Bewertung von Effektpigmenten und Lacken

Moderne Lacksysteme erfüllen vielfältige Funktionen, die weit über den Korrosionsschutz hinausgehen. So definiert sich die Wertanmutung diverser Objekte des täglichen Gebrauchs, etwa von Kraftfahrzeugen, meist ganz maßgeblich über die optische Erscheinung seiner sichtbaren Oberflächen. Der Wunsch nach einer sehr hochwertigen optischen Erscheinung ist ursächlich für den Siegeszug von Effektpigmenten, die, optimal eingebettet in komplexe Polymerlackschichten, den gewünschten Farbeindruck kombiniert mit Hochglanz- und Sparkle-Effekten definieren. Neben optischen Charakteristika der Effektpigmente rücken zunehmend auch funktionale Eigenschaften, wie z.B. elektrische Leitfähigkeit, Reflexionsvermögen im IR-Bereich, Lasermarkbarkeit oder Wetterbeständigkeit, in den Fokus der Entwicklung. Im Geschäftsfeld »Optische Materialien und Technologien« werden mit Verfahren der Nanostrukturdiagnostik seit mehr als 20 Jahren Effektpigmente entwicklungs- und produktionsbegleitend untersucht.

Gelb waberne Oberfläche
© Fraunhofer IMWS

Lichtmikroskopische Aufnahme von Effektpigmenten in einem transparenten Polymerlack, betrachtet senkrecht zur Oberfläche.

Beim Design von Effektpigmenten werden auf ein Substratpartikel Interferenzschichtsysteme aufgebracht, deren Zusammensetzung und Teilschichtdicken die optische Erscheinung definieren. Diese plättchenförmigen Partikel haben typischerweise Durchmesser im Bereich einiger Mikrometer, sind wenige 100 nm dick und mit Schichtsystemen aus Einzelschichten von einigen wenigen Nanometern umhüllt.

Für die Entwicklung und Produktionsbegleitung derartiger Materialien stellt sich oft die Frage: Wie kann man derartig kleine Objekte artefaktfrei so präparieren, dass sie im Querschnitt untersucht werden können? Und welche Werte haben diverse physikalische Parameter wie Oberflächen- und Grenzflächenrauheit, Elementverteilung, Schichtdicken? Sind die Beschichten kristallin oder amorph und welche Schichthomogenität weisen sie auf? Welche Korngrößen liegen vor? Gibt es Wechselwirkungen der Schichten untereinander? Wie gut haften die Schichten aufeinander? Und welchen Einfluss haben mikrostrukturelle Kenngrößen auf die makroskopische optische Erscheinung des Lacksystems?

Schwarze Oberfläche mit Strichen
© Fraunhofer IMWS

Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme von Effektpigmenten in einem Polymerlack, betrachtet im Querschnitt nach fokussierter Ionenstrahlpräparation.

Querschnitt Pigment
© Fraunhofer IMWS

Transmissionselektronenmikroskopische Querschnittsaufnahme eines einzelnen Effektpigments, Präparation: FIB-Lamelle.

© Fraunhofer IMWS

STEM-Elementverteilungsabbildung eines Effektpigment-Querschnitts, Präparation: FIB-Lamelle.

Neben oberflächenanalytischen Techniken (wie Flugzeit-Sekundärionenmassenspektro­metrie) und röntgenmikroskopischer 3D-Strukturaufklärung liefern elektronen­mikroskopische Untersuchungsmethoden die gewünschten Informationen.

Dabei ist die Rasterelektronenmikroskopie (REM) an mittels fokussierten Ionenstrahlen (FIB) erzeugten Querschnitten sehr gut geeignet, die Einbettung, Lage und Orientierung der Pigmente ins Lacksystem abzubilden. Die Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) liefert dagegen sehr viel detailliertere Einblicke in die Nanostruktur der Pigmente – hiermit lassen sich zum Beispiel Strukturmorphologie, Schichthaftung, Grenzflächenbeschaffenheit, Defektstruktur etc. untersuchen. Oftmals kommen Schichten mit Dicken < 10 nm zum Einsatz, deren Analyse nur noch mit hochauflösenden TEM-Methoden möglich ist.

Nutzt man im Transmissionselektronenmikroskop einen fein fokussierten Strahl (STEM, Strahldurch­messer typischerweise 1 nm), so können auch feinste Details der Element­verteilung aufgedeckt werden.

Das Fraunhofer IMWS verfügt über sämtliche methodischen, personellen und technischen Voraussetzungen sowie umfangreiche Erfahrung bei der Charakterisierung von Effektpigmenten unterschiedlichster Art und deren systemische Einbindung in Beschichtungen. Vor diesem Hintergrund bieten wir F&E-Dienstleistungen für die zeitnahe Auftragsanalytik an Lacksystemen und Einzelpigmenten an.