Schwarzpigmente

1. Definition und Aufbau

Ruß ist ein feinteiliger, teilkristalliner Kohlenstoff, dessen Partikel nahezu kugelförmig sind. Diese Partikel sind aus einem Haufwerk von Kristalliten zusammengefasst. Die Elementaranalyse von Ruß zeigt, dass dieser Stoff, je nach Herstellverfahren und Teilchenfeinheit, verunreinigt ist: H ca. 0,3 – 1,1 Gewichtsprozent, N und O jeweils 0,1 – 0,7 Gewichtsprozent.

Abb.1: Aufbau von Rußkristalliten

Parallel liegende Stapel aus Schichten, die wiederum aus 6er-Ringe aufgebaut sind (ähnlich Graphit).

Abb. 2: Aufbau von Rußteilchen (kugeliges Primärteilchen)

Diese Schichten sind wahllos ineinander verdreht.

Rußteilchen besitzen demnach kristalline und amorphe Bereiche; man spricht auch von teilkristallinen Strukturen. Der Teilchendurchmesser liegt zwischen 0,01 und 0,2 μm (je nach Herstellverfahren).

2. Herstellverfahren

Ruß wird industriell durch 2 Möglichkeiten hergestellt, durch:

- unvollständige Verbrennung- thermische Spaltung kohlenwasserstoffhaltiger Substanzen

Die weitaus größere Bedeutung liegt bei der Herstellung durch unvollständige Verbrennung.

a) Unvollständige Verbrennung

a1) Flammruß – Verfahren

Das Flammruß – Verfahren ist das älteste und gebräuchlichste Verfahren. Dabei wird in einer gußeisernen Schale der flüssige oder geschmolzene Rohstoff verbrannt. Der Ruß wird aus den Brenngasen mittels Zyklonen oder Filtern abgeschieden. Die Teilchengrößenvariation erfolgt

- über die unterschiedlichen Größen der Schalen - durch die Änderung des Luftspaltes

Man erhält relativ große Rußteilchen (Teilchengröße: 50 – 120 nm) mit einem breiten Verteilungsspektrum.

Abb. 3: Elektronenmikroskopische Aufnahme von Flammruß 101 (DEGUSSA)

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a2) Channel – Verfahren

Das aus den USA stammende Channel – Verfahren liefert dagegen extrem feinteilige Ruße (Teilchengröße: 5 – 17 nm).Dabei wird Erdgas in kleinen Flammen gegen gekühlte sich langsam bewegende Eisenrinnen (channels) verbrannt. Die Entfernung erfolgt mechanisch. Dieses Verfahren wird immer mehr durch das Furnace – Verfahren verdrängt, da damit Eigenschaften gezielt hergestellt werden können.

a3) DEGUSSA – Gasruß – Verfahren

1935 entwickelte die Firma DEGUSSA ein Verfahren, um aus heimischen Rohstoffen (aromatenreiche Öle) Ruß herzustellen.Dabei liefert ein brennbares Trägergas die für die Spaltung von Kohlenwasserstoffen in Kohlenstoff und Wasserstoff notwendige Energie. Eingesetzt werden drehbare gekühlte Walzen. Die nach dem DEGUSSA – Gasruß – Verfahren synthetisierten Pigmentruße sind mittelmäßig grob- bis feinteilig (Teilchengröße: 5 – 30 nm).

Abb. 4: Elektronenmikroskopische Aufnahme von Farbruß FW 2 (DEGUSSA)

Furnace – Verfahren

Die jüngste Produktionsmethode stellt das Furnace – Verfahren dar. Hier wird eine einzige große Flamme verwendet. Durch Eindüsen von Wasser werden die rußhaltigen Verbrennungsgase abgeschreckt und die Rußteilchen werden in Abscheideanlagen gewonnen. Durch Zugabe von Alkaliverbindungen erhält man niedrig strukturierte Ruße für den Pigmentsektor (Teilchengröße: 18 – 80 nm).

Abb. 5: Elektronenmikroskopische Aufnahme von Ruß PRINTEX 300 ®

(LSF – Ruß, DEGUSSA)

b) Thermische Spaltung kohlenwasserstoffhaltiger Substanzen

Die Russherstellverfahren nach dem Prinzip der thermischen Spaltung kohlenwasserstoffhaltiger Substanzen sind:

- Thermalruß – Verfahren- Lichtbogenverfahren- Acetylenruß – Verfahren

Weltweit werden ungefähr 3 Millionen Tonnen Ruß pro Jahr industriell synthetisiert, wobei das Furnace – Verfahren das größte Produktionsvolumen besitzt.

Nur etwa 7 % finden als Pigment ihren Einsatz. Das Haupteinsatzgebiet liegt in der Gummiindustrie (Ruß als verstärkender Füllstoff).

Insgesamt werden über 125 Rußsorten mit unterschiedlichen Primärteilchengrößen, Strukturen und Oberflächenbeschaffenheiten hergestellt.

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3. Nachbehandlung

Um eine verbesserte Dispergierbarkeit und Lagerstabilität zu erreichen, werden die industriell hergestellten Rußpigmente einer oxidativen Nachbehandlung ausgesetzt.Durch Einsatz von nitrosen Gasen, Salpetersäure, Ozon, Natriumhypochlorit oder Luftsauerstoff wird eine Erhöhung des Sauerstoffgehaltes (bis zu 20 %) an der Pigmentoberfläche erreicht. Als Folge davon wird der Ölbedarf gesenkt.

4. Klasseneinteilung

Aufgrund der vorhandenen billigen Rohstoffquellen in den USA, erfolgte dort die verfahrenstechnische Entwicklung für die Russherstellung. Die amerikanischen Bezeichnungen sind deshalb international übernommen worden.

Einige Beispiele:

HCC High Colour Channel: hochwertiges Farbruß auf GasbasisMCC Medium Colour Channel: Farbruß mittlerer Farbtiefe

FCF Fine Colour Furnace: Furnaceruß hoher FarbtiefeLSF Low Structure Furnace

5. Pigmentruße Eigenschaften

• Teilchengröße (abhängig vom Herstellverfahren)

Die Teilchengröße beeinflusst die wichtigste Eigenschaft der Pigmentruße: Die Farbtiefe

Je kleiner die Teilchengröße, desto besser ist die Farbtiefe

• Teilchenverteilungskurven von Pigmentrußen unterschiedlicher Herstellungsverfahren zeigen:

- Feinteilige Ruße liegen in engen Bereichen der Teilchengröße und weisen ein deutlich ausgeprägtes Maximum auf

- Ruße mit breiter Teilchenverteilungskurve: „Blau-Stich“ feinteilige Ruße mit einer Neigung zu Braun (gilt bei einer Abmischung mit Weiß im Durchlicht – wird gegen eine Lichtquelle gehalten) – bei einer deckenden Schicht kehren sich die Verhältnisse um.

• Oberflächenchemie

1. Saure Gruppe: Carboxylgruppe, Phenolgruppe2. Basische Gruppe: Pyranstruktur (C-O-Ring)

• pH – Wert: er entspricht dem pH – Wert einer wässrigen Suspension – abhängig vom Herstellverfahren, z.B. PRINTEX 300 ® pH = 10

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Oxidativ nachbehandelte Ruße ergeben niedrigere pH – Werte

• Temperaturbeständigkeit bis 250 °C

• Ausgezeichnete Licht – und Wetterbeständigkeit: Ruß als UV – Absorber

• Sehr gute Chemikalienbeständigkeit beständig gegen: Säuren, Alkali, Kalk und Zement

Darum: Ruß als „König der Pigmente“

• Dichte ρ = 1,86 g/cm3

• Brechungsindex n= 1,7 und darum eine geringe Lichtstreuung

• Elektrische Leitfähigkeit: Ruß leitet aufgrund der teilkristallinen Struktur

Anwendungstechnische Eigenschaften von Pigmentrußen

Struktur: Maß für die Verkettung der Russteilchen

niedrigstrukturiert hochstrukturiert (X)Viskosität gering hochÖlzahl gering hoch

(X) = Es bilden sich Hohlräume in den Ketten

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