Automotive Coatings Formulation: Chemistry, Physics und Practices

Water-borne two-component clearcoats
Although it is well known that isocyanate groups react with water, it is possible to use polyisocy-
anates as crosslinkers for water-borne coatings. The crosslinking partners for the isocyanates are 
mainly secondary dispersions of acrylic resins, although water-thinnable polyesters are also suit-
able. Adequate weathering resistance is achieved with aliphatic and cycloaliphatic polyisocyanate 
adducts. Preferred are adducts of hexamethylene diisocyanate (isocyanurate trimers, allophanates) 
and, rarely, adducts of isophorone diisocyanate as such polyisocyanate adducts are not hydrophilic. 
It is believed that polyisocyanate dispersed in water will diffuse out of the first prepared droplets 
into the organophilic particles of the main resin, without reacting extensively with water. The 
combination of main resin and polyisocyanate in the colloidal particles can react and crosslink as 
usual. This process will be more efficient if the polyisocyanate adducts are easy to disperse. The 
effort involved in dispersing the polyisocyanates for effective reaction and crosslinking with the 
colloidal particles of the main resins is much higher than for organic solutions. The use of two-
component application spray guns with a static mixing device will not lead to effective mixing.
The mixing properties of polyisocyanates can be supported in two ways. First, the polyisocyanate 
adducts are modified with building blocks that confer some hydrophilic behaviour. In most cases, 
these are ethylene glycol ethers 
[165]
. Polyisocyanate adducts modified in this way are much more 
easily dispersed in water than the others. However, they also react more extensively with water to 
form amines that react with the remaining isocyanate groups to form ureas. Hence, the reaction 
with water involves two isocyanate groups that are no longer available for crosslinking reactions 
with hydroxyl groups. In theory, this is not disadvantageous to the final film properties since 
the additional urea linkages are resistant to weathering, chemicals and solvents. They confer 
hardness and flexibility. To allow for this side-reaction, it is necessary to increase the quantity of 
polyisocyanate to ensure that most hydroxyl groups of the main resin react with isocyanate so as 
to be part of the crosslinked network. Analysis has shown that roughly one third of the isocyanate 
groups react with water to form ureas. Thus the logical consequence is to use 150 % (by mol) of 
isocyanate, calculated on the quantity (equivalent) of hydroxyl groups on the main resin. 
The second way is to employ very-low-viscosity polyisocyanate adducts. The lower the viscosity, 
the easier it is to disperse these in the aqueous phase. Since they are hydrophobic, they can dif-
fuse relatively rapidly through the water phase into the colloidal particles of the resin containing 
hydroxyl groups. 
Low-viscosity polyisocyanates can be produced in different ways: the polyisocyanate adducts are 
diluted in solvents which are immiscible with water. After having been admixed, the droplets of 
such solutions coalesce with the colloidal particles of the main resin, triggering the crosslinking 
reaction. The solvents may also act as levelling support. Of course, the solvent content must be 
calculated as VOCs. Adducts of polyisocyanates (e.g. isocyanurate trimers) with an especially 
narrow molecular weight distribution have significantly lower viscosities than those with broader 
distributions. Adducts of narrow molecular weight distribution are prepared under mild reaction 
conditions and the process is stopped at a very early stage. The excess, unreacted diisocyanate is 
distilled off. Polyisocyanate adducts that contain some allophanates have a much lower viscosity 
than other adducts (e.g. isocyanurate trimers). In this case, it is important to generate products 
with functionality far in excess of two per molecule. It is not necessary to choose an excess of 
isocyanate. From experience, the second method is more efficient than the first.
Automotive OEM coatings

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Films prepared by the aforementioned combination in water-borne clearcoats achieve nearly the 
same properties as those of solventborne two-component clearcoats. So far, such clearcoats have 
only been introduced into automotive OEM coating on a trial basis 
[166]
. There are still problems: 
besides the difficulty of mixing both components efficiently, the products tend to form blisters 
(popping) in thick layers of clearcoat film.