DE102018118294A1

DE102018118294A1 - Titandioxid-reduziertes Beschichtungssystem

Info

Publication number: DE102018118294A1
Application number: DE102018118294.5A
Authority: DE
Inventors: Detlef Thiel
Original assignee: SCHULZ FARBEN- und LACKFABRIK GmbH; Schulz Farben und Lackfabrik GmbH
Current assignee: SCHULZ FARBEN- und LACKFABRIK GmbH; Schulz Farben und Lackfabrik GmbH
Priority date: 2017-08-03
Filing date: 2018-07-27
Publication date: 2019-02-07
Anticipated expiration: 2038-07-28
Also published as: DE102018118285B4; DE102018118285A1; DE102018118294C5; DE102018118294B4

Abstract

Calcium-Carbonat-haltiges Komposit enthaltend präzipitiertes Calciumcarbonat PCC in einer Menge von 30-50 Gew.-%, Calciumsilicat-Hydrat-Pigmentpartikel in einer Menge von 30-50 Gew.-%, Wasserglas in einer Menge von 10-40 Gew.-%, Titandioxid und/oder eine Pigmentsubstanz aus der Gruppe der Oxide ZnO, ZrO, SnO, oder eine Mischung daraus in einer Menge von 0,1 - 7 Gew.-% insgesamt; Dispersionsfarbe enthaltend 3-15 Gew.-% Polymerdispersion gerechnet als Feststoffanteil, 10-50 Gew.-% Füllstoff, 1-5 Gew.-% Wasserglas, 2-15 Gew.-% Calciumsilicat-Hydrat-Pigmentpartikeln, wenigstens 2-15 Gew.-% präzipitiertes Calciumcarbonat 0,1-7,0 Gew.-% Titandioxid und/oder eine Pigmentsubstanz aus der Gruppe der Oxide ZnO, ZrO, SnO, oder eine Mischung daraus, alle vorerwähnten Komponenten gerechnet als Feststoffanteil, und zu 100 Gew.-% ergänzte Anteile an Wasser.

Description

Die Erfindung betrifft Beschichtungsstoffe, wasserhaltige Beschichtungsstoffe und Beschichtungssysteme für Wände und Decken im Innenbereich, ihre Herstellung und ihre Verwendung in Beschichtungen sowie eine Wand- und Deckenfarbe enthaltend ein Calciumcarbonat-haltiges Komposit mit einem hohen Deckungsgrad und einer hohen Nassabriebbeständigkeit nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie nach Anspruch 14.
Weiße Wandfarbe oder getönte Wandfarbe ist in der Regel Dispersionsfarbe. Sie besteht aus Wasser, Pigmenten, Additiven, Bindemitteln und Füllstoffen. Das Wasser verdunstet nach der Applikation rückstandslos.
Aus der europäischen Patentschrift EP 1 297 079 B1 ist eine konservierungsmittelfreie Dispersionsfarbe bekannt, die aus Teilen einer Polymerdispersion, eines Pigmentstoffes und/oder Füllstoffes sowie von Wasserglas besteht. In stofflicher Sicht werden Pigmente aus Titandioxid, Eisenoxid, Chromoxid etc. bevorzugt.
Die deutsche Offenlegungsschrift DE 10 2014 013 455 A1 beschreibt eine konservierungsmittelfreie Dispersionsfarbe auf Silikonatbasis, wobei als in Betracht kommendes Pigmentmittel ebenfalls Titandioxid hervorgehoben wird.
Gut deckende Dispersionsfarben und brillantfarbige Bautenlacke werden dabei maßgeblich durch das Weiß-Pigment Titandioxid (TiO₂) erreicht. Titandioxid ist ein weißer anorganischer, mineralischer Feststoff. Das feine weiße Pulver wird aus Erzen und Mineralsanden gewonnen. Für das Maler- und Lackiererhandwerk ist das Weiß-Pigment Titandioxid von essentieller Bedeutung. Beschichtungen mit dekorativen und schützenden Funktionen weisen in erheblichem Umfang Pigmente aus Titandioxid auf.
Hersteller von Farben werben für einen hohen Weiss-Effekt vielfach mit der Zugabe eines hohen, zum Teil (extrem) sehr hohen, TiO₂-Anteils, ohne diese Aussage freilich in Gew.-% zu spezifizieren.
In dem Fachbuch von Bodo Müller/Ulrich Poth, Lackformulierung und Lackrezeptur: das Lehrbuch für Ausbildung und Praxis, 2. Auflage 2005, Vincentz Verlag, wird auf S. 180 ein Verhältnis Titandioxid zu Füllstoffen mit 10% zu 90% für Innendispersionsfarben und 40% zu 60% für hochwertige Aussendispersionsfarben angegeben.
In dem Fachbuch von Detlef Gysau, Füllstoffe, 2014, Vincentz Verlag wird auf S. 157 ein Berechnungsbeispiel einer vereinfachten Modellrezeptur dargestellt mit einem Gesamt-Feststoffgehalt von 57,6 Gew.-%, davon 8,0 Gew.-% Bindemittel, 8,0 Gew.-% Titandioxid, 41,0 Gew.-% Füllstoffe und 0,6 Gew.-% Additive.
Aufgrund des hohen Streuvermögens des Lichts an Kristallen hat Titandioxid die höchste Deckkraft von allen Weiß-Pigmenten und ist daher zur Herstellung von weißer Farbe, aber auch zum Abdecken von Buntlacken unverzichtbar.
Für den praktischen Einsatz gibt es kein anderes Weiß-Pigment mit annähernd vergleichbaren Eigenschaften und hoher chemischer Stabilität, das universell in Beschichtungsstoffen eingesetzt werden kann.
Aufgrund seiner hohen Brechzahl hat Titandioxid-Pigment Lithopone, ein Fällungsprodukt bestehend aus Zinksulfid und Bariumsulfat, als Standardweiß-Pigment abgelöst.
Titandioxid kommt in drei chemischen Modifikationen mit unterschiedlichen Kristallstrukturen und physikalischen Eigenschaften vor. Es sind dies Rutil, Anatas und Brookit. Rutil ist die thermodynamisch stabilste Form mit der Folge, dass sich Anatas und Brookit bei höheren Temperaturen monotrop zu Rutil umlagern. Das Kristallsystem bei Rutil und Anatas ist tetragonal während es bei Brookit orthorhombisch ist.
Aufgrund fehlender Absorption im sichtbaren Spektralbereich zwischen 380 nm und 700 nm führt die hohe Brechzahl von Titandioxid zu dem umfangreichen Einsatz für derartige Beschichtungen und Beschichtungssysteme.
In der Literatur wird Rutil über den gesamten Spektralbereich eine Brechzahl von etwa 2,75 und Anatas eine Brechzahl von etwa 2,55 zugeordnet. Die hohe Brechzahl wird mittels einer ausgeprägten Polarisierbarkeit der Bindungselektronen im Kristallgitter erreicht, die in dem Ionenkristall vornehmlich den Sauerstoffatomen zuzuordnen sind.
Maßgebend für die Eignung einer Substanz als Pigment ist die Brechzahl. Die optische Wirkung von Weiß-Pigmenten beruht auf ihrer sehr geringen Lichtabsorption und ihrer starken nicht selektiven Lichtstreuung. Derartige Weiß-Pigmente lassen sich in Oxide einordnen, zu denen TiO₂, ZnO, ZrO₂, SnO₂ gehören, in Carbonate (2PbCO₃, Pb(OH)₂, 2ZnCO₃, 3Zn(OH)₂) sowie in Sulfate (2PBSO₂, Pb(OH)₂) sowie in Sulfide (ZnS, ZnS+BaSO₄).
Die Brechzahl bei diesen Substanzen außerhalb von Titandioxid ist jedoch zum Teil erheblich geringer. So werden für Calciumcarbonat eine Brechzahl n_o von 1,48 bis 1,65, für Glimmer 1,58 bis 1,61, für Bariumsulfat 1,64, für Lithopone 1,84 bis 2,08, für Zinkoxid 2,01 bis 2,09, für Zinksulfit 2,37 sowie für organische Bindemittel im Bereich von 1,40 bis 1,70 angegeben.
Aus diesem Grunde werden Titandioxid-Pigmente mit Abstand am häufigsten für derartige Beschichtungssysteme, insbesondere Farben, eingesetzt. Die weiter genannten Weiß-Pigmente sind nur noch Sondereinsatzgebieten vorbehalten.
Je höher der Anteil an Titandioxid-Pigmenten ist, desto höher sind der Weißgrad und die Leuchtkraft sowie damit einhergehend das Deckvermögen. Unter einem Pigment wird vorliegend eine Substanz verstanden, die als Farbmittel eingesetzt wird. Bindemittel, Additive und Füllstoffe erfüllen weitere Funktionen, die unter anderem für die Verarbeitung und die Qualität der Farbe verantwortlich sind.
Additive tragen dazu bei, dass sich die verschiedenen Inhaltsstoffe für ein solches Beschichtungssystem, z.B. eine Farbe, gut mischen lassen und garantieren dessen Stabilität. Sie haben auch Einfluss auf das Trocknungsvermögen der Beschichtung nach deren Auftrag.
Bindemittel tragen dazu bei, dass die Beschichtung, insbesondere die Farbe, auf der Wand haftet, keine Risse oder Blasen gebildet werden und die Farbe nicht abblättert oder ausbleicht. Bindemittel sind auch für die Oberflächenreinigung von großer Bedeutung.
Füllstoffe beeinflussen die Konsistenz einer derartigen Beschichtung und geben der Farbe Volumen.
Bei sehr billigen Farben werden statt der vorerwähnten Pigmente häufig anorganische Stoffe zugegeben, die jedoch nicht zu einem filmbildenden Beschichtungssystem führen, weil der Lufteinschluss nach dem Auftrag sehr groß ist.
Begründet wird dieser Effekt im Wesentlichen damit, dass in derartigen Farbformulierungen zumeist oberhalb der kritischen Pigment-Volumen-Konzentration (KPVK) gearbeitet wird, das heißt die Pigment- und Füllstoffoberflächen sind nicht vollständig vom umgebenden Lacksystem belegt. Neben der Grenzfläche zwischen Pigment und Bindemittel gibt es also oberhalb der KPVK auch Grenzflächen zwischen Pigment und Luft. Demgegenüber ist der Unterschied der Brechungsindices von Titandioxid und der Bindemittelmatrix hoch genug, um Streuung zu erzeugen, die verantwortlich für die weiße Erscheinung ist. Der Brechungsindex von typischen Füllstoffen ist niedriger, so dass diese Substanzen als transparent erscheinen, wenn sie vollständig umhüllt sind. Der Unterschied zwischen den Brechungsindices typischer Füllstoffe und dem von Luft (n = 1) ist deutlich größer, so dass die Füllstoffe nur oberflächlich betrachtet als weiß wahrgenommen werden.
Insbesondere erfüllen derartige Farben nicht die Anforderungen, die von Normen, wie z.B. der DIN EN 13300, an derartige Beschichtungssysteme gestellt werden, und zwar mit Blickrichtung auf die Kriterien des Kontrastverhältnisses (Deckvermögen), Glanzes, maximale Korngröße sowie Nassabriebbeständigkeit.
Mit Blickrichtung auf die DIN EN 13300 ist zu erwähnen, dass diese Norm Farben, z.B. Dispersionsfarben, anhand der Kriterien „Anwendung, Bindemitteltyp, Glanzgrad, maximale Korngröße, Kontrastverhältnis (Deckvermögen), Nassabriebbeständigkeit“ charakterisiert. Wie diese Kriterien erreicht, gemessen oder bestimmt werden, wird nicht von der - beispielhaft - herausgezogenen DIN EN 13300 vorgegeben, sondern ergibt sich häufig aus anderen deutschen oder europäischen Normen, die durch Verweis in die DIN EN 13300 einbezogen sind. So wird das Kontrastverhältnis nach DIN EN ISO 6504-3 bestimmt, während die Reinigungsfähigkeit und Scheuerbeständigkeit nach der DIN EN ISO 11998 bemessen werden, d.h. nur die Einleitung in die Klassen erfolgt gemäß DIN EN 13300.
Soweit im Zusammenhang mit der Offenbarung dieser Erfindung explizit auf derartige Normen, hingewiesen wird, werden in der Tat nur diese Normen angesprochen, mithin keine etwa amerikanischen, afrikanischen, asiatischen oder australischen Normen. Die Bezugnahme auf die Normen erfolgt in ihrer im Anmeldezeitpunkt gültigen Fassung.
Aufgrund der relativ hohen Kosten von TiO₂ wird seit langem versucht, einen Teil davon durch industrielle Mineralfüllstoffe wie Calcit oder calciniertes Kaolin zu substituieren bzw. organische Pigmente und Füllstoffe zu entwickeln und diese in Kombination mit den mineralischen Materialien zu verwenden.
Als nachteilig hat sich hierbei immer wieder herausgestellt, dass der niedrige Brechungsindex anorganischer Stoffe der Substitution erhebliche Grenzen setzt. Eine nahezu vollständige oder gar vollständige Substitution des Titandioxids ist bislang nicht gelungen, wenn gleichwohl die mit ihm verbundenen Eigenschaften erreicht werden sollen.
Dabei ist es bekannt, eine Einsparung durch die Kombination von Titandioxid-Partikeln mit geeigneten Füllstoffen, die als sogenannte Extender-Partikel als Abstandshalter für die TiO₂-Partikel wirken sollen, zu bewirken. Zu den (kristallisierten) Füllstoffen gehört an sich auch sogenanntes präzipitiertes Calciumcarbonat (PCC), das auch als gefälltes Calciumcarbonat bezeichnet wird. Es handelt sich um einen anorganischen Füllstoff, der z.B. durch Fällung aus Kalkmilch hergestellt wird. Ein mögliches Herstellungsverfahren ist beispielsweise in der deutschen Patentanmeldung DE 10 2007 023 093 A1 beschrieben. Da dem präzipitierten Calciumcarbonat (PCC) aber im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine über die üblichen Eigenschaften eines Füllstoffs hinausgehende Funktion als wesentlicher Bestandteil des nachfolgend näher beschriebenen Komposits zukommt, wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung der Begriff des Füllstoffs begrifflich in einer Weise verwendet, dass er die hierzu geeigneten Stoffe und Stoffgruppen erfasst, mit Ausnahme jedoch des präzipitierten Calciumcarbonats (PCC) in dessen Eigenschaft als Bestandteil dieses Komposits.
In dem Bestreben, ein alternatives Komposit-Pigment zu schaffen, welches eine hohe Witterungsbeständigkeit und chemische Beständigkeit aufweist und im Vergleich zu reinem Titandioxid mindestens ein gleiches Deckvermögen erreichen soll, offenbart die internationale Patentanmeldung WO 2015/086146 A1 ein Calciumphosphat-haltiges Komposit-Pigment enthaltend Titandioxid-Pigmentpartikel sowie gefälltes partikuläres kristallines Calciumphosphat in einer bestimmten Partikelgröße. Auch insoweit enthält der beibehaltene Anteil von Titandioxid aber einen Gewichtsanteil von bis zu 90%, wobei in dem Vergleichsbeispiel ein Titandioxid-Pigment mit einem Gewichtsanteil von 45% gewählt wurde. In Bezug auf die erzielten Ergebnisse muss aber auch in dieser Patentanmeldung festgehalten werden, dass dem teilweisen Ersatz von Titandioxid Grenzen gesetzt sind, weil jedenfalls geringe Verluste der optischen Eigenschaften das Resultat sein können. Dieses unerwünschte Ergebnis wird damit in Verbindung gebracht werden können, dass das Deckvermögen von gefälltem Calciumcarbonat bei einer - wie oben dargelegt - Brechzahl im Bereich von 1,48 bis 1,65 deutlich niedriger ist als bei einem Weiß-Pigment der Stoffgruppe der Oxide. Denn ein entscheidender Faktor, von denen das Deckvermögen einer Pigmentdispersion ganz überwiegend abhängt, ist die Brechzahl des Pigmentes; je größer sie ist, desto besser ist das Deckvermögen.
Neben den Aspekten der Kosten für Titandioxid tritt nun ein anderer Gesichtspunkt in das Rampenlicht. Denn auf der Ebene der Europäischen Union wird zurzeit über die harmonisierte Einstufung von Titandioxid mit Blickrichtung auf karzinogene Wirkungen, jedenfalls bei einer Risikobewertung, z.B. einer Staubexplosion am Arbeitsplatz, die zur Begründung der intrinsischen Gefahr eines Stoffes in Betracht gezogen wird, diskutiert.
Ausgehend von den vorstehenden Aspekten stellt sich deshalb der vorliegenden Erfindung das Problem, ein Calcium-Carbonat-haltiges Komposit sowie ein solches Calcium-Carbonat-haltiges Komposit beinhaltendes Beschichtungssystem für Wände und Decken, insbesondere eine Farbe, zu entwickeln, das nicht zuletzt alle Anforderungen an die qualitative Einteilung von Wand- und Deckenfarben der europäischen Norm EN 13300 erfüllt, bei der aber auf den Einsatz des Weiß-Pigments Titandioxid TiO₂ in einem größeren Ausmaß als bisher bekannt verzichtet werden kann.
Darüber hinaus soll ein solches Komposit und das mit einem solchen Komposit versehene Beschichtungssystem kostengünstig herstellbar sein. Ferner soll es in gleicher Weise anwenderfreundlich sein wie herkömmliche mit Titandioxid hergestellte Beschichtungssysteme, insbesondere Farben.
Gelöst werden diese Aspekte mit einem titandioxid-reduzierten Beschichtungssystem nach Anspruch 1 sowie mit einer Verwendung nach Anspruch 14. Ein wesentlicher Faktor ist das Zusammenwirken von den nachfolgend mengenmäßig näher beschriebenen Stoffen bzw. Stoffgruppen eines präzipitierten Calciumcarbonats (PCC), von Calciumsilicat-Hydrat-Pigmentpartikeln und von Wasserglas. Daher wird im Rahmen der vorliegenden Beschreibung in Bezug hierauf auch von einem Komposit gesprochen. Der Begriff meint dabei ein funktionales Zusammenspiel dieser Stoffe bzw. Stoffgruppen, setzt aber nicht voraus, dass sie quasi als vorbereitetes Zwischenprodukt, also als stoffliche Einheit, dem Beschichtungssystem zugegeben werden. Sie können also auch einzeln in beliebiger Reihenfolge in dem Produktionsprozess zugegeben werden.
Somit bezieht sich die Erfindung auf ein Titandioxid-reduziertes Beschichtungssystem, insbesondere auf eine Dispersionsfarbe, enthaltend, 3-15 Gew.-% Polymerdispersion gerechnet als Feststoffanteil, 10-60 Gew.-% Füllstoff, 1-4 Gew.-% Wasserglas, 2-15 Gew.-% Calciumsilicat-Hydrat-Pigmentpartikeln, wenigstens 2-15 Gew.-% präzipitiertes Calciumcarbonat (PCC), 1-10 Gew.-% Titandioxid, gerechnet jeweils als Feststoffanteil und zu 100 Gew.-% ergänzte Anteile an Wasser.
In Bezug auf ein Beschichtungssystem ist es besonders bevorzugt, etwa 3-7 Gew.-% und besonders bevorzugt wenigstens 4-6 Gew.-% präzipitiertes Calciumcarbonat (PCC), etwa 3-7 Gew.-% und besonders bevorzugt 4-6 Gew.-% Calciumsilicat-Hydrat-Pigmentpartikel sowie etwa 1-2 Gew.-% und besonders bevorzugt 1,5 Gew.-% Wasserglas und bevorzugt 2-8 Gew.-% Titandioxid und besonders bevorzugt 3-7 Gew.-% Titandioxid vorzusehen.
Das präzipitierte Calciumcarbonat (PCC) kann einen höheren Anteil als 15 Gew.-%, z.B. 15-25 Gew.-% aufweisen, wenn man insoweit nicht lediglich auf seine Funktion als Bestandteil des Komposits im Sinne der vorliegenden Erfindung abstellt, sondern auch seine mögliche Eigenschaft als Füllstoff im Sinne der vorliegenden Erfindung mitnutzen möchte. Über diesen Gewichtsanteil hinausgehende Gewichtsanteile des präzipitieren Calciumcarbonats (PCC) sind zwar denkbar, machen aber schon aus Kostengründen - es handelt sich um ein gefälltes Produkt - eher weniger Sinn. Zudem besteht dann die Notwendigkeit, dass das Gefüge mit den weiteren Stoffgruppen jedenfalls weiterer Modifikationen bedarf.
Da es für das Beschichtungssystem auf das Komposit der drei Stoffe bzw. Stoffgruppen des präzipitierten Calciumcarbonats (PCC), der Calciumsilicat-Hydrat-Pigmentpartikel und des Wasserglases ankommt, bedeutet das Überschreiten der Mengenangabe von wenigstens 2-15 Gew.-% des präzipitierten Calciumcarbonats (PCC)also, dass es dann in seinem diesen Bereich überschießenden Teil mehr und mehr lediglich die Funktion eines Füllstoffes einnimmt. Dass ein Gewichtsanteil höher als 2-15 Gew.-% aber prinzipiell für das Beschichtungssystem möglich ist, soll mit dem Begriff „wenigstens“ im Zusammenhang mit dem präzipitierten Calciumcarbonat zum Ausdruck gebracht werden.
Der den Gewichtsanteil von 15 Gew.-% übersteigende Anteil des präzipitierten Calciumcarbonats (PCC), ist also, soweit er dann mehr und mehr lediglich die Funktion eines Füllstoffes übernehmen würde, also rechnerisch von von dem verwendeten Maximal-Anteil des Füllstoffs von 60 Gew.-% abzuziehen. Würde also statt der angegebenen 15 Gew.-% präzipitiertes Calciumcarbonat (PCC) 20 Gew.-% dieses Stoffs verwendet werden, so wäre die maximale Prozentangabe von 60 Gew.-% für den Füllstoff rechnerisch auf 55 Gew.-% zu reduzieren.
Analog hierzu können gewünschtenfalls auch die Calciumsilicat-Hydrat-Pigmentpartikel den angegebenen Anteil von 2-15 Gew.-% übersteigen.
Alle im Rahmen dieser Erfindung offenbarten Angaben bzgl. der Größe, Konzentration in Gew.-%, pH-Wert usw. werden mit der Maßgabe beschrieben, dass sie alle Werte mit umfassen, die im Bereich der dem Fachmann bekannten jeweiligen Messgenauigkeit liegen.
Unter einer Dispersionsfarbe im Sinne der vorliegenden Erfindung werden wasserhaltige Beschichtungsstoffe und Beschichtungssysteme für Wände und Decken verstanden, die eine Dispersion, in der Regel eine Emulsion oder (bzw.) Suspension, aus Füllstoffen, Binde- und Lösungsmitteln, Pigmenten und Zusatzstoffen enthalten. Es kann sich hierbei - ohne freilich hierauf beschränkt zu sein - um eine Kunststoffdispersionsfarbe handeln, bei der Konservierungsstoffe hinzugefügt sind. Es kann sich auch um eine reine Dispersionsfarbe handeln, die ohne Konservierungsstoffe formuliert ist. Insbesondere werden hierunter wasserhaltige Beschichtungsstoffe und Beschichtungssysteme für Wände und Decken im Sinne der DIN EN 13300 sowie der DIN EN 1062 verstanden, ohne jedoch auf diese Klassifizierung beschränkt zu sein.
Mittels des erfindungsgemäßen titandioxid-reduzierten Komposits bzw. mittels der titandioxid-reduzierten erfindungsgemäßen Farbe wird ein Deckvermögen erreicht, das mindestens die Klasse 2 der DIN EN 13300 erfüllt, also ein Deckvermögen (Kontrastverhältnis) von > 98 - < 99,5 bei 8 m² je Liter.
Bevorzugt wird mit einer erfindungsgemäßen Farbe ein Deckvermögen von zwischen 99 und 98 bei 8 m² je Liter nach DIN EN 6503-4 erreicht.
Zur Erläuterung wird darauf hingewiesen, dass das Kontrastverhältnis nach der DIN EN 1300/DIN EN ISO 6503-4 ermittelt wird, indem die Materialien auf eine schwarz-weiße Testfläche aufgetragen werden und dabei der mittlere Verbrauch zugrunde gelegt wird; anschließend wird gemessen, wie die Abdeckung der schwarzen Testfläche im Vergleich zur weißen Testfläche ist (Kontrastverhältnis in %).
Weiterhin wird eine Nassabriebbeständigkeit von mindestens Klasse 3 nach DIN EN 13300/DIN EN ISO 11998 erreicht, also ≥ 20 µm und < 70 µm bei 200 Hüben. Unter Nassabriebbeständigkeit wird dabei die Reinigungsfähigkeit, nämlich die Wasch- bzw. Scheuerbeständigkeit und das Maß für die Widerstandsfähigkeit gegen mechanischen Abrieb, z.B. beim Reinigen der Oberfläche, verstanden.
In Bezug auf die Nassabriebbeständigkeit wird bevorzugt die Klasse 2 der DIN EN 13300 erreicht, nämlich ≥ 5 µm und < 20 µm bei 200 Hüben.
Zur Feststellung der Nassabriebbeständigkeit wird nach der DIN EN 1300/DIN EN ISO 11998 in einem genormten Prüfverfahren die Schichtdickenabnahme des Beschichtungsfilms gemessen; dabei wird mit einem Scheuervlies unter Berücksichtigung unterschiedlicher Beanspruchung (Scheuerhübe) der Schichtdickenverlust der Farbe in µm bestimmt.
Es wurde überraschend gefunden, dass das erfindungsgemäße Komposit aus Wasserglas, Calciumsilicat-Hydrat-Pigmentpartikeln und präzipitiertem Calciumcarbonat Titandioxid in noch größerem Umfang als bislang erfolgt substituieren können, und zwar bis einem Einsatzbereich von 7 Gew.-% - 0,1 Gew.-%, bevorzugt 6 Gew.-% - 0,1 Gew.-%, besonders bevorzugt 5 Gew.-% - 0,1 Gew.-%, und noch weiter bevorzugt 4 Gew.-% - 0,1 Gew.-% Titandioxid auf die Gesamtformulierung, dabei aber gleichwohl ein Deckvermögen wasserhaltiger Beschichtungsstoffe und Beschichtungssysteme für Wände und Decken erreichen, die wenigstens den vorerwähnten Klassen der DIN EN 13300 entsprechen und die ohne Einsatz des beanspruchten Komposits nur mit Titandioxid erreichbar sind. Entsprechendes gilt auch für die vorerwähnte Klasse der Nassabriebfestigkeit nach der DIN EN 13300.
Diese gerade in ihrer kompositorischen Zusammensetzung des vorliegenden Komposits mit dem Titandioxid vergleichbaren Eigenschaften sind deshalb überraschend, weil die Komponenten des präzipitierten Calciumcarbonats und der Calciumsilicat-Hydrat-Pigmentpartikeln jeweils für sich genommen eine Brechzahl aufweisen, die deutlich unterhalb derjenigen liegt, wie sie für Titandioxid oben erwähnt wurde. Die Brechzahl für präzipitiertes Calciumcarbonat liegt bei etwa 1,6 und die Brechzahl für die Calciumsilicat-Hydrat-Pigmentpartikeln bei etwa 1,58. Dementsprechend hat die im Stand der Technik bekannte Zugabe der einzelnen vorerwähnten Bestandteile zu dem Weiß-Pigment Titandioxid auch nie zu einer deutlichen Verbesserung des Deckvermögens eines hiermit hergestellten wasserhaltigen Beschichtungsstoffs bzw. Beschichtungssystems, insbesondere einer Farbe, geführt. Die physikalischen/chemischen Gründe, weshalb gerade diese überraschende kombinatorische Wirkung des Komposits eintritt, können im gegenwärtigen Zeitpunkt nur vermutet werden.
Entsprechend den vorstehenden Erläuterungen kann auch eine Reduzierung auf die angegebenen Bereiche von 7 Gew.-% - 0,1 Gew.-%, bzw. 6 Gew.-% - 0,1 Gew.-%, bzw. 5 Gew.-% - 0,1 Gew.-%, bzw. 4 Gew.-% - 0,1 Gew.-% einer Pigmentsubstanz aus der Gruppe der Oxide ZnO, ZrO₂, SnO₂ oder einer Mischung hieraus oder einer Mischung mit Titandioxid erfolgen.
Das vorliegende Komposit bzw. der unter seiner Zugabe hergestellte wasserhaltige Beschichtungsstoff bzw. das Beschichtungssystem für Wände und Decken erreicht das gute Deckvermögen mithin nicht über die hohe Brechzahl, wie dies beim Titandioxid der Fall ist, sondern über die Kombination von den drei zusammengestellten Komponenten mit einem nur noch geringfügigsten Anteil von Titandioxid. Das Ergebnis in einem Beschichtungssystem ist ein abdeckender Film, der auch in dünnen Schichten vollständig Hintergründe mit starkem Kontrast abzudecken in der Lage ist.
Als geringfügigster Teil von Titandioxid wird erfindungsgemäß auch ein Gewichtsanteil von mehr als 1 Gew.-% bis 7 Gew.-% angegeben, der also größer ist als ein Anteil von 0,1 Gew.-%. Selbiges gilt auch für einen Anteil eingesetzter Oxide ZnO, ZrO₂, SnO₂.
Bereits mit einer relativ niedrigen Pigment-Volumen-Konzentration wird mithin ein Deckvermögen für wasserhaltige Beschichtungssysteme, insbesondere Farben, erreicht, das demjenigen von wasserhaltigen Beschichtungsstoffen und Beschichtungssystemen entspricht, denen - wie bisher - Titandioxid als Weiß-Pigment in einer Menge von wenigstens 8 Gew.-% und zum Teil deutlich mehr zugegeben wurde.
Das mit dem erfindungsgemäßen Komposit erzielte hohe Deckvermögen ist deshalb auch überraschend, weil die einzelnen Komponenten des Komposits im Stand der Technik eher als Füllstoffe eingesetzt wurden, die in dieser Eigenschaft dem Titandioxid nur als singulare Komponenten, nie aber in der erfindungsgemäßen Komposition beigemischt wurden. Überraschend ist das Ergebnis auch deshalb, weil jede der drei Komponenten einzeln, sogar in recht großer Menge für sich genommen, nur zu einer halbdeckenden Lasur führt, wenn man sie als kontrastbegründendes Medium einsetzen und als solches betrachten würde.
Unter Wasserglas im Sinne der vorliegenden Erfindung werden anorganische Bindemittel verstanden, also wasserlösliche Silicate oder ihre wässrigen Lösungen. In Betracht kommen Natriumsilicate, Kaliumsilicate oder Lithiumsilicate. Bevorzugt ist ein Silicat, bei dem überwiegend Kalium enthalten ist, mithin Kaliwasserglas.
Erfindungsgemäß wird eine Kaliwasserglaslösung von 10-40 Gew.-% verwendet, also eine Kaliwasserglaslösung mit einem Feststoffgehalt von ca. 10-40 Gew.-%, bevorzugt mit einem Feststoffgehalt von circa 20-35 Gew.-%, besonders bevorzugt 25-30 Gew.-%. Der Bestandteil als Kaliwasserglaslösung wird weiterhin so gewählt, dass in dem Beschichtungsstoff der erfindungsgemäße Bereich von 1-4 Gew.-% Kaliwasserglas (Feststoffgehalt) erzielt wird. Dieses Bindemittel auf der Basis von Kaliumsilicat weist ferner eine Dichte, gemessen bei 20°C, von circa 1,20-1,30 g/cm³ auf. Der 10%ige pH-Wert liegt bei 10,5-11,0. Die Viskosität bei 20°C liegt bei circa 25-30 mPas.
Der erfindungsgemäße Bestandteil von 1-5 Gew.-% Wasserglas bezieht sich also auf den prozentual angegebenen Feststoffgehalt dieses anorganischen Bindemittels.
Selbstredend erfüllt das Wasserglas im Sinne der Erfindung auch seine herkömmlichen Funktionen im Zusammenhang mit der Herstellung von wasserhaltigen Beschichtungsstoffen, insbesondere was seine Eigenschaft zur Verbesserung der Lagerstabilität und der Konservierung sowie der Verarbeitbarkeit anbelangt.
Der Beschichtungsstoff weist weiterhin 2-15 Gew.-% Calciumsilicat-Hydrat-Pigmentpartikel auf. Calciumsilicat-Hydrat-Pigmentpartikel sind ein anorganischer, überaus weißer Farbstoff, der eine hohe Opazität bewirkt, was insbesondere eine hohe Abdeckleistung schafft.
Im Sinne der Erfindung wird als Calciumsilicat-Hydrat-Pigmentpartikeln eine chemische Zusammensetzung mit den Bestandteilen 6 CaO 6 SiO₂ H₂O verstanden. Neben den Hauptbestandteilen CaO und SiO₂ können weitere Nebenbestandteile wie etwa Magnesiumoxid, Aluminiumoxid oder Spuren von anderen Elementen vorliegen.
Es weist eine Brechzahl von circa 1,58-1,59 auf. Sein pH-Wert nach DIN ISO 787/9 liegt bei etwa 11.
Die Calciumsilicat-Hydrat-Pigmentpartikeln können als Pulver oder als Slurry zur Verfügung gestellt werden.
In Abgrenzung der Calciumsilicat-Hydrat-Pigmentpartikel zu den erfindungsgemäß vorgesehenen Füllstoffen, gilt im Übrigen das hierzu oben Gesagte zur Abgrenzung der erfindungsgemäß vorgesehenen Füllstoffe zu dem präzipitierten Calciumcarbonat (PCC) analog.
Weiter weist das Komposit präzipitiertes Calciumcarbonat (PCC)auf. Es kann in unterschiedlichen Kristallmodifikationen und Kornformen vorliegen. Hierfür kann handelsübliches präzipitiertes Calciumcarbonat (PCC) eingesetzt werden, dessen Herstellung mit dem Abbau des Kalksteins beginnt und die weiteren Verfahrensschritte des Brennens und Löschens des Kalks, der Fällung des Kalks beispielsweise durch Reaktion des Calciumhydroxids mit dem aus dem Kalkbrenner stammenden CO₂ umfasst. Die Morphologie des präzipitierten Calciumcarbonats, dessen Summenformel CaCO₃ ist, weist einen festen Aggregatzustand auf.
Es kann als Pulver oder als Slurry vorliegen.
Die Teilchengröße, insbesondere die Teilchengrößenverteilung, wirkt sich auf die Licht-Streueffizienz aus. Je feiner ein Pulver ist, desto mehr streut es normalerweise, weil es eine größere spezifische Oberfläche hat. Eine Rolle spielt weiterhin der Reinheitsgrad. Die Brechzahl liegt bei etwa 1,65. Die Kristallstruktur des Kalzits ist vorzugsweise rhomboedrisch. Die Kristallform ist vorzugsweise pseudo-kubisch.
Soweit Titandioxid zugegeben wird, kann es um handelsübliches Titandioxid handeln, wie es für die Herstellung von Dispersionsfarben verwendet wird.
Ein wasserhaltiger Beschichtungsstoff und Beschichtungssysteme für Wände und Decken, insbesondere eine Farbe, können neben den vorerwähnten Bestandteilen auch weitere Nebenkomponenten aufweisen, nämlich Kaolin vorliegend als Kaolinitaluminiumsilicathydrat mit einer Summenformel Al₂O₃ 2SiO₂ 2H₂O. Statt Kaolin oder zusätzlich zu Kaolin kann als Nebenbestandteil auch Talkum zugegeben werden, nämlich Magnesiumsilicat mit Kristallwasser (Mg₃(OH)₂/SiO₄O₁₀]. Kaolin und Talkum können 25-35 Gew.-% aufweisen.
Besonders bevorzugt ist es, wenn der Beschichtungsstoff, insbesondere die Farbe, über 1,5 Gew.-% Wasserglas und 5 Gew.-% monokline Calciumsilicat-Hydrat-Pigmentpartikeln aufweist. Dabei sind Calciumsilicat-Hydrat-Pigmentpartikeln in der Morphologie von Xonotlit bevorzugt. Zu dem bevorzugten Bereich des präzipitierten Calciumcarbonats wurde oben bereits ausgeführt.
Der Beschichtungsstoff, insbesondere die Farbe enthält das erfindungsgemäße Komposit in ideal dispergierter Form, was im Anwendersystem zu einer Steigerung der Lichtstreuung der das Titandioxid ersetzenden Komponenten führt.
Es ist bevorzugt, dass die Farbe einen pH-Wert von 10-12 nach DIN ISO 787/9 aufweist.
Bevorzugt ist es weiterhin, dass der Beschichtungsstoff, insbesondere die Farbe konservierungsmittelfrei ist, was durch die Einstellung des pH-Bereichs von 10-12 erreicht wird. Die Einstellung des pH-Wertes erfolgt primär durch das Wasserglas, das - wie dargelegt - als Bestandteil des Komposits auch zu dem Effekt des hohen Deckvermögens des Komposits beiträgt. Weiterhin kann der pH-Wert mittels eines Silikonates eingestellt werden.
Bevorzugt sind Alkali- oder Erdalkalialkylsilikonate, die insbesondere zur Feineinstellung des pH-Wertes zwischen 11 (Wirksamkeitsgrenze) und 11,5 (Kennzeichnungsgrenze) dienen.
Der Der Beschichtungsstoff, insbesondere die Farbe kann selbstverständlich noch weitere Additive wie Dispergiermittel, Verdickungsmittel, Stabilisatoren, Entschäumer und/oder Hydrophobierungsmittel enthalten.
Die vorerwähnte Polymerdispersion, die in der Farbe als Feststoffanteil in der Formulierung enthalten ist, wird bevorzugt ausgewählt aus Polymeren, die aus herkömmlichen Monomeren erhalten worden sind. Insbesondere werden Polymere in der Ausgestaltung als Reinacrylate, Styrolacrylate bis zu Vinylacetatethylen erfasst.
Die Verwendung von gemischten Polymeren, bestehend aus unterschiedlichen Monomeren, ist möglich.
Als Füllstoffe werden vorzugsweise insbesondere Silicate, (nicht präzipitierte) Carbonate, Flussspat, Sulfate und Oxide zugegeben. Zu diesen sonstigen Füllstoffen kann z.B. sog. Ground-Calciumcarbonat gehören.
Die im gesamten Vorstehenden wiedergegebenen Gewichtsanteile beziehen sich auf den Beschichtungsstoff, insb. die Farbe. Betrachtet man das dem Beschichtungsstoff zugrunde liegende wesentliche Komposit aus präzipitiertem Calciumcarbonat (PCC), Calciumsilicat-Hydrat-Pigmentpartikeln und Wasserglas gesondert, so liegt ein calciumcarbonat-haltiges Komposit vor, das präzipitiertes Calciumcarbonat (PCC) in einer Menge von etwa 30-50 Gew.-%, Calcium-Hydrat-Pigmentpartikel in einer Menge von etwa 30-50 Gew.-%, Wasserglas in einer Menge von etwa 10-40 Gew.-% enthält. Die Mengenverhältnisse des Komposits aus diesen Bestandteilen werden dabei so gewählt, dass die erfindungsgemäßen Werte dieser Bestandteile im Beschichtungssystem erreicht werden.
Die Erfindung wird durch die nachfolgende beispielhafte Zusammensetzung näher beschrieben. Alle Angaben erfolgen in Gew.-%. Mit diesen Angaben ist keine Limitierung der Erfindung verbunden.
Beispiel 1:

Komponente	Gew.-%
Wasser	30-35
Verdickungsmittel, z.B. Cellulosether	0,05-0,30
Netzmittel, z.B. Polyphosphonat	0,05-0,30
Stabilisierungsmittel, z.B. Lösungen quarternärer Ammoniumverbindungen	0,50-1,50
Entschäumer	0,15-0,45
Talkum	3,0-7,0
Titandioxid	0,1-7,0
Calcit	8,50-35
Präzipitiertes Calciumcarbonat	2-15
Calciumsilicat-Hydrat-Pigmentpartikeln	2-15
Bindemitteldispersion, Vinylacetatethylenbasierend	5-15
Kaliwasserglas (Feststoff)	1-5
Verdickungsmittel, z.B. Polyurethanbasierend	1,0-2,75
Summe	100

Beispiel 2:

Komponente	Gew.-%
Wasser	30-35
Verdickungsmittel, z.B. Cellulosether	0,05-0,30
Netzmittel, z.B. Polyphosphonat	0,05-0,30
Stabilisierungsmittel, z.B. Lösungen quarternärer Ammoniumverbindungen	0,50-1,50
Entschäumer	0,15-0,45
Talkum	3,0-7,0
Titandioxid	0,1-7,0
Calcit und/oder Flussspat und/oder Sulfat und/oder Oxide	8,50-30
Präzipitiertes Calciumcarbonat	2-20
Calciumsilicat-Hydrat-Pigmentpartikeln	2-15
Bindemitteldispersion, Vinylacetatethylen-	5-15
basierend
Kaliwasserglas (Feststoff)	1-5
Verdickungsmittel, z.B. Polyurethanbasierend	1,0-2,75
Summe	100

Beispiel 2 unterscheidet sich von Beispiel 1 dadurch, dass der maximale Anteil des präzipitierten Calciumcarbonats (PCC) erhöht wurde und damit auch eine über seine bevorzugte Kompositeigenschaft hinausgehende Funktion als Füllmaterial übernimmt. Der angegebene Anteil des Füllstoffs wurde entsprechend reduziert.
Beispiel 3:

Komponente	Gew.-%
Wasser	30-35
Verdickungsmittel, z.B. Cellulosether	0,05-0,30
Netzmittel, z.B. Polyphosphonat	0,05-0,30
Stabilisierungsmittel, z.B. Lösungen quarternärer Ammoniumverbindungen	0,50-1,50
Entschäumer	0,15-0,45
Talkum	3,0-7,0
Titandioxid	0,1-7,0
Calcit und/oder Flussspat und/oder Sulfat und/oder Oxide	8,50-25
Präzipitiertes Calciumcarbonat	2-25
Calciumsilicat-Hydrat-Pigmentpartikeln	2-15
Bindemitteldispersion, Vinylacetatethylenbasierend	5-15
Kaliwasserglas (Feststoff)	1-5
Verdickungsmittel, z.B. Polyurethanbasierend	1,0-2,75
Summe	100

Beispiel 3 unterscheidet sich von Beispiel 2 lediglich durch eine weitere Verschiebung der Gewichtsanteile des präzipitierten Calciumcarbonats (PCC) zu den sonstigen Füllstoffen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1297079 B1 [0003]
DE 102014013455 A1 [0004]
DE 102007023093 A1 [0029]
WO 2015/086146 A1 [0030]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN EN 13300 [0024, 0025]
DIN EN ISO 6504-3 [0025]
DIN EN ISO 11998 [0025]
DIN EN 6503-4 [0044]
DIN EN 1300/DIN EN ISO 6503-4 [0045]
DIN EN 13300/DIN EN ISO 11998 [0046]
DIN EN 1300/DIN EN ISO 11998 [0048]
DIN ISO 787/9 [0072]

Claims

Beschichtungssystem enthaltend 3-15 Gew.-% Polymerdispersion, 10-50 Gew.-% Füllstoff, 1-5 Gew.-% Wasserglas, 2-15 Gew.-% Calciumsilicat-Hydrat-Pigmentpartikeln, wenigstens 2-15 Gew.-% präzipitiertes Calciumcarbonat 0,1-7,0 Gew.-% Titandioxid und/oder eine Pigmentsubstanz aus der Gruppe der Oxide ZnO, ZrO₂, SnO₂, oder eine Mischung daraus, alle vorerwähnten Komponenten gerechnet als Feststoffanteil, und zu 100 Gew.-% ergänzte Anteile an Wasser.
Beschichtungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasserglas eine Kaliwasserglas-Lösung mit einem Feststoffgehalt von 25,0 % - 30 % ist.
Beschichtungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Calciumsilicat-Hydrat-Pigmentpartikeln in monokliner mineralogischer Zusammensetzung vorliegt.
Beschichtungssystem nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das präzipitierte Calciumcarbonat in einer calcinierten rhomboedrischen Kristallstruktur und einer pseudo-kubischen Kristallform vorliegt.
Beschichtungssystem nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Deckvermögen von mindestens 98 bis < 99,5 bei 8 m² je Liter gemäß DIN EN ISO 6504-3 sowie eine Nassabriebbeständigkeit von mindestens ≥ 20 µm und < 70 µm bei 200 Hüben nach DIN EN ISO 11998 aufweist.
Beschichtungssystem nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichtungssystem 1,5 Gew.-% Wasserglas, 5 Gew.-% monokline Calciumsilicat-Hydrat-Pigmentpartikeln enthält.
Beschichtungssystem nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der pH-Wert auf 10-12 nach DIN ISO 787/9 eingestellt ist.
Beschichtungssystem nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass es konservierungsmittelfrei ist.
Beschichtungssystem nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der pH-Wert mittels eines Silikonates eingestellt wird.
Beschichtungssystem nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass es als weitere Additive Dispergiermittel, Verdickungsmittel, Stabilisatoren, Entschäumer und/oder Hydrophobierungsmittel enthält.
Beschichtungssystem nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerdispersion ausgewählt ist aus Polymeren, die aus den Monomeren Carbonsäurevinylester mit 3-10 Kohlenstoff-Atomen, N-Vinylpyrollidon, ethylenisch ungesättigten Carbonsäuren, deren Ester, deren Amide oder deren Anhydride und/oder deren a-Olefine, bzw. aus Acryl-Monomeren und Styrol erhalten worden ist.
Beschichtungssystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerdispersion aus Mischungen der vorgenannten Komponenten besteht.
Beschichtungssystem nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllstoffe ausgewählt sind aus Silicaten, nicht präzipitierten Carbonaten, Flussspat, Sulfaten und/oder Oxiden.
Verwendung des Komposits enthaltend präzipitiertes Calciumcarbonat, Calciumsilicat-Hydrat-Pigmentpartikel und Wasserglas in einem Beschichtungssystem nach Anspruch 1 zur Verbesserung der Lichtstreueffizienz in Beschichtungssystemen.
Verwendung desBeschichtungssystems nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche 1 bis 13 im Innenbereich oder Außenbereich.