涂料防腐剂的过去现在和未来的选择

不断增加的监管要求给杀菌剂制造商带来了压力，并减缓了新型防腐剂的推出速度。水性涂料配方设计师面临的新挑战是可用的防腐剂在减少，其中许多防腐剂仍含有杀死生物体的活性物质，如果含量在一定的阈值水平上，则会触发使用危险告知短语。对于欧洲涂料配方设计师尤是如此。在这种背景下我们提出了涂料行业的发展趋势，例如去除助溶剂，但这就使得涂料对罐内腐败的敏感性增加。这些配方的改变引发了一个趋势，即所需的防腐剂浓度显著上升。涂料行业面临两种驱动趋势之间的激烈冲突，那就是从配方角度出发的防腐浓度升高趋势与从监管角度出发为了控制风险减少触发阈值而来的的防腐浓度降低趋势。考虑到一代代曾经流行的罐内防腐活性剂的具有的各种不利因素，很可能会使用其它模式来重新评估抗微生物活性剂。例如，传统上用作杀真菌剂的吡啶硫酮活性剂被发现可以用作罐内保存的辅助杀菌剂。随着行业面临越来越复杂的监管环境，这些和其它的一些混合物将成为涂料配方设计工具箱防腐新工具。

保存 - 过去

20世纪70年代以前，有机汞化合物通常用作工业产品如油漆的杀菌剂。虽然它们在控制微生物方面非常有效，但它们对人体有害并且会在环境中持续存在。因此，引入了立法导致了它们逐步淘汰，最终被完全禁止。有机汞和其他重金属的杀菌剂在70年代中期从欧洲的装饰漆中除去，在美国，以重金属为基础的防腐剂也有类似的发展轨迹。有机汞化合物曾经在美国被广泛使用，既作为罐内防腐剂，又作为水性涂料的薄膜杀真菌剂；然而，含汞杀菌剂最终被监管控制，美国环保局在1990年取消了所有在内部涂料中的汞基化合物注册许可。

由于汞基防腐剂在安全方面面临的监管压力极大，行业研发了许多有机合成的抗菌药物。其中有几种不同类型的甲醛缩合物，其防腐依赖于游离的甲醛从母体氮基结构水解时的释放。许多这些甲醛缩合物被广泛用于材料的保存。在使用常见的抗微生物机制的同时，这些化合物代表了各种循环和非循环结构。结构差异与保存性能的差异相关，也与特征变化如甲醛释放速率和碱性pH下对水解的敏感性相关。

在这些化合物的鼎盛期间，涂料配方师可以从广泛的甲醛机制防腐剂中选择最适合特定涂料应用需求的防腐剂。然而，随着时间的推移，可用的甲醛机制活性剂的数量已经下降。这个趋势背后有几个驱动因素。首先，最明显的是这类化合物所面临的直接制约因素。长期以来公众一直认为甲醛对人体健康有害。甲醛气体具有急性和慢性双重危险，2004年甲醛被国际癌症研究机构（IARC）正式分类为人类致癌物。鉴于甲醛缩合物的结构和性质与甲醛气体非常不同，因此对这些化合物潜在的甲醛释放对人类的健康风险的评估并不简单。然而，世界各地的不同监管机构在评估甲醛机制防腐剂时，将致癌性风险评估纳入其总体风险评估过程的一部分。这种监管评估很少导致彻底禁止使用这一类化合物；然而，限制使用模式或剂量控制的结果是常见的。

甲醛机制防腐剂面临的第二个不利因素来自于稍许的变化就可能触发危险告知。广义上说，油漆成份是低危险的化学物质。因此，水性涂料的配方设计师通常首先考虑的是使用多少的量，可以达到其配方质量和性能目标，而不会触发涂料容器标签上有问题的危险告知短语（或报警符号）。同样地，水性涂料的消费者原本认为油漆代表一种非危险化学品，因此在油漆罐的标签上存在危险性的词语可能会破坏消费者对产品安全性质的看法。换句话说，危害告知短语是有问题的，因为它们可能会警告消费者使其改变其购买行为。在甲醛机制防腐剂的背景下，这种情况的连带效应是涂料配方师可以选择避免使用特定的防腐剂，如果加入该防腐剂将引发涂料配方的危害告知要求，而不加则不会分类为危险。这可以被描述为间接的对不利因素的监管，毕竟这类防腐剂仍然可以合法使用的。

最后，市场力量是甲醛机制防腐剂面临着的又一不利因素。各种非政府组织(NGOs)为符合其特定成分限制的涂料产品提供绿色标签品牌。例如，Green Seal出版了一种用于油漆、涂料、着色剂和密封剂的标准（GS-11），该标准将甲醛供体列为禁用成分之一。其他非政府组织不一定限制甲醛机制防腐剂作为特定成分，但它们规定了涂料中甲醛含量的上限。例如，Blue Angel公布了一种低排放内用涂料的环境标签标准，其中表明这些涂层的游离甲醛含量不得超过100 ppm。非政府组织的这些限制是另一个间接不利因素，因为虽然非政府组织没有权力改变某种防腐剂的监管状态，但它们仍然会导致某些防腐剂被踢出市场。

总之，在禁止使用杀菌剂以来，甲醛机制防腐剂的使用遇到了直接和间接的障碍。虽然这类化合物的成员在市场上仍然可用，但是如今的涂料配方师使用的甲醛机制防腐剂的范围更窄。这使得所选择的活性剂不太可能适合于特定涂料应用的需要。

保存-现在

异噻唑啉酮类防腐剂长期以来被用作有机汞和甲醛机制防腐剂的替代品。然而，甲醛机制防腐剂可用的种类越来越少，为配方设计师重新评估异噻唑啉酮防腐剂作为替代性的选择提供了额外的动机。

异噻唑啉酮类化学品含有具有活化的N-S键的异噻唑啉酮环，其可与亲核细胞实体反应并因此发挥抗微生物活性。从20世纪60年代和70年代开始，这些异噻唑啉酮衍生物中的1,2-苯并异噻唑啉-3-酮（BIT）作为工业产品中的非甲醛机制替代防腐剂得到使用。从那时起，其它的异噻唑啉酮衍生物也变得可用，并且异噻唑啉酮杀菌剂在今天已经发展到可以作为用于材料保护的主要类型杀菌剂代表之一。异噻唑啉酮的衍生物广泛用作抗菌、罐内用防腐剂和抗真菌剂以及干膜防腐剂。异噻唑啉酮杀菌剂的其它实例包括： MIT（2-甲基异噻唑-3（2H）-酮）、CMIT / MIT（5-氯-2-甲基-4-异噻唑啉-3-酮/2-甲基异噻唑-3（2H）-酮）、OIT（2-辛基-2H-异噻唑-3-酮）、BBIT（2-丁基-1,2-苯并异噻唑啉-3-酮）和DCOIT（4,5-二氯-2-正辛基-3（2H）-异噻唑酮）。

异噻唑啉酮杀菌剂与具有广泛毒性和高度持久的第一代杀菌剂远远不同，并且与甲醛缩合物杀菌剂不同，它们与致癌物质毫无关系。然而，在一些地区，异噻唑啉酮杀菌剂已经开始体会到与危险告之要求变化相关的那种间接不利因素。在了解当前情况时，首先回顾一些背景是有帮助的。

所有常用的异噻唑啉酮杀菌剂活性剂都是已知的或潜在的皮肤致敏剂。由于这一事实，危险告知规则可能影响到用异噻唑啉酮杀菌剂保护的材料所拥有的标签。这在欧洲尤其如此。

在20世纪90年代的欧洲，“杀菌剂产品指令”（BPD）在整个欧盟实施。该指令的主要目的是确保涵盖范围内应用的杀菌产品在跨越整个欧盟的连续过程中均表现出对人体健康和环境影响可接受的使用情况。在BPD的整个活性物质评估阶段，许多活性物质已经从市场上消失，部分原因是支持活性物质以及遵守更严格的风险评估要求的成本过高。2012年，“杀菌产品规则”（BPR）取代了BPD。现在这是一项法规，纠正和加强了过去的BPD，以进一步规范杀菌剂在欧盟市场上的使用。

欧盟执行联合国全球统一制度（GHS）的“分类、标签和包装（CLP）规则”（1272/2008 / EC）取代了危险物质指令67/548/ EEC和2015年6月最新更新的危险准备指令（DPD）1999/45/EC。这些属于欧盟内部分类和标签要求的更新。

在异噻唑啉酮类杀菌剂的背景下，CLP法规（2011年发布）的第二次适应技术进步（ATP）更新中引入了关于标签的重要变化，其中包含涉及到致敏的物质和混合物的物质分类和标签标准的变化。这种变化可能会给客户防腐产品带来以前不需要的新义务。这种潜在的变化可能会影响敏化杀菌剂在客户产品中的适用性。请注意，该规定不是针对异噻唑啉酮类的，而是涵盖与致敏分类相关的任何化学物质的。然而，如前所述，所有常用的异噻唑啉酮杀菌剂活性剂都是已知的或潜在的皮肤致敏剂。

CLP法规现在确定了皮肤致敏剂的两个亚类：

•1A类，高效力；

•1B类，中-低效力。

过去，如果混合物含有> = 1％的致敏成分，则得将其分类为致敏剂，除非CLP的附件VI中明确了不同的浓度限值（SCL）。

任何未被分类为致敏物但是含有敏感成分> = 0.1％的混合物需要在标签上附加声明，即所谓的“过敏告知” - “包含（敏化物质名称），可能会产生过敏反应”。

欧盟之前的DPD已经提出了要求。新修订的CLP引入了“高致敏剂”和“中低至敏剂”之间物质分类的差异。混合物分级的浓度阈值已经降低至高致敏剂> 0.1％；其他致敏剂保持在1％。

此外，必须给出危险告知短语的致敏剂浓度阈值降低至0.01％。而SCL的规定所有致敏物质浓度小于0.1％，该限制已设置为了SCL的十分之一（1/10）。

在CLP中过敏告知短语的条款被称为EU H208。重要的是要注意，这个告知短语和应用标准不是联合国GHS示范条例的一部分，而是一个具体的“欧盟附件”。这一短语告知需求在欧盟以外不是强制性的。

总而言之，欧盟内部对致敏化学品的有关危险告知的要求在2015年6月发生了变化。欧盟内部有许多防腐剂系统被认为是由涂料配方设计师选择的。可应对EU H208要求的致敏告知解决方案。然而，自2015年6月以来，涂料配方设计师还面临着许多新的挑战。再次，为了对未来的挑战有清晰的了解，回顾一些背景是有必要的。

如上所述，对于一些致敏化合物，CLP的附录VI描述了一些个体特异性浓度限值（SCL）。如果这种化合物以高于其特定浓度限度存在于涂料制剂中，则该涂料配方需要有EU H317规定的告知短语，并且还需要有相关的GHS图标。如果致敏化合物存在浓度在其SCL以下但在其SCL的十分之一（1/10）以上，则涂料配方需要有EU H208规定的告知短语。EU H208不需要图标。因此，消费者更有可能注意到EU H317相关的危险告知。

对于某种异噻唑啉酮类防腐剂，有建议要求改变其特定浓度限度（SCL）。2016年3月，欧洲化学品管理局（ECHA）的风险评估委员会（RAC）发布了一项意见，降低MIT（2甲基-4-异噻唑啉-3-酮）的SCL，以及与EU H317条款相关的触发剂浓度从1000ppm降低至15ppm。 ECHA RAC委员会负责编制ECHA对协调分类和标签提案的意见。然而，欧盟委员会通过委员会程序对协调分类和标签提案作出最终的决定。所以就MIT的情况，虽然已经提出了建议，但尚未作出最终决定。

如上所述，欧盟内部由涂料配方设计师选择了许多防腐剂系统以应对EU H208的挑战。但是值得注意的是许多这些防腐剂系统是含有MIT的。因此，如果由RAC委员会提出的分类建议得到ECHA的批准，并由ECHA采用，那么涂料制定者在既能避免危害告知短语同时又使涂料长期保存方面的挑战将变得更加困难。

保存-未来？

鉴于历史上这些影响普遍使用的罐内防腐剂的不利因素，因此很可能用其它使用模式来重新评估抗微生物活性剂。例如，过去用作杀真菌剂的吡啶硫酮活性剂被发现可以用作罐内保存的辅助杀菌剂。使用辅助杀菌剂使得使用低水平的异噻唑啉酮防腐剂来实现强有力的保存成为了可能，即用足量浓度的吡啶硫酮活性剂补充减少的异噻唑啉酮防腐剂。该方法的一个好处是，通过组合这两种互补的活性物质，例如通过1,2-苯并异噻唑啉-3-酮和吡啶硫酮钠的组合来实现强大的抗微生物效果。吡啶硫酮通过充当螯合剂破坏必需的离子梯度来限制微生物膜。细菌使用这些梯度来储存能量，真菌作为营养物质运输的能量来源。BIT具有亲电活性，并与含硫醇基团的微生物酶反应，从而破坏了许多重要的代谢（能量）过程。

作为无需在包装上做出EU H208或EU H317规定的危险告知短语的一个选择，在许多应用的中BIT与吡啶硫酮锌或钠的共混物能提供强大的罐内保护。

在实验室，对这种类型的三种潜在的共混配方我们进行了测试评估。配方＃1配制成溶液，含有8％吡啶硫酮钠（NaPT）和2％苯并异噻唑啉酮（BIT）。配方＃2配制成分散体，含有5.5％吡啶硫酮锌（ZnPT）和5.5％苯并异噻唑啉酮（BIT）。

表1 配方# 1的测试结果总结，EU H208规定的触发浓度为0.25%

配方＃3配制成溶液，含有4％吡啶硫酮钠（NaPT）和2％苯并异噻唑啉酮（BIT）。请注意，BIT浓度为2％的罐内防腐剂最多可使用0.25％的剂量，而不会导致触发EU H208有关过敏原的要求。由于配方＃1和配方＃3都含有2％BIT，它们对EU H208具有相同的触发值即0.25％的剂量。鉴于其较高的触发阈值，通过制备具有较高防腐剂水平的样品梯级例如：0.10％，0.15％，0.20％，0.25％等，我们对这两个配方进行了评估。相比之下，BIT浓度为5.5％的防腐剂只能最高使用0.09％的剂量，才不会导致触发EU H208。因此，鉴于其较高的BIT水平，在我们的评估测试中仅使用0.09％的剂量水平对配方＃2进行了评估。

表2 配方# 2的测试结果总结，EU H208规定的触发浓度为0.09%

使用业界标准的“反复多次抗菌试验”方法评估了这三种防腐剂。评估测试在各种工业基板上进行。在设置这些测试时，考虑到了在个体保存产品时最有可能茁壮成长的生物体的类型。用酵母和真菌攻击酸性保存产品，用细菌攻击碱性保存产品。对于每种类型的接种物，我们使用微生物菌株的混合物，并且混合物中的各个菌株代表选择了该类型的工业基板最常见的腐败生物体。测试一系列底物的目的是确定这三种配方是否可以在浓度低于其危害告知触发浓度的情况下通过测试。如表1-3所示，这三种配方实际上都符合了标准要求。配方＃1的总结结果示于表1中。配方＃2的总结果示于表2中。配方＃3的总结结果示于表3中。

表3 配方# 3的测试结果总结，EU H208规定的触发浓度为0.25%

结论

防腐剂的监管趋势显著限制了罐内保护涂料的选择。当需要配置与多个区域相关的涂料制剂时，配方设计师的防腐选择挑战变得特别苛刻。在某些地区，涂料制剂可能会因为其罐内防腐剂含量而被要求标明危害告知短语。这种情况对水性涂料的配方设计者带来了相当大的挑战，并且随着后续更严苛的危害告知要求的生效，难度将会增加。在这种环境下，使用吡啶硫酮活性剂作为辅助杀菌剂的防腐剂混合物是涂料配方设计工具箱新的防腐工具。