异山梨酯： 一种可持续、安全、高性能的、植物基的涂料原材料
作者：Jiae Kim，全球市场经理，罗盖特公司，性能材料部门，法国，Lestrem
水性配方被要求可以耐紫外线、耐磨损、耐刮擦、耐冲击，具有更好的附着力和更好的性能。现如今，对涂料、粘合剂、密封剂和弹性体（CASE）的需求为“未来可能”的原料创造了诸多的理想性能。异山梨酯已经向前迈进了一步，它完全安全，使用每年可再生的原料来生产，具有独特的性能组合，为一系列CASE应用提供了极好的潜力。
什么是异山梨酯？它是怎样制成的？
异山梨酯是一种由植物淀粉衍生的双环二醇，具有丰富的功能性，广泛应用于包装、涂料、粘合剂、密封剂和弹性体（CASE）以及汽车等行业（图1）。
图2中的示意图说明了异山梨酯是如何制成的。每年可再生原料中的淀粉被水解生成葡萄糖，然后转化为山梨醇，再通过氢化作用转化为异山梨酯。在过去的二十年里，罗盖特公司已经完善和优化了这一生产路线，以大批量生产稳定、高纯度的异山梨酯。该公司的旗舰工厂生产三种不同等级的异山梨酯产品，每种等级都是为特定的工业应用量身定制的（表1）。
作为一种以植物为基础的可持续原料，其碳足迹仅为0.09 kg CO₂/kg，异山梨酯是双酚a等单体的有吸引力的替代品，双酚A的碳足迹约为异山梨酯的60倍左右。*然而，令人印象深刻的环保性只是一个开始。异山梨酯还具有以下特性：
• 无毒
• 无致癌性
• 非内分泌干扰物
• 符合REACH法规要求
• 适用于食品接触类，以及化妆品和药品的制造。
这些特性使得异山梨酯的性能优势在不同的应用领域中具有重要的意义和价值。
异山梨酯的特性是什么？如何使用？异山梨酯可与其它单体一起掺入以进行改性，这些单体有：聚对苯二甲酸乙二酯（PET）、聚碳酸酯（PC）、聚氨酯（PU）及环氧树脂等。当以这种方式使用时，它可以增强：
• 热性能，例如，提高Tg，玻璃化转变温度。
• 耐化学性，如水和有机溶剂（丙酮和酯类等等）。
• 光学性能，如透明度和双折射性。
• 抗UV，减少暴露在阳光下的变黄现象。
• 机械性能，如抗划痕、抗冲击和抗弯曲性。
• 附着力，这是CASE领域的一个关键属性。
• 外观，如赋予高光泽。
异山梨酯可以减少与使用现有材料相关的环境负担，同时保持性能，或实现新的性能配置，以满足不同市场的严格要求。
让我们来仔细看看异山梨酯是如何改变一些常用聚合物的性能，以及由此产生的材料的工业价值的。
异山梨酯的工业应用 CASE市场的特点是多样化，产品的配方专门为满足精确要求，或独特应用而设计。然而，某些趋势会在整个行业盛行，例如远离石油衍生成分和水性配方的增加使用，以减少挥发性有机化合物（VOC）排放等，尤其在涂料领域。异山梨酯是CASE配方中相对较新的成分，它结合了可持续性和技术性能，根据不同应用具有其特定的优势。
聚氨酯（PU）涂料PU是由每个分子中含有两个或更多活性羟基的醇反应而成，即二醇、三醇或多元醇。1,4丁二醇（BDO）就是这样一种醇，通常用作扩链剂，以增加聚氨酯的分子量。用异山梨酯取代BDO，可使涂层具有更高的耐热性、更好的附着力、抗冲击性和耐磨性。
从BDO转换到异山梨酯，增加了与异佛尔酮二异氰酸酯（IPDI）反应生成的PUs的Tg（见图3），从而提高了耐热性。抗冲击性也得到了显著提高（见图3），没有任何红色，表面异山梨酯涂层有效地防止了由于涂层失效导致的铜氧化。
环氧树脂
最常见的市售环氧树脂是由环氧氯丙烷和双酚A反应生成二缩水甘油醚（BADGE-双酚A二缩水甘油醚），然后与胺反应生成树脂。异山梨酯可直接取代双酚A制备异山梨酯基二缩水甘油醚，降低毒性，提高成品质量。
与芳香基BADGE类似物相比，基于异山梨酯的环氧树脂，具有较好的光泽度和更好的抗紫外线性能。在水存在的情况下，不会产生BADGE/胺体系可能产生的白雾，从而进一步增强了外观；异山梨酯基环氧树脂对产生这种效应的经典胺碳化现象不太敏感。事实上，异山梨酯环氧衍生物可以与水混溶，这是一个独特而有价值的特性。与PUs一样，抗冲击性也得到了提高，此外，异山梨酯基环氧树脂显示出优异的附着力和变形性能。
用异山梨酯取代双酚A，可得到具有改进变形性能的环氧树脂，如使用环氧涂层对标准化Q面板进行的锥形芯轴弯曲试验的图像（图4，左）所示。异山梨酯基涂层显示出优异的抗变形性和对基材更好的附着力性能。异山梨酯基环氧树脂优异的附着性能也通过划线横切比较试验得到了证明（图4，右图）。
展望
异山梨酯是一种以植物为基础的可持续单体，低碳环保，并具有广泛的应用潜力。用异山梨酯代替现有的石油化工原料，不仅减轻了工业聚合物对环境的影响，还提高了性能。新型喷雾包装，提高了表面的透明度和耐刮擦性能，具有更好的附着力、抗UV和抗冲击性能。这些只是异山梨酯已经开始提供的部分产品，聚合物化学家和配方设计人员更确切地知道它的用途。
* 基于生命周期分析方法的内部比较研究，由外部审核员同时评审。
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本文收录在《PCI中文版》杂志2021年6月刊中
