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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Oberflächenmodifizierung von Titandioxidpigment sowie die Verwendung des Titandioxidpigments insbesondere in Anstrichstoffen für Innen- und Außenwände (Dispersionsfarben) und in wasserbasierten Lacken.
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Technologischer Hintergrund der Erfindung
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Titandioxid ist wegen seines hohen Brechungsindex generell das wichtigste Weißpigment in den Anwendungsbereichen Farben und Lacke, Kunststoffe, Papier und Fasern. Für die Verwendung in den verschiedenen Bereichen sind neben den optischen Eigenschaften wie z. B. Aufhellvermögen, Farbton oder Deckvermögen die Photostabilität (Witterungsbeständigkeit) des Pigments und weitere Oberflächeneigenschaften wie Dispergierbarkeit entscheidend. Die Titandioxidpigmentpartikel werden deswegen üblicherweise durch eine anorganische und/oder organische Oberflächenbeschichtung in ihren Eigenschaften auf die speziellen Anwendungsbereiche angepasst.
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Anstrichstoffe für Innen- und Außenwände, im Folgenden als Dispersionsfarben bezeichnet, enthalten üblicherweise neben Titandioxidpigment erhebliche Mengen an sogenannten Externdern, beispielsweise Calciumcarbonat, Diatomeenerde oder Bariumsulfat. Die Extender haben unter anderem die Aufgabe, die Pigmentteilchen in der Farbe voneinander getrennt zu halten, so dass möglichst jedes einzelne Pigmentteilchen optisch wirksam werden kann. Auf diese Weise können hohe Werte für die Gesamt-Pigment(plus Extender)-Volumen-Konzentration von 70% und mehr erhalten werden.
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Titandioxidpigmente für den Einsatz in Dispersionsfarben müssen einerseits ein hohes Deckvermögen (Opazität) und andererseits eine gute Dispergierbarkeit aufweisen. Zur Erzielung des hohen Deckvermögens werden sie üblicherweise mit einer voluminösen, porösen, lockeren Beschichtung aus Silicium- und Aluminiumoxid versehen. Die voluminöse, lockere Struktur der Oberflächenbeschichtung wirkt als Abstandshalter zwischen den einzelnen Partikeln und führt über den Dry-hiding Effekt zu erhöhtem Deckvermögen.
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Darüber hinaus beeinflusst die poröse Oberflächenbeschichtung des Pigments das Flüssigkeitsrückhaltevermögen und damit die Viskosität der Farbe.
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Die
US 3,410,708 und
US 3,591,398 offenbaren Verfahren zur Herstellung von porösen SiO
2- bzw. Al
2O
3-Oberflächenbeschichtungen.
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Für die Verarbeitung von Dispersionsfarben auf der Wand ist einerseits eine bestimmte Viskosität und ein gewisses thixotropes Verhalten der Farbe wichtig, so dass die Farbe auf der senkrechten Fläche direkt gut haftet, aber auch leicht verteilt werden kann. Andererseits ist eine lange Offenzeit der Farbe erwünscht, um ein leichtes Überstreichen von nassen Anstrichfilmen zu ermöglichen. Üblicherweise versucht man, diese gegenläufigen Eigenschaften durch Verwendung verschiedener Additive wie Dispergiermittel und Verdickungsmittel zu optimieren.
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Es besteht ein Bedürfnis, die Rezepturformulierung der Farben zu vereinfachen und die Anzahl und/oder die Menge der erforderlichen Additive zu verringern.
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Aufgabenstellung und Kurzbeschreibung der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem ein Titandioxidpigment hergestellt werden kann, das Aufgaben eines Teils der Additive in Dispersionsfarben übernimmt, insbesondere die Optimierung von rheologischem Verhalten (z. B. Viskosität) und Offenzeit der Farbe.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Oberflächenmodifizierung von Titandioxidpigmentpartikeln dadurch gekennzeichnet, dass
- a) die Partikel zunächst mit einer anorganischen Oberflächenbeschichtung versehen werden, welche eine lockere Struktur aufweist und
- b) nachfolgend die Partikel hohen Scher- und Prallkräften ausgesetzt werden, so dass die lockere Struktur der anorganischen Oberflächenbeschichtung zumindest teilweise verdichtet wird.
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Die Aufgabe wird des Weiteren gelöst durch Titandioxidpigmentpartikel dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel in einem ersten Schritt mit einer anorganischen Oberflächenbeschichtung mit lockerer Struktur versehen werden und dass in einem zweiten Schritt die lockere Struktur der Oberflächenbeschichtung durch Einwirkung mechanischer Energie nachträglich verdichtet wird.
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Weitere vorteilhafte Ausformungen der Erfindung sind in den Ansprüchen angegeben.
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Beschreibung der Erfindung
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Im Rahmen der Beschreibung der Oberflächenbeschichtung von Titandioxidpartikeln sind unter „Oxid” hier und im Folgenden auch die entsprechenden wasserhaltigen Oxide bzw. die entsprechenden Hydrate zu verstehen. Alle im Folgenden offenbarten Angaben bezüglich Konzentration in Gew.-% oder Vol.-% usw. sind so zu verstehen, dass alle Werte, die im Bereich der dem Fachmann bekannten jeweiligen Messgenauigkeit liegen, mitumfasst sind.
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Der Begriff „Roh-Titandioxidpigmentpartikel” richtet sich auf Titandioxidpigmentpartikel, die noch keiner Oberflächenbehandlung unterworfen wurden.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Oberflächenmodifizierung von Titandioxidpigment, wodurch die Offenzeit und Viskosität der damit hergestellten Dispersionsfarbe parallel beeinflusst werden, so dass beispielsweise die Offenzeit der Farbe bei gleichbleibender Viskosität verlängert bzw. die Viskosität der Farbe bei gleichbleibender Offenzeit erhöht wird.
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Die Erfindung geht von einem Titandioxidpigment aus, das mit Siliciumoxid und/oder Aluminiumoxid mit lockerer Struktur beschichtet wurde, im Folgenden als „Ausgangspigment” bezeichnet. Die entsprechenden Verfahren zur Herstellung von porösen Oberflächenbeschichtungen sind bekannt und beispielweise in
US 3,410,708 und
US 3,591,398 offenbart. Üblicherweise wird eine wässrige Suspension von Roh-Titandioxidpigmentpartikeln hergestellt und die Beschichtungssubstanzen in Form einer wässrigen Lösung entsprechender Salze zugegeben. Durch Einstellung eines geeigneten pH-Werts werden die Substanzen in lockerer Struktur gefällt. Üblicherweise fällt bei den bekannten Verfahren ein erheblicher Anteil der Beschichtungssubstanzen – etwa 20 bis 30 Gew.-% – nicht auf der Partikeloberfläche, sondern separat als flockige Aggregate aus. Die Aggregate können nicht von den Pigmentpartikeln abgetrennt werden und verbleiben im Ausgangspigment.
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Die Gesamtenge der gefällten Beschichtungssubstanzen im Ausgangspigment liegt bevorzugt bei mindestens 10 Gew.-% gerechnet als Oxid und bezogen auf Gesamtpigment.
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Der Siliciumoxid-Gehalt liegt bevorzugt bei 5 bis 20 Gew.-% und der Aluminiumoxidgehalt liegt bevorzugt bei 0,5 bis 8 Gew.-% bezogen auf das Gesamtpigment. Die spezifische Oberfläche (nach BET) des Ausgangspigments liegt bevorzugt bei etwa 40 bis 80 m2/g. Die Ölzahl des Ausgangspigments (gemessen nach DIN EN ISO 787-5) beträgt bevorzugt etwa 20 bis 80 g/100 g Pigment. Die Schüttdichte des Pigments liegt bevorzugt bei etwa 0,4 bis 0,7 g/cm3.
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Im Rahmen der Erfindung wird das Ausgangspigment oberflächenmodifiziert, indem es in einer geeigneten Vorrichtung hohen Scher- und Prallkräften ausgesetzt wird, bevorzugt in einer Vorrichtung vom Typ Stator/Rotor. Bevorzugt wird ein Mischbehälter mit Mischwerkzeugen, die gegeneinander bewegt, insbesondere rotiert werden und wobei hohe Schub- und Prallkräfte ausgeübt werden. Bei dem Mischbehälter kann es sich z. B. um eine Trommel mit rotierenden Mischwerkzeugen oder um eine rotierende Trommel mit feststehenden oder rotierenden Mischwerkzeugen handeln. Die Intensität der Rotationsbewegung des Mischbehälters kann durch die dimensionslose Froudezahl beschrieben werden.
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Die dimensionslose Froudezahl FrP ist definiert als das Verhältnis aus Zentrifugalkraft FZ zu Gravitationskraft F, die an den Einzelpartikel (P) angreifen, d. h. FrP = FZ/F = (ωP 2·RP)/g, wobei ωP die Kreisfrequenz, RP der Radius der Partikelflugbahnkurve und g die Gravitationsbeschleunigung ist. Die Froudezahl korreliert damit mit der Drehzahl des Rotors. Vereinfachend kann die Partikelbewegung in dem Mischbehälter mit der sogenannten Werkzeug-Froudezahl FrW beschrieben werden, d. h. FrW = (ωW 2·RW)/g, wobei ωW die Kreisfrequenz, RW der Außenradius der Mischwerkzeuge und g die Gravitationsbeschleunigung ist. Erfindungsgemäß liegt die Werkzeug-Froudezahl FrW bevorzugt bei Werten von etwa > 10, insbesondere etwa > 30 und bevorzugt etwa > 100.
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In einer besonderen Ausführung beträgt der spezifische (auf die Pigmentmasse bezogene) Energieeintrag bei der Oberflächenmodifizierung des Ausgangspigments zwischen 1 und 10000 kJ/kg, insbesondere zwischen 10 und 5000 kJ/kg und bevorzugt zwischen 100 und 2000 kJ/kg.
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In einer besonderen Ausführung wird die erfindungsgemäß eingesetzte Vorrichtung zur Oberflächenmodifizierung des Ausgangspigments mit einer Rotorumfangsgeschwindigkeit von 0,1 bis 100 m/s vorzugsweise mit einer Rotorumfangsgeschwindigkeit von 5 bis 50 m/s betrieben.
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Die Verfahrensdauer für die Oberflächenmodifizierung des Ausgangspigments kann über weite Grenzen variieren. Im Allgemeinen variiert die Verfahrensdauer im Bereich von 0,5 bis 100 Minuten, insbesondere von 1 bis 30 Minuten und bevorzugt von 2 bis 10 Minuten.
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Die erfindungsgemäße Oberflächenmodifizierung des Ausgangspigments führt einerseits zu einer Verdichtung und/oder zu einer weitgehenden Anheftung der separat als flockige Agglomerate ausgefällten Beschichtungssubstanzen auf die Oberfläche der Pigmentpartikel und weiterhin zu einer zumindest teilweisen Verdichtung der Oberfläche der Pigmentpartikel.
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Das erfindungsgemäß oberflächenmodifizierte Pigment unterscheidet sich von dem Ausgangspigment durch eine geringere spezifische Oberfläche (BET), geringere Ölzahl und eine höhere Schüttdichte.
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Bevorzugt wird die spezifische Oberfläche (BET) des Ausgangspigments mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahren um bis zu etwa 30 bis 40% verringert. In einer besonderen Ausführung der Erfindung wird die spezifische Oberfläche (BET) des Ausgangspigments von größer etwa 60 m2/g auf kleiner etwa 40 m2/g verringert.
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Parallel ändert sich die Ölzahl (nach DIN EN ISO 787-5) des Ausgangspigments bevorzugt von ca. 45 g Öl/100 g Pigment auf ca. 36 g Öl/100 g Pigment.
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Eine besondere Variante des beschriebenen Verfahrens beinhaltet den Einsatz von organischen Substanzen, mit denen das Pigment während der Behandlung beschichtet werden kann. Durch Einsatz geeigneter organischer Additive kann die BET-Oberfläche und damit die Ölzahl des mit dem beschriebenen Verfahren behandelten Pigments weiter verringert werden. Die Additive können in fester oder in flüssiger Form zugegeben werden.
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Insbesondere geeignet sind hier hydrophobisierende Zusätze wie z. B. Wachse mit oder ohne weitere chemische Funktionalisierung, Polyolefine oder ähnliche Substanzen. Die (Teil)-Hydrophobie bewirkt zusätzlich die gewünschten rheologischen Effekte.
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Weiterhin können bekannte Dispergieradditive oder andere in der Lacktechnologie übliche Hilfsstoffe beispielsweise für Rheologie, Entschäumung, Benetzung etc. eingesetzt werden.
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Die Menge der zugegebenen organischen Additive beträgt bevorzugt 0,05 bis 30 Gew.-% insbesondere 0,5 bis 10 Gew.-% bezogen auf Ausgangspigment
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Die erfindungsgemäß hergestellten Titandioxidpigmentpartikel sind insbesondere geeignet für den Einsatz in Innen- und Außendispersionsfarben und in wasserbasierten Lacksystemen.
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Beispiel
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Die Erfindung wird anhand des folgenden Beispiels genauer beschrieben, ohne dass dadurch der Umfang der Erfindung eingeschränkt werden soll.
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Als Ausgangspigment wurde der Pigmenttyp KRONOS 2044, ein mit einer hohen Menge SiO2 und Al2O3 nachbehandeltes Pigment eingesetzt. Das Ausgangspigment KRONOS 2044 weist eine lockere Oberflächenbeschichtung von > 10 Gew.-% SiO2 und > 3 Gew.-% Al2O3 auf, wobei das Oberflächenbeschichtungsmaterial zu großen Teilen neben der TiO2-Oberfläche vorliegt (Bild 1, Transmissionselektronenmikroskopaufnahme).
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Die spezifische Oberfläche (BET) des Pigments KRONOS 2044 beträgt etwa 60 bis 65 m2/g.
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Die Ölzahl beträgt etwa 45 g/100 g Pigment.
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Das Pigment (ca. 300 g) wurde in den Partikelbeschichter „Nobilta NOB-130” der Firma Hosokawa Alpine gegeben und dann einer kontrollierten Schereinwirkung ausgesetzt.
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Bei einer Drehzahl von ca. 2800 bis 3200 U/min und einem spezifischen Energieeintrag von etwa 3000 KJ/kg TiO2 wurde das Pigment in dem Gerät mechanisch behandelt. Die Produkttemperatur wurde hierbei durch Wasserkühlung des Gehäuses auf < 80°C begrenzt.
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Die Prozesszeit betrug 3 bis 5 min intensiver Scherung. Die bei diesem Prozess verwendeten Werkzeug-Froude-Zahlen lagen zwischen 450 und 900.
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Das so mechanisch behandelte Pigment wies eine spezifische Oberfläche (BET) von 30 bis 38 m2/g und eine Ölzahl von etwa 37 g/100 g Pigment auf. Bild 2 zeigt eine Transmissionselektronenmikroskopaufnahme des behandelten Pigments.
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Mit dem mechanisch behandelten Ausgangspigment (Beispiel) sowie parallel mit dem unbehandelten Ausgangspigment (Vergleichsbeispiel) wurde jeweils eine Innendispersionsfarbe mit der in Tabelle 1 angegebenen Rezeptur hergestellt. Tabelle 1:
Wasser | 27,45 Gew.-% |
Calgon N neu (Dispergiermittel) | 0,05 Gew.-% |
Dispex N 40 (Dispergiermittel) | 0,30 Gew.-% |
Agitan 315 (Entschäumer) | 0,20 Gew.-% |
Acticid MBS (Algizid/Fungizid) | 0,40 Gew.-% |
TiO2-Pigment | 22,00 Gew.-% |
Steamat (Füllstoff) | 7,00 Gew.-% |
Socal P2 (Füllstoff) | 2,00 Gew.-% |
Omyacarb 2-GU (Füllstoff) | 11,80 Gew.-% |
Omyacarb 5-GU (Füllstoff) | 15,50 Gew.-% |
Celite 281 SS (Füllstoff) | 2,00 Gew.-% |
Tylose MH 30000 YG8 (Zellulose) | 0,30 Gew.-% |
Mowilith LDM 1871 (Bindemittel) | 11,00 Gew.-% |
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Die Testfarben wurden jeweils hinsichtlich Helligkeit L*(weiß), Farbstich b*(weiß), Kontrastverhältnis KV, Offenzeit und Viskosität untersucht (Tabelle 2).
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Testmethoden
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Die nach Rezepturvorschrift hergestellte weiße Innendispersionsfarbe (Testfarbe) wurde mit einem 300 μm-Spaltrakel mittels Filmziehgerät bei einer Geschwindigkeit von 12,5 mm/s auf Morestkarten aufgezogen. Die Aufzüge wurden über Nacht bei 23°C im Labor getrocknet.
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Die Helligkeit L*(weiß) und der Farbton b*(weiß) der weißen Beschichtung wurden mit dem Spektralphotometer Color-view der Fa. Byk-Gardner gemessen.
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Zur Bestimmung des Kontrastverhältnisses wurde die nach Rezepturvorschrift hergestellte weiße Innendispersionsfarbe (Testfarbe) mit einem 300 μm-Spaltrakel mittels automatischem Filmaufziehgerät mit einer Geschwindigkeit von 12,5 mm/s auf Morest-Kontrastkarten aufgezogen. Anschließend wurden die Farbwerte Y über schwarzem Untergrund (Y(schwarz)) und Y über weißem Untergrund (Y(weiß)) je dreimal mit dem Spektralphotometer Color-view gemessen. Das Kontrastverhältnis wurde nach folgender Formel errechnet: KV [%] = Y(schwarz)/Y(weiß) × 100
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Zur Bestimmung der Offenzeit der hergestellten Innendispersionsfarbe wurde ein Lackfilm von 300 μm Dicke durch ein Stufenrakel auf eine Morestkarte aufgezogen und anschließend die Zeit in Minuten bis zum Antrocknen des Lackfilmes bestimmt. Der Lackfilm galt als „angetrocknet”, sobald er klebfrei war und ein Fingerabdruck keine permanente Markierung mehr hinterließ.
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Die Messung der Viskosität der Innendispersionsfarbe erfolgte mit einem Viskosimeter der Firma Brookfield (Modell KU-2), angegeben als Krebs Units (KU).
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Die spezifische Oberfläche (BET) des Pigments wurde mit einem Tristar 3000 der Fa. Micromeritics nach dem statisch volumetrischen Prinzip gemessen.
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Die Ölzahl des Pigments wurde gemäß
DIN EN ISO 787-5 bestimmt. Tabelle 2:
| L* | b* | KV | Offenzeit | Viskosität | BET | Ölzahl |
(über weiß) | [%] | [min] | [KU] | [m2/g] | [g/100 g] |
Beispiel | 97,6 | 2,2 | 99,1 | 34 | 122 | 39 | 36,9 |
Vergleichsbeispiel | 96,9 | 2,2 | 98,9 | 24 | 134 | 61 | 45,0 |
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Es zeigt sich, dass die Farbe mit dem erfindungsgemäß behandelten Pigment eine verlängerte Offenzeit und eine geringere Viskosität aufweist gegenüber dem Vergleichsbeispiel, während die optischen Eigenschaften (L*, b*, KV) unverändert bleiben.
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Aus den Transmissionselektronenmikroskopaufnahmen des unbehandelten Ausgangspigments (Bild 1) und des erfindungsgemäß behandelten Ausgangspigments (Bild 2) geht darüber hinaus deutlich hervor, dass die lockere Umhüllung der Partikel durch die erfindungsgemäße mechanische Behandlung in einem großen Umfang auf der Partikeloberfläche verdichtet wird. Parallel werden auch die abseits liegenden flockigen Aggregate des Beschichtungsmaterials in großem Umfang an die Partikeloberfläche angeheftet und verdichtet.
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Fazit
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Durch das erfindungsgemäße Oberflächenbehandlungsverfahren wird die Oberflächenstruktur der Pigmente verdichtet und damit der Wasseranspruch reduziert (siehe BET, Ölzahl und Elektronenmikroskopaufnahmen Bilder 1 und 2). Auf diese Weise können die rheologischen Eigenschaften im Anwendersystem verbessert werden (Trockenzeit und Viskosität) bei gleichzeitiger Beibehaltung der optischen Eigenschaften (L*, b* und Kontrastverhältnis KV).
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 3410708 [0006, 0016]
- US 3591398 [0006, 0016]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- DIN EN ISO 787-5 [0018]
- DIN EN ISO 787-5 [0027]
- DIN EN ISO 787-5 [0049]