绿色环保涂料的研究与展望

绿色环保涂料的研究与展望

随着人们环境保护的日益重视和可持续健康发展的要求，绿色产品的需求增加，对环保产品的需求越来越高。国际环境科学研究院（voc）的概念越来越受到限制。1997年，日本提出了防止环境污染的新法律和措施（环境标志法）。1994年，中国发布了环境标志产品技术要求。明确要求环境产品“在生产工艺中使用甲醛、磺酸或羟基碳氢化合物、产品制备或生产过程中使用环磷酰化合物”。1996年，通过了《全球污染物综合排放标准》。2000年代，中国引入了《国家大气污染防治规定》。2001年，强制性国家标准颁布了《住宅装饰材料和墙壁涂料中的损伤状况》，明确规定室内使用涂料的voc小于200g。室内使用涂料的vo小于200g。对于室外使用涂料，应明确要求室内使用涂料的vo小于200g。对于室外使用涂料，应明确要求室内使用涂料的vo小于200g。对于公司来说，这是一个新问题。对于不使用有机溶剂的涂料，所谓的“绿色涂料”应该更加缓慢开发。绿色涂料主要包括水性涂料、粉末涂料、光固化涂料等。清华大学洪啸吟先生认为绿色涂料有三个层次第一个层次是涂料中挥发性有机物的总量,挥发性有机物对环境构成直接的危害;第二个层次是溶剂的毒性,指生产和施工过程中会对人员造成直接危害;第三个层次是对用户的安全问题,溶剂的挥发是一个长期缓慢的过程,溶剂如果有毒也会对人体造成伤害.有专家认为,“绿色涂料”的名称不确切,应称为“环境友好涂料”,是低公害(或无公害)和低毒(或无毒)涂料的总称,但不管名称如何,其内容和实质是相同的,应大力发展对环境污染少,对人体无害的涂料.1推行生物处理技术的原则1999年,中国科学院冯德新院士指出,绿色反应是21世纪高分子化学的重要方面,即所有高分子与相应单体的合成方法都必须环保.沈浩指出,高分子材料合成与应用的绿色战略为:高分子材料本身无毒化,即目标产物绿色化;高分子原料合成无毒化;高分子合成与催化剂无毒化;可能危害环境的合成高分子的安全应用.R.T.Anastas和J.C.Waner曾提出绿色化学的12条原则:(1)防止废物的生成比其生成后再处理更好.(2)设计合成方法应使生产过程中所用的原料最大限度地进入产品之中.(3)设计合成方法时,只要可能,不论原料、中间产物和最终产品,均应对人体健康和环境无毒害(包括极小毒性和无毒).(4)化工产品设计时,必须使其具有高效的功能,同时也要减少其毒性.(5)应尽可能避免使用溶剂、分离试剂等助剂,如必须使用,也要选用无毒无害的助剂.(6)合成方法必须考虑过程中能耗对成本与环境的影响,应设法降低能耗,最好采用在常温常压下的合成方法.(7)在技术可行和经济合理的前提下,采用可再生资源代替消耗性资源.(8)在可能的条件下,尽量不用不必要的衍生物,如限制性基因、保护/去保护作用、临时调变物理/化学工艺.(9)合成方法中采用高选择性的催化剂比使用化学计量助剂更优越.(10)化工产品要设计成在其使用功能终结后,能分解或可降解的无害产物.(11)进一步发展分析方法,对危险物质在生成前实行在线监测和控制.(12)选择化学生产过程的物质,使化学意外事故(包括渗透、爆炸、火灾等)的危险性降低到最小程度.这12条原则目前为国际化学界所公认,它也反映了近年来在绿色化学领域中所开展的多方面研究工作的内容,同时指明了未来发展绿色化学的方向.绿色化学的核心内容之一是采用“原子经济反应”,而反应的“原子经济性”概念最早是由美国斯坦福(Stanford)大学的M.M.Trost教授提出的,针对一般仅用经济性来衡量工艺是否可行的传统做法,他明确指出,应用一种新的标准来评估化学工艺过程,即选择性和原子经济性两个概念,后者是考虑在化学反应究竟有多少原料的原子进入到产品之中.这一标准既要求尽可能地节约那些一般是不可再生的原料资源,又要求最大限度地减少废物排放.“原子经济”的重要性目前已被普遍承认.绿色化学要求在化学反应过程中尽可能采用无毒无害的原料、催化剂和溶剂;绿色化学的另一个重要方面是设计、生产和使用环境友好产品,这种产品在其加工、应用及功能消失之后均不会对人类健康和生态环境产生危害.我们在进行绿色涂料配方的设计与生产过程中要注意借鉴绿色化学的基本思想.2涂料生命周期过程对生态环境的影响现代涂料使用大量有机溶剂和一定毒性的各种助剂、防腐剂及含金属的填料,在生产与使用中产生“三废”,造成对环境的污染,影响人类健康.2.1其他涂料体系涂料在生产、施工、固化过程中有大量的挥发性有机物质排放到大气中,造成大气污染.这主要来自于溶剂型涂料,也包括水性涂料中的一些助剂,主要有芳香烃、脂肪烃、卤代烃、醛、酮、醇、酸等.各类涂料体系的有机物释放量见下表1.2.1.1常见有机挥发物对人体的危害排放到大气中的挥发性有机物首先造成一次污染,直接威胁人类的健康.其中主要是通过呼吸途径随空气进入人体,还可通过与人体接触,或皮肤吸收导致中毒.中毒症状有闪电型、急性、亚急性、慢性中毒及迟发性中毒等.常见有机挥发物对人体的危害见表2.2.1.2光作用能对生态环境的影响涂料施工后有机溶剂释放到大气中,已经成为继交通污染之后的第二大污染源.其次,排放到大气中的有机挥发物在阳光作用下会发生光化学反应,产生许多活性物质,有的可与大气中的氧化氮和氧化硫发生进一步的反应,生成酸性物质.这些反应使有机污染物转化成毒性更大的二次污染物,这是形成酸雨和光化学烟雾的直接原因,对人类生态环境构成了严重的威胁.此外,有机挥发物还会带来温室效应,使地球变暖.众所周知,温室效应对人类的影响是难以预料的.2.1.3火灾和爆炸空气中的有机化合物的易燃易爆性可引起火灾和爆炸,会给人民的生命财产造成巨大损失.2.2铅、红丹的毒性颜料中的铅系颜料、铬系颜料、镉系颜料含铅、铬、镉,在生产中造成对水质的污染,对动植物和人类造成极大危害.铬系颜料(如锌铬黄、锶铬黄、钼铬红等),长期以来是涂料工业广泛应用的着色颜料.铬被视为是致癌的金属之一,六价铬的毒性是三价铬毒性的100倍左右.由于铬的毒性使国外铬系颜料使用量大幅度下降,而我国用量却呈上升趋势.用于涂料中的含铅颜料也是很多的,例如:红丹、铬黄、碱式硅铬酸铅等.铅是目前最为广泛的污染元素,铅能抑制血红素的合成和溶血,由此造成贫血;铅对大脑、小脑、脊髓和周围神经也造成损害;铅还可能导致血管痉挛等病变,如腹绞痛、铅中毒性脑病、神经麻痹;尤其值得注意的是,它可通过胎盘、乳汁影响后代,婴、幼儿由于血、脑屏障发育未完善,对铅的毒性更敏感.铅系颜料在国外涂料中己经禁止使用,但目前国内还在使用.镉系颜料虽然价格昂贵,但因其耐久性好,在涂料工业中也有少量应用,不过镉化物是毒性很大的物质.我们应多用低毒的金属氧化物混相颜料,尽量减少铬、铅、镉在颜料中的用量.3绿色产品的标准和认证3.1中国环境标志认证委员会对其发展机遇环境标志产品(即绿色产品)是指:采用绿色技术对在生产、使用或处置过程中有污染,但采取一定措施后可减少或消除污染,达到环境标志产品标准的产品.20世纪90年代以来,发达国家对进口产品的环保要求不断提高,开始形成以“环保”为名义的“绿色壁垒”.为打破此壁垒,1995年世贸组织成立贸易与环境委员会,“绿色壁垒”开始在国际贸易中扮演重要角色.应国内企业进行正常国际贸易的需求,中国于1994年成立中国环境标志产品认证委员会来管理中国环境标志产品认证工作.中国环境标志产品认证委员会(以下简称认证委员会)是由国务院标准化行政主管部门授权国务院环境保护行政主管部门负责设立,代表国家对绿色产品设施认证并授予产品环境标志的唯一机构,代表国家对绿色产品进行权威认证,是我国实施绿色技术措施的重要手段.其英文名称为ChinaCertificationCommitteeforEnvironmentalLabellingProducts(缩写CCEL).截至目前,中国仅有700多家企业通过此认证,其中涂料企业有20多家.由此数据可以看出,目前市场上绝大多数涂料产品并没有通过中国环境标志产品认证,只是自己标榜为绿色环保型产品.所以消费者在选择绿色环保型涂料时,要确定此涂料生产企业是否通过中国环境标志产品认证.尤其应该值得涂料企业关注的是,国家环境总局颁布了水性涂料新的绿色标准,VOC指标与国际标准的VOC计量准则相同,即VOC指标是1L涂料中扣除水分后干重中VOC的含量.2002年的环境标志标准规定内墙涂料VOC≤100g/L,这比我国以前的标准要严格得多.目前北京已成功争取到2008年夏季奥运会的举办权,北京打出绿色北京、绿色奥运的主题,这对众多国内涂料企业来说是一个机遇.而要抓住这一发展良机,涂料企业就必须严格要求自己,通过中国环境标志产品认证.3.2世界其他国家的环境评估3.2.1获得蓝天使标志德国的环境标志计划于1978年开始实施,是最早实行标志认证的国家.该认证自愿申请,符合规定的产品可获得蓝天使标志.该计划集中在对环境危害较大的产品上,考虑污染物散发量、废料产生、再次循环利用、噪音和有害物质等因素,现已建立了75个产品组,制定的准则每3年修改一次.“蓝天使”已成为消费者熟知的一种标志,在德国,有专门出售绿色建材的商店.3.2.2室内面料材料要求美国环境标志均由地方组织实施.华盛顿州要求为办公人员提供高效率、安全和舒适的环境,颁布建筑材料的散发量要求,作为机关购买材料的依据.要求室内饰面材料和家具在正常使用条件下不超过以下污染物浓度:VOC0.5mg/m3;可吸入的颗粒0.05mg/m3;甲醛0.06mg/m3;4-PC0.0065mg/m3(仅对地毯).产品包括:办公家具、地毯、胶粘剂、墙体涂料、防火材料等.洛杉矶市早在1967年就已开始限制有机溶剂的排放量,规定建筑平光涂料的VOC含量,2001年降至100g/L,2008年降至50g/L.3.2.3环境标志的应用环境计划的目的是为了传播产品时环境各方面的信息并鼓励消费者选择那些环境安全的产品.此目的将通过对产品授予环境标志的形式实现,这样的产品可减少由于日常生活而引发的环境负荷,因而有助于环保.大体上讲,带有环境标志的产品必须符合下面所提出的要求:(1)严格鉴定在制作、使用和处理方面对环境造成的负荷比同类产品要小的产品;(2)以其他方式减少对环境的负荷,非常有助于环保的产品.4国内外水性涂料的生产我国在过去几年期间尤其是通过“八五”“九五”涂料攻关,取得了一批具有国际先进水平或国内领先水平的成果,但与发达国家相比,还存在相当大的差距,随着我国经济建设的发展,要求开发的涂料产品主要有水性化、专业化和产业化等三方面的要求.我国涂料科技水平与国外工业发达国家相比,正是在这三方面存在着明显的差距.(1)工业发达国家环保法规严格,环境友好型涂料、VOC含量低的高性能涂料占涂料总产量的60%,其中乳胶漆占建筑涂料的90%以上.我国水性涂料的研究虽已有近40年的历史,但溶剂型涂料仍约占涂料总产量的70%,其中工业涂料中的水性涂料的比重不足10%.国外汽车用水性漆系列已经工业化生产,而在我国,除水性电泳底漆批量生产外,水性中涂漆和面漆仍处于工业性试验阶段.我国对环境保护日益重视,为执行可持续发展政策,急待国家扶持相关科研项目的研究,打破我国加入WTO后,可能出现的国外水性工业涂料一统天下的局面,以利我国涂料及相关行业的发展.(2)由于长期计划经济的影响,我国通用涂料占涂料产量的主流,而高性能专用涂料不但品种少,而且质量与国外先进技术的产品也有很大差距.如高装饰汽车面漆,几乎全部从国外进口或引进国外技术生产;高耐候户外建筑涂料用树脂也多从国外引进;水性聚氨酯漆用树脂也大多来自国外;防腐蚀涂料仍以低档涂料产品为主,船舶防污漆、集装箱涂料多数由外国独资、合资或合作经营企业生产.因此,我国涂料品种在新世纪初,正面临一个品种结构彻底调整的时期.(3)我国取得的与国民经济发展密切相关的一大批涂料科研成果的转化率较低,尽管试产品已显示出较强的市场竞争能力,但由于体制等诸多因素的影响,工业化生产的困难大,转化为生产力的速度慢.通过“九五”攻关,储备了一批应用开发和技术基础好的研究项目,有待继续深入研究开发,以提高我国涂料科技水平,建立涂料发展的新的增长点.5中国绿色环保涂料科技发展5.1开发水性面漆和水性面漆汽车涂料,尤其是轿车涂料的技术水平代表一个国家的工业技术水平,欧、美水性汽车涂料己实现工业化生产,必将逐步取代溶剂型汽车涂料.我国展开了对水性中涂漆和水性面漆的研究并取得了阶段性成果,为研究开发水性汽车涂料系列奠定了基础.在新世纪初,如继续加大科技开发力度,完全有可能做到国外有什么品种,我国也能开发什么品种.进入WTO之后,我们就有自主开发的技术遏制国外水性汽车涂料垄断中国汽车涂料市场.5.2氯化预处理氯化橡胶、氯化聚烯烃历来用于制备中、高档防腐蚀涂料.但在生产氯化橡胶及氯化树脂时,采用四氯化碳或含氯烃溶剂进行液相氯化,严重污染环境,对臭氧层造成威胁.20世纪80年代,西欧就限制或停止其生产.采用水相法氯化生产的清洁工艺代替溶剂法生产氯化产品势在必行.我国在20世纪90年代初就开展了水相法直接氯化工艺的研究,与西方国家同步.5.3水性聚氨酯涂料在家具涂料中的应用聚氨酯树脂以其优异的装饰性、刚性和柔韧性的完美结合,以及优良的耐磨性及耐化学介质性能,成功地应用于各类工业用品、皮革整理剂、织物处理剂及高档木器家具涂料中.20世纪90年代中后期,欧美水性聚氨酯涂料已工业化生产,目前占家具涂料的比重较大,其市场份额正在扩大.同时水性聚氨酯作为高级印染色浆的基础粘接剂和皮革的涂饰剂,是国内外关注和开发的热点.5.4纳米涂料的应用纳米二氧化钛、纳米氧化锌、纳米三氧化二铁、纳米碳酸钙、纳米二氧化硅等,其粒子大小介于普通粒子和分子(原子团)之间,产生紫外线吸收、电磁波屏蔽、广谱抗菌性等特殊效应,其在涂料中的应用,大大提高了涂层的耐候性、抗污染性、自清洗性、防霉性、外观装饰性及特殊功能性.纳米材料应用于汽车漆、建筑涂料、功能性涂料中,具有传统涂料所没有的明显特点,引起