Automotive Coatings Formulation: Chemistry, Physics und Practices

Carbon black
Most carbon blacks are prepared by the so-called furnace process. In this, a mixture of heavy 
oil (hydrocarbons) and natural gas is sprayed into a ceramic-lined furnace and combusted at
 
temperatures of about 1900 °C. The mixture undergoes partial oxidation, with the gas provid-
ing almost all the combustion energy. Mainly, the oil generates soot. The reaction products are 
separated by spraying with water. The soot is separated from the water dispersion by filtering. 
The soot particles are very fine. Analysis of particles in electron beam microscopes show parti-
cle sizes (for the primary particles) of 5 to 10 nm. On account of their high surface energy, the 
soot particles agglomerate very well. The agglomerate may form particles up to 150 nm long, 
some of them with a fractal structure. Figure 3.6.4 show a TEM image 
[119]
of typical particles of 
a carbon black pigment.
Carbon black pigments absorb nearly all visible light. Due to their high propensity to form 
agglomerates, a great deal of effort goes into preparing the pigment dispersion. The surfaces of 
most carbon black particles contain acidic carboxylic groups, a fact which must be borne in mind 
for the dispersing process (especially water-borne systems). The efficiency of dispersion critically 
determines the colour strength. The target is to produce a deep bluish black. 
3.6.3.5 Organic pigments
There are large numbers of organic pigments available. The pigment classes covered here are 
those which play a role in automotive topcoats and basecoats. For this
 
application, the pig-
ments must disperse easily and be 
compatible with the resin combination 
employed for the topcoats. The pigment 
dispersions must be stable during paint 
storage, application, and film forming 
(including stoving). This is essential for 
obtaining reproducible colours. A vital 
property of pigments for automotive 
topcoats is their fastness or resistance 
to various impacts. The pigments must 
not be soluble in the aromatic or polar 
solvents employed in the topcoats. The 
goal here is to avoid bleeding (migra-
tion of pigment into other paint layers), 
and efflorescence (crystallisation on the 
Na
2
Cr
2 
O
7
· 2 H
2
O + (NH
4
)
2
SO
4 
Cr
2
O
3
+ Na
2
SO
4
+ 6 H
2
O + N
2
Figure 3.6.4: TEM image of a carbon black pigment
(furnace carbon black FW 200)
100 nm
Automotive OEM coatings

---

127
surface of the coating layer). Of course, the selected pigments must be extremely weatherable. 
The only way to assess weatherability is to test the entire coating film (film matrix), including 
the influences of resins and crosslinking. The pigments must not react with UV light or the by-
products of environmental pollution. Photo-catalytic effects triggered by the surface of the pig-
ment particles must not lead to destruction within the binder matrix of the coating film. In this 
regard, it is essential to test the weatherability of organic pigments in blends with white pigments 
(titanium dioxide) – there must be no fading. The pigmented films must be resistant to chemicals. 
Since organic pigments create colour mainly by absorbing visible light, and not by scattering it, 
particle sizes should be as small as possible. The smaller these particles are, the greater is their 
colour strength (tinting strength), brilliance and transparency. However, their hiding power is 
diminished. Very small particles are less resistant to solvents and migration. They are difficult 
to disperse efficiently and may influence the rheological behaviour of the paint, and this may 
adversely affect flow and levelling during application. It is necessary to strike a compromise on all 
the influences and to balance the properties. As already mentioned, it is very important to be able 
to reproduce the colour impression of a pigment very well. The colour of a pigment is influenced 
not only by the chemical composition, but also by the crystal structure, the particle size and parti-
cle size distribution, the surface treatment, and by its degree of distribution in the paint material 
(dispersion efficiency) and film matrix (where flocculation should be avoided or controlled).
Organic pigments are classified first by their colour and second by their chemical structure. All 
available and described pigments are listed in the Colour Index (C.I. Index) 
[120]
, where numbers 
are used to denote the colour and chemical composition. A description of pigment classes suitable 
for automotive topcoats and basecoats is provided below. Chemical structures of typical examples 
of the various classes are also presented. The general properties of the classes have also been 
interpreted from descriptions provided in manufacturers’ technical datasheets for the pigment 
classes 
[19]
and as such are only generalities.