Automotive Coatings Formulation: Chemistry, Physics und Practices

gradient bar oven
. The 
oven consists of a metal bar in which a defined gradient temperature is generated. A long test 
panel which has been coated with the full coating system and bears several series of droplets 
of the various chemicals is placed on the bar for a defined time. After the time has elapsed, the 
temperature at which damage to the coating (matting, swelling or other destruction) just fails to 
be observed is recorded for each chemical. Figure 3.8.4 shows an example of such tests.
3.8.2.4 Mechanical resistance
The primary meaning of the mechanical resistance of a coating layer is resistance to shock and 
blows. As already described for primer surfacers and topcoats, stonechipping is the primary 
source of impact on automotive coatings. A stone impinging on a coating at high velocity will 
definitely cause damage. As drivers know, stones can also destroy car windscreens. The goal of 
conferring adequate stonechip resistance is to minimise the damage. The damage must cover as 
small an area as possible and must not penetrate as far as the substrate surface (metal of car 
body). All layers of the full coating system are required to offer resistance to stone chipping, but 
especially the primer surfacer. The clearcoat must also contribute to stonechip resistance. To 
improve stonechip resistance, clearcoats must mainly provide optimum intercoat adhesion via 
the basecoat layer to the entire coating system.
3.8.2.5 Scratch resistance
Scratch resistance is the resistance of film surfaces to avoid damage by small, relatively hard 
particles or by fibres or paper. This type of damage includes not only the erosion caused by 
particles acting on a moving car, but also the formation of various scratches that mainly occur 
during washing. Nowadays, many car washes use textiles, instead of the polypropylene brushes 
previously used, to prevent too much impact on the coating surfaces. Nevertheless scratches 
still occur (washing scratches). These stem from dust particles from the road surface and 
from dirt that are rubbed onto the coating surface during the washing process. These types of 
scratches are observed more easily at an oblique angle on dark cars standing in sunlight just 
after having been washed. The scratches are circular and merge into each other. Now that clear-
coats have been optimised as regards weathering resistance and chemical resistance, there 
are no longer complaints about these issues. Customers and car producers are now focusing 
on scratch resistance.
Figure 3.8.4: Measuring chemical resistance in a gradient bar oven
Clearcoats

---

172
When small particles act on a clearcoat surface, two types of scoring occur. Abrasion scratches, 
where material from the clearcoat layer is totally removed in the direction of particle rubbing. 
Such scratches have sharp and irregular edges at the microscopic level (see Figure 3.8.5). 
Abrasion scratches are observed on clearcoat layers which are very hard and brittle. In contrast, 
deformation scratches occur when the particles move the material sideways in the direction of 
particle rubbing. A microscopic wall is created, but little or no material is removed from the 
clearcoat (see Figure 3.8.6).
Such scratches are formed on flexible clearcoats. They can heal themselves after some delay (cold 
flow) or, much more quickly, at high temperatures. Theoretically, clearcoats which yield small 
quantities of deformation scratches should be preferred to the others. Such clearcoats have greater 
plasticity (in addition to elasticity; both parts contribute to flexibility). However, they are less 
stable to diffusion and dissolution, which means they have less chemical and solvent resistance. 
They are more easily swelled by solvents, and swollen paint layers are sensitive to mechanical 
impact and relatively easy to damage. The demand for improved scratch resistance still exists and 
has been the most important demand for several years. However, in line with what has been said 
above, what really is called for is optimisation of the totality of chemical resistance and scratch 
resistance. Gradual improvements have come about through modifications to the resin composi-
tion, with mainly acrylic resins developed that offered improved scratch resistance. However, the 
demands of the automotive industry for improve scratch resistance remain. Additional studies and 
solutions have been proposed: clearcoats with optimised scratch resistance may contain nano-
particles as additives (see Chapter 3.8.3.11). Scratch resistance is improved by using alternative 
crosslinking methods (see Chapter 3.8.8). In addition, special sealers can be applied that offer 
better scratch resistance (see Chapter 3.8.3.11).
Figure 3.8.7: Test apparatus featuring rotating wash brushes and aqueous sand dispersion as test medium
Figure 3.8.5: Abrasion scratches on clearcoats
Figure 3.8.6: Deformation scratches on clearcoats
Automotive OEM coatings

---

173
Several items of test equipment for determining scratch resistance. Most of them employ specific, 
well defined media (e.g. sand or textile tissues) which impinge on the coating surface under well 
defined conditions, e.g. rotating brushes or plungers operating at defined temperatures and times. 
The impact is assessed visually. However, it can also be measured by means of physical data, e.g. 
derived from measurements of light scattering generated by scratches on the clearcoat surface. 
Figure 3.8.7 shows a model of a test apparatus equipped with rotating washing brushes employing 
an aqueous sand dispersion for simulating the car wash process.