Technische Polymere schwarz färben Schwarz ist nicht gleich Schwarz

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Die schwarze Farbe von Kunststoffbauteilen ist auch heute noch häufig auf Ruß als Additiv zurückzuführen. Ruß ist zwar eines der ältesten Pigmente, doch ist er schwierig zu dispergieren, beeinflusst Schmelzetemperatur und Oberflächenglanz. Als Alternative bieten sich lösliche Farben an, wobei für Schwarz meist Nigrosin eingesetzt wird. Vorteilen wie leichterer Dispergierbarkeit und Erhöhung der Schmelzetemperatur stehen hier Nachteile bei der UV-Resistenz im Vergleich zu Ruß gegenüber.

Das Färben technischer Polymere ist ein komplexes Thema. Eine sehr triste Farbe hat jedoch besonders hohe technische und wirtschaftliche Verbreitung gefunden: Schwarz. Diese Farbe hat für technische Polymere besondere Wichtigkeit in der Automobilindustrie erlangt, da sie dort ihre ästhetischen, technischen und praktischen Vorteile ausspielen kann. Polyamid-Verbindungen sind für Anwendungen unter der Motorhaube weit verbreitet und die schwarzen Varianten dieses Werkstoffs sind ein gutes Beispiel dafür. Die Materialien sind nicht nur ästhetisch ansprechend, sondern können der anspruchsvollen technischen Umgebung leicht standhalten. Zudem erweisen sie sich – dank der Farbe – als überaus praxistauglich in diesem rauen Einsatzgebiet. Und genau diese Charaktereigenschaften der schwarzen Farbe werden nun auch in anderen Bereichen außerhalb der Automobilbranche erkannt. Ruß wurde höchstwahrscheinlich in verschiedenen Formen bereits als Pigment seit prähistorischen Zeiten verwendet.

Das älteste schwarze Farbpigment ist Ruß

Heute wird eine Vielzahl hochspezifischer und differenzierbarer Sorten angeboten, die sowohl beim Färben als auch bei der Leistungsverbesserung von Polymeren von unschätzbarem Wert sind. In vielen Kunststoff-Anwendungen und besonders für technische Polymere hat Ruß Vorteile als Farbzusatz: Er ist extrem widerstandsfähig gegenüber Farbveränderungen oder Verblassen – sogar unter extremen (Außen-)Bedingungen. Er schützt die Polymere vor den schädlichen Wirkungen der UV-Strahlung im Sonnenlicht. Die verfügbaren Handelssorten bieten eine große Auswahl an Schwarztönen – von überaus intensiven „Jet“-Produkten bis hin zu weniger intensiven Varianten, die sich auch für das Abdunkeln anderer Farbtöne eignen. Doch Ruß will als Additiv sorgsam ausgwählt und in eine Polymer-Verbindung eingebunden sein. In kristallinen Polymeren wie beispielsweise Polyamiden und einigen Polyestern, kann er Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften und auch auf das Materialverhalten im Spritzgießprozess nehmen. In solchen Fällen hat eine alternative Gruppe an Färbemitteln an Bedeutung gewonnen: lösliche Farben. Betrachtet man die spezifischen Nachteile von Ruß als Färbemittel, erklärt sich die zunehmende Bedeutung löslicher Farbadditive fast von selbst. Aufgrund der spezifischen Eigenschaften ist das Dispergieren von Rußpartikeln in einer Polymermatrix hinsichtlich der Auswirkungen auf die mechanischen Eigenschaften fast immer schwierig. Dies ist sogar der Fall, wenn stark aufgelöste Ruß-Konzentrate oder Farbgranulate verwendet werden, um die Einbindung zu erleichtern.

Die spezifischen Eigenschaften von Ruß spielen auch dann eine Rolle, wenn es darum geht, auf der Oberfläche einem Präzisionsbauteils einen hohen Glanzgrad zu erzielen. Das erweist sich als nicht ganz einfach, selbst wenn vorher eine für dieses Farbmittel sehr gute Auflösung erreicht wurde. Außerdem ist Ruß dafür bekannt, dass er die Schmelztemperatur von Polymeren wie zum Beispiel PA6, PA66 und PBT erhöht. Obwohl dies unter bestimmten Umständen vorteilhaft sein kann – es begünstigt schnellere Verfestigung in der Kavität und kürzere Zyklen – kann es jedoch auch unerwünschte Schwindung und negative Auswirkungen auf die Maßhaltigkeit mit sich bringen, sowie einige notwendige physikalische Eigenschaften reduzieren.

Lösliche Farbe als Alternativen zu Ruß

Als Alternativen zu Ruß bieten sich die üblicherweise für das Einfärben von Polymeren verwendeten Formulierungen Solvent Black 7 (fettlöslich) und Solvent Black 5 (löslich in Alkohol). Beide sind auch als Nigrosin bekannt. Es sind komplexe Farbstoffe und als solche keine Partikel, die eingebunden werden müssen. Sie lösen sich vielmehr in der Polymermatrix auf. Dies hat maßgebliche Auswirkungen auf die mechanischen und ästhetischen Eigenschaften – Glanz – des Produktes, da die Farbstoffe nicht als separate Partikel vorhanden sind wie bei Ruß. Dies ist besonders offensichtlich, wenn die Farbstoffe in Verbindung mit Glasfasern und Füllstoffen angewendet werden, da sie in der Lage sind, die Oberfläche zu benetzen. Andere Auswirkungen von Nigrosin in halbkristallinen Polymeren sind nicht ganz so auffällig, jedoch zuweilen mindestens genauso wichtig. Im Gegensatz zu Ruß erhöht Nigrosin die Schmelztemperatur der Polymere nicht – im Gegenteil, in manchen Fällen wird diese Temperatur sogar gesenkt. Daher verlängert es beim Spritzgießen die Zykluszeit bis zur Erstarrung in der Kavität und stellt damit eine bessere Entspannung der eingeleiteten Dehnung sicher. Somit ermöglicht es eine teilweise längere Beibehaltung des Nachdrucks für eine vollständige Formfüllung und -verfeinerung. Obwohl sich Nigrosin leichter in der Polymermatrix löst, wird es dennoch üblicherweise als hochkonzentriertes Farbgranulat verwendet, weil es wirtschaftlich und leicht weiterzuverarbeiten ist.

Sorgfältige Auswahl und Abwägen der Vor- und Nachteile

Doch auch dieses Additiv hat – wie fast alle Materialien – nicht nur Vorteile. Obwohl es keine negativen Auswirkungen auf die UV-Stabilität der Polymere hat, ist es im Endeffekt „nur“ neutral und bringt nicht die deutlichen Verbesserungen in der UV-Beständigkeit mit sich, die bei der Verwendung von Ruß erreicht werden können. Außerdem kann Ruß unter Auswahl angemessener Töne bei Anwendungen, die in Kontakt mit Lebensmitteln kommen, verwendet werden, was bei der Alternative nicht der Fall ist. Nigrosin kann auch zum Färben nichtkristalliner Polymere, wie zum Beispiel ABS, verwendet werden. Jedoch schränkt die nichtpolare Natur herkömmlicher Polyolefine die Anwendung wegen der Tendenz zum Migrieren ein. Diese gegensätzlichen und kontrastierenden Vor- und Nachteile der zwei Farb-Additive haben zur Entwicklung von Kombinationspräparaten geführt. Diese werden eingesetzt, wenn die hohe Leistung zum UV-Schutz von Ruß benötigt wird, jedoch seine negativen Auswirkungen auf die Schmelzetemperatur durch Kombination mit Nigrosin korrigiert werden müssen.