Pigmente

Das Wort Pigmente leitet sich vom lateinischen pingere = malen ab und weist auf den Hauptverwendungsbereich der Pigmente, die Farbenherstellung, hin. Pigmente sind unlösliche Feststoffpartikel, die in Kunststoffen, Lacken, Druckfarben, Kosmetika und anderen Trägern in fein verteilter Form suspendiert sind und ihnen so eine deckende Farbigkeit geben. Es gibt anorganische und organische Pigmente, die jeweils in natürliche und künstlich hergestellte Pigmente eingeteilt werden können.

Pigmente

Geschichte

Die Verwendung von Pigmenten ist schon für die prähistorische Zeit nachgewiesen. Für Höhlenmalereien aus der Eiszeit wurden natürliche anorganische Pigmente wie Eisenoxid mit Ton aufgeschlemmt. Nach dem Trocknen der wässrigen Suspension wurden die Malereien mit Fett eingerieben, um sie haltbar zu machen.
Für das 3. Jahrtausend v. Chr. ist die Verwendung zahlreicher Pigmente im Mittelmeerraum belegt. Besondere Bedeutung hat Ägyptisch Blau (Calciumkupfer(II)-silikat), das zur Bemalung von Fassaden, als Schreibmaterial und in der Keramikherstellung während der gesamten Antike verbreitet war. Es entstand aus einem misslungenem Versuch zu Ägyptisch grün. Das einzige andere blaue Pigment Lapislazuli (Ultramarin) wurde mit Gold aufgewogen und wurde daher nur selten verwendet.
Bis in die Neuzeit beschränkte sich die Farbpalette auf mineralische, pflanzliche und tierische Pigmente. Erst mit der Entdeckung des Berliner Blau im Jahre 1704 begann die Herstellung künstlicher Pigmente und entwickelte sich im 18. und 19. Jh. zu einem aufstrebenden Industriezweig. 1828 gelang erstmals die Synthese von Ultramarin und Guignetgrün. In der Folge wurden zahlreiche Cadmium-, Eisen- und Cobaltpigmente entwickelt.
Heutzutage werden viele der schwermetallhaltigen Pigmente aus dieser Zeit wegen ihrer Toxizität nicht mehr eingesetzt und wurden durch weniger gesundheitsschädliche Substanzen ersetzt.

Anorganische Pigmente

Bei den anorganischen Pigmenten handelt es sich um Oxide, Sulfide oder andere schwer lösliche Verbindungen von Nebengruppenelementen.

Beispiele anorganischer Pigmente:

Oxide

Sulfide

Andere Verbindungen

Weiß

Titandioxid,
Zinkoxid

Zinksulfid

Bleiweiß (Bleisulfat)

Gelb

Eisenoxidgelb (Ocker)

Cadmiumgelb

Zinkchromatgelb

Rot

Eisenoxidrot,
Bleimennige

Cadmiumrot

Braun

Eisenoxidbraun

Grün

Chromoxidgrün

Blau

Cobaltblau

Ultramarin

Berliner Blau

Schwarz

Eisenoxidschwarz

Ruß

Neben den in der Natur vorkommenden anorganischen Pigmenten wie Ocker werden die meisten dieser Pigmente wie Titandioxid heute technisch hergestellt. Damit ist eine gleichbleibende Qualität gesichert, sodass für die meisten Anwendungen heute wegen dieses Vorteils technisch hergestellte Pigmente eingesetzt werden.

Organische Pigmente

Die organischen Pigmente sind oft Komplexverbindungen mit organischen Liganden, aber auch „normale“ Moleküle.

1. natürliche Pigmente werden aus Pflanzen- oder Tiermaterial extrahiert, z. B. Indigo, Chlorophyll und Cochenille.

2. synthetische Pigmente: Zu dieser Gruppe zählen z. B. die Azofarbstoffe und die organischen Metallkomplexe.

Pigmente wurden schon für die Höhlenmalerei in prähistorischer Zeit verwendet.

Einteilung nach Farbigkeit

Nach ihrem farblichen Erscheinen teilt man Pigmente in Weißpigmente und Buntpigmente ein. Buntpigmente absorbieren einen bestimmten Anteil des sichtbaren Lichts und reflektieren die restliche Strahlung. Daher erscheinen sie in der Komplementärfarbe zu der Wellenlänge, die sie absorbieren. Schwarzpigmente absorbieren im gesamten Spektralbereich des sichtbaren Lichts und reflektieren keine Strahlung, während Weißpigmente die gesamte Strahlung streuen und reflektieren, aber nichts absorbieren. Die metallisch schillernde Eigenschaft von Perlglanzpigmenten entsteht durch die Verstärkung bzw. Auslöschung von Bereichen des Lichtes bei der Überlagerung von Lichtwellen, d. h. durch Interferenz.

Im Gegensatz zu Farbstoffen sind Pigmente immer im angewandten Medium unlöslich und als Kristalle darin suspendiert. Von der Größe dieser Kristalle hängt maßgeblich die Deckkraft und Farbintensität – die sogenannte Farbstärke – der Pigmente ab. Je kleiner die Kristalle sind, desto höher ist ihre Farbstärke. Am besten geeignet sind Kristalle mit einer Korngröße zwischen 0,5 µm und 2 µm.
Die Farbigkeit eines Pigments wird von vielen Faktoren beebinflusst. Neben der Partikelgröße und der chemischen Struktur bestimmen zudem zahlreiche physikalische Größen wie Kristallstruktur, Kristallmodifikation oder Agglomerisationsgrad der Partikel den Farbeindruck. Die Farbigkeit entsteht durch selektive Absorption und Reflektion bestimmter Wellenlängenbereiche des sichtbaren Lichts.
Der Einfluss der genannten chemischen und physikalischen Parameter auf die Farbe wird deutlich sichtbar an dem Umstand, dass man mit unterschiedlichen Eisenoxidmodifikationen und Partikelgrößen verschiedenfarbige Pigmente in den Farbtönen gelb, rot, braun oder schwarz herstellen kann.

Die Weißpigmente werden neben der Weißfärbung auch für die Aufhellung anderer Farben verwendet.
Wegen seiner Toxizität hat das schon seit der Antike verwendete Weißpigment Bleiweiß heute keine Bedeutung mehr. An seine Stelle ist das erste (seit 1916) synthetische anorganische Pigment Titandioxid getreten. Auf Grund seiner hohen Deckkraft und guten Lichtbeständigkeit ist es heute weltweit das meist verwendete Pigment überhaupt. Es wird in Lacken und Farben, aber auch in Cremes, Zahnpasta und Tabletten verwendet.

Insbesondere bei Automobillacken werden neben dem Farbpigment zur Erzielung eines Metallglanzeffekts Metallpartikel zugesetzt. Durch Messingpartikel bekommen die Farben dann einen goldenen Glanz, während Aluminiumteilchen ein silbriges Aussehen hervorrufen. Der optische Eindruck ist dabei vom Betrachtungswinkel und von der Größe der Metallpartikel abhängig. Größere Partikel verursachen einen Glitzereffekt, kleinere hingegen einen weichen Übergang.

Die Perlglanzpigmente enthalten plättchenförmige Trägerpartikel aus Glas oder Glimmer, die von einer dünnen Schicht von etwa 0,1 µm Dicke beispielsweise aus Titandioxid oder Eisenoxid überzogen sind. Bei diesen Pigmenten nimmt der Betrachter je nach Blickwinkel einen anderen Farbton wahr.

Anwendungen

Pigmente werden zur Färbung verschiedenster Materialien wie z. B. von Kunststoffen, Substanzen im Druckbereich, in der Kosmetik und bei der Farbenherstellung eingesetzt. Um beispielsweise eine Malfarbe herzustellen, wird das Pigment mit der gewünschten Farbe in einem Bindemittel dispergiert. Das Bindemittel hat die Aufgabe, die Pigmentpartikel mit dem Maluntergrund dauerhaft zu verbinden. Daher wählt man das Bindemittel nach dem Untergrund, auf den die Farbe aufgetragen werden soll, aus.

Buntpigment

Pigmente in der Malerei
In der Vergangenheit haben die Künstler in der Regel die Pigmente für ihre Farben teilweise in geheimen Rezepturen selbst hergestellt und dann mit den entsprechenden Bindemitteln zu den gewünschten Farben vermengt. Je nach Maltechnik trocknen dann die Farben mehr oder weniger schnell mit Aushärten des Binders. Ein Problem dabei ist jedoch, dass verschiedene dieser Pigmente unter Lichteinfluß nachdunkeln.
Temperafarben nutzen eiweißhaltige Binder wie Casein aus der Milch. Die sehr langsam trocknenden Ölfarben basieren auf Leinöl als Binder. Die heute meist verwendeten Acrylharze enthalten Polymerisate auf Basis von Acrylsäure als Bindemittel, sie haben den Vorteil einer gleich bleibenden Qualität von Pigment und Binder.

Mithilfe der Infrarotspektroskopie und der Atomspektroskopie kann man heute jedoch auch an alten Gemälden die Art des Binders und der verwendeten Pigmente analytisch ermitteln und so im Bedarfsfall Schäden fachgerecht ausbessern.

Aquarellfarben: Die beiden wichtigsten Bindemittel für Aquarellfarben sind das Gummiharz Gummi Arabicum, das schon seit ca. 4 000 Jahren zur Herstellung von Farben verwendet wird, und Dextrine, die aus Stärke gewonnen werden.

Tempera: Für diese Farben dienen eiweißhaltige Substanzen als Bindemittel. In der Renaissance wurden Pigmente mit rohen Eiern oder Eigelb vermischt. Auch die Römer malten mit Tempera und benutzten Casein als Bindemittel, das sie aus Milch gewannen. Der Nachteil von Temperafarben ist, dass sie beim Trocknen leicht rissig werden und keine hohe Farbstärke besitzen.

Ölfarben: Klassischerweise werden zur Herstellung von Ölfarben die Pigmente mit Leinöl oder Walnußöl vermischt. Diese Öle trocknen jedoch außerordentlich langsam aus und so dauert es Jahre, bis sie vollständig und rissfrei durchgetrocknet sind, entwickeln dann aber eine große Leuchtkraft.

Auch Schulmalfarben enthalten Pigmente.

Acrylfarben: Heute werden in Malerfarben meist Acrylharze als Bindemittel verwendet. Acrylharze entstehen durch Polymerisation von Acrylsäure. Sie sind klare, wasserfeste und harte Kunststoffe. Ein großer Vorteil dieser Farben ist, dass sie beliebig mit Wasser verdünnt werden können.

Kunstharzlacke: Durch Polykondensation von Phthalsäure mit Glycerol erhält man Polyester, die durch Zugabe von ungesättigten Fettsäuren (z. B. Linolsäure) in Alkydharze übergehen. Alkydharzlacke besitzen eine hohe Elastizität und Haltbarkeit und sind daher für Möbel und Autos besonders gut geeignet.

Ölfreie Lacke: Autolacke werden auf der Basis von Nitrocellulose hergestellt. Diese gewinnt man durch Nitrierung von Cellulose mit Salpetersäure und Schwefelsäure, wobei der Salpetersäureester gebildet wird. In einer Mischung aus Harz, Lösemittel, Weichmachern und Pigmenten erhält man schnell trocknende Lacke.

Pigmente finden häufig in der Kosmetik Anwendung. So werden für die Herstellung von Make-up und getönten Hautcremes die Pigmente in der Fettkomponente, der sogenannten Grundlage, dispergiert. Lippenstifte, Kajalstifte und Lidschatten haben in der Regel Wachse als Grundlage, in die die Pigmente eingearbeitet werden. Bei Nagellacken handelt es sich um die oben beschriebenen Nitrocellulose- und Kunstharzlacke.

Wirtschaftliche Bedeutung
Im Jahr 2009 wurden in der Welt über 8 Millionen Tonnen Pigmente hergestellt. Mengenmäßig dominiert dabei das Titandioxid (Titanweiß) mit einem Anteil von 60-65 % an der gesamten Pigmentproduktion. Mengenmäßig folgen die Eisenoxidpigmente mit etwa 20 % Anteil gefolgt von Ruß mit ca. 10 %.

Viele Farben und Lacke enthalten Pigmente.
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