绿色化学：逆风和顺风之间的拉锯战

作者：George R.Pilcher副总裁，The ChemQuest Group andChemQuest Technology Institute, 俄亥俄州，Westerville

大量的消费和工业产品，从塑料到燃料；从油漆和涂料到润滑剂；从个人护理产品到家庭、工业和机构的清洁剂（“HI&I”）以及许多其他产品，从历史上看，都是以石油、天然气页岩油、油砂、沥青、煤等化石燃料中提取的原始材料为基础的。在过去的几十年里，人们大量的讨论、研发、营销和销售工作，旨在尽可能将越多的化石燃料衍生的特殊化学品制成“绿色环保”（生物源）产品。推动这一运动的因素多种多样，但其中一些更重要的考虑因素包括：生物来源材料相对于有限化石燃料而言更具可持续性，某些生物来源材料的潜在碳足迹更低，低气味材料对消费者的“吸引力”，以及带有安心的标签标识。最迫切需要转变的领域是塑料、燃料、油漆和涂料等，在这些领域，人们已经在不同程度上取得了进展，开发出的衍生产品基本来自于种植和收获的初始成分，如玉米、大豆和多年生草本等。这种发展方向是非常合理的，因为化石衍生物，尤其是以石油为基础的化学品最终必将需要替代品——未开发的石油储量是有限的，而农作物是可再生的。

然而，至少目前，世界似乎仍在常规基础上寻找新的石油储备，而且随着COVID-19疫情蔓延，对石油的需求急剧减少，目前出现了石油过剩，已经对其价格产生了巨大影响。绿色化学的发展仍在继续，但它对涂料工业各个领域的影响程度又会如何？这些新的非石油来源的化学品通常比它们的石油基类似产品更昂贵。在原油价格持续低迷的情况下，这些新的化学品能否在不同的油漆和涂料部门和地区市场中占据足够大的市场份额，从而获得并维持一个稳固的。商业上可行的立足点？COVID-19及其对石油需求的影响，加之COVID爆发前期的石油供应过剩和目前的粮食供应中断，这些经济力量，将抑制石化原料、生物来源材料、油漆和涂料在某些领域近期的显著增长。尽管如此，原油价格和可其获得性，只是决定全球和地区涂料行业在任何时候的表现的两个极其重要的因素。

一般来说，还无法确定石油价格对绿色/可持续/生物来源材料的影响，但合理地假设，推动生物来源材料使用的动力，在某些方面与驱动石化类材料使用的动力相似，但在其他方面有所不同，包括监管法规、健康和安全担忧、环境问题、消费者偏好等。因此，没有理由相信，与前COVID时代相比，后COVID时代的原油价格对绿色油漆和涂料的兴趣和使用会产生更大的影响。然而，可能会产生一些不同的效果。

绿色化学：油漆和涂料的未来？

生物来源的化学物质有时也被称为“可再生化学”，现在人们很熟悉的一个术语是“绿色化学”。这个术语没有严格的定义，但易于使用，在全球范围内传达了一般概念，即“绿色化学”。不论如何命名，化学就是指通过各种化学过程将有机原料转化为有用的化学物质，这些化学物质可以作为成品成分或作为反应物来生产各种特殊化学品，包括低聚物和聚合物等。

通过对全球涂料市场中油漆和涂料生产使用的所有成分（来自任何来源的石化或生物基材料）的分析，让我们对可能用于“绿色”化学用途的原材料类型有了一个非常高的认识（图1，第20页）。

在2019年疫情前，预计全球油漆和涂料生产将使用3750万吨的颜料、树脂、溶剂和助剂类化学品。一大类（1200万吨）是由颜料组成的，可以有把握地说，无机颜料，如二氧化钛、填料和其他彩色无机颜料永远不可能来自生物材料。一些有机颜料可以使用“绿色”化学前体，但是，如图所示，彩色有机颜料仅占颜料总消耗量的一小部分（20万吨）。然而，这些材料的生产商一直在努力减少制造颜料所需的能量，尽量减少浪费，并使产量最大化。对此，颜料厂商当然有一种“可持续性”的心态。

绿色溶剂

溶剂是油漆和涂料原材料中最大的一类，至少乍一看，溶剂为生物基（“绿色”）产品提供了相当多的机会。全球来看，溶剂使用量最大的行业为油漆和涂料行业，因此，无论是对原材料供应商，还是油漆和涂料的配方（图2，第20页），自然都是需要集中研究的领域。

在COVID疫情之前，用于所有应用（油墨、涂料、粘合剂、家庭护理、其他）的生物基溶剂的全球市场估计为30-50亿美元，全球溶剂市场总额估计为350-400亿美元（图3，第20页）。

虽然涂料中溶剂使用量的增长仅为约1-2%的复合年增长率（2014-2019年），但由于绿色涂料在取代石油基、传统溶剂方面取得进展，随着绿色涂料＞6%?增长，其绿色溶剂的复合年增长率更快，约为4-6%。考虑到环境和监管方面的压力，以及全球主要涂料生产地区（北美、欧洲和亚太地区）减少对石化溶剂依赖的愿望，在可预见的后COVID时代，这种增长肯定会持续下去。

绿色溶剂可以包括多种产品，例如从玉米中提取的生物乙醇；从大豆油中提取的大豆油酸甲酯；从各种生物质中提取的乳酸乙酯、正丁醇和丙酮；以及从柑橘皮中提取的d-柠檬烯等等。这些和其他相关产品，要么被用于，要么有可能被用于油漆或涂料中。

全球所有地区都在考虑或已经在使用绿色溶剂。尽管如此，但石油基溶剂的成本低，易于获得，有完善的基础设施，而且由于工艺效率，总的来说碳足迹极低，这些都带给绿色溶剂巨大的阻力，因其相关原料成本更高，制造工艺更复杂，以及存在（潜在的）更高的碳足迹。这些，反过来又会影响绿色材料的成本。然而，绿色化学生产商仍在继续研究使绿色溶剂更具商业价值和经济可行性的方法，受COVID-19之后农作物减产影响，推动大豆和玉米价格下跌，这可能一直持续到2021年。油价下跌导致乙醇需求疲软，这是推动绿色溶剂开发和使用的另一个因素。

绿色聚合物

绿色化学进入油漆和涂料市场的另一个契机，是生产用于制造聚合物的生物基单体。醇酸树脂通常含有大量的生物基成分，虽然在过去的六十年里就有人预测醇酸树脂即将消亡，但它已经被使用了好几个世纪了。（1970年，我加入宣伟公司时，没有人教我如何制备醇酸树脂，因为预计在7-10年内，它们的使用量将下降至基本为零。）然而，这项技术仍随着美国GDP的增长而持续增长，略低于欧洲的GDP，但比亚太地区的GDP增长快——例如，在中国和东南亚，醇酸（所有类型——传统溶剂型、水性和高固含）占所有涂料的15-18%。醇酸树脂和涂料的研究仍在持续，且在树脂和涂料实验室的相关醇酸研究也得到了激励，例如俄亥俄州哥伦布市的OPC聚合物，以及大学和研究机构的OPC聚合物的研究，例如阿克隆大学的聚合物工程系（Mark D.Soucek教授，博士，主席） 3 和ChemQuest技术研究所（DouglasCorrigan博士，主任）的研究等等。这类研究已经产生了许多生物基单体，如生物己二酸、生物衣康酸、生物呋喃二羧酸等，而且还将出现更多。许多新的生物分子中都是或可能适合制造生物基聚合物，以供油漆和涂料生产商使用。

在“生物基热度”之外

了解供应商、分销商和配方设计人员对生物原料的实际想法是很重要的。《欧洲涂料杂志》 4 最近进行的一项全球调查显示，三家公司现在对生物源材料的兴趣都比过去更大，但这实际上归结为所有新原料在涂料领域面临的一个共同障碍：成本/性能比（图4，第21页）。

如果一种新材料更贵，它必须提供一个或多个积极特性，证明更高的价格是合理的。这些特性之一很可能就是“绿色”，它将达到各国家和地方的监管要求，并对一定比例的企业和消费者都有着强烈的吸引力，因为“绿色”为产品增加了价值，证明了其增值定价是合理的。总之，对于大多数油漆和涂料的用户来说，“增值”定价满足行业“成本/性能”要求的临界点至少需要5-7年的时间。

参考资料

1 https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/26225963
2 Global Market Analysis for the Paint and Coatings Industry (2019-2024). World Coatings Council (WCC) and The ChemQuest Group Inc. Chapter 5, "A-chi tectural Coatings," page 29https://www.paint.org programs-publications/ publications/market-analyses
3 Salata, R.R.; Pellegrene, B.; Soucek, M.D. "Visible Light Cure Packages for Improved Drying Kinetics in Alkyd Coatings,"Progress in Organic Coati, Volume 144, July 2020 , Article 105672.
4 “Biobased Coatings Survey,“ European Coatings Jour- nal,2019 (09-2019). https://www.european-coatings. com/Mar-kets-companies/Raw-materials-market/Biobased-coat-ings-survey-Prices-will-go-down / (cpg)/LA0105?utm_source=in-terner-verweisredaktion&utm_medium=referral&utm_campaign=Online-Verweise_Redaktion&cpg=LA0105

本文收录在《PCI中文版》杂志2020年11月刊中