Effektive Verwendung von Titandioxid [.pdf] - DuPont

Effektive Verwendung von Titandioxid
Einführung
Beschichtungshersteller und Fachleute, die
Beschichtungen berechnen, sind an der Herstellung und
Vermarktung preiswerter, qualitativ hochwertiger
Produkte zur Verbesserung ihres Ertrags interessiert. TiO2 hat in vielen Beschichtungen große Auswirkungen auf
Qualität und Kosten. Für Beschichtungshersteller lohnt
sich also die sehr gewissenhafte Beantwortung der
folgenden Fragen:
• Wird TiO2 in meinen Produkten für das Erzielen der
Opazität wirklich effizient eingesetzt?
• Wird die beste TiO2-Güteklasse eingesetzt?
• Wird der richtige Anteil an TiO2 pro Gallone für das
Erreichen der gewünschten Qualität oder zuviel oder zu
wenig eingesetzt?
• Wie können TiO2 und Toner für das gewünschte
Gleichgewicht an Helligkeit und Opazität eingesetzt
werden?
Meistens wurden diese Fragen bezüglich der Qualität
wenig gewissenhaft beantwortet. Die genaue
Beantwortung der Fragen ist wichtig und nützlich,
besonders, da Titandioxid weltweit nicht allzu reichlich
vorhanden ist und dies wahrscheinlich auch noch einige
Zeit so bleiben wird.
Für die Bestimmung des Deckvermögens oder der
Opazität nutzen Beschichter allgemein entweder visuelle
oder instrumentelle Methoden. Bei einem visuellen
Vergleich von zwei Beschichtungen wird der Beobachter
sagen, dass eine Beschichtung im Vergleich zur anderen
eine höhere, geringere oder vielleicht gleiche Opazität
aufweist. Der Unterschied kann möglicherweise sogar
geschätzt werden. Gleiches betrifft die Kontrastverhältnisse,
wobei hier das Schätzen durch den
Beobachter weniger eine Option ist.
Beispiel: Beschichtung A weist ein Kontrastverhältnis
von 0,920 auf und Beschichtung B eines von 0,900.
Somit kann ausgesagt werden, dass Beschichtung A eine
höhere Opazität als Beschichtung B hat. Wir können
sagen, dass sie um 0,020 höher ist; damit ist jedoch nicht
klar, was für eine Veränderung eintreten muss, damit
Beschichtung B das gleiche Deckvermögen aufweist.
Dies ist also bei Entscheidungen über Veränderungen zur
Verbesserung der Opazität nicht hilfreich.
Glücklicherweise können mithilfe der Gleichungen nach
Kubelka und Munk quantitative Antworten auf die obigen
Fragen mit einem angemessenen Aufwand an Laborarbeit
gefunden werden. Diese Herangehensweise ist vielen auf
diesem Gebiet Tätigen vertraut. Wir denken, dass der
Einsatz dieses Verfahrens mit unserem benutzerfreundlichen
Computerprogramm sehr erleichtert wird. Dieses
Dokument konzentriert sich auf die Erläuterung dieser
Methode. Außerdem werden Bespiele zur Verwendung
angeboten.
Hintergrund
Im Jahr 1931 haben Kubelka und Munk Gleichungen
veröffentlicht, in denen die Beziehung zwischen
Kontrastverhältnis, Helligkeit und der Menge des
lichtstreuenden Materials in einem pigmentierten Film
dargestellt wird. Die Gleichungen sind sehr komplex und
beziehen langwierige mathematische Berechnungen ein.
Mit den Jahren wurden die Gleichungen verändert1 und in
einfachere tabellarische oder grafische Form
gebracht. 2,3,4,5,6,7 Der weitverbreitete Einsatz von
Computern bei der Herstellung von Beschichtungen hat
uns veranlasst, eine einfach zu verwendende Software für
eine schnelle, genaue und weniger langwierige
Berechnung nach Kubelka und Munk zu entwickeln.
Die allgemeine Kubelka-Munk-Gleichung lautet:
SX(1R∞–R∞)
R = (Rg–R∞)/R∞–R∞(Rg–1/R∞)e
SX(1/R∞–R∞)
(Rg–R∞)–(Rg/R∞)e
Dabei ist R der Reflexionsgrad eines Filmes vor einem
Hintergrund mit dem Reflexionsgrad Rg als Funktion der
Streuungsleistung SX des Filmes. R∞ ist der
Reflexionsgrad eines Filmes, der so dick ist, dass sich der
Reflexionsgrad bei zunehmender Filmdicke nicht ändert.
Mit dieser Beziehung kann die Streuungsleistung SX
einer Beschichtung bestimmt werden.

SX ist ein dimensionsloser Ausdruck; S ist der
Streuungskoeffizient, und X ist der Anteil des
Streuungsmaterials. S ist eine Konstante der jeweiligen
Beschichtung und eine direkte Maßzahl für die Effektivität
des TiO 2 beim Zustandekommen von Opazität und
Helligkeit. Die Streuungsleistung von SX dieser
Beschichtung kann nur durch Variationen von X, dem Anteil
des lichtstreuenden Materials, geändert werden. X kann als
Filmdicke in mil oder gal/ft 2 ausgedrückt werden (die
Einheiten von S entsprechen dem Reziprokwert von X, also
mil –1 oder ft 2 /gal).
X kann auch als Anteil des in der Beschichtung vorhandenen
TiO 2 ausgedrückt werden, im Allgemeinen g/m 2 , d. h.
Gramm an TiO 2 auf einen Quadratmeter beschichteter
Fläche. Die Einheiten von S sind der Reziprokwert von X,
beispielsweise m 2 /g.*
In Abbildung 1 finden Sie eine grafische Darstellung der
Kubelka-Munk-Gleichung. Dabei wird der Reflexionsgrad
R∞ über Schwarz in Bezug zum Kontrastverhältnis und zu
SX dargestellt. Durch die experimentellen Bestimmung des
Kontrastverhältnisses und des Reflexionsgrades über
Schwarz kann mithilfe von Abbildung 1 sowohl SX als
auch R∞ bestimmt werden.
Abbildung 1: Kubelka-Munk-Wechselbeziehung
.90
Reflectance Over Black
.85
.80
.75
3.03.5
SX Scale
6.0 6.5 7.0
4.0 4.5 5.0 5.5 7.5 8.0 8.5
Paint B
Paint A
.85 .90 .95 1.00
Contrast Ratio
Die Streuungskoeffizienten werden von vielen Faktoren in
der Farbrezeptur beeinflusst. Sie stellen beim Vergleich von
Farbrezepturen, unterschiedlicher TiO 2-Güteklassen und von
Rezepturänderungen hilfreiche quantitative Maßzahlen dar.
Der Vorteil des Arbeitens mit den Lichtstreuungskoeffizienten
statt nur mit dem Kontrastverhältnis kann
mithilfe der Daten in Tabelle 1 dargestellt werden, die den
Beispielen in Abbildung 1 entnommen wurden.
In diesem Fall haben beide Farben den gleichen SX-Wert von
4,3, wodurch die gleiche Lichtstreuungsleistung
gekennzeichnet wird. Farbe A hat aufgrund größerer
Absorption (geringeres R∞) ein größeres
Gesamtdeckungsvermögen (höheres Kontrastverhältnis). Eine
auf die Helligkeit von 0,81 getönte Farbe B würde mit der
Farbe A übereinstimmen. In diesem Beispiel ist X als
Ausdruck der praktischen Ergiebigkeit für beide Farben gleich.
.95
.90
R∞ Scale
.85 .80 .75
2
Tabelle 1:
Beispiel für den Farbvergleich anhand der
Lichtstreuungsleistung
Kontrast- Angewendete praktische
Farbe verhältnis R∞ SX Ergiebigkeit (in ft 2 /gal)
A 0.94 0.81 4.3 800
B 0.93 0.85 4.3 800
Anhand der gleichen Daten können wir die für eine
vollständige Deckung erforderliche praktische Ergiebigkeit
berechnen.** Wie in Abbildung 1 dargestellt, benötigt
Farbe A für eine vollständige Deckung einen SX-Wert von
6,7; in der Grafik ist dieser Punkt durch das Kontrastverhältnis
von 0,98 und R∞ von 0,81 definiert. Da S eine
Konstante ist, muss für die Erhöhung von SX die Filmdicke
X um den Faktor 6,7/4,3 = 1,55 erhöht werden. Die
praktische Ergiebigkeit ist zu X umgekehrt proportional; also
muss die praktische Ergiebigkeit für eine vollständige
Deckung 800/1,55 = 510 ft 2 /gal betragen.
Ebenso erfordert die Farbe B für eine vollständige Deckung
einen SX-Wert von 7,7; d. h. die Filmdicke X muss für eine
vollständige Deckung um den Faktor 7,7/4,3 = 1,8 erhöht
werden. Die praktische Ergiebigkeit beträgt bei vollständiger
Deckung durch den trockenen Film 800/1,8 = 445 ft 2 /gal.
Unser Computerprogramm, das den gleichen Konzepten
folgt und die gleichen Eingaben verwendet, berechnete
genauere Ergebnisse, als sie in einem Diagramm oder in
einer Tabelle abgelesen werden können, da eine Interpolation
nicht erforderlich ist.
Computerprogramm
Zur Erleichterung der Berechnungen steht auf einer Diskette
ein benutzerfreundliches Computerprogramm zur
Verfügung. Mit diesem Programm werden für die
Einschätzung des Verhaltens von TiO 2 und von
Beschichtungen optische Informationen, einschließlich
Streuungskoeffizienten für TiO 2 und praktische
Farbergiebigkeit bei vollständiger Deckung berechnet.
In Tabelle 2 sind die Ein- und Ausgaben für das
Computerprogramm aufgeführt.
Die Eingaben sind Reflexionsgrade und andere
Informationen, die der Farbchemiker meist misst. Praktische
Beschichtungen hängen von der Absorption des Lichtes
sowie von der Streuung zur Entwicklung der Opazität ab.
Die Lichtabsorption durch eine Beschichtung kann
quantitativ durch den Absorptionskoeffizienten K
beschrieben werden. K/S steht einzig zu R∞ in Beziehung.
Wenn also R∞ und S bekannt sind, kann K berechnet
werden. Dies wird auch von unserem Computerprogramm
durchgeführt.
Ein Beispiel der Ergebnisse der Computerberechnung finden
Sie in Tabelle 3. Die Dicke des Abzugsfilms dieser
handelsüblichen Farbe beträgt 2,397 mil und wurde aus dem
gemessenen Abzugsgewicht, der Fläche und der gemessenen
* Manchmal wird X auch in Mikron ausgedrückt und stellt die Dicke von
TiO 2 in einem Querschnitt des Filmes dar; dann hat S die Einheit Mikron. 1
** In dieser Besprechung definieren wir die vollständige Deckung willkürlich
als ein Kontrastverhältnis von 0,98, das sich durch den trockenen Film
gebildet hat. Andere Definitionen sind möglich.

Tabelle 2:
Programminformationen zur praktischen Ergiebigkeit
Eingaben
• Gemessener Reflexionsgrad auf weißem Untergrund
• Gemessener Reflexionsgrad auf Schwarz
• Gemessener Reflexionsgrad auf Weiß
• Gemessenes Gewicht der nassen Farbe auf dem Abzug
• Gemessene Abzugsfläche
• Gemessene Dichte der Farbe
• Bekannte Konzentration von TiO 2 in der Farbe
(optional, erforderlich für S in m 2 /g)
Ausgaben
• SX
• Kontrastverhältnis
• X
• S (in mil der Beschichtung)
• S (in m 2 /g für TiO 2 in Beschichtung)
• Praktische Ergiebigkeit
– des Abzugs wie für die obigen Messungen vorbereitet
– für das gewünschte Kontrastverhältnis
– für die gewünschte SX
• K/S
• K (in mil der Beschichtung)
• R∞ = R Inf
• Tabellarische Übersicht der Eingaben für spätere Verweise
Tabelle 3:
Beispiel für die Computerausgabe
Vorausberechnung bei
Probe vollständiger Deckung
Substratreflexionsgrad 0.810 0.810
Dicke (in mil) 2.397 2.772
Reflexionsgrad auf Schwarz 0.805 0.813
Reflexionsgrad auf Weiß 0.829 0.830
Kontrastverhältnis 0.971 0.980
SX 6.344 7.336
S (pro mil) 2.647 2.647
S (in m 2 /g) 0.309 0.309
Praktische Ergiebigkeiten
Probe: 670 ft 2 /gal KV = 0,980: 579 ft 2 /gal
oder oder
16 m 2 /L 14 m 2 /L
Farbdichte berechnet. Dieser Film ergibt ein
Kontrastverhältnis von 0,971.
Die auf den Eingabedaten beruhenden Berechnungen zeigen,
dass der Abzug ein Kontrastverhältnis von 0,971 und einen
SX-Wert von 6,344 aufweist und einem Streuungskoeffizienten
für den Farbfilm von 2,647 pro mil oder einem
a Streuungskoeffizienten für TiO 2 von 0,309 m 2 /g entspricht.
Aus diesen Informationen kann mit dem
Computerprogramm der für eine vollständige Deckung
erforderliche SX-Wert und daher die praktische Ergiebigkeit
bei vollständiger Deckung vorausberechnet werden.
Bei einer praktischen Ergiebigkeit von 579 ft 2 /gal würde
diese Farbe ein Kontrastverhältnis von 0,98 ergeben.
Diese Daten würden ergeben, dass diese Farbe bei einer
Ergiebigkeit von 450 ft 2 /gal für den gewöhnlichen Zweck der
vollständigen Deckung mehr als adäquat ist. Materialeinsparungen
sind durch Verminderung des Anteils an TiO 2,
der Festkörper oder einer Kombination von beidem möglich.
3
Experimentelle Vorgehensweise
Die Ausgabedaten einer mathematischen Operation sind
nicht genauer als die Eingabedaten, die vom Aufbau und von
der Ausführung des Experiments abhängen. Die
Experimente sollten mit so geringem Aufwand wie möglich
geplant werden, um verwertbare Ergebnisse zu erzielen. In
Tabelle 4 ist die für die experimentellen Arbeiten
erforderliche Ausrüstung aufgeführt. Viele Unternehmen der
Farbbranche verfügen bereits über diese Ausstattung. Mit
einer Vakuumplatte zum Halten der Papierstücke werden
gleichmäßigere Filme als mit einer Platte ohne Vakuum
ermöglicht. Eine Ausrüstung zum automatischen Abziehen
ist ebenfalls besser, da die Beschichtung mit
gleichbleibender Geschwindigkeit abgezogen wird.
Tabelle 4:
Ausrüstung und Vorgehensweise für das Experiment
Ausrüstung
Abzugsplatte, Gardner Taschenrechner
Bird-Auftrager, Gardner Tabellen, Leneta Form 14H
Sehr gute Balancewaage, Mettler Computer
Reflektometer
Vorgehensweise
1. Messen des Grün-Reflexionsgrades des weißen Feldes der
Kontrastverhältnistafel und Aufzeichnen des Ergebnisses.
2. Wiegen der Kontrastverhältnistafel und Aufzeichnen des
Ergebnisses.
3. Fixieren der Tafel auf einer Vakuumplatte, und Abziehen der
Beschichtung mit einem entsprechenden Farbauftrager.
4. Wiegen der beschichteten Tafel und Aufzeichnen des
Ergebnisses.
5. Dreimaliges Wiederholen der Schritte 1 bis 4 für insgesamt
vier gewogene Abzüge.
6. Trocknen der Beschichtungen über Nacht.
7. Ablesen des Grün-Reflexionsgrad über den schwarzen und
weißen Flächen und Aufzeichnen der Ergebnisse.
8. Bestimmen des durchschnittlichen Reflexionsgrades über Weiß
und des durchschnittlichen Reflexionsgrades über Schwarz.
9. Berechnen des Gewichtes der Beschichtung auf jeder Tafel und
Berechnen des Durchschnitts.
10. Wiederholen der Berechnungen für jede Beschichtung.
11. Eingeben folgender Daten in das Computerprogramm:
Untergrundreflexionsgrad, Reflexionsgrad über Schwarz,
Reflexionsgrad über Weiß, Gewicht der Beschichtung,
Abzugsbereich, Dichte der nassen Farbe und (wenn bekannt)
Konzentration von TiO 2 in der Farbe.
Aufgrund des Computerprogramms ist die Filmdicke, an der
die Messungen vorgenommen werden, nicht so entscheidend
wie bei der Verwendung von Diagrammen und Tabellen.
Fehler aufgrund der Interpolation werden vermindert oder
ausgeschlossen. In Tabelle 5 wird die Auswirkung der
verschiedenen Spielräume der Abzugklinge auf die
berechneten Informationen dargestellt. Beachten Sie, dass S
innerhalb eines Experimentalfehlers für die Dicke zwischen
0,003 und 0,010 mil Spielraumabzug konstant ist. Wir
empfehlen daher, mit einem Klingenspielraum von
0,005 mil, also im mittleren Bereich zu arbeiten.
Die Vorgehensweise in Tabelle 4 vermittelt die
grundlegenden Informationen, die für die Bestimmung von
SX, sowie von S pro mil der Beschichtung, S bezüglich der
Konzentration von TiO 2 und X in g/m 2 an TiO 2 erforderlich
sind. Mithilfe dieser Informationen können zahlreiche
Vergleiche und Vorausberechnungen vorgenommen werden.
Einige Möglichkeiten werden im Folgenden vorgestellt.

Tabelle 5:
Auswirkungen des Spielraumes der Abzugklinge auf die berechneten optischen Eigenschaften für zwei Farben
Praktische Ergiebigkeit bei
Kontrast- vollständiger Deckung S S –1
Spielraum verhältnis (in ft 2 /gal) (in m 2 /g) (in mil) R∞
Vergleich praktischer Anwendungen von
Beschichtungen
Wir haben zwei handelsübliche, matte Dispersionsfarben
mittlerer Qualität bezüglich der Streuungsleistung erworben.
Experimentell haben wir alle der in Tabelle 2 aufgeführten
Eingabedaten bestimmt, außer der TiO2-Konzentration, die
den Etiketten entnommen wurde.
Farbe B, obwohl preiswerter, zeigt eine bessere Deckkraft,
höhere Helligkeit und bessere Streuung (siehe Tabelle 6).
Diese Farbe wäre für Handwerker besser geeignet.
Äußerst wichtig für die Farbhersteller ist, dass Hersteller A
aufgrund der Streuungskoeffizienten an einer verbesserten
Effizienz des TiO2 arbeiten sollte, gegebenenfalls durch
Wechsel der Güteklassen.
Wenn der Chemiker den Unterschied in der Helligkeit
bemerkt und den Toneranteil in Farbe A vermindert hätte,
wäre ein geringeres Deckvermögen zu beobachten. Der
Schwerpunkt sollte der Verbesserung des
Streuungskoeffizienten von TiO2 gelten.
Tönungseffekte
Ein preiswertes Mittel zur Verbesserung der Opazität durch
Lichtabsorption ist das Tönen weißer Farben. Für die
Illustration der Tönungseffizienz wurden zwei
Farbe B
0.0025 0.887 298 0.272 1.861 0.924
0.003 0.920 315 0.277 1.899 0.916
0.004 0.946 323 0.278 1.903 0.911
0.005 0.959 336 0.283 1.935 0.906
0.006 0.971 313 0.271 1.853 0.909
0.008 0.986 312 0.266 1.822 0.907
0.010 0.991 324 0.272 1.860 0.903
Durchschn. 317
Farbe G
0.0025 0.916 457 0.282 1.932 0.814
0.003 0.945 459 0.285 1.952 0.814
0.004 0.966 459 0.282 1.931 0.813
0.005 0.977 453 0.279 1.911 0.813
0.006 0.989 451 0.278 1.901 0.812
0.008 0.996 433 0.265 1.815 0.812
0.010 0.999 460 0.282 1.929 0.811
Durchschn. 453
Tabelle 6:
Vergleich zweier handelsüblicher Dispersionsfarben
4
halbglänzende Dispersionsfarben mit dem gleichen Anteil an
TiO2 vorbereitet: Farbe A (ohne Toner) und Farbe G (mit
Rußschwarz auf eine Helligkeit von 0,811 getönt). Durch
Mischen der Farben A und G wurden fünf weitere Farben
hergestellt. Die Ergebnisse dieser Farbstudien finden Sie in
Tabelle 7. Folgende Beobachtungen wurden gemacht:
• Der Streuungskoeffizient S von TiO2 entspricht etwa dem
zu jeder Farbe vorgegebenen.
• Für eine vollständige Deckung müsste die Farbe A ohne
Tönung mit 267 ft/gal aufgetragen werden. Für die Praxis
ist dies zu wenig.
• Bei vollständiger Deckung weisen Farbe F (Helligkeit
0,825) und Farbe G (Helligkeit 0,811) praktische
Ergiebigkeiten auf.
• Der Absorptionskoeffizient K ist proportional zur
Konzentration von Rußschwarz, wie er ohne Flokkulation
sein sollte.
Mithilfe der in Tabelle 2 beschrieben Eingaben berechnet
das Computerprogramm R∞. Aus Tabelle 7 wird deutlich,
bass bei hoher Helligkeit R∞ von der bei Abzügen
angemessener Dicke gemessenen Helligkeit abweicht. Nicht
getönte Laborfarben, beispielsweise Farbe A, ergeben
manchmal Daten, die im imaginären Raum der Kubelka-
Munk-Analyse erscheinen; dieser Raum entspricht R∞-
Werten über 1,00.
TiO 2
Kauf- Praktische Ergiebigkeit Streuungspreis
TiO 2 Gemessene bei vollständiger koeffizient
Farbe (in $/gal) (in lb/gal) Helligkeit Deckung (in m 2 /g)
A 14.98 2.1 0.87 470 0.236
B 13.95 2.1 0.88 530 0.273

Der Grund dafür ist, dass diese Filme von den von Kubelka
und Munk betrachteten Idealfilmen abweichen. Dieses
Phänomen ist bekannt und wurde von Ross besprochen. 1
Unser Computerprogramm kennzeichnet einen solchen
Umstand mit „R lnf = 1.000“.
Bindemitteleffekte
Wie möglicherweise erwartet, haben Bindemittel eine
entscheidende Wirkung auf das Leistungsverhalten und die
Opazität von TiO2 in einem trockenen Farbfilm. In Tabelle 8
werden die Ergebnisse einer Markendispersionsfarbe
gegenübergestellt. Die Dispersionsfarbe wurde bei gleichem
Volumenanteil an Festkörper und bei bleicher PVK mittels
zweier verschiedener Bindemittel hergestellt: einem Acryl
und einem Vinyl-Acryl. Die Bindemittel erzeugen Filme, die
sich in Helligkeit, Streuungsleistung, praktischer
Ergiebigkeit und Effizienz von TiO2 deutlich unterscheiden.
Man kann verschiedene Mechanismen betrachten, durch
welche die Bindemittel die Filmopazität beeinflussen
können; diesbezüglich ergreifen wir keine Maßnahmen zur
Unterscheidung oder Prioritätensetzung. Diese
Auswirkungen sind entscheidend und können mithilfe der
hier befürworteten Vorgehensweisen quantitativ untersucht
werden.
Ein Berechner, der die Ergebnisse der Tabelle 8 ansieht,
sollte als Nächstes den Wert des teureren Acrylbindemittels
hinsichtlich der Opazität betrachten. Ist die Opazität des
Vinyl-Acryl-Filmes zufriedenstellend, dann kann er die
Verwendung des Acrylbindemittels mit weniger TiO2 abschätzen.
Tabelle 7:
Tönungseffekt auf die Beschichtungsoptiken
Berechnete Berechnetes
Kontrast- Gemessenepraktische Ergiebigkeit TiO 2 Berechn. Berechn. K
Farbe verhältnis Helligkeit (in ft 2 /gal)* (in m 2 /g) R∞ K/S (in mil –1 )
A 0.887 0.923 267 0.279 0.978 0.000247 0.0004
B 0.887 0.896 298 0.272 0.924 0.00312 0.0058
C 0.899 0.899 354 0.281 0.889 0.00693 0.013
D 0.902 0.866 375 0.278 0.866 0.0104 0.020
E 0.912 0.839 417 0.286 0.844 0.0144 0.028
F 0.914 0.825 432 0.282 0.829 0.0176 0.034
G 0.916 0.811 457 0.282 0.814 0.0213 0.041
Durchschn.0.280
Substratreflexionsgrad: 0,800
Spielraum der Abzugsklinge: 0,0025" (0,0635 mm) für Deckvermögens-, 0,008" (0,203 mm) für Helligkeitsmessungen.
*Bei vollständiger Deckung als Kontrastverhältnis von 0,98 definiert.
Tabelle 8:
Optische Eigenschaften der Dispersionsfarbfilme:
Bindemitteleffekte
Vinyl-
Acryl Acryl
R∞ 0.960 0.945
SX 6.66 5.74
S (pro mil) 2.30 1.99
S (in m 2 /g) 0.303 0.265
Praktische Ergiebigkeit bei vollständiger Deckung (in ft 2 /gal) 398 298
5
Auswählen einer Güteklasse an TiO 2
Der in diesem Dokument vorgeschlagenen Herangehensweise
zum Vergleichen von Güteklassen des TiO 2 liegt das relative
optische Verhalten und daher die Kosteneffektivität zugrunde.
In Tabelle 9 sind die Messergebnisse für trockene Filme
dargestellt, die mittels zweier im Inland mit dem
Chloridverfahren hergestellter rutiler Güteklassen an TiO 2 in
einer hochwertigen Acryl-Emulsion-Halbglanzfarbe
aufgenommen wurden. In beiden Farben ist der gleiche Anteil
an rußschwarzem Toner enthalten.
Tabelle 9:
Optische Eigenschaften der Dispersionsfarbfilme:
Zwei Güteklassen an TiO 2 mit gleichen Toneranteilen
TiO 2
Güteklasse: 1 2
R∞ 0.880 0.866
SX 3.82 3.63
S (pro mil) 2.03 1.90
S (in m 2 /g) 0.296 0.278
Praktische Ergiebigkeit bei vollständiger Deckung (in ft 2 /gal) 382 375
Diese Daten zeigen, dass die zwei Farben etwa gleiche
praktische Ergiebigkeit aufweisen, dass jedoch Güteklasse 1
aufgrund eines höheren Streuungskoeffizienten (0,296 vs.
0,278) über eine höhere Helligkeit (0,880 vs. 0,886) verfügt.
Zwei Möglichkeiten für die Nutzung des Vorteils des
höheren Streuungskoeffizienten der Güteklasse 1 sind die
Tönung und die Verminderung der TiO2-Konzentrationen. Die mit Güteklasse 1 hergestellte Farbe kann auf eine
Helligkeit der mit Güteklasse 2 hergestellten Farbe getönt
werden, wobei der Vorteil der höheren Streuung bei gleicher
Helligkeit zu einer höheren praktischen Ergiebigkeit führt.
Die Daten für den Leistungsnachweis dieser
Herangehensweise finden Sie in Tabelle 10. Die
Streuungseigenschaften der mit Güteklasse 1 hergestellten
Farbe bleiben, wie erwartet, unverändert. Der hinzugefügte
Toner vermindert allerdings die Helligkeit, verstärkt die
Absorption und verbessert die praktische Ergiebigkeit
entscheidend.

Tabelle 10:
Optische Eigenschaften der Halbglanzfarbe:
Zwei Güteklassen an TiO 2 auf gleiche Helligkeit getönt
TiO 2
Güteklasse: 1 2
R∞ 0.863 0.866
SX 3.81 3.63
S (pro mil) 2.02 1.90
S (in m 2 /g) 0.295 0.278
Praktische Ergiebigkeit bei vollständiger Deckung (in ft 2 /gal) 407 375
Die andere Möglichkeit zur Ausnutzung der ausgezeichneten
Streuung von Güteklasse 1 wäre die Anpassung des Effekts
der Güteklasse 2 mithilfe einer geringeren Konzentration der
Güteklasse 1 in dem trockenen Film. Die Ergebnisse von
Tabelle 9 schlagen eine Reduzierung der Güteklasse 1 um
6% vor (0,278/0,296 = 0,94). Die Ergebnisse der
experimentellen Bestätigung finden Sie in Tabelle 11. Der
Volumenanteil der Festkörper wurde gehalten, indem statt
einer Verringerung an TiO 2 Baryte hinzugefügt wurden. Die
Steigerung der Streuungseffizienz von TiO 2-Güteklasse 1 ist
sehr wahrscheinlich, wie von Fitzwater und Hook erläutert
wird. 8
Tabelle 11:
Optische Eigenschaften der Halbglanzfarbe:
Zwei Güteklassen an TiO 2 mit gleichen Toneranteilen,
jedoch mit einer um 6% verminderten Konzentration der
Güteklassen 1
TiO 2
Güteklasse: 1 2
R∞ 0.864 0.866
SX 3.70 3.63
S (pro mil) 1.96 1.90
S (in m 2 /g) 0.305 0.278
Praktische Ergiebigkeit bei vollständiger Deckung (in ft 2 /gal) 389 375
Handelsübliche Farben
In Tabelle 12 werden die Ergebnisse einer Untersuchung
von fertigen, matten Innen-Handwerkerfarben dargestellt. In
dieser Tabelle stellt „Trockene SX“ die Streuungsleistung
des trockenen Filmes dar, die wie erläutert erzielt wird. „Öl-
S“ ist der Streuungskoeffizient von TiO2, der aus den
Messungen bei Filmen berechnet wurde, bei denen zur
Verhinderung einer matten Trockendeckung oder von
Streuungszwischenräumen Mineralöl aufgetragen wurde.
Der scheinbare S-Wert könnte für einen nicht geölten Film
berechnet werden, dies würde jedoch der gesamten Streuung
des TiO2, also von TiO2 und den Zwischenräumen,
beigemessen werden. Deshalb wäre das kein geeigneter
Index für das Verhalten von TiO2; „SX, O/D“ ist das
Verhältnis des SX-Wertes des geölten Filmes zum SX-Wert
des trockenen oder nichtgeölten Filmes. Ein Wert von 1
würde zeigen, dass keine Porosität vorliegt. Ein niedriger
Wert von „SX, O/D“ zeigt eine erhebliche Porosität an.
Wir haben diese Farben in drei Gruppen eingeteilt
, die den drei zu beschreibenden Typen entsprechen, denen
die meisten Innendispersionsfarben zugeordnet werden
6
Tabelle 12:
Untersuchung handelsüblicher, matter Innenfarben
Praktische Ergiebigkeit
TrockeneSX TiO 2 bei vollständiger Öl- Gemessene
SX O/D PVK Deckung S Helligkeit
Typ 1 (Hohe Qualität)
6.34 0.92 22 580 0.286 0.832
4.73 0.92 19 420 0.294 0.839
4.66 0.81 20 430 0.283 0.806
5.02 0.89 24 370 0.264 0.885
4.44 0.93 18 470 0.236 0.815
Typ 2 (Mittlere Qualität)
7.23 0.72 19 630 0.320 0.839
5.67 0.70 12 420 0.358 0.875
4.98 0.72 17 330 0.291 0.894
5.13 0.67 16 410 0.349 0.856
4.62 0.57 12 410 0.264 0.815
5.54 0.60 14 520 0.328 0.841
6.62 0.58 18 470 0.236 0.872
Typ 3 (Deckenfarbe)
7.66 0.51 22 660 0.337 0.841
6.42 0.32 10 450 0.302 0.888
5.27 0.53 12 500 0.340 0.837
4.84 0.53 10 410 0.369 0.862
4.70 0.49 14 260 0.264 0.833
können. Typ 1 sind hochwertige Farben, gekennzeichnet
durch eine hohe TiO2-PVK, eine gute Filmintegrität (hoher
„SX, O/D“-Wert), sowie dass pro Flächeneinheit große
Anteile TiO2 aufgetragen werden. Typ 2 sind matte Farben
durchschnittlicher Qualität, der annähernd 50% des
Marktanteils der matten Innendispersionsfarbe entsprechen.
Typ3 sind Deckenfarben mit hoher Porosität (geringer „SX,
OD“-Wert). Aufgrund des großen Anteils der matten
Trockendeckung ist hier kein hoher TiO2-Anteil zum
Bereitstellen der gewünschten Nassdeckung nötig.
Farben aller Typen können eine gute Anfangsopazität
(„Trockene SX“) vermitteln. Ein geringer „SX, O/D“-Wert
kennzeichnet jedoch eine geringere physikalische Integrität
des Film; darum benennen wir den Typ 3 „Deckenfarbe“.
Mithilfe des Wertes „Öl-S“ kann die Effizienz der
Verwendung von TiO2 eingeschätzt werden. Der Bereich
liegt zwischen 0,236 und 0,369. Dies erklärt sich teilweise
durch die Auswirkung der Partikelmenge auf die
Streuungsleistung (siehe Tabelle 12). Wenn wir jedoch zwei
Farben des Typs 2 mit 12% TiO2-PVK vergleichen, finden
wir Streuungskoeffizienten von 0,264 und 0,358. Das TiO2 in der besten Farbe leistet 36% mehr als das TiO2 in der
schlechtesten Farbe. Die schlechtere Farbe erreicht die hohe
praktische Ergiebigkeit durch die Tönung auf eine geringe
Helligkeit (0,815 vs. 0,875). Wir würden sagen, dass der
Chemiker für diesen Hersteller an der Verbesserung der
Wirkung des TiO2 arbeiten sollte. Durch die Verbesserung
sollte die gleiche Qualität mit weniger TiO2 oder mit der
gleichen TiO2-Konzentration eine höhere Helligkeit erreicht
werden.

In Abbildung 2 werden für nicht geflockte Farben die Öl-S-
Werte im Vergleich zur TiO 2-PVK dargestellt. Die
angezeigte Beziehung stellt das erwartete Verhältnis
zwischen Streuungsleistung und Menge an TiO 2 dar: Die
Streuungsleistung sinkt mit Zunahme der TiO 2-Partikel. Das
Ausmaß der Änderungen und die lineare Beziehung
stimmen mit der Theorie überein. 8
Abbildung 2: TiO 2 -Streuungskoeffizienten vs. TiO 2 -PVK
Oiled S
0.360
0.330
0.300
0.270
10.0 12.5 15.0 17.5
TiO PVC 2
20.0 22.5
Zusammenfassung
Es wurde eine Methode vorgestellt, mit der ein Berechner
für Beschichtungen die Deckungsleistung von TiO2 in
verschiedenen Rezepturen quantitativ bestimmen und die
Deckungsleistung verschiedener TiO2-Produkte vergleichen
kann.
Mit dieser Vorgehensweise kann auch die Auswirkung der
Tönung auf die Deckungsleistung und die Helligkeit
untersucht werden, außerdem kann mit angemessener
Genauigkeit vorherbestimmt werden, welche Änderungen
der Rezeptur für das Erreichen bestimmter optischer
Eigenschaften erforderlich sind. Der experimentelle
Aufwand ist angemessen.
In vielen Farblaboren ist die für den Einsatz der Methode
erforderliche Ausrüstung bereits vorhanden.
7
Referenzen
1. Ross, W. D.: „Kubelka-Munk Formulas Adapted for
Better Computation“ (Für eine bessere Berechnung
angepasste Kubelka-Munk-Gleichungen) Jnl. Coat.
Tech. 39 (1967) 515.
2. Mitton, P. B., und Jacobsen, A. E.: „New Graph for
Computing Scattering Coefficient and Hiding Power“
(Neues Diagramm für die Berechnung des
Streuungskoeffizienten und des Deckvermögens) Off.
Dig. 35 (1963) 871.
3. Judd, D. B.: „Color in Business Science and Industry“
(Farbe in Wissenschaft und Industrie) John Wiley &
Sons, Inc.
4. Mitton, P. B.: „Easy, Quantitative Hiding Power
Measurements“ (Einfache, quantitative Messungen des
Deckvermögens) Jnl. Coat. Tech. 42 (1970) 159.
5. Clark, H. B. und Ramsay, H. L.: „Predicting Optical
Properties of Coated Papers“ (Vorausberechnen der
optischen Eigenschaften von beschichtetem Papier)
TAPPI 48 (1965) 609.
6. Ramsay, H. L.: „Simplified Calculation for Predicting
Optical Properties of Coated Board“ (Vereinfachte
Berechnung für das Vorausberechnen der optischen
Eigenschaften von beschichteten Brettern) TAPPI 49
(1966) 116A.
7. ASTM D 2805-85, „Standard Test Method for Hiding
Power of Paints by Reflectometry“
(Standardtestmethode für das Deckvermögen von
Farben mittels Reflektometrie)
8. Fitzwater, S. und Hook, J. W.: „Dependent Scattering
Theory: A New Approach to Predicting Scattering in
Paints“ (Abhängige Streuungstheorie: Eine neue
Herangehensweise zur Vorausberechnung der Streuung
in Farben) Jnl. Coat. Tech. 57 (1985) 39.
Danksagung
Die gesamte experimentelle Arbeit wurde von
Richard F. Hopkins gekonnt ausgeführt, der auch zu
vielen hilfreichen Besprechungen beigetragen hat. Das
Computerprogramm wurde von
William R. Mendenhall entwickelt, der mit uns
geduldig und effektiv am Erreichen einer richtigen und
praktischen Vorgehensweise gearbeitet hat. Sehr
dankbar sind wir DuPont für die Möglichkeit, an
diesem Thema zu arbeiten.

DuPont Titanium Technologies
Chestnut Run Plaza 728/1229
P.O. Box 80728
Wilmington, DE 19880-0728
(302) 992-5166 (800) 441-9485
Fax: (302) 999-5184
www.titanium.dupont.com
Die in diesem Dokument enthaltenen Informationen werden kostenfrei zur Verfügung gestellt und beruhen auf technischen Daten, die nach Beurteilung von
DuPont zuverlässig sind. Diese Informationen sind für den Gebrauch durch Personen mit technischen Fertigkeiten vorgesehen. Der Gebrauch erfolgt auf
eigene Gefahr. Da sich die jeweiligen Gebrauchsbedingungen unserer Kontrolle entziehen, gewähren wir weder ausdrücklich noch stillschweigend Garantien
und übernehmen keine Haftung in Verbindung mit dem Gebrauch dieser Informationen. Diese in diesem Dokument enthaltenen Informationen dürfen in
keiner Weise als Genehmigung für die Verwendung oder als Aufforderung zur Verletzung möglicherweise bestehender Patente verstanden werden.
Das ovale Logo von DuPont, DuPont , The miracles of science ® und Ti-Pure ® sind Markennamen oder eingetragene Markennamen von DuPont.
Copyright © 2002 E.I. du Pont de Nemours and Company. Alle Rechte vorbehalten.
(4/02) P-200067 Gedruckt in den USA.
[Ersetzungen: H-10286-1]
Nachbestell-Nr.: H-10286-2