6 Anwendung von Füllstoffen

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1 Bedeutung von Füllstoffen in Farben und Lacken Anwendung von Füllstoffen Dieses Kapitel soll dem Anwender von mineralischen Füllstoffen Hilfestellung bei der Formulierung von Beschichtungssystemen bieten. Die aufgeführten Beispiele vermitteln einen Eindruck über direkt mit Füllstoffen beeinflussbare Rezepturparameter, ihre Bedeutung und Interpretation. Darüber hinaus soll dem Anwender aufgezeigt werden, welche Füllstoffe für welche Eigenschaften und Anwendungen die beste Eignung aufweisen. Zahlreiche Modell- und Praxisbeispiele komplettieren die Ausführungen zur Anwendung von Füllstoffen. 6.1 Bedeutung von Füllstoffen in Farben und Lacken In der Vergangenheit wurden Füllstoffe umgangssprachlich häufig als Dividendenpulver bezeichnet. Ihre einzige Funktion bestand darin, den Preis von Beschichtungsstoffen zu senken. Doch die Zeiten haben sich gewandelt. Die Anwender von Füllstoffen haben zusätzliche, technische Funktionen entdeckt. Sicherlich auch deshalb, weil die Füllstoffentwicklung entgegen vielen Unkenrufen nicht stehen geblieben ist. Nach wie vor werden zahlreiche Projekte in Forschung und Entwicklung vorangetrieben, mit dem Ziel, noch mehr oder verbesserte Funktionen auf Füllstoffe zu addieren, siehe auch Kapitel 7. Doch bereits die bestehenden, bewährten Füllstoffe haben eine bedeutende Rolle bei der Formulierung von Farben und Lacken. Einige wichtige technische Eigenschaften können mit Füllstoffen maßgeblich beeinflusst werden: Erhöhung des Feststoffgehalts und Füllvermögens Reduzierung von flüchtigen organischen Bestandteilen Verbesserung der optischen Eigenschaften Regulierung der Reflexion von Beschichtungen Verbesserung von mechanischen Eigenschaften wie Festigkeit Verstärkung von Beschichtungsstoffen Regulierung der Rheologie Je nach Applikation und Eigenschaftsprofil fällt die richtige Füllstoffwahl nicht immer einfach. Deshalb wird vielfach auf bewährtes zurückgegriffen. Der Prü- Detlef Gysau: Füllstoffe Copyright 2014 by Vincentz Network, Hanover, Germany ISBN

2 156 Anwendung von Füllstoffen fung und Evaluierung von Füllstoffen wird leider nicht immer die gleiche Aufmerksamkeit entgegen gebracht, wie dies bei anderen Rohstoffgruppen der Fall ist. Häufig wird argumentiert, dass Füllstoffe, mit Ausnahme von Wasser, die günstigste Rohstoffgruppe in den Rezepturen darstellen und sich eine intensive und seriöse Prüfung nicht lohne. Deshalb wird oft Bindemitteln, Pigmenten und Additiven die höhere Priorität gewidmet, obwohl Füllstoffe häufig die am dominantesten Rohstoffgruppe in Formulierungen, z. B. Innendispersionsfarben, Fassadenfarben, Putze und andere Dickschichtsysteme, Markierungsfarben, Grundierungen u.a.m. darstellt, siehe auch Kapitel 1.2. Die Füllstoffanteile liegen häufig bei 30 bis 40 % und können in einigen Anwendungen bis zu 80 % erreichen. Demzufolge können sie auch dominante, nicht zu unterschätzende Auswirkungen auf das Gesamteigenschaftsprofil der Beschichtungsstoffe haben. Die Qualität von natürlichen Füllstoffen hat mittlerweile ein Niveau erreicht, die den Anwender häufig vergessen lässt, dass es sich dabei um Naturprodukte handelt. Naturprodukte unterliegen bekanntlich Schwankungen bezüglich ihrer Zusammensetzung und können somit Auswirkungen auf die Eigenschaften von Beschichtungsstoffen haben. Die Füllstoffproduzenten sind sich dessen bewusst und versuchen die Schwankungen durch selektive Abbauverfahren auf ein Minimum zu reduzieren. Doch Schwankungen völlig auszuschließen wäre realitätsfremd, deshalb sei an dieser Stelle einfach nur einmal daran erinnert Füllstoffe auf natürlicher Basis unterliegen Schwankungen. 6.2 Wichtige Rezepturparameter Bei der Verwendung von Füllstoffen gibt es spezielle Rezepturparameter, die für die Charakterisierung der Beschichtungsstoffe wichtig sind. Mit ihnen wird eine Klassierung der Beschichtungsstoffe möglich, und das zu erwartende Eigenschaftsprofil lässt sich vorhersagen Nichtflüchtige Anteile Der Begriff nichtflüchtiger Anteil (nfa) wird häufig auch als Festkörper (FK), Feststoffgehalt (FG) oder Einbrennrückstand beschrieben. Die Definition des nichtflüchtigen Anteils von Anstrichstoffen, wie auch von Bindemitteln und anderen Rohstoffen, ist in ISO 4618 und dessen Bestimmung in ISO 3252 dokumentiert. Die analytische Bestimmung des nichtflüchtigen Anteils wird angewendet, wenn die Zusammensetzung des Materials unbekannt oder aus Qualitätssicherungsgründen von produzierten Materialien notwendig ist. Wichtig für die Resultatsangabe des nichtflüchtigen Anteils sind die Temperatur und die Trocknungsdauer. Üblicherweise wird die Bestimmung bei 105 C für 2 h durchgeführt. Die Einwaage des zu bestimmenden Materials wird durch die Masse der Rückwägung nach der Trocknung dividiert und mit 100 multipliziert, siehe Gleichung 6.1.

3 Wichtige Rezepturparameter 157 Gleichung 6.1: Berechnung des nicht flüchtigen Anteils mit praktisch bestimmten Werten Rückwaage nfa = 100% Einwaage Wenn die Zusammensetzung des Materials bekannt ist, beispielsweise von einer Laborrezeptur für Versuche, dann kann der nichtflüchtige Anteil ohne vorherige Bestimmung komplett berechnet werden. Voraussetzung ist die Kenntnis über alle nfa der in der Rezeptur eingesetzten Rohstoffe. In Abbildung 6.1 ist ein Berechnungsbeispiel einer vereinfachten Modellrezeptur dargestellt. Anhand der nfa der verwendeten Substanzen und deren Gewichtsanteil in der Rezeptur, können die nfa der Bestandteile in der Rezeptur und kumuliert die nfa der Rezeptur berechnet werden. Die nichtflüchtigen Anteile der Modellrezeptur betragen 57,6 %, wovon mehr als zwei Drittel, genau genommen 41 %, durch die enthaltenen Füllstoffe gebildet werden. Füllstoffe beeinflussen maßgeblich den nichtflüchtigen Anteil von Anstrichstoffen und geben ihnen Fülle bzw. Füllkörper. Füllstoffe mit niedrigem Bindemittelbedarf ermöglichen die Reduzierung der flüchtigen Anteile beim Austausch von Füllstoffen mit hoher Ölzahl. Dadurch lässt sich der Füllstoff- und Feststoffgehalt erhöhen, ohne die Viskosität zu verändern. Aus ökologischen Gründen wäre ein sehr hoher nicht flüchtiger Anteil erstrebenswert, doch die Verarbeitungs- und Gebrauchseigenschaften setzen die Limite nach oben. Funktion Substanz nfa der Substanz [%] Gewicht [kg] nfa in Rezeptur [%] Bindemittel Styrol-Acrylat-Dispersion ,0 8,0 Pigment Titandioxid ,0 8,0 Füllstoffe Calciumcarbonat ,0 30,0 Talkum ,0 8,0 Gefälltes Aluminiumsilikat ,0 3,0 Additive Verdicker, Entschäumer, Dispergier- und Netzmittel, Konservierungsmittel, etc ,0 0,6 Lösemittel Wasser 0 332,0 0,0 Summe 1.000,0 57,6 Abbildung 6.1: Beispiel für die Berechnung der nicht flüchtigen Anteile eines Dispersionsfarben-Modells

4 158 Anwendung von Füllstoffen Ergiebigkeit Unter der Ergiebigkeit nach ISO 4618, Teil 1 versteht man die durchschnittliche Fläche eines Substrates, die sich mit einem bestimmten Volumen oder Masse eines Anstrichstoffes abdecken lässt. Das Auftragsverfahren muss unter praktischen Bedingungen in einer Schicht anwendbar sein. Das Resultat der Ergiebigkeit wird entweder in m²/l oder in m²/kg angegeben. Die Ergiebigkeit wird häufig im Zusammenhang mit dem Deckvermögen des Anstrichstoffes betrachtet. So ist beispielsweise in der EN die Klassifizierung von Anstrichstoffen nach optischen und mechanischen Eigenschaften beschrieben. In der Praxis wird das Deckvermögen als Kontrastverhältnis bei unterschiedlich applizierter Filmschichtdicke bestimmt und nach der Trocknung das Flächengewicht ermittelt. Unter Einbezug von nichtflüchtigem Anteil und Dichte des Anstrichstoffes, kann dann auf die Ergiebigkeit umgerechnet werden. Somit kann die Ergiebigkeit gegen das Kontrastverhältnis aufgetragen werden und im Beispiel von Abbildung 6.2 durch Interpolation das Kontrastverhältnis von verschiedenen Farben bei einer Ergiebigkeit von 7,5 m²/l miteinander verglichen werden [1]. Der Füllstoffgehalt in pigmentierten Anstrichstoffen kann die Ergiebigkeit deutlich beeinflussen. Mit höherem Füllstoffgehalt, nimmt der Feststoffgehalt und in der Regel auch automatisch die Ergiebigkeit zu. Ein niedriger Füllstoffgehalt 100 Klasse 1 99 Kontrastverhältnis [%] Klasse 2 Klasse 3 Klasse 4 Anstrichstoff 1 Anstrichstoff 2 Anstrichstoff Ergiebigkeit [m²/l] Abbildung 6.2: Beispiel für den Zusammenhang von Ergiebigkeit und Kontrastverhältnis

5 Wichtige Rezepturparameter 159 führt bei pigmentierten Systemen zu geringerer Ergiebigkeit. Diese Feststellungen gelten allerdings nur bei vergleichbarem Pigmentgehalt. Eine Änderung der Pigmentierungshöhe hat auch eine veränderte Ergiebigkeit zur Folge. Genauso stellen sich Veränderungen in der Ergiebigkeit ausgedrückt als Fläche per Volumen ein, wenn Füllstoffe mit anderer Dichte verwendet werden. Füllstoffe mit hoher Dichte führen zu einer Reduzierung der Volumen-Ergiebigkeit gegenüber leichten Füllstoffen und damit zu einem höheren Verbrauch Pigment-Volumen-Konzentration Die Kennzahl der Pigment-Volumen-Konzentration (PVK) ist eine der wichtigsten Angaben für Farben und Lacke. Mit der PVK und einigen anderen Kennzahlen lassen sich sehr viele Zusammenhänge zwischen der Zusammensetzung von Anstrichsystemen und ihren Eigenschaften vorhersagen. Sie eignet sich ebenso gut zur Charakterisierung bzw. Klassierung von Farben und Lacken. Die PVK ist gemäß ISO 4618, Teil 1 das Verhältnis des Pigment- und Füllstoff-Volumens im Anstrichfilm zum Gesamtvolumen an nichtflüchtigen Anteilen. Das heißt auch, dass das Bindemittel in seiner festen Form und nicht in seiner Lieferform berücksichtigt wird. In Gleichung 6.2 ist die Definition der PVK in mathematischer Form ausgedrückt. Gleichung 6.2: Definition der Pigment-Volumen-Konzentration (PVK) V Pigmente + V Füllstoffe V Pigmente + V Füllstoffe PVK % = 100 = 100 V Pigmente + V Füllstoffe + V Bindemittel V Gesamt Zur Veranschaulichung der Theorie folgt ein Beispiel zur Berechnung der PVK, basierend auf den Angaben in Abbildung 6.1. Für die Berechnung der PVK werden die einzelnen Rohstoffbestandteile und ihre eingesetzten Massen, nichtflüchtiger Anteil und Dichte benötigt. Die Umrechnung des Massenanteils eines Rohstoffes in sein Volumen geschieht durch Division der Masse mit der Dichte, siehe Gleichung 6.3. Gleichung 6.3: Gleichung zur Umrechnung des Massenanteils eines Rohstoffes in seinen Volumenanteil ρ kg l = m v V [l] = m ρ Das Beispiel in Abbildung 6.3 zeigt für alle aufgeführten Rohstoffe die Angaben wie nfa des Rohstoffs, Masseanteil des Rohstoffs in Lieferform, Masseanteil des Rohstoffs als nfa und Dichte. In der letzten Spalte ist das berechnete Volumen des jeweiligen Rohstoffs ausgewiesen.

6 160 Anwendung von Füllstoffen Substanz nfa der Substanz [%] Gewicht [kg] nfa in Gewicht [kg] Dichte [kg/l] Volumen [l] Styrol-Acrylat-Dispersion ,0 80,0 1,05 76,2 Titandioxid ,0 80,0 4,00 20,0 Calciumcarbonat ,0 300,0 2,70 111,1 Talkum ,0 80,0 2,75 29,1 Gefälltes Aluminiumsilikat ,0 30,0 2,10 14,3 Verdicker, Entschäumer, Dispergier- und Netzmittel, Konservierungsmittel, etc ,0 6,0 wird vernachlässigt Wasser 0 332,0 0,0 1,00 0,0 Summe 1.000,0 57,6 250,7 Abbildung 6.3: Beispiel für die Berechnung des Volumens der einzelnen Rohstoffe eines Dispersionsfarben-Modells Nach der Berechnung der Volumenanteile der Rohstoffe kann die Berechnung der PVK in Gleichung 6.4 erfolgen. Die eingesetzten Volumina führen zur PVK von 69,6 %. Gleichung 6.4: Berechnung der PVK einer Modell-Dispersionsfarbe anhand der aus Abbildung 6.3 gelieferten Daten (20, ,5) [l] PVK = (20, ,5 + 76,2) [l] 174,5 [l] 100 % = 100 % = 69,6 % 250,7 [l] Die Angabe der PVK ist, wie schon erwähnt, sehr wichtig, doch für eine sehr aussagekräftige Interpretation sind noch ergänzende Kennzahlen, wie zum Beispiel die kritische Pigment-Volumen-Konzentration (KPVK), wichtig [2]. Wird die PVK und KPVK in Relation gebracht, können qualitative Aussagen zu Beschichtungsstoffen und ihren Eigenschaften getätigt werden, siehe auch Kapitel bis Die PVK wird, wie in Gleichung 6.2 und dem aufgeführten Beispiel ersichtlich, zu großem Anteil durch die verwendeten Füllstoffe und Füllstoffmengen beeinflusst. Die Auswirkungen bei einem Wechsel des mineralischen Füllstoffes in Beschichtungsstoffen können bei Nichtbeachtung seiner Dichte erheblich sein, siehe Kapitel Kritische Pigment-Volumen-Konzentration Analog zur PVK ist die kritische Pigment-Volumen-Konzentration (KPVK) im Teil 1 der ISO 4618 aufgeführt. Die KPVK ist als ein bestimmter Wert der PVK definiert, bei welchem die Hohlräume zwischen sich berührenden Feststoffpartikeln,