Pigmente

Unter Pigment (lat. pigmentum, „Farbe“, „Schminke“) versteht man anorganische oder organische, bunte oder unbunte Farbmittel, die im Gegensatz zu den Farbstoffen im Anwendungsmedium (praktisch) unlöslich sind.

Das Mineral Türkis

Das Mineralpigment Ultramarin

Mennige

Grundlagen

Pigmente entstehen typischerweise in Form der Primärteilchen. Die Primärteilchen können über ihre Flächen zu Aggregaten zusammenwachsen. Von Agglomeraten spricht man, wenn Primärteilchen und/oder Aggregate über ihre Ecken/Kanten verbunden sind. Durch den Dispergierprozess (Dispergierung) beim Einarbeiten der Pigmente in ein Anwendungsmedium werden die Pigment-Agglomerate zerkleinert – es entstehen kleinere Agglomerate, Aggregate oder auch Primärteilchen – und – in der Regel, so vorhanden - durch ein Dispergiermedium benetzt. Dabei werden sie idealerweise statistisch über das Anwendungsmedium verteilt.

Maßgeblich für die Eigenschaften der Pigmente sind daher neben der chemischen Struktur für sich genommen insbesondere auch Festkörpereigenschaften, wie die Kristallstruktur, die Kristallmodifikation, die Teilchengröße und die Teilchengrößenverteilung, also die spezifische Oberfläche. Der Farbreiz selbst entsteht durch Absorption und Remission (Streuung und/oder Reflexion) bestimmter Frequenzanteile des sichtbaren Lichts.

Speziell spricht man von Pigmenten:

1. In der Biologie als Farbträger so gut wie aller pflanzlichen oder tierischen Zellen und Oberflächenbildungen wie Haaren oder Federn. Ein Pigmentmangel führt bei Tieren und Menschen zum Albinismus.
2. Hinsichtlich ihrer technischen Verwendung:

• in Lacken und Anstrichfarben (Autolacke, Gebäudeanstriche, Putze etc.)
• in Druckfarben (im Drei- oder Vierfarbendruck auf Papier)
• als Streichpigment (Weißpigmente) und Füllstoff bei der Herstellung und Veredelung von Papier
• bei der Einfärbung von Kunststoffen
• in Künstlerfarben und Buntstiften
• beim Drucken auf Textilien
• in Spezialanwendungen wie Kosmetika, Kerzen, etc.

Anwendungsformen

Je nach Anwendung werden Pigmente als Reinsubstanz oder Stoffgemenge eingesetzt.

In fester Form kann das Pigment pur eingesetzt werden (Primärpigment), als festes Gemisch zweier oder mehrerer Pigmente oder auch als Gemisch mit einem oder mehreren Füllstoffen. Durch die Mischung mit Füllstoffen wird die Farbstärke reduziert, wodurch geringe Einsatzmengen besser dosiert werden können. Diese Möglichkeit findet z.B. bei Pulverlacken Verwendung. Durch räumliche Nähe wirken primäre Pigmente intensiver (Simultankontrast).

Bei flüssigen Lacken werden häufig Pigmentpräparationen eingesetzt, die entweder Bindemittel enthalten können oder bindemittelfrei sind. Diese Pigmentpräparationen sind prinzipiell ähnlich formuliert wie der Lack selbst, enthalten also Pigment, Additive, Lösemittel oder Wasser und je nach Formulierung Bindemittel. Der Vorteil von Pigmentpräparationen ist die unkomplizierte und exakte Einarbeitung, da das Pigment bereits dispergiert und standardisiert vorliegt und somit Lack und Pigmentpräparation nur noch gemischt werden müssen. Nachteilig kann sich die Additivierung auswirken, da die Pigmentpräparation unter Umständen nicht mehr mit allen Lacksystemen kompatibel ist. Aus diesem Grund ist die Verträglichkeit die wichtigste anwendungstechnische Eigenschaft von Pigmentpräparationen. Verbunden mit mehreren (meist 12 - 20) Pigmentpräparationen, einer automatischen Dosieranlage und einer Rezeptiersoftware, spricht man von einem Tönsystem (engl.: Tinting system). Diese Methode findet z.B. bei Bautenfarben Verwendung. Pigmentpräparationen können ebenfalls als Mischung mit anderen Pigmenten oder Füllstoffen vorliegen.

Eine dritte, vor allem in der Kunststoffindustrie weit verbreitete, Möglichkeit besteht in der Verwendung von festen Pigmentpräparationen, sogenannten Masterbatches. Dabei werden die Pigmente bei erhöhter Verarbeitungstemperatur in eine Bindemittelmatrix einextrudiert oder geknetet. Nach dem Abkühlen werden die nun wieder festen Masterbatch meist granuliert, so dass sie bei der Einarbeitung in den Kunststoff exaktere und reproduzierbarere Farbtöne erzeugen. Auch Masterbatches können je nach gewünschtem Effekt mehrere Pigmente oder Füllstoffe enthalten.

Nomenklatur

Pigmente werden üblicherweise mit Trivialnamen, Handelsnamen oder Bezeichnungen aus dem Colour Index (C.I. Generic Name) benannt, da systematische Nomenklaturen gemäß IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) oder nach CAS (Chemical Abstracts Service) zu unhandlichen Namen führen.

Beispiel

• Trivialname: Brilliantgelb
• Handelsnamen: Aureolin, Benzimidazolon-Gelb
• Geschützter Handelsname: Hostaperm (TM) Yellow H4G
• C.I. Generic Name: C.I. Pigment Yellow 151
• CAS index name: Benzoic acid, 2-[[1-[[(2,3-dihydro-2-oxo-1H-benzimidazol-5-yl)amino]carbonyl]-2-oxopropyl]azo]-

Einteilung nach Eigenschaften

Pigmente mit gemeinsamen Eigenschaften werden zu Gruppen zusammengefasst, die je nach Einsatzzweck zu unterschiedlichen Gliederungen führt. Die DIN 55943 teilt Farbmittel folgendermaßen ein:

• Weißpigmente
• Buntpigmente
• Schwarzpigmente
• Glanzpigmente
• Leuchtpigmente

Siehe auch: Liste der Pigmente, nach Farbe geordnet

Anorganische Pigmente

Zinnober, mineralisch - ein Rohstoff für das zinnoberfarbene Rotpigment Quecksilbersulfid

Eisenoxidpigment

Bei den anorganischen Pigmenten unterscheidet man natürliche und künstliche Pigmente. Zur ersten Gruppe gehören Erden und Mineralien (Erdfarben, Mineralweiß), die zu ihrer Anwendung keiner oder nur einer mechanischen Aufbereitung (i.d.R. Trocknen und Mahlen)bedürfen. Zur zweiten Gruppe gehören anorganische Pigmente (Metallfarben, Kohlenstofffarben, Weißpigmente), d. h. Synthese-Produkte aus unterschiedlichen Herstellungsverfahren.

Die meisten anorganischen Pigmente zeichnen sich dadurch aus, dass sie mit dem Sauerstoff der Luft nicht chemisch reagieren, daher äußerst resistent gegen Alterung sind und ihre Farbe praktisch beliebig lange beibehalten, wobei diese jedoch durch die Alterung eines organischen Malmittels, wie etwa Öl, mit der Zeit beeinträchtigt werden kann. Zudem sind sie meist hitzebeständig, sodass z. B. bei der Porzellanmalerei nur anorganische Pigmente zum Einsatz kommen können – organische Pigmente würden beim Brennen zerstört. Anorganische Pigmente weisen gegenüber den organischen eine geringere Vielfalt auf. Darüber hinaus sind sie häufig gesundheitlich bedenklich, soweit es sich um Schwermetallverbindungen handelt (v. a. Chrom-, Blei- und Cadmiumpigmente).

Nicht in jeden Fall lässt sich am Material feststellen, ob es natürlicher oder künstlicher Herkunft ist. Das gilt beispielsweise für bestimmte eisenoxidhaltige Farbschichten der prähistorischen Malerei. Das darin nachweisbare rote Pigment könnte aus natürlichem Vorkommen stammen oder gezielt aus gelbem Ocker am Lagerfeuer erzeugt worden sein. Ähnliche Schwierigkeiten ergeben sich im Falle von Zinnober. Der Name des Pigments Zinnober (Quecksilbersulfid) sagt nichts darüber aus, ob es natürlichen Ursprungs ist oder hergestellt wurde. Hinzu kommt, dass der Name Zinnober im Altertum auch ein Synonym für rot war oder gleichbedeutend für Minium (Mennige, Blei(II)/(IV)-Oxid) steht. Deshalb entbehrt eine in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts verbreitete Untergliederung der anorganischen Pigmente in natürliche und künstliche der allgemeinen Gültigkeit.

Wegen ihrer industriellen Bedeutung und Verbreitung nehmen die Weißpigmente eine Sonderstellung ein. Alleine in der Papierindustrie werden in Europa weit über 10 Millionen tonnen pro Jahr verwendet, wobei die Weißminerale (Calciumcarbonat) mit Abstand den größten Anteil haben.

Organische Pigmente

Änderung der Struktur und der Farbe des Hämoglobins durch die Aufnahme von Sauerstoff (Oxygenation) bzw. die Abgabe von Sauerstoff (Desoxygenation). (Komplexbildungsreaktion)

Formel einer Azo-Verbindung - Grundstruktur der Azofarbstoffe

Das Molekül des Farbstoffes Indigo im Kalottenmodell

Organische Pigmente kommen in der Natur vor („Tier-“ oder „Pflanzenfarben“) und lassen sich teilweise mit einfachen Mitteln produzieren, z. B. das Rebschwarz. Manche haben ihre Bedeutung verloren, wie das einst aus dem Urin von Kühen hergestellte Indischgelb. Auch das Hämoglobin (der Farbstoff des Blutes) zählt zu den Pigmenten. Durch Aufnahme und Abgabe von molekularem Sauerstoff ändert sich die Farbe des Eisen-Hämoglobin-Komplexes (von rot bis rotviolett) sowie dessen Struktur bei gleichbleibender Oxidationszahl des Eisenatoms im Häm von +2 (vgl. Abbildung und unter Komplexchemie, Reduktion und Oxidation). Durch Oxidation der sog. Leukoform (Leukoindigo, Indigweiss) mit (Luft)sauerstoff kann Indigo von einer löslichen, farblosen bzw. hellgelben in eine farbige pigmentäre Form umgewandelt werden.

Die Gruppe der synthetischen organischen Pigmente kann nach ihrem chemischen Aufbau in die Gruppe der Azopigmente und der "Nichtazopigmente" oder "Polycyclischen Pigmente" eingeteilt werden. Die große Anzahl und die einfache Verfügbarkeit der Azopigmente ist hierbei die Klassifizierungsgrundlage.

• Wichtige Azopigment-Klassen sind die beta-Naphthol-Pigmente, die Naphthol AS-Pigmente, die Pyrazolon-Pigmente, die N-Acetessigsäureanilid-Pigmente, die Azometallkomplex-Pigmente und die Diaryl-Gelb-Pigmente.
• Wichtige Polycyclische Pigmentklassen sind die Chinacridon-Pigmente, die Diketopyrrolo-pyrrol-Pigmente, die Dioxazin-Pigmente, die Perylen-Pigmente, die Isoindolinon-Pigmente und die Kupfer-Phthalocyanin-Pigmente.

Kommerziell erhältliche synthetische organische Pigmente sind die Permanentgelbs oder Heliogenblaus (Sortimentsbezeichnungen / registrierte Marken von Clariant und BASF). Im Handel erhältliche Pigmente dieser Art sind in der Regel chemisch und / oder physikalisch nachbehandelt, um bestimmte anwendungstechnische Eigenschaften zu erzielen oder diese zu bewahren und um die Weiterverarbeitung zu erleichtern.

Unlösliche Farbstoffe finden auch in der Textilfärberrei Anwendung: Von Farblacken spricht man dann, wenn lösliche Farbstoffe als (Färbemittel) auf der Faser durch Umsetzung mit Metallsalzen oder auch mit Tannin fixiert werden.

Nicht zu den Pigmenten zählen Säure-Base-Indikatoren: Es sind Farbstoffe, deren Farbe sich mit dem pH-Wert der Lösung ändert: Sie zeigen bei Zugabe von Säuren oder Basen einen Farbumschlag (siehe unter Indikator (Chemie) und Titration). Substratfarben bestehen aus einer farbtongebenden Komponente und einem mehr oder weniger farblosen Pigment, dem Substrat. Beide Komponenten werden in einem Umwandlungsprozess wasser- und bindemittelunlöslich aneinander gebunden. In der Antike und im Mittelalter wurden meist Pflanzenfarbstoffe (Färberpflanze) auf ein weißes Substrat wie Kreide oder Bleiweiß aufgezogen; dabei wurden Beizstoffe wie Alaun und Soda zugesetzt, die die Verbindung zwischen Farbstoff und Substrat verbesserten und fixierten.

Hinsichtlich der Toxikologie von organischen Pigmenten kann man zusammenfassend sagen, dass diese Pigmente für sich genommen aufgrund ihrer schweren Löslichkeit physiologisch gesehen als praktisch inert gelten, d. h. gesundheitliche Bedenken ergeben sich vornehmlich aus ihrem Staubcharakter (Feinstaub). Organische Pigmente gelten als biologisch praktisch nicht abbaubar. Da Pigmente im Zwischen- oder Endprodukt allerdings unter Verwendung von Dispergiermitteln, Bindemitteln, Lösemitteln und/oder dergleichen eingesetzt werden, ist gegebenenfalls die toxikologische Wirkung dieser Stoffe zu berücksichtigen. Des Weiteren toxikologisch nicht unbedenklich sind mitunter auch die Abbauprodukte von Pigmenten. Abbauprodukte von Pigmenten können z.B. auftreten, wenn Farbpigmente, die beim Tätowieren in die Haut eingebracht wurden, durch Bestrahlen mit Laserlicht zerstört werden, um eine Tätowierung wieder zu entfernen. Bei der Spaltung des als Tätowierungspigments eingesetzten Pigment Red 22 (PR 22) durch Laserlicht entsteht unter anderem das giftige und krebseregende 2-Methyl-5-nitroanilin.

Effektpigmente

Wirkweise eines Effekt-Pigmentes mit mehrfarbigem Perlmuttglanz

Metalleffektpigmente

Messing und Aluminium sind mit Abstand die wichtigsten Pigmente zur Erzeugung eines Metall-Effektes. Farben erhalten durch Messing-Partikel einen goldenen Anschein, während Aluminium einen silbrigen erzeugt.

Der optische Eindruck ist winkelabhängig, d.h. in der Draufsicht (nahezu lotrecht) sieht man das heller erscheinende Metalleffektpigment, während man unter einem flachen Winkel den meist dunkel eingestellten Basisfarbton sieht (Flip-Flop-Effekt). Die Erscheinung des Pigmentes wird im Wesentlichen von der Teilchengröße und der Regelmäßigkeit der Teilchenform bestimmt. Grobe Partikel erzeugen dabei einen glitzernden Eindruck (Sparkle). Die Eigenschaft das die Effekte auftreten bezeichnet man als „spratzig“. Feinteilige Partikel erzeugen einen sanfteren Flip-Flop-Effekt. Zur Erzielung des gewünschten Effekts werden oft beide Typen zugleich verwendet. Um einen Metalleffekt zu erreichen und den Flip-Flop zu erreichen, müssen die Pigmentteilchen blättchenförmig sein. Aluminiumblättchen in einer pigmentgeeigneten Partikelgröße ergeben Silberglanz, bei nahezu kugeligen Teilchen gleicher Teilchengröße erhält man lediglich eine graue Oberfläche, die in der Farbtiefe mit der Korngröße in Beziehung steht.

Da unbehandelte Aluminiumpigmente insbesondere in wässrigen Systemen und unter Bewitterungseinfluss nur mäßig stabil sind, wurden oberflächenbehandelte Marken entwickelt, die diesen Nachteil ausgleichen.

Perlglanzpigmente

Sie bestehen aus plättchenförmigen Trägersubstraten, meist natürlicher Glimmer oder sehr dünnen Glasplättchen, die in speziellen Prozessen mit einer oder mehreren äußerst dünnen und sehr gleichmäßigen Oxidschichten Beschichtet werden. Die Schichten können beispielsweise aus Siliciumdioxid, Titandioxid, Eisen(III)-oxid oder Zirkoniumdioxid bestehen. Als Beschichtungsverfahren werden im wesentlichen Sol-Gel-, CVD oder PVD-Verfahren eingesetzt. Die erzeugten Schichtstärken liegen dabei im Bereich von ca. 100 nm. Durch die geschickte Wahl des Beschichtungparameter, wobei v. a. die Brechzahl, Schichtstärke und Schichtfolge wichtig sind, können durch den Effekt der Interferenz nahezu beliebige Farben und Farbtöne realisiert werden. Man spricht daher auch von Interferenzpigmenten. Beim Herstellungsverfahren ist die präzise Kontrolle der Beschichtungsstärke (auf ca. ± 3 nm) und deren Homogenität entscheidend. Unter bestimmten Bedingungen können auch blickwinkelabhängige Farben ("Farb-Flop") erzeugt werden. D. h. je nach Betrachtungswinkel des mit dem Interferenzpigment beschichteten Gegenstandes, nimmt der Betrachter einen anderen Farbton war.

Die Perlglanzpigmente sind gesundheitlich bedenkenlos. Sie sind von der FDA zum Einfärben von Lebensmitteln zugelassen.

Leuchtpigmente

Leuchtpigmente für Leuchtfarben lassen sich in Fluoreszenzpigmente für Tagesleuchtfarben („Neonfarben“) und Phosphoreszierende Stoffe für Nachleuchtfarben (Luminova-Pigmente) unterscheiden. Radioaktive Leuchtmittel sind keine Pigmente, sondern Stoffgemische.

Geschichte

Belege für die Verwendung von Erdfarben reichen bis weit in die Prähistorie zurück. In der Fels- und Höhlenmalerei sind Erdfarben nachgewiesen. Es ist davon auszugehen, dass sie seit der Frühzeit der Menschheit auch der Körperbemalung dienten. Ockergelbe, weiße und rostrote bis braune Farbtonabstufungen sind als natürliche Vorkommen häufiger anzutreffen. Seltener kommen grünliche Erden vor, ebenso rar sind als Pigment geeignete schwarze Mineralien. Dennoch konnte der prähistorischen Maler seine Farbpalette leicht mit schwarzer Holz- oder Knochenkohle erweitern.

Solche aus dem Lagerfeuer hervorgehenden Produkte können bereits den künstlichen Farbstoffen zugeordnet werden. Das gilt auch für ziegelrot gebrannten Ocker. Er und ebenso Holzkohle können allerdings auch durch natürliche Feuer entstehen. Unter solchen Umständen hat die in maltechnischer Tradition stehende schematische Gruppierung in natürliche und künstliche Pigmente unter geschichtlichen Aspekten wenig Sinn. Die Geschichte der Herstellung und Verwendung von Pigmenten ist deshalb im einzelnen zu betrachten. Erschwerend ist dabei die Bestimmung der Pigmente anhand überlieferter Namen.

Das erste industriell hergestellte anorganische Pigment war Berliner Blau im Jahr 1704. Das erste organische Pigment, Pararot, heute C.I. Pigment Red 1, ein Azopigment der β-Naphthol-Gruppe folgte im Jahr 1885. Kupferphthalocyanin und Chinacridon folgten 1935 bzw. 1955. Die zuletzt entdeckte chemische Gruppe, die nennenswerte Marktanteile gewinnen konnte, war Diketo-Pyrrolo-Pyrrol, entdeckt im Jahre 1986.

Heute werden Pigmente in vielen Branchen eingesetzt: Farben, Lacke, Druckfarben und Kunststoffe, aber auch Kosmetik, Papier, Baumaterialien, Keramik und Glas. In der Textilindustrie werden lösliche Farbstoffe (Dyes) zunehmend durch Pigmente ersetzt. Im Jahr 2006 erreichte der weltweite Markt für anorganische, organische und Spezialpigmente ein Volumen von rund 7,4 Millionen Tonnen. Damit wurde ein Umsatz von rund 17,6 Milliarden US-Dollar (ca. 13 Milliarden Euro) erzielt.

Siehe auch

• Melanin, Hämoglobin, Chlorophyll, Flavonoide, Carotinoide, Glasläufer, Colour Index, Hautaufhellung

Normen und Standards

• EN 971-1:1996 Allgemeine Begriffe für Beschichtungsstoffe
• EN ISO 4618-2:1999 Spezielle Begriffe für Merkmale und Eigenschaften von Beschichtungsstoffen
• DIN 55943:2001-10 Begriffe für Farbmittel
• DIN 55944:1990-04 Einteilung von Farbmitteln

Literatur

• G. Buxbaum, G. Pfaff (Hrsg.): Industrial Inorganic Pigments, 3. Auflage, Wiley-VCH, Weinheim 2005
• DIN Deutsches Institut für Normung e.V. (Hrsg.): DIN-Taschenbuch 157: Farbmittel 2. Pigmente, Füllstoffe, Farbstoffe. Beuth Verlag GmbH, Berlin/Wien/Zürich, 3. Aufl. 1997
• W. Herbst, K. Hunger: Industrial Organic Pigments – Production, Properties, Applications. 3. Auflage, Wiley-VCH, Weinheim 2004
• H. Smith (Hrsg.): High Performance Pigments. Wiley-VCH, Weinheim 2002
• Kurt Wehlte: Werkstoffe und Techniken der Malerei, Otto Maier Verlag, Ravensburg 1967, ISBN 3-473-48359-1
• Gerhard Pfaff: Perlglanzpigmente, Chemie in unserer Zeit, VCH Verlagsgesellschaft mbH, Januar 1997

Weblinks

• Volkert Emrath: Differenzierung von Farbmitteln
• Thomas Seilnacht: Lexikon der Pigmente und Farbstoffe
• Bruce MacEvoy: Paints. How watercolor paints are made. In: Handprint. Watercolors. (englisch)
• Kremer Pigmente GmbH & Co. KG: Viele Informationen zu historischen Pigmenten und deren Verwendung
• Eberhard Prinz: Informationen zu Pflanzenpigmenten