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大豆油的功用与可持续性发展

大豆油的功用与可持续性发展

时 间: 2020-08-11

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摘 要:——供应充足,高性价比 作者:KrisWeigal和LeeWalko,US…

——供应充足,高性价比

 

作者:Kris Weigal和Lee Walko, USB技术顾问,OmniTech International公司,密歇根州,Midland

 

大豆油是最能可持续发展、生物可再生、丰富的和经济的材料之一,几乎能与石油衍生产品一争高下。60多年来,它一直被用作溶剂型醇酸涂料的干性油。由于环保法规的要求,涂料行业一直面临需要开发环保型配方的压力,包括低VOC的溶剂型醇酸涂料、水性涂料、高固含量涂料和粉末涂料等等。

 

因此,涂料科学家重新审视了大豆油的三个关键属性:疏水性、不饱和度和碳链长度。大豆油的疏水性有助于提高涂料的各种性能,而C18碳链则提高了漆膜的柔韧性。

 

这种高度可持续性的原材料具有独特的化学结构和多个不饱和位点,使其能够进行各种化学转化,生产出在油漆和涂料中具有多种用途的聚合物材料,同时仍然保持其固有的疏水性。

 

大豆为交联树脂技术开辟了许多机会,这种树脂有助于提高涂层硬度、耐久性和抗冲击性。

 

由美国大豆联合委员会资助的研究项目,聚焦于大豆的多种衍生物上,其中包括稳定的水性建筑涂料和高性能、低VOC的工业涂料。

 

本文简要介绍了溶剂型和水性醇酸、粉末涂料、聚氨酯、粉末涂料树脂、大豆改性乳液、活性稀释剂和功能性添加剂等,大豆油基材料的应用实例。

 

大豆油是一种全球性产品。美国是最大的大豆生产国,巴西和阿根廷分别位列第二和第三。自1980年以来,美国农民增加了96%的大豆产量,同时减少了8%的能源消耗。美国大豆可持续性发展保障协议描述了确保大豆可持续生产的法规、过程和管理实践。这项第三方核查的重点集中于四项可持续性发展指令:生物多样性、保护、公共劳动、健康和福利,以及技术和文化实践的持续改进。1超过95%的美国大豆种植者参与了这项协议。

 

美国种植的大豆和由此产生的大豆油是世界上质量最高的。与其它油籽相比,其稠度——以及色泽、气味、杂质——均优于其它油籽。

 

 

大豆作为涂料的基础材料

 

大豆油在商业上有大量的未提炼或精制/漂白/除臭(RBD级)产品。甘油三酯中主要的不饱和脂肪酸包括亚油酸(C-18:2)和亚麻酸(C-18:3)与单不饱和油酸(C-18:1)的多不饱和脂肪酸。在这些脂肪酸中的双键会提供反应位点,并作为化学中间体的基础。

 

影响大豆基涂料性能的基本属性包括

1. C18碳链

a. 疏水性 b.柔韧性 c.分子量

 

2. 双键

a. 漆膜硬度 b.耐久性 c. 抗冲击性 d.反应位点

 

大豆油在转化后仍保留C18脂肪酸主链的固有特性。其独特的功能性,即疏水性和柔韧性,使其具有优异的疏水性和抗冲击性。长碳链有助于增加分子量,从而增加了强度、韧性、耐腐蚀性和耐化学应力开裂性,获得了与基材的良好附着力和户外耐久性。

 

双键提供了与其他化学物质进行反应的机会,包括环氧化、醇解、酯交换、酸解、复分解、异构化、丙烯基化和其他形式的聚合等(图1)。这些改性使得新树脂得以被开发,进一步提高了漆膜的硬度和耐久性。

 

市售大豆油有四个基本的组成部分(图2)。

 

环氧大豆油(ESO)是用过氧化物或过氧酸氧化处理,将双键转化为环氧基而产生的。ESO具有较高的化学反应活性。多年来,它一直被用作PVC的绿色增塑剂。然而,化学家发现反应性环氧基也为许多化学反应提供了巨大的机会。

 

此外,高油酸大豆油(HOSO)现在也可以在市场上买到,目前正在开发高油酸大豆油的大豆油酸甲酯和环氧化产品。近年来开发的是基于HOSO的涂料树脂。由于其高油酸含量,使疏水性能得到进一步提高,导致了更高的水接触角和疏水性。表1是不同HOSO成分的比较。

 

 

大豆基涂料树脂及中间体

 

为了符合日渐严格的环境法规,低VOC和水性醇酸树脂正在迅速发展。再加上对生物基、经济型原料的需求,大豆油自然而然地成为了选择。高固含醇酸树脂、醇酸乳液、丙烯酸-醇酸杂化树脂和水性醇酸树脂等,新型化学物质也越来越受欢迎,特别是在建筑涂料中。

 

大豆基多元醇具有可持续性、经济性和多用途等优点。大豆的固有特性,包括疏水性和柔韧性,是聚氨酯涂料的主要性能。

 

这些多元醇合成途径包括环氧化、氢甲酰化/氢化、臭氧分解和酯交换等等。

 

具有伯、仲羟基官能度的多元醇可从国内各处购买。大豆多元醇的应用领域包括1K和2K聚氨酯、聚氨酯分散体、活性稀释剂、三聚氰胺和丙烯酸聚氨酯涂料。

 

其他化学中间体包括:

 

• 丙烯酸酯化环氧大豆油:丙烯酸酯化环氧大豆油,通过丙烯酸和ESO的开环酯化反应制得,可用于紫外光固化涂料的热聚合反应和紫外光引发聚合反应。

• 双酯:从大豆中提取的各种双酯,可用于聚酰胺油墨树脂、环氧固化剂、缓蚀剂、环氧酯、蜡粉和特种聚酯等。

• 硫酸化高油酸大豆油:硫酸化大豆油的各种变体,可以大大改善分散性、清洁性、润滑性和去污性等性能。硫酸化HOSO在乳液体系和涂料中,能很好地作为分散剂和悬浮剂,也可用于颜料分散体的研磨。

 

 

联合大豆委员会赞助的项目

 

由于大豆等生物基产品具有开辟新市场的潜力,美国大豆种植者已投入数百万美元用于研究、测试和推广生物基产品。其中大部分工作是通过联合大豆委员会完成,该委员会由美国农业部长任命的78名美国大豆种植者组成,主要负责大豆相关项目的基金。商业化和技术许可的案例概述如下。

 

 

水性大豆PET醇酸树脂

 

该树脂是将回收的PET和大豆油与水性醇酸丙烯酸技术相结合的产物,具有不黄变、气味低、表面光滑,VOC减少60%等优点。宣伟公司已将10多种大豆基产品商业化,其中包括ProClassic内墙水性丙烯酸醇酸树脂、ProMar 200内墙水性丙烯酸醇酸树脂和Pro Industrial Enamel 100等。这些产品符合LEED对绿色建筑的要求,也通过了美国农业部BioPreferred项目的认证。

 

 

醇酸乳液

 

基于大豆油的短油度醇酸乳液,是为非公路路标漆而设计的。这种乳液不需要促进漆膜形成的成膜助剂,且不含烷基酚乙氧基化物。Reichhold公司已以BECKOSOL AQ®400品牌名将该树脂推向了市场。

 

 

环氧涂料用抗冲改性剂

 

First Source Research公司开发了这种已被认证的环氧涂料用大豆基抗冲改性剂。其优点包括附着力和柔韧性、抗冲击性、耐腐蚀性和耐溶剂性等各种性能的改善提高。

 

 

水性涂料用大豆基零VOC成膜助剂

 

以大豆油为原料,该成膜助剂的VOC含量为零,可再生性达85%以上。具有优异的成膜效率,且颜色与粘度较低,可被广泛用于建筑涂料配方中。已由Arkema公司以Vikoflex®2200品牌名进行商业化运作。

 

 

大豆基活性稀释剂

 

以大豆油与乙醇胺反应的中间体为基础,该活性稀释剂的成本较低,能使Rust-Oleum公司的多种木器色漆中的VOC达到低于250的效果。性能特点主要有:改善干燥时间、防水性、木材渗透性、颜料分散性和单宁阻止性。

 

 

大豆蜡粉

 

爱荷华州立大学已经为几项涂料应用申请了大豆专利许可技术。大豆基乙二醇二酯酯涂层材料被开发,成为纸板和纸张涂层用的石蜡的替代品。初始状态的酯涂层由三种成分组成:硬脂酸单酯、二酯和带有悬挂羟基的二酯。酯以适当的比例混合,以提供最佳的硬度和粘结性,除了可制浆性和可回收性,还具有更好的耐水性。酰胺涂层是一种由大豆油制成的高熔点硬蜡,可以作为棕榈蜡的替代品,用于防水乳胶体系的添加剂,或防滑/抗划伤添加剂的微粉化应用中。

 

 

粉末涂料树脂

 

Battelle公司拥有一种基于大豆油的粉末涂料树脂技术。这种树脂为84%的生物基树脂,在低温固化应用中表现优异(135℃ vs. 200℃)。性能优点包括出色的柔韧性、耐化学腐蚀性和户外耐候性等等。

 

 

总结

 

大豆油经济实惠,而且可以从美国可持续种植的大豆中大量获得。这种生物基原材料的疏水性是许多涂料应用中的主要性能特点。与双键结合,可以衍生出新的化学物质,赋予漆膜硬度和其他性能。这些优点使其具有优异的耐水性、耐极性溶剂性和耐腐蚀性,以及耐久性。

 

 

参考资料:
1 U.S.Soy Sustainability Assurance Protocol.

 

 

 

本文收录于PCI中文版2020年6月刊

 

 

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