Automotive Coatings Formulation: Chemistry, Physics und Practices

Pigment-like additives
Pigment-like additives contain particles that interact efficiently to create special rheological 
effects. Examples of such additives are silicas of very small particle size (pyrogenic silica or silica 
gel). Other pigment-like additives in this group are aluminium silicates with laminar crystal 
structures (bentonite, montmorillonite, hectorite) and talcum. The additives are used in both 
solventborne and water-borne systems. Also employed are organo-modified silicas (e.g. alkyl 
silanes) and bentonite modified with alcohols or amino alcohols to render them more compatible 
and more effective in solventborne systems. This group also includes nanoparticles of silica, tita-
nium dioxide, barium sulphate and zinc oxide. Nanoscale pigment-like compounds bestow special 
properties on coating systems (see Chapter 3.8.3.11 for examples).
2.1.3 Solvents and dispersing agents
The form in which most paint materials are applied is attained with the aid of solvents or dispers-
ing agents. All paints are liquids; the only exceptions are powder coatings. Most paints have very 
complex compositions and consist mainly of mixtures of colloidal solutions and dispersions.
Solvents
Solvents are low-molecular organic compounds. The molecules of solvent interact physically with 
the molecules of the polymer resins. This interaction yields an association of solvent molecules 
on the polymer molecules. Solvents form solvates comparable to the hydrates formed by water and 
inorganic salts. Solvation opens the coils of polymer molecules, but not completely. The solvate 
still contains several polymer coils, but it is penetrated and covered by solvent molecules and 
can move freely among the free solvent molecules. The free molecules and solvated molecules 
are in equilibrium. This type of solution is said to be colloidal. Such colloidal solutions give the 
impression of being homogeneous liquids, but physically there are some differences. The average 
number of molecules forming coiled particles depends on the interaction between the solvent and 
polymer, the molecular weight and molecular weight distribution of the polymer, the concentra-
tion of polymer in the solution and the temperature. The ability of solvents to form associations 
with polymers (solvating power) varies with the chemical structure of the solvent and the chemi-
cal structure of the polymer (solubility). There have been numerous attempts to quantify solvating 
power and solubility. Different solvent parameters have been defined 
[20]
that take account of the 
polarity, ability to form hydrogen bonds and van der Waals forces. 
Some solvent suppliers offer specific computer programs for calculating the optimum solvent 
composition for any resin type 
[21]
. But paint formulators tend to ignore the solvent parameters 
in practice. There are a number of reasons for working without solvent parameters. Besides the 
parameters of the different solvents, it is necessary to take the corresponding solubility param-
eters of resins into consideration. These solubility parameters are difficult to define and each 
resin has its own individual solubility parameter value. Additionally, there is a limited number 
Composition of paints

---

26
of suitable solvents and so paint 
formulators base their choices on 
experience and solvent availabil-
ity. Besides solvating power, other 
parameters must be considered 
in relation to solvents. The most 
important are the application con-
ditions and the behaviour of the 
paints after application.
The best solvents, in the physical 
sense, are those which interact 
most extensively with the polymer 
molecules of resins. Such solvent 
molecules penetrate the polymer 
coils effectively to form relatively 
large colloidal particles. The result-
ant solutions are very stable and are 
more viscous than other solutions 
(see Chapter 2.2.1 for a description 
of viscosity). Of course, high stabil-
ity meets one of the basic require-
ments on paint properties, but high 
viscosity is a disadvantage when it comes to applying the paint. The optimum solutions for paints 
are those which have – for a given application viscosity – the highest solids content (polymer 
content, nonvolatiles). Low-viscosity solutions with the same solids content are made using less 
effective solvents in the physical sense. These may have a thinning effect. But the solution must 
remain stable. Paints therefore very often contain a combination of solvents in which so-called 
latent solvents serve to create either optimum solution stability and low viscosity or the highest 
solids content for a specific viscosity. Figure 2.5 shows the solution viscosity as a function of solids 
content for a good solvent in the physical sense and a solvent blend with a thinning effect.
Of particular importance for the application behaviour of paints is the solvent evaporation rate. 
For optimum film forming, solvents must evaporate from the film layer uniformly and completely. 
Thus, the choice of solvent must reflect the application conditions, e.g. application method, time, 
temperature, air circulation (see Chapter 2.3.1). Although solvent parameters are not widely used 
for calculations, there are some basic rules for choosing solvents. Polymers (resins) and solvents 
are classified according to the polarity of their molecules. Polarity is the efficiency with which 
solvents or polymers can acquire a charge on parts of their molecules. It is mainly exhibited by 
hetero atoms, e.g. the oxygen atom in hydroxyl, ester, carbonyl, and ether groups. Thus, it is pos-
sible to rank solvents by their polarity. The following list of solvent groups is ranked in descending 
order of polarity: alcohols, ethers, esters, ketones, aromatic hydrocarbons, terpene hydrocarbons, 
aliphatic hydrocarbons. Within these groups, molecules with long aliphatic chains are less polar 
than those with short alkyl chains. 
Another important aspect is the environmental and physiological behaviour of solvents. Some 
solvents commonly used in the past have been defined as toxic or harmful to health. Their use 
has therefore been restricted or prohibited. There are also ecological reasons for limiting the 
use of certain solvents. For example, halogenated hydrocarbons and aromatic hydrocarbons are 
photolytic and may lead to smog. Table 2.1 presents a list of solvents which are no longer used 
for paints, along with the reason.
Figure 2.5: Solution viscosity as a function of solids content for a 
good solvent versus a solvent blend with a thinning effect
General aspects of coatings

---

27
Other solvents have to be labelled if their content in paints exceeds a specific level (xylene, 
turpentine oil, tetraline, and butylglycol). Additionally, there are restrictions and limitations as 
regards transportation regulations. For the purpose of fire protection, solvents are ranked by 
flash point. The flash point of a solvent is the temperature at which a mixture of solvent vapour 
and air is ignited by an approaching naked flame. An important temperature limit is 21°C 
[22]
. The 
auto-ignition temperature of a solvent must be borne in mind where solvents are used to prepare 
solutions at high temperatures (e.g. solutions of alkyd resins and polyesters after their manufac-
ture). Table 2.2 lists the suitable solvents for automotive paints and their physical characteristics 
(boiling temperature, vapour pressure, evaporation rate, density, and flash point).
For several years, now, requirements have been imposed that are aimed at reducing emissions of 
volatile organic compounds (VOCs); in the paint industry, it is mainly solvents that are affected. 
The first response was the development of paints which can be applied at high solids content 
(high-solid paints). A parallel development came in the form of water-borne paints and solventless 
paints (e.g. powder coatings, coatings with reactive diluents).
Table 2.1: Solvents restricted due to their physiological behaviour