大豆油的功用与可持续性发展

——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、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°C vs. 200°C）。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.

本文收录在《PCI中文版》杂志2020年6月刊中。