Automotive Coatings Formulation: Chemistry, Physics und Practices

3.8.3.6 Solvents
The most important solvents for conventional automotive OEM clearcoats are aromatic hydrocar-
bons with medium boiling rates, e.g. C
3
-alkyl aromatic hydrocarbons with boiling temperatures 
between 155 and 175 °C. They are mixed with smaller quantities of more polar solvents. The polar 
solvents are alcohols (e.g. n-butanol, iso-butanol) that are mainly introduced into the clearcoat for-
mulation via the delivery form of the melamine resins. Polar solvents that have somewhat higher 
boiling points are glycol ethers (e.g. butyl glycol, butyl diglycol, methoxypropanol) or glycol ether 
esters (e.g. butyl glycol acetate, butyl diglycol acetate). Ester solvents with very high boiling rates 
may be contained in small quantities in clearcoats (e.g. glycol acid butyl ester, dimethyl ester of a 
mixture of low-molecular dicarboxylic acids [dibasic ester, DBE]). The selection criteria for clear-
coat solvent composition are mainly the application conditions (conveyor line speed, flow rate of 
clearcoat, type of spray guns, flash-off conditions, temperature and the length of the stoving oven). 
The solvents must not lead to redissolving of the physically dried basecoat. They must evaporate 
uniformly. It is an advantage if a smaller quantity of the more polar solvents remains longer in 
the film than the unpolar solvents during physical film forming the evaporation rate of solvents 
and residual quantities of solvent during the film forming phase, together with the increase in 
temperature, influence the viscosity curve, which in turn has an effect on flow and levelling.
3.8.3.7 Levelling agents
The most important precondition for optimum levelling of clearcoats is wetting of the basecoat 
surface. The impinging spray particles must spread very well by interacting with this surface. They 
must be able to absorb subsequent particles to form a smooth and homogeneous film layer (spray 
mist take-up). The resultant film must become smooth during the following phase of film forming. 
Figure 3.8.15: Molecular structure of trisalkyl carbamato triazine (TACT)
Clearcoats

---

184
It must not sag on vertical parts of objects, nor sag during flash-off or at increasing temperatures in 
the stoving oven. However, the clearcoat film must perfectly cover the remaining unevenness (which 
is known as telegraphing) of the other film layers. The clearcoat must not contour this telegraphing. 
Therefore, the levelling agents for clearcoats are chosen for their ability to support wetting proper-
ties. The most important classes of material for levelling agents are polyacrylates (non-functional, 
high-molecular polyacrylates containing unpolar monomers) and modified silicone oils. 
Silicone oils are polycondensation products of dimethyl silane diols. Polydimethyl siloxanes are 
incompatible with most resins for coatings. The incompatibility increases with increase in molecu-
lar weight. Very low-molecular silicone oils are compatible with resins, but only in organic solution. 
The special feature of silicone oils – their acting on surfaces – stems from their very low surface 
tension. In the past, it was believed that silicone oils reduce the surface tension of the entire coat-
ing system, thereby conducing to better wetting and levelling. However, in reality, the silicone oils 
work by floating to the surface of the film layer during the film-forming process. After floating, the 
silicone oil spreads over the surface of the layer efficiently due its the low surface tension. It is 
believed that such behaviour occurs on the spray particles, which are then capable of boosting wet-
ting, spray mist take-up and levelling. Levelling stems from the formation of a secondary structure 
on the surface of the film. If the additive is able to influence the surface structure, it is possible 
to create a structure comprising a small quantity of long waves that covers all other remaining 
unevenness and creates the visual impression of high filling power (clearcoat hold-out). 
Figure 3.8.16: Possible modifications of silicone oils
Figure 3.8.17: Chemical structure of typical UV absorbers
Automotive OEM coatings

---

185
The sharp border between effectiveness and incompatibility in the case of unmodified silicone oils 
has been accentuated by modifying them. The modifications are more polar than the silicone oils 
themselves and increase the compatibility of the products with resins, without diminishing the 
surface effects. Modification leads to easier handling of silicone oils and prevention of film defects. 
It is also possible to choose the modified silicone oil to suit the type of resin in the paint formulation 
and to strike a balance between compatibility and floating effect. The most important modification 
of silicone oils is the addition of polyether chains (EO and PO polyesters). Furthermore, replacing 
some dimethyl siloxanes by siloxanes with longer aliphatic chains increase compatibility. There 
are also silicone oils that have been modified with polyester chains (e.g. polycaprolactones). The 
modifications are obtained by making alkyl silane triols react with the modification molecules, or 
adding allyl ethers to silanes. The modification may be a chain termination or a side chain. Figure 
3.8.16 show all the ways in which silicone oils can be modified. 
There are many different commercial products, which are chosen for their specific effects. Some 
of the modified silicone oils exhibit an additional influence on the viscosity behaviour of the 
paint, namely by conferring structural viscosity. It is necessary to ensure that polyether-modified 
silicone oil do not render the films sensitive to moisture. 
Theoretically, all coating layers should lend themselves to re-coating. Although clearcoats are the 
last layer of the automotive coating system, it must be possible for them to be re-coated in the 
event of repairs. The surface additives chosen must not prevent recoatability. 
Some silicone oils that spread over coating surfaces generate slip effects. Slip effects are condu-
cive to scratch resistance. But they can also pose recoatability. Subsequent coatings might not wet 
or adhere to the surface of the last layer. This may be an advantage where the requirement is for 
an anti-graffiti effect. However, it is definitely a disadvantage for repair coatings if the surface has 
been sanded completely before recoating can occur. Therefore, a crucial requirement imposed on 
the use of silicone oils as levelling agents is their mobility. They must create excellent surfaces, 
but they must also be readily absorbed by the next coating. The mobility of silicone oils is of course 
also very important for use in primers, primer surfacers, and basecoats.