DE2611768A1 - Pigmentaufschlaemmungen mit hohem feststoffgehalt - Google Patents

Pigmentaufschlaemmungen mit hohem feststoffgehalt

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DE2611768A1 DE19762611768 DE2611768A DE2611768A1 DE 2611768 A1 DE2611768 A1 DE 2611768A1 DE 19762611768 DE19762611768 DE 19762611768 DE 2611768 A DE2611768 A DE 2611768A DE 2611768 A1 DE2611768 A1 DE 2611768A1
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Erich Dr Eimers
Hermann Dr Perrey
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Bayer AG
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Description

Bayer Aktiengesellschaft
Zentralbereich Patente. Marken und Lizenzen
509 Leverkusen. Bayerwerk
Gr-Pf
18. März 1976
Pigmentaufschlämmungen mit hohem Feststoffgehalt
Die vorliegende Erfindung betrifft Aufschlämmungen von Pigmenten, insbesondere von Titandioxidpigmenten mit hohem Feststoffgehalt und besonders guter Lagerbeständigkeit und ein Verfahren zu deren Herstellung.
Pigmente werden in. großem Umfang in Form von wäßrigen Suspensionen eingesetzt und verarbeitet. Beispiele sind die Herstellung pigmentierter Papiere, bei der zu einer wäßrigen Cellulose-Faser-Aufschlämmung Anatas zugesetzt und die Maische nach Zugabe von Hilfsmitteln, wie z.B. Flockungsmitteln, auf einem Sieb zu einem Papierblatt ausgeformt wird, oder die Herstellung von Dispersionsfarben, bei denen zu einer wäßrigen Kunstharzdispersion neben Füllstoffen, wie Silikaten, Kreide, Schwerspat usw. auch Titandioxidpigmente zugesetzt werden. Ferner sind derartige Pigmentaufschlämmungen für Sprühtrocknungsprozesse von Bedeutung, wie sie z.B. im Anschluß an eine Nachbehandlung eines Titandioxidpigments, beispielsweise mit SiO2, Al3O3, TiO2
durchgeführt werden. Für diese Art der Trocknung müssen aus wirtschaftlichen Gründen möglichst wasserarme, jedoch fließfähige Suspensionen eingesetzt werden.
Um die Verarbeitung des Pigmentes in wäßrigen Aufschlämmungen beim Endverbraucher zu erleichtern, ist es bereits üblich geworden, hochkonzentrierte, wäßrige Pigmentsuspensionen ( bis etwa 75 gewichtsprozentig) anstelle der trocknen, pulver-
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Le A 17 019 - 1 -
förmigen Pigmente in den Handel zu bringen. Es wird dabei angestrebt, den Wassergehalt dieser Suspensionen möglichst gering zu halten, um Lager- und Transportraum optimal auszunutzen. Normalerweise zeigen jedoch festkörperreiche Pigmentsuspensionen eine sehr hohe Viskosität und die Erscheinung des Eindickens beim Lagern, wodurch die Verarbeitung der Aufschlämmungen erschwert wird. Es ist deshalb bereits üblich geworden, den Aufschlämmungen gewisse Zusatzstoffe zuzusetzen, welche die Viskosität herabsetzen und das Eindicken verhindern. Als solche Zusatzstoffe sind bereits ef-Aminoalkylendiphosphonsäuren, wie z.B. Phenylaminomethylendiphosphonsäure vorgeschlagen worden (deutsche Offenlegungsschrift 1 542 202, US-Patentschrift 3 713 859).
Derartige Pigmentaufschlämmungen zeigen jedoch in der Regel noch eine zu hohe Viskosität bzw. eine relativ begrenzte Lagerstabilität .
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Nachteile, die bei den bekannten Pigmentaufschlämmungen auftreten, möglichst zu vermeiden.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind Aminophosphonsäurehaltige Pigmentaufschlämmungen mit hohem Feststoffgehalt, die ferner übliche Hilfsstoffe enthalten können, die dadurch gekennzeichnet sind, daß sie Aminophosphonsäuren der allgemeinen Formel I
(CR2R ) 0
/ *n η
R1-N _lC (-P (0H)2)2 ι
enthalten, worin
R , w und R unabhängig voneinander Wasserstoff oder ein Alkylrest von 1-3 C-Atomen und
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η gleich 3-11 ist oder Salze dieser Amminophosphonsäuren enthalten.
Die Konzentration der genannten Zusatzstoffe beträgt etwa 0,01 bis 1 Gewichtsprozent, bezogen auf den Peststoffgehalt der Pigmentaufschlämmungen, vorzugsweise 0,05 bis 0,5 Gewichtsprozent, besonders bevorzugt 0,1 bis 0,3 Gewichtsprozent.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner ein Verfahren zur Herstellung hochprozentiger Aminophosphonsäure-haltiger Pigmentaufschlämmungen, die übliche Hilfsstoffe enthalten können, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man den Pigmenten vor, während oder nach dem Suspendieren in Wasser innerhalb eines pH Bereiches von 5 bis 12 Aminophosphonsäuren der allgemeinen Formel I
(CR2R3) 0
S V "
I R1-N— ~.C (-P (OH)2)2 oder deren Salze
zusetzt, worin
12 3
R7R und R unabhängig voneinander Wasserstoff oder ein Alkylrest von 1-3 C-Atomen und η gleich 3-11 ist.
Aminophosphonsäuren nach der allgemeinen Formel I mit η = 5 sind aus der Deutschen Offenlegungsschrift 2 343 196 bekannt.
Es war überraschend, daß die hier genannten speziellen Azacycloalkandiphosphonsäuren entsprechend der allgemeinen Formel I eine wesentlich bessere Wirkung zeigen, als Aminophosphonsäuren, wie wie beispielsweise in der Deutschen Offenlegungsschrift 1 542 202 sowie in der US-Patentschrift 3 713 859 beschrieben sind.
Die erfindungsgemäß hergestellten Pigmentaufschlämmungen
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zeichnen sich gegenüber bekannten Pigmentaufschlämmungen bei gleichem Feststoffgehalt durch eine niedrigere Viskosität sowie eine verbesserte Lagerstabilität aus. Ein weiterer Vorzug besteht darin, daß die als Zusatzstoffe benötigten Phosphonsäuren leicht und in hohen Ausbeuten aus relativ einfachen, leicht zugänglichen Ausgangsstoffen herstellbar sind. Ferner wirken sich bei den erfindungsgemäßen Pigmentaufschlämmungen Eigenschaftsschwankungen der Pigmente, die zwar in der üblichen Toleranz liegen,weniger stark aus als bei Pigmentaufschlämmungen, die nach dem Stand der Technik hergestellt werden.
Die vorliegende Erfindung eignet sich für anorganische Pigmente, wie z.B. SiO2, FeOOH, Fe.,0^, Cr2O, TiO2. Besonders gute Ergebnisse werden mit Titandioxidpigmenten, wie z.B. Rutil oder Anatas erzielt. Die Titandioxidpigmente können anorganisch oder organisch nachbehandelt sein. Bekannte anorganische Nachbehandlungen von TiO2 Pigmenten bestehen beispielsweise in der Umhüllung mit SiO2, Al2O,, TiO2, ZrO2, ZnO, MgO und/oder Phosphaten.Auch eine organische Nachbehandlung mit Aminen, Hydroxyalkanen, Epoxiden usw. beeinträchtigt die Herstellung der Pigmentaufschlämmungen nicht. Das nach der vorliegenden Erfindung einzusetzende Titandioxid kann sowohl nach dem Chlorid- als auch nach dem Sulfatverfahren erzeugt werden.
Als Diphosphonsäuren können beispielsweise angewendet werden: Azacycloheptan (2,2) diphosphonsäure, Azacyclopentan (2,2) diphosphonsäure, N-Methylazacyclopentan (2,2) diphosphonsäure, 7-Methylazacycloheptan (2,2) diphosphonsäure, Äzacyclotridecan (2,2) diphosphonsäure. Auch die neutralen und sauren Salzen von Diphosphonsäuren können eingesetzt werden. Als Kationen kommen in Betracht beispielsweise Natrium, Lithium, Kalium, Magnesium, Ammonium, Hydrazinium, Hydroxylammonium, ferner primäre,
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sekundäure, tertiäre oder quärtiare Ammoniumionen. Besonders bevorzugte Zusatzstoffe im Sinne der vorliegenden Erfindung sind außer den genannten Säuren auch ihre Monoaminoniumsalze.
Die Pigmentaufschlämmungen können übliche Hilfsstoffe, wie z.B. Celluloseäther, Sorbit usw. ferner Füllstoffe, wie z.B. Schwerspat, Kreide, Silikate bzw. Kieselsäuren, Dolomit, Glimmer, Konservierungsmittel, wie z.B. para-chlor-meta Kresol, Natriumpentachlorphenolat usw. enthalten. Diese Hilfsstoffe kommen in der Regel in Mengen von 0,05 bis 5 Gewichtsprozent, bezogen auf die Pigmentaufschlämmung zur Anwendung. Die Herstellung der Pigmentaufschlämmungen erfolgt in vorteilhafter Weise derart, daß die zur Erreichung des jeweils angestrebten Festkörpergehalts (z.B. 70 %) benötigte Menge Wasser vorgelegt wird. Mit Natronlauge oder einer anderen Lauge wird dann ein pH-Wert von 8-9 eingestellt, nachdem vorher die verflüssigend wirkenden Zusatzstoffe zugegeben wurden. Dann erfolgt unter Rühren die Pigmentzugabe.
Es kann auch so verfahren werden, daß das Pigment mit Hilfe eines schnell laufenden und hohe Turbulenz erzeugenden Rührers (z.B. Propellerrührer) stufenweise in der notwendigen Menge Wasser angemaischt und bei· Verdickung schrittweise die verflüssigend wirkenden Zusatzstoffe zugegeben werden, bis die gewünschten Prozentgehalte hinsichtlich Feststoffgehalt und Gehalt an Verflüssigungsmittel erreicht sind. Bereits verfestigte Pigmentsuspensionen (z.B. Filterkuchen) können in analoger Weise durch intensive Mischung (z.B. Verknetung) mit den erfindungsgemäß verflüssigend wirkenden Zusatzstoffen verflüssigt werden.
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Die erfindungsgemäßen Pigmentaufschlämmungen können eingetrocknet und vermählen werden. Die erhaltenen Pigmentpulver können in einem Arbeitsgang mit Wasser wieder zu hochprozentigen Pigmentaufschlämmungen verflüssigt werden. In analoger Weise ist es möglich, trockene Pigmentpulver mit den erfindungsgemäß zur Verflüssigung geeigneten Zusatzstoffen in festem Zustand zu vermischen oder zu vermählen und das erhaltene Gemisch anschließend in einem Arbeitsgang mit Wasser zu einer hochprozentigen Pigmentaufschlämmung anzurühren.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung beispielhaft erläutert:
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Beispiel 1
Herstellung von verschiedenen hoch konzentrierten Anatas-Aufschlämmungen mit Azacycloheptan(2,2)diphosphonsäure und Phenylaminomethylendiphosphonsäure als Vergleichsubstanz.
Als TiOp-Pigment wurde ein Handelsprodukt, ein unbehandelter Anatas mit 99 % TiOp-Gehalt eingesetzt. Die Netzmittelmenge betrug 0,1 %, bezogen auf Pigment. Gegenübergestellt als Netzmittel wurden Azacycloheptan(2,2)-diphosphonsäure (Nr. 1) und Phenylaminomethylendiphosphonsäure (Nr. 2) bzw. deren Na-Salze.
Die Herstellung der Anatas-Aufschlämmungen bzw. -slurries erfolgte, indem zuerst die zur Erreichung des jeweiligen Festkörpers (68 %, 70 % und 72 %) benötigte Menge Wasser vorgelegt wurde. Bei den Aufschlämmungen mit unbehandeltem Anatas (Beispiel 1-3) wurde wegen der besseren Reproduzierbarkeit destilliertes Wasser eingesetzt, bei den anderen Beispielen wurde mit Leitungswasser gearbeitet. Mit NaOH wurde ein pH-Wert von 8-9 eingestellt, nachdem vorher die benötigte Zusatzstoffmenge in das Wasser gegeben war. Dann wurde kontinuierlich unter Rühren die zur Erreichung des angestrebten Festkörpergehaltes erforderliche Menge Anatas zugegeben. Anschließend, wenn sich das gesamte Pigment in der Suspension befand, wurde bei optimaler Umdrehungszahl ca. 20 min. dispergiert.
Die Messung der Viskositäten (see.) erfolgte, wenn möglich, mit Hilfe des DIN 4- oder DIN-6-Bechers. Mit dieser Methode wird gleichzeitig sehr anschaulich das Fließverhalten der herge-
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stellten Aufschlainmungen charakterisiert. Die Viskositäten (Pa.s) wurden außerdem auch noch mit Hilfe eines Rotationsviskos imeters bestimmt (Rheomat 15 der Firma Contraves, Schweiz), wenn möglich bei gleicher oder bei der jeweils höchstmöglichen Schergeschwindigkeit (D/sec ).
Zusatz
stoffe		 Fest
körper
(%)		 Viskos
D (see '		 ität in Rieanat 15
) (Pa. s) D(see"1)		 195,7 (Pa.s) DIN 4
Becher
(see)		 DIN 6
(sec)
Nr. 1 68 84,5 0,089 195,7 0,059 13,5 5,7
70 84,5 0,15 195,7 0,094 15,0 6,0
72 84,5 0,24 98,3 0,13 19,5 6,3
Nr. 2 68 74,48 15,7 98,3 13,8 nm nm
70 74,48 15,7 98,3 19,6 nm nm
72 79,37 21,1 19,7 nm nm
nm = nicht meßbar
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Beispiel 2
Einfluß der Netzmittelmenge beim Einsatz von Azacycloheptan (2,2)diphosphonsäure (Nr. 1) und Phenylaminomethylendisphosphonsäure (Nr. 2) auf die Viskosität und die Fließfähigkeit einer 72 %igen Anatas-Aufschlämmung.
Die Herstellung der Aufschlämmungen wirde wie bei Beispiel 1 durchgeführt. Der Festkörpergehalt (72 %) der Aufschlämmungen wurde konstant gelassen, während die Menge des Zusatzstoffes varriert wurde. Die Messung der Fließfähigkeit bzw. der Viskosität erfolgte ebenfalls wie unter Beispiel 1 beschrieben.
Zusatz
stoff		 Einge
setzte
Menge		 Fest
körper		 Viskosität
D (see"') 		im Rheanat 15
(Pa.s)		 DIN 4-Becher
(see.)
Nr. 1 0,0 72 98,3 20,7 nm
0,05 72 84,5 0,28 24,9
0,1 72 84,5 0,27 24,3
0,15 72 84,5 0,28 23,1
0,2 72 84,5 0,32 22,6
0,3 72 84,5 0,46 33,0
Nr. 2 0,05 72 79,37 21,3 nm
0,1 72 79,37 19,5 nm
0,15 72 79,37 17,5 nm
0,2 72 79,37 16,8 nm
0,3 72 79,37 19,3 nm
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Beispiel 3 A%
Herstellung möglichst hochkonzentrierter Anatas-Aufschlammungen mit 0,3 % Zusatzstoff.
Die Herstellung und Messung der Aufschlämmungen erfolgte wie unter Beispiel 1 angegeben. Mit Azacycloheptan (2,2)diphosphonsäure (Nr.1) Methyl-azacycloheptan (2,2)diphosphonsäure (Nr. 3) und Azacyclotridecan (2,2) diphosphonsäure (Nr. 4) ließen sich mit dem eingesetzten Anatas-Pigment (unter Beispiel 1 beschrieben) maximal 72 und 75 %ige Aufschlämmungen herstellen, die nach fließfähig waren. Mit Aminotrimethylenphosphonsaure (Vergleichssubstanz Nr. 5) ließ sich nur eine 58 %ige Aufschlämmung herstellen, die leicht fließfähig war. Bei einem Festkörpergehalt von 60 % und 62 % waren die Aufschlämmungen schon leicht pastös.
Zusatz 1 Fest Viskosität im Rheomat 15 DIN 4 DIN 6
stoffe körper D(sec~1) (Pa.s) Becher
3 (%) (see) (sec)
Nr. 72 84,5 0,45 36,0 9,0
4 75 77,92 1,15 nm nm
Nr. 72 77,92 0,43 12,0 5,4
5 75 84,5 0,44 36,3 9,0
Nr. 72 77,92 0,69 nm nm
75 77,92 0,87 nm nm
Nr. A. 17 58 84,5 0,024 15,6 6,0
60 98,3 1,25 nm nm
62 98,3 2,14 nm nm
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Beispiel 4 "3
Herstellung einer 75 %igen Aufschlämmung eines nachbehandelten Anataspigmentes mit Azacycloheptan (2,2)diphosphonsäure (ir. 1) und Aminotrimethylenphosphonsäure (Nr. 5).
Die Herstellung und Messung der Aufschlämmungen erfolgte wie unter Beispiel 1 beschrieben. Als Pigment wurde aber ein handelsübliches, mit Aluminiumoxid und einer organischen Substanz nachbehandeltes, mikronisiertes Anataspigment eingesetzt. Das Pigment hat einen TiO„-Gehalt ν on 96 %. Es wurden verschiedene Mengen an Zusatzstoffen verwandt.
Zusatz Eingesetze Festkörper Viskosität im Kieomat 15
stoffe Menge D (sec"1) (Pa. s)
Mr. 1 0,0 75 31,6 47,0
0,1 75 137,5 0,39
0,2 75 137,5 0,63
0,3 75 137,5 0,64
0,4 75 137,5 0,64
Mr. 2 0,1 75 137,5 1,08
0,2 75 137,5 1,14
0,3 75 137,5 1,42
0,4 75 137,5 1,40
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Beispiel 5 "k
Herstellung einer Rutilaufschlämmung mit zwei unterschiedlichen nachbehandelten Rutilpigmenten unter Einsatz von Azacycloheptan (2,2) diphosphonsäure (Nr.1), Methylazacycloheptan (2,2) diphosphonsäure (Nr.3) Azacyclotridecan (2,2)diphosphonsäure (Nr. 4) und Aminotrimethylenphosphonsäure (Nr. 5).
Die Herstellung und Messung der Aufschlämmungen erfolgte wie unter Beispiel 1 beschrieben. Rutil 1 ist ein mit Zinkoxid stabilisiertes mit Aluminium-und Siliciumverbindungen nachbehandeltes und mikronisiertes Rutilpigment des Handels. Rutil 2 unterscheidet sich von Rutil 1 nur dadurch, daß die Nachbehandlung nur mit Aluminiumverbindungen erfolgte. Beide Pigmente sind zusätzlich organisch behandelt. Von den Zusatzstoffen wurden je 0,1 % eingesetzt (bezogen auf Pigment).
Zusatz- Fest- Zusatzstoffe körper stoffe
(%) Nr. 1 Nr.3 . Nr. 4 1 Nr. 5 D(sec~')(Pa.s) 0(sec~ ) (Pa.s) D(sec"') (Pa.s) Disec
1 ?2 195,7 0,044 195,7 0,06 195,7 0,005 195,7 0,124
Rutil 2 75 195,7 0,164 195,7 0,155 137,1 0,19 137,1 0,314
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Beispiel 6
Herstellung einer Aufschlämmung mit zwei handelsüblichen Eisenoxidschwarzpigmenten (Fe-,0^) und den unter Beispiel 5 aufgeführten Zusatzstoffen. Herstellung und Prüfung der Aufschlämmungen wie unter Beispiel 1 beschrieben.
Pigment Fest- Zusatzstoff (0,1 % bezogen auf Pigment körper D (see ') Nr. 1 Nr. 3 Nr. 4 Nr. 5 % (Pa.s) (Pa.s) (Pa.s) (Pa.s)
Fe3O4 65 98, 3 2 ,09 2 ,98 2 ,11 2 ,97
Fe3O4 62 98, 3 2 ,22 1 ,87 2 ,61 3 ,08
Beispiel 7
Herstellung einer Aufschlämmung mit zwei handelsüblichen Eisenoxidrotpigmenten. Bei Fe2O3I handelt es sich um ein mikronisiertes Pigment. Herstellung und Prüfung der Aufschlämmungen wie bei Beispiel 1.
Pigment Fest- D(sec~1) Zusatzstoff (0,1 %)
körper Nr. 1 Nr. 3 Nr. 4 Nr. 5 (%) (Pa.s) (Pa.s) (Pa.s) (Pa.s)
Fe2O3I 70 195,7 o,063 0,067 0,122
Fe2O32 70 98,3 2,31 1,97 3,22
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Beispiel 8
Herstellung einer Aufschlämmung mit einem handelsüblichen mikronisiertem Eisenoxidgelbpigment (FeOOH).
Pigment Fest- D (see"1) Zusatzstoffe (0,1 %)
körper Nr. 1 Nr. 3 Nr. 4 Nr.
% (Pa.s) (Pa.s) (Pa.s) (Pa.s)
FeOOH 42 98,3 3,84 3,34 3,64 6,34
Beispiel 9
Herstellung einer Aufschlämmung mit einem handelsüblichen Chromoxidpigment
Pigment Fest- Zusatzstoff
körper Nr. 1 Nr. 3 Nr. 5
(%) D(sec~1) (Pa.s) D(sec~1) (Pa.s) D(sec~1) (Pa.s)
Cr2O3 75 195,7 0,491 137,1 0,335 98,3 2,51
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Claims (6)

Patentansprüche;
1. Aminophosphonsäure-haltige Pigmentaufschlämmungen mit hohem Feststoffgehalt, die übliche Hilfsstoffe enthalten können, dadurch gekennzeichnet, daß sie Aminophosphonsäuren der allgemeinen Formel I
R1 -N C (-P(OH)2J2 I
worin
R , R^ und RJ unabhängig voneinander Wasserstoff oder ein Alkylrest von 1 bis 3 C-Atomen und η gleich 3 bis 11 ist oder Salze dieser Aminophosphonsäuren,enthalten.
2. Pigmentaufschlämmungen gemäß Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß sie 0,01 bis 1 Gew.-%, vorzugsweise 0,05 bis 0,5 Gew.-% Aminophosphonsäuren, bezogen auf den Feststoffgehalt der Pigmentaufschlämmungen, enthalten.
3. Pigmentaufschlämmungen gemäß einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Pigmentaufschlämmungen Natrium-,Litium-, Kalium-, Magnesium-, Ammonium-, Hydrazinium-, Hydroxylammonium-, Alkylammoniumsalze der Aminophosphonsäuren enthalten.
4. Pigmentaufschlämmungen gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß sie Titandioxidpigment enthalten .
5. Verfahren zur Herstellung hochprozentiger Aminophosphonsäure-haltige r Pigmentaufschlämmungen, die übliche Hilfsstoffe enthalten können ,dadurch gekennzeichnet, daß man
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den Pigmenten vor, während oder nach dem Suspendieren in Wasser innerhalb eines pH-Bereiches von 5 bis 12 Aminophosphonsäuren der allgemeinen Formel I
(CR2R3) _
R -N ^C (-P-fOH) )
worin
12 3
R , R und R unabhängig voneinander Wasserstoff oder ein Alkylrest von 1 bis 3 C-Atomen und
η gleich 3 bis 11 ist oder Salze dieser Aminophophonsäuren, zusetzt.
6. Verwendung von Pigmentaufschlämmungen gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 für die Herstellung pigmentierter Papiere oder wäßriger Kunstharzdispersionen.
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