Automotive Coatings Formulation: Chemistry, Physics und Practices

3.6.3.6 Pigmentation of topcoats
As already mentioned, the colour strength and the hiding power of pigments depend on the con-
centration of pigment particles in the film matrix and on the film thickness. For topcoat applica-
tion, the equipment and the process (line speed) are set up so as to achieve film thicknesses of 
40 to 45 µm (as a rule). 
The concentration of pigment particles in the film is described by the pigment volume concentra-
tion (PVC; naturally, weight fractions are not used on account of the different densities). Increas-
ing the PVC increases the hiding power and colour strength. The hiding power increases rapidly 
at first and then less and less. If the pigment particles are very small, the curve of hiding power 
versus PVC passes through a maximum and then declines. The PVC can influence the application 
behaviour. The reason is that
 
higher quantity of pigments generates particle-particle interactions, 
Figure 3.6.14: Indanthrone pigment (C.I. Pigment Blue 60, e.g. “Paliogen” Blue L 6470)
Topcoats

---

132
which lead to increasing viscosity and intrinsic viscosity behaviour. The application viscosity 
of topcoats is determined by measuring at
 
low shear rates (efflux viscosimeter DIN, ISO, Ford 
cups and others), which may be closely related to shear rates which occur during the first steps 
of film forming (flow and levelling). Since different pigments not only generate different hiding 
power and colour strength, but also different viscosity behaviour, the compositions (by weight) 
of topcoats also vary with regard to achieving optimum application behaviour and optimum col-
our properties. Figure 3.6.16 shows typical compositions of topcoats of different colours, along 
with different ratios of binders, pigments, and solvents. All the colours must achieve the same 
requisite application viscosity (here: 
25 s, DIN cup 4 at
 
23 °C equivalent to 
ISO Cup 96 s at 23 °C). The PVC is cal-
culated from the quantity and density 
of the resin combination of alkyd resin 
(1.20 g/cm³), melamine resin (1.30 g/
cm³) and the density of the various pig-
ments (see Table 3.6.3). Note that the 
pigment density quoted refers to that 
of the substance and not the pigment 
powder. 
The goal is to build up a topcoat
 
series 
on the basis of a uniform binder combi-
nation. Also, the ratio of the resin part-
ners is the same for all colours of the 
topcoat
 
series; in the example of alkyd 
versus melamine resin 7:3. Under the 
described conditions, the application 
solids vary, for the same application 
viscosity, from 45 % by weight for black, 
via red with 50 %, to white with 55 %. 
The optimum PVC values for most of 
the organic pigments are between
Figure 3.6.15: Phthalocyanine pigment (C.I. Pigment Blue 15, e.g. “Heliogen” Blue L 7101 F)
Figure 3.6.16: Typical compositions of topcoats of different colour
Automotive OEM coatings

---

133
8 and 12 % per volume. Pigments with very high light absorption, such as phthalocyanine pig-
ments and carbon blacks, have PVC values of just 1 to 3 % by volume. Pure white topcoats have 
PVC of about 20 % by volume.
Most commercialised topcoat colours contain mixtures of several pigments. Some topcoat
 
for-
mulations contain as many as five different types of pigment. Nevertheless, the pigments are 
dispersed individually. The advantage is that
 
the dispersion process is highly characterised for 
the specific dispersion behaviour of each pigment. Therefore, not only the composition of pig-
ment paste (ratio of pigment, binder, and solvent) is adjusted, but so too are the conditions for 
the dispersion process. The latter is influenced by the type of milling equipment, the dispersion 
medium, the batch volume, the through-put velocity, the dispersion time, and the final constants 
of the dispersion. Pigment pastes contain as much pigment as possible, e.g. up to 60 % by weight 
for titanium dioxide, 15 to 20 % for organic red pigments, and 5 to 10 % for finely dispersed carbon 
black, together with alkyd resin and solvent. There are alkyd resins which are specially modified 
for preparing pigment dispersions. For example, 
they may contain specific quantities of unsatu-
rated fatty acids to improve the wetting properties: 
It is additionally possible to add wetting agents 
as additives for problematic pigments. Besides 
affording the opportunity to specify the composi-
tion and dispersion process for a single pigment, 
preparing pigment pastes for just one pigment 
enables standardised pigment pastes to be pre-
pared. A series of standardised pigment pastes 
of well-defined colour strength and PVC allows 
accurate colour definition, mainly for the purpose 
of reproducibility. It is also possible to calculate 
the amount of pigment paste that must be added 
for tinting (see Chapter 3.6.2). Nowadays, produc-
ers of topcoats have computer programs to perform 
analyses, define compositions and adjust required 
colours. They start by measuring and defining the 
requisite colour. The system must be able to calcu-
late the composition of the formulation, based on 
the standardised pigment paste series, and also 
accommodate addition of let-down resins (to allow 
for the quantity of alkyd resin already incorporated 
by pigment pastes), solvents, and additives (batch 
preparation). Adjustment consists in photometri-
cally measuring the colour of the