Effektpigmente: mikroskopische Licht-Manager zur Erzeugung attraktiver, optischer Effekte in Lacken

Abb. 1: Farbspiel hervorgerufen durch Effektpigmente<br />im flüssigen Lack (Bild: Schlenk Metallic Pigments GmbH)

Zu Beginn des 21. Jahrhunderts dominieren in vielen Bereichen Effektlacke, wobei die Definition einer «Effektlackierung» gemäß dem Deutschen Institut für Normung e.V. «Lackierung, bei der gewollt zusätzlich zur Farbe visuell wahrnehmbare Eigenschaften wie Glanz (nicht Oberflächenglanz), Winkelabhängigkeit der Farbe, Struktur oder Textur vorhanden sind [1]», lautet. Für die Erzielung dieser optischen Eigenschaften werden Effektpigmente in der Lackrezeptur eingesetzt. Aufgrund Ihrer Form, Größe sowie chem. Zusammensetzung können sie mit der elektromagnetischen Strahlung in Wechselwirkung treten und fungieren quasi als Licht-Manager in Effektlacken. Abb. 1 zeigt beispielhaft ein Farbenspiel, wie es durch die Effektpigmente - hier noch im flüssigen Lack - hervorgerufen werden.

Effektpigmente wurden im Lackbereich zunächst in Designlacken für die individuelle Fahrzeuglackierung eingesetzt, bis sie schließlich den Sprung in die automobile Serienlackierung schafften. Die farblichen Oberflächen teilen sich in je ein Drittel Solid, Aluminium und Mica (engl. für Glimmer). Man begegnet Fahrzeugen heutzutage in ästhetischem Beige oder Blau, wobei der Effektlack durch Hell-/Dunkel-Effekte sowie subtile Farbwechsel auf der Oberfläche Design, Anmutung und Form der Karosse attraktiver aussehen lassen (siehe Abb. 2). Die optischen Effekte werden durch den Einsatz von Metalleffekt- und Interferenz-Pigmenten bzw. einer Kombination in der Lackrezeptur erzielt. Farbintensive Kristalleffektpigmente führen beispielsweise zu kristallinen, extrem glitzernden Lackoberflächen. Besonders raffinierte Effekte sind sogenannte Flip-Flop-Effekte, die durch den Einsatz sogenannter Multi-Color-Effektpigmente realisiert werden.

Abb. 2: Effektpigmente in der Automobil-Interieur und Exterieur Lackanwendung (Bilder: EDee Conrad / Shutterstock.com)

Wechselwirkung von Licht mit Materie

Die durch Effektpigmente hervorgerufenen Farbeffekte kommen durch die Wechselwirkung von Licht mit Materie zustande, wobei die in diesem Kontext wichtigsten Phänomene durch die physikalischen Begriffe Absorption, Streuung, Reflexion und Transmission (s. Abb. 3) beschrieben werden [2].

Abb. 3: Schematische Darstellung der Lichtmengenbilanz an einem Effektpigment-Plättchen [18] Rechts: TEM-Schnitt von Perlglanzpigment-Partikeln (Multi-Schicht Aufbau) basierend auf Glimmer beschichtet mit Titandioxid (Bilder: Schlenk Metallic Pigments GmbH)

An dieser Stelle soll auf die physikalische Behandlung und Einteilung der zur Farbentstehung führenden Ursachen im Buch von Nassau «The Physics and Chemistry of Color» [19] hingewiesen werden (s. Abb. 4), wobei Effektpigmente in dieser Unterteilung The five groupings of the causes of color" je nach chemischer Zusammensetzung in Group III-V einzuordnen sind.

Abb. 4: The five groupings of the causes of color nach Nassau, The Physics and Chemistry of Color [19]

Bei der Absorption können drei ineinander übergehende Bereiche unterschieden werden. Absorbiert ein Pigment sichtbares Licht vollständig, so erscheint es schwarz. Bei unvollständiger, nicht wellenlängenabhängiger Absorption resultiert eine graue Eigenfarbe. Bei selektiver Absorption eines Ausschnittes aus dem elektromagnetischen Wellenspektrum erscheint das Pigment in der reflektierten Komplementärfarbe und wird der Klasse der Absorptionspigmente zugeordnet. Die (diffuse) Lichtstreuung eines Pigments wird entscheidend durch die Größe des Pigments und der Differenz seiner Brechzahlen zum umgebenden Medium bestimmt. Die Streuung ist zudem eine Funktion der Wellenlänge und wird heute meist durch die MIE-Theorie beschrieben [3]. Titandioxidpigmente streuen aufgrund der hohen Brechzahl stark und haben dadurch eine überragende Bedeutung als Weisspigment [4]. Optimale Ausbeute an Streulicht pro Gramm ein- gesetzten Titandioxides erhält man bei Durchmessern um 400 - 500 nm. Ein interessanter koloristischer Effekt wird bei sehr kleinen Teilchen beobachtet, da sie die kürzeren Wellenlängen stärker streuen und in Kombination mit Metallicpigmenten einen bläulichen Farbeindruck zeigen, der als Frosteffekt bekannt geworden ist [5]. Diese Pigmente sind als nanokristallines Titandioxid im Handel erhältlich [6].

DIN 55944 [7] unterteilt Farbmittel in Pigmente und Farbstoffe, wobei anorganische Pigmente auch anorganische Glanzpigmente beinhalten. In diese Gruppe der Glanzpigmente gehören die Metalleffektpigmente, deren hervorste- chende Eigenschaft die (gerichtete) vollständige Licht-Reflexion an der Pigmentoberfläche [8] ist.

Metalleffektpigmente beruhen auf metallischen Legierungen von Aluminium, Kupfer und Gold, wobei in Abhängig- keit vom Ausgangsmaterial ein silberner, goldener oder kupferfarbener Farbeindruck erzeugt wird. Durch die gezielte Belegung der Aluminiumoberfläche mit lichtabsorbierenden organischen Farbmitteln entstehen Metallic-Pigmente mit anderen Körperfarben.

Charakteristischer für solche Metalleffektpigmente ist jedoch die ausgeprägte gerichtete metallische Reflexion. Im Gegensatz zu ausgedehnten Beschichtungen oder Folien tritt zusätzlich diffuse Lichtstreuung an den Pigmentkanten auf. Beeinflusst wird diese gerichtete Reflexion durch die Teilchengrösse sowie die Pigmentmorphologie der Pigmente. Je grösser die Pigmentteilchen, umso mehr Licht wird von der Oberfläche reflektiert und desto geringer die Kantenstreuung. Der Wechsel von hell nach dunkel in Abhängigkeit vom Betrachtungswinkel wird intensiver. Ferner reduziert sich der durch die Kanten hervorgerufene diffuse Streuanteil.

Um den Anteil des Streulichtes zu reduzieren, werden heute plättchenförmigen Metalleffekt-Pigmente mit sehr gleich- mässiger, annähernd runder Morphologie [10] erzeugt, die unter dem Namen Dollarflakes bekannt sind. Charakteristisch für diese Pigmente ist eine hohe Brillanz und geringe Vergrauung, die auf die eben erwähnte Reduktion des Streulichtes zurückzuführen ist. Die Ausrichtung bzw. Orientierung im Anwendungsmedium Lack stellt eine weitere Einflussgrösse dar, die vor allem die Winkelabhängigkeit der gerichteten Reflexion in unerwünschter Weise verbreitern kann. Bei den sogenannten Perlglanzpigmenten, auf die nun eingegangen werden soll, spielt zusätzlich Licht-Transmission eine Rolle.

 

Effektpigmente: Aufbau und optischer Effekt

Klassische Perlglanzpigmente werden auf Basis des natürlichen Muskovit-Glimmers hergestellt [11]. Glimmer lässt sich in kleine, atomar ebene Plättchen spalten. Diese Plättchen werden mit hochbrechenden Metalloxiden beschichtet. Transparente Interferenzpigmente verfügen üblicherweise aus Titandioxid mit dem sich alle Interferenzfarben von gelb über rot und blau nach grün erzielen lassen. Eisenoxidschichten erzeugen neben einer Interferenzfarbe zusätzlich noch eine rote Körperfarbe. Auch eine kombinierte Auffällung von Metalloxiden oder ein mehrschichtiger Aufbau wird eingesetzt um zu interessanten Farbeffekte zu gelangen. 

Das optische Phänomen der Interferenz kann anhand der klassischen «Glimmer-Rutil-Interferenzpigmente» und mit Hilfe der geometrischen Strahlenoptik beschrieben werden [12], siehe hierzu Abb. 3 (Mitte) sowie Abb. 5 (links).

Fällt weisses Licht auf ein derartiges Pigment, so wird ein Teil an der äusseren Titandioxidschicht reflektiert und gestreut, wobei das Verhältnis von reflektiertem zu transmittiertem Anteil durch die Fresnel’sche Gleichung beschrieben werden kann. Der restliche Teil dringt in die Titandioxid- schicht ein, wird aber von seinem ursprünglichen Weg abgelenkt oder anschaulicher ausgedrückt «gebrochen». Dieses Phänomen wird durch das Gesetz von Snell beschrieben und kann durch einen in Wasser ragenden Stab visualisiert werden. Die es Gesetz muss wiederum angewandt werden, wenn der Lichtstrahl die Titandioxidschicht passiert hat und nun zur Grenzschicht Titandioxid/Glimmerplättchen gelangt. Auch hier findet eine Teilreflexion statt, wobei der reflektierte Teil erneut die Titandioxidschicht und anschliessend an der Oberseite das Pigmentteilchen verlässt.

Abb. 5: Schemata der wichtigsten Pigmentklassen: Perlglanzpigmente mit Absorption, Streuung und Interferenz, Metallpigmente mit Reflektion und Streuung sowie Absorptionspigmente (Darstellung: Schlenk Metallic Pigments GmbH)

Wichtig hierbei ist, dass die beiden soeben beschriebenen Lichtstrahlen nicht wie im Fall der Streuung ungerichtet, sondern parallel zueinander die Pigmentoberfläche in Richtung Auge verlassen. 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 Licht- teil 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 (380 – 740 nm) 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 bzw. abgeschwächt werden, hängt von der Weglänge ab, welche die Lichtwellen durch die Titandioxidschicht erfahren. Dieser Weg wird vor allen Dingen durch die Schichtdicke des Titandioxids beeinflusst: Bei geringer Schichtdicke ergibt sich silberweiss, wobei mit höherer Schichtdicke gelbe und weiter- hin mit steigender Schichtdicke rote, blaue und schliesslich grüne Perlglanzpigmente erhalten werden.  

Die oben für die Metallpigmente aufgeführten Gesetzmässigkeiten gelten auch hier, sofern man zusätzlich die Transmission berücksichtigt. Durch die Transmission wird der Anteil des reflektierten Lichtes reduziert. Deswegen spielen selektive und nichtselektive Absorption und die diffuse Streuung der Pigmentkanten in Konkurrenz zu gerichteter Reflexion der Pigmentflächen eine bestimmende Rolle bei den Perlglanzpigmenten. Die Orientierung im Anwendermedium ist wie bei den Metallpigmenten entscheidend für den winkelabhängigen, koloristischen Effekt.

Ein wichtiges Merkmal dieser klassischen Perlglanzpigmente ist ihr Farbwechsel zwischen dem reflektierten 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 (s. hierzu auch Abb. 5 links - Darstellung Anhand gelber Interferenzfarbe sowie komplementärer, blauer Transmissionsfarbe).

Durch eine Optimierung der Prozessparameter des Glimmerbelegungsprozesses, der Erfahrung in der Produktion die- ser Perlglanzpigmente voraussetzt, wurde die Intensität und Reinheit der Interferenzfarben der Perlglanzpigmente der «ersten Generation» deutlich verbessert. Entwicklungen der Firma Merck schlossen auch die Lücke der klassischen Perlglanzpigmente im gelben Bereich [13] mit einem Pigment, das eine intensiv gelbe Interferenzfarbe mit einer gelben Körperfarbe kombiniert. Hierbei handelt es sich wie beim oben erwähnten Chromoxid-Perlglanzpigment um einen Multischicht-Aufbau mit Licht absorbierenden sowie nichtabsorbierenden Interferenzschichten.

Anfang der 90er-Jahre wurde die Untersuchung von neuen, synthetischen Materialien, die anstelle von Glimmer als Substrate zum Einsatz kommen sollten, verstärkt. Das Ziel war es, mit dem jahrzehntelangen Know-How über Glimmerpigmente neue Effektpigmente auf der Basis von synthetischen Substraten zu entwickeln, welche die Vorteile von Glimmerpigmenten (problemloses Verhalten in vielfältigen Lacksystemen, Umweltverträglichkeit und einfache Handhabung) aufweisen und zusätzlich neue optische Effekte erzielen. In den Produktionsmassstab sind zwei neue synthetische Substrate überführt worden, und zwar Siliziumdioxid [14] und Aluminiumoxid [15]. Der Vorteil dieser Substrate gegenüber herkömmlichem Glimmer liegt in der gezielt herstellbaren Dicke, die bei allen Plättchen einheitlich ist und damit das Substrat Bestandteil des optischen Systems werden lässt [16, 17]. Lackierte Objekte zeigen bei Anwesenheit der beschichteten Aluminiumoxid-Flakes in der Beschichtung eine lebhaft glitzernde Oberfläche sowie einen bei feinteiligen Effektpigmenten noch nicht beobachteten, brillanten Sparkling-Effekt. 

Einen anderen Weg zur Beschichtung von Glimmer- und Aluminiumplättchen ging BASF. Über einen CVD-Prozess (Chemical Vapour Deposition) wurde Eisenoxid aufgebracht. Speziell im Rot- und Goldbereich zeigen diese Pigmente interessante Farbeindrücke [9].

Ein wesentliches Ziel bei der Entwicklung von Siliziumdioxid -Flakes 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 Siliziumdioxid-Flakes werden ebenfalls mit hochbrechenden Materialien (z. B. Titandioxid, Hämatit), 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). Goniochromatische Effektpigmente mit extremen Farbwechseln werden auch im PVD-Verfahren (Physical Vapour Deposition) hergestellt. Der mikroskopische Schichtaufbau im Effektpigment unterscheidet sich signifikant von den mikroskopischen Strukturen im Festkörper, die beispielsweise in Schmetterlingsflügeln gefunden werden. Es können durch deren Einsatz in Effektlacken jedoch ähnliche, stark winkelabhängige Farbwechsel auf Oberflächen erzeugt werden (s. Abb. 6).

Abb. 6: Winkelabhängige Farbe in der Natur (links: Schmetterlingsflügel Morpho M. Didius, makroskopische Aufnahme in zwei Betrachtungswinkeln sowie mikroskopische Ansicht (Bilder: N. Okamoto [20]) und im Automobillack erzielt durch Effektpigmente

Anwendungen

Die Anwendungen von Effektpigmenten sind vielfältig. Ausgehend vom Einsatz in High Performance Bereichen wie der Automobilanwendung setzen sie sich immer mehr in anderen Bereichen (s. Abb. 7) durch. Beispielhaft seien Pulverlackierungen für Geräte sowie in der Bauindustrie erwähnt. Für die Innenarchitektur verwendet man zunehmend Effektpigmente 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. Die Effektpigmente stellen ein faszinierendes Gebiet dar, gekennzeichnet durch eine rasante Entwicklung neuer Produkte. 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 gespannt sein.

<br />Abb. 7: Anwendungen von Effektpigmenten im Interieur sowie an Fassen von Gebäuden (Bilder: Schlenk Metallic Pigments GmbH)

Literatur

[1] Deutsches Institut für Normung e.V., DIN 55945 (1999)
[2] J. Tilley, Colour , John Wiley & Sons, New York, 2000
[3] H. G. Völz, Angew. Chem. 87(1975) 721
[4] Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry, Vol. A20(1992) 271
[5] J. Winkler, B. Proft, farbe + lack 107 (2001) 28
[6] Hombitec RM, Firmenschrift, Sachtleben Chemie GmbH Duisburg
[7] Deutsches Institut für Normung e.V. , DIN 55944 (1990)
[8] Römpp Lexikon Lacke und Druckfarben, Georg Thieme Verlag, Stuttgart (1998) 378
[9] WO 2001016236 A1, BASF AG
[10] AluMotion Aluminiumpigmente, Schlenk Metallpulver GmbH, Roth-Barnsdorf
[11] G. Pfaff, Chem. unserer Zeit, 31 (1997) 6
[12] Bergmann, Schäfer, Lehrbuch der Experimentalphysik, Bd. 3 Optik, 9. Auflage Walter de Gruyter & Co, Berlin (1993)
[13] EP 1029900, Merck KGaA
[14] WO 93/08237, Merck KGaA
[15] EP O 763 573, Merck KGaA
[16] G. Pfaff, P. Reynders, Chem. Rev. (1999) No. 99, 1963
[17] S. Teaney, G. Pfaff, K. Nitta, Eur. Coat. J. (1999) (4) 90
[18] F.J. Maile, P. Reynders, Effektpigmente in Lacken, Coating 4 (2001)
[19] K. Nassau, The Physics and Chemistry of Color, Wiley-Interscience, New York, 1983
[20] S. Kinoshita, Structural Colors in the Realm of Nature, World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd. 2008