涂料行业绿色低碳可持续发展中的几点思考——坚定信心，新质赋能

本文将结合涂料行业实现可持续发展和绿色环境友好及循环经济的进程，分别从不同的体系和不同的应用领域，谈一些我们的看法和建议。目的是要坚定低碳可持续发展的信心，全面理解涂料行业新质生产力的内涵，使我们的思维更全面、道路更正确、技术发展更健康。希望把颠覆性的技术论文写在大地上，把我们先进的产品落实到产业化和市场化上。

涂料，俗称油漆，在当代已成为材料科学的一门分支。它是一门交叉学科，涉及有机化学、无机化学、高分子聚合物、颜填料、助剂和分散介质（溶剂和水）、表面化学、界面化学、化学工程、流变学、色彩学、电化学和腐蚀防护、生物化学等众多的学科领域。它无处不在，又大有可为，已成为国民经济发展中不可缺失的一种装饰、防护和功能性的材料。

行业内经常有人把一种类型的涂料（如水性涂料）看成是万能的，可以用在任何地方，当然这样说似乎有点夸大。但现实往往会使很多人迷糊。特别是在向低碳、绿色环保型涂料实现转型的过程中，这种提法更会给行业带来错误的导向，甚至会出现巨大的经济损失。这种一刀切的倾向和做法必须得到遏制。要做到这一点需要认真研究和分析每一类涂料的特性、树脂的结构特点、它的技术瓶颈在何处、它最适应的应用领域在哪里、它在规模化过程中的经济性，和对环境的影响等。正像上文提及的，要综合考虑和满足新技术的四大基本要素：性能、规模、经济可行性和环境影响。下面就几类主流的新型涂料（符合低碳可持续发展和新质生产力方向的技术）进行分析和解读，为正确引导涂料行业的可持续发展提供一些分析参考。

首当其冲的肯定是水性涂料。水性涂料因使用水作为分散介质，改变了以往使用有机溶剂的局面而受到广泛的关注。国家也在2017年的政府工作报告和2018年公布的《国务院关于印发打赢蓝天保卫战三年行动计划的通知》中，提出了打赢蓝天保卫战的时间表和路线图，为水性涂料的发展奠定了政策导向的基础。

水性涂料因使用水作为分散介质，极大地降低了有机溶剂（VOC）的使用和挥发，对于净化空气、还地球蓝色的天空、减少雾霾和降低因溶剂而产生火灾的风险和危害起到了很大的推动作用，也是当前全球关注的一大发展趋势，各国（包括中国）纷纷出台了许多政策性的法规，规定了各类涂料中 VOC 的限量。例如中国出台的GB/T 35602—2017《绿色产品评价 涂料》中分别从资源属性（原材料）、能源属性（能耗）、环境属性和品质属性等四个方面对水性、高固体分、辐射固化、无溶剂和粉末涂料等 5 种环保型涂料进行了规定。在政策和法规的引导下，消费者的环保意识也不断地提高，一时间中国水性涂料风起云涌，其中包括建筑涂料和工业涂料。水性建筑涂料已经比较成熟了，也是水性涂料的主要应用领域，约占 40% 的市场份额。但一旦SVOC（半挥发性有机化合物）限量法规出台，水性建筑内墙涂料也将面临新的挑战，沸点低于370 ℃的成膜助剂将会受到限制使用。而水性工业涂料面临的挑战更多、更大，其中最大的挑战来自在温度和湿度无法控制的应用领域。尽管如此，很多人仍在跟风，殊不知水性工业涂料存在许多技术瓶颈和问题。水的表面张力高，对底材润湿性差，水的挥发慢于溶剂，水性涂料容易受细菌和霉菌侵蚀。特别是室温干燥的水性涂料，靠颗粒之间的融合和聚集成膜，表面存在许多缝隙等缺陷。水性工业涂料通常需要添加很多相应的成膜助剂，交联剂，表面活性剂和罐内/干膜防霉杀菌剂等助剂，其中很多助剂对环境和水体均具有一定的毒性和危害，若废水处理不当对河流和土壤会产生更长久的危害。为此，国家在 2018 年又继续打响了蓝天碧水净土的保卫战，出台了《关于全面加强生态环境保护坚决打好污染防治攻坚战的意见》，扩大了保护范围，更加正确引导了环保涂料的发展方向。

因此，我们可以看到水性涂料只是环保型涂料中的一类，这可以比喻为环保涂料百花园中的一朵花，必然有它最佳使用的场合，并不能适用于所有的场合和应用领域，除非在技术上有颠覆性的创新。前些年，有一个典型的案例，某行业在条件尚未充分成熟的情况下，不分青红皂白一刀切，强制全面推行所谓的“油改水”，顶层设计出现偏差，一度出现了很多问题，为了适应水性涂料的烘烤工艺，在涂装环节投入了大量资金，但实际效果是部分涂装产品经过海运到达目的港就出现锈蚀现象，有的甚至被索赔。目前又开始对水性涂料进行技术升级，并着手粉末涂料涂装的尝试，应该说这是一种理性的思考和回归的结果。

尽管烘烤型水性工业涂料受环境温湿度的影响较低，但由于水的蒸发潜热较高，干燥慢，能耗高，这仍是人们关注的问题。在目前汽车行业去磷化免中涂的新工艺中，十分流行三涂二烘（3C2B）和三湿涂层（3W）的涂装工艺，但每一道涂层之间的闪干工艺十分重要，若水性涂层过厚（特别是 2 道水性底色漆），最终涂膜会起泡，说明每一道涂层中的水必须经过闪干工艺大部分被去除（90%以上），这样才能实现新工艺的目的（而溶剂型涂料不存在这一问题）。由此带来水性涂料干燥过程中能耗较高，成本普遍要比溶剂型涂料高出 20%~30%，从低碳排放的角度来看，也是不合理的。因此一些主机厂目前都在通过碳排放的计算，探索将本色漆和金属闪光漆分别使用低VOC溶剂型体系和水性体系的方法，突破了“水性”的制约，做到全面衡量（性能、规模、经济可行性和环境影响）和发挥各自的特点和优点，回归到更为合理的、真正的绿色技术路线，避免了一刀切的局面。

水性工业涂料为了达到可以采用水作为分散介质，必然要在树脂基料上引入一些亲水的基团，而最终形成的涂膜通常都希望是不含亲水基团，否则会导致涂膜性能的下降。如何处理亲水和疏水这一对矛盾又是在水性工业涂料配方设计中的一个关键问题。必须考虑亲水基团的类型及数量，中和剂的类型，减少游离亲水基团数量。可以采用高相对分子质量的树脂和提高固体分的方法，减少亲水基团的数量。水性工业涂料由于使用的基料是分散体，通常固体分不可能像溶剂型体系可以较高，一般只能在40%左右，在一定程度上限制了应用范围。但是，如果利用水性超支化树脂，就可以实现高固低黏，高交联密度的效果。

为了解决因水的引入而带来的一些问题，水性涂料配方中经常会加入多种添加剂，如润湿剂、表面活性剂、防霉和防腐剂，乳化剂、交联剂等等，这些添加剂中有一些一旦残留或游离在体系中，如果废水处理不当，会流入到水体或土壤中，造成二次污染。国外目前有一些报道，把某些添加剂连接到树脂基料上，就避免形成游离的有毒化合物。另外又有报道称，开发了一种丙烯酸基料，基料中的阳离子官能团在干燥过程中向表面迁移。形成了带有“针刺”状结构的阳离子正电荷表面，能破坏微生物的细胞膜。这种机理能实现不加杀菌剂，涂膜仍具有持久的防止微生物的作用，十分有利于绿水和净土的保护。

水性防腐涂料的最大应用潜力是在工业环境下使用的设施，如火车、运输车辆或建筑机械等大型金属结构物上（即C4以下环境，按照ISO 12944：2018标准的环境分类）。有国外专家认为水性防腐涂料的应用领域目前主要还只是局限在C1~C3的环境，如果在C4以上环境中使用，目前来看难度还比较大，或者说风险很大。对于普通钢结构（包括化工企业的钢结构），使用水性防腐涂料应该问题不大。据估算，水性防腐涂料在 C1 环境使用的市场占有率约为15%，C2环境约为5%，C3约为 1%（在中国可能会稍高一些）。对于普通钢结构（包括化工企业的钢结构），使用水性防腐涂料应该问题不大。

利用多步法乳液聚合技术可以合成出固体分达63%左右的丙烯酸双峰乳胶。为可持续发展的水性木器涂料和门窗涂料方面打开了新的局面。由于具有独特的粒径分布，可以利用流变性能配制成高固体涂料，具有湿膜厚度高、抗流挂性、流平性和不透明性优异等特性。大颗粒和小颗粒的多相特性使低VOC配方具有良好的抗粘连性、涂膜硬度和耐化学性。

随着新的《中国环境保护法》进一步强化和涂料制造技术的提高，对于C4以上的环境，最佳的环保型技术路线是高固体分涂料。但是，在实现高固体分涂料的过程中，仍然有不少技术瓶颈需要克服。例如，固体分高了，黏度往往会上升，以致无法施工，有人说可以加活性稀释剂，但这样会增加成本，影响性能。首先，要降低树脂的黏度，常规的做法是降低树脂的相对分子质量，但带来的问题是如果不能控制相对分子质量分布在一个较窄的范围内，就会形成树脂分子链长短不均的现象，极大地影响涂层最终性能；由于相对分子质量低，在制备色浆时，必须使用高相对分子质量的分散剂，否则很容易出现色浆絮凝的问题。树脂相对分子质量低，分子链之间的物理缠绕减少，黏度降低，但在固体分较高时因溶剂较难挥发，容易出现流挂现象，需要增加抗流挂助剂的使用；同时固体分高，它的黏度-温度关系要比常规的更密切，会出现烘炉内流挂现象，要设法避免；低相对分子质量液体树脂极性基团含量高，树脂极性大，在基材表面铺展渗透较难，为保证涂膜与基材的附着力，需要选择特殊的稀释剂或助剂来降低涂料表面张力提升与基材界面的结合。

当然，为了到达降黏的目的，也可以减少树脂中容易形成空间位阻的基团（如双酚F环氧中，去除了2个甲基，代之以氢原子，使分子链更容易旋转和运动，极大地降低了黏度）。也可以通过减少树脂中氢键的形成，降低黏度（例如，利用 HDI三聚体分子中，—NCO基团分布的不对称原理，减少氢键的作用，从而降低黏度）。显然，超支化聚合物在这方面呈现它明显的优点，它相对分子质量尽管很高，但支链多，呈球状，分子链之间缠绕少，黏度低，提供的交联点多，交联密度高，固体分可以很高。分子内有空穴，增自由体积，能增韧，降低体系的内应力和提高附着力。

粉末涂料最近的发展呈现加速趋势，逐渐从一个小众市场走出来。它是一种不含 VOC 的涂料体系，具有可持续发展的潜力。从开始在家电等小型部件使用，逐渐发展到大型部件上的使用，包括工程机械（ACE）和其他领域。2023年我国粉末涂料的产量已达到250万吨左右，位于全球的首位。粉末的制备工艺与液体涂料绝然不同：树脂、颜填料和助剂的混合是在挤出机中完成的；挤出机的加工温度是较高的；熔融混合料要经过冷却、粉碎、分离，才能获得合格的粉末；粉末涂料的施工涂装完全不同于液体涂料；粉末涂料的固化温度通常较高，通常在 160~180 ℃，如何降低固化温度，降低能耗和如何在热敏底材上涂装是重中之重；目前已可以将固化温度降低至130~150 ℃，但还是十分耗能，特别是在质量大、厚度大的巨型工件上，不符合节能低碳发展的方向。因此，除了薄型工件仍可使用粉末涂装外，有些工程机械公司又从粉末涂装转向超高固体分（>90%）的天门冬氨酸聚脲涂料，用于厚重工件的涂装，薄型工件仍使用粉末涂装。如果要想把粉末的固化温度继续降低至 100 ℃左右，难度十分大。因为如前所述，树脂和颜填料必须通过挤出机进行混合，挤出机温度必须高于粉末树脂的熔融温度，固化温度太低将会十分接近粉末的熔融温度和玻璃化转变温度，在挤出机中就发生固化和交联，影响最终粉末和涂层性能。能否开发出一种具有颠覆性的低温固化新技术是一项挑战性极高的课题。最近，有文章介绍了一种利用1，4迈克尔亲核加成反应制备粉末涂料。该反应是一种强碱催化的亲核反应。设计了一种催化剂组合，由催化剂前体（羧酸季铵盐，碱性较低，不足以引发反应）、促进剂和阻缓剂（羧酸）组成。在高温下（100~130 ℃）前体会与促进剂（如环氧）形成强碱加成物，引发反应。而羧酸阻缓剂的存在，会中和生成的强碱，不能形成强碱环境，一直要到羧酸消耗完，才能启动固化反应。通过控制催化剂组合中羧酸的比例，可形成一种“化学时钟”（chemical clock），实现延缓反应的目的，减缓或消除了在挤出机中出现的预固化，将熔融流动混合和固化阶段实现分离，达到低温固化的目的。构思十分独特和巧妙。这完全符合在降低粉末涂料固化温度的目标，并丰富了绿色、低碳、低能耗的技术创新中新质生产力的内涵。

粉末涂料面临的挑战还包括要求扩大应用范围。目前正在推动要求更长的耐久性，特别是在汽车、建筑和 ACE 的应用。更高的紫外线耐久性有着巨大的市场，目前产品性能尚达不到。另一个关键趋势是电动汽车（EV）的强劲增长。这为粉末涂料提供了巨大机会。涂层的介电性能和耐腐蚀性，以及绝缘防火是电动汽车电池的首要关键要求，给汽车部件进行粉末涂装带来了机遇。

辐射固化涂料是紫外光/电子束（UV/EB）固化的涂料，因为它用活性溶剂（单体）为稀释剂，是一种零或低VOC的涂料，由于受施工条件和涂层厚度和颜色的限制，在整个涂料市场中所占比例不高，但因为它具有快干、节能和性能良好等优点，可用于许多高科技领域，因此越来越受到重视，发展很快。但是由于单体降黏效率不高，为了适应施工和薄涂层要求，往往会在配方中加入一些溶剂，失去了低VOC的优点。为了克服这一问题，发展了水性辐射固化涂料，但随之带来的是失去了节能和快干等特点。如何降低黏度仍是辐射固化涂料的重要课题。辐射固化粉末涂料由于具有低温快干的特点，也在发展之中。辐射固化涂料在一些比较平面性的产品上使用比较容易，在复杂构件上需要采取其他辅助技术措施才能实现。

前述几种绿色涂料的重点是降低产品中的 VOC含量，而近几年来，人们逐渐关注生物基（bio-based）材料在涂料行业中的替代应用。生物基是全部或部分来源于生物质资源的有机材料（如粮食，木材残留物、草本植物和水生植物、秸秆纤维素、农林废弃物等），生物基产品发展有利于碳中和目标的达成，有利于缓解气候变暖和资源缺乏。生物基涂料是指原料主要来源于可再生生物资源的涂料产品，它侧重于减少涂料的碳排放，即降碳和可持续发展，既满足当代人的需要，又不对后代人满足其需要的能力构成危害的发展；减少涂料行业对化石原料的依赖。

生物基涂料作为现代绿色涂料领域的一颗璀璨新星，正以其降碳及可持续发展的理念，逐渐进入建筑、家居装饰及工业涂装等领域。这类涂料以生物质资源为主要原料，通过先进的生物化学或化学改性技术加工而成。已经成为推动涂料行业新质生产力发展的一个重要方向。但从总体上看，生物基涂料目前仍是一个小众市场。产量的市场份额只有1%~2%，产值为5%左右。目前可利用的生物基材料还是较多的。例如，有大漆、淀粉（葡萄糖聚合物）、乙酰丙酸、衣糠酸、5-羟甲基糠醛、糠醛、呋喃二甲酸、3-羟基丙酸、丁二酸、葡萄糖二酸、天门冬氨酸、植物油（如大豆油、亚麻籽油、腰果壳油、蓖麻油、棕榈油、桐油等）、天然树脂（如松香）、生物基聚合物（如聚乳酸、醇酸树脂、木质素、纤维素及其衍生物等）等。当然，在制备和使用这些生物基原料时，要避开与粮食争地的问题。国内有一些院校已经启动了研究工作，但和企业和市场还有较大的脱节。生物基涂料从原材料供应、涂料产品开发到市场推广应用尚处于刚刚起步阶段，产量的市场份额比较低，只能说在局部有所突破。

由于生物基涂料刚刚起步，技术上还存在一些缺陷。用它替代石化基原料后，在部分性能上与传统涂料还有一定的差距，在性能要求很高的应用领域还不能将生物基体系作为传统涂料的替代品。目前看，可能的应用前景会在建筑墙面涂料和木器涂料取得突破，其主要原因是终端消费者有力推动了该细分市场的需求。

生物基原料的可获得性和价格将会是最大的挑战，即能否实现规模化生产是一个影响增长速度的关键，否则因价格和供应链问题而不能被市场所接受。生物基产品应进行认证，否则市场会出现混乱，国外已开始对用石化产品冒充生物基产品—即所谓的“漂绿-greenwashing”进行抵制和抨击。

生物基原料可利用14C进行鉴定。近代生物体中含有等量的14C。而来自远古的石油等石化产品加工制造的产品不含有14C。因此，可以使用14C的方法区分生物基产品和化石基产品。生物基乙醇和石化基乙醇在化学上是无法区分的，但是14C 测试可以准确地区分二者。

随着生物基原料的使用不断增多，随之而带来的一个挑战是客户不希望因此而降低质量要求。由于许多此类原材料并非能直接替代，大量的研究工作都在致力于补偿它们给涂料树脂带来的性能。因为生物基原料通常都是脂肪族化合物，导致缺乏生物基的芳烃化合物，这一挑战性尤为突出。在追求高生物基含量时，我们必须十分小心，千万不要将生物基含量作为可持续发展的唯一衡量指标，因此有些公司只把它称为部分生物基的替代。

总之，在向绿色低碳和可持续发展的道路上迈进时，涂料行业的确有很多机遇，目前已出现水性、高固体分、粉末、辐射固化和无溶剂涂料等体系，但在实际应用方面也面临很多挑战，需要注意和关注的问题也很多。过去一段时间内，曾出现一刀切的倾向，必须通过实践发现各自在不同应用领域中存在的技术瓶颈，有针对性地开发最适合的绿色环保涂料体系。同时随着经济的发展，对涂料又提出了许多新的课题，应该有针对性地研发一系列具有颠覆性的创新技术，为绿色环保型涂料的发展创新赋能。在开发绿色环保涂料的过程中，必须十分重视环保性与性能、成本、原材料可获得性等方面的平衡与协调。我们认为，只要坚定信心，全面理解新质生产力的内涵，一步一个脚印的踏实工作和努力，涂料行业一定能助力国家“双碳”目标的实现，在传统技术的基础上，创新赋能，开创出一个美好灿烂的未来！