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生物基涂料发展现状如何?我们为您一一解读!
2021年08月26日    阅读量:4833    新闻来源:行业资讯在线 houshionline.com  |  投稿

随着全球气候变暖,冰川加速融化,不仅森林火灾愈演愈烈,石油资源也日渐枯竭,以石油为原料的油漆和涂料及油墨产品,在制造过程中不但消耗着宝贵的石化资源,还会向空气中排放大量的有害气体。因此,发展环境友好型涂料尤其是水性涂料,成为涂料行业的主要发展方向。

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但是,水性涂料仍然使用以石油单体为原料的合成乳液,寻求替代石油的其它资源作为合成高分子材料的原料来源变得更为重要涂料在线coatingol.com。人们普遍希望能够摆脱石化原料,以减少建筑物内外空气污染。毫无疑问,采用天然成膜物质和天然纤维填料开发出具有真正意义上的环保型涂料,是实现可持续发展的一个重要途径,而生物基材料的出现将给涂料产品的发展带来新的方向。


01生物基的兴起


生物基是指利用可再生物质,包括除粮食以外的农作物、树木及其它植物及其残体和内含物为原料,通过生物、化学以及物理等方法制造的一类新材料。


近年来,生物基化学品和可产生资源已经成为大型跨国企业竞争的焦点,具有优势的是那些早期开发可持续性化学品的先驱者。在整个欧洲,涂料和其它行业正在建立越来越多的循环链。从农场到加工厂最终扩展到用户。在那里,产品被回收利用,使他们的化学品和材料可以重复使用。


生物基产品及绿色能源的研究已经成为世界科技领域的前沿,世界各国都在积极推动,也为其市场的迅速拓展创造了有利空间。2020 年,在欧洲和北美,生物基溶剂的产量已达到410 万吨,销售额达到70 亿欧元。


据USDA 的研究报告,到2025 年,生物基化学品将占据22% 的全球化学品市场,生物基化学品的产值将超过5000亿美元/年。


02含苞欲放的生物基涂料


在我国,相关部门印发的《十三五生物产业发展规划》、《十三五生物技术创新专项规划》及生物制造相关规划中,提出了要加快生物产业创新发展步伐、培育生物经济新动力的重要任务。


美国在2012 年提出的“国家生物经济蓝图”中,将发展生物基产品作为发展生物经济的主要内容之一。欧盟实施“地平线2020”计划;“可持续工业”计划;“生物基产业联合企业”计划。通过这三大计划,欧盟生物基产业进入全新发展阶段。到2030 年,欧盟将有30% 的石化衍生化学品被生物基和可生物降解替代品取代。


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03生物基涂料行业动态


生物基材料主要来源于植物,市场上许多生物基涂料的材料,主要是从植物油中提取的水基乳化醇酸聚合物和从农作物发酵糖中提取的生物石脑油合成的水基分散聚合物。


2017 年,巴斯夫、科思创和奥迪一起合作,开发出第一款以生物基固化剂为原料制作的汽车清漆。同年,PPG 与帝斯曼合作推出可降解生物基内墙涂料——Sigma Air Pure。


科思创也推出了新型固化剂“De smolur eco N7300”,此系戊二胺( PDA)制备的PDI;PDA 用饲料玉米淀粉制成,通过专门的微生物对饲料玉米淀粉进行酶致转化,由此合成戊二异氰酸酯,在工艺上仅需两步,而一般石化产品HDI合成需要四步,前者比后者在性能上具有一定的优势,且做成的树脂粘度较低,从而可代替HDI 来制成高性能聚氨酯涂料。


此外,还有许多利用生物基技术的先例:


◆ 利用生物基可再生材料如二氧化碳、植物等制造生物基苯胺、固化剂、溶剂等,可减少对石油资源的依赖。


◆ 利用腰果壳榨取壳液液体制成环氧树脂用高性能的双组分常温固化用固化剂;方法是将腰果壳液与醛类、多元胺类进行曼尼期反应,制得的腰果酚醛胺固化剂能使环氧树脂在低温、潮湿、有时还带锈的金属表面上涂装并固化成膜,性能胜过环氧树脂常用的聚酰胺类固化剂。该固化剂原料来源丰富,是腰果壳下脚,并可再生,用其制造固化剂工艺简易方便,无需特殊工业设备。


◆ 环氧化大豆油/ 棉籽油/ 菜油可与丙烯酸加成形成光固化涂料,且又可作为环氧活性稀释剂与胺固化,还可与酸、酸酐进行固化,其开环后形成的羟基可与异氰酸酯或氨基树脂进行固化,与二氧化碳反应可生成环碳酸酯,可与伯胺反应生成非异氰酸酯固化的聚氨酯树脂等等。


以玉米、大米、甘薯等淀粉质原料,经生物发酵,形成乳酸,再在催化剂作用下,合成丙交酯,用于醇酸树脂中可明显缩短干燥时间,还可作为聚酯原料,进行开环聚合,形成可降解树脂。


◆ 常州涂料化工研究院的陈力、张汉青等人采用二聚酸与生物基材料戊二胺合成了一种非离子型水性低温环氧固化剂。这种新型的水性聚酰胺固化剂,系橘黄色半透明液体,粘度适中,适用期长,稳定性好,它与水性环氧乳液可在室温固化成膜,其涂膜具有良好的柔韧性、附着力、铅笔硬度等物理性能以及耐水性、耐酸碱、耐盐雾等化学稳定性,可用于水性环氧地坪,汽车零部件、工程机械等工业防腐领域。


◆ 最近,德国弗劳恩霍夫应用聚合物研究所成功开发出基于可再生原料马铃薯淀粉等制成可再生防腐涂料,可用于金属材料以及防火门、计算机外壳等物的防护涂料。


◆ 在国内,深圳海川新材料使用了天然可再生材料,经过特殊的生物改性技术,研发出生物基天然水性分散体——海川天然植物草本乳液。该乳液以改性植物油为主,其中聚合天然植物油含量占60%-80%;具有原料来源可再生、产物可生物降解的特点,降解后的产物环境友好,对环境无污染、乳液性能优异,可替代石油基乳液,广泛适用于水性涂料和油墨。


04生物基涂料研发情况


在欧洲,由于价格较高,需求增加,生物基涂料正变得越来越流行,在欧洲的不同地区之间,生物基涂料的需求发展程度差异很大。


其中两个国家较为突出,但原因却截然不同。一是在荷兰,2016 年7 月,该国实施了可持续发展公开招标采购目录,其中指出:“所供应产品中生物基原料和可回收原料的比例越高,标价就越高。”这就更有利于考虑生物基解决方案。该目录适用于各种项目,包括道路建设、海上项目、园林绿化、建筑等。


二是在瑞士,则采取了另一种办法。采用的是标签制度来确保基于可再生原料的涂料和清漆的销售。若要获得瑞士环境标签中最高级别的两类标签,则必须证明所产涂料和清漆中含95%的可再生原料。该标签还授予胶粘剂、木器防腐剂、灰泥和填料。标签还设置了最低性能要求(例如耐湿磨损性或对比率),确保了在用户中的高接受度。


在国内,有关生物基涂料的研发也层出不穷:


◆ 三棵树易清洁内墙漆最近,三棵树涂料发明了一种“植物基防醛抗菌易清洁内墙漆”。该发明中的植物基乳液主要是由植物秸秆提取的木质纤维通过发酵过滤后得到生物基单体、通过乳液聚合的方法引入酮类结构制成生物基乳液。


该发明采用植物基乳液与氯化法钛白粉、片层结构滑石粉、硅微粉等协同形成相对致密的表面结构,能够显著提高墙漆的抗污渍能力和耐擦洗能力,耐擦洗性能高于30000 次。弥补了在墙漆领域,对于植物基乳液在抗污除甲醛应用的空白。


据悉,该发明使用的植物基乳液中,包含有34% 以上的植物提取材料,能够有效降低矿物石油、煤油基材料的使用,具有可再生性、容易降解、对环境无污染、对人体无伤害的特点。


◆ 多乐士森呼吸天然植本漆该产品通过萃取玉米、木薯等植物的可食用部分,替代乳液中的部分石油衍生物,从源头上保证成分的天然安全。


◆ 立邦原生植萃漆该产品采用新技术“生物质平衡方案(Biomass BalonceApproach)”,将原生植萃漆生产过程中使用的石油资源100%替换为棕榈,这款来自北欧森林的可再生资源使用后,能保持涂料性能不变。


◆ 晨阳植润儿童漆2020 年5 月,晨阳漆推出了最新研发的植润儿童水漆。该产品是由晨阳水漆联合帝斯曼(DSM)共同开发,采用了植物基乳液,含有丰富的天然植物成分,用更安全的植物可再生资源替代涂料中的石油资源( 生物基物质含量30% 以上),经过近三年的研发,20000 多次反复试验,突破了植物基原料技术与晨阳水漆净味、抗污等多项核心技术的兼容问题。


◆ PPG 生物基内墙涂料该产品是基于帝斯曼的De covery 生物基技术,通过使用该树脂技术平台,开发了一种满足PPG 的 Sig ma Air pure 设想具体要求的树脂。该树脂由可再生资源制成,如糖、天然油、玉米淀粉和农业废弃物。这些天然材料在很大程度上取代了传统溶剂型和水性涂料粘合剂树脂所用的石油产品。


05生物基涂料的发展关系


应该看到,并非所有来自可再生资源的原料都具有可持续发展性。选择任何可再生材料并改用它,并不是正确的方法,避免原料与食品和饲料生产竞争才是至关重要的。几年前,欧盟委员会就认识到必须促进生物基循环经济的发展,并与化工行业一起推出了欧盟生物基产业联合计划(BBI-JU)。自2014 年以来,这项37 亿欧元的政府- 社会资本合作计划一直致力于生物基原料的开发,但仍然存在一些影响可持续发展的问题。


专家认为,当前可能会影响生物基涂料的发展,但从长远来看,这也是一个巨大的机会,可以化危为机,推动价值链战略。不少国家正在评估通过特定的计划,提出刺激本国经济的办法,其中,一些计划旨在推动可持续发展的解决方案,这将会是一个很大的机遇。基于此,在做出决策时,需要考虑成本- 性能- 可持续发展的三角关系。


一个因素是成本问题。石油是一种价格波动非常大的原材料,当然可再生原材料也容易受到价格波动的影响,不过这些波动通常没那么明显。在短时间内,成本依旧是制约生物基涂料规模发展的一个重要因素。


另一个因素是性能问题。生物基涂料要想规模发展,不仅有来自成本的挑战,还有应用的挑战。因为生物基涂料大都取自天然植物,例如大豆油和蓖麻油,避免不了存在颜色的问题,不太适用于清漆;还有是粘度比较高,施工上会存在一些缺陷。


在短期内,企业若仍然以直接替代的原则使用原材料,在使用石化原料的现有设备来生产生物基原料会带来不便。巴斯夫公司是采用生物质平衡工艺的主要公司,这提供了进行快速、廉价转换的机会。专家指出,当材料和质量保持不变的同时,客户会立即转向使用生物质平衡工艺的产品,而无需重新认证。


BBU-JU 联合会表示,从2010 年到2015 年,用于生产材料的生物质使用量总体增长了5.6%;其中,生物基化学品领域,实现了最高的相对增长率( 上涨48.4%)。如果以这样的速度继续开展,就会看到更绿色的涂料行业。未来,如果生物基原料产品在技术性能上具有竞争力,并且能够提供比仅仅是“绿色或可持续发展”更多的性能,那么生物基原料就可以得到合理的市场地位。


目前,包括PPG、立邦、晨阳、三棵树等都已在市场上推出了生物基涂料,这些新型涂料,对“生物基”的认证标准是什么样的,还不太明确。据悉,晨阳植润水漆与多乐士森呼吸植本漆通过的是美国农业部生物基认证;立邦原生植萃漆是获得TUV 南德意志集团(TUV SUD ) 中国第一张可再生资源认证证书。


迄今为止,生物基涂料的标准还是一般涂料的标准。2020年10月15日,我国工信部公布了545 项行业标准、33 项推荐性国家标准和10 项行业标准外文版计划项目,其中包括由中海油常州涂料化工研究院有限公司、陶氏化学( 中国)有限公司主要起草的《生物基乳液内墙涂料》行业标准在列,该标准为推荐标准,计划在2021 年完成制定。


06 结语


在全球气候变化加剧的现实背景下,人类应该找到兼容发展与控制碳排放的解决方案。2020 年9 月,我国宣布“二氧化碳排放力争2030 年前达到峰值,努力争取2060 年前实现碳中和”。低碳化对我们转变经济发展方式将是一个非常严格的倒逼机制,对中国的经济结构、技术选择,影响都将是颠覆性的。


生物基高分子材料由于具有减碳和固碳的作用,对实现国家碳中和战略具有重大支撑作用。生物基涂料虽然尚未在工业中广泛使用,还处于发展的起步阶段,但它仍然是迈向可持续发展涂层工艺的重要一步。从长远看,开发全新的生物基原料非常重要;特别是与传统涂料相比,这些生物基涂料具有更加优越的性能,将会逐渐在市场上占主导地位。笔者相信,在环境压力和政策引导下,涂料行业将会逐步向这个方向迈进。生物基涂料的这朵蓓蕾必将在全行业盛开、绽放。


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