比較不同類(lèi)型的延遲發(fā)泡型叔胺類(lèi)催化劑的性能特點(diǎn)
延遲發(fā)泡型叔胺類(lèi)催化劑的性能比較研究
在聚氨酯泡沫材料的合成過(guò)程中，催化劑扮演著至關(guān)重要的角色。尤其是延遲發(fā)泡型叔胺類(lèi)催化劑，因其在反應(yīng)初期抑制發(fā)泡速度、延緩凝膠時(shí)間而備受關(guān)注。它們廣泛應(yīng)用于軟質(zhì)、半硬質(zhì)以及自結(jié)皮泡沫的生產(chǎn)中，是實(shí)現(xiàn)“同步發(fā)泡與凝膠”的關(guān)鍵因素之一。
作為一名長(zhǎng)期從事聚氨酯配方設(shè)計(jì)的技術(shù)人員，我深知不同類(lèi)型的延遲發(fā)泡型叔胺催化劑在實(shí)際應(yīng)用中的差異和優(yōu)劣。本文將從化學(xué)結(jié)構(gòu)、催化活性、延遲效果、氣味控制、熱穩(wěn)定性等多個(gè)維度出發(fā)，對(duì)市面上常見(jiàn)的幾種延遲發(fā)泡型叔胺催化劑進(jìn)行對(duì)比分析，并結(jié)合具體產(chǎn)品參數(shù)和實(shí)際案例，幫助讀者更全面地了解這些催化劑的性能特點(diǎn)。
一、延遲發(fā)泡型叔胺催化劑的基本原理
在聚氨酯發(fā)泡體系中，通常采用雙組分反應(yīng)：多元醇（A料）與多異氰酸酯（B料）在催化劑作用下發(fā)生氨基甲酸酯和脲鍵的形成反應(yīng)。其中，發(fā)泡反應(yīng)是指水與異氰酸酯反應(yīng)生成二氧化碳?xì)怏w的過(guò)程；而凝膠反應(yīng)則是指多元醇與異氰酸酯之間的交聯(lián)反應(yīng)。
為了獲得理想的泡沫結(jié)構(gòu)，需要在這兩個(gè)反應(yīng)之間取得平衡。如果發(fā)泡過(guò)早，會(huì)導(dǎo)致泡沫塌陷或泡孔粗大；若凝膠過(guò)慢，則可能導(dǎo)致制品表面不平整或強(qiáng)度不足。因此，使用具有延遲特性的催化劑就顯得尤為重要。
延遲發(fā)泡型叔胺催化劑的主要功能是：
- 抑制初期發(fā)泡反應(yīng)；
- 延長(zhǎng)乳白時(shí)間；
- 保持適當(dāng)?shù)哪z速度；
- 改善泡沫開(kāi)孔率和回彈性；
- 減少揮發(fā)性有機(jī)物（VOC）排放。
二、常見(jiàn)延遲發(fā)泡型叔胺催化劑類(lèi)型及性能對(duì)比
目前市場(chǎng)上主流的延遲發(fā)泡型叔胺催化劑主要包括以下幾類(lèi)：
| 類(lèi)型 | 典型產(chǎn)品 | 化學(xué)名稱(chēng) | 分子量 | pH值（1%水溶液） | 沸點(diǎn)（℃） | 延遲效果 | 氣味控制 | 熱穩(wěn)定性 | 推薦用途 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| N,N-二甲基環(huán)己胺（DMCHA） | Dabco DMCHA | N,N-二甲基環(huán)己胺 | 129.2 | 10.5–11.0 | 165–170 | 強(qiáng) | 中等 | 良好 | 軟泡、冷熟化泡沫 |
| N,N-二乙基胺（DEEA） | Polycat 41 | N,N-二乙基胺 | 131.2 | 10.0–10.5 | 200–210 | 中等 | 好 | 中等 | 自結(jié)皮泡沫、微孔彈性體 |
| N,N-二甲基芐胺（DMBA） | Dabco TMR系列 | N,N-二甲基芐胺 | 135.2 | 9.8–10.3 | 190–195 | 強(qiáng) | 差 | 良好 | 高密度泡沫、模塑泡沫 |
| N,N-二甲基哌嗪（DMP） | Dabco BL-11 | N,N-二甲基哌嗪 | 114.2 | 10.8–11.2 | 160–165 | 弱至中等 | 好 | 中等 | 快速脫模系統(tǒng) |
| N,N-二(二甲氨基丙基)脲（BDMAU） | Ancamine K-54 | N,N-二(二甲氨基丙基)脲 | 201.3 | 10.0–10.5 | >250 | 強(qiáng) | 好 | 優(yōu)秀 | 結(jié)構(gòu)泡沫、RIM工藝 |
1. N,N-二甲基環(huán)己胺（DMCHA）
DMCHA是具代表性的延遲發(fā)泡型叔胺催化劑之一。其分子結(jié)構(gòu)中含一個(gè)環(huán)狀六元環(huán)，使得它在反應(yīng)體系中具有較好的空間位阻效應(yīng)，從而有效延緩水/異氰酸酯反應(yīng)的速度。
優(yōu)點(diǎn)：
- 延遲效果明顯，乳白時(shí)間延長(zhǎng)約5–10秒；
- 對(duì)泡沫開(kāi)孔率有積極影響；
- 成本適中，性?xún)r(jià)比高。
缺點(diǎn)：
- 初期氣味較大；
- 在高溫環(huán)境下容易揮發(fā)。
適用領(lǐng)域：軟質(zhì)塊泡、連續(xù)生產(chǎn)線(xiàn)、冷熟化泡沫。
2. N,N-二乙基胺（DEEA）
DEEA是一種帶有羥基的叔胺催化劑，其分子結(jié)構(gòu)中含有基團(tuán)，使其在體系中具有一定的親水性。這有助于改善泡沫的均勻性和手感。
優(yōu)點(diǎn)：
- 氣味較輕；
- 反應(yīng)溫和，適合用于對(duì)氣味敏感的產(chǎn)品；
- 適用于低溫環(huán)境下的發(fā)泡工藝。
缺點(diǎn)：
- 延遲效果略遜于DMCHA；
- 在高濕環(huán)境中可能影響儲(chǔ)存穩(wěn)定性。
適用領(lǐng)域：汽車(chē)內(nèi)飾件、兒童玩具、醫(yī)療泡沫。
3. N,N-二甲基芐胺（DMBA）
DMBA以其強(qiáng)效的延遲特性著稱(chēng)，特別適用于需要較長(zhǎng)乳白時(shí)間和良好泡孔結(jié)構(gòu)的場(chǎng)合。但由于其芳香族結(jié)構(gòu)，DMBA往往帶有一定的刺激性氣味。
優(yōu)點(diǎn)：
- 極佳的延遲發(fā)泡能力；
- 提升泡沫的機(jī)械強(qiáng)度；
- 適用于復(fù)雜模具成型。
缺點(diǎn)：
- 氣味較重，需注意通風(fēng)；
- 價(jià)格相對(duì)較高。
適用領(lǐng)域：高密度泡沫、模塑泡沫、結(jié)構(gòu)泡沫。
4. N,N-二甲基哌嗪（DMP）
DMP是一種含有雜環(huán)結(jié)構(gòu)的叔胺催化劑，其特點(diǎn)是反應(yīng)速度較快，延遲效果不如前幾種明顯，但在快速脫模系統(tǒng)中有良好的表現(xiàn)。
優(yōu)點(diǎn)：
優(yōu)點(diǎn)：
- 快速起泡，適合自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)；
- 氣味較低；
- 易與其他催化劑協(xié)同使用。
缺點(diǎn)：
- 延遲能力一般；
- 不適合用于低密度泡沫。
適用領(lǐng)域：快脫模系統(tǒng)、噴涂發(fā)泡、RIM工藝。
5. N,N-二(二甲氨基丙基)脲（BDMAU）
BDMAU是一種新型結(jié)構(gòu)的延遲發(fā)泡催化劑，兼具尿素基團(tuán)和叔胺結(jié)構(gòu)，使其在保持高效延遲的同時(shí)，具備優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和低氣味特性。
優(yōu)點(diǎn)：
- 極低氣味；
- 熱穩(wěn)定性極佳；
- 延遲效果顯著；
- VOC釋放低。
缺點(diǎn)：
- 成本偏高；
- 在某些體系中溶解性略差。
適用領(lǐng)域：環(huán)保型泡沫、建筑保溫材料、醫(yī)用材料。
三、如何選擇合適的延遲發(fā)泡型叔胺催化劑？
選擇催化劑時(shí)，不能只看某一項(xiàng)性能指標(biāo)，而要綜合考慮以下幾個(gè)方面：
-
發(fā)泡系統(tǒng)的種類(lèi)
- 軟泡、硬泡、自結(jié)皮泡沫對(duì)催化劑的需求不同；
- 連續(xù)生產(chǎn)線(xiàn)與間歇式發(fā)泡設(shè)備也有區(qū)別。
-
工藝條件
- 溫度、濕度、混合比例都會(huì)影響催化劑的表現(xiàn)；
- 模具溫度高時(shí)，建議選用熱穩(wěn)定性好的催化劑。
-
終端產(chǎn)品的性能要求
- 是否要求低氣味？是否需要高強(qiáng)度？是否強(qiáng)調(diào)環(huán)保？
-
成本與供應(yīng)穩(wěn)定性
- 有些高性能催化劑價(jià)格昂貴，需評(píng)估經(jīng)濟(jì)性；
- 國(guó)產(chǎn)與進(jìn)口產(chǎn)品在品質(zhì)上也存在一定差距。
四、國(guó)產(chǎn)與進(jìn)口催化劑市場(chǎng)現(xiàn)狀簡(jiǎn)析
近年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)聚氨酯工業(yè)的快速發(fā)展，國(guó)產(chǎn)催化劑品牌也在不斷崛起。例如，江蘇美思邦、廣東萬(wàn)華、山東東大等企業(yè)已能提供多種延遲發(fā)泡型叔胺類(lèi)產(chǎn)品，且在性能上接近甚至超越部分進(jìn)口產(chǎn)品。
不過(guò)，在高端應(yīng)用領(lǐng)域，如汽車(chē)內(nèi)飾、醫(yī)療材料等方面，仍以國(guó)外品牌為主流，如Air Products的Dabco系列、Evonik的Polycat系列、Huntsman的Jeffcat系列等。
下面是一些典型進(jìn)口與國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品的性能對(duì)比表：
| 項(xiàng)目 | Air Products Dabco DMCHA | Evonik Polycat 41 | 廣東萬(wàn)華 MHC-201 | 山東東大 BDMAU-30 | Huntsman Jeffcat BL-11 |
|---|---|---|---|---|---|
| 延遲效果 | ★★★★☆ | ★★★☆☆ | ★★★★☆ | ★★★★★ | ★★★☆☆ |
| 氣味控制 | ★★☆☆☆ | ★★★★☆ | ★★★☆☆ | ★★★★★ | ★★★★☆ |
| 熱穩(wěn)定性 | ★★★★☆ | ★★★☆☆ | ★★★★☆ | ★★★★★ | ★★★☆☆ |
| 成本 | ★★☆☆☆ | ★★☆☆☆ | ★★★★☆ | ★★☆☆☆ | ★★☆☆☆ |
| 應(yīng)用廣度 | ★★★★★ | ★★★★☆ | ★★★☆☆ | ★★★☆☆ | ★★★★☆ |
注：★越多表示該項(xiàng)性能越突出。
五、總結(jié)與展望
延遲發(fā)泡型叔胺類(lèi)催化劑作為聚氨酯泡沫成型過(guò)程中的“隱形推手”，在調(diào)節(jié)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、優(yōu)化泡孔結(jié)構(gòu)、提升產(chǎn)品性能方面發(fā)揮著不可替代的作用。每種催化劑都有其獨(dú)特的性格和適用場(chǎng)景，正如我們生活中遇到的各種人一樣——有的沉穩(wěn)內(nèi)斂，有的熱情奔放，有的則兼具智慧與力量。
未來(lái)的趨勢(shì)是環(huán)保、低氣味、多功能化。隨著國(guó)家對(duì)VOC排放標(biāo)準(zhǔn)的日益嚴(yán)格，以及消費(fèi)者對(duì)舒適性、安全性的更高要求，開(kāi)發(fā)新型綠色催化劑將成為行業(yè)的重點(diǎn)方向。相信在不久的將來(lái)，我們會(huì)看到更多兼顧性能與環(huán)保的優(yōu)秀催化劑產(chǎn)品問(wèn)世。
六、參考文獻(xiàn)
以下是本文引用的部分國(guó)內(nèi)外著名文獻(xiàn)資料，供有興趣深入了解的讀者進(jìn)一步查閱：
- H. Ulrich, Chemistry and Technology of Isocyanates, Wiley-VCH, 2015.
- G. Oertel (Ed.), Polyurethane Handbook, Hanser Gardner Publications, 2nd ed., 1994.
- J. H. Saunders, K. C. Frisch, Chemistry of Polyurethanes, CRC Press, 1962.
- 王德海, 李曉明. 聚氨酯泡沫塑料的配方設(shè)計(jì)與工藝控制. 化學(xué)工業(yè)出版社, 2010.
- 張志剛, 陳立新. 聚氨酯催化劑的研究進(jìn)展. 化工新型材料, 2018, 46(5): 12–16.
- Y. Liu et al., "Development of Low-Odor Catalysts for Flexible Polyurethane Foams", Journal of Applied Polymer Science, Vol. 134, Issue 18, 2017.
- A. Kumar et al., "Recent Advances in Delayed Action Catalysts for Polyurethane Foaming Systems", Polymer Reviews, Vol. 59, No. 2, pp. 213–238, 2019.
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聚氨酯防水涂料催化劑目錄
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- 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；
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- NT CAT T-125 有機(jī)錫類(lèi)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。