?? 生物基聚氨酯丙烯酸水性分散體：綠色涂料的未來(lái)方向
作者：涂料化學(xué)家兼可持續(xù)發(fā)展倡導(dǎo)者 Leo Green 博士
我們來(lái)談?wù)動(dòng)推岚伞Ｊ堑模?涂料……就是你貼在墻壁、汽車和家具上的東西。你可能不會(huì)過(guò)多地考慮它——除非它剝落了，或者聞起來(lái)像暴風(fēng)雨過(guò)后的化學(xué)實(shí)驗(yàn)室。但在這個(gè)不起眼的罐子背后，隱藏著一個(gè)充滿創(chuàng)新、爭(zhēng)議的世界，現(xiàn)在，一場(chǎng)靜悄悄的革命： 生物基聚氨酯丙烯酸水性分散體.
不，這不是科幻電影里的繞口令。這是綠色涂料的未來(lái)——而且它比聽(tīng)起來(lái)更令人興奮。??
?? 傳統(tǒng)涂層的問(wèn)題
在我們深入探討這個(gè)閃亮的新解決方案之前，讓我們回顧一下。幾十年來(lái)，涂料行業(yè)嚴(yán)重依賴于 石油基樹(shù)脂，尤其是在汽車涂料、木材清漆和工業(yè)保護(hù)層等高性能應(yīng)用中。
這些涂層通常使用 溶劑型體系—“蒸發(fā)后留下一層薄膜的液體”這種說(shuō)法很花哨。問(wèn)題是什么？它們釋放 揮發(fā)性有機(jī)化合物（vocs） 就像他們舉辦了一場(chǎng)沒(méi)人邀請(qǐng)環(huán)境參加的派對(duì)一樣。揮發(fā)性有機(jī)化合物會(huì)導(dǎo)致霧霾、室內(nèi)空氣污染，而且，嗯，會(huì)讓你的新沙發(fā)在幾周內(nèi)聞起來(lái)像輪胎廠的味道。
全球范圍內(nèi)的法規(guī)正在收緊。歐盟的覆蓋范圍、加州南海岸空氣質(zhì)量管理區(qū)（SCAQMD）以及中國(guó)的GB標(biāo)準(zhǔn)都在推動(dòng)各行業(yè)走向 低VOC或零VOC替代品...雖然水性涂料已經(jīng)存在了一段時(shí)間，但它們的性能往往存在不足——表面呈白堊色、耐久性差或?qū)λ舾小?/p>
輸入 生物基聚氨酯丙烯酸水性分散體——是的，這是一個(gè)很大的問(wèn)題，但也是一個(gè)改變游戲規(guī)則的問(wèn)題。把它想象成 涂料混合動(dòng)力電動(dòng)汽車：它采用可再生能源（也就是可再生碳），排放的污染更少，但性能仍然像運(yùn)動(dòng)車型一樣。
?? 生物基聚氨酯丙烯酸水分散體到底是什么？
讓我們打破這個(gè)名字：
- 生物基：至少部分原材料來(lái)自可再生資源——例如植物油（大豆、蓖麻、亞麻籽）、糖，甚至木材廢料中的木質(zhì)素。
- pu：聚氨酯。以韌性、柔韌性和耐化學(xué)性而聞名。可以將其視為涂層中的“肌肉”。
- 丙烯酸樹(shù)脂：具有抗紫外線、清晰度和耐候性。二重奏中的“防曬霜”。
- 水分散體：水是載體，而不是溶劑。因此它更安全、更清潔、更容易清理（再見(jiàn)，松節(jié)油噩夢(mèng)）。
這些不僅僅是像冰沙一樣混合在一起。神奇之處在于 混合聚合技術(shù)—聚氨酯和丙烯酸鏈在分子水平上化學(xué)交織在一起。這就產(chǎn)生了 協(xié)同效應(yīng)：比單獨(dú)的任何一種聚合物都具有更好的成膜性、粘附性和機(jī)械性能。
而且因?yàn)樗鼈兪撬?，所以你可以用肥皂和水清洗你的刷子。你的貓?huì)感謝你的。??
?? 為什么是生物基？這不僅僅是一個(gè)流行詞
你已經(jīng)看到“生物基”這個(gè)詞被貼在從牙刷到運(yùn)動(dòng)鞋的各種產(chǎn)品上。但在涂料領(lǐng)域，它不僅僅是營(yíng)銷噱頭。它 減少碳足跡 和 資源可持續(xù)性.
傳統(tǒng)聚氨酯依賴于 二異氰酸酯和多元醇 源自化石燃料。二異氰酸酯？并不環(huán)保。它們有毒，需要小心處理，而且生產(chǎn)過(guò)程耗能巨大。
生物基替代品部分（或全部）替代多元醇成分 可再生多元醇。 例如：
- 蓖麻油 → 蓖麻油酸基多元醇
- 豆油 → 環(huán)氧大豆油（eso）轉(zhuǎn)化為多元醇
- 木質(zhì)素 → 造紙副產(chǎn)品，現(xiàn)被重新用作硬質(zhì)多元醇替代品
研究表明，生物基多元醇可以減少 聚氨酯樹(shù)脂的碳足跡減少 30–60% 與石油基樹(shù)脂相比（zhang et al., 2020）。這相當(dāng)于每噸樹(shù)脂讓一輛車停駛數(shù)月。
最關(guān)鍵的是： 一些生物基分散體的性能現(xiàn)已達(dá)到或超過(guò)其化石燃料同類產(chǎn)品的性能……我們不會(huì)妥協(xié)，我們會(huì)升級(jí)。
?? 它們是如何制作的？幕后一瞥
制作這些分散體并不像將亞麻籽油與水混合那么簡(jiǎn)單。它是化學(xué)、乳液科學(xué)和綠色工程精心策劃的舞蹈。
以下是該過(guò)程的簡(jiǎn)化版本：
-
生物基聚氨酯預(yù)聚物的合成
生物多元醇 + （部分生物基）二異氰酸酯 → 端基預(yù)聚物
（是的，我們?nèi)匀皇褂靡恍┒惽杷狨?- 但研究人員正在研究非異氰酸酯聚氨酯或 nipus，我們稍后會(huì)談到。） -
鏈延長(zhǎng)和分散
將預(yù)聚物與水和丙烯酸單體乳液混合。然后，在受控條件下， 自由基聚合 開(kāi)始發(fā)揮作用，形成丙烯酸相，而聚氨酯相自組裝成納米顆粒。 -
混合形成
結(jié)果如何？聚氨酯和丙烯酸共存的穩(wěn)定分散體——有時(shí) 核殼結(jié)構(gòu)，有時(shí)作為 互穿網(wǎng)絡(luò)（ipn）.
這種混合方法兼具了兩者的優(yōu)點(diǎn)：聚氨酯的韌性和丙烯酸的耐候性。
?? 性能一覽：數(shù)字不會(huì)說(shuō)謊
讓我們來(lái)談?wù)劶夹g(shù)問(wèn)題，但保持趣味性。以下是生物基聚氨酯丙烯酸分散體與傳統(tǒng)系統(tǒng)的對(duì)比。
| 財(cái)產(chǎn) | 生物基聚氨酯丙烯酸分散體 | 溶劑型聚氨酯 | 常規(guī)水性丙烯酸 |
|---|---|---|---|
| 揮發(fā)性有機(jī)化合物含量（克/升） | <50 | 300-500 | 100-150 |
| 硬度（邵氏d） | 70-85 | 80-90 | 60-75 |
| 抗拉強(qiáng)度（兆帕） | 15-25 | 20-30 | 8-12 |
| 斷裂伸長(zhǎng)率（%） | 200-400 | 300-600 | 100-300 |
| 防水性（48小時(shí)浸泡） | 優(yōu)秀 | 優(yōu)秀 | 中度 |
| 紫外線穩(wěn)定性（quv，500h） | 極小的黃變 | 輕微泛黃 | 明顯變黃 |
| 附著力（交叉影線，astm d3359） | 5b（最佳） | 5b | 3b-4b |
| 生物基碳含量（%） | 30-60％ | 0% | 5-15％ |
| 二氧化碳足跡（千克二氧化碳當(dāng)量/千克） | 1.8-2.5 | 4.0-6.0 | 2.8-3.5 |
資料來(lái)源：zhang 等人 (2020)、liu 等人 (2021)、《歐洲涂料雜志》(2022)、ASTM 標(biāo)準(zhǔn)
正如你所看到的，生物基混合材料不僅在可持續(xù)性方面勝出，而且在性能方面也獨(dú)樹(shù)一幟。事實(shí)上，在紫外線穩(wěn)定性和附著力方面，它通常 性能優(yōu)于 傳統(tǒng)的水性丙烯酸樹(shù)脂。
雖然溶劑型聚氨酯在拉伸強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率方面仍然具有優(yōu)勢(shì)，但差距正在迅速縮小。一些下一代生物混合材料已經(jīng)與它們相匹配，這要?dú)w功于 納米纖維素增強(qiáng)材料 和 動(dòng)態(tài)共價(jià)化學(xué) （稍后會(huì)詳細(xì)介紹）。
?? 實(shí)際應(yīng)用：這些涂層的亮點(diǎn)
您不需要穿實(shí)驗(yàn)服就可以受益于這項(xiàng)技術(shù)。這些涂層已經(jīng)進(jìn)入日常產(chǎn)品中。
1. 木飾面
想象一下，一塊耐刮擦、防水、由植物制成的硬木地板。像 阿克蘇諾貝爾 和 PPG 已經(jīng)推出了使用聚氨酯-丙烯酸混合物的生物基木材涂料。它們非常適合廚房和浴室——這些地方的水和磨損曾經(jīng)意味著災(zāi)難。
2. 汽車內(nèi)飾
汽車儀表板、門(mén)板和裝飾件需要美觀且持久耐用。生物基分散體提供 柔軟觸感飾面 具有優(yōu)異的耐磨性。寶馬和豐田已經(jīng)開(kāi)始在概念車上測(cè)試它們。
3. 紡織涂層
是的，你的夾克或運(yùn)動(dòng)鞋可能涂有這種物質(zhì)。它提供 不含 PFA 的防水材料 （那些“永久化學(xué)物質(zhì)”不會(huì)破壞n）。像 巴塔哥尼亞 和 阿迪達(dá)斯 正在探索生物混合物以實(shí)現(xiàn)可持續(xù)的性能裝備。
4. 包裝膜
軟包裝通常使用溶劑型層壓膠粘劑。生物基聚氨酯丙烯酸分散體目前被用作 環(huán)保替代品，減少食品包裝中的塑料垃圾和揮發(fā)性有機(jī)化合物排放。
5. 建筑涂料
外墻涂料能防止褪色、開(kāi)裂和發(fā)霉嗎？檢查一下。像 宣威-威廉姆斯公司 和 本杰明摩爾 正在將生物混合物融入其優(yōu)質(zhì)低揮發(fā)性有機(jī)化合物生產(chǎn)線中。
?? 即將出現(xiàn)的創(chuàng)新：下一步是什么？
當(dāng)前一代生物基聚氨酯丙烯酸分散體令人印象深刻，但科學(xué)家們尚未完成。以下是一些令人興奮的前沿：
?? 非異氰酸酯聚氨酯（nipus）
還記得二異氰酸酯嗎？它有毒、易反應(yīng)，而且來(lái)自化石燃料。nipus 完全跳過(guò)它們，使用 環(huán)狀碳酸酯和胺 形成聚羥基聚氨酯。它們更安全、更可持續(xù)，并且在某些情況下完全基于生物。
2023 年的一項(xiàng)研究 王等人 展示了一種生物基含量為70%的尼普亞克力混合物，其性能可與傳統(tǒng)聚氨酯相媲美（Wang等人，2023年）。缺點(diǎn)是什么？固化速度較慢，成本較高。但隨著規(guī)?；l(fā)展，這種情況將會(huì)改變。
??木質(zhì)素：綠色化學(xué)的黑馬
木質(zhì)素是將樹(shù)木粘合在一起的“膠水”。它儲(chǔ)量豐富，可再生，通常在造紙廠作為廢料焚燒。但研究人員正在將其轉(zhuǎn)化為 剛性多元醇替代品.
當(dāng)加入聚氨酯丙烯酸分散體時(shí)，木質(zhì)素會(huì)增強(qiáng) 抗紫外線和熱穩(wěn)定性. 一個(gè)團(tuán)隊(duì) 阿爾托大學(xué) 創(chuàng)建了一種木質(zhì)素含量為 20% 的分散體，其在戶外暴露測(cè)試中的表現(xiàn)優(yōu)于商業(yè)產(chǎn)品（sipil? 等人，2021 年）。
?? 自修復(fù)涂層
想象一下你的手機(jī)殼上有一道劃痕 自愈 像皮膚一樣。使用 動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵 （如狄爾斯-阿爾德反應(yīng)或二硫化物交換），研究人員正在開(kāi)發(fā)能夠 修復(fù)微損傷 當(dāng)加熱或暴露在光線下時(shí)。
仍在實(shí)驗(yàn)室中，但原型顯示出希望。一種分散體在 60°C 下 30 分鐘后修復(fù)了 50 微米的劃痕（chen 等人，2022 年）。這不是科幻小說(shuō)——這是有良知的化學(xué)。
?? 生物基丙烯酸樹(shù)脂：閉環(huán)
大多數(shù)“生物基”分散體仍然使用石油基丙烯酸。但這種情況正在改變。像 嘉吉 和 正在發(fā)展 生物丙烯酸酯 來(lái)自發(fā)酵糖。當(dāng)與生物聚氨酯結(jié)合時(shí)，你會(huì)得到 完全可再生混合分散體.
這是圣杯：一種完全由植物制成的高性能涂層。
?? 商業(yè)案例：綠色并不一定意味著昂貴
關(guān)于綠色涂料的一個(gè)誤解是它們太昂貴。是的，早期版本確實(shí)更貴。但規(guī)模經(jīng)濟(jì)、更好的原料采購(gòu)和改進(jìn)的工藝正在縮小差距。
以下是粗略的成本比較（每公斤美元）：
| 涂層類型 | 材料費(fèi)用 | 申請(qǐng)費(fèi)用 | 總生命周期成本* |
|---|---|---|---|
| 溶劑型聚氨酯 | $4.50 | 2.00 美元（通風(fēng)、安全） | $6.50 |
| 常規(guī)水性丙烯酸 | $3.80 | $1.20 | $5.00 |
| 生物基聚氨酯丙烯酸分散體 | $5.20 | $1.00 | $6.20 |
*包括揮發(fā)性有機(jī)化合物合規(guī)性、廢物處理和工人安全（來(lái)源：《涂料世界》，2023 年）
等等——生物基材料更貴？理論上來(lái)說(shuō)，是的。但請(qǐng)考慮一下：
- 降低監(jiān)管風(fēng)險(xiǎn)：避免未來(lái)征收揮發(fā)性有機(jī)化合物稅或禁令。
- 品牌價(jià)值：消費(fèi)者愿意為可持續(xù)產(chǎn)品支付更多費(fèi)用。尼爾森 2022 年的一份報(bào)告發(fā)現(xiàn)，73% 的全球消費(fèi)者愿意改變習(xí)慣，以減少對(duì)環(huán)境的影響。
- 減少責(zé)任：對(duì)工人來(lái)說(shuō)更安全，減少 msds 問(wèn)題。
- 節(jié)約能源：水基體系通常在較低溫度下固化。
在高價(jià)值應(yīng)用領(lǐng)域（豪華家具、汽車、電子產(chǎn)品），溢價(jià)是合理的。
隨著生物原料規(guī)模的擴(kuò)大（例如藻類農(nóng)場(chǎng)、農(nóng)業(yè)廢棄物回收），價(jià)格將會(huì)下降。 到 2030 年，生物基分散體的成本將與傳統(tǒng)水基體系具有競(jìng)爭(zhēng)力 （Grand View Research，2023 年）。
?? 全球趨勢(shì)：誰(shuí)引領(lǐng)潮流？
轉(zhuǎn)向綠色涂料不僅僅是西方的趨勢(shì)，而是全球性的。
????歐洲：監(jiān)管強(qiáng)國(guó)
歐盟的 綠色交易 和 可持續(xù)產(chǎn)品生態(tài)設(shè)計(jì)法規(guī)（ESPR） 正在推動(dòng)行業(yè)走向循環(huán)經(jīng)濟(jì)。 和 正在大力投資生物基分散體。 impranil? eco line 已經(jīng)提供生物含量高達(dá) 70% 的聚氨酯分散體。
???? 中國(guó)：從污染者到先鋒
中國(guó)曾因環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)寬松而聞名，但現(xiàn)在已成為綠色涂料領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者。 十四五規(guī)劃 強(qiáng)調(diào)低碳制造。中國(guó)企業(yè)喜歡 大連化學(xué)新材料 和 昆山華融 正在生產(chǎn)生物基聚氨酯丙烯酸分散體用于出口。
???? 美國(guó)：創(chuàng)新與激勵(lì)的結(jié)合
美國(guó)能源部和國(guó)家科學(xué)基金會(huì)正在資助生物基材料研究。初創(chuàng)公司包括 相關(guān)可再生科學(xué) （現(xiàn)為 neos 的一部分）正在將高性能生物樹(shù)脂商業(yè)化。 通貨膨脹減少法 為可持續(xù)制造提供稅收抵免，這一勢(shì)頭正在增強(qiáng)。
?? 發(fā)展中國(guó)家：跨越式技術(shù)
印度和巴西等國(guó)家完全跳過(guò)了溶劑型階段，從一開(kāi)始就采用水基和生物基系統(tǒng)。就像一些非洲國(guó)家直接進(jìn)入移動(dòng)銀行一樣——技術(shù)跨越.
??? 挑戰(zhàn)：并非總是陽(yáng)光和彩虹
說(shuō)實(shí)話，沒(méi)有完美的技術(shù)。生物基聚氨酯丙烯酸分散體面臨以下障礙：
1. 原材料的多樣性
植物油因季節(jié)、地區(qū)和作物產(chǎn)量而異。這會(huì)影響一致性。解決方案？更好的精煉和混合策略。
2. 更高的粘度
一些生物多元醇較稠，使其更難分散。新的表面活性劑和加工助劑正在提供幫助。
3. 固化速度
水的蒸發(fā)速度比溶劑慢。一些生物混合物固化速度較慢，從而減慢了生產(chǎn)線的速度。但是 紅外線干燥 和 催化劑優(yōu)化 正在改進(jìn)這一點(diǎn)。
4. 認(rèn)證費(fèi)用
證明“生物基”成分需要 astm d6866 or 在16785 測(cè)試。對(duì)于小玩家來(lái)說(shuō)，這很昂貴。
5. 市場(chǎng)教育
許多配方師仍然認(rèn)為“生物基=弱”。教育和真實(shí)案例研究是關(guān)鍵。
?? 底線：為什么這很重要
我們談?wù)摰牟粌H僅是油漆。我們談?wù)摰氖?材料設(shè)計(jì)方式的轉(zhuǎn)變—從線性（獲取-制造-廢棄）到循環(huán)（更新-再利用-再生）。
生物基聚氨酯丙烯酸水性分散體代表了 三贏:
- 環(huán)境：低碳、無(wú)揮發(fā)性有機(jī)化合物、可再生原料。
- 性能：耐用、多功能、高品質(zhì)飾面。
- 經(jīng)濟(jì)：不斷增長(zhǎng)的市場(chǎng)、法規(guī)遵從性、品牌價(jià)值。
我們不要忘記人的因素。工廠工人不會(huì)吸入有毒氣體。房主不會(huì)因?yàn)樾掠推岫驀娞纭６覀兊淖訉O后代呢？他們將繼承一個(gè)擁有更清潔空氣和更智能化學(xué)的星球。
?? 最后的想法：未來(lái)是……覆蓋著綠色
生物基聚氨酯丙烯酸分散體明天會(huì)取代所有涂料嗎？不會(huì)。溶劑型體系仍有其應(yīng)用領(lǐng)域（例如極端環(huán)境、航空航天）。但趨勢(shì)很明顯： 未來(lái)是水基、生物基、智能化的.
十年后，我們可能會(huì)像現(xiàn)在看待含鉛汽油一樣看待溶劑型涂料——一個(gè)更骯臟、更缺乏思想的時(shí)代的遺物.
因此，下次當(dāng)您用手撫摸光滑、有光澤的表面時(shí)，請(qǐng)問(wèn)： 它是由什么制成的？
也許，只是也許，答案是： “植物、水和一點(diǎn)化學(xué)魔法?！?/strong> ???
?? 參考
-
張, 胡, 和李, y. （2020）。 生物基聚氨酯分散體：合成、性能和應(yīng)用.有機(jī)涂料進(jìn)展，147，105789。
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劉曉玲、王華、陳哲（2021 年）。 生物基和石油基聚氨酯-丙烯酸混合分散體的性能比較.《涂料技術(shù)與研究雜志》，18(3)，789–801。
-
王 L.、趙 M.、徐 J. （2023）。 高生物含量的非異氰酸酯聚氨酯-丙烯酸混合物綠色化學(xué)，25(4)，1456–1468。
-
sipil?, j. 等人（2021 年）。 水性聚氨酯分散體中的木質(zhì)素基多元醇. 經(jīng)濟(jì)作物及產(chǎn)品，161，113189。
-
chen, r. 等人（2022 年）。 通過(guò)動(dòng)態(tài)共價(jià)網(wǎng)絡(luò)自修復(fù)生物基涂層.acs可持續(xù)化學(xué)與工程，10(12)，4012–4023。
-
歐洲涂料雜志。（2022 年）。 生物基涂料的市場(chǎng)趨勢(shì)。 61(7), 44–51。
-
涂料世界。（2023 年）。 可持續(xù)涂層技術(shù)的成本分析。 28(5), 33–39。
-
大視野研究。（2023 年）。 生物基涂料市場(chǎng)規(guī)模、份額和趨勢(shì)分析報(bào)告.
-
astm國(guó)際。（2020）。 使用放射性碳分析測(cè)定生物基含量的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法（astm d6866）.
-
尼爾森（2022 年）。 全球消費(fèi)者洞察：包裝的可持續(xù)性.
利奧·格林博士在工業(yè)涂料領(lǐng)域工作了 15 年，倡導(dǎo)可持續(xù)創(chuàng)新。不在實(shí)驗(yàn)室時(shí)，他會(huì)帶著他的狗徒步旅行，在花園家具上測(cè)試生態(tài)涂料，或者撰寫(xiě)有關(guān)日常生活化學(xué)的文章。 ????
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其他產(chǎn)品：
- nt cat t-12： 一種可室溫固化的快速固化硅膠體系。
- nt cat ul1： 適用于有機(jī)硅和硅烷改性聚合物體系，催化活性中等，活性略低于t-12。
- nt cat ul22： 適用于有機(jī)硅和硅烷改性聚合物體系，活性比t-12高，耐水解性能優(yōu)異。
- nt cat ul28： 適用于有機(jī)硅及硅烷改性聚合物體系，本系列產(chǎn)品活性較高，常用作T-12的替代品。
- nt cat ul30： 適用于有機(jī)硅和硅烷改性聚合物體系，具有中等催化活性。
- nt cat ul50： 用于有機(jī)硅和硅烷改性聚合物體系的中等催化活性催化劑。
- nt cat ul54： 適用于有機(jī)硅和硅烷改性聚合物體系，中等催化活性，耐水解性好。
- nt cat si220： 適用于有機(jī)硅和硅烷改性聚合物體系，特別推薦用于MS膠粘劑，活性比T-12更高。
- nt cat mb20： 一種用于有機(jī)硅和硅烷改性聚合物體系的有機(jī)鉍催化劑，活性低，符合各種環(huán)保法規(guī)。
- nt cat dbu： 用于硅橡膠室溫硫化的有機(jī)胺催化劑，符合各種環(huán)保法規(guī)。
