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作者：Scott J. Hyland
宜瑞安（Ingredion）涂料應用項目負責人
水性涂料的可持續性發展
長期以來，在工業和消費品領域因為石油基材料（Petroleum-based materials (PBMs) ）的廣泛應用，獲得了快速的發展和豐厚的收益。但是，依舊是在過去的幾十年中，研究人員和公眾也越來越關注石油基材料對環境和健康的影響。時至今日，可持續發展已經成為企業彰顯社會責任的重要體現之一。
在涂料領域中，石油基材料也常用于水性配方體系中，水性體系較溶劑型體系可以有效地減少VOCs（揮發性有機化合物）對環境和人力的危害和影響。但是盡管如此，石油基材料本身來自化石燃料，其本身并不會在地球生態系統的限制范圍內降解、分解或溶解。
如今，材料領域中的可持續發展中很大一部分精力在于，采用可持續材料取代石油基材料。一方面，真正的生物聚合物通常具有較少的VOCs揮發，并在地球生態系統中降解。以北美地區為例，政府機構頒發多項法令保護包括化石燃料在內的自然資源，并推動制造業沿著可持續性標準來發展，為環境、工作場所和社會帶來利益。
產品全生命周期的生物降解性
長期以來，材料領域使用不可生物降解材料的產品的做法一直是個問題。 自上世紀七十年代，垃圾填埋場的日益短缺首次成為頭條新聞。不幸的是，如何設計一次性、不可生物降解產品至今仍然是一個問題。在未來幾個世紀里，不可生物降解材料將持續困擾垃圾填埋場和生態環境。
在涂料領域中，生物可降解涂層指由藻類、真菌或細菌等自然存在的微生物作用導致降解的涂層。這類涂層可以在特定時間內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態毒性和垃圾填埋場的垃圾量。
關于自然資源、回收利用和可持續性的新一輪思考，揭示了在產業品設計和制造中缺乏對材料報廢后處理的重視。在消費層面的推動下，企業正加大研發精力彰顯企業責任感，而政府也將環境管理作為了績效考核項之一。
線性經濟與線性循環
也有批評者指出，過去50年來固體廢物處理的“垃圾填埋方法”是“線性經濟”的結果。線性經濟是指以資源線性流動為特征的經濟模式，表現為傳統經濟中“資源-產品-廢棄物”的單向流動。在線性經濟中，世界各地的制造業與迫在眉睫的固體廢物問題脫節，固體廢物隨著社會規模的擴大而積累。且由于收集和分類再利用的成本很高，在制造業中使用回收的石油基材料也未能獲得推動力。總而言之，線性經濟建立在自然資源的消耗之上，最終會導致廢物的積累。
線性經濟模型
然而，“循環經濟”的概念挑戰了過去100多年的制造方式。這種方法從根本上考慮了產品及其組件的環境影響，從最初的概念階段到產品使用壽命的結束，換句話說，是一種從搖籃到墳墓的方法，也稱為生命周期管理方法。對廢棄物的流通進行評估，以進行進一步的價值提取、處理和材料廢物利用。工程模型采用了從搖籃到墳墓的思維方式，其中材料、產品設計和報廢考慮因素在過程中得到理解，而不是脫離過程。
循環經濟模型
如今，可持續發展既是一種日益增長的趨勢，也被視為一種企業責任的行為和消費者的首要考慮因素。北美的大部分行業，包括涂料行業在內，正在遵循消費者和政府機構的要求，保護包括化石燃料在內的自然資源，并推動制造業可持續性標準的進步。一場使用可持續材料取代這些石油基材料的變革正在發生。
減少VOCs的配方體系 - 水性涂料
健康、可持續性和環境（HSE）并不僅限于涂料行業，其還延伸至中使用水性涂料的相關行業中，如食品包裝和木器家具等。這些行業正在嘗試使用生物基材料取代石油基，使其產品更具備可持續性。
涂料配方的可持續性發展，通常以降低或杜絕體系中的VOCs為目標，這些VOCs通常來自苯、乙二醇、苯乙烯或二甲苯等。VOCs中很多化學物質已經被確定為神經毒素，會威脅人和動物的生命安全。許多國家已經建立了揮發性有機化合物的允許暴露限制（PEL），要求行業轉向更安全的低VOCs和零VOCs配方體系。
溶劑型配方通常含有40-50%的VOCs，一加侖溶劑型涂料中碳氫化合物的蒸發量相當于汽車大約六個月的排放量。而水性配方的VOCs含量僅為2-8%。
在過去的十年中，許多涂料配方已被水性化重新配制，以降低VOCs水平。盡管如此，消費者仍進一步要求水性涂料對環境零危害，對健康沒有不良影響。
無論過去幾十年的收益如何，水性涂料配方仍然可以走得更遠。材料科學技術繼續提供高性能材料，為水性涂料使用生物基化學品進行替代提供了機會。
水性涂料中的生物基材料
目前市場上的各種生物基涂料產品，可分為合成可生物降解或天然可生物降解兩大類。合成可生物降解涂料是使用自然資源開發的，例如細菌合成。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，如纖維素和淀粉。
纖維素是一種非常復雜的碳水化合物，被認為是最豐富的天然有機物質，由3,000個或更多的葡萄糖單位組成。纖維素是羥乙基纖維素或甲基纖維素等材料開發的核心，這些材料是改變流變性的常見水性涂料增稠助劑。由于其極高的分子量，纖維素被認為是不溶于其天然形式的，所以必須降低平均分子量才能在涂料行業中發揮作用。
淀粉作為一種碳水化合物，可以從含有線性直鏈淀粉分子或支鏈淀粉分子的各種來源中獲得，如玉米、木薯和土豆。其中直鏈淀粉或支鏈淀粉的比例會根據來源而變化。淀粉是最便宜的生物聚合物材料之一，作為一種可再生的、可生物降解的資源具有巨大的潛力。如今，全球日益提升的環保意識氛圍為這些天然聚合物作為制造多元醇和聚酯的原料的使用、配方潛力和生物合成的技術發展提供了巨大的機會。
從歷史上看，許多水性涂料配方有效地利用了廣泛的天然成膜材料類型，包括碳水化合物、酪蛋白或大豆蛋白。而過去幾十年對線性經濟的推動，卻使得合成樹脂配方取代了這些天然材料。但隨著工業和社會更多采用“循環經濟”的方法，水性涂料配方中生物基材料的研究再次得到重視重視。這種基于碳水化合物的生物基材料被廣泛用于聯合水性涂料行業，單獨或與樹脂一起使用，能夠提供有效的性能、結合強度和改善涂料的流變性。如今，可持續性已被納入配方的等級評估中，使用生物基成分對于產品制造至關重要。
總結
在過去的50年中，水性涂料行業經歷了重大變化，用低VOCs材料取代了石油基合成樹脂，這些配方中的許多都使用環保生物聚合物，這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，仍有許多可再生材料值得考慮和更多的研究，以進一步提高產品在使用壽命結束時的可持續性。這些材料是由淀粉制成的基于碳水化合物的聚合物。以下是按產品改性列出的淀粉類型。
高分散的預凝膠淀粉：預凝膠淀粉材料的獨特之處在于它們允許使用高分子量產品作為粉末，而標準液體淀粉由于含水量較高而不適合。由于預凝膠淀粉產品在蒸煮后經過噴霧干燥，因此它們具有高溶解度，這使得這些材料可以干燥地混合到配方顏料漿料或乳液、樹脂液體中，并有助于提高單位劑量的成膜強度。
即用型液體淀粉：配方中所需固體含量會限制傳統淀粉產品在水性涂料配方中的使用，而即用型液體淀粉剛好適用于這種情況。液體涂料淀粉的設計具有高固體含量，類似于普通乳液/樹脂材料。在等效材料固體下，這些材料的使用能夠允許配方師保持配方的固體含量。由于淀粉分子對涂料流變性的影響，配方粘度會隨著淀粉替代乳液而變化。
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。辛烯基琥珀酸酐賦予淀粉具備了表面活性劑的類似功能，當與乳液/樹脂分散在水性配方中時，疏水性淀粉酯將產生弱離子網絡，與締合型增稠劑相當。
淀粉醚：淀粉醚是一種特殊的淀粉，在水懸浮液中將環氧乙烷類衍生物接入到淀粉分子上而產生。這種類型的最廣泛使用的取代基是環氧乙烷，環氧丙烷也可用于生產淀粉醚。這些衍生化的淀粉具有出色的粘度穩定性和成膜強度。
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