Automotive Coatings Formulation: Chemistry, Physics und Practices

3.4.5.3 Further modifications
The specific properties of aromatic epoxy resins in electro deposition primers are influenced by 
further modifications. The main goals are of such modifications are to optimise flexibility, as well 
as flow and levelling during film formation. This can be accomplished in various ways. Nearly all of 
them are based on the introduction of building blocks or additive molecules that act as plasticiser. 
The compounds more or less contain long aliphatic chains, with some additionally containing ether 
or ester groups. These are aliphatic polyethers, polyesters, or phenols with aliphatic side chains.
Extending the molecular weight of aromatic epoxy resins proceeds from bis-glycidyl ether and 
bisphenol A. Plasticisation is achieved by replacing a certain amount of the bisphenol A with 
other components which react with the epoxy groups of the bis-glycidyl ether. These are polyester 
polyols (e.g. polycaprolactones) and polyether polyols (e.g. polypropylene glycol). It is also pos-
sible to use low-molecular polyols for the extension reaction. The reaction consists in the addi-
tion of hydroxyl groups across the epoxy groups. It is necessary to use catalysts for the reaction 
of aliphatic hydroxyl groups with epoxy groups, as the hydroxyl groups are less acidic than the 
phenol hydroxyl groups. The reaction conditions also enable the secondary hydroxyl groups of the 
epoxy resin to react with epoxy groups. The increase in molecular weight from that side reaction 
must be taken into consideration.
Similar effects are achieved through the use of alkyl phenols having long alkyl side chains (e.g. 
dodecylphenol). These alkyl phenols not only form terminal groups since the secondary hydroxyl 
groups also enter into a side reaction under the chosen conditions and since strong catalysts are 
used. The entire reaction sequence is fairly complex. Since the amine addition reaction is much 
faster than hydroxyl addition, the latter must be allowed to go to completion before amine modifi-
cation is performed. Bisphenol A-bis-glycidyl ether, more bisphenol A, alkyl phenols, and amines 
ultimately lead to high-molecular epoxy resins. The molecules may be not only linear, but also 
branched due to the side reactions of the secondary hydroxyl groups. The tertiary amine groups 
are neutralised by volatile organic acids and transferred into aqueous dispersions, whose state is 
close to that of aqueous colloidal solutions. The average number molecular weight of the disper-
sion resins lies between 3,000 and 5,000 g /mol. The basic chemical structure of these resins is 
shown in Figure 3.4.10.
Pre-treatment and primers

---

64
Figure 3.4.10: Principle structure of resins for cathodic electro deposition primers
The process for making the resins is carried out at temperatures of 110 to 180 °C. The various reac-
tion catalysts named in the corresponding patents are tertiary amines (e.g. N,N-dimethylbenzyl 
amine) and other Lewis bases (e.g. triphenylphosphine). Another variant of the extension process 
consists in replacing parts of the aromatic epoxy resin (the bisphenol A-bis-glycidyl ether) by 
aliphatic bis-glycidyl ether with long side chains (e.g. polypropylene glycol bis-glycidyl ether or 
polytetrahydrofuran bis-glycidyl ether). 
Other patents describe combining the amine-modified aromatic epoxy resins with aliphatic 
diamines, e.g. a polypropylene oxide bearing terminal amine groups (polyether amine). Both 
these methods introduce molecules or parts of molecules which act as plasticiser. It is also pos-
sible to add plasticising components, such as polypropylene glycol or ethoxylated bisphenol A, 
during manufacture of the dispersion, without their reacting with the epoxy resins or undergo-
Automotive OEM coatings

---

65
ing neutralisation. These plasticising components form part of the dispersion particles and are 
deposited with them on the object, although they do not form cations. It may be assumed that the 
free hydroxyl groups of those components react with the blocked polyisocyanates under stoving 
conditions and so become part of the molecular network of the primer film.