Farbstabil bei hohen Temperaturen - AF-COLOR

Einfärben von KunststoffenSPECIALFarbstabil beihohen TemperaturenPolyamid 6, das miteinem neuartigenTrägersystem für Pigmenteeingefärbt ist,verändert seine Farbeauch nach einer Temperaturbelastungvon320°C nicht (links:mit PA6-basiertemTrägersystem, rechts:mit neuartigem Trägersystem)(Bilder: Akro-Plastic)Polyamide. Ein temperaturstabiles Farbsystem lässt sich nur mit einer bestimmtenAnzahl von Farbmitteln realisieren. Denn durch die im Verarbeitungsprozess auftretendenhohen Temperaturen kommen viele Farbmittel an die Grenzen ihrer thermischenBelastbarkeit.DIRK SCHÖNINGINNO GAULUnter den technischen Kunststoffenspielen Polyamide eine bedeutendeRolle. Der größte Volumenanteilgeht schwarz eingefärbt oder naturfarbenin entsprechende Anwendungen, vor allemin den Automobilbereich. Zu weiterenMarksegmenten von Polyamidgehören Elektrozubehör, Stecker undLebensmittelfolien. Für die Wahl vonPolyamiden spricht das ausgezeichnetePreis-/Leistungs-Verhältnis.Hohe Schlagzähigkeitensowie hohe E-Module beigleichzeitig hohen Wärmestandfestigkeitenlassen insbesondere technische Anwendungenzu, in denen gute elektrischeARTIKEL ALS PDF unter www.kunststoffe.deDokumenten-Nummer KU111312Bild 1. Bildung des reaktiven Zentrums an der Carbonamid-GruppeEigenschaften gefordert sind. Der hohepotenzielle Füllgrad gestattet z.B.den Einsatzvon Glasfasern, was die SteifigkeitsundFestigkeitswerte deutlich erhöht. Amhäufigsten finden Polyamid (PA) 6 und 66zur Herstellung von z.B. Elektro- bzw.Elektroniksteckern sowie verschiedenenGehäuseteilen ihren Einsatz.Um im Wettbewerbsumfeld einen eindeutigenWiedererkennungswert zu erzielen,werden entsprechend dem Brandingdes OEM (Original Equipment Manufacturer)vor allem Gehäuseteile in dessenHausfarbe eingefärbt.Das richtige FarbmittelDamit die Einfärbung der beschriebenenMaterialien auch zum gewünschten undreproduzierbaren Ergebnis führt, ist die>a) b) c) d)Bild 2. Verschiedene Grundkörper bei der Polyamideinfärbung verwendeter Pigmente und FarbstoffeKunststoffe 4/2013www.kunststoffe.de27

SPECIALBild 3. PA66-Prüfkörpermit herkömmlichem,PA6-Träger basiertemFarbsystem(links) und Formulierungmit neu entwickeltemTrägersystem(rechts)mentfamilie – die Farbtöne variieren vonBurgunderrot über Rot bis zu einem rechtbrillanten Orange – ist für die Einfärbungvon Polymeren bis in den Hochtemperaturbereichund somit auch für Polyamidbestens geeignet. Doch ihr Preis ist verhältnismäßighoch und ihre Verfügbarkeitam Markt limitiert. Zudem ist diechemische Beständigkeit dieser Pigmentklassesehr eingeschränkt.Generell lassen sich alle Arten von anorganischen,d.h. im weitesten Sinne mineralischenPigmenten, zur Polyamideinfärbungverwenden. Soll es sich jedochum leuchtende, brillante Farben handeln,erreicht man sehr schnell die gegebenenGrenzen dieser Farbmittelfamilie.Der Colorist muss daher auf organische,d.h. synthetisch hergestellte Pigmenteund Farbstoffe zurückgreifen.Aufgrundihrer Eigenschaften, d.h. der zugrundeliegenden chemischen Struktur,besitzen diese Farbmittel sehr unterschiedlicheTemperaturstabilitäten.Farbstabilitiät ist wichtigDie sehr reaktive Carbonamid-Gruppeim Polyamid begünstigt physikalischchemischeVorgänge, die zu Veränderungenam Molekül des Farbmittels führenBild 4. Mit Pigment des Grundkörpers Diketopyrrolopyrrol eingefärbtePrüfteile (links: auf Basis PA6, rechts: auf Basis eines neuartigen Trägers)Bild 5. Eingefärbte Prüfplatten aus Polyamid 6 nach Belastung der Polymerschmelzebei 320°C in einem Zeitraum von 4 min (links: PA6, rechts:mit neuartigem Träger)Auswahl geeigneter Farbmittel von großerWichtigkeit.Diese Farbmittel müssen zunächst denAnforderungen nach ausreichender Temperaturstabilitätentsprechen, da die Verarbeitungstemperaturenbeim Spritzgießenbis zu 300°C erreichen. Im Werkzeugtreten zusätzliche Temperaturspitzenvon kurzzeitig deutlich mehr als300°C auf. Dies hängt von der Konzeptiondes Bauteils ab, also wie viele Wanddicken-und Fließwegänderungen es gibtbzw. mit welchen Drücken und Einspritzgeschwindigkeitengearbeitet wird.Viele Farbmittel geben hier frühzeitigauf. Es kommt zu Pigmentabbau, was unerwünschteVerfärbungen am Bauteil zurFolge hat. Dies zeigt sich häufig in Formvon bräunlichen, dunklen Schlieren oderVerlust der Deckkraft, da einige Pigmenteunter den dann herrschenden Bedingungenin Lösung gehen. Manche Farbmittelverlieren durch den Abbauprozessihre Farbwirkung ganz.Noch vor ca. 15 Jahren konnte mansich recht einfach und effektiv mit preisgünstigenSchwermetall-Pigmenten(blei- oder cadmiumbasiert) helfen. DerEinsatz dieser Farbmittel ist heute im Zugedes gestiegenen Umweltbewusstseinsnicht mehr erwünscht. Einen möglichenErsatz hat man mit der Einführung vonCersulfid als Farbmittel gefunden, das zuden seltenen Erden gehört. Diese Pig-Temperatur[°C]CIELabPA6-TrägerAFC-Träger300 dL* -1,37 -1,73da* 0,71 1,43db* -2,68 -1,49320 dL* -3,26 -3,77da* -1,78 0,17db* -6,47 -3,84Tabelle 1. Darstellung der CIELab-Messwertevon PA6- und neuartigem Träger in Abhängigkeitvon der Temperaturbelastungkönnen (Bild 1). Bei einigen Farbmittelntritt dies als reversibler Prozess auf.Zurückzuführen ist dies auf die Bildungsogenannter Elektronen-Donor-Akzeptor-Komplexe.Unter Einwirkung vonLuftsauerstoff erhält das entsprechendeFarbmittel wieder seine ursprünglicheStruktur und nimmt auch weitgehendwieder die ursprüngliche Farbe an. EinigePigmente des Perinon-Typs (Bild 2a)zeigen z.B. dieses Verhalten, das sich beiVerarbeitung in einer bräunlichen Verfärbungdes Farbmittels äußert. DieserProzess wird bei höheren Verarbeitungstemperaturenbegünstigt. Bei der Folienextrusiontreten diese Farbveränderungennicht auf, da dort generell mit niedrigerenTemperaturen gearbeitet wird.So werden z.B. Starkstromstecker häufigin ihrem charakteristischen Rot eingefärbt.Hier führt der Einsatz von Farbmittelndes Perylen-Typs bereits zu sehr gutenErgebnissen (Bild 2b). Im Violettbereichkönnen vor allem Pigmente und Farbstoffeaus der Familie des Anthrachinonseingesetzt werden (Bild 2c).Ein weiteres wichtiges Kriterium beider Auswahl geeigneter Farbmittel sindKornhärte und Kantenschärfe einiger anorganischerPigmente. Pigmente mineralischenUrsprungs weisen oft eine hoheNeigung zu abrasiver Wirkung auf, die dieGlasfasern in verstärkten Polyamidenderart schädigt, dass drastische Einbußen28 © Carl Hanser Verlag, München Kunststoffe 4/2013

Einfärben von Kunststoffenin den mechanischen Eigenschaften inKauf genommen werden müssen. Geradeim Bereich der weißnahen Einfärbungenstellt dies ein Problem dar, jedochauch bei vielen weiteren Einfärbungen imBuntbereich. Diese zusätzlichen Einschränkungenzwingen den Coloristen,auf die zuvor beschriebenen Alternativenim Bereich der synthetisch hergestelltenFarbmittel zurückzugreifen.Um den Markt sicher bedienen zu können,sind also weiterführende Lösungenwünschenswert, die gerade im Temperaturgrenzbereichfür entsprechende Verarbeitungsstabilitätsorgen. Darüber hinausgehende Lösungen sind bislang jedochnicht verfügbar.Neuartiges TrägersystemWie beschrieben, ist es möglich, den hohenAnforderungen der Polyamideinfärbungdurch Wahl geeigneter Farbmittelbereits bis zu einem gewissen Grad zu entsprechen.Eine andere Herangehensweise ist dieBeibringung eines entsprechenden Antagonisten,der das sehr reaktive Umfeld inder Polyamidschmelze positiv beeinflusst.Die AF-Color, Niederzissen, eineZweigniederlassung der Akro-PlasticGmbH, hat ein neues Trägersystem entwickelt,das diese Voraussetzungen erfüllt.Eine konkrete Herausforderung, dersich die Coloristen stellen mussten, wardie Einfärbung eines PA66 in einem sehrbrillanten Orangeton. Da alle Farbmittelnur so stabil sind, wie ihre Chemie eszulässt, musste im konkreten Fall ein Lösungsansatzgefunden werden, der dieStabilität des Farbsystems auch bei Temperaturbelastungenbis zu 320°C sicherstellt.Es wurde eine herkömmliche PA6-basierte Formulierung mit einer aufGrundlage des neuartigen Trägersystemserstellten Rezeptur verglichen. Hierbeiwurden jeweils die gleichen Farbmittelverwendet: ein Farbmittel des Perinon-Grundkörpers (Hauptanteil) sowie einesvom Typ des Anthrachinons.Bei Temperaturen von 300 und 320°Cwurde die Polymerschmelze im ZylinderiKontaktAF-ColorZweigniederlassung derAkro-Plastic GmbHD-56651 NiederzissenTEL +49 2636 8092-0> www.af-color.comder Spritzgießmaschine jeweils über eineDauer von 4 min mit der jeweiligen Temperaturbelastet. Die abgespritzten Prüfplattenwurden visuell und farbmetrischmit den bei 280°C – d.h. ohne zusätzlicheTemperaturbelastung – angefertigtenSpritzlingen verglichen (Bild 3, Titelbild).Die CIELab-Messwerte in Tabelle 1 zeigenden Verlauf der unterschiedlichen Farbveränderungenin Abhängigkeit von denbeiden Trägersystemen.Nun war interessant, ob sich auf Basisdes neuartigen Trägers auch mit weiterenFarbmitteln, z.B. jenen der Diketopyrrolopyrrol-Gruppe(Bild 2d), eine bessereTemperaturstabilität erzielen lässt. Hierzuwurde wiederum die mit dem zuvorgenannten Farbmittel versehene Polymerschmelzebis 320°C und 4 min imZylinder der Spritzgießmaschine belassen.Die Spritzlinge wurden anschließendwiederum mit bei 280°C verspritztenPrüfplatten verglichen. Bild 4 zeigt in deroberen die bei 280°C und in der unterenReihe die bei 300°C verspritzten Prüfplatten.FazitDie Stabilität des Farbsystems auf Basiseines neuartigen Trägers zeigte bei 320°Cund 4 min im Vergleich zu einem herkömmlichenPA6-Trägersystem (Bild 5)besonders gute Ergebnisse.Das beschriebene Trägersystems hatsich bereits in konkreten Spritzgießanwendungenbewährt. Diese gilt es, inweiteren Anwendungsfällen zu verifizieren.Zudem ist die Übertragung diesesKonzepts auf weitere Farbsysteme Gegenstandaktueller Entwicklungsprojekte.DIE AUTORENDIRK SCHÖNING, geb. 1970, leitet das Produktmanagementbei der AF-Color, Zweigniederlassungder Akro-Plastic GmbH, Niederzissen;dirk.schoening@af-color.comDR. INNO GAUL, geb. 1962, ist Bereichsleiter F&Ebei der AF-Color Zweigniederlassung der Akro-PlasticGmbH, Niederzissen; Inno.gaul@af-color.comSUMMARYCOLOR-STABLE AT HIGHTEMPERATURESPOLYAMIDES. A heat-stable color system can only beachieved with a certain number of colorants. This is becausemany colorants reach their thermal stability limitsat the high processing temperatures encountered.Read the complete article in our magazineKunststoffe international and onwww.kunststoffe-international.comKunststoffe 4/2013www.kunststoffe.de