生物基材料应用：水性涂料中的淀粉基聚合物

作者：Scott J. Hyland

宜瑞安（Ingredion）涂料应用项目负责人

水性涂料的可持续性发展

长期以来，在工业和消费品领域因为石油基材料（Petroleum-based materials (PBMs) ）的广泛应用，获得了快速的发展和丰厚的收益。但是，依旧是在过去的几十年中，研究人员和公众也越来越关注石油基材料对环境和健康的影响。时至今日，可持续发展已经成为企业彰显社会责任的重要体现之一。

在涂料领域中，石油基材料也常用于水性配方体系中，水性体系较溶剂型体系可以有效地减少VOCs（挥发性有机化合物）对环境和人力的危害和影响。但是尽管如此，石油基材料本身来自化石燃料，其本身并不会在地球生态系统的限制范围内降解、分解或溶解。

如今，材料领域中的可持续发展中很大一部分精力在于，采用可持续材料取代石油基材料。一方面，真正的生物聚合物通常具有较少的VOCs挥发，并在地球生态系统中降解。以北美地区为例，政府机构颁发多项法令保护包括化石燃料在内的自然资源，并推动制造业沿着可持续性标准来发展，为环境、工作场所和社会带来利益。

产品全生命周期的生物降解性

长期以来，材料领域使用不可生物降解材料的产品的做法一直是个问题。 自上世纪七十年代，垃圾填埋场的日益短缺首次成为头条新闻。不幸的是，如何设计一次性、不可生物降解产品至今仍然是一个问题。在未来几个世纪里，不可生物降解材料将持续困扰垃圾填埋场和生态环境。

在涂料领域中，生物可降解涂层指由藻类、真菌或细菌等自然存在的微生物作用导致降解的涂层。这类涂层可以在特定时间内可生物降解或可堆肥。由于可堆肥性的提高，可生物降解材料的大量使用降低了生态毒性和垃圾填埋场的垃圾量。

关于自然资源、回收利用和可持续性的新一轮思考，揭示了在产业品设计和制造中缺乏对材料报废后处理的重视。在消费层面的推动下，企业正加大研发精力彰显企业责任感，而政府也将环境管理作为了绩效考核项之一。

线性经济与线性循环

也有批评者指出，过去50年来固体废物处理的“垃圾填埋方法”是“线性经济”的结果。线性经济是指以资源线性流动为特征的经济模式，表现为传统经济中“资源-产品-废弃物”的单向流动。在线性经济中，世界各地的制造业与迫在眉睫的固体废物问题脱节，固体废物随着社会规模的扩大而积累。且由于收集和分类再利用的成本很高，在制造业中使用回收的石油基材料也未能获得推动力。总而言之，线性经济建立在自然资源的消耗之上，最终会导致废物的积累。

线性经济模型

然而，“循环经济”的概念挑战了过去100多年的制造方式。这种方法从根本上考虑了产品及其组件的环境影响，从最初的概念阶段到产品使用寿命的结束，换句话说，是一种从摇篮到坟墓的方法，也称为生命周期管理方法。对废弃物的流通进行评估，以进行进一步的价值提取、处理和材料废物利用。工程模型采用了从摇篮到坟墓的思维方式，其中材料、产品设计和报废考虑因素在过程中得到理解，而不是脱离过程。

循环经济模型

如今，可持续发展既是一种日益增长的趋势，也被视为一种企业责任的行为和消费者的首要考虑因素。北美的大部分行业，包括涂料行业在内，正在遵循消费者和政府机构的要求，保护包括化石燃料在内的自然资源，并推动制造业可持续性标准的进步。一场使用可持续材料取代这些石油基材料的变革正在发生。

减少VOCs的配方体系 - 水性涂料

健康、可持续性和环境（HSE）并不仅限于涂料行业，其还延伸至中使用水性涂料的相关行业中，如食品包装和木器家具等。这些行业正在尝试使用生物基材料取代石油基，使其产品更具备可持续性。

涂料配方的可持续性发展，通常以降低或杜绝体系中的VOCs为目标，这些VOCs通常来自苯、乙二醇、苯乙烯或二甲苯等。VOCs中很多化学物质已经被确定为神经毒素，会威胁人和动物的生命安全。许多国家已经建立了挥发性有机化合物的允许暴露限制（PEL），要求行业转向更安全的低VOCs和零VOCs配方体系。

溶剂型配方通常含有40-50%的VOCs，一加仑溶剂型涂料中碳氢化合物的蒸发量相当于汽车大约六个月的排放量。而水性配方的VOCs含量仅为2-8%。

在过去的十年中，许多涂料配方已被水性化重新配制，以降低VOCs水平。尽管如此，消费者仍进一步要求水性涂料对环境零危害，对健康没有不良影响。

无论过去几十年的收益如何，水性涂料配方仍然可以走得更远。材料科学技术继续提供高性能材料，为水性涂料使用生物基化学品进行替代提供了机会。

水性涂料中的生物基材料

目前市场上的各种生物基涂料产品，可分为合成可生物降解或天然可生物降解两大类。合成可生物降解涂料是使用自然资源开发的，例如细菌合成。而天然可生物降解涂料是基于天然聚合物（多糖），其中包括碳水化合物，如纤维素和淀粉。

纤维素是一种非常复杂的碳水化合物，被认为是最丰富的天然有机物质，由3,000个或更多的葡萄糖单位组成。纤维素是羟乙基纤维素或甲基纤维素等材料开发的核心，这些材料是改变流变性的常见水性涂料增稠助剂。由于其极高的分子量，纤维素被认为是不溶于其天然形式的，所以必须降低平均分子量才能在涂料行业中发挥作用。

淀粉作为一种碳水化合物，可以从含有线性直链淀粉分子或支链淀粉分子的各种来源中获得，如玉米、木薯和土豆。其中直链淀粉或支链淀粉的比例会根据来源而变化。淀粉是最便宜的生物聚合物材料之一，作为一种可再生的、可生物降解的资源具有巨大的潜力。如今，全球日益提升的环保意识氛围为这些天然聚合物作为制造多元醇和聚酯的原料的使用、配方潜力和生物合成的技术发展提供了巨大的机会。

从历史上看，许多水性涂料配方有效地利用了广泛的天然成膜材料类型，包括碳水化合物、酪蛋白或大豆蛋白。而过去几十年对线性经济的推动，却使得合成树脂配方取代了这些天然材料。但随着工业和社会更多采用“循环经济”的方法，水性涂料配方中生物基材料的研究再次得到重视重视。这种基于碳水化合物的生物基材料被广泛用于联合水性涂料行业，单独或与树脂一起使用，能够提供有效的性能、结合强度和改善涂料的流变性。如今，可持续性已被纳入配方的等级评估中，使用生物基成分对于产品制造至关重要。

总结

在过去的50年中，水性涂料行业经历了重大变化，用低VOCs材料取代了石油基合成树脂，这些配方中的许多都使用环保生物聚合物，这些聚合物具有可生物降解的有益特性，并且含有更少的VOCs。

如今，仍有许多可再生材料值得考虑和更多的研究，以进一步提高产品在使用寿命结束时的可持续性。这些材料是由淀粉制成的基于碳水化合物的聚合物。以下是按产品改性列出的淀粉类型。

高分散的预凝胶淀粉：预凝胶淀粉材料的独特之处在于它们允许使用高分子量产品作为粉末，而标准液体淀粉由于含水量较高而不适合。由于预凝胶淀粉产品在蒸煮后经过喷雾干燥，因此它们具有高溶解度，这使得这些材料可以干燥地混合到配方颜料浆料或乳液、树脂液体中，并有助于提高单位剂量的成膜强度。

即用型液体淀粉：配方中所需固体含量会限制传统淀粉产品在水性涂料配方中的使用，而即用型液体淀粉刚好适用于这种情况。液体涂料淀粉的设计具有高固体含量，类似于普通乳液/树脂材料。在等效材料固体下，这些材料的使用能够允许配方师保持配方的固体含量。由于淀粉分子对涂料流变性的影响，配方粘度会随着淀粉替代乳液而变化。

疏水性淀粉酯：疏水性淀粉酯由取代到淀粉分子上的辛烯基琥珀酸酐衍生物生成。辛烯基琥珀酸酐赋予淀粉具备了表面活性剂的类似功能，当与乳液/树脂分散在水性配方中时，疏水性淀粉酯将产生弱离子网络，与缔合型增稠剂相当。

淀粉醚：淀粉醚是一种特殊的淀粉，在水悬浮液中将环氧乙烷类衍生物接入到淀粉分子上而产生。这种类型的最广泛使用的取代基是环氧乙烷，环氧丙烷也可用于生产淀粉醚。这些衍生化的淀粉具有出色的粘度稳定性和成膜强度。