reflexion und Streuung an den Kanten aufweisen, treten bei den Interferenzpigmenten zusätzlich noch Absorption und Transmission auf und das Farbenpotential ist entsprechend größer (Abbildung 2). Vorbilder in der Natur sind übrigens zahlreich: In Vogelfedern und Schmetterlingsflügeln finden wir praktisch keine Pigmente und Farbstoffe. Alle Farbigkeit rührt von Interferenzen her. Der metallische Effekt wurde bereits in einem Beitrag behandelt.
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Eine weitere Klasse stellen also die Interferenzpigmente dar. Unter Interferenz versteht man die Überlagerung von Wellen: Wie bei den Wellen, die man im Wasser durch den Einwurf zweier Steine erzeugt, werden bei der Überlagerung bestimmte Wellen verstärkt und andere ausgelöscht oder abgeschwächt. Verstärkt werden die Wellen immer dann, wenn Wellenberg auf Wellenberg trifft. Wellenberg auf Wellental ergibt eine Abschwächung oder Auslöschung. Klassische Perlglanzpigmente, bekannt unter dem Namen Iriodin® aus dem Hause Merck KGaA, bestehen aus einem Glimmerplättchen als Träger. Dieser ist ummantelt von einem schwerbrechenden Metalloxid wie beispielsweise Titandioxid oder Eisenoxid. Je nach Aufbau der Pigmente, ergeben sich unterschiedliche Farben: Silberweiße und weißlich-bunte Perlglanzpigmente entstehen durch Ummantelung mit Titandioxid, rötlich-kupferne durch Ummantelung mit Eisenoxid. Kombiniert man beide Metalloxide, so erhält man gold-gelbe Pigmente. Auch grüne Pigmente lassen sich herstellen, wenn man Titandioxid und Chromoxid zusammen einsetzt. Zusätzlich zu dieser Körperfarbe zeigen diese Pigmente noch eine Interferenzfarbe.
Bei den Interferenzpigmenten mit einer Titandioxid-Beschichtung lässt sich das optische Phänomen der Interferenz am besten beschreiben: Fällt weißes Licht auf ein derartiges Pigment, so wird ein Teil an der äußeren Schicht Titandioxid reflektiert wie bei einem Spiegel. Der restliche Teil dringt in die Titandioxid-Schicht ein, wird aber aufgrund physikalischer Gesetze von seinem ursprünglichen Weg abgelenkt - der Lichtstrahl wird sozusagen gebrochen. Wenn er diese Schicht durchquert hat, gelangt er zur Grenzschicht zwischen Titandioxid und dem Glimmerplättchen. Auch hier findet wiederum eine Reflexion statt, die einen Teil des Lichtes wie bei einem Spiegel zurückwirft. Dieser Teil durchwandert die Titandioxidschicht und verlässt diese an der Oberseite, und zwar parallel zu dem ersten reflektierten Teil.
Betrachtet man die Strecke, die beide Anteile in der gleichen Zeit hinter sich haben, so stellt man eine Verschiebung der Lichtwellen fest: Legt der erste Lichtteil eine kurze Strecke nach der Reflexion an der Oberseite der Titandioxidschicht bzw. des Pigmentes zurück, so muss der zweite Teil in der gleichen Zeit zweimal durch die Titandioxidschicht wandern. Da jetzt nicht mehr die Lichtwellen des weißen Lichtes zueinander "passen" - modellhaft kann man sich weißes Licht aus allen Lichtwellen des sichtbaren Bereiches von Blauviolett über Blau, Grün, Gelb und Orange nach Rot zusammen gesetzt vorstellen -, kommt es zur Verstärkung oder Abschwächung der verschiedenen Lichtwellen. Welche Lichtwellen verstärkt werden bzw. abgeschwächt werden, hängt von dem zusätzlichen Weg ab, den die Lichtwellen durch die Titandioxidschicht erfahren. Und dieser Weg wird vor allen Dingen von der Schichtdicke des Titandioxids beeinflusst: Bei geringer Schichtdicke ergeben sich silberweiße Farben, die ein Konglomerat aller Farben bilden. Mit höherer Schichtdicke erhält man gelbe Perlglanzpigmente und dann mit steigender Schichtdicke rote, blaue und schließlich grüne Pigmente (Abbildung 5).
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Ein wichtiges Merkmal dieser klassischen Perlglanzpigmente ist ihr Farbwechsel zwischen dem reflektierten Licht und dem Licht, welches das Pigment komplett durchdringt und auf seiner Unterseite verlässt. Diese Transmissionsfarben sind komplementär zu der jeweiligen Reflexionsfarbe: Eine rote Reflexionsfarbe steht im Wechsel mit Grün als Transmissionsfarbe, Grün mit Rot, Gelb mit Blau und Blau mit Gelb. Man kann derartige Wechsel selbst erzeugen, wenn man eine kleine Menge Pigmente oder einen entsprechenden Lack auf eine durchsichtige Folie aufstreicht. Dann erkennt man nämlich den typischen Farbwechsel, der auch den Pigmenten den Namen gab.
Wir kennen diesen Effekt auch von PVD*-beschichteten Halogenstrahlern: Die Spiegelreflexion zeigt die Komplementärfarbe zum durchgehenden Licht.
Einen anderen Weg zur Beschichtung von Glimmer- und Aluminiumplättchen ging BASF AG: Über einen CVD**-Prozess wurde Eisenoxid aufgebracht. Speziell im Rot- und Goldbereich zeigen diese Pigmente mit dem Handelsnamen Paliocrom® interessante Farbeindrücke, und mit Aluminium als Träger bieten sie hohes Deckvermögen.
Konsequenterweise wurde auch nach neuen Substratmaterialien gesucht. Bereits Anfang der 90er Jahre begann die Merck KGaA mit der Entwicklung neuer synthetischer Substratmaterialien, Namentlich sind hier die Aluminiumoxid- und Siliziumdioxid-Flakes zu erwähnen, die auf unterschiedliche Effekte abzielen [3].
Lackierte Objekte zeigen bei Anwesenheit von beschichteten Aluminiumoxid-Flakes (Xirallic®-Pigmente) im Lackfilm ein lebhaft glitzerndes Erscheinungsbild einen bisher bei feinteiligen Effektpigmenten noch nicht beobachteten, brillanten "Sparkling-Effekt".
Ein wesentliches Ziel bei der Entwicklung der neuen SiO2-Flakes (Colorstream®-Pigmente) war die Synthese von Effektpigmenten, die durch ein Substratmaterial von definierter Schichtdicke ihre einmaligen optischen Eigenschaften gewinnen. Durch geeignete Kombinationen von Trägereigenschaften und Beschichtung ergeben sich vielfältige neue koloristische Effekte.
Die SiO2-Flakes werden mit hochbrechenden Materialien (z.B. TiO2, Fe2O3), in einem Verfahren vergleichbar mit dem bewährten Herstellprozess für Glimmerpigmente, beschichtet. Dadurch entstehen stark winkelabhängige Effektpigmente, bei denen verschiedene Farbeindrücke in Abhängigkeit vom jeweiligen Betrachtungswinkel erhalten werden (Farbwechsel). Die gleichzeitige Transparenz verschafft dem Stylisten ein breites Stylingpotential (Abbildung 6)
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Die Anwendungen von Effektpigmenten sind vielfältig. Sie ermöglichen dem Designer oder Architekten, dem Objekt ein hochwertiges Erscheinungsbild zu geben. Beginnend bei hochwertigen Lackierungen wie beim Automobil setzten sie sich immer mehr in anderen Bereichen durch. Ein wichtiges Feld sind heute Pulverlackierungen (Abbildung 7) für Bautenfassaden und Geräte. In der Innenarchitektur verwendet man zunehmend Perlglanzpigmente zur innovativen Raumgestaltung mittels alter Malertechniken. Ein bedeutender Anwender speziell der goldfarbenen Perlglanzpigmente ist die Lederindustrie. In der Farbgestaltung von Handtaschen und Schuhen spielen Effektpigmente eine bedeutende Rolle. In der Sportartikelbranche vermitteln Effektlackierungen Dynamik und Schnelligkeit. Entsprechende Lackierungen auf Fahrrädern und Skateboards sind Beispiele innovativer Farbgestaltung. Ein zunehmend wichtiger Bereich ist die Kunststofflackierung, neben Anbauteilen für das Automobil werden zunehmend Handys und andere Artikel des täglichen Gebrauchs mit Effektlacken vermarktet. Kaum eine Branche kann darauf verzichten Farbeffekte zur Positionierung ihrer Produkte einzusetzen.
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Die Effektpigmente stellen ein faszinierendes Gebiet dar, gekennzeichnet durch eine rasante Entwicklung von neuen Produkten. Die Möglichkeiten sind noch lange nicht ausgeschöpft wie die jüngsten Entwicklungen zeigen.
Dies wird die Farben des neuen Jahrtausends entscheidend beeinflussen. Auf neue optische Effekte darf man auf jeden Fall gespannt sein.
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Dr. Adalbert Huber Director Global Business Unit Coating Industries Performance Life Science Division MerckKGaA Frankfurter Strasse 250 64271 Darmstadt Tel.: +49 (0)6151 72-2127 Fax: +49 (0)6151 72-7684 |  |