Das Deagglomerieren von Pigmenten und Füllstoffen zählt zu den zeit-, energie- und kostenintensivsten Vorgängen in der Lackherstellung. Dispergier- und Netzmittel beschleunigen diesen Prozess, stabilisieren die Verteilung der Feststoffe und beeinflussen maßgeblich Farbstärke, Deckvermögen und Glanz. Ohne solche Additive lässt sich eine optimale Dispergierung bei den heutigen Anforderungen kaum noch realisieren. Die richtigen Wirkmechanismen zu verstehen, ist für Produktmanager in der Bauchemie und Formulierer von Fassadenputz-Systemen zentral.
Warum Pigmente ohne Additive verklumpen
Pigmente und Füllstoffe liegen in Lieferform üblicherweise nicht als Primärkorn vor, sondern in agglomerierter oder aggregierter Form. Aggregate sind dabei nicht mechanisch zu zerteilen, während Agglomerate durch Dispergierenergie in Primärkörner aufgebrochen werden können. Ziel des Dispergierprozesses ist es, diese Agglomerate möglichst vollständig in Primärkörner zu zerteilen und das Ergebnis zu stabilisieren. Ohne stabilisierende Additive besitzen die Pigmente das Bestreben, wieder zu agglomerieren – ein energieärmerer Zustand, der optische und mechanische Eigenschaften der Beschichtung verschlechtert.
Drei Schritte zur stabilen Dispersion
Der Dispergierprozess gliedert sich in drei Schritte, die teils hintereinander, teils nebeneinander ablaufen:
- Benetzung: Flüssigkeiten mit niedriger Oberflächenspannung benetzen die Pigmentoberfläche besser. Dispergierhilfsmittel reduzieren die Oberflächenspannung und verdrängen die in den Kapillaren enthaltene Luft, um die Oberfläche vollständig zu benetzen.
- Zerteilung: Durch Zugabe von Dispergierenergie mittels mechanischer Dispergiergeräte wie Dissolver oder Perlmühle werden Pigmentagglomerate aufgebrochen. Dispergieradditive unterstützen die Deagglomeration, indem sie Wechselwirkungen zwischen den Pigmentteilchen reduzieren. Dadurch wird weniger Energie benötigt, und der Dispergierprozess beschleunigt sich.
- Stabilisierung: Das erzielte Dispergierergebnis muss stabilisiert werden, da Pigmente das Bestreben besitzen, wieder zu agglomerieren. In der Literatur werden prinzipiell zwei unterschiedliche Mechanismen beschrieben: elektrostatische und sterische Stabilisierung.
Elektrostatische versus sterische Stabilisierung
Dispergiermittel absorbieren auf der Oberfläche der Pigmente und erfüllen eine Abstandhalterfunktion – ein Konzept, das als sterische Hinderung bekannt ist. In wässrigen Lacken dominiert üblicherweise die elektrostatische Abstoßung als wichtigster Stabilisierungsfaktor. Durch die Dissoziation der adsorbierten Dispergieradditivmoleküle in am Pigment verankertem Anion und frei beweglichem Kation entsteht eine frei bewegliche Doppelschicht um die Pigmentteilchen. Die gleich geladenen Pigmentteilchen stoßen sich bei Annäherung ab und werden so stabil in der Dispersion gehalten. Dieses Verhalten lässt sich über die DLVO-Theorie, benannt nach Derjagin, Landau, Verwey und Overbeek, beschreiben.
Sterische Stabilisierung wird vor allem durch polymere Additive mit pigmentaffinen Gruppen erreicht. Diese Polymere lagern sich auf der Pigmentoberfläche an und bilden eine räumliche Barriere, die Wiederagglomeration verhindert. Chemisch-technische Produkte wie amphotere Dispergieradditive bieten dabei universale Verträglichkeit: Sowohl organische als auch anorganische Pigmente oder Füllstoffe lassen sich ohne großen Aufwand in wässrigen oder lösemittelhaltigen Systemen dispergieren und stabilisieren.
Dosierung und Einarbeitung: Wann wirken Additive optimal?
Die richtige Dosierung ist für die Wirkung von großer Bedeutung. Da die Additive die Pigmentoberfläche komplett belegen sollen, wird die erforderliche Menge durch die zur Verfügung stehende Pigmentoberfläche bestimmt. Bei klassischen Netz- und Dispergieradditiven auf Basis niedermolekularer Polymere liegen gängige Dosierungen bei anorganischen Pigmenten zwischen 0,5 und 2 Prozent, bei organischen Pigmenten zwischen 1 und 5 Prozent (Additiv in Lieferform berechnet auf Pigment). Typische Additivdosierungen der polymeren Netz- und Dispergieradditive liegen bei 1 bis 10 Prozent für anorganische Pigmente und 10 bis 30 Prozent für organische Pigmente. Bei sehr feinteiligen Pigmenten, etwa einigen Rußen, können für hochwertige Formulierungen auch Dosierungen bis zu 80 oder 100 Prozent erforderlich sein.
Entscheidend ist die Einarbeitung: Additive müssen unbedingt in das Mahlgut gegeben und mit angerieben werden. Nur so können sie ihre Wirksamkeit voll entfalten. Wenn in Ausnahmefällen – etwa zur Chargenkorrektur – eine nachträgliche Zugabe notwendig wird, muss die Einarbeitung mit möglichst hohen Scherkräften erfolgen; am besten sollte der Ansatz noch einmal über das Dispergieraggregat laufen. Trotzdem sind auf diese Weise eingearbeitete Netz- und Dispergieradditive weniger wirksam und erfordern höhere Dosierungen.
Amphotere Dispergieradditive: universale Verträglichkeit auf Basis nachwachsender Rohstoffe
Amphotere Dispergieradditive sorgen für ein breites Einsatzspektrum und sparen Zeit und Geld. Aufgrund der breiten Verträglichkeit und der leichten Einarbeitung können diese Additive als Postadditiv verwendet werden, um beispielsweise Verträglichkeitsprobleme nachträglich zu korrigieren. Sie basieren auf nachwachsenden Rohstoffen, sind zum Teil VOC-frei und leisten somit einen Beitrag zu umweltfreundlichen Lackformulierungen. Als Prüfkriterium für eine optimale Dosierung dienen Glanz- und Haze-Werte der Beschichtungen sowie das ΔE beim Rub-out Test.
Regelwerk und Anwendungsfelder
Dispergier- und Netzmittel finden in Farben und Lacken, Druckfarben, Bauchemie-Systemen sowie Klebstoffen und Dichtstoffen Anwendung. Für Planer und Baustoffhändler ist das Verständnis der Wirkprinzipien relevant, wenn es um die Spezifikation von Fassadenputzen, Abdichtungs-Systemen oder Trockenmörtel-Rezepturen geht. Eine ungenügende Dispergierung verändert nicht nur optische, sondern auch mechanische Eigenschaften der Beschichtung. Damit ein Maximum an Farbstärke, Deckvermögen und Glanz erreicht wird, sollten Pigmente und Füllstoffe möglichst zu geringer Teilchengröße – idealerweise zum Primärkorn – vermahlen werden.
