P3 7-8/2021 de

Lanxess

Anorganische Pigmente für die Einfärbung von Spezialpapieren

Special Paper

Wenn in der Papierindustrie von einem Pigmenteinsatz gesprochen wird, so ist meist die Rede von Extendern wie z.B. Kreide oder Kaolin. Praktisch unlösliche anorganische Farbmittel gemäß DIN 55943 werden nur in Spezialpapieren eingesetzt, wo es z.B. auf sehr gute Trocken- und Nassopazität ankommt. In Abhängigkeit von der fertigen Papiersorte werden neben weiteren Rohstoffen und Additiven die anorganischen Pigmente direkt in der Stoffaufbereitung (Massefärbung) eingesetzt und auf speziellen Papiermaschinen zu Dekorpapieren weiterverarbeitet. Am Ende werden daraus Dekorschichtpressstoffe oder Dekorfilme, die anschließend, auf Spanplatte verpresst, hauptsächlich in der Möbelindustrie Verwendung finden.

Pigmente – die optischen Eigenschaften machen den Unterschied

Bei Farbmitteln wie anorganischen Pigmenten sind verständlicherweise die optischen Eigenschaften – Farbgebung, Farbstärke, Deckvermögen – von besonderer Bedeutung. Der Farbgebung gilt zunächst die größte Aufmerksamkeit, weil sie über die Qualifikation eines Pigments zur Verwirklichung oder zur Farbvorstellung einer Farbvorlage entscheidet. Sie ist das Ergebnis des Gegenspiels von Lichtabsorption (K) und Lichtstreuvermögen (S). Das Verhältnis der beiden Größen bestimmt die sichtbare Reflexion.

Über die Farbmessung kann die Farbe eines Pigments bestimmt werden – entweder wird sie durch Farbmaßzahlen charakterisiert oder in einem Farbsystem dargestellt. Der CIELAB-Farbraum wird beschrieben durch L*, a* und b*.

Es bedeuten:

L* = die Hell-Dunkel-Achse
a* = die Rot-Grün-Achse
b* = die Gelb-Blau-Achse

Je weiter der Farbort eines Pigmentes vom Unbuntpunkt – das heißt von der Sinnesempfindung „keine Farbe“ wie Weiß, Grau oder Schwarz entfernt ist – desto brillanter oder gesättigter ist die Farbe eines Pigments. L* ist die Helligkeitsachse, auf der alle neutralen Grautöne von Weiß bis Schwarz liegen. Ein ideales Schwarz weist den Helligkeitswert L*=0 auf, ein ideales Weiß den Wert L*=100.

Jeweils rechtwinklig zur Helligkeitsachse und zueinander werden die a*- und b*-Achsen aufgetragen. Man spricht daher auch von der a*-b*-Ebene, die im rechten Winkel zur Helligkeitsachse aufgespannt wird. So entsteht eine dreidimensionale Darstellung aller sichtbaren Farben.

Farbgebung auf andere Stoffe: die Farbstärke

Die Farbstärke gibt Auskunft darüber, inwieweit das Pigment aufgrund seines Absorptionsvermögens farbgebend auf andere Stoffe wie beispielsweise Papier wirkt. Die relative Farbstärke eines Buntpigments in Weißaufhellungen wird im Vergleich zu einem ähnlichen Pigment bestimmt. Die relative Farbstärke ist ein Austauschverhältnis und gestattet deshalb Aussagen über die Wirtschaftlichkeit eines Buntpigments bei Berücksichtigung des Preises.

Kontrast über schwarz-weißem Untergrund: das Deckvermögen

Neben der Farbstärke eines Buntpigments ist das Deckvermögen – die so genannte Opazität – eine weitere wichtige Kenngröße eines Pigments. Durch das hohe Absorptionsverhalten beim Einsatz von Bayferrox-Pigmenten wird das Deckvermögen bzw. Nassopazität der Papiere deutlich erhöht. In der Papierindustrie wird die Opazität als Kontrastverhältnis über einem schwarz-weißen Untergrund bestimmt.

Dispergierbarkeit

Damit das bei der Produktion durch die Teilchengröße festgelegte optische Leistungsvermögen eines anorganischen Pigmentes beim Einfärben eines Papiers auch zum Tragen kommt, muss das Pigment möglichst zu Primärteilchen zerteilt werden und diese in der Pulpe gleichmäßig dispergiert werden. So wird auch eine deutliche Steigerung der Opazität erreicht. Gute Ergebnisse und eine sehr effiziente Dosierung ermöglicht der Einsatz von wässrigen Pigmentsuspensionen (Slurries).

Migrationsbeständigkeit

Anorganische Pigmente sind in Wasser absolut unlöslich und deshalb völlig migrationsbeständig. Daher sind Probleme durch Ausbluten, Ausblühen oder mangelnde Lösemittelbeständigkeit, so wie sie für organische Pigmente bekannt sind, bei der Einfärbung mit anorganischen Pigmenten ausgeschlossen. Auch Farbortänderungen durch teilweise Lösung des Pigmentes bei höheren Verarbeitungstemperaturen treten mit anorganischen Pigmenten nicht auf.

Aufgrund der praktischen Unlöslichkeit in Wasser erfolgt eine Abtrennung bei jedem effektiven Filtrations- oder Sedimentationsvorgang. Die nicht kennzeichnungspflichtigen Pigmente werden daher in die Wassergefährdungsklasse „nwg“ – nicht wassergefährdend – eingestuft.

Bayferrox® – für ausgezeichnete Lichtechtheit im Dekorpapier

Der größte Anteil der anorganischen Pigmente für die Papierindustrie wird für die Einfärbung von Dekorpapieren verwendet. Die Pigmente werden direkt für die Masseeinfärbung eingesetzt. Die Dekorpapiere werden zu Dekorschichtpressstoffen oder Dekorfilmen weiterverarbeitet und anschließend auf Spanplatte verpresst – sie finden in erster Linie Verwendung in der Möbelindustrie und in Fußböden.

Die Pigmentierungshöhe bunter Papiere, die beispielsweise mit Bayferrox® pigmentiert sind, liegt – berechnet auf der Grundlage trockenen Papiers – bei ca. 10 und 20 % Pigment.

Groß ist die Nachfrage nach farbigen Schichtpressstoffen – insbesondere nach Holzimitaten, deren Dekorpapier im Grundton gelbbraun beziehungsweise rotbraun ist und einen anschließenden Holzmaserdruck erhält. Hier sind vor allem Bayferrox®-Pigmente im Einsatz. Im Vergleich zu organischen Pigmenten ergeben anorganische Pigmente in Dekorpapieren ausgezeichnete Lichtechtheiten – hier sind sie den organischen Pigmenten überlegen. Das gleiche gilt für die Opazität.

Eisenoxidpigmente sind von der Menge her die führenden anorganischen Buntpigmente. Sie umfassen die Farbtöne Gelb, Rot, Braun und Schwarz. Die Eisenoxidgelbpigmente sind Eisen(III)-oxidhydroxide und weisen eine nadelförmigeTeilchenform auf. Die Eisenoxidrotpigmente sind Eisen(III)-oxide und die Eisenoxidschwarzpigmente Eisen(II,III)-oxide, beide mit kugelförmiger Teilchenform.

Die Eisenoxidbrauntypen sind Pigmentmischungen aus Eisenoxidrot, -schwarz und -gelb. In Papier – speziell in Dekorpapier – kommt eine breite Palette an Bayferrox®-Pigmenten zum Einsatz.

Herstellung von Eisenoxid-Pigmenten

Zur Herstellung von Eisenoxidpigmenten kommen im Wesentlichen drei Verfahren zum Einsatz:

Lauxverfahren

Nitrobenzol + Eisen -> Anilin + Eisenoxidschwarz (Fe3O4) oder Eisenoxidgelb (α-FeOOH)

Hier wird Nitrobenzol mit metallischem Eisen zu Anilin reduziert. Die Reaktion wird so gesteuert, dass ein farbstarkes Eisenoxidschwarz (Magnetit) gebildet wird. Dieses kann als solches direkt verwendet oder zu farbstarken α- Fe2O3-Rotpigmenten mittels Kalzinierung verglüht werden.

Die Zugabe von Aluminiumchlorid zur Reaktionsmischung liefert α-FeOOH-Gelbpigmente.

Fällverfahren

Eisensulfat + Natronlauge + Luft -> Eisenoxidgelb (α-FeOOH) oder Eisenoxidschwarz (Fe3O4)

Ausgehend von Eisen(II)-Salzlösungen sind über ein Luftoxidationsverfahren durch geeignete Wahl der Reaktionsbedingungen Gelb-, Schwarz- und Rotpigmente zugänglich. Größte Bedeutung hat die Herstellung von α-FeOOH-Gelbpigmenten. Erster Reaktionsschritt ist die Herstellung der für die Pigmenteigenschaften entscheidenden α-FeOOH-Keime. Diese sind sehr feinteilig. Um zu Pigmenten mit deckenden Eigenschaften zu gelangen, müssen die Keime im zweiten Reaktionsschritt bis zu der Kristallgröße und Form weiterwachsen, die dem gewünschten Farbton entspricht.

Pennimanverfahren

Bei diesem Verfahren wird Eisen im schwefelsauren Medium unter Einwirkung von Luftsauerstoff zu gelbem Eisenoxid (Bayferrox® Gelb 920) oxidiert. Eisensulfat dient hierbei als Katalysator. Damit qualitativ hochwertige Gelbpigmente entstehen, ist zudem die Anwesenheit von Gelbkeimen notwendig.

Eisen + Schwefelsäure + Wasser -> Eisensulfat + Luft -> Eisenoxidgelb (α-FeOOH)

Bayferrox-Produktpalette für die Papierindustrie

Die Bayferrox®-Rotpigmente (α-Fe2O3) der 100er-Reihe werden nach dem Laux-Verfahren mit anschließender Glühung hergestellt. Sie zeichnen sich durch hohe Verpresstemperaturstabilität aus.

Mit zunehmender Teilchengröße nimmt der Blaustich der Rottöne zu. Die roten Bayferrox-Typen zeigen ein negatives Zetapotential über alle pH-Werte im Prozess. Das ermöglicht eine stabile Färbung.

Ebenfalls nach dem Laux-Verfahren wird das Gelbpigment Bayferrox® 420 hergestellt. Es weist eine höhere Verpresstemperaturstabilität bis zu 20 Grad Celsius als herkömmliche Gelbpigmente auf, die nach dem Penniman- oder Fällverfahren hergestellt werden. Bei fast allen Gelbprodukten handelt es sich um Eisenoxidhydroxid der Phase α-FeOOH.

Eine Ausnahme mit hoher Farbgebung und Brillanz ist Bayferrox 943. Hierbei handelt es sich um γ-FeOOH, welches sich physikalisch von den übrigen 900er Typen unterscheidet. Es kann u.a. für die Farbnachstellung von Edelhölzern wie Palisander oder Mahagoni genutzt werden. Bei Braun-Typen handelt es sich um Mischungen aus Rot, Gelb und Schwarz, was die Einfärbung mit einer spezifizierten Qualität ermöglicht.

Bei den brillanteren 900er Typen kann in Gegenwart reduzierender Substanzen (Melaminformaldehydharze) je nach Presstemperatur und Verweilzeit, eine leichte Farbveränderung auftreten, welche aber reversibel sein kann. Daher sind Vorprüfungen unter Praxisbedingungen unerlässlich.

Eine Spezialität ist Colortherm® Yellow 5, ein Eisenoxid-Gelbpigment mit verbesserter Verpresstemperaturstabilität und Lichtechtechtheit. Es erhält die hohe Hitzestabilität durch eine anorganische Nachbehandlung. Das Produkt gehört zur Palette der High Performance Special Pigments, ist leicht zer- und verteilbar und erreicht schnell die Endfarbstärke. Es zeigt keine Migration und bringt eine hohe Licht- und Wetterbeständigkeit mit. Das Produkt gehört zur Palette der Colortherm®-Pigmente, die speziell für Anwendungsbereiche mit erhöhten Anforderungen entwickelt worden sind.

Schwarz-Typen der Reihe Bayferrox® von Lanxess lassen sich wie folgt charakterisieren: Bayferrox® 306 ist ein etabliertes blaustichiges Schwarz, die Typen Bayferrox® 318 M sowie 318 MB zeichnen sich durch eine höhere Farbstärke aus. Bayferrox® 360 ist ein innovatives blaustichiges Produkt, das mit hoher Farbstärke für Tieffärbungen und Nuancierungen für alle Anwendungen geeignet ist.

Anwendungsbeispiel Laminat

Laminat zeichnet sich durch zahlreiche Vorteile aus: Es ist pflegeleicht, sehr strapazierfähig und bestens für Allergiker geeignet. Laminatböden sind zudem fleckenunempfindlich und weitestgehend resistent gegen Chemikalien und Zigarettenglut. Dekorplatten oder Laminat gibt es in zahlreichen Farben und Designs, von uni über natürliche Holz- oder Steindekore bis hin zur futuristisch anmutenden Metalloptik. Sie bestehen aus Zellulosefaserbahnen (Papier), die mit wärmehärtenden Harzen imprägniert sind. Die Deckschicht ist mit Melaminharz imprägniert und hat dekorative Farben oder Druckdesigns inne. Mit von der Partie sind anorganische Pigmente des Spezialchemie-Konzerns Lanxess, die für eine lichtundurchlässige, farbstabile und lichtechte Einfärbung des Papiers sorgen.

Am meisten verbreitet ist der DPL-Laminatboden (direct pressed laminate). Er ist wie folgt aufgebaut:

  • Overlay – eine widerstandsfähige Spezialbeschichtung und strapazierfähige, pflegeleichte Oberfläche
  • Dekorpapier – Optik durch Dekor
  • HDF- oder MDF-Holzkern-Trägerplatte – das Kernstück des Laminatbodens
  • Gegenzugschicht – ein feuchtigkeitshemmender Gegenzug zur Formstabilisierung.

Diese vier Komponenten werden bei der Laminat-Herstellung unter Druck und Hitze direkt zu Ausgangsplatten verpresst und nach einer Auskühlphase der Profilierung zugeführt.

Im Gegensatz zu DPL werden bei HPL (high pressure laminate) mehrere Papierlagen unter Druck und Hitze mit dem Trägermaterial und dem Gegenzug verpresst.

Der Aufbau von HPL- Laminatböden sieht folgendermaßen aus:

  • Overlay
  • Dekorpapier
  • Natronkraftpapiere
  • HDF- oder MDF-Trägerplatte
  • Gegenzug

Im ersten Arbeitsschritt werden das schützende Overlay, das Dekorpapier und die Natronkraftpapiere extrem druckintensiv zu einer Lage verpresst. In dem zweiten Schritt wird die HPL-Lage auf die HDF- oder MDF-Holzfaserplatte verleimt. Ebenso wird ein Gegenzuglaminat erzeugt. Der Gegenzug aus hochwertigem Decklaminat wird auf die Rückseite des Elements gepresst und erhöht die Verzugsbeständigkeit.

Die Abbildung zeigt den typischen Aufbau eines HPL-Dekorschichtpressstoffes.

Den Farbort treffen – auch beim Dekorpapier

Der Farbort eines Pigmentes wird durch L*, a* und b* bestimmt. Der Farbpunkt kann jedoch bei der Pigmentherstellung nicht unendlich genau getroffen werden. Mehr oder weniger auffällige Farbunterschiede aufgrund einer Abweichung vom Farbort sind somit nicht auszuschließen.

Dieser Farbabstand ist durch ΔL*, Δa* und Δb* charakterisiert. Die Abweichung ist in unterschiedlichen Medien verschieden stark wahrnehmbar, so dass in manchen Anwendungen eine größere Abweichung vom Standard-Farbort toleriert werden kann. Anders beim Dekorpapier: Farbabweichungen treten im Dekorpapier viel deutlicher hervor. Aus diesem Grund werden in der Dekorpapier-Industrie von den Pigmenten engere Farbspezifikationsgrenzen verlangt.

Bayferrox®-Pigmente für die Papierindustrie sind daher mit dem Qualitätsprüfsiegel ausgewiesen. Die Farben im Laminat sind in ganz engen Grenzen spezifiziert. Diese hohe Qualität wird durch das Analysenzertifikat (CoA) ausgewiesen.

Durch die Auslieferung in rezyklierbaren Papiersäcken entfällt das staubige Aufreißen der Säcke.

Für besondere Anforderungen in der Lebensmittel-Industrie stehen Typen mit spezieller Z-Spezifikation (z.B. Bayferrox 920 Z) an, welche eine besondere Reinheit an Schwermetallen garantiert. Diese werden zum Beispiel für die Zigarettenmundstückpapiere eingesetzt.

Über Lanxess

Lanxess ist ein weltweit agierender Hersteller von anorganischen Pigmenten. Der Geschäftsbereich Inorganic Pigments bietet:

  • umfassendes Know-how der Papierherstellung
  • technische Kompetenz der Laminatprüfung
  • jahrzehntelange Erfahrung mit anorganischen Pigmenten
  • Hilfestellungen bei Lichtechtheitsprüfungen
  • Ausarbeitung von Verpresstemperaturstabilitäten
  • Hilfe bei der Erarbeitung von Farbrezepturen
  • Erfahrung bei Dosier- und Schüttguttechnik, Slurries
  • Spezifikationen mit Analysenzertifikat
  • Produktfreigabe über QC-Labor
  • Archivierung der Labordaten
  • Auftragsabwicklung über SCM in SAP
  • Zertifizierung nach DIN EN ISO 9001, 14001 (DQS)

 Inhalt