Automotive Coatings Formulation: Chemistry, Physics und Practices

3.7.2 Demands on conventional basecoats
3.7.2.1 Conferring effects
Of course, the first demand on basecoats is to confer an effect. The first effect substances were 
aluminium pigments. Aluminium pigments are flake-like, 3 to 25 µm in diameter and 0.1 to 2 µm 
thick. The effects stem from orientation parallel with the surface and homogeneous distribution 
of the flakes in the basecoat layer. The perceived lightness depends on the angle at which the 
surface is viewed. From above – that is, looking at the coating surface at 90° to the incident light 
– the lightness is high because light reflection from the surfaces of the flakes is a maximum. 
However, at an oblique angle – that is, looking at the coating surface at a narrow angle relative to 
the incident light – the lightness is low, because the light is scattered on reflection. The principle 
behind the different reflections and lightness is presented in Figure 3.7.1.
Since the impression of lightness varies significantly with change in viewing angle, it is called the 
“flip-flop” effect. The “flop” is the difference in lightness. The effect can be measured by determin-
ing the remission under different angles as a function of the incident light. Figure 3.7.2 (page 139) 
shows the remissions of different topcoat systems as measured under different reflection angles.
Figure 3.7.1: Principle behind the effect created by aluminium pigments
Basecoats

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Measurements are made on a grey solid colour topcoat, a one-layer metallic topcoat, and a metal-
lic basecoat with clearcoat. The grey solid colour topcoat exhibits nearly the same amount of 
reflection irrespective of the reflection angle if the light is scattered on reflection. Reflection from 
the one-layer metallic topcoat varies as a function of the viewing angle. However, the differences 
in remission values as a function of viewing angle are much greater for the two-layer basecoat-
clearcoat system. Reflection at 90° is ignored for the purposes of the evaluation as that represents 
maximum gloss due to surface reflection. Comparisons are made at remission values for angles 
close to 90°, e.g. 88° (37° to the coating surface) as a function of values at low reflection angles, 
e.g. 15° (or 125°). Comparison of the three value pairs for the different coating systems reveals 
particularly clear flip-flop effects, and explains why the two-layer systems are preferred to the 
one-layer metallic topcoats.
The parameters governing optimum effect are the basecoat formulation and the application 
conditions. It is essential throughout film-forming for the aluminium flakes to be well oriented, 
parallel with the surface of the substrate, and homogeneously spread horizontally. Experience 
shows that as soon as the spray particles hit the substrate, the more-or-less spherical droplets 
are flattened and that the aluminium flakes contained therein are oriented parallel with the 
surface of the substrate. If the basecoats have a low-solids content, it is necessary that several 
spray particles be deposited on the same area for optimum film thickness. This also boosts 
orientation of pigment flakes vertically within the film layer. The pigment particles must be 
immobilised during physical drying. This happens initially through evaporation of solvents, and 
is accompanied by shrinking, which boosts orientation very well. The lower the solids content 
of the basecoats, the greater is the extent of shrinking. Immobilising of effect substances is also 
effected by a rapid increase in viscosity during film forming. Initially, the viscosity increase is 
due to the drying properties of the polymers chosen for physical drying, which tend to be high-
molecular (see Chapter 3.7.3.1). In addition, rheological additives boost the viscosity increase 
during film forming, preventing circulation within the film layer that might otherwise disorient 
the pigment flakes (see Chapter 3.7.3.5). The application process and the orientation of flake-like 
effect pigments are illustrated in Figure 3.7.3.
It is widely known that there are not only silver-like metallic effects, but also coloured metallic 
topcoat systems. The latter systems are prepared by blending aluminium flake pigments with 
Figure 3.7.2: Remission of different topcoat systems as a function of viewing angle
Automotive OEM coatings

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coloured pigments. For optimum effect, the pigments must have very small particle sizes and be 
readily dispersed, and generate transparent colour impressions without hiding reflection from the 
aluminium pigments. In that event, the flip-flop effect, as seen in plan view, is mostly reflection 
from the aluminium pigment (light and silver) but at low viewing angles is mainly the colour of 
the pigment (dark and coloured). The principle is shown in Figure 3.7.4.
A number of effect pigments have since been developed that confer a coloured flip-flop effect 
directly (see Chapter 3.7.3.6).
Figure 3.7.3: Model showing the orientation of flake-like pigments during application 
Figure 3.7.4: Effect of a coloured metallic basecoat
Basecoats

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