Automotive Coatings Formulation: Chemistry, Physics und Practices

3.8.2.2 Weathering resistance
Weathering resistance firstly refers to the ability of coating layers to resist the effects of sunlight. 
Sunlight contains significant quantities of UV light, starting at wavelengths of 290 nm. The UV 
content of sunlight is shown in Figure 3.8.1.
Clearcoats are naturally transparent to all wavelengths of visible light, but can absorb UV light. 
The energy-rich UV light is capable of destroying molecular bonds of organic compounds, such as 
polymers. UV-induced destruction of the film matrix of clearcoats leads to matting, degradation 
of the film layer, cracking, embrittlement, and loss of adhesion. Clearcoats are much more sensi-
tive to UV light than pigmented topcoats because pigments absorb fractions of the UV light and 
prevent the light from affecting the lower chapters of the coating layer. In addition, the interfaces 
of the pigment particles and the resin matrix prevent propagation of stresses.
Figure 3.8.1: Spectrum of sunlight between 270 and 400 nm
Clearcoats

---

168
Natural weathering involves more than the effects of UV light. Other factors are the effect of 
oxygen, humidity, and temperature fluctuations that can damage the coating layers. Humidity 
results not only from rainfall; air always contains some degree of humidity. Sunlight can heat 
coating layers to surprisingly high temperatures. For example, temperatures in excess of 70 °C 
have been measured on coating layers on car roofs. Not only that, the damage will be exacerbated 
if electrolytes are present on the coating layers in addition to humidity. Such situations can arise 
in the event of environmental pollution, e.g. acid rain following industrial emissions.
Molecular decompositions in coating films are mainly oxidation reactions initiated by oxygen 
free-radicals and hydroxyl free-radicals (formed from water). Such oxidation reactions lead to 
decomposition of the molecular networks in clearcoat film matrix. Decomposition and the forma-
tion of oxidation products containing carbonyl and carboxyl groups cause the film to become 
brittle. In the past, it was believed that UV light forms free-radicals which trigger post-crosslink-
ing that could lead to embrittlement. Nowadays, it is known for certain that post-crosslinking 
increases the elastic component of flexibility. The best example of this is the flexibility of UV 
coatings, which is high, irrespective of the parallel high crosslinking density. Low-molecular 
decomposition products, by contrast, are never flexible. The molecular decomposition generates 
holes in the film matrix. Ultimately, such holes, frequently under the influence of temperature 
fluctuations, can lead to macroscopic (visible) damage. Either the clearcoat layer loses thickness 
or cracks are formed. Excessive cracks look like crackleware. The reason clearcoat layers behave 
in different ways on exposure to weather is as follows: aromatic compounds in the film matrix 
absorb UV light via their double bond system. Consequently, lower sections of the clearcoat layer 
are protected against the UV light. However, absorption of UV light by aromatic double bonds 
leads to decomposition reactions, e.g. the ligands on aromatic rings are cleaved. The decomposi-
tion of such molecules is much less pronounced than in molecules that have no aromatic building 
blocks. Molecular networks without aromatic compounds are degraded faster, this resulting in 
matting and loss of layer thickness, even after only brief exposure. However, as far as the value 
of passenger cars is concerned, this type of physically measurable degradation (matting and loss 
of film thickness) is perceived totally differently. Clearcoats are washed and polished, and so 
matting and loss of film material is compensated or accepted. Although clearcoat layers whose 
film matrix contains aromatic compounds are much more resistant and have relatively good gloss 
retention, damage in the form of cracking, which may occur after a relatively long time, is not 
accepted by customers. 
An additional factor governing damage by cracking is the physical hardness of the clearcoat film. 
Hardness can be influenced via the type of resin building block. For example, monomers for acrylic 
resins are chosen on the basis of glass-transition temperature (T
G
). The value of the glass-transition 
temperature correlates with the hardness of the resin. The higher the glass transition, the harder 
is the film and the greater is the probability of cracking. Figure 3.8.2 illustrates cracking in acrylic 
and melamine clearcoats following artificial weathering by UV lamps (in hours) as a function of the 
glass-transition temperature of the acrylic resin. The clearcoats did not contain any UV light protec-
tion and the test was carried out in a weather-o-meter equipped with UV lamps and edge-filters (for 
separating the light fractions). The glass-transition temperature of the acrylic resins was increased 
from the value of the starting composition (-15 °C) by adding two different monomers (from 0 to 
40 %), which increase the glass-transition temperature in the same manner: methyl methacrylate 
and styrene (aromatic component). The results after exposure clearly show that both monomers 
greatly accelerated cracking, especially the aromatic component (shorter cracking times).
Ever since the development of clearcoats got underway, there have been attempts to shorten the 
time needed for an evaluation of weathering resistance, i.e. to achieve qualitative results as soon 
as possible. Initially, natural areas were chosen which experienced particularly high UV light irra-
diation and possibly high humidity. In these areas, the coatings producers and also the assembly 
Automotive OEM coatings

---

169
plants installed test stations for exposing panels to sunlight and humidity. Test stations of this 
kind were installed in Florida (USA; the best known test area), Arizona (USA; high UV fraction, 
but low humidity), Okinawa (Japan), Allunga (northern Australia), and other less important places. 
To intensify the impact of the sunlight and humidity, special conditions were created for exposing 
the panels. The panels have a special angle of inclination (e.g. 5°) and face south. Alternatively, 
they are surrounded with a frame whose inside is coated with a matt black topcoat that raises 
surface temperature of the test panels (heated box).
Car makers specify guarantee times for the weathering resistance of clearcoats. For example, 
the most common is two years’ outdoor exposure in Florida, with negligible decrease in gloss 
and resistance. The car makers extrapolate these results to offer their customers a guarantee of 
10 years (normal European use conditions), and the promise of no cracking, no loss of adhesion, 
and no corrosion.
Two years is a long time for the introduction of a new clearcoat system into the market. Not only 
that, but in contrast to the widely held view, the results from Florida exposure can vary from year 
to year in accordance with the different weather periods there. Consequently, in the early days of 
development, short-term, artificial weathering tests using UV lamps were introduced. Ever since 
such weather-o-meters have been used, the question has arisen as to how the times produced by 
Florida exposure correlate with the results of artificial weathering. UV lamps emit higher quanti-
ties of light of very short wavelength, and in some cases waves that have a much shorter wave-
length and are more energetic than those emitted by sunlight. Figure 3.8.3 (page 170) compares 
the radiation emitted by UV lamps and by sunlight as a function of wavelength.
Very short UV light radiation is highly energetic and can trigger decomposition reactions dif-
ferent from those caused by sunlight. This means that natural weathering is not being properly 
simulated. For this reason, edge filters for certain fractions of UV light were fitted to the UV 
lamps. This simulated the sunlight very well, but at a higher intensity that created a time-lapse 
effect. The test machines were also equipped with sprinkling equipment to simulate rain and 
temperature fluctuations 
[149]
. All sorts of weathering test equipment are available nowadays, and 
Figure 3.8.2: Cracking times of clearcoats as a function of the glass-transition temperature and the content of 
aromatic monomer
Clearcoats

---

170
their results can vary. The type of equipment employed must therefore always be stated with the 
results. The suppliers of the various test stations provide correlation data for Florida exposure 
(or mostly natural exposure), but those have no general validity as they depend on the type of 
clearcoat tested 
[151]
.