Automotive Coatings Formulation: Chemistry, Physics und Practices

Material factors
Besides the process parameters, there are also material factors. The raw materials for the pro-
duction of acrylic resins are monomers, solvents, initiators, and regulators. The monomers for 
acrylic resins are esters formed by acrylic acid or methacrylic acid and aliphatic monoalcohols 
that contain different alkyl chains. Examples are methyl, ethyl, n-butyl, isobutyl, tert.-butyl, ethyl-
hexyl, and isodecyl esters. There are other monomers that have nearly the same polymerisation 
parameters as the acrylic or methacrylic esters and that form copolymers easily; they are called 
comonomers. The most important comonomer is styrene. Due to their different polymerisation 
reactivity, methacrylate monomers always form lower molecular weights under comparable condi-
tions. However, as a result of the higher stiffness of polymer chains containing methacrylates, the 
solution viscosity of such resins is always higher than that of polymers containing mainly acrylic 
esters. Polymers containing mainly methacrylate monomers also confer greater hardness and 
resistance to solvents and chemicals. Monomers containing esters of alcohols with long aliphatic 
chains promote solubility, compatibility, wetting, levelling, and flexibility of the resins and coating 
films prepared there from. Esters of alcohols with short aliphatic chains boost hardness and dura-
bility (due to better diffusion resistance). Esters of acrylic or methacrylic acid with cycloaliphatic 
alcohols (cyclohexyl, tert.-butylcyclohexyl, isobornyl, and tricylodecanemethyl [TCD]) form an 
optimum compromise of the different properties, mentioned above. Contents of styrene lead to 
higher hardness and gloss values, but lower flexibility. The quantity of styrene in acrylic resins for 
clearcoats is restricted as high levels lead to lower weathering resistance (cracks after exposure 
to UV light). For crosslinking, the acrylic resins contain hydroxyl groups. Different monomers are 
available for introducing hydroxyl groups into the acrylic resin molecule. These are monoesters 
of diols, namely 2-hydroxyethyl acrylate, 2-hydroxypropyl acrylate, 2-hydroxyethyl methacrylate, 
and 2-hydroxypropyl methacrylate. Acrylic resins also always contain a small quantity of free 
acid (acrylic acid or methacrylic acid), which are responsible for the acid number of the resin. In 
contrast to polyesters, the quantity of functional groups (hydroxyl number, acid number) does not 
depend on the production process; the values are governed by the monomer composition. Table 
3.8.1 (page 178) describes an acrylic resin which is typical of the formulation of clearcoats 
[154]
.
There is a special class of acrylic resins developed mainly for clearcoats whose hydroxyl groups 
for crosslinking have been replaced by carbamate groups. The carbamates in this case are esters 
of carbaminic acid that bear free amide groups (primary amides). As in the preparation of amino 
resins, the carbamate groups react with methylol and methylol ether groups of amino resins by 
cleaving water or alcohols to form urethane linkages. These reactions afford a way of forming 
urethanes without the use of isocyanates. Urethane groups are widely known for their superior 
resistance to chemicals (mainly at high pH values). Thus, films prepared by crosslinking car-
bamate acrylates with etherified melamine resins are more resistant to chemicals than are films 
prepared by the reaction of hydroxy acrylic resins and such melamine resins. They also feature 
better weathering resistance and are more resistant to mechanical impact. Studies here show 
that not only the urethane group is responsible for the described improvements. Since carbamate 
Clearcoats

---

178
groups react more readily with the functional groups of melamine resins than hydroxyl groups, 
the extent of co-crosslinking is greater and the networks are more extensive and more homoge-
neous. Such networks are essential for properties such as flexibility, high weathering resistance, 
high chemical resistance, improved adhesion, and greater resistance to mechanical impact. The 
greater crosslinking efficiency is also beneficial to the formulation of one-component clearcoats 
with high-solid content and low VOC levels under application conditions (see Chapter 3.8.4).