防腐涂料行业过渡到可持续发展| 2017-03-09 | PCI杂志

材料是安全的,廉价且容易获得的难以发展。人类文明的指数增长和急剧消耗自然资源的主要力量是推动可持续发展。立法的变化和增加意识创新者和最终用户已经促使学术界和产业界采用更安全的化学品和友好的新发展的路线。油漆和涂料工业部门采取的措施鼓励和促进学术界在训练新一代的科学家和工程师对可持续发展和新技术的发展。2022世界杯八强水位分析最近的一项分析显示,全球石油的原料可能不会持续很长时间,这取决于未来的需求。化工行业是一个石油原料的主要用户为基本商品的生产。值得注意的是,油漆和涂料行业最重要的球员使用石油原料发展广泛的产品。因此对我们至关重要的行业开始自我维生的方向努力。一个错综复杂的过程导致一个可持续发展的途径是本文简要概述。这个简短的评论不能被视为综合信息开放和专利文献,而是最近的概述可持续发展化工油漆和涂料行业。 Also, no attempt has been made to promote any particular technology or product with respect to their competitor.

1990年的污染防治法案奠定了基础为美国环境保护署(EPA)在1991年采取“绿色化学”的概念。肯尼斯·g·汉考克博士约瑟夫·布林博士和保罗·t·Anastas博士是最早几个提倡绿色化学革命。1月创造的“绿色”这个词可能是美国在他的文章《环保涂料,出现在1993年。¹在1998年晚些时候,保罗Anastas和约翰·华纳出版了一本书,肯定了12个绿色或环保化学的原则。这个词可持续化学和绿色化学已成为同义词被交替使用。然而,绿色化学可以视为可持续化学的一个子集。意识和增加利润丰厚的政府激励机制在发达国家都有动机的一大群公司采取可持续的技术发展路线。在化学工业中,涂料行业一直采用可持续化学前沿的路线。几家全球公司和阿克苏诺贝尔公司一样,分,汉高,Axalta, RPM,威士伯,巴斯夫(BASF)和3 m倡议可持续转型的业务。政府和工业部门投资显著的环保产品的开发能满足严格的要求类似于目前可用的产品。根据最近的市场研究报告,2012年全球环保涂料市场据估计约为840亿美元,预计在2018年达到约1170亿美元。这种增长的CAGR 5.6是由于高需求的汽车、建筑和包装涂料,印刷行业。

环保(绿色)涂料主要分为辐射固化水性和高固体含量的材料。这些也列为基于应用程序,如高性能(防腐)、汽车(大衣),建筑(装饰),木材(表面光洁度)和包装(胶)。direct-to-metal紫外光固化防腐涂料的发展仍处于起步阶段,由于发展的众多挑战这样的配方。金属表面涂层的附着力,固化的涂料、涂层之间的热膨胀系数不匹配和衬底而固化,过度的涂料收缩,和服务寿命构建所面临的一些不必要的障碍。水性涂料和高固相含量配方更欣赏腐蚀障碍由于他们的低挥发性有机化合物(VOC)含量。Radiation-curable涂料逐渐进入汽车行业。的照片或辐射固化涂料/裂缝,裂缝边缘和角落开发人员仍然是一个具有挑战性的任务,因为在这些空间有限的访问。有趣的是,这样的工作单调乏味的,科学家们设计了创新dual-curing涂层技术。2022世界杯八强水位分析可见的表面可以有效地治愈与紫外线而隐藏在环境条件与时间空间自我治愈。

全球法规和政策决定

克林顿总统在1998年签署的第13101号行政令美国环保署的基础来创建一个负责任的环境决策框架(FRED)。弗雷德决策方法使应用程序生命周期评估的比较和分析竞争产品对人类健康和环境的影响。它还有助于在决策过程实现产品成本之间的适当平衡,其技术性能和环境问题。从工业的角度来看,这个顺序的结果促使公司发展环保技术和产品。2022世界杯八强水位分析移动几个步骤之前,欧盟(EU)设计了一个控制有毒化学物质、有害物质的机制。注册、评估、授权和限制化学物质(达到)规例》,这是2006年推出和执行2007年6月,带来了大量的化学物质的使用受到了密切关注。达到被认为是欧盟历史上最复杂的立法解决生产、使用和潜在影响的化学物质对人类健康和环境。达到要求欧洲化学化学物质登记机构,要么是在欧盟生产或进口,超过1吨的数量或更多。

资源保护和恢复法案》(《)1976年由美国环保署解决日益增长的体积浪费从市政和工业领域。《被称为法律、法规和环境政策和指导控制危险废物从“从摇篮到坟墓”。本法不仅调节生成、存储、运输、处理和处置危险废物,还建立了一个框架,无毒害固体废物的管理。通过引入有毒物质控制法案(污染)1976年,美国环保署的权威测试,记录,报告和限制使用化学物质。污染的修改是美国总统巴拉克•奥巴马(Barack Obama)在2016年6月21世纪的弗兰克•劳滕伯格化学品安全行为。这个改进法律促进EPA在评估现有的化学物质的基础上,基于风险的安全标准。此外,环保署已经同意在新化学可以引入市场。这将帮助用户识别和理解家庭消费产品中化学物质的性质。

材料安全数据表(MSDS)的职业安全与健康管理局(OSHA)已经被化学重要文件生成的制造商,并包含全面的信息所使用的物质或混合物在工作场所化学管理。这份是有几页文档运到用户警告他们关于危险相关产品,并提供他们一个指南的安全处理,存储和处理。本系统改为安全数据表(SDS)系统在2015年6月来满足美国的要求国家在全球范围内协调系统(gh)的分类和标签的化学物质。最近大量的工作是通过化学物质制造商改变MSDS SDS以遵守“大酒店”。值得注意的是,可能有重大影响的英国退出(即。Brexit) 2016年全民公决。英国脱离欧盟的决定将推动化学制造商创建一个新的数据库符合有害物质控制的卫生条例(COSHH) 2002年的英国。

专利检索报告

专利的搜索术语“环境友好”和“涂料”导致自1997年以来到900年专利文件申请或发表。完成专利搜索,以下国际专利分类(IPC)过滤器使用:类C09(主要集团——化学,冶金、染料、油漆、抛光剂、天然树脂、粘合剂、成分未列项目,应用材料未列项目);子类C09D(涂层成分如颜料、清漆和油漆,灌装贴、化工油漆或油墨消除剂,油墨,修正液,木材染色,粘贴或固体着色或打印的材料因此);和主要集团C09 D5/00(涂层成分如颜料、清漆或漆以其物理性质或影响生产,填补贴)。更具体地说,只涉及某些类型的环保涂料与腐蚀有关,以下IPC过滤器是利用:C09D5/02(乳胶涂料);C09D5/03(粉末涂料);C09D5/08(防腐油漆);C09D5/14(油漆涂料杀虫剂,如杀真菌剂,杀虫剂,农药);C090D5/16(防污漆;水下油漆); C09D5/18 (fireproof paints) and C09D5/24 (electrically conductive paints). Similarly, the following Cooperative Patent Classification (CPC) filters were applied for the search: Main group C09D5/1637 (nanotechnology for materials or surface science); C09D5/002 (priming paints); C09D5/02 (emulsion paints including aerosols); C09D5/004 (reflecting paints, signal paints); C09D5/033 (characterized by additives); C09D5/082 (characterized by the anticorrosive pigments); C09D5/086 (organic or nonmacromolecular compounds); C09D5/1618 (inorganic compounds); C09D5/1668 (vinyl type polymers) and C09D5/1675 (polyorganosiloxane-containing compositions). The document collection search from USPTO, USAPP, EP, JP, WIPO, DE and Other Global were confined for the countries AU, EP, GB, KR, CA, FR, JP, US.

图1显示了专利申请的数量分布在过去的20年中,即。,在1997 - 2016之间。有趣的是,900年的专利申请,只有24提起行政命令由克林顿总统签署之前,这一数字远低于整体平均45。然而,几乎增加两倍数量的专利在1999年- 2000年,观察和显著增加申请从2001年起。有严重的下降约58%的专利申请在2004年与2003年相比,可能由于原料成本上升的结果增加了天然气和原油价格。²有一个常规的增量在专利申请的数量在2013年达到顶峰。超过53%提高专利申请被记录在2013年全球平均水平相比。令人惊讶的是,2015年的专利申请数量大幅下降,可能由于建设和消费市场的缓慢复苏。

图1”专利数量作为时间的函数。

图2显示了前10名的地方发布专利环保涂料在过去的十年。美国的专利数量排名第一,紧随其后的是那些出现在专利合作条约(PCT)。一个近似相同数量的专利在中国和欧洲。由美国专利的数量两倍以上的世界上任何其他国家。这清楚地表明,对可持续发展的承诺和投资。想前20家公司的专利技术进化图在图3中,很明显,第一个五家公司,即。、3 m、Chemetall赢创,阿克苏诺贝尔公司和波音公司获得了几乎相同数量的专利在过去的10年。自2013年的专利申请数量异常高,这导致了一个密集拥挤的气球在2014年和2015年。此外,有趣的是记录,可持续技术的进化已经提到的五个公司一致。2022世界杯八强水位分析环保技术开发一种防污防水漆/涂层获得最大的吸引力,紧随其后的是防腐涂料/涂料和乳液涂料。技术开发杀生的涂料研发发展最快的区域之一,其次是粉末涂料产品。

图2”国家专利。

图3»专利数量发给个人排名前20的受托人。

图4»进化技术在地图前20名的公司。2022世界杯八强水位分析

当前状态的研究和发展

斯高帕斯搜索术语“绿色化学”导致了2006 - 2016年出版的36275篇文章。这意味着,平均每年超过3600篇文章被发表,或约15每工作日在过去10年的文章。相反,搜索词“环保涂料”导致了611篇文章,和术语“涂料”和“绿色化学”导致了576篇文章在过去的10年。图5显示了关于绿色化学的分布。

图5»分布的文章相关的环保涂料。

最初几个报告环保涂料的发展出现在90年代早期。³1993年,美国农业部发布了情况和展望报告描述了应用程序和投资在植物性材料。⁴同年,拜耳公司推出了低粘度,环保型聚氨酯系统基于芳香族异氰酸酯(Desmdour六世)和多元醇(Desmophen 1150)。⁵因此,环保涂料相关的几篇文章出现在1990年代中期。Derksen et al。⁶发表了一篇评论文章更新资源的涂层技术,描述了可能的各种植物油基粘结剂的使用。2022世界杯八强水位分析他的评论突显出,耐用性和疏水性的涂层可以被不同程度的交联改性蛋白质绑定。

商业electrocoat技术发展在1960年代早期开2022世界杯八强水位分析始使用环保和经济高效的解决方案。大部分的汽车工业和原始设备制造商(OEMs)开始采用electrocoat技术由于其巨大的好处,包括总均匀覆盖复杂的零件,材料传输效率高、低挥发性有机化合物的仪器和水排放,安全、清洁操作条件等。⁷富锌环氧树脂涂料也引起了人们的关注与electrocoat对于那些很难的金属涂层技术。作为一个例子,一个成功的组合牺牲富锌底漆,环氧树脂底漆和聚氨酯面漆应用在关西国际机场桥,东京湾穿越大桥和世界上最大的斜拉桥,明石海峡大桥,在日本。⁸除了metal-filled涂料、导电聚苯胺涂料也调查作为一种环境友好型防腐涂料。然而,导电聚合物涂层的有效性在变量小灵通总是仍是个问题。⁹密集的高速氧燃料(HVOF喷涂)喷脸涂层出现在1997年,在工业部门。HVOF喷涂涂料被认为是一个很好的替代铬酸镀,包含合理的抗裂度的服务寿命。¹⁰

大多数的新涂层系统正在测试代替铬酸盐转化涂层(CCC)包含高挥发性有机化合物的仪器,被认为是负责全球变暖,以及烟雾的形成,导致器官心理综合症。欧洲共同体开始研究控制或限制排放的挥发性有机化合物的仪器通过COM(96) 538/4理事会指令。欧洲共同体的行动后,涂料行业开始过渡到高固体涂料化合物,粉末涂料和水性丙烯酸树脂或树脂乳剂。高固体含量的特殊突然变成了一个行业最喜欢由于相关好处,如厚层应用程序与增强的遮盖力,导致劳动力成本更低的标准设备和知识继承。减轻影响和真空作为一个著名的CCC退休,几无铬预处理(或nonchrome)研究了在不同的金属合金。然而,没有一个可以通过CCC,直到达到黄金标准建立了万神殿PreKote引入的化学物质^®nonchrome表面预处理,获得了在90年底的重大关注。PreKote出现作为众多nonchrome底漆涂层系统的颠覆性技术在航空工业和仍被视为基准解决减轻腐蚀在金属合金。¹¹

低摩擦,类金刚石碳(DLC)膜通过物理气相沉积技术也在汽车零部件测试,并获得了巨大的商业成功。碳化钨的掺杂DLC给行业一个选项来外套金属零件的耐用涂层具有高弹性和较低的摩擦系数,以及相当高的硬度和耐化学性。¹²全球DLC膜市场预计在2015年达到17亿美元。虽然磷酸盐转化膜被证明是非常有效的防止钢基体腐蚀并不是这里讨论由于毒性与化学物质的使用和过程。相反,基于稀土金属的安全转换涂料包括铈和镧系化合物腐蚀引起明显的注意,一个有效的障碍。¹³稀土金属的稀缺性和有限的防腐蚀涂料的广泛适应性检查。

预防通过钝化金属合金使用sol-gel-derived材料也得到了显著的关注。一个了不起的工作通过Rustom罗伊,Jeffrey Brinker和乔治·谢勒导致众多的溶胶-凝胶技术的基础。2022世界杯八强水位分析¹⁴他们的工作后,硅树脂的广泛使用,实现钛、锆、铈和铝化合物涂层成分。¹⁵锡化合物如dibutyltindilaurate和三丁基锡不仅作为催化剂被广泛用于室温固化的涂料也是杀虫剂在防污漆和涂料。生物淤积在海洋表面的血管被认为是一个关键问题和挑战涂层科学家(图6)。行业一直积极寻找附着力的涂层成分,可以防止入侵贻贝和藤壶海洋船舶的船体。^16、17另一个热扩散涂层工艺用热化学表面改性(TCSM)工业获得了声誉,过程环境友好,不涉及任何有害物质。金属表面可以改善通过修改TCSM金属间化合物的特点是容易受到腐蚀攻击。¹⁸

图6»严重的生物淤积活动对海洋船舶。这张照片第一次出现在2011年7月4日,在《经济学人》。

化学agent-resistant涂层(CARC)在涂层系统已经流行的美国军用车辆,因为它们提供长期保护从化学和生物制剂(根据mil -迪泰- 53072 - e)。原始CARC系统由铬酸high-VOC洗引物(按国防部- p - 15328和mil - c - 8514 - c), high-VOC,无环氧底漆(根据mil - p - 53022)和high-VOC双组分聚氨酯面漆。发现使用环己烷二异氰酸酯(HDI)用于聚氨酯树脂的固化是对人体健康有害。人类发展指数构成重大的健康威胁由于吸入在喷砂,磨或任何其他条件可以产生CARC烟雾,灰尘或蒸汽。¹⁹陆军研究实验室动力供应商减少挥发性有机化合物含量(根据mil -迪泰- 53039 II型规范)和消除有害空气污染物(也许不久)CARC配方(根据mil - c - 53039)。原始CARC系统(mil - c - 46168)在2005年底淘汰水分散后,HAPS-free和低voc面漆。新mil -迪泰- 53030包含一个低voc和HAPs-free water-reducible环氧底漆已经使用mil -迪泰- 64159 II型CARC实现最佳防腐面漆。¹⁹

钢加蓝底物,特别是枪加蓝,一直被视为一个重要的电化学转化膜技术对钢铁、铸铁和不锈钢零件。2022世界杯八强水位分析这个过程将铁转化为铁₃O₄,但不是有效的铝和其他金属的合金。聚四氟乙烯(PTFE)再版无机涂料使用化学或电解方法也是采用金属基板的涂层。制服,结节状聚四氟乙烯分散提供了良好的腐蚀和污染保护金属表面。^20、21其他几个变化PTFE-doped镍涂料开发以后,仍然是商业使用。镍和聚四氟乙烯后来被发现对人类和环境的健康有害,和涂料制成的这些都不是真正的绿色。

Direct-to-metal (DTM)涂料已被视为两层底漆,面漆的替代系统。DTM涂层技术向oem厂商,市场上出现了各种各样的配方在短时间内。脂肪族polyurea-based研究聚丙烯酸涂料和UV /固化涂料获得了良好势头在过去的几年里。DTM使用UV /固化涂料是一个广泛的研究和发展的领域。广泛的可用性的光和有效的养护技术是推动这些涂料在工业部门的简单的适应性。²²其他聚合物涂料、绿色混合聚氨酯涂料最近发达不使用有毒的异氰酸酯。

结论

虽然做了巨大努力,找到可持续的解决方案使商业成功的产品,追求环保涂料仍处于起步阶段。新的健康和安全条例对化学品和涂料制造必将促进产业可持续发展的方向。尽管全球经济的缓慢复苏严重影响正在进行的努力研究和可持续发展,创新和发明的步伐并没有受到影响。增加意识的消费者和极高的要求安全产品对研究人员提出了一个挑战来满足这些期望。大量的资金和资源分配的公司和政府实现消费产品的可持续性发展。

确认

我要感谢彼得Zarras博士的海军空中作战中心武器分部,高分子科学与工程部门,加州,美国,建议修改。专利进行了分析使用的评估版本AcclaimIP和斯高帕斯搜索引擎。我也感激地承认Anaqua inc .)和RELX集团提供这些工具的评估版本。

引用

1《,j.s防腐方法和材料、40卷,15 - 16岁,1993年。

2 Tullo A.H.工业涂料市场开始复苏,企业在考虑新的市场和技术,化学与工程新闻,美国化学学会,25-31,2004页。2022世界杯八强水位分析

3劳伦斯,镭射气;保罗,伙夫环保配方的选择VOC-Compliant有机硅涂料、水性和Higher-Solids学报》涂料研讨会、南密西西比大学,南密西西比大学,1990。

4 Curran,硕士环境进步,22卷,277 - 292年,2003年。

5不久,母亲的防腐方法。,40卷,1993年。

6 Derksen J.T.P.;Cuperus F.P.;Kolster, p。促使作物。3卷,225 - 236年,1995年。

7 Oravitz, J.J.督促完成(辛辛那提),60卷,48-51,1996年。

8 Kawanishi h . Zairyo Kankyo, 47卷,691 - 695年,1998年。

9拉西科特表示,他非常效力;杨,南卡罗来纳州;布朗夫人r .在线程序库档案,488卷,733(738页),1997。