Automotive Coatings Formulation: Chemistry, Physics und Practices

Pos.
Components
Solid m
Formulation wt-%
01
acrylic resin. containing hydroxyl groups
(65 %ig aromatic 100/n-butanol 97/3)
27.87
42.88
02
acrylic resin, containing hydroxyl groups, modified 
by SCA (60 % in aromatic 100/n-butanol)
8.73
0.62
15.59
03
melamine resin (70 % in n-butanol)
15.61
22.30
04
silicone oil, polyether-modified (2 % in xylene)
0.05
2.60
05
radical quencher 
(N-Methyl-2,2,6,6-tetramethylpiperidine-derivate)
0.52
0.52
06
UV-absorber (95 % in MPA)
(hydroxyphenyl benzotriazole, substituted)
0.49
0.52
07
butyl diglycol
0.52
08
aromatic solvent (bp.: 180 – 210 °C)
9.36
09
xylene
5.71
sum
53.89
100.00
pos.
01 
Setal 1761, 65 % in aromatic 100 /n-butanol 97/3 (Nuplex)
02 
Setal 711761, 60 % in aromatic 100 /n-butanol 98/2 (Nuplex) 
03 
Setamin US 138, 70 % in n-butanol (Nuplex)
04 
Baysilon OL-17, 2 % in xylene (Borchers)
05 
Tinuvin 292 (Ciba Chemical Specialties)
06
Tinuvin 384 (Ciba Chemical Specialties)
08 
Solvesso 150 (Exxon)
Automotive OEM coatings

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Nano-particles have long been widely known in the coatings industry, but they were not called by 
that name. The aforementioned pyrogenic silicas (see Chapter 3.8.3.8) have been commercially 
available since 1942. Since they have particle size diameters down to 7 nm (primary particle 
size), they can definitely be counted as nanoparticles. Carbon black pigments, too, have long 
been commonplace in the paint industry (see Chapter 3.6.3.4) and can have particle diameters 
of about 20 nm. 
Nanoparticles in a clearcoat matrix convey the impression of generating or supporting scratch 
resistance. Several concepts have been advanced to explain this. The assumption here 
[160]
is that 
the particles dissipate the mechanical energy of scratching within the clearcoat film, transforming 
the energy into thermal energy and preventing damage. This requires that the particles be incor-
porated into the film matrix very well, preferably by chemical (covalent) bonds. The matrix itself 
should be very flexible. The linkage between the flexible film matrix and nanoparticles absorbs 
the energy of scratching. The nanoparticles move inside the film matrix under the mechanical 
influence but return to their stating position due to the flexible response of the matrix; energy is 
absorbed (dissipated) and damage does not occur. The reaction is comparable to that of elastomers 
that consist of hard and soft segments. But the molecular dimensions in that case are roughly one 
order of magnitude smaller than that of nano-particles (despite of the term “nano”). 
The reason for choosing such small particles that do not absorb light (such as carbon black) is 
that they do not scatter light. Particles which are much less than half the size of the wavelength of 
visual light are transparent and do not scatter light. For clearcoats, therefore, the chosen particles 
have relatively low refractive indices, e.g. silica and aluminium oxide, but not titanium dioxide. 
Silica is preferred because there are products available which already contain an organic modifi-
cation that can boost the efficiency of incorporation into the clearcoat matrix. The second reason 
for choosing such particles is the possibility of molecular reactions between functional groups on 
the surface of the particles and the surrounding matrix. The formation of covalent bonds on the 
surfaces of particles is usually improbable (see the description of adhesion). Chemical reactions, 
e.g. during the formation of molecular networks, are controlled by diffusion processes, and need 
a minimum of kinetic energy to be able to form chemical linkages. Normally, particles are unable 
to generate such energies, as they are very small and have very large surfaces areas. There are 
other examples in which the surfaces of solid matter reacts with other molecules of surrounding 
media, e.g. surface treatment of iron and steel by phosphate solutions. As the surface area of the 
nanoparticles is so large, there is a chance that smaller molecules from the surrounding media 
will react with functional groups on the surface of such particles.
Theoretically, it is possible to incorporate elastomeric behaviour into clearcoat films through 
judicious selection of products. For example, the aforementioned polyurethane elastomers are 
relatively scratch resistant. Furthermore, clearcoats containing low-branched polyesters with 
building blocks capable of imparting flexibility and crosslinked by aliphatic polyisocyanate 
adducts are scratch resistant. There are also acrylic resins available that contain monomers with 
long side-chains or modifications (e.g. linear polyester side-chains) which are also highly flexible 
and relatively scratch resistant. However, all the aforementioned examples are sensitive to other 
mechanical impact and are influenced by diffusion processes that lead to swelling and the pos-
sibility of damage. The chemical resistance of such clearcoats is much lower. By contrast, nanopar-
ticles in clearcoats support chemical resistance if they are effective against diffusion processes. 
The quantity of nanoparticles in clearcoats is relatively low. The first reason is that of cost. In addi-
tion, higher quantities open up the possibility of particle-particle interaction and agglomeration 
followed by increasing viscosity or development of structural viscosity. Agglomerates can also 
impair the transparency of clearcoats. This limits the amount of nanoparticles used in clearcoats. 
It is imperative to ensure efficient distribution of the particles throughout the clearcoat (wet 
phase and films). The low quantity of nanoparticles in clearcoats is compensated by the fact that 
Clearcoats

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most available particles during film form-
ing float onto the film surface and form 
agglomerates. Those agglomerates support 
the scratch resistance very well. However, 
the disadvantage is that layer decomposi-
tion will occur during the lifetime of the 
car, through weathering, erosion, washing, 
and polishing. Some of the scratch resist-
ance properties will be lost over time. Fig-
ure 3.8.21 shows the typical distribution 
of nanoparticles in a clearcoat film (SEM 
image).