Automotive Coatings Formulation: Chemistry, Physics und Practices

3.7.3 Composition of solvent-borne basecoats
Nowadays, nearly all solvent-borne basecoats from the different suppliers have the same resin 
composition, namely cellulose acetobutyrate as physically drying polymer, saturated polyesters, 
and melamine resin for plasticising and crosslinking. They contain different types of rheologi-
cal additives. Originally, aluminium pigments were the effect substances. Later, mica pigments 
became popular. A large number of different new, effect pigments are now available. Coloured 
pigments for basecoats could be used equally well for topcoats, but the preferred types have very 
small particle sizes and are transparent in basecoat layers. The solvents for basecoats are chosen 
on the basis of the solubility of the basecoat resins. Other additives may be levelling agents, light 
protection additives, and reaction catalysts (for crosslinking).
3.7.3.1 Cellulose acetobutyrate
Cellulose is the most important building block of all plants. The cellulose molecule is a linear 
polysaccharide made up of glucose units connected by glycoside bridges. It has a molecular weight 
Basecoats

---

144
of 500,000 to 1,000,000 g/mol, i.e. 3,000 to 5,000 glucose units per molecule. The molecules are 
stretched and form crystalline micelles. This explains the outstanding strength of cellulose. How-
ever, polymers with crystalline micelles are insoluble in solvents and therefore make unsuitable 
coating raw materials. The most important use of cellulose is in the preparation of textile fibres. 
Modifications of cellulose (esters, ethers, nitrate) afford a means of using cellulose for paints. For 
solvent-borne basecoats, the most important cellulose derivative is cellulose acetobutyrate. 
Production of cellulose butyrate requires very pure cellulose. In the past, this was prepared from 
cotton, but now is obtained from wood. The cellulose fibres are dispersed in acetic acid at 50 
to 80 °C and then treated with a mixture of acetic anhydride and butyric anhydride, and some 
sulphuric acid. Nearly all the hydroxyl groups are transformed into ester groups. The virtually 
totally esterified cellulose is soluble in acetic acid. To an extent depending on the temperature and 
duration, the large molecules of cellulose are cleaved into smaller molecules. Acidic cleavage of 
glycoside bridges affords molecules containing only 100 to 350 glucose units. For optimum solu-
bility and compatibility, some of the ester groups are saponified by adding water to the reaction 
mixture. Some free hydroxyl groups are generated thereby. This is accompanied by decomposition 
of polymer molecules. Figure 3.7.5 shows the structure of a typical molecular segment of cellulose 
acetobutyrate.
The available types of cellulose butyrate differ in molecular size (as measured and defined by 
the viscosity of a test solution), the number of acetate and butyrate groups, and the number 
of free hydroxyl groups. A typical cellulose acetobutyrate for metallic basecoats 
[124]
consists 
of 13.0 to 16.0 % by weight acetate groups, 33.0 to 38.0 % butyrate groups, and has an average 
hydroxyl content of 1.8 % by weight. The dynamic viscosity is 790 to 1,900 mPa s (test solution 
15 % by weight in butyl acetate). This type of cellulose acetobutyrate is soluble in esters, ketones, 
glycol ethers, and glycol ether esters; it is thinnable with aromatic hydrocarbons or alcohols, or 
both. Although there are free hydroxyl groups, their participation in crosslinking reactions is 
implausible. While the crystallinity of cellulose is widely degraded by esterification, the aceto-
butyrate molecules – mainly the high-molecular types – still have a tendency to associate. This 
tendency to form molecular associations is the reason that domains form in the film structure. 
Provided that such domains do not influence the effect, they are advantageous as they boost the 
resistance of basecoats to redissolving. The domains are visible under an interference micro-
scope. The higher the molecular mass of cellulose acetobutyrate, the better is its resistance to 
redissolving, the better the resistance of basecoat films to chemicals, solvents and mechanical 
Figure 3.7.5: Structure of a molecular segment of cellulose acetobutyrate
Automotive OEM coatings

---

145
stress, the lower is the compatibil-
ity with other resins and the lower 
is the solids content at application 
viscosity of the basecoat thereof. 
The influence of low-molecular cel-
lulose acetobutyrates on film prop-
erties is quite the opposite. High 
quantities of butyrate promote 
solubility and compatibility, while 
high quantities of acetate support 
resistance to redissolving. High 
quantities of hydroxyl groups pro-
mote compatibility with combina-
tion resins 
[125]
.
On account of the molecular struc-
ture of cellulose acetobutyrate 
and the residual tendency to form 
molecular associations, the drying 
properties of solutions of cellulose acetobutyrate are quite different from those of conventional 
resins. Initially, the solvents evaporate much faster than other resins. However, at the end of 
physical film formation, there is greater retention of residual solvents in the coiled molecular 
structure of the cellulose acetobutyrate film. Such drying properties are advantageous for resist-
ance to redissolving and also promote levelling. The different evaporation properties of cellulose 
acetobutyrate solutions and other resins are compared in Figure 3.7.6.