Automotive Coatings Formulation: Chemistry, Physics und Practices

Wetting and adhesion
Surface tension is responsible for interactions at interfaces. Unlike molecules of gas, the mol-
ecules of liquids and solids occupy a defined volume. The reason is that these molecules associ-
ate more by intermolecular forces. The effect of these intermolecular forces is called cohesion. 
However, on the surface of liquids and solid substances, cohesive forces are not used for interac-
tion with the molecules of air. Instead, they increase the level of interaction with neighbouring 
molecules. Although the molecules in liquids can move past each other, it takes additional energy 
to create a new surface. The energy (work) needed for this compensates for the additional energy 
between surface molecules. That energy is surface tension. The underlying principle is described 
schematically in Figure 3.5.1.
Surface tension is the reason that liquids form droplets. Water has a relatively high surface ten-
sion. That is why some insects can run on its surface. In principle, the surface tension is a specific 
interfacial energy between liquids and air. Interactions also exist between liquids and solids. 
Those interactions are responsible for wetting and capillary forces.
Surface wetting
The surface tension of liquids is the reason that droplets of different shapes form on surfaces. The 
contact angle (wetting angle) of the various droplets is a measure of the surface tension. Liquids 
of low surface tension create flat droplets with small wetting angles. Increasing surface tension 
generates droplets with increasing wetting angles until eventually a hemisphere is formed at 
a wetting angle of 90°. Liquids of very high surface tension form droplets with wetting angles 
greater than 90°. The area in contact with the substrate is then relatively small (see Figure 3.5.2 
for schematic description of droplets of different wetting angles).
The first precondition for a liquid to wet a surface is a low surface tension at the interface with 
air. In addition, wetting depends on the interaction of the surface of the liquid with the surface of 
the object (interfacial tension). The principle of interfacial tension is similar to that of solubility. 
Figure 3.5.2: Droplets of different wetting angle on a substrate
Figure 3.5.1: Principles behind cohesion and surface tension
Automotive OEM coatings

---

81
Materials of comparable molecular structure – at any rate, of comparable polarity – improve the 
interactions of their surfaces. Therefore, wetting efficiency depends on the degree of surface 
interaction (affinity). Surface structure, too, exerts a significant influence on wetting properties. 
A surface that has a high affinity for a liquid and high roughness is wetted much more readily 
than one with a smooth surface. However, a rough substrate with less affinity for a liquid is more 
repulsive than the same object with a smooth surface (see Chapter 3.8.3.10).