当谈到绿色化学时，总是很难定义到底什么是绿色。1998年，保罗·t·阿纳斯塔斯博士发表了他的《绿色化学12原则》(1)，2003年又发表了《绿色工程12原则》(2)，这些原则在今天被普遍接受。科尼斯将这些国际公认的原则作为概念、产品和工艺开发的指南针，并以这些原则为基础，根据相关市场需求定义了七个效益维度，以提供真正的绿色化工解决方案。
绿色高效表面活性剂
在过去几年的努力中，我们已经证明了开发可再生能源产品是有可能的，这些产品比化石能源产品提供更高的性能水平，并代表了行业真正的绿色替代品。科宁所用的原材料有50%是可再生的，即天然油脂和植物提取物。新型可再生非离子材料是高效的表面活性剂，对乳液聚合过程和最终用户的应用都有好处。它们很容易降解，不含任何有毒化合物。它们是FDA批准的，并增加了与它们接触的工人的安全和健康保护。
乳液聚合中的非离子表面活性剂
乳液聚合是不溶于水的单体在水相中乳化的一种自由基链式生长反应。最终产品是一种高分子量聚合物或共聚物，由数十亿个分散在水中的亚微米胶束组成，并由表面活性剂稳定，即所谓的“乳胶”。乳胶主要用作涂料中的成膜物质或粘结剂，以及增稠剂或流变性改良剂。
通常在聚合过程中使用的表面活性剂也通过胶束之间的静电排斥作用为乳胶提供最终的胶体稳定性。然而，为了提高胶乳的长期稳定性，在工艺的最后加入了非离子表面活性剂。非离子表面活性剂由疏水部分和长链亲水部分组成，它们连接在同一个分子中。当非离子表面活性剂的疏水末端与胶束结合时，长亲水链指向远离胶束的方向，并对其他胶束提供空间稳定性。
当涉及到乳胶的应用时，表面活性剂起着重要的作用。由于乳胶的应用通常意味着它的不稳定和随后形成的聚合膜或相，表面活性剂必须能够允许这种凝固而不影响聚合物颗粒的性质。如果表面活性剂的设计能够协同提高所选聚合物的性能，那就更好了。
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没有凝胶
在乳液聚合过程中，非离子表面活性剂通常要用水稀释。制造商通常提供具有高活性物质含量的非离子表面活性剂，以降低运输成本。一些乳胶制造商倾向于在向乳胶中添加表面活性剂之前，先向表面活性剂溶液中加水，以减少活性物质的含量。另一些人则将表面活性剂应用到他们的工艺中，并利用乳胶中水提供的稀释效果。在任何情况下，当应用时，表面活性剂在其水环境中的浓度通常会发生显著变化。
工厂操作人员很清楚，表面活性剂的稀释往往伴随着液晶凝胶相的形成，这些凝胶相要么以大量大小不一的固体颗粒的形式出现，要么以甚至可以阻止容器搅拌的大块形式出现。在任何一种情况下，凝胶相破坏乳胶的均匀性，通常不重新溶解，除非非常缓慢。新型Cognis非离子表面活性剂专门设计用于在20°C或以上的整个浓度范围内，避免在水表面活性剂环境中存在液晶凝胶相。
图1提供了30摩尔EO的非离子表面活性剂的固态和液态之间的相限。将新型非离子表面活性剂与标准非离子表面活性剂和含30 EO的异三烯醇进行了比较。每种表面活性剂的活性物质用水稀释，从而按10%的步骤调整到不同的浓度。在冻融实验中确定每种样品的凝胶温度。
如图1所示，Cognis将在活性物质浓度为70%的情况下提供的含30 EO的新型非离子表面活性剂，可以很容易地在10℃以上的温度下用水稀释而不会出现凝胶相。相比之下，在相同温度下，将活性物质从70%稀释到55%时，标准的30 EO非离子型会凝固。甚至在高达30°C的温度下形成60%至40%活性物质之间的液晶颗粒的异三烷基醇30 EO。对于后一种产品，在生产过程中加入少量的水就会造成严重的问题。
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图2提供了将在市场上出售的具有不同程度乙氧基化的新型非离子表面活性剂的相边界。由于新型非离子表面活性剂具有良好的相行为，工厂操作人员可以通过更快速地将非离子表面活性剂添加到其工艺中而无需承担凝胶形成的风险，从而受益于工艺优势。它们在添加表面活性剂的温度方面也更加灵活。
低发泡
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泡沫形成是工业生产中普遍关注的问题。在乳液聚合过程中，泡沫可以通过搅拌在整个过程中发生，特别是在聚合反应结束时，当未反应的单体在减压下从反应器中蒸馏出来时。泡沫的存在可以显著地减缓一个过程，特别是当它的崩溃进行非常缓慢的时候。科宁公司的新型非离子表面活性剂在表面活性剂溶液和成品乳胶中都能快速发泡。
图3显示了新型非离子类化合物对乙氧基化异三烯醇的泡沫柱随时间的坍缩情况。泡沫柱是通过在SITA泡沫测试仪中以1100转/分的速度在去离子水中搅拌1%的表面活性剂溶液1分钟产生的。用电极检测泡沫柱的实际高度。
根据图3，那些含有至少20摩尔EO的新型非离子材料比乙氧基异三烯醇生成的泡沫更少。此外，泡沫柱的衰减速度也快得多。特别是，开发出的低泡沫性能的新型非离子泡沫在不到5分钟的时间内完全崩溃。
低倾点
原材料的低倾点对于位于冬季寒冷地区的生产厂来说非常重要。对于这些工厂，最好在运输和储存过程中使用倾倒点低于环境温度的原料，因为只有这样的材料才能保持液体和均匀，因此无需额外加热或搅拌即可用于加工。新型非离子表面活性剂通常具有较低的倾点，一种专门设计的产品的倾点为-22°C。
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花边的稳定
新型非离子表面活性剂除了具有易处理的优点外，还具有良好的胶束和乳胶稳定性。图4显示了分别以乙氧基化C12/14脂肪醇硫酸盐(30 EO)为阴离子表面活性剂和新的非离子表面活性剂或标准表面活性剂后稳定的苯乙烯丙烯酸酯乳液的电解质稳定性。评价了乳液对电解质水溶液添加的稳定性。
同样的乳胶也被测试了其冻融稳定性。每个样品冷却5次至-5°C，再加热至室温。在每个循环之后，对样品的均质性进行分析。在第5个循环后，开始下一系列循环，最低温度分别为-10°C和-15°C。使用新型非离子表面活性剂制备的乳液能够在-15℃下耐受5次循环而不失去其均匀性。这些试验以及进一步的测试，强调了新型非离子表面活性剂在乳液聚合过程中作为后稳定剂的适用性和优异性能。
外墙涂料发泡性能低
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指出了新型非离子表面活性剂在处理方便方面的优点以及作为乳胶稳定剂的优异性能。它们的低发泡特性不仅限于乳液聚合过程本身，而且还反映在最终用户应用中，例如用于户外应用的涂料中。
制作标准预混料，并用TiO2着色。在此基础上，通过添加四种不同的非离子表面活性剂苯乙烯-丙烯酸酯聚合物乳液制备了四种外墙涂料。乳剂(A)为商用苯乙烯-丙烯酸酯乳剂，(B)采用30个EO单位的新型非离子表面活性剂制备，(C)采用专为低发泡性能设计的新型非离子表面活性剂，(D)采用标准的非离子表面活性剂。用40毫米齿轮以3000转/分的速度搅拌3分钟，将空气带入成品油漆中。
每种涂料的发泡性能在搅拌后直接通过密度测量确定，以及在30和90分钟和20小时后确定。密度越高，达到高密度越快，消泡性能越好。图5显示了含有专为低发泡性能而设计的新型非离子表面活性剂的涂料具有明显更高的消泡性能。
结论
科宁公司开发的新型非离子表面活性剂不形成凝胶相，具有低发泡性和低倾点，具有令人信服的易于处理的性能。这些优点都伴随着出色的稳定性能。它们的优势属性帮助制造商优化和加快其流程，甚至改善最终应用。它们的特点是高含量的可再生绿色材料，从而支持走向“绿色”的趋势。
本文发表于美国涂料会议，夏洛特，北卡罗来纳州，2010年。
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