Automotive Coatings Formulation: Chemistry, Physics und Practices



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Automotive Coatings Formulation Ulrich Poth - Chemistry, Physics und Practices (2008, Vincentz Network) - libgen.li

Water-thinnable polyesters
Only a few polyesters are actually soluble in water. These resins have the disadvantage of remain-
ing sensitive to water and moisture after film formation. For this reason, recourse is made to 
the aforementioned method of introducing small quantities of hydrophilic groups into polyester 
molecules, which are mainly hydrophobic. The hydrophilic groups are ions, mainly anions. Such 
anions offer the possibility of preparing colloidal aqueous solutions that contain relatively large 
particles. The anions are mainly oriented on the surface of the colloidal particles, acting as carrier 
groups in aqueous phase. They are mostly prepared from carboxyl groups which are neutralised 
by bases. However, sulphonic acids, phosphonic acids, or acid groups of partly esterified phos-
phoric acid may act as carrier groups.
Doping with carboxyl groups is preferred. There are different ways to introduce free carboxyl 
groups into polyester molecules:
• 
addition of cyclic anhydrides of carboxylic acids
• 
partial condensation of polycarboxylic acids
• 
diene addition of unsaturated carboxylic acids
The different ways of incorporating carboxylic acids into polyester molecules are described by 
chemical formulas in Figures 3.5.13, 14 and 15.
Primer surfacers


100
Figure 3.5.13: Incorporation of carboxylic groups by adding cyclic anhydrides
Figure 3.5.14: Introduction of carboxylic groups by addition of cyclic anhydrides and partly esterification
Automotive OEM coatings


101
Figure 3.5.15: Incorporation of carboxylic groups by diene addition of unsaturated acid
Figure 3.5.16: Neutralisation reaction
Primer surfacers


102
The free carboxylic groups are neutralised by adding inorganic or organic bases to generate 
anions. Organic bases are preferred if they can evaporate. The neutralisation reaction is shown 
in Figure 3.5.16.
On account of the low acidity of carboxylic acids, even partial neutralisation with amines yields 
pH values above 7.5. This explains why – depending on the temperature – the ester groups of the 
polyester molecules can be partly saponified (hydrolysed). This tendency to saponification is the 
main reason that the use of polyester resins in water-borne systems is restricted. Saponification 
may be the reason that acids forming the anionic carrier groups are cleaved and water-solubility 
is lost. Or, if esters of the polyester main chains are saponified, the molecular weights decrease 
and the acid values increase, which may lead to loss of physical properties of the coating films. 
There are alternatives to polyesters that are much more resistant to saponification. However, so 
as to retain the positive properties of polyesters for primer surfacers, several attempts have been 
made to improve their saponification resistance. The results of such studies show: There are differ-
ences in the saponification stability of addition products of cyclic anhydrides due to the different 
anhydrides. The following anhydrides are listed in order of increasing stability:
• 
phthalic anhydride
• 
trimellitic anhydride
• 
maleic anhydride
• 
tetrahydrophthalic anhydride
• 
hexahydrophthalic anhydride
• 
succinic anhydride
One way to improve the saponification resistance is to add trimellitic anhydride first and then to 
statistically esterify one other carboxylic group of the addition product. The statistically remaining 
free carboxylic groups are connected via two ester groups in the polyester molecules, which is a 
precondition for improving resistance to cleavage reactions (see Figure 3.5.14). In addition, the 
method 
[94]
has the advantage that the carboxyl groups are better distributed over the polyester 
molecules in comparison to the simple adduct of trimellitic anhydride, for the same acid values. 
It is also possible to rank polycarboxylic acid contained in the polyester chains by their saponifica-
tion resistance. The following list shows the polycarboxylic acids or corresponding derivatives in 
order of increasing saponification resistance:
• 
phthalic anhydride
• 
tetrahydro phthalic anhydride
• 
adipic acid
• 
hexahydro phthalic anhydride
• 
isophthalic acid
• 
terephthalic acid
• 
fatty acid dimers
A similar list could also be generated for diols as building blocks for polyesters. Diols containing 
long chains, or, even better, aliphatic side chains, are more resistant to saponification than diols 
containing short chains or diols containing ether groups (polyethylene glycols).
In addition, saponification resistance is influenced by the type and quantity of co-solvent. First, 
co-solvents are used to improve the water solubility of polyesters. It is believed that they promote 
un-coiling of molecules, thereby presenting the carrier groups to the surface of the colloidal coils 
for neutralisation and forming solvates with water molecules. An equilibrium then exists between 
co-solvent molecules in the colloidal coils and in the aqueous phase. If greater quantities of sol-
vent are in the molecular coils of the polyesters, it can protect the ester groups against hydrolysis 
by water molecules, and the polyester molecules remain stable. From all these aspects, butyl 
glycol (ethylene glycol monobutyl ether or butyl cellosolve) has proved to be the best co-solvent. 
Automotive OEM coatings


103
It is also possible to employ small quantities of solvents which are incompatible with water. Such 
solvents are placed in the polyester molecule coils and are also able to protect the ester groups 
against saponification. The quantity of such solvents is restricted because of their lack of a media-
tor role with the aqueous phase, which is important for optimum film forming.
Furthermore, the type and quantity of neutralisation agent influence the saponification resist-
ance. Suitable neutralisation agents are N,N-dimethyl ethanolamine (DMEA), diisopropanol 
amine (DIPA), triethyl amine (TEA), aminomethyl propanol (AMP) and ammonia.
Water-borne polyester solutions often exhibit very strange and unusual viscosity behaviour when 
thinned with water. During thinning, the viscosity rises significantly at first, unlike the case for 
all organic solutions. After that, as thinning continues, the viscosity drops very rapidly to specific 
values. This anomalous viscosity behaviour is sometimes termed a “water hill”. The process is 
reversible, so it is not the effect of an inversion reaction (observed in emulsions). The water hill 
may cause problems, first in the handling of water-borne polyesters in paint production, and 
second during film forming, where such anomalies may interfere with levelling. The position and 
height of the water hill are influenced by the polyester building blocks, the type of neutralisation 
agent, the degree of neutralisation and type and quantity of co-solvent.

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