综述：环保涂料的进展与未来发展方向：从化学原理到工业应用

《Progress in Organic Coatings》：Advances and future directions in eco-friendly coatings: From chemistry to industrial applications

本文系统综述了水基、粉末、高固体、辐射固化及生物基混合涂层技术，分析其化学成分、固化机制及性能，强调环保与传统涂层的性能平衡，指出原材料标准化、工艺兼容性及成本竞争等挑战，并提出AI与循环设计等未来方向。

　　

Pooneh Kardar|Reza Amini

伊朗德黑兰，表面涂层与腐蚀系，色彩科学与技术研究所，邮编654-167665

摘要

本文系统地研究并分类了最常见的可持续涂层技术，包括水性涂层、粉末涂层、高固含量涂层、辐射固化涂层以及基于生物的混合系统。每种技术都从其化学组成、固化机制和性能特征方面进行了分析，特别强调了环境优势与商业成功所需的耐久性和效率之间的关键平衡。尽管取得了显著进展，但在原材料多样性、基础设施兼容性、经济障碍以及与传统溶剂型涂层相比的性能相当性方面仍存在挑战。在海洋、汽车、生物医学和食品包装领域的应用表明，当这些可持续涂层经过专门配方和优化后，能够达到甚至超过传统涂层的性能标准。最后，本文指出了当前面临的挑战，如原材料标准化、加工性能和成本竞争力，并提出了未来研究方向，以推动多功能、可扩展且经济可行的表面保护技术的发展。

引言

全球减轻环境污染的迫切需求使涂料行业处于可持续技术发展的前沿。这一范式转变是由监管、经济、社会和技术因素的复杂相互作用推动的。主要原因是，传统溶剂型系统中挥发性有机化合物（VOCs）带来的严重环境和公共卫生风险促使了严格的立法要求。VOCs在溶剂蒸发过程中以气体形式排放，不仅导致大气污染和臭氧层形成，还在工业环境中带来火灾和爆炸隐患[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。

除了监管压力外，经济和运营因素也日益重要。制造商试图降低与溶剂回收和危险废物处理相关的合规成本。同时，他们通过高效粉末涂层和快速UV/EB固化等技术提高工艺效率。此外，社会期望（包括企业的碳减排目标（ESG目标）以及消费者对低气味、无毒产品的偏好）也在重塑购买标准。这些因素迫使行业在保持强大性能的同时减少碳足迹[6]。从技术上讲，该领域已经从简单的溶剂减少发展到先进的分子工程。这一演变使得环保系统能够接近甚至超越传统溶剂型涂层的性能。因此，预计未来五年内低VOC涂层市场的规模将增长约130%，标志着传统溶剂型涂层的主导地位将逐渐减弱[7]。

为应对这些挑战，涂料行业开发了几种环保替代品，这些替代品在显著降低环境影响的同时不牺牲功能性。这一动态的研究领域涵盖了水性涂层[8]、[9]、[10]、[11]、[12]、粉末涂层[13]、[14]、[15]、高固含量涂层[16]、[17]、[18]、[19]、紫外线/电子束（UV/EB）涂层[20]、[21]、[22]、[23]、[24]，以及来自可再生生物资源的混合涂层[25]、[26]、[27]。每种技术通过不同的机制提升可持续性，这些机制包括消除VOC排放、利用可再生原料以及减少固化能耗。同时，这些创新努力保持关键的性能属性，如耐久性、附着力和耐腐蚀性，与绿色化学和清洁生产的原则高度一致[7]。

尽管技术上取得了显著进步，但由于特定的科学和实际限制，绿色涂层在工业中的广泛应用仍受到阻碍。主要挑战包括实现与传统溶剂型系统相当的性能、确保在多变环境条件下的长期稳定性以及保持成本竞争力。此外，将这些先进材料整合到现有基础设施中通常需要对应用设备和固化工艺进行资本密集型的改造。如图1所示，相关出版物的激增反映了学术界和工业界为解决这些挑战所投入的巨大努力[8]。

虽然以往的研究往往集中在个别技术（例如仅限水性或生物基系统）或一般的可持续性概念上，但本文的综合性回顾通过提供五种关键环保平台（水性、粉末、高固含量、辐射固化及基于生物的涂层）的比较性和基于机制的分析而脱颖而出。该讨论独特地综合了当前关于其化学原理和固化机制的知识，并对工业可扩展性、全球市场趋势和监管因素（包括VOC法规）进行了关键评估。通过识别实验室创新与商业应用之间的技术瓶颈，本文为研究人员和工程师制定了一个明确的路线图，以开发出能够有效取代传统溶剂型涂层的下一代涂层解决方案，同时不牺牲性能。

部分摘录

环保涂层系统的类型

向环境可持续涂层的转变推动了低VOC和无溶剂技术的快速发展，这些技术旨在满足监管和性能要求。与传统依赖挥发性有机化合物来控制粘度和形成涂层的溶剂型配方不同，环保涂层系统采用替代策略，如水性分散、粉末沉积、高固含量配方和辐射诱导固化。

环保涂层系统的工业应用

基于第2章中建立的基本结构-性能关系，环保涂层的成功工业应用依赖于将特定的分子设计转化为宏观功能。虽然前面的章节详细介绍了化学结构如何控制交联密度和涂层形成等性能，但本章探讨了如何设计这些性能以满足操作环境的严格要求。

挑战与未来展望

尽管在先进防腐涂层的发展方面取得了显著进展，未来的研究必须超越渐进式的配方优化，采用数据驱动、多尺度和循环设计策略，以满足实际应用中日益增长的性能和可持续性要求。

一个有前景的方向是将人工智能（AI）和机器学习工具整合到涂层设计和配方筛选中[268]。这不仅仅依赖于...

结论

由于监管压力的增加、对可持续性的重视以及对高性能且环境影响较低的材料的需求，向环保涂层技术的转变在海洋、汽车、生物医学和食品包装领域加速推进。本文强调了可再生聚合物、水性和无溶剂配方、有机-无机混合架构以及功能性纳米材料的进步如何共同扩展了设计空间。

CRediT作者贡献声明

Pooneh Kardar：撰写——审稿与编辑。Reza Amini：撰写——审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。