绿色化学与环境友好涂料

2008-01-18

    绿色化学是用化学的技术和方法去减少或消灭那些对人类健康、社区安全、生态环境有害的原料、催化剂、溶剂和试剂、产物、副产物等的使用和产生。绿色化学与技术是从根本上治理环境污染的必由之路,为促进我国化学工业可持续发展,必须大力发展绿色化学与化工技术。绿色化学的理想在于不再使用有毒、有害的物质,不再产生废物,不再处理废物,它是一门从源头上阻止污染的化学。由于绿色化学在不断探索和寻求变废为宝的途径与可能性,所以绿色化学的产生和出现将使化学化工工艺过程大大缩短,过程的经济效益大幅度提高。随着世界各国对环境保护的日益重视以及化学工业可持续发展的需要,对绿色(环保型)产品的需求越来越高,因此,在绿色化学思想的指导下制定绿色涂料的标准及相关环境产品认证体系,对涂料工业健康可持续发展非常重要。

    1 绿色化学的基本思想

    绿色化学是利用化学来防止污染的一门科学,其研究目的是通过利用一系列原理与方法来降低或除去化学产品设计、制造和应用中有害物质的使用与产生,使所设计的化学产品或过程更加环境友好。绿色化学包括所有可以降低对人类健康与环境产生负面影响的化学方法、技术与过程。绿色化学的研究目标是利用可持续的方法来降低维持人类生活水平及科技进步所需化学产品与过程所使用与产生的有害物质。

    P T AnastasJ C Waner最先提出绿色化学的12条原则:①防止废物的生成比其生成后再处理更好。②设计合成方法时应最大限度地将所有原料均转化至最终产品。③设计合成方法时,只要可能,不论原料、中间产物和最终产品,均应对人体健康和环境无毒、无害(包括极小毒性和无毒)。④设计化学产品时,必须使其具有高效的功能,而降低其毒性。⑤尽可能避免使用溶剂、分离试剂等辅助剂,如不可避免,也要选用无毒无害的辅助剂。⑥合成方法必须考虑过程中能耗对成本与环境的影响,应设法降低能耗,最好采用在常温常压下的合成方法。⑦在技术可行和经济合理的前提下,最大限度地采用可再生资源代替消耗性资源。⑧在可能的条件下,尽量不用不必要的衍生物:如限制性基团、保护/去保护作用、临时调变物理/化学工艺。⑨合成方法中采用高选择性的催化剂比使用化学计量助剂更优越。⑩化学产品应设计成在其使用功能终结后,它不会永存于环境中,要能分解成可降解的无害产物。(11)进一步发展分析方法,对危险物质在生成前实行在线监测和控制。(12)要选择化学生产过程的物质使意外事故(包括渗透、爆炸、火灾等)的危险性降低到最小程度。

    12条原则目前为国际化学界所公认,它也反映了近年来在绿色化学领域中所开展的多方面的研究工作内容,同时也指明了未来发展绿色化学的方向。

    绿色化学要求在化学反应过程中尽可能采用无毒无害的原料、催化剂和溶剂,其核心内容之一是采用“原子经济”反应,“原子经济”的重要性目前己被普遍承认。美国Stanford大学的Trost M M教授最早提出反应的“原子经济性”概念,针对一般仅用经济性来衡量工艺是否可行的传统作法,指出应用一种新的标准来评估化学工艺过程,即选择性和原子经济性两个概念,后者是考虑在化学反应中究竟有多少原料的原子进入到了产品之中。这一标准既要求尽可能节约那些一般是不可再生的原料资源,又要求最大限度地减少废物排放。绿色化学的另一个重要方面是设计、生产和使用环境友好产品,这种产品在其加工、应用及功能消失之后均不会对人类健康和生态环境产生危害。

    2 涂料对环境的影响

    2.1 涂料中挥发性有机化合物对环境的影响

    传统的溶剂型涂料由于大量有机溶剂和有一定毒性的各种助剂、防腐剂及含重金属的颜料填料,在生产与使用中产生“三废”,造成对环境的污染,并严重影响人类健康,特别是涂料生产和施工以及成膜过程中产生大量的挥发性有机化合物(VOCs)(主要包括直链烃、卤代烃、芳香烃以及醛酮醇类化合物等)直接排放到大气中,造成严重的空气污染。

    2.1.1 挥发性有机化合物(VOCs)的一次污染

    排放到大气中的有机挥发物首先造成一次污染,直接威胁人类的健康。其中主要是通过呼吸途径随空气进入人体,还可通过与人体接触,或皮肤吸收导致中毒。中毒症状有闪电型中毒、急性中毒、亚急性、慢性中毒及迟发性中毒等。据报道,仅中国每年发生的有毒建筑涂料引起的急性中毒约400余起,中毒人数15000余人,死亡人数约350人,慢性中毒约100000人次。

    2.1.2 挥发性有机化合物(VOCs)的二次污染

    目前的调查研究表明,涂料施工后所释放出的有机溶剂已经成为继交通污染之后的第二大污染源。这些VOCs在阳光作用下会发生光化学反应,产生许多活性物质,有的可与大气中的氧化氮和氧化硫发生进一步的反应,生成酸性物质。这些反应使有机污染物转化成毒性更大的二次污染物,将直接导致酸雨的形成以及光化学烟雾的产生,对人类生态环境构成了严重的威胁。此外,VOCs还可能产生温室效应,使地球变暖,对人类的生活带来不利的影响。

    2.1.3 火灾和爆炸

    空气中的有机化合物的一般为易燃易爆化学品,可引起火灾和爆炸,这种现象一旦发生,将给人民生命财产和社会安全等方面造成不可挽回的影响。

    2.2 涂料中重金属颜料的影响

    颜料中的铅系颜料、铬系颜料、镉系颜料含铅、铬、镉,在生产中造成对水质的污染,对动植物和人类造成极大危害。铬系颜料长期以来是涂料工业广泛应用的着色颜料。铬被视为是致癌的金属之一,六价铬的毒性是三价铬毒性的100倍左右。由于铬的毒性使国外铬系颜料使用量大幅度下降,我国用量却呈上升趋势。用于涂料中含铜的颜料也很多,例如红丹、锌铬黄、锶铬黄、高铜酸等。铜能抑制血红素合成和溶血,由此造成贫血;对大脑、小脑、脊髓和周围神经也造成侵害。铅可能导致血管痉挛等病变,如腹绞痛、铅中毒性脑病、神经麻痹;尤其值得注意的是,它可通过胎盘、乳汁影响后代,婴幼儿由于血脑屏障发育未完善,对铅的毒性更敏感。铅系颜料在国外涂料中用量日益下降,而目前国内还大量使用。镉系颜料虽然耐久性好,涂料工业中仍有少量应用,但其化合物毒性很大。

    3 环境友好涂料及环境标志产品认证

    3.1 环境友好涂料

    在强调资源节约环境友好的化学产品生产过程中,对涂料产品及生产过程提出了绿色化的要求,“绿色涂料”的概念便应运而生。“绿色涂料”有人称为“环境友好涂料”,是低公害(或无公害)和低毒(或无毒)涂料的总称,其内容和实质是发展对环境污染少、对人体无害的涂料。

    在进行绿色涂料等高分子材料的配方设计与生产过程中,一定要注意借鉴绿色化学的基本思想。冯新德院士指出绿色反应是21世纪高分子化学的重要方面,即所有高分子与相应单体的合成方法都必须环保。有人则提出高分子材料合成与应用的绿色战略:①高分子材料本身无毒化,即目标产物绿色化;②高分子原料合成无毒化;③高分子合成与催化剂无毒化;④可能危害环境合成高分子的安全应用。清华大学洪啸吟教授认为绿色涂料应包括以下三个层次:①涂料的总有机挥发量,有机挥发物对环境构成直接的危害;②溶剂的毒性,指生产和施工过程中会对人员造成直接危害;③对用户的安全问题,溶剂的挥发是一个长期缓慢的过程,溶剂如果有毒也会对人体造成伤害。

    3.2 世界发达国家的环境标志认证

    环境标志产品(即绿色产品)是指:采用绿色技术对在生产、使用或处置过程中有污染,但采取一定措施后可减少或消除污染,达到环境标志产品标准的产品。从20世纪90年代开始,发达国家对进口产品的环保要求不断提高,开始形成以“环保”为名义的“绿色壁垒”。目前,欧盟ROHS指令的颁布对电子电器产品中毒害性物质发出了禁令,相应地涂料产品作为涂层用于电子电器中也受到此限制。

    3.2.1 德国的蓝天使认证

    德国的环境标志计划于1978年实施,是最早实行标志认证的国家。该认证自愿申请,符合规定的产品可获得蓝天使标志。该计划集中在对环境危害较大的产品上,考虑污染物散发量、废料产生、再次循环利用、噪音和有害物质等因素,现已建立了75个品种,制定的准则每三年修改一次。“蓝天使”已成为消费者熟知的一种标志,在德国有专门出售绿色建材的商店。

    3.2.2 加拿大的环境选择计划、R-2000住房计划

    加拿大环境计划是一个非官方的环境计划。加拿大环境部对计划拥有主要的所有权,而“全球性环境选择服务有限公司”负责承担日常业务的工作。环境选择计划(ECP)要做的工作是通过刺激有益于环境的产品和服务的需求与供应以减少对环境造成的压力。加拿大非常重视绿色建材的开发和使用,在绿色建材方面实行ECOLOGO标志(环境保护计划标志),在R-2000住房计划中规定材料的散发量准则,对含甲醛的刨花板实行认证标志等。

    3.2.3 欧盟环境标志计划

    欧共体认为欧共体环境标志是环境政策的重要组成部分,同时有助于欧共体统一市场的建立。19901128,欧共体采纳了在欧共体范围内建立环标计划的系统原则,对产品环境影响的评定应根据生命周期评估的方法进行,目的是为在欧盟成员国中流通的那些对环境影响较小的产品颁发统一的环境标志。

    3.2.4 美国环境标志

    美国环境标志均由地方组织实施。华盛顿州要求为办公人员提供高效率、安全和舒适的环境,颁布建筑材料的散发量要求,作为机关购买材料的依据;要求室内饰面材料和家具在正常使用条件下污染物不超过以下浓度:总挥发性有机物(TVOC)0.5mg/M3;可吸入颗粒0.05mg/m3;甲醛0.06mg/m34-PC 0.0065mg/m3(仅对地毯)。洛杉矶市早在1967年就已开始限制有机溶剂的排放量,规定建筑平光涂料的VOC含量,2001年降至100g/L2008年降至50g/L

    3.2.5 日本生态环境计划

    环境计划的目的是为了传播产品对环境各方面的信息并鼓励消费者选择那些环境安全的产品。此目的将通过对产品授予环标的形式实现,这样的产品可减少由于日常生活而引发的环境负荷。

    3.3 中国环境标志产品认证程序

    中国于1994年成立中国环境标志产品认证委员会,负责管理中国环境标志产品认证工作。中国环境标志产品认证委员会(缩写CCEL)代表国家对绿色产品进行权威认证,是我国实施绿色技术措施的重要手段。截至目前,中国仅有700多家企业通过此认证,其中涂料企业有20多家。消费者在选择绿色环保型涂料时,要确定此涂料生产企业是否真正通过中国环境标志产品认证。近年来,国家环保总局颁布了有关水性涂料的绿色标准,其VOC指标与国际标准的VOC计量准则相同,即VOC定义指的是1L涂料中扣除水分干重中VOC的含量。2002年的环境标志标准规定内墙涂料不大于100g/L

    CCEL立足于整体推ISO14000国际环境管理标准,把生命周期评价的理论和方法、环境管理的现代意识和清洁生产技术融入产品环境标志,形成保障体系。一个完整的环境标志产品认证分为预审初审、现场检查、产品检测等3个阶段。涂料产品也不例外。

    4 结论

    绿色化学是一门从源头上阻止污染的化学,其理想在于不再使用有毒、有害的物质,不再产生废物,不再处理废物。在绿色化学思想的指导下制定环境产品认证体系及环境友好涂料标准,引导世界涂料工业走可持续发展的道路,涂料工业将朝着节省能源、节省资源、水性化和环境友好以及多功能化的方向发展。

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