Automotive Coatings Formulation: Chemistry, Physics und Practices

Polyurethane elastomers
High-molecular polyurethane elastomers contain linear polyesters by way of soft segments, diiso-
cyanates as hard segments, along with polyols or diamines for molecular chain extension. The first 
step is to polyurethane prepolymers by making polyesters react with an excess of diisocyanates. 
Chain extension is then effected by reaction with polyols or amines. The resultant products have 
a relatively high molecular weight and contain urethane and urea groups, which readily form 
hydrogen bonds. The type of polyester building blocks, the type of diisocyanate, the molecular 
weight, and the hydrogen bonds influence the physical drying properties of these polyurethane 
elastomers. The polyurethanes have lower solution viscosities than cellulose acetobutyrate. Com-
binations of such polyurethane elastomers with polyesters and melamine resins serve as the basis 
for the formulation of basecoats which achieve application solids of 25 % by weight and more 
[141]
. 
Said basecoats are distinguished by particularly excellent application behaviour. They exhibit no 
redissolving in wet-on-wet processes, not even in automotive coatings applied at high conveyor 
speeds. In addition, due to the excellent flexibility conferred by polyurethane elastomers, they are 
particularly suitable for application to plastic parts.
Special acrylic resins
Acrylic resins, prepared by solution polymerisation (see Chapter 3.8.3.1), can emit solvents much 
faster than, for example, polyesters. The reason is that the acrylic molecules are linear but coiled, 
much more so than other resin molecules, and the colloidal particles in solution are relatively 
dense, so that there is less interaction with the solvent molecules. It is possible to boost this 
property by using monomers and modifications which serve to increase the glass-transition tem-
perature. Acrylic resins prepared in this manner may have higher solution viscosities than oth-
ers, but their viscosity is much lower than that of cellulose acetobutyrate solutions. Such acrylic 
resins are not ideal for wetting effect substances and yield relatively brittle films. To circumvent 
these problems, acrylic resins modified with 
ε
-caprolactone have been developed. They have low 
solution viscosities while the 
ε
-caprolactone modification confers excellent flexibility. Neverthe-
less, due to the segmented structure of uniform polyester side chains generated by addition of 
several molecules of 
ε
-caprolactone, the drying properties are fairly good. Combinations of such 
acrylic resins with melamine resins and suitable rheological additives in effect basecoats lead to 
application solids of 35 to 40 % by weight. The rheological additives are preferably non-aqueous 
dispersions (NADs) of crosslinked acrylic resins, also known as microgels 
[142]
. Such microgels are 
able to swell under the influence of solvents to bestow structural viscosity above specific solids 
content, which immobilises the effect substances very well. Microgels also contribute to optimum 
physical drying.
Automotive OEM coatings

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The described basecoats are called high-solid basecoats because the solids content in the applica-
tion state exceed 30 % by weight. Theoretically, it is more difficult to achieve reproducible bright 
and light effects with such basecoats. The reason is that the shrinking effect – which boosts 
orientation of the pigment flakes – is much less pronounced than in lower solids versions. Very 
light and brilliant metallic effects, which are preferred mainly by customers in Europe, are diffi-
cult to achieve with high-solid basecoats. However, in the USA, where basecoats with a sparkling 
effect are preferred, such basecoats perform very well. To further reduce VOC emissions during 
effect basecoat application and to overcome the problems of achieving all effects with high-solid 
basecoats, water-borne basecoats were developed.