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Vermeidung des Ausschwimmens

Handelsübliche Lackformulierungen sind nur in Ausnahmefällen monopigmentiert, in der Regel wird es sich um Mischungen von zwei oder mehr verschiedenen Pigmenten handeln. Auch in solchen Systemen sollten natürlich alle Pigmente gut benetzt und möglichst weitgehend deflockuliert sein. Zusätzlich kann hier aber noch ein weiteres Problem auftreten: idealerweise sind alle Pigmente gleichmäßig im gesamten Lackfilm verteilt; wenn diese Mischung aber gestört wird, die Pigmente sich entmischen, kommt es zu Farbtonveränderungen im Lack. Dieser Defekt wird als „Ausschwimmen" bezeichnet.

Eine der Ursachen für das Entmischen der Pigmente sind Strömungserscheinungen im trocknenden Lackfilm. Lösemittel muss aus den unteren Lackschichten an die Oberfläche transportiert werden, beim Verdunsten erhöht sich die Dichte des zurückbleibenden Materials und es sinkt wieder in die Tiefe.

Zusätzlich treten beim Verdunsten Abkühlungseffekte auf und die Oberflächenspannung verändert sich. All das führt zur Ausbildung von Wirbelströmungen, die sich in Form von mehr oder weniger gleichmäßigen sechseckigen Zellen (den sogenannten Bénard-Zellen) anordnen. Im Zentrum der Zellen steigt das Lackmaterial nach oben, verteilt sich dann über die Oberfläche und strömt an den Zellgrenzen wieder nach unten. Diese Zellströmungen sind schon seit langem – nicht nur im Lack – bekannt und treten in jedem flüssigen Lackfilm (auch unpigmentiert) auf. In einem pigmentierten System nehmen jetzt auch die Pigmente an diesen Wirbelströmungen teil und solange die Beweglichkeit der verschiedenen Pigmente ähnlich ist, werden sie auch in ganz ähnlicher Weise in den Wirbeln transportiert und es kommt nicht zur Entmischung. Sind aber die Pigmentbeweglichkeiten deutlich unterschiedlich, so ist auch das Transportverhalten unterschiedlich und es kann zur Entmischung kommen.

Das Entmischen der Pigmente hängt eng mit der unterschiedlichen Pigmentbeweglichkeit zusammen. Im trocknenden Lackfilm bilden sich aufgrund der Lösemittelverdunstung Wirbelströmungen aus (Bénard-Zellen), die sich auf die beim Trocknen auftretenden kleinen Unterschiede in Temperatur, Dichte und Oberflächenspannung zurückführen lassen. Die Pigmente nehmen an diesen Bewegungen teil und wenn sie sich in ihrer Beweglichkeit unterscheiden, kann es zur Entmischung und damit zum Aus­schwimmen kommen. Diese Unterschiede der Beweglichkeit lassen sich angleichen durch kontrollierte Flockulation bei Ver­wen­­dung ent­sprechend wirkender Additive.

Wirbelströmungen in einem flüssigen Lackfilm (Bénard-Zellen). Beispiel eines mit Phthalocyaninblau und Titandioxid pigmentierten Lackes bei dem deutlich zu sehen ist, wie sich in diesem Fall das Titandioxid entlang der Zellgrenzen anreichert und so der Oberfläche ein unregelmäßiges fleckiges Aussehen verleiht. 

Horizontales Ausschwimmen („Aufschwimmen“)

Eine Pigmentsorte hat sich dann an der Oberfläche konzentriert und der Lackfilm zeigt in diesem Fall an der Oberfläche einen einheitlichen Farbton (der allerdings nicht der Originalton der Pigmentmischung ist). Der Defekt zeigt sich erst, wenn z.B. der Rub-out Test durchgeführt wird. Bei diesem Test wird der noch feuchte Lackfilm in einem kleinen Bereich mit einem Finger gerieben, d.h. in diesem Bereich wird wieder eine homogene Mischung der verschiedenen Pigmente hergestellt. Die Instabilität der Pigmentmischung zeigt sich daran, dass zwischen der geriebenen Fläche und dem umgebenden Lackmaterial eine Farbtondifferenz sichtbar wird. Diese Farbtondifferenz kann auch messtechnisch erfasst werden (als ∆E) und als Qualitätskriterium dienen.

Um Ausschwimmdefekte zu vermeiden, muss man auf die Beweglichkeit der Pigmente Einfluss nehmen und zwar in der Weise, dass die Beweglichkeiten der verschiedenen Pigmentsorten möglichst ähnlich werden. Eine Möglichkeit bietet sich durch die kontrollierte Flockulation. Durch die kontrolliert flockulierenden Additive werden die unterschiedlichen Pigmente gemeinsam in die Flockulate eingebunden und dadurch zwangsweise in ihrer Beweglichkeit angeglichen. Durch gezielte Co-Flockulation der verschiedenen Pigmentsorten lässt sich somit das Ausschwimmen unterbinden.

Nun ist aber in vielen Decklacksystemen, insbesondere in hochqualitativen, eine Flockulation – auch eine kontrollierte – wegen der möglichen Glanzreduzierung und der schlechteren Ausnutzung der Pigmente eher unerwünscht.

Hier bietet sich eine Lösungsmöglichkeit über polymere Netz- und Dispergieradditive an. In der Praxis hat sich gezeigt, dass geeignete Produkte in der Lage sind, die Beweglichkeit der unterschiedlichen Pigmentsorten einander anzugleichen bei gleichzeitiger Deflockulation aller Pigmente. Durch die Wechselwirkung zwischen den adsorbierten polymeren Additiven mit der umgebenden Bindemittellösung werden die deflockulierten Pigmentteilchen stark in das Bindemittelsystem mit eingebunden und deren Beweglichkeit reduziert.

Auf diese Weise lässt sich erklären, dass beim gleichzeitigen Vorliegen kleiner, deflockulierter organischer Pigmentteilchen und größerer anorganischer Pigmente das Ausschwimmen unterbunden wird, da alle Pigmente ähnliche Beweglichkeiten aufweisen.

Rub-out Test

Vermeiden des Ausschwimmens in Pigmentmischungen mit Netz- und Dispergieradditiven (der ausgeriebene Bereich ist jeweils unten)

Elektrische Ladungen auf der Pigmentoberfläche sind in nicht-wässrigen Systemen in der Regel so schwach, dass sie keinen wesentlichen Beitrag zur Stabilisierung der Pigmente gegen Flockulation leisten können. Ungleichnamige Ladungen der Pigmente können allerdings negative Auswirkungen auf die Stabilität von Pigmentmischungen und damit das Ausschwimmverhalten haben. Die Ladung, die ein Pigment trägt, hängt sowohl vom Pigment, als auch von der Bindemittellösung ab: ein Pigment, angerieben in verschiedenen Bindemitteln, kann ganz unterschiedliche Ladungen aufweisen. Verschiedene Pigmente, im gleichen Bindemittel angerieben, können sich ebenfalls in der Ladung unterscheiden. Es ist eindeutig, dass es verstärkt zur Flockulation kommen kann, wenn in einem Lack Pigmente mit unterschiedlicher Ladung vorliegen.

Für die Praxis bedeutsam ist die Tatsache, dass sich die Pigmentladung auch durch das verwendete Dispergieradditiv beeinflussen lässt: einige polymere Additive sind in der Lage, unterschiedlich geladene Pigmentteilchen in ihrer elektrischen Ladung anzugleichen. Dadurch ergibt sich ein zusätzlicher stabilisierender Effekt: das polymere Additiv gleicht nicht nur die Beweglichkeiten der unterschiedlichen Pigmente einander an und bewirkt sterische Stabilisierung, sondern stellt außerdem noch sicher, dass alle Pigmentteilchen die gleiche Ladung tragen und damit Instabilitäten durch Ladungsunterschiede vermieden werden.