Eigenschaften von Farbstoffen und Pigmenten

Farbmittel ist die Sammelbezeichnung für alle farbgebenden Stoffe, die in zwei Gruppen unterteilt werden: Lösliche (Farbstoffe) sowie unlösliche Farbmittel (Pigmente). Beide weisen in Bezug auf Lichtechtheit, Beständigkeit und Migrationspotential Vor- und Nachteile auf.

 von Bernd Miller

Pigmente in Pulverform

 

Inhalt

Pigmente

Farbstoffe

Fanale und andere halblösliche Farbstoffe

Vor- und Nachteile von Pigmenten und Farbstoffen

Fazit

 

Bei der Herstellung von Druckfarben sind Pigmente den Farbstoffen überlegen. Fast alle Druckfarben basieren deshalb auf Pigmenten, während die löslichen Farbstoffe beispielsweise zum Einfärben von Textilien, Leder oder auch von Nahrungsmitteln dienen.

Mit dem Colour Index (kurz C.I.) existiert seit 1925 ein offizielles Nachschlagewerk aller gebräuchlichen Farbmittel. Es enthält Informationen über die chemische Struktur und die Trivialnamen von Farbmitteln sowie über deren Synthese, Reaktionsverhalten, Löslichkeit und Patentliteratur. Herausgeber des Colour Index sind die British Society of Dyers and Colourists und die American Association of Chemists and Colorists.

 

Pigmente

Im Unterschied zu den Farbstoffen, die löslich sind, handelt es sich bei den Pigmenten um unlösliche Partikel. Man unterscheidet zwischen organischen und anorganischen Pigmenten. Bei einer Druckfarbe, die auf Pigmenten basiert, handelt es sich also um eine Suspension von Feststoffen in einer Flüssigkeit.

Wenn die Farbe mit diesen Pigment-Partikeln trocknet bzw. aushärtet, werden die Pigmentteilchen vom Bindemittel umschlossen und am Platz gehalten. Weil die Pigmentteilchen relativ groß sind, können sie sich im getrockneten Farbfilm nicht bewegen, was in der Regel eine Migration verhindert.

Von anorganischen Pigmenten spricht man, wenn die Struktur des Pigments keine Kohlenwasserstoff-Verbindungen enthält. Anorganische Pigmente sind meistens mineralische Produkte, wie etwa das Titandioxid, das mit Abstand am weitesten verbreitete Weißpigment. Zu den anorganischen Pigmenten zählt man des Weiteren auch alle irisierenden Pigmente, die aus Glimmer oder Siliciumdioxid aufgebaut sind.

Bei organischen Pigmenten handelt es sich um unterschiedliche chemische Verbindungen, deren grundlegende Struktur auf Kohlenwasserstoff-Verbindungen aufbaut. Als Beispiele seien hier Pigment Yellow 13 und Pigment Blue 15:3 genannt, die beide für Gelb bzw. Cyan im Vierfarbendruck weite Verbreitung genießen.

Bei der Herstellung von Pigmentfarben ist die Feinheit der Pigmente ein wichtiger Punkt. Damit ein Pigment in einer Druckfarbe seine Farbkraft voll zur Geltung bringen kann, muss es einerseits vom Bindemittelsystem (z.B. UV-Acrylatbindemittel) vollständig umschlossen und benetzt sein und andererseits die erforderliche Feinheit (= Korngröße der Partikel) haben. Dabei wird üblicherweise eine Partikelgröße von 0,5 bis 1 μm angestrebt – jedenfalls dürfen die Partikel nicht größer als 10 μm sein. Sind die Pigmente nicht fein genug (> 10 μm), kann es schnell zu Störungen beim Drucken kommen.

Eine gute Benetzung des Pigments wird dadurch erreicht, dass das trockene Pigment im Bindemittel „angeteigt“ und entweder über eine Kugelmühle oder einen 3-Walzenstuhl gemahlen wird. Um den Prozess zu beschleunigen, kann der Pigmentpaste ein Dispergiermittel zugesetzt werden, das für eine schnellere und bessere Benetzung des Pigmentes sorgt.

 

Farbstoffe

Farbstoffe sind chemische Verbindungen, die die Eigenschaft haben, andere Materialien zu färben und die im Anwendungsmedium gelöst vorhanden sind. Es handelt sich dabei nicht um eine Dispersion wie bei den Pigmenten, sondern um eine sogenannte echte Lösung des Farbstoffs im flüssigen Anwendungsmedium, welches aus einem Lösemittel, aus wässriger Lösung oder einem Bindemittel besteht.

Die Farbstoffmoleküle sind meistens organischer Natur und chemisch einfach aufgebaut. Sie bewegen sich frei als monomolekulare Teilchen im Löse- bzw. Bindemittel. Wenn die Farbe mit diesen Farbstoff-Teilchen trocknet, werden die Teilchen zwar vom Bindemittel umschlossen und an ihrem Platz gehalten, aber weil sie aus einzelnen kleinen Molekülen bestehen und auch die Bindemittelmoleküle klein sind, können sich die Farbstoff-Teilchen trotz getrocknetem Farbfilm in einem gewissen Maß bewegen – d.h. migrieren. Als Beispiel für die Kategorie Farbstoffe sei hier die synthetisch hergestellte Gruppe der niedrigmolekularen Azofarbstoffe genannt, bekannt für ihre kräftigen Farben.

 

Fanale und andere halblösliche Farbstoffe

Der Begriff Fanal im Zusammenhang mit Pigmenten ist eigentlich eine geschützte Bezeichnung einer Pigment-Produktreihe der Firma BASF in Ludwigshafen. Die Bezeichnung Fanalpigmente wird aber häufig für alle halblöslichen Pigmente verwendet, auch wenn diese Produkte nicht von BASF stammen. Fanalpigmente sind Pigmente, die sich in einer Farbe ganz oder teilweise auflösen und Eigenschaften von Farbstoffen zeigen. Als Beispiel sei hier ein weit verbreitetes Lumineszenzmittel – ein optischer Aufheller – erwähnt. Diese Substanz löst sich im Lacksystem größtenteils auf und tendiert im Film aufgrund der sehr kleinen Teilchengröße zur Migration.

 

Vor- und Nachteile von Pigmenten und Farbstoffen

Beständigkeit: Pigmente sind generell beständiger als Farbstoffe. Die Beständigkeit wird mit verschiedenen Prüfmedien, wie Säuren, Basen, Fetten, Ölen, Lösemittelgemischen oder Wasserstoffperoxid, getestet, immer vorausgesetzt, dass das Bindemittelsystem selbst (UV-Bindemittel, wässrige Lösung, Lösemittel) dem Prüfmedium standhält. Der Grund für die bessere Beständigkeit von Pigmenten liegt darin, dass ihr chemischer Aufbau meist resistenter ist als derjenige von Farbstoffen. Die höhere Beständigkeit hängt aber auch schlicht davon ab, dass es sich bei Pigmenten um Partikel handelt, die im Bindemittelsystem der Farbe eingebettet sind und sich nicht frei bewegen können. Die Aussagen über die Pigmentbeständigkeit gelten als grobe Faustregel, die in gewissen Einzelfällen nicht immer korrekt ist. Deshalb empfiehlt es sich, im konkreten Anwendungsfall vorgängig zu prüfen.

 

Ausbluten

Bei Farbstoffen und Fanalen besteht aufgrund der Beweglichkeit der Farbstoffteilchen im Film die Gefahr, dass einzelne Teilchen in die Umgebung abwandern. Verlängerte Zeitdauer und hohe Temperaturen unterstützen dieses Abwandern. Typische Fälle des Ausblutens sind sichtbare Abfärbungen auf der Rückseite des Druckträgers (Set-off), aber auch das Ausbluten in Überdrucklacke hinein oder in den Druckträger selbst bei direktem Kontakt mit der Rückseite im Stapel bzw. in der Rolle.

Achtung: Wenn ein Farbstoff ausblutet, migriert er auch. Das bedeutet, dass man bei Farbstoffen, die ausbluten, auch die Einhaltung der lebensmittelrechtlichen Vorschriften beachten muss, wie sie für Fotoinitiatoren und Bindemittel gelten.

 

Migrationspotential

Leider gibt es Druckfarbenhersteller, die dem Migrationspotential immer noch zu wenig Beachtung schenken – insbesondere dann, wenn die Druckfarben für Lebensmittelverpackungen eingesetzt werden. Bei der Herstellung derartiger Druckfarben sollten keine Farbstoffe und keine Fanale verwendet werden, es sei denn, die Einhaltung der Migrationsgrenzwerte wird ganz genau kontrolliert. Auch bei der Herstellung von Pigmentfarben wird noch nicht überall mit der nötigen Vorsicht gearbeitet. Zwar verhindert die relative Größe der Teilchen in Pigmentfarben in der Regel die Migration, aber eben nicht in jedem Fall. Speziell bei pigmentbasierten Farben für das Bedrucken von Lebensmittelverpackungen gehört es zu den Pflichten des Herstellers, dafür zu sorgen, dass man damit die Migrationsgrenzwerte erfüllen kann.

Denn neben den Bindemitteln und Additiven (z.B. Fotoinitiatoren) können auch gewisse Restverbindungen aus dem Herstellungsprozess der verwendeten Pigmente migrieren: z.B. aromatische Verbindungen aus Billig-Rußen oder billigen Violet-23-Pigmenten sowie aromatische Amine aus Azopigmenten, wie zahlreiche gelbe oder orangene Farben von asiatischen Lieferanten.

 

Lichtechtheit

Weil anorganische Pigmente keine thermisch labilen Kohlenwasserstoff-Verbindungen enthalten, ist ihre Lichtechtheit in der Regel sehr gut. Bei organischen Pigmenten hängt die Lichtstabilität stark vom jeweiligen Pigment ab; die Lichtechtheit (gemäß Wollskala) reicht hier von schlecht (Stufe 1 bis 3) bis sehr gut (Stufe 6 bis 8).
Bei den Farbstoffen und Fanalen ist die Lichtechtheit in der Regel schlecht und erreicht auf der Wollskala meistens kaum eine 2. Das fanale Reflex Blue zum Beispiel hat Lichtechtheit 2; das echte Reflex Blue auf Pigmentbasis erreicht Stufe 7 auf der Wollskala.

 

Farbkraft und Reinheit

Die Farbkraft ist in der Regel bei Farbstoffen und Fanalen besser als bei Pigmenten. Der Grund dafür ist, dass alle Farbmoleküle gelöst sind und sich an der „Farbgebung“ beteiligen. Bei Pigmenten ergeben sich sog. Schatteneffekte, was zu einer Abnahme der Farbstärke führt. Farbstoffe und Fanale sind meistens auch reiner und leuchtender als Pigmente. Ein klassisches Beispiel ist das Reflexblau: Mit einer Pigmentfarbenmischung aus Pigment Violet 23 und Pigment Blue 15:3 wird man nie die Farbkraft und Reinheit eines fanalen Reflexblau erreichen.

 

Fazit

Welches Farbsystem für die konkrete Anwendung gewählt wird, muss von Fall zu Fall geklärt werden. Grundsätzlich empfiehlt es sich, auf den Einsatz von Farbstoffen und Fanalen eher zu verzichten, weil die negativen Eigenschaften beim Verdrucken von Farben überwiegen.