Automotive Coatings Formulation: Chemistry, Physics und Practices

2.2.6 Powder coatings
Polymer powders (resins) can be converted into aerosols with air. Such aerosols have properties 
which are comparable with properties of liquids. For example, they are as mobile as liquids and 
can coat different objects. Film forming by aerosols is a melting process. First, hot objects are 
dipped into the aerosol. The particles of the polymer powder impinging on the surface of the 
hot object melt and finally form a homogeneous film (fluid bed application). The second way 
to apply an aerosol is to charge the powder particles in a high voltage field. The particles then 
follow the electrical field lines and are applied to an object which is earthed. The object with 
the adhesive particles is transported into a stoving oven where the powder melts and forms a 
homogeneous film.
2.3 Film forming
2.3.1 Physical drying
After the polymer solution or dispersion has been applied, the solvent or dispersing agent must be 
removed so that a solid and resistant coating film may form. Removal of the solvent and dispersing 
agent occurs by evaporation. The evaporation process is called physical drying.
The reason that solvents or dispersing agents evaporate below their boiling temperatures is that 
they have a measurable vapour pressure at lower temperatures. The vapour pressure of solvents 
and dispersing agents results from the fact that the different molecules of liquids have different 
kinetic energy. The temperature of a liquid represents the average kinetic energy of all its mol-
ecules. But some of the molecules are moving so quickly that they can pass from the liquid to the 
vapour phase above, to become a part of this phase with a specific pressure. Since the fast (“hot”) 
molecules leave the liquid, the liquid becomes cooler. If the space above the liquid contains a cer-
tain amount of vapour molecules, the molecules may re-enter the liquid. A dynamic equilibrium 
is then established in which the same numbers of molecules leave the liquid and re-enter it. The 
partial pressure in this equilibrium state is the so-called saturation vapour pressure. The satura-
tion vapour pressure varies with the type of liquid and the temperature. Of course, the equilib-
rium state depends on the space above the liquid. If the liquid is allowed to take up heat energy 
from the surroundings and the space above the liquid is very large in relation to the mass of the 
liquid, equilibrium will never be achieved. It is then possible to evaporate the liquid completely 
in practice. That is the background to the physical drying process. For the efficiency of physical 
drying, it is important to replenish the evaporation energy (to maintain the given temperature) 
General aspects of coatings

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and to make sure that the volume of the vapour phase is large enough, for example by providing 
adequate air circulation. Such conditions are essential in all industrial application processes (e.g. 
automotive OEM paint application).
The quality of coating films also depends on uniform solvent evaporation; i.e. the films formed 
must be homogeneous, smooth, and glossy. Regular, uniform evaporation is achieved by blending 
solvents of different evaporation rates in one paint formulation. It must be taken into considera-
tion that the vapour pressure and the evaporation rate of solvents are influenced by their interac-
tion with the polymers. If polymer molecules form associations with effective solvents (solvates), 
the vapour pressure of such solvents decreases. However, the vapour pressure of less efficient 
solvents (thinners) will not decrease.
Water serving as solvent or dispersing agent will also evaporate as described above. But it should 
be remembered that water has very high evaporation energy (see Chapter 2.1.3). Thus, the drying 
conditions, and mainly temperature, have to be adapted accordingly when water is the solvent.
For optimum physical drying of dispersions, the polymer particles must fuse together minimally 
on the surface shell. Polymer particles are only able to do that if the ambient temperature is 
higher than the so-called minimum film forming temperature (MFT). The minimum film forming 
temperature of a polymer is slightly higher than the glass transition temperature (T
G
). Basically, 
the very small particles of dispersions can fuse together easily if they have very large surfaces 
and if capillary forces are acting additionally to support the fusion process. It is also necessary 
to compensate for the barrier effect of the emulsifiers on the surface of the particles. All these 
conditions lead to problems if the dispersions have to form films at ambient temperatures (e.g. 
for house and wall paints). The resistance of polymer films above their minimum film forming 
temperature is not very good. A number of measures are available for ensuring that dispersions 
form films that are homogeneous and resistant:
• 
use of coalescing agents (solvents as additives to support film forming)
• 
use of co-resins in solution
• 
use of core-shell dispersions (comprising a hard core and soft shell)