探討延遲發(fā)泡型叔胺類催化劑在預(yù)涂膠和預(yù)浸料中的應(yīng)用
延遲發(fā)泡型叔胺類催化劑在預(yù)涂膠與預(yù)浸料中的應(yīng)用探析
在聚氨酯的世界里，催化劑就像是廚房里的調(diào)味料——少了它，材料就“沒(méi)味道”；多了它，可能直接“燒糊了”。而在眾多催化劑中，延遲發(fā)泡型叔胺類催化劑就像是一位深藏不露的高手，既能在關(guān)鍵時(shí)刻出手，又不會(huì)過(guò)早地?cái)嚲?。尤其在預(yù)涂膠和預(yù)浸料的應(yīng)用中，它的表現(xiàn)更是可圈可點(diǎn)。
今天我們就來(lái)聊聊這個(gè)“低調(diào)但有實(shí)力”的角色，看看它是如何在預(yù)涂膠和預(yù)浸料領(lǐng)域中大展身手的。
一、什么是延遲發(fā)泡型叔胺類催化劑？
首先，我們得先認(rèn)識(shí)一下這位主角。顧名思義，“延遲發(fā)泡型”意味著它不會(huì)馬上起作用，而是等到合適的時(shí)機(jī)才開(kāi)始推動(dòng)反應(yīng)?！笆灏奉悺眲t是指其化學(xué)結(jié)構(gòu)中含有三個(gè)碳原子連接到氮原子上的胺類化合物。
這類催化劑的主要功能是促進(jìn)異氰酸酯與水之間的反應(yīng)（也就是發(fā)泡反應(yīng)），同時(shí)也能促進(jìn)異氰酸酯與多元醇之間的凝膠反應(yīng)。但在延遲發(fā)泡型的設(shè)計(jì)中，重點(diǎn)在于控制發(fā)泡反應(yīng)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，使其在加工過(guò)程中不至于太早發(fā)生，從而影響制品的成型質(zhì)量。
常見(jiàn)的延遲發(fā)泡型叔胺類催化劑包括：
- DMEA（二甲基胺）
- DMCHA（二甲基環(huán)己胺）
- BDMAEE（雙（二甲氨基乙基）醚）
- PC-5（五甲基二亞乙基三胺）
這些催化劑各有所長(zhǎng)，在不同的體系中有不同的表現(xiàn)。它們通常用于軟泡、硬泡、噴涂泡沫以及復(fù)合材料等領(lǐng)域。
二、預(yù)涂膠與預(yù)浸料：你了解多少？
在談催化劑之前，我們得先搞清楚預(yù)涂膠和預(yù)浸料到底是什么東西。
1. 預(yù)涂膠（Pre-coated Adhesive）
預(yù)涂膠是指在制造過(guò)程中，預(yù)先將膠粘劑涂覆在某種基材上（如織物、紙張、金屬箔等），以便后續(xù)使用時(shí)無(wú)需再現(xiàn)場(chǎng)涂布。這種工藝廣泛應(yīng)用于電子封裝、汽車內(nèi)飾、建筑裝飾等領(lǐng)域。
2. 預(yù)浸料（Prepreg）
預(yù)浸料是纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的一種前驅(qū)體，通常是將樹(shù)脂預(yù)先浸漬到纖維（如玻璃纖維、碳纖維）中，然后經(jīng)過(guò)干燥處理制成半成品。預(yù)浸料在航空航天、體育器材、風(fēng)電葉片等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。
這兩者的共同點(diǎn)在于：都需要在一定條件下進(jìn)行固化或發(fā)泡反應(yīng)，而反應(yīng)的速度和順序?qū)K產(chǎn)品的性能至關(guān)重要。因此，選擇合適的催化劑就成了關(guān)鍵中的關(guān)鍵。
三、延遲發(fā)泡型叔胺類催化劑的“用武之地”
在預(yù)涂膠和預(yù)浸料中，催化劑的作用不僅僅是加速反應(yīng)，更重要的是控制反應(yīng)的時(shí)間窗口。如果反應(yīng)太快，可能會(huì)導(dǎo)致膠層提前固化或發(fā)泡不均；如果太慢，則可能影響生產(chǎn)效率。
1. 在預(yù)涂膠中的應(yīng)用
預(yù)涂膠一般是在高溫或常溫下進(jìn)行固化的。使用延遲發(fā)泡型叔胺類催化劑，可以在加熱后激活催化效果，使得膠粘劑在預(yù)定時(shí)間內(nèi)完成交聯(lián)反應(yīng)，而不至于在儲(chǔ)存或運(yùn)輸過(guò)程中提前失效。
舉個(gè)例子，比如在汽車內(nèi)飾中使用的熱熔膠預(yù)涂層，加入適量的延遲型叔胺催化劑后，可以保證在生產(chǎn)線加熱時(shí)迅速固化，而在室溫下保持較長(zhǎng)的儲(chǔ)存穩(wěn)定性。
舉個(gè)例子，比如在汽車內(nèi)飾中使用的熱熔膠預(yù)涂層，加入適量的延遲型叔胺催化劑后，可以保證在生產(chǎn)線加熱時(shí)迅速固化，而在室溫下保持較長(zhǎng)的儲(chǔ)存穩(wěn)定性。
表1：幾種常用延遲型叔胺催化劑在預(yù)涂膠中的性能對(duì)比
| 催化劑名稱 | 延遲時(shí)間（s） | 固化溫度范圍（℃） | 儲(chǔ)存穩(wěn)定性（月） | 典型應(yīng)用場(chǎng)景 |
|---|---|---|---|---|
| DMEA | 30~60 | 80~120 | 6~12 | 汽車內(nèi)飾膠帶 |
| DMCHA | 45~90 | 70~110 | 6~9 | 電子封裝材料 |
| BDMAEE | 60~120 | 90~130 | 12+ | 熱壓復(fù)合板 |
| PC-5 | 30~50 | 60~100 | 6 | 快速固化膠條 |
從表中可以看出，不同催化劑適用于不同的工藝條件。例如，BDMAEE雖然延遲時(shí)間較長(zhǎng)，但儲(chǔ)存穩(wěn)定性好，適合需要長(zhǎng)時(shí)間保存的產(chǎn)品；而PC-5則更適合需要快速反應(yīng)的場(chǎng)合。
2. 在預(yù)浸料中的應(yīng)用
預(yù)浸料的關(guān)鍵在于樹(shù)脂的流動(dòng)性與固化行為。延遲發(fā)泡型叔胺類催化劑在這里扮演的角色更像是一個(gè)“節(jié)奏控制器”，它能確保樹(shù)脂在加熱初期仍具有良好的流動(dòng)性，便于在模具中充分鋪展；隨后在溫度升高時(shí)逐步啟動(dòng)催化反應(yīng)，使樹(shù)脂完成凝膠和固化。
特別是在真空輔助樹(shù)脂傳遞模塑（VARTM）工藝中，延遲催化劑的作用尤為明顯。它可以避免樹(shù)脂在灌注過(guò)程中提前凝膠，從而提高成品的孔隙率控制能力。
表2：延遲型叔胺催化劑在預(yù)浸料中的典型參數(shù)對(duì)照表
| 催化劑名稱 | 初始粘度（mPa·s） | 凝膠時(shí)間（min）@80℃ | 固化溫度（℃） | 纖維適配性 | 應(yīng)用領(lǐng)域 |
|---|---|---|---|---|---|
| DMEA | 1500 | 20 | 100~120 | 玻璃纖維 | 風(fēng)電葉片 |
| DMCHA | 1800 | 25 | 90~110 | 碳纖維 | 航空航天結(jié)構(gòu)件 |
| BDMAEE | 2000 | 30 | 110~130 | 芳綸纖維 | 高強(qiáng)度防護(hù)裝備 |
| PC-5 | 1200 | 15 | 80~100 | 多種混合纖維 | 體育器材 |
可以看到，不同的催化劑對(duì)樹(shù)脂的初始粘度和凝膠時(shí)間都有顯著影響。例如，PC-5雖然凝膠時(shí)間短，但粘度較低，適合用于復(fù)雜形狀的體育器材預(yù)浸料；而B(niǎo)DMAEE則更適合高溫固化且對(duì)纖維要求較高的高端應(yīng)用。
四、選對(duì)催化劑，事半功倍
在實(shí)際應(yīng)用中，選擇延遲發(fā)泡型叔胺類催化劑并不是一件簡(jiǎn)單的事情。它需要綜合考慮以下幾個(gè)因素：
- 工藝溫度：是否需要低溫活化？還是高溫催化？
- 反應(yīng)時(shí)間控制：希望延遲多久？是幾分鐘還是幾十分鐘？
- 儲(chǔ)存環(huán)境：產(chǎn)品是否需要長(zhǎng)期存放？是否暴露在高溫或潮濕環(huán)境中？
- 成本控制：價(jià)格是否可控？是否有替代品？
此外，還要注意與其他助劑（如阻燃劑、穩(wěn)定劑、填料）之間的相容性。有時(shí)候，催化劑雖好，但如果與其他成分打架，也可能導(dǎo)致意想不到的問(wèn)題。
五、小劑量，大能量：用量建議
延遲型叔胺類催化劑的用量通常在0.1%~2.0%之間，具體取決于配方體系和工藝要求。以下是一些常見(jiàn)參考值：
表3：不同類型催化劑推薦添加量范圍（按總樹(shù)脂質(zhì)量百分比）
| 催化劑名稱 | 推薦用量范圍（%） | 特點(diǎn)說(shuō)明 |
|---|---|---|
| DMEA | 0.3~1.0 | 成本低，適合通用型預(yù)浸料 |
| DMCHA | 0.5~1.5 | 延遲效果明顯，適合高溫工藝 |
| BDMAEE | 0.4~1.2 | 流動(dòng)性好，適合復(fù)雜結(jié)構(gòu)件 |
| PC-5 | 0.2~0.8 | 反應(yīng)快，適合快速固化需求 |
需要注意的是，添加過(guò)多的催化劑不僅會(huì)增加成本，還可能導(dǎo)致過(guò)度催化，引發(fā)氣泡、焦化等問(wèn)題。因此，在實(shí)際操作中，好通過(guò)小試驗(yàn)證后再放大生產(chǎn)。
六、結(jié)語(yǔ)：催化劑不是萬(wàn)能鑰匙，但它是開(kāi)啟成功之門(mén)的重要工具
延遲發(fā)泡型叔胺類催化劑雖然不像主料那樣顯眼，但它卻是決定預(yù)涂膠和預(yù)浸料成敗的關(guān)鍵之一。它像是一位沉默的指揮家，在幕后掌控著整個(gè)反應(yīng)的節(jié)奏，讓每一步都恰到好處。
在如今追求高性能、高效率的工業(yè)環(huán)境下，合理選擇并使用這類催化劑，不僅能提升產(chǎn)品質(zhì)量，還能優(yōu)化生產(chǎn)工藝，降低能耗與廢品率。對(duì)于從事復(fù)合材料、膠粘劑、聚氨酯研發(fā)與生產(chǎn)的朋友們來(lái)說(shuō)，掌握這些知識(shí)無(wú)疑是如虎添翼。
當(dāng)然，技術(shù)是不斷進(jìn)步的，新的催化劑也在不斷涌現(xiàn)。未來(lái)的路還很長(zhǎng)，但只要我們持續(xù)學(xué)習(xí)、勇于嘗試，相信在這個(gè)充滿挑戰(zhàn)與機(jī)遇的行業(yè)里，一定能找到屬于自己的那片天空。
參考文獻(xiàn)
國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)：
- 李明, 張強(qiáng). “聚氨酯催化劑研究進(jìn)展.”《化工新型材料》, 2020, 48(6): 45-50.
- 王磊, 劉芳. “延遲型叔胺催化劑在預(yù)浸料中的應(yīng)用.”《復(fù)合材料學(xué)報(bào)》, 2021, 38(3): 88-94.
- 陳志強(qiáng), 黃曉東. “聚氨酯發(fā)泡調(diào)控技術(shù)綜述.”《中國(guó)塑料》, 2019, 33(4): 112-117.
國(guó)外文獻(xiàn)：
- G. Oertel (Ed.). Polyurethane Handbook, 2nd Edition. Hanser Gardner Publications, 1994.
- J. H. Saunders, K. C. Frisch. Chemistry of Polyurethanes. CRC Press, 1962.
- M. Szycher. Szycher’s Handbook of Polyurethanes, 2nd Edition. CRC Press, 2011.
- F. Rodriguez, R. L. Laurence. Principles of Polymer Systems, 6th Edition. CRC Press, 2015.
- A. N. Gent (Ed.). The Science and Technology of Rubber, 4th Edition. Academic Press, 2013.
（全文約3000字）
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聚氨酯防水涂料催化劑目錄
- NT CAT 680 凝膠型催化劑，是一種環(huán)保型金屬?gòu)?fù)合催化劑，不含RoHS所限制的多溴聯(lián)、多溴二醚、鉛、汞、鎘等、辛基錫、丁基錫、基錫等九類有機(jī)錫化合物，適用于聚氨酯皮革、涂料、膠黏劑以及硅橡膠等。
- NT CAT C-14 廣泛應(yīng)用于聚氨酯泡沫、彈性體、膠黏劑、密封膠和室溫固化有機(jī)硅體系；
- NT CAT C-15 適用于芳香族異氰酸酯雙組份聚氨酯膠黏劑體系，中等催化活性，比A-14活性低；
- NT CAT C-16 適用于芳香族異氰酸酯雙組份聚氨酯膠黏劑體系，具有延遲作用和一定的耐水解性，組合料儲(chǔ)存時(shí)間長(zhǎng)；
- NT CAT C-128 適用于聚氨酯雙組份快速固化膠黏劑體系，在該系列催化劑中催化活性強(qiáng)，特別適合用于脂肪族異氰酸酯體系；
- NT CAT C-129 適用于芳香族異氰酸酯雙組份聚氨酯膠黏劑體系，具有很強(qiáng)的延遲效果，與水的穩(wěn)定性較強(qiáng)；
- NT CAT C-138 適用于芳香族異氰酸酯雙組份聚氨酯膠黏劑體系，中等催化活性，良好的流動(dòng)性和耐水解性；
- NT CAT C-154 適用于脂肪族異氰酸酯雙組份聚氨酯膠黏劑體系，具有延遲作用；
- NT CAT C-159 適用于芳香族異氰酸酯雙組份聚氨酯膠黏劑體系，可用來(lái)替代A-14，添加量為A-14的50-60%；
- NT CAT MB20 凝膠型催化劑，可用于替代軟質(zhì)塊狀泡沫、高密度軟質(zhì)泡沫、噴涂泡沫、微孔泡沫以及硬質(zhì)泡沫體系中的錫金屬催化劑，活性比有機(jī)錫相對(duì)較低；
- NT CAT T-12 二月桂酸二丁基錫，凝膠型催化劑，適用于聚醚型高密度結(jié)構(gòu)泡沫，還用于聚氨酯涂料、彈性體、膠黏劑、室溫固化硅橡膠等；
- NT CAT T-125 有機(jī)錫類強(qiáng)凝膠催化劑，與其他的二丁基錫催化劑相比，T-125催化劑對(duì)氨基甲酸酯反應(yīng)具有更高的催化活性和選擇性，而且改善了水解穩(wěn)定性，適用于硬質(zhì)聚氨酯噴涂泡沫、模塑泡沫及CASE應(yīng)用中。