Automotive Coatings Formulation: Chemistry, Physics und Practices

3.7.5 Water-borne basecoats
Although high-solid basecoats contain 30 to 40 % by weight application solids and save a lot of 
solvent in comparison to low-solids basecoats, solvent emissions still amount to 60 to 70 % by 
weight. In addition, high-solid basecoats have poor application robustness, and some colours and 
effects are not available. Both these reasons led to the development of water-borne basecoats. The 
components for water-borne basecoats were chosen in accordance with the experiences gained 
with solvent-borne basecoats. For water-borne basecoats, too, the resin combination chosen con-
tained physically drying resins and crosslinkable resins with plasticizing properties. There was 
also the need for very efficient rheological additives. In transferring the principles from solvent 
phase into water phase, it proved necessary in some cases to change the class of product, but not 
the function and properties.
3.7.5.1 Resins for water-borne basecoats
Resins for water-borne basecoats that boost physical drying are acrylic dispersions and poly-
urethane dispersions. Resins with plasticizing properties are water-thinnable, saturated poly-
ester or acrylic resins that contain hydroxyl groups which are crosslinked by water-thinnable 
melamine resins.
Primary acrylic dispersions
There are different types of aqueous acrylic dispersions, namely primary and secondary. Primary 
acrylic dispersions are prepared from acrylic monomers directly in the water phase, following 
the emulsion polymerisation process. The process utilise water-soluble polymerisation initiators 
(e.g. ammonium peroxydisulphate) and emulsifiers (e.g. alkyl sulphonates, ethoxylated alkyl 
sulphonates, and alkyl ethoxylates). Emulsifier and initiator are dissolved in water. According to 
the most widespread, classical theory of emulsion polymerisation 
[143]
, the emulsifier forms micro-
micelles that contain initiator molecules. The aqueous phase is heated to about 80 °C, the reaction 
temperature for polymerisation. The mixture of acrylic monomers is admixed to yield emulsions 
with relatively large particles. Monomers which are mainly insoluble in water diffuse into the 
micelles, starting a free-radical polymerisation process. The free-radical chain polymerisation 
process is comparable to solution polymerisation (described in detail in Chapter 3.8.3.1) and 
consists of the reaction steps: initiator decomposition, initiation, chain extension (propagation), 
and chain termination through recombination of free-radicals or chain transfer. This process can 
yield high-molecular polymers. The reaction enthalpy (exothermic reaction) is transferred into 
water and removed by cooling the aqueous reaction mixture. The particle sizes are determined 
by the type and quantity of emulsifier. The more emulsifier and the greater it efficiency is, the 
smaller are the particles and the more stable is the emulsion. Attainable average particle sizes 
range from 150 to 300 nm (diameter). Figure 3.7.16 (page 158) shows the principle behind emul-
sion polymerisation.
Basecoats

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158
The physical properties of the polymer (hardness, flexibility, glass-transition temperature) depend 
on the composition of the monomers. Theoretically, the same conditions are employed as for solu-
tion polymerisation products (see Chapter 3.8.3.1). The film-forming behaviour of such primary 
acrylic dispersions is influenced by the interaction of the small particles. As already mentioned 
under the general description of dispersions, the viscosity at low solids content is relatively low. 
However, from a certain concentration on, the viscosity increases rapidly with increase in solids 
content. The reason for this is that fine particles interact efficiently due to the large surface energy 
possessed by small particles. This property provides strong support for film formation and the 
immobilisation of effect substances. This behaviour is intensified when polymer dispersions are 
used that have very large molecules or, even better, crosslinked molecules. Such dispersions 
are able to form gels in the aqueous phase by interacting with the cosolvent. Such polymer gels 
act like rheological additives. Partly crosslinked acrylic polymers bearing free carboxyl groups 
can form gels if they are partly neutralised by amines. Specific quantities of such products in a 
water-borne basecoat can have benefits for the application behaviour: immobilisation of the effect 
substance, no sagging of the film on vertical parts of the coated object, support for physical dry-
ing, and no redissolving.
The particles of primary acrylic dispersion are able to form films only above a specific temperature 
after water has evaporated. This temperature is called the minimum film-forming temperature 
(MFT) and is a little bit higher than the glass-transition temperature (T
G
). Film forming of disper-
sions takes place by fusion of particles by their outer shells. As the film-forming temperatures of 
basecoats are initially relatively low, acrylic polymers with low minimum film-forming temperatures 
should be used. Unfortunately such polymers are relatively soft and not resistant to mechanical 
impact, solvents or chemicals. To compensate, the dispersions chosen have polymers with higher 
glass-transition temperature that confer hardness and resistance. The particles of such polymers 
are embedded into the film matrix by the combination resins, which are not dispersions, but rather 
are water-soluble and able to fill the hollow spaces between the said particles. So, at latest during 
stoving with the clearcoat, the basecoat layer is fused very well, although it contains polymers with a 
high MFT. However, it must be assumed that full interdiffusion does not occur. Domains of relatively 
Figure 3.7.16: Principle behind emulsion polymerisation 
Automotive OEM coatings

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high-molecular acrylic polymers still remain. Such areas cannot contribute to the crosslinking proc-
ess, even though they may contain functional groups for crosslinking reactions. Normally, therefore, 
the polymers of dispersion do not contain monomers with additional functional groups. The useful 
properties possessed by acrylic polymer dispersions are their drying properties, influence on the 
rheology, and physical resistance. They are less suitable for wetting substrates and pigments, pro-
moting flow and levelling, or supporting flexibility and crosslinking.