Die Objekte der Welt erscheinen dem Menschen farbig, seien es Lichtquellen wie Sonne oder Feuer, seien es beleuchtete Körper wie Früchte oder frisches Laub. Die Höhlengemälde der Altsteinzeit sind frühe Zeugnisse absichtsvoller Gestaltung dieser Umwelt; verwendet wurden natürliche Farbmittel wie Rötel, Ocker und Kohle (Spektrum der Wissenschaft, August 1982, Seite 52). Man hat sie vermutlich mit Wasser angerührt, also wie viele moderne Farben in einem Medium fein verteilt beziehungsweise dispergiert. Nicht gelöste Farbmittel bezeichnet man als Pigmente (nach lateinisch pigmentum für Malerfarbe); sind die Substanzen dagegen in dem Anwendungsmedium – auch Beschichtungstoff genannt – gelöst, spricht man von Farbstoffen. Letztere benötigt man insbesondere für textile Anwendungen und in durchsichtigen Materialien wie Kunststoffen, Gläsern und Tinten.

Pigmente werden vor allem für Lacke und Druckfarben sowie zum Einfärben von Kunststoffen, kosmetischen Produkten, Keramik und Baustoffen verwendet (Bild 1); insbesondere die ersten beiden Anwendungen erfordern ganz bestimmte Teilchengrößen.

Anorganische Pigmente, aufgrund ihrer Herkunft auch Mineralfarben genannt, decken meist sehr gut und sind recht beständig gegen die Einwirkung von Licht, Hitze und Lösemitteln. Allerdings erreicht man mit ihnen nicht immer intensive Farben und reine Farbtöne. Organische Farbteilchen hingegen decken schwächer und geben in Kunststoffen opake oder lasierende Effekte. Ihre Licht-, Hitze- und Lösemittelbeständigkeit variiert sehr stark, doch sind sie meist sehr farbstark und rein im Ton.


Farbmaßzahlen

Farbigkeit ist vor allem ein Sinneseindruck, der auf der Wahrnehmung des von einem beobachteten Objekt ausgesandten oder reflekierten sichtbaren Lichts beruht, also des Bereichs elektromagnetischer Strahlung mit Wellenlängen zwischen knapp 400 und gut 700 Nanometern (millionstel Millimetern), für den die Zapfen genannten Photorezeptoren unserer Netzhaut empfindlich sind.

Licht von knapp oberhalb 450 Nanometer Wellenlänge bezeichnet man als Blau, um 550 Nanometer als Grün und um 650 Nanometer als Rot. Für jeden dieser drei Spektralbereiche ist ein Typ von Zapfen besonders empfindlich (Bild 2). Alle drei Grundfarben gemischt ergeben deshalb den Eindruck weißen Lichts, während Gelb bei Additon von Grün und Rot entsteht – bei Farbfernsehern und Computermonitoren durch enge Nachbarschaft grüner und roter Punkte realisiert. Auch Farben, die nicht im Regenbogenspektrum enthalten sind, setzt das Auge additiv zusammen, etwa Purpurtöne aus Blau und Rot.

Allerdings unterscheidet sich das Farbempfinden individuell und je nach Beleuchtung und Blickwinkel. Deshalb hat man bei einer Vielzahl von Menschen Rot-, Grün- und Blau- (RGB) Empfindlichkeiten gemessen und anhand der gemittelten Werte einen Normalbeobachter definiert. Die Commission Internationale de l'Éclairage (CIE) hat daraus die für die Farbmessung maßgebenden spektralen Empfindlichkeitskurven abgeleitet, die in nationalen und internationalen Normen Eingang fanden.

Ein dementsprechendes Dreibereichs-Meßgerät, das mit Filtern für Rot, Grün und Blau arbeitet, liefert drei Normfarbwerte. Damit ist die gemessene Farbe unter standardisierten Meßbedingungen exakt beschrieben. Allerdings kann man keine Aussagen darüber machen, wie sie bei anderer Beleuchtung aussähe, ob also beispielsweise eine neu lackierte Autotür bei Tageslicht ebensogut zur übrigen Karosserie paßt wie bei Kunstlicht. Für derartige Fragestellungen mißt man gemäß einem Standard unter beiden Beleuchtungen an mindestens 16 Positionen des sichtbaren Spektrums im gleichen Wellenlängenabstand und berechnet jeweils die Normfarbwerte. Identische Wirkung haben nur Stoffe mit gleichem Reflexionsverhalten beziehungsweise gleichen Reflexionskurven im sichtbaren Spektralbereich, und vorgegebene Farben sind deshalb kaum exakt nachzumachen. Ob Unterschiede zwischen Objekten oder einem Objekt bei verschiedener Beleuchtung wahrnehmbar sind, ob sie toleriert oder reklamiert werden, läßt sich anhand der gemessenen Normfarbwerte entscheiden.

Absorption, Reflexion und Streuung

Pigmente und Farbstoffe, seien sie von Menschen ersonnen oder Teil des Farbenspiels in der Natur, verändern das Spektrum des von ihnen reflektierten Lichts, indem sie vor allem Anteile daraus absorbieren. Während Selbstleuchter additiv Farben mischen, sie also durch Überlagern geeigneter Lichtwellen erzeugen, entsteht der Farbeindruck beleuchteter Körper subtraktiv: Ein gelbes Pigment reflektiert die Farbe Gelb stark, während es Blau verschluckt, ein blaues verhält sich umgekehrt. Werden beide kombiniert, stellt sich ein spektrales Maximum bei etwa 550 Nanometern ein, was der Farbe Grün entspricht (Bild 3).

Bei pigmentierten Beschichtungen bestimmt zudem die Streuung des Lichts an Partikeln den Eindruck, denn diese Änderung der Ausbreitungsrichtung hängt von der Wellenlänge ab. Sind die Teilchen sehr viel kleiner als der Abstand zwischen zwei Wellenbergen, ergeben sich Streuintensitäten umgekehrt proportional zur vierten Potenz der Wellenlänge. Diese von dem britischen Physiker John William Strutt Rayleigh (1842 bis 1919, Physik-Nobelpreis 1904) untersuchte Streuung ist beispielsweise für das Himmelsblau und für das Sonnengelb verantwortlich: Blau wird an den Luftmolekülen wesentlich stärker gestreut und damit mehr über das Firmament verteilt als Gelb und Rot. Partikel mit Abmessungen im Größenbereich der Wellenlänge und darüber streuen, wie der deutsche Physiker Gustav Adolf Ludwig Mie (1868 bis 1957) berechnete, Strahlung weniger wellenlängenabhängig und zudem bevorzugt in Vorwärtsrichtung.

Um Ensembles von Pigmentteilchen bezüglich Streuung und Absorption zu optimieren beziehungsweise eine spezielle Farbcharakteristik einzustellen, muß man deshalb zuerst ihre Wechselwirkung mit elektromagnetischen Wellen bestimmen. Dazu wird ein einzelnes Partikel als ein durch Lichteinfall stimulierter Hertzscher Multipol angesehen, als ein Oszillator also, der elektromagnetische Wellen in mehreren Raumrichtungen abstrahlt. Diese Emission wird von zahlreichen Parametern wie Größe und Gestalt des Teilchens, Absorptionskoeffizient, Brechzahl und Anregungswellenlänge der elektromagnetischen Strahlung bestimmt. Anschließend sucht man aus den Lösungen für Einzelteilchen die des Ensembles numerisch zu berechnen, wobei ihre variierenden Größen und Formen berücksichtigt werden. Derartige Kalkulationen sind allerdings äußerst problematisch: Brechzahl und Absorptionskoeffizient der Pulverteilchen zu bestimmen erweist sich als schwierig und fehlerbehaftet, definierte Größenverteilungen und Partikelformen sowie vollständige Dispergierung sind im Produktionsprozeß schwer separat einzustellen. Trotzdem helfen solche Berechnungen, Farbeffekte zu optimieren und den Aufwand für Neuentwicklungen zu reduzieren.

Spezielle Pigmente

Hohes Streuvermögen bei gleichzeitig geringer Absorption im gesamten sichtbaren Wellenlängenbereich zeichnen die Weißpigmente aus. Hervorragende Vertreter sind Titandioxid (TiO2) in den Modifikationen Rutil und Anatas (Brechungsindex 2,8 beziehungsweise 2,55; optimales Streuvermögen in üblichen Bindemitteln bei 0,19 beziehungsweise 0,24 Mikrometer Teilchengröße) und Zinksulfid (Brechungsindex 2,37; optimales Streuvermögen in üblichen Bindemitteln bei 0,29 Mikrometer Teilchengröße). Hohe Absorption bei meist geringem Streuvermögen haben dagegen Schwarzpigmente wie Ruß, Eisenoxidschwarz und Spinellschwarz. Die Buntpigmente streuen und absorbieren wellenlängenabhängig und ergeben so unterschiedlichste Farbabstufungen, die sich anhand ihres Reflexionsspektrums charakterisieren lassen.

Ordnet man metallische plättchenförmige Teilchen – zumeist bestehen sie aus Aluminium oder Goldbronze – parallel zur Beschichtungsoberfläche an, erhält man spiegelnden Glanz; denn Licht wird je nach Einfallswinkel gerichtet reflektiert, nicht ungerichtet gestreut (Bild 4). Plättchenförmige Partikel aus Glimmer oder Siliciumdioxid haben irisierende Farben wie Perlmutt, wenn sie dünn mit Titandioxid oder Eisenoxid beschichtet sind. Das Licht wird bei solchen Perlglanzpigmenten einfach wie auch mehrfach zwischen den Teilchen gerichtet reflektiert und zudem durch Interferenz an den Beschichtungen spektral modifiziert (siehe den Beitrag über Perlglanzpigmente). Auch Farbflops, also vom Beo-bachtungswinkel abhängige Farben, und hohe Brillanz sind mit solchen Schichtaufbauten zu erreichen.

Kombinationen aus Metallic- oder Perlglanzpigmenten mit extrem feinen TiO2-Teilchen von 8 bis 50 Nanometern Durchmesser, die aufgrund ihrer Größe transparent sind und sich mit der Mie-Theorie schon nicht mehr beschreiben lassen, ergeben weitere Farbeffekte.


Wechselwirkungen mit Teilchen und Matrix

Pigmentpartikel haben aufgrund ihrer geringen Abmessungen eine große Oberfläche im Verhältnis zu ihrem Volumen. Dadurch vermögen sie intensiv mit dem einbettenden Medium, mitunter auch bevorzugt mit einzelnen Komponenten davon, und auch mit anderen Teilchen zu interagieren.

Deshalb können Zusammenballungen entstehen und die Eigenschaften der Farbe beeinträchtigen. Die Tendenz zur Bildung dieser Agglomerate sowie deren Anzahl und Stabilität hängen von der chemischen Zusammensetzung und der Struktur der Pigmentoberflächen, von ihrer elektrostatischen Aufladung, von der herrschenden Temperatur und der Zusammensetzung des Mediums sowie von weiteren Faktoren ab. Aus diesem Grund sucht man vor allem durch gezielte Modifizierung der Oberflächen die Pigment-Pigment-Wechselwirkung zu beeinflussen. Dazu werden sie beispielsweise mit anorganischen Oxiden wie Al2O3, SiO2 und ZrO2 oder organischen Substanzen wie mehrwertigen Alkoholen belegt – das stabilisiert die Ausgangspartikel und unterdrückt damit auch die Agglomeration.

Werden Pigmentpulver mit bereits verklumpten Teilchen verwendet, muß man sie meist mit speziellen Maschinen wieder in Primärpartikel zerteilen und homogen im Medium dispergieren (Bild 5). Je nach Stabilität der Agglomerate und Medium erfordert das nicht nur viel Zeit, sondern macht auch einen beachtlichen Anteil am Gesamtenergieverbrauch bei der Herstellung pigmentierter Produkte aus. Moderne Herstellungsverfahren von Lacken nutzen deshalb häufig Vorprodukte wie Pasten, in denen die Farbteilchen noch weitgehend als Primärpartikel vorliegen. Dazu werden bereits mit anorganischen oder organischen Verbindungen belegte Pigmente zusätzlich mit Matrixharzen, Netz- und Dispergiermitteln sowie weiteren Funktionsadditiven abgemischt; solche Pasten sind recht stabil und lassen sich universell verwenden. Das Einarbeiten in das Medium erfordert dann nur einfaches Rühren und Homogenisieren mit entsprechend reduziertem Zeit- und Energieaufwand. Pasten können zudem staubfrei transportiert und dosiert werden; die Materialverluste sind geringer, und man hat größere Flexibilität beim Sortimentwechsel.

Wechselwirkungen mit den Molekülen des Bindemittels und anderen Komponenten des Mediums können gleichfalls stören. In ungünstigen Fällen fällt das Farbmittel in Flockenform aus, etwa wenn Makromoleküle gleichzeitig auf mehreren Pigmentpartikeln adsorbiert werden. Nach der Theorie der Wissenschaftler Derjaguin, Landau, Verwey und Overbeck konkurrieren stets anziehende und abstoßende Kräfte. Um der Flokulation vorzubeugen, muß man letztere stärken. Bei der elektrostatischen Stabilisierung werden die Partikeloberflächen deshalb mit einer hohen gleichnamigen elektrischen Ladung belegt. Das läßt sich mit dem pH-Wert des Mediums – also der Konzentration an Wasserstoff-Ionen darin –, durch Variation von Menge und Art der Ionen im Medium oder mittels polymerer Elektrolyten erreichen, die sich der Pigmentoberfläche anlagern.

Eine weitere Möglichkeit, die gegenseitige Annäherung der Partikel zu behindern, ist, die Teilchen mit einer Hülle aus Makromolekülen zu versehen. Deren Ketten reichen weit in die Umgebung hinein und durchdringen sich bei Annäherung zweier Teilchen, was den Vorgang behindert (sterische Stabilisierung). Insbesondere bei wäßrigen Me-dien werden häufig beide Verfahren gleichzeitig als elektrosterische Stabilisierung eingesetzt. Daneben gibt es weitere Methoden, deren Wirkungsweise aber noch nicht in allen Fällen zu verstehen ist; beispielsweise läßt sich auch mit ultrafeinen und sich auf der Pigmentoberfläche anlagernden Bariumsulfat- beziehungsweise Silica-Partikeln mit Durchmessern von 10 bis 50 Nanometern die Flockung behindern.

Auch die Matrix muß einige Anforderungen erfüllen, etwa gute Haftung auf dem Untergrund und dauerhaftes Umschließen der Farbpartikel, ungeachtet der Einflüsse von Wind und Wetter. Zudem soll sie möglichst optisch inert sein, also Licht weder umlenken noch absorbieren, und in diesen Eigenschaften stabil bleiben. Auch Temperatur, Feuchtigkeit, chemische Zusammensetzung der Umgebung sowie Lichteinwirkung spielen eine Rolle.

In jüngerer Zeit wurden der Einfluß der ultravioletten (UV-) Strahlung auf Pigmente und seine Folgen für die Polymermatrix verstärkt erforscht. Besonders eingehend hat man das TiO2-Pigment untersucht, bei dem zwei Effekte miteinander konkurrieren: Indem es ultraviolettes Licht absorbiert, schützt es einerseits das Medium und den Untergrund, andererseits fördert es katalytisch die Bildung freier Radikale, die ihrerseits die chemischen Bindungen der Matrix angreifen. Durch Überziehen der Farbpartikel mit UV-inerten Stoffen wie SiO2, Al2O3 oder ZrO2 läßt sich die Radikalbildung weitgehend unterbinden. Erhöhte Temperatur und Feuchtigkeit begünstigen dagegen die katalytische Aktivität des Pigments. Dem Verblassen organischer Pigmente unter UV-Strahlung, genannt Photo-fading, versucht man durch Einsatz von UV-Absorbern und Radikalfängern zu begegnen.


Korrosionsschutz

Bei manchen Pigmenten steht nicht die Farbgebung im Vordergrund, sondern das Vermögen, Korrosion zu unterbinden. Ihre Wirksamkeit bedingen verschiedene Faktoren wie pH-abhängige Löslichkeit in Wasser, Partikelgröße, Kompatibilität mit der Beschichtungsmatrix, vor allem aber das Vermögen, elektrochemische Korrosionsreaktionen zu bremsen.

Nach den Wirkungsmechanismen dieser Behinderung lassen sich elektrochemisch aktive und als Barrieren wirkende Pigmente unterscheiden. Bei ersteren werden die löslichen Anteile mit Wasser zum zu schützenden Untergrund transportiert. Dort verhindern sie Korrosion durch Bilden chemisch adsorbierter Monoschichten (bei starker Pigment-Substrat-Wechselwirkung) oder durch Bilden mehrlagiger, physikalisch mit dem Substrat verbundener Schichten (bei schwächerer Wechselwirkung). Häufig wird das Metall dabei passiviert, das heißt sein elektrochemisches Potential zu den positiven Werten von Edelmetallen hin verschoben. Eine Variante aktiver Pigmente – ein Beispiel ist Zinkstaub – arbeitet nach dem Prinzip der kathodischen Polarisation des Substrats: Das elektrochemische Potential des Metalls wird so stark negativ, daß keine Oxida-tion mehr möglich ist.

Als Barrieren wirkende Pigmente verlangsamen oder unterbinden hingegen den Transport korrosiver Stoffe, also etwa von Wasser, Sauerstoff, Chlor- und Sulfat-Ionen; plättchenförmige Farbteilchen wie Eisenglimmer verlängern beispielsweise deren Wege zwischen Beschichtungsoberfläche und Untergrund. Zudem können die Korrosion fördernde Ionen gegen sie behindernde ausgetauscht oder in Komplexen gebunden werden.

Den größten Marktanteil haben anorganische salz- und oxidartige Korrosionsschutzpigmente. Hier sind in den letzten Jahren die relativ toxischen blei-haltigen (wie die altbekannte Mennige) sowie Zink- und Strontiumchromate durch gesundheitlich unbedenkliche und effiziente Phosphate, Triphosphate, Polyphosphate, Borate, Silicate und Molybdate ersetzt worden, die sowohl in konventionellen lösemittelhaltigen als auch in wäßrigen Grundierungen eingesetzt werden.


Pigment und Umwelt

In der Vergangenheit standen Produktverbesserungen und vor allem kostengünstigere Herstellungsverfahren im Vordergrund der Entwicklung. Umweltbelastung und Gesundheitsverträglichkeit insbesondere von Pigmenten galten unter anderem aufgrund der geringen Löslichkeit der Teilchen zunächst als wenig problematisch. Durch intensive Forschung auf diesen Gebieten, nicht zuletzt auch gefördert durch ein verstärktes Umweltbewußtsein und eine kritische Verbraucherhaltung, hat sich dies grundlegend geändert. Inzwischen werden umfangreiche Sicherheitsaspekte bei Herstellung und Anwendung von Pigmenten berücksichtigt, und es existieren weitreichende Umweltschutzauflagen.

Eine Gefährdung entsteht hauptsächlich dann, wenn sich toxische Farbkomponenten in atmosphärischen Verunreinigungen wie saurem Regen oder bei direktem Körperkontakt in Fett, Schweiß und Speichel lösen können. Deshalb setzt man bestimmte schwermetallhaltige Pigmente trotz guter anwendungstechnischer Eigenschaften nicht mehr ein. So wird Bleichromat, früher ein wichtiges Basispigment für gelbe Farbtöne in Automobil- und Industriebeschichtungen – man denke an das charakteristische Gelb der Post –, trotz brillanter und starker Farbe sowie gutem Deckvermögen immer weniger verwendet, da es mit den Elementen Blei und Chrom zwei gesundheitsgefährdende Bestandteile enthält. Insbesondere für sensible Anwendungen etwa bei Kinderspielzeug oder Farbkomponenten im Lebensmittel- und Kosmetikbereich gelten strenge Vorschriften.

Der Mensch hat die Farbmittel entdeckt und weiterentwickelt, um seine Lebenswelt gemäß seinem ästhetischen Empfinden zu gestalten. Dabei gilt es, die natürliche Umwelt zu schonen und zu erhalten. Diese Herausforderung bestimmt auch künftig die Forschung und Entwicklung im Bereich der Farbstoffe und Pigmente.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 10 / 1997, Seite 94
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