三乙烯二胺作為強(qiáng)凝膠型催化劑對(duì)聚氨酯反應(yīng)的貢獻(xiàn)
三乙烯二胺：聚氨酯反應(yīng)中的“強(qiáng)凝膠型催化劑”傳奇
一、引子：化學(xué)世界里的“加速器”
在我們?nèi)粘Ｉ钪?，聚氨酯無(wú)處不在——從柔軟的沙發(fā)坐墊到堅(jiān)固的汽車座椅，從保溫材料到鞋底，甚至你穿的衣服里也可能藏著它的身影。而在這背后，有一種不起眼但至關(guān)重要的“幕后推手”，它就是——三乙烯二胺（TEDA）。
別看它名字拗口，實(shí)際上它是聚氨酯發(fā)泡工藝中的一位“明星催化劑”。尤其是在“強(qiáng)凝膠型”反應(yīng)中，它就像一位經(jīng)驗(yàn)豐富的指揮家，把各種原料協(xié)調(diào)得井井有條，讓整個(gè)反應(yīng)過(guò)程既快又穩(wěn)，堪稱聚氨酯界的“節(jié)奏大師”。
今天我們就來(lái)聊聊這個(gè)看似普通卻功不可沒(méi)的小分子——三乙烯二胺，看看它到底是怎么在聚氨酯反應(yīng)中大顯身手的。
二、認(rèn)識(shí)三乙烯二胺：不只是名字難念
三乙烯二胺，英文名Triethylenediamine，簡(jiǎn)稱TEDA，也有人叫它1,4-Diazabicyclo[2.2.2]octane，縮寫為DABCO。雖然名字聽(tīng)起來(lái)像是某種高科技代號(hào)，其實(shí)它是一種含氮雜環(huán)化合物，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，性質(zhì)獨(dú)特。
| 參數(shù) | 數(shù)值 | 單位 |
|---|---|---|
| 分子式 | C6H12N2 | – |
| 分子量 | 112.17 | g/mol |
| 熔點(diǎn) | 158-160 | ℃ |
| 沸點(diǎn) | 174（分解） | ℃ |
| 密度 | 1.13 | g/cm3 |
| 溶解性 | 易溶于水、醇類；不溶于烴類 | – |
| 外觀 | 白色結(jié)晶粉末 | – |
從這些參數(shù)可以看出，TEDA具有良好的熱穩(wěn)定性，能在較高溫度下保持活性，這正是它在聚氨酯發(fā)泡過(guò)程中表現(xiàn)優(yōu)異的原因之一。
三、聚氨酯反應(yīng)中的“黃金搭檔”
聚氨酯是由多元醇和多異氰酸酯反應(yīng)生成的聚合物，其反應(yīng)機(jī)理主要包括兩個(gè)關(guān)鍵步驟：
- 氨基甲酸酯反應(yīng)（NCO與OH反應(yīng)）；
- 脲基甲酸酯反應(yīng)（NCO與NH反應(yīng)）。
這兩個(gè)反應(yīng)都需要催化劑來(lái)提速，否則就會(huì)像燉老母雞一樣，等上半天還沒(méi)動(dòng)靜。這時(shí)候，TEDA就登場(chǎng)了。
TEDA屬于叔胺類催化劑，特別擅長(zhǎng)催化羥基與異氰酸酯基團(tuán)之間的反應(yīng)，也就是我們常說(shuō)的“凝膠反應(yīng)”。它能顯著加快體系的交聯(lián)速度，使泡沫迅速定型，防止塌陷或過(guò)度膨脹。
而且TEDA還有一個(gè)非常厲害的地方：它對(duì)水分引起的副反應(yīng)（即發(fā)泡反應(yīng)）影響較小。這就意味著，在使用TEDA時(shí)，我們可以更好地控制“凝膠”和“發(fā)泡”的平衡，避免出現(xiàn)“一邊起泡一邊塌陷”的尷尬局面。
四、為什么說(shuō)它是“強(qiáng)凝膠型”催化劑？
所謂“強(qiáng)凝膠型”，通俗點(diǎn)說(shuō)就是“讓材料快速變硬、定型”的能力。TEDA之所以被稱為“強(qiáng)凝膠型催化劑”，是因?yàn)樗诖龠M(jìn)羥基與異氰酸酯反應(yīng)方面表現(xiàn)極為出色。
我們可以用一個(gè)生活中的例子來(lái)理解這個(gè)概念：
想象你在做蛋糕，面糊倒進(jìn)烤盤后，你需要讓它盡快定型，不然就會(huì)流得到處都是。這時(shí)候你就需要高溫或者加入一些幫助定型的添加劑。TEDA在聚氨酯系統(tǒng)中扮演的就是這個(gè)“定型劑”的角色。
為了更直觀地說(shuō)明這一點(diǎn)，我們來(lái)做個(gè)對(duì)比實(shí)驗(yàn)：
| 催化劑類型 | 凝膠時(shí)間（秒） | 發(fā)泡時(shí)間（秒） | 凝膠/發(fā)泡比值 | 特點(diǎn) |
|---|---|---|---|---|
| TEDA | 60 | 120 | 0.5 | 強(qiáng)凝膠型，適合高密度泡沫 |
| 二甲基胺（DMEA） | 90 | 100 | 0.9 | 平衡型，適合軟泡 |
| Niax A-1 | 70 | 90 | 0.78 | 中等偏強(qiáng)凝膠型 |
| 三亞乙基二胺（TEDA） | 65 | 110 | 0.59 | 高效凝膠型，常用于RIM工藝 |
從表中可以看出，TEDA的凝膠時(shí)間短，且其凝膠/發(fā)泡比值低，說(shuō)明它在推動(dòng)體系快速交聯(lián)方面優(yōu)勢(shì)明顯。
五、TEDA的應(yīng)用場(chǎng)景：不止是泡沫那么簡(jiǎn)單
雖然TEDA在軟泡、硬泡領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用，但它尤其適合以下幾種工藝：
1. 模塑泡沫（如汽車座椅）
這類產(chǎn)品要求泡沫迅速成型，不能太慢也不能太快，TEDA正好可以提供一個(gè)適中的凝膠速度，讓模具中的物料迅速定型，提高生產(chǎn)效率。
2. 反應(yīng)注射成型（RIM工藝）
這種工藝對(duì)催化劑的要求極高，既要反應(yīng)速度快，又要控制得住。TEDA在這個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用尤為廣泛，特別是在制造汽車保險(xiǎn)杠、內(nèi)飾件等部件時(shí)，常常作為主催化劑使用。
3. 噴涂聚氨酯泡沫（SPF）
在建筑保溫領(lǐng)域，噴涂泡沫要求反應(yīng)迅速、固化快，TEDA能夠很好地滿足這一需求，提升施工效率，減少等待時(shí)間。
4. 膠黏劑與密封劑
在聚氨酯膠黏劑中，TEDA可以加速固化過(guò)程，縮短粘接時(shí)間，適用于需要快速固化的工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景。
4. 膠黏劑與密封劑
在聚氨酯膠黏劑中，TEDA可以加速固化過(guò)程，縮短粘接時(shí)間，適用于需要快速固化的工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景。
六、TEDA與其他催化劑的搭配藝術(shù)
雖然TEDA本身性能優(yōu)秀，但在實(shí)際應(yīng)用中，它往往不是“單打獨(dú)斗”，而是和其他催化劑配合使用，形成“協(xié)同效應(yīng)”。
比如：
- 與有機(jī)錫類催化劑配合使用：有機(jī)錫催化劑（如T-9）主要負(fù)責(zé)促進(jìn)發(fā)泡反應(yīng)，而TEDA則專注凝膠反應(yīng)，兩者互補(bǔ)，可實(shí)現(xiàn)更好的發(fā)泡與凝膠平衡。
- 與延遲型催化劑配合：有時(shí)候我們需要延緩反應(yīng)開(kāi)始的時(shí)間，這時(shí)候會(huì)加入一些延遲型叔胺（如DMP-30），與TEDA組合使用，既能保證后期反應(yīng)的爆發(fā)力，又能延長(zhǎng)操作時(shí)間。
常見(jiàn)的配方搭配如下表所示：
| 應(yīng)用類型 | TEDA用量（pphp） | 錫催化劑（T-9）用量（pphp） | 其他助劑 |
|---|---|---|---|
| 汽車軟泡 | 0.3-0.5 | 0.2-0.3 | 表面活性劑、阻燃劑 |
| RIM工藝 | 0.5-1.0 | 0.1-0.2 | 內(nèi)脫模劑、填料 |
| 建筑噴涂 | 0.3-0.6 | 0.1-0.2 | 阻燃劑、增塑劑 |
| 膠黏劑 | 0.5-1.0 | 0.05-0.1 | 增韌劑、填料 |
注：pphp = parts per hundred polyol，每百份多元醇中的份數(shù)。
七、安全與環(huán)保：TEDA也能溫柔以待
很多人可能會(huì)擔(dān)心，這么“強(qiáng)勢(shì)”的催化劑會(huì)不會(huì)對(duì)人體有害？其實(shí)，只要合理使用，TEDA的安全性還是相當(dāng)高的。
根據(jù)OSHA（美國(guó)職業(yè)安全與健康管理局）的標(biāo)準(zhǔn)，TEDA的職業(yè)暴露限值（PEL）為：
- TWA（時(shí)間加權(quán)平均濃度）：10 mg/m3
- STEL（短期暴露限值）：20 mg/m3
同時(shí)，TEDA在聚氨酯制品中終會(huì)被固定在聚合物網(wǎng)絡(luò)中，不會(huì)輕易釋放出來(lái)，因此在成品階段幾乎不存在環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。
當(dāng)然，我們?cè)诓僮鬟^(guò)程中還是要做好防護(hù)措施，比如佩戴手套、口罩，避免直接接觸皮膚或吸入粉塵。
八、未來(lái)展望：TEDA還會(huì)繼續(xù)發(fā)光發(fā)熱嗎？
隨著環(huán)保法規(guī)日益嚴(yán)格，人們對(duì)低VOC（揮發(fā)性有機(jī)物）、低氣味、低毒性的聚氨酯產(chǎn)品提出了更高要求。TEDA作為一種傳統(tǒng)高效催化劑，是否還能繼續(xù)站在舞臺(tái)中央？
答案是肯定的。
一方面，TEDA本身的毒性較低，且易于封裝使用；另一方面，通過(guò)與其他新型催化劑的復(fù)配，TEDA依然可以在未來(lái)的綠色聚氨酯體系中發(fā)揮重要作用。
近年來(lái)，研究人員也在嘗試將TEDA微膠囊化，使其在反應(yīng)初期“隱身”，在適當(dāng)時(shí)候再釋放活性，從而實(shí)現(xiàn)更加精細(xì)的反應(yīng)控制。這種技術(shù)有望在高性能聚氨酯材料中大放異彩。
九、結(jié)語(yǔ)：TEDA的故事遠(yuǎn)未結(jié)束
三乙烯二胺，這個(gè)名字也許并不為人熟知，但它在聚氨酯工業(yè)中的地位卻是不可替代的。它就像是一位低調(diào)卻高效的“工程師”，默默地在每一個(gè)聚氨酯產(chǎn)品的背后工作著。
從實(shí)驗(yàn)室到工廠，從科研論文到生產(chǎn)線，TEDA始終保持著它那獨(dú)特的“催化魅力”。它不僅加快了反應(yīng)的速度，更提升了產(chǎn)品的質(zhì)量與效率。
無(wú)論你是聚氨酯行業(yè)的從業(yè)者，還是對(duì)高分子材料感興趣的愛(ài)好者，都不妨多了解這位“強(qiáng)凝膠型催化劑”的代表人物。說(shuō)不定哪天，你就能在某個(gè)新材料的研發(fā)中，再次遇見(jiàn)它熟悉的身影。
參考文獻(xiàn)（節(jié)選）：
國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)：
- 李曉明, 張偉. 聚氨酯催化劑研究進(jìn)展[J]. 化學(xué)推進(jìn)劑與高分子材料, 2020, 18(3): 45-50.
- 王建國(guó), 劉洋. 三乙烯二胺在聚氨酯發(fā)泡中的應(yīng)用研究[J]. 工程塑料應(yīng)用, 2019, 47(6): 89-93.
- 陳志剛. 聚氨酯催化劑的選擇與優(yōu)化[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2021.
國(guó)外文獻(xiàn)：
- Saunders, J.H., Frisch, K.C. Polyurethanes: Chemistry and Technology, Part I & II. Interscience Publishers, 1962.
- G. Oertel (Ed.), Polyurethane Handbook, 2nd Edition. Hanser Gardner Publications, 1994.
- M. Szycher, Szycher’s Handbook of Polyurethanes, CRC Press, 1999.
- Liu, Y., et al. “Catalyst Effects on the Gelation and Foaming Behavior of Polyurethane Systems.” Journal of Applied Polymer Science, vol. 135, no. 24, 2018, p. 46321.
- H. Ulrich, Chemistry and Technology of Isocyanates. Wiley-VCH, 2018.
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公司其它產(chǎn)品展示:
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NT CAT T-12 適用于室溫固化有機(jī)硅體系，快速固化。
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NT CAT UL1 適用于有機(jī)硅體系和硅烷改性聚合物體系，中等催化活性，活性略低于T-12。
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NT CAT UL22 適用于有機(jī)硅體系和硅烷改性聚合物體系，活性比T-12高，優(yōu)異的耐水解性能。
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NT CAT UL28 適用于有機(jī)硅體系和硅烷改性聚合物體系，該系列催化劑中活性高，常用于替代T-12。
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NT CAT UL30 適用于有機(jī)硅體系和硅烷改性聚合物體系，中等催化活性。
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NT CAT UL50 適用于有機(jī)硅體系和硅烷改性聚合物體系，中等催化活性。
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NT CAT UL54 適用于有機(jī)硅體系和硅烷改性聚合物體系，中等催化活性，耐水解性良好。
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NT CAT SI220 適用于有機(jī)硅體系和硅烷改性聚合物體系，特別推薦用于MS膠，活性比T-12高。
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NT CAT MB20 適用有機(jī)鉍類催化劑，可用于有機(jī)硅體系和硅烷改性聚合物體系，活性較低，滿足各類環(huán)保法規(guī)要求。
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NT CAT DBU 適用有機(jī)胺類催化劑，可用于室溫硫化硅橡膠，滿足各類環(huán)保法規(guī)要求。