Chromogene Pigmente für UV-stabile Farbumschläge Wie kommt der Farbwechsel in Kunststoffprodukte?

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K-Profile AG Innovationen in Kunststoff

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Farbgebung und Farbwechsel beeinflussen die Attraktivität eines Produkts, vor allem, wenn die Verfärbung ohne elektronische Peripherie auftritt: bei Temperaturveränderung (thermochrom) beziehungsweise im Sonnenlicht (photochrom). Zwei spezielle Kunststoffe ermöglichen mit ausgewählten chromogenen Pigmenten UV-stabile Farbumschläge.

Spontane Farbwechsel fesseln immer die Aufmerksamkeit, wenn sie intrinsisch im Produkt verankert sind, reversibel verlaufen und keiner elektronischen Peripherie bedürfen. Eindrucksvolle Phänomene sind hier die Thermochromie – der Farbwechsel nach Einwirkung von Wärme – und die Photochromie – der Farbwechsel nach Einfall von kurzwelligem Licht, von Sonneneinstrahlung. Vor allem für polymere Artikel, also Kunststoffe, Textilien und Beschichtungen jeglicher Art bieten solche Reaktionen Potenzial. Aus praktischer Sicht ergeben sich sofort die Fragen: „Wie kommt der Farbwechsel in das Produkt?“ und „Welches Leistungsvermögen / welche Qualität kann man erwarten?“

Auf dem Markt findet man ein ganzes Spektrum an thermochromen und photochromen Pigmenten, die eine Vielfalt an coloristischen Effekten versprechen. Die Umsetzung fällt jedoch häufig ernüchternd aus: Materialien und Prozesse passen mitunter nicht zueinander, Intensität und Permanenz der Farbwechsel bleiben hinter den Erwartungen zurück. Die Hersteller und Lieferanten der entsprechenden Farbstoffe können zu diesen Fragen nur bedingt beitragen, da deren Beantwortung vom konkreten Herstellungsprozess und vom Einsatz abhängt. Notwendig ist immer ein gesamtheitlicher, konzeptioneller Ansatz zu all diesen Aspekten. Im Folgenden werden einige Schwerpunkte dazu kurz erläutert.

Thermochrome Kunststoffe

Um einen Kunststoff thermochrom zu funktionalisieren, steht eine Palette an sogenannten Leukofarbstoffen zur Verfügung, für vielfältige Farbumschläge in einem weiten Temperaturbereich. Diese Produkte sind keine reinen Farbstoffe, sondern mikrogekapselte Systeme aus mehreren Komponenten. Leukofarbstoffe reagieren empfindlich auf hohe Temperaturen und Scherbelastungen. Zu beachten sind auch eventuelle Unverträglichkeiten zwischen Farbstoffkapsel und Matrix; gegebenenfalls bietet der Hersteller gesonderte Batches an. Als thermoplastische Matrices eignen sich PP und PE sowie weitere Polymere mit niedrigen Schmelztemperaturen, beispielsweise ABS oder PVC. Bei TPE-Typen muss man, verglichen mit Polyolefinen, weit mehr thermochromes Pigment für adäquate Farbwechsel einsetzen; entsprechend treten Ausblühungen durch migrierende Substanzen auf. Technische Polyamide sowie Polyester scheiden wegen ihrer Verarbeitungsfenster von weit über 200 °C von vornherein aus. In Harzen lassen sich dagegen durchweg gute coloristischen Effekte erzielen. Thermische Alterung bei üblichen Gebrauchstemperaturen verschlechtert den Farbumschlag nicht. Sehr gering liegt jedoch die Beständigkeit gegen UV-Strahlung. In eigenen Untersuchungen kristallisierte sich jedoch ein Produkt heraus, das einen überraschenden Schutz gegen UV-Schädigung bietet: das Domingharz Suracer 4460 der Firma Surachemicals. Verblasst bei anderen Matrices die Farbe bereits nach wenigen Stunden intensiver UV-Einstrahlung (Xenotest), so verbessert sich die Situation mit dem oben genannten Domingharz um den Faktor 10…20. Und es wirkt auch als oberflächlicher Lack. Freiheitsgrade für die UV-Beständigkeit sind die Art des thermochromen Pigments, dessen Konzentration sowie die Schichtdicke des Lacks.

Photochrome Kunststoffe

Das kommerziell bekannteste Sortiment an farblich breit gefächerten photochromen Pigmenten sind die Reversacole (Firma Grolman). Bei deren Anwendung gilt es, einige Besonderheiten im Auge zu behalten: 1. Im Gegensatz zu „richtigen“ Farbstoffen basiert die Verfärbung auf strukturellen molekularen Veränderungen. Deshalb hängt der Effekt der Pigmente von ihrer Mikroumgebung ab, also von der jeweiligen sterischen und polaren Situation im Polymer. Praktisch wirkt sich das so aus, dass der gleiche Farbstoff in verschiedenen Kunststoffen zu völlig unterschiedlichen Farbumschlägen führt. 2. Nebenreaktionen beeinflussen den Farbwechsel und schwächen die coloristische Intensität ab. Dieses Phänomen bezeichnet man als Fatigue. Hauptursache des Fatigue ist das UV-Licht. Somit beruht nicht nur die Triebkraft, sondern auch die Schädigung des Farbumschlags auf der UV-Einstrahlung. 3. Verarbeitungstemperaturen von über 200 °C sind zu vermeiden. In Polyolefinen erzielt man mit den Reversacol-Pigmenten Verfärbungen, deren Geschwindigkeit und Relaxation vom jeweiligen Farbstoff abhängt. Ab einem bestimmten Gehalt beobachtet man keine weitere Intensivierung der Farbumschläge (etwa 0,2 %). Je nach Farbstoff lassen sich eindrucksvolle Umschläge erreichen (Cielab-ΔE-Niveaus von bis zu 80...100). Bei Thermoplasten mit höherer Polarität (PA 12, ABS, PLA, PVC, TPE…) muss für jeden Farbstoff neu überprüft werden, ob überhaupt eine hinreichende Photochromie auftritt. Werkstoffe mit höheren Schmelzpunkten (PA6, PET, PBT) eignen sich nicht. Hier bleiben nur solche Ansätze wie die photochrome Beschichtung, Lackierung oder der Druck. Gegenüber thermischer Alterung bei üblichen Gebrauchstemperaturen bleibt die Photochromie stabil.

Unterschiede von Reversacol-Typen

Bei UV-Alterung erkennt man tendenzielle Unterschiede zwischen den Reversacol-Typen. Diese Unterschiede nivellieren sich allerdings bei längerer Belichtung – wie auch bei den thermochromen Systemen führen schon wenige Stunden UV-Alterung (im Xenotest) zu einem weitgehenden Verlust der Photochromie. Genau wie bei der Lichtechtheit „normaler“ Färbungen hängt das photochrome Fatigue maßgeblich von der Farbstoffkonzentration ab: Mit wachsendem Gehalt geht die Intensität des Farbumschlags langsamer zurück. Eine Ursache dürfte sein, dass nach einer bestimmten Bestrahlungsdauer bei höheren Ausgangsmengen einfach mehr nicht-geschädigte Farbstoffmoleküle existieren, eine andere, dass sich die Farbstoffmoleküle durch ihre Eigenabsorption wechselseitig vor dem UV-Licht abschirmen. Aus den gleichen Gründen ist die UV-Beständigkeit einer dünnen photochromer Schicht niedriger als die einer dickeren Platte. Letztlich genügt aber keiner der am Markt verfügbaren photochromen Farbstoffe den Anforderungen an hochwertige, langlebige Produkte. Eine Ausnahme im Bereich Thermoplast wurde mit dem speziellen TPU-Typ Elastollan L1185 A12 der Firma BASF (in Kombination mit ausgewählten Reversacol-Farbstoffen) gefunden. Bringt man photochrome Pigmente in Harz ein, so entfällt das Problem der thermischen Schädigung. Wegen der hohen Polarität der Harze rufen allerdings nur wenige Farbstoffe hinreichende Umschläge hervor, bei ebenfalls nur geringer UV-Beständigkeit. Auch hier hebt sich jedoch das oben erwähnte Domingharz Suracer 4460 heraus: Zwar können nur wenige Pigmente ihre Funktionalität in Suracer 4460 entfalten (hohe Polarität dieser Matrix), aber mit den Reversacol-Farbstoffen Midnight Grey und Palatinate Purple lässt sich eine gute photochrome Performance bei deutlich verbesserter UV-Alterung erzielen – ebenfalls wiederum in Abhängigkeit von Farbstoffkonzentration und Schichtdicke.

Wo lässt sich die Photochromie nutzen?

Wie angedeutet, bieten Farbwechsel, die Veränderungen in der Umwelt auslösen, ein großes Potenzial für das Design von Werbeartikeln und von Gebrauchsgegenständen bis hin zum Interieur. Die weit interessantere Anwendung – vor allem der Photochromie – ist jedoch das Licht- und Wärmemanagement von Gebäuden, etwa in Form von Markisen, Jalousien oder Gardinen. Doch gerade diese Anwendung scheitert bisher daran, dass die Farbwechsel bei Sonneneinstrahlung viel zu schnell verblassen. Überraschenderweise wurden nun zwei Kunststoffe gefunden, die – mit ausgewählten Farbstoffen – eine weit höhere UV-Stabilität als alle bisher bekannten Systeme bieten, und zwar bei intensiven photochromen beziehungsweise thermochromen Effekten. Zwar besteht auch bei diesen beiden Matrices noch Entwicklungsbedarf, etwa zur Transparenz des funktionalisierten Kunststoffs und zur photochromen Gleichgewichtsverfärbung. Aber es konnte doch gezeigt werden, dass sich schon über den Kunststoff die Qualität von Photochromie/Thermochromie deutlich verbessern lässt. Dies sollte dazu ermutigen, auch weiterhin in diese Richtung zu arbeiten, um letztlich vor allem der Photochromie die Stellung in der Funktionalisierung von Kunststoffen zuzuweisen, die sie verdient.

Danksagung

Wir danken Euronorm für die finanzielle Förderung des Forschungsvorhabens 49MF190005, das als Fördermaßnahme des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klima im Rahmen der „FuE-Förderung gemeinnütziger externer Industrieforschungseinrichtungen – Innovationskompetenz“ Inno-Kom - Modul „Marktorientierte Forschung und Entwicklung“ erfolgte. Quelle: TITK