Projekt 26488/01

Entwicklung eines neuartigen, bleifreien, roten organisch/anorganischen Hybridpigments als Ersatz für Bleichromat-, Bleisulfat- und Bleimolybdatpigmente in der Lack- und Kunststoffindustrie

Projektträger

Bruchsaler Farbenfabrik GmbH & Co. KG
Talstr. 37
76646 Bruchsal
Telefon: 07251/9754-0

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Die Firma Bruchsaler Farbenfabrik GmbH & Co. KG plant in diesem Vorhaben die Entwicklung eines neuen Hybridpigments mit orange/rotem Farbton als umweltfreundlichen Ersatzstoff für die bisher hierfür verwendeten roten Mischkristalle auf Bleichromatbasis. Diese werden in Mengen von ca. 4.000 t/Jahr hergestellt und als Farbpigmente in der Lack- und Kunststoffindustrie eingesetzt. Durch geeignete Substitutionsprodukte können große Mengen an den als giftig, cancerogen, reproduktionstoxisch und umweltgefährdend eingestuften Komponenten Pb(II) und Cr(VI) bei der Herstellung eingespart werden.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenProjektteil A: HYBRID-PIGMENT
AP 1 Recherchephase und Konzepterstellung
AP 2 Modifikation der NaY-Zeolithe
AP 3 Durchführung von Beschichtungsversuchen zur Erhöhung der Beständigkeit
AP 4 Maßstabsvergrößerung der Zeolithsynthese
AP 5 Maßstabsvergrößerung der Synthese der organischen Komponenten in Zusammenarbeit mit der Fa. DyStar
AP 6 Maßstabsvergrößerung der Synthese der Hybridpigmente
AP 7 Analytische und coloristische Charakterisierung
AP 8 Durchführung von Beständigkeitstests der unter Produktionsbedingungen erhaltenen Proben
AP 9 Durchführung von Applikationsuntersuchungen
AP10 Durchführung von Feldtests/Validierungen gemeinsam mit Anwendern
AP11 Durchführung von Versuchen zur Synthesevereinfachung
Projektteil B: BiOX-MISCHKRISTALLE
AP1 Recherchen und Vorversuche
AP2 Synthese eines geeigneten Pigmentkörpers auf Basis des BiOI-Grundgerüsts
AP3 Steigerung des Chromawerts (v. a. Maximierung des Rotwerts)
AP4 Optimierung von Deckkraft, Farbstärke und Glanz
AP5 Stabilisierung des Pigmentgrundkörpers durch Coating
AP6 Fremdprüfungen von Labormaterialien bei potentiellen Kunden und Kooperationspartnern
AP7 Verbesserung der erreichten Qualität
AP8 Upscaling und Technikumsversuche
AP9 Fremdprüfung (Feldtests) gemeinsam mit Kunden/Anwendern von Technikums-Proben
AP10 Großtechnische Umsetzung und Eingliederung in bestehende Produktion


Ergebnisse und Diskussion

Der vorerst favorisierte Forschungsschwerpunkt der Entwicklung von organisch-anorganischen Hybridpigmenten wurde nach der Hälfte der Projektzeit aufgrund schwacher Ergebnisse nicht weiter verfolgt. Wie in den Zwischenberichten dargelegt, zeigten die durch Einbettung organischer Farbstoffmoleküle in eine anorganische Silikatmatrix hergestellten Materialien gravierende Unzulänglichkeiten bezüglich der Nutzung als Buntpigment. Sowohl die physikalisch-adsorptive Einlagerung vorgefertigter Chromophor-Moleküle in das silikatische Trägermaterial als auch die Versuche zur chemischen Darstellung der Farbstoffe direkt in den Mikroporen des anorganischen Wirtsgitters (Ship in the bottle-Synthesen) lieferten bezüglich anwendungstechnischer Eigenschaften und der generell möglichen Verwendbarkeit unter marktspezifischen Gesichtspunkten keine überzeugenden Ergebnisse. Neben unbefriedigender Farbstärke und mangelnder Deckkraft waren vor allem die geringe Beständigkeit gegenüber Hitze-, Licht- und Wettereinfluss nicht zu beseitigen. Auch die zuletzt erzielten Verbesserungen des Farbtons (höhere Brillanz, geringerer Blaustich) konnten die anwendungstechnischen Schwächen der Hybridverbindungen nicht kompensieren. Das BiOX-Entwicklungsprojekt der Bruchsaler Farbenfabrik rückte im bestehenden Förderprojekt an die Stelle der ursprünglichen Forschung zu Hybridpigmenten. Basierend auf der bekannten Verbindung BiOI lassen sich durch partielle Substitution des Iodids durch Chlorid und Bromid Mischkristalle BiOX (X = I, Br, Cl) erhalten, die das unbrillante, rotbraune Bismutoxidiodid in den Farbraum Orange verschieben. Dies bedingt eine Steigerung der Brillanz bei gleichzeitig zunehmender Helligkeit des Volltons. Aufgrund der höheren Lichtechtheit und guten Wetterbeständigkeit wird der alleinige Einbau von Bromid bevorzugt. Im bisher entwickelten Verfahren konnte durch den Einsatz komplexierender Reagenzien, welche gezielt in den Kristallisationsprozess eingreifen, die farbliche Qualität der BiOX-Pigmente stark optimiert werden. Vor allem die Verwendung eines dreiwertigen Amino-Phosphonats als Alternative zur bislang eingesetzten Citronensäure konnte als Verfahren etabliert werden. Die anfänglich großen Mängel in Bezug auf die Farbstärke des Pigments, die schwache Deckkraft und der fehlende Glanz im Lack werden vor allem durch Nachbehandlung der Rohpigmente mittels gleichmäßiger und intensiver Vermahlung beseitigt. Ein Vergleich mit den schon am Markt vorhandenen, weder gesundheitsschädlich noch umweltgefährdend eingestuften Alternativen zu orangefarbenen Bleichromatpigmenten diente zur Beurteilung des erreichten Entwicklungsstandes des BiOX. Der erreichte Farbton liegt bei einem kräftigen Orange mit einem für ein rein anorganisches Pigment überdurchschnittlichen Chromawert (Rotwert a* ? 40 / Gelbwert b* ? 55 / Brillanz C* von maximal 70), was annährend der Zielvorgabe entspricht. Das Pigment besitzt eine gute Farbstärke sowie befriedigende Deckkraft. Die grundlegende chemische Stabilität ist gegeben. Die Lichtechtheit ist bei grundsätzlich vorhandener Witterungsbeständigkeit als einwandfrei zu bewerten. Verbesserungspotential besteht noch in der Beständigkeit gegenüber thermischer und mechanischer Belastung, wie sie in gängigen Anwendungen und Verarbeitungsprozessen auftreten. Mit einer Anpassung der für die Oberflächenstabilisierung bisher verwendeten Coatingmethode ist in diesem Bereich noch Luft nach oben.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Bisher wurden die Ergebnisse des Projekts noch nicht veröffentlicht. Zum gegenwärtigen Zeitpunkt wird davon ausgegangen, dass zusätzliche Arbeiten nach Abschluss des Projekts zum 30.06.2012 ca. 6 bis 9 Monate in Anspruch nehmen werden. Nach Erreichen der Marktreife könnten die Ergebnisse auf der European Coatings Show 2013 in Nürnberg (19.03.-21.03.2012) der Öffentlichkeit vorgestellt werden.


Fazit

Im Jahr 2011 wurden in Europa insgesamt immer noch knapp 10 000 Tonnen Bleichromat-Pigmente produziert. Durch die neue Chemikaliengesetzgebung (REACH) und die sich daraus ergebende Zulassungspflicht für Bleichromat-Pigmente ab dem Jahr 2015 erscheint die Notwendigkeit zur Substitution der betreffenden Pigmente unabwendbar. Mit der Neuentwicklung eines nichttoxischen und nicht umweltbelastenden, anorganischen Pigments BiOX, könnten die Bleichromate des Orangebereichs größtenteils ersetzt werden. Das Marktpotenzial würde in Deutschland bzw. europaweit ca. 2 000 Jahrestonnen betragen. Nach Erreichen der Marktreife der Bismutoxidhalogenide könnten bereits im Jahr 2014 etwa 25 Tonnen pro Jahr durch die Bruchsaler Farbenfabrik hergestellt werden. Bei einem vollständigen Verbot der Anwendung von Bleichromat-Pigmenten könnten von Seiten der Bruchsaler Farbenfabrik durch entsprechende Umgestaltung der Produktionsanlagen ca. 200 bis 300 Tonnen/Jahr (maximale Produktionskapazität) hergestellt werden.

Übersicht

Fördersumme

213.000,00 €

Förderzeitraum

25.09.2008 - 25.09.2011

Internet

www.bruchsaler-farben.de

Bundesland

Baden-Württemberg

Schlagwörter

Klimaschutz
Umweltforschung
Umwelttechnik