Automotive Coatings Formulation: Chemistry, Physics und Practices

Components
Conventional topcoat
High-solid
topcoat
Water-borne 
topcoat
wt-%
NV = 55 %
NV = 65 %
NV = 42 %
resins
31.1
36.7
23.7
pigments
23.0
28.3
18.3
solvents
45.0
35.0
10.0
water
0.0
0.0
48.0
sum
100.0
100.0
100.0
3.7 Basecoats
3.7.1 Development of basecoats
In the early 1960s, the general public fell in love with sporty cars. Part of this appeal was provided 
by the colour and special effect coatings. The first effect paints were topcoats (stoving enamels) 
that contained aluminium pigments, which conferred a metallic-like appearance. Such effect 
topcoats are now called one-coat metallics. The resin combination for these topcoats contained 
hydroxy acrylic resins, which were already commonly employed for stoving enamels in the USA, 
and melamine resins for crosslinking. To create the special effects, these topcoats were loaded 
with as much aluminium pigment as possible. However, high quantities of aluminium pigments 
lower the resistance to chemicals, mechanical impact (abrasion) and weathering. The most impor-
tant way to judge the resistance of metallic topcoats was the Kesternich test in which the test 
panels were exposed to high levels of humidity, elevated temperatures and sulphur dioxide. In 
Europe, such stoving enamels were more commonly based on alkyd resins containing saturated 
monocarboxylic acids. These offered a superior appearance to acrylic systems but, due to the con-
tent of aluminium pigment, they were limited in their resistance to weathering and chemicals. The 
resistance problems were overcome by protecting the aluminium-based topcoats with a clearcoat. 
In Europe, the clearcoat contained alkyds, which offered less yellowing, and melamine resins 
for crosslinking. The clearcoat protected the metallic effect layer (pre-coat) against chemicals, 
mechanical impact and weathering. In addition, the two-layer systems presented an opportunity 
to increase the quantity of aluminium pigment to create an appealing metallic effect.
Most car makers ran their coating processes in three steps: primer, primer surfacer, and topcoat. 
They were not prepared to use four steps for a two-layer topcoat system comprising metallic pre-
coat and clearcoat. The four-step process was employed only on some highly prestigious cars. The 
first solution employed by producers who did use four-layer systems consisted in passing cars 
with effect coatings through the topcoat application line twice, first for the metallic pre-coat, and 
then for the clearcoat. This was a very intensive process. Line productivity fell 50 %. Cleaning the 
line between metallic pre-coat application and clearcoat application proved much more expensive 
than the cleaning involved in changing colours of conventional topcoats. Initially, when there were 
only a few cars requiring effect topcoats, the additional effort was worth it. However, in the late 
1960s, demands for cars with effect colours increased significantly, even though such cars were 
more expensive than cars with conventional topcoats. To circumvent the effort required to meet 
the rising demands for cars with effect topcoats and to avoid production bottlenecks, car makers 
asked paint producers to develop efficient application processes. The paint industry proposed a 
process for applying a metallic pre-coat and clearcoat that required just one stoving process after 
application of both coats. This process, known as “wet-on-wet” application was not new.
Basecoats

---

138
The most important property of the “wet-on-wet” application was that the pre-coat, which was only 
allowed to dry physically, had to withstand the clearcoat just after the pre-coat had been applied. 
Other factors were the influence of solvents in the clearcoat, and the mechanical impact of spray 
application onto the pre-coat layer. Physical drying had therefore to be as efficient as possible, but 
the orientation of aluminium pigments, the most important precondition for the metallic effect, 
was not to be impaired. Aluminium pigments had to be perfectly distributed in the effect coat 
layer and to be homogeneously immobilised in that layer after physical drying. Finally, the two 
layers of metallic basecoat – the new name for the effect pre-coat – and clearcoat had to confer 
sufficient weathering resistance.
Metallic basecoats that met the described requirements contained a resin combination of a poly-
mer offering rapid physical drying and resins that not only acted as plasticizers for the physical 
drying polymer but could also be crosslinked during stoving. The basecoats also contained rheo-
logical additives for immobilising the effect pigments during the drying process and protecting 
against the impact of clearcoat application. The first type of physical drying resin to be chosen 
was cellulose nitrate. Cellulose nitrate was inexpensive and distinguished by excellent applica-
tion behaviour (easily applied by spraying and not sensitive to variations in application condi-
tions). However, basecoats containing cellulose nitrate are not sufficiently weathering resistant. 
A great many other polymers were tested (e.g. polyvinyl chloride copolymers), before cellulose 
acetobutyrate was ultimately chosen as the physical drying resin. The combination resins chosen 
to act as plasticizer and to be crosslinkable were saturated polyesters together with amino resins: 
the first urea resins. Such metallic basecoats were introduced into the market at the end of the 
1960s. In the 1970s, the urea resins were replaced by special melamine resins, which offered 
better weathering resistance and better intercoat adhesion.
Polymers for efficient physical drying coatings, e.g. cellulose acetobutyrate, contain rather large 
molecules (with high molecular weights). The solution viscosities of such polymers are high. In 
addition, the rheological additives increase the viscosity. Basecoats containing such polymers and 
rheological additives therefore only attain application viscosity at low solids content. For example, 
a silver metallic basecoat achieves an application viscosity of 15 s (cup 4 mm, 20 °C, DIN 3511 
equivalent to ISO cup 58s) at a solids content of 13 % by weight. Such low solids are conducive to 
appealing effects, but of course they fail to meet the goal of avoiding volatile organic compounds. 
Already in the late 1970s, tests were underway to develop solvent-borne basecoats with higher 
application solids. Since a high viscosity or low application solids is mainly attributable to the 
content of physical drying polymer, the biggest step is to completely eradicate such polymer types. 
Mainly in the USA, high-solid basecoats were developed that contained acrylic resins and low-
molecular melamine resins. They yielded application solids of about 35 % per weight (silver) (see 
Chapter 3.7.4). However, the effects achievable with such basecoats are less brilliant than those 
of low-solids basecoats. Furthermore, the application process is not as robust as for low-solids 
basecoats. Preparing appealing and reproducible basecoat-clearcoat systems is more difficult 
and the application conditions must be chosen carefully. In Europe, a compromise was reached 
with regard to achieving high-solids. The quantity of physical drying polymer in basecoats was 
reduced, which caused the viscosity to decrease significantly. Some of the drying properties were 
transferred to the combination resins, but without any increase in viscosity. Such medium-solids 
basecoats achieved application solids (for silver) at 23 % by weight. The effects and application 
robustness were comparable to those of low-solids basecoats. Although the described develop-
ment steps slashed solvent emissions in two (and by more in the case of high-solids), the goal 
of limiting emissions of volatile organic compounds was not met. This led in the early 1980s to 
the development of water-borne basecoats (see Chapter 3.7.5). Today, water-borne basecoats are 
well distributed across European OEM coatings applications. They are also widespread in Asia 
and Latin America (mainly in the “transplants” of European car producers). High-solid basecoats 
continue to predominate in the USA.
Automotive OEM coatings

---

139
Initially, all effect basecoats contained aluminium pigments for creating the metallic effect. Later, 
effect pigments based on mica (potassium-aluminium-alumino silicate) were introduced that cre-
ated a pearlescent effect. Mica pigments are coloured by doping with thin layers of heavy metal 
oxides. In recent years, there have been trials aimed at introducing a number of other effect 
substances into the coatings market. These developments are following the market demand for 
striking and individual colours and effects. Meanwhile, the advantages of basecoat-clearcoat 
systems (better weathering resistance, and mechanical and chemical resistance) are also being 
exploited in topcoat systems which do not contain effect substances. Solid-colour topcoats contain-
ing only conventional coloured pigments are being replaced by two-layer systems that contain 
a solid-colour basecoat and a clearcoat applied “wet-on-wet”. If such solid-colour basecoats are 
solvent-borne, then application in conjunction with a solvent-borne basecoat will cause solvent 
emissions to increase. To meet the demand of eliminating volatile organic solvents, therefore, the 
solid-colour basecoats had to be water-borne.
Various trials have sought to develop and prepare powder coatings containing effect substances. 
However, only a few systems are suitable and available 
[106]
. Of course, effect powder coatings are 
one-coat systems. Such powder coatings are inferior in performance to liquid effect basecoat-
clearcoat systems.