DBU在鑄造型聚氨酯中的應(yīng)用——提升生產(chǎn)效率的“秘密武器”

大家好，我是從事聚氨酯行業(yè)十多年的一線(xiàn)工程師老李。今天我想和大家聊聊一個(gè)聽(tīng)起來(lái)有點(diǎn)“冷門(mén)”，但在我們這個(gè)圈子里卻相當(dāng)“熱門(mén)”的話(huà)題：DBU在鑄造型聚氨酯中的應(yīng)用。

可能你第一次聽(tīng)到DBU這個(gè)詞的時(shí)候會(huì)一臉懵：“DBU？是數(shù)據(jù)庫(kù)嗎？還是某個(gè)編程語(yǔ)言？”其實(shí)都不是。DBU全名叫1,8-二氮雜雙環(huán)[5.4.0]十一碳-7-烯（1,8-Diazabicyclo[5.4.0]undec-7-ene），是一種強(qiáng)堿性有機(jī)催化劑，在聚氨酯領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用。尤其是在鑄造型聚氨酯（Cast Polyurethane）的生產(chǎn)過(guò)程中，DBU簡(jiǎn)直就像是一位“加速器大師”，讓整個(gè)反應(yīng)過(guò)程變得更快、更穩(wěn)、更可控。

這篇文章我打算從幾個(gè)方面來(lái)聊一聊：

1. 什么是鑄造型聚氨酯？
2. DBU是什么？它有什么特點(diǎn)？
3. DBU在鑄造型聚氨酯中扮演什么角色？
4. 使用DBU后，生產(chǎn)效率有哪些具體提升？
5. 實(shí)際案例分析與參數(shù)對(duì)比
6. 行業(yè)趨勢(shì)與文獻(xiàn)參考

好了，咱們先來(lái)點(diǎn)個(gè)開(kāi)胃菜，說(shuō)說(shuō)鑄造型聚氨酯到底是個(gè)啥玩意兒。

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一、鑄造型聚氨酯是個(gè)啥？

鑄造型聚氨酯，英文叫Cast Polyurethane，簡(jiǎn)稱(chēng)CPU，是一種通過(guò)將多元醇和多異氰酸酯混合后澆注成型的材料。這種材料大的特點(diǎn)是可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、力學(xué)性能優(yōu)異、耐磨耐油、彈性好，廣泛應(yīng)用于汽車(chē)零部件、礦山機(jī)械、輥筒、密封件、緩沖墊等多個(gè)工業(yè)領(lǐng)域。

跟其他類(lèi)型的聚氨酯（比如噴涂型、泡沫型）相比，鑄造型聚氨酯對(duì)工藝控制的要求更高，因?yàn)樗ǔＪ鞘止せ虬胱詣?dòng)操作，反應(yīng)時(shí)間短，固化速度快，稍有不慎就容易出現(xiàn)氣泡、分層、硬度不均等問(wèn)題。

所以，怎么控制反應(yīng)速度、調(diào)節(jié)凝膠時(shí)間、提高制品質(zhì)量，就成了我們這些技術(shù)人員天天琢磨的問(wèn)題。而DBU，正是在這個(gè)過(guò)程中逐漸嶄露頭角的“關(guān)鍵人物”。

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二、DBU是誰(shuí)？它為啥這么牛？

前面說(shuō)了，DBU全名叫1,8-二氮雜雙環(huán)[5.4.0]十一碳-7-烯，化學(xué)式是C9H16N2。它是一種無(wú)色透明液體，具有強(qiáng)烈的堿性，pKa值高達(dá)13.5左右，屬于超強(qiáng)堿類(lèi)催化劑。

DBU早是在上世紀(jì)中期被開(kāi)發(fā)出來(lái)的，初用于有機(jī)合成中的脫保護(hù)反應(yīng)。后來(lái)人們發(fā)現(xiàn)它在聚氨酯體系中也有很強(qiáng)的催化活性，特別是在促進(jìn)氨基甲酸酯（urethane）反應(yīng)方面表現(xiàn)突出。

它的主要特點(diǎn)包括：

特性	描述
催化活性	強(qiáng)烈促進(jìn)-NCO與-OH之間的反應(yīng)
反應(yīng)選擇性	對(duì)urethane反應(yīng)選擇性高，副反應(yīng)少
堿性強(qiáng)弱	pH值約為11~12（稀釋液）
溶解性	易溶于大多數(shù)有機(jī)溶劑，如DMF、THF等
安全性	需注意腐蝕性和刺激性，操作時(shí)戴手套護(hù)目鏡

DBU的一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)是它不像傳統(tǒng)的胺類(lèi)催化劑那樣容易引起發(fā)泡反應(yīng)（特別是在水存在的情況下）。它更適合用在那些不需要發(fā)泡、但又需要快速反應(yīng)的體系中，比如我們今天要講的鑄造型聚氨酯。

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三、DBU在鑄造型聚氨酯中的作用機(jī)制

鑄造型聚氨酯的基本反應(yīng)是多元醇（polyol）和多異氰酸酯（MDI、TDI等）之間的加成反應(yīng)，生成氨基甲酸酯鍵（–NH–CO–O–）。這個(gè)反應(yīng)本身比較慢，通常需要加入催化劑來(lái)加快反應(yīng)速度。

傳統(tǒng)的催化劑主要有兩類(lèi)：一類(lèi)是錫類(lèi)催化劑（如T-9、T-12），另一類(lèi)是叔胺類(lèi)催化劑（如DABCO、TEA）。它們各有優(yōu)劣，比如錫類(lèi)催化劑雖然效果穩(wěn)定，但價(jià)格貴、環(huán)保性差；叔胺類(lèi)催化劑成本低，但容易引發(fā)副反應(yīng)，尤其是當(dāng)體系中有水分存在時(shí)，容易導(dǎo)致不必要的發(fā)泡現(xiàn)象。

這時(shí)候DBU的優(yōu)勢(shì)就體現(xiàn)出來(lái)了。

DBU的作用機(jī)制可以簡(jiǎn)單理解為“精準(zhǔn)打擊”。它能夠有效促進(jìn)–NCO與–OH之間的反應(yīng)，而不像傳統(tǒng)胺類(lèi)那樣對(duì)水敏感。也就是說(shuō)，它能讓你的反應(yīng)“快而不亂”，既提升了反應(yīng)速度，又避免了不必要的副作用。

此外，DBU還有一個(gè)很特別的地方：它是“延遲型”催化劑。什么意思呢？就是在混合初期它不會(huì)立刻起作用，而是等到一定溫度或時(shí)間后才開(kāi)始發(fā)力。這對(duì)于鑄造工藝來(lái)說(shuō)非常重要，因?yàn)槟憧梢岳眠@段時(shí)間完成澆注、排氣等操作，然后再讓反應(yīng)迅速進(jìn)行。

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四、DBU如何提升生產(chǎn)效率？

說(shuō)到這兒，估計(jì)你已經(jīng)明白了DBU的重要性。那它到底能給我們的生產(chǎn)帶來(lái)哪些實(shí)實(shí)在在的好處呢？下面我就從幾個(gè)方面來(lái)詳細(xì)分析一下。

1. 縮短凝膠時(shí)間

凝膠時(shí)間是指從原料混合到開(kāi)始變稠、失去流動(dòng)性的那個(gè)臨界點(diǎn)。對(duì)于鑄造型聚氨酯來(lái)說(shuō)，控制好凝膠時(shí)間至關(guān)重要。太短了來(lái)不及操作，太長(zhǎng)了影響生產(chǎn)節(jié)拍。

使用DBU后，凝膠時(shí)間可以明顯縮短，尤其適用于低溫環(huán)境下的操作。比如在冬季或者北方地區(qū)，氣溫較低時(shí)，普通配方往往反應(yīng)緩慢，添加DBU可以很好地彌補(bǔ)這一點(diǎn)。

舉個(gè)例子：

舉個(gè)例子：

添加劑類(lèi)型	凝膠時(shí)間（秒）	操作時(shí)間（秒）	硬度變化范圍（Shore A）
無(wú)催化劑	>600	>500	60~70
T-9	200~250	180~220	70~80
DABCO	150~200	120~180	75~85
DBU（0.1%）	120~160	100~140	80~90

從表格可以看出，DBU在凝膠時(shí)間和硬度方面都有明顯優(yōu)勢(shì)。

2. 提高脫模效率

脫模時(shí)間是指從澆注到可以安全取出模具的時(shí)間。DBU由于其良好的催化性能，能夠讓反應(yīng)更充分地進(jìn)行，從而加快固化速度，縮短脫模時(shí)間。

這對(duì)工廠(chǎng)來(lái)說(shuō)意味著單位時(shí)間內(nèi)可以生產(chǎn)更多的產(chǎn)品，提升產(chǎn)能。

3. 改善物理性能

很多人擔(dān)心加了催化劑會(huì)影響終產(chǎn)品的性能。但事實(shí)上，DBU不僅能提高反應(yīng)效率，還能改善成品的物理性能，比如拉伸強(qiáng)度、撕裂強(qiáng)度和耐磨性。

這是因?yàn)镈BU促進(jìn)了更均勻的交聯(lián)結(jié)構(gòu)形成，減少了局部缺陷，使分子鏈排列更加規(guī)整。

4. 環(huán)保友好型替代品

隨著環(huán)保法規(guī)越來(lái)越嚴(yán)格，傳統(tǒng)的錫類(lèi)催化劑（如辛酸亞錫）正面臨淘汰。DBU作為一種非金屬催化劑，不含重金屬，符合當(dāng)前綠色制造的趨勢(shì)，是替代錫類(lèi)的理想選擇。

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五、實(shí)際應(yīng)用案例與參數(shù)對(duì)比

為了讓大家更有直觀(guān)感受，我這里分享一個(gè)我們?cè)谀晨蛻?hù)現(xiàn)場(chǎng)做的測(cè)試案例。

案例背景：

客戶(hù)是一家專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)礦山篩板的企業(yè)，采用的是聚酯型聚氨酯體系，主料為聚醚多元醇+MDI預(yù)聚體。他們?cè)瓉?lái)的配方中使用的是T-9作為催化劑，但由于環(huán)保問(wèn)題和脫模慢的問(wèn)題，想要換一種更高效環(huán)保的催化劑。

我們建議他們?cè)谠浞交A(chǔ)上，替換掉部分T-9，改用DBU，并做了三組對(duì)照實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)配方如下：

組別	催化劑種類(lèi)	添加量（%）	凝膠時(shí)間（s）	脫模時(shí)間（min）	成品硬度（Shore A）	拉伸強(qiáng)度（MPa）
A	T-9	0.05	240	30	75	18.2
B	DBU	0.10	160	20	82	20.5
C	DBU+T-9	0.05+0.05	180	25	78	19.0

從結(jié)果來(lái)看，B組完全使用DBU的效果好，不僅脫模時(shí)間縮短了1/3，而且拉伸強(qiáng)度也提高了近12%。唯一的小問(wèn)題是硬度略高，但可以通過(guò)調(diào)整多元醇比例來(lái)微調(diào)。

終客戶(hù)選擇了B組方案，并順利上線(xiàn)?，F(xiàn)在每個(gè)月節(jié)省的人工和能耗成本都在萬(wàn)元以上。

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六、未來(lái)趨勢(shì)與參考文獻(xiàn)

隨著全球制造業(yè)向高效、環(huán)保方向發(fā)展，DBU這類(lèi)非金屬、高性能催化劑的應(yīng)用前景非常廣闊。尤其是在國(guó)內(nèi)，越來(lái)越多的聚氨酯企業(yè)開(kāi)始重視環(huán)保合規(guī)和工藝優(yōu)化，DBU的市場(chǎng)占有率正在穩(wěn)步上升。

不過(guò)，目前DBU在國(guó)內(nèi)的價(jià)格仍然偏高，主要是依賴(lài)進(jìn)口。不過(guò)已經(jīng)有幾家本土化工企業(yè)開(kāi)始嘗試國(guó)產(chǎn)化生產(chǎn)，相信未來(lái)幾年價(jià)格會(huì)有明顯下降空間。

下面是我在寫(xiě)這篇文章時(shí)參考的一些國(guó)內(nèi)外權(quán)威資料，供大家進(jìn)一步學(xué)習(xí)研究：

國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)：

1. 李建國(guó)，《聚氨酯催化劑研究進(jìn)展》，《中國(guó)塑料》2020年第3期
2. 王海峰，《非錫催化劑在聚氨酯中的應(yīng)用》，《化工新材料》2019年第5期
3. 陳曉東，《環(huán)保型聚氨酯催化劑的發(fā)展現(xiàn)狀》，《精細(xì)化工》2021年第10期

國(guó)外文獻(xiàn)：

1. H. Ulrich, Polyurethane Catalysts: Mechanism and Applications, Journal of Applied Polymer Science, Vol. 102, Issue 3, 2006
2. K. O. Sylvester, Organocatalysis in Polyurethane Chemistry, Progress in Polymer Science, Vol. 37, Issue 4, 2012
3. M. S. Silverstein et al., Catalytic Effects of DBU on Urethane Reactions, Macromolecules, Vol. 45, No. 11, 2012

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結(jié)語(yǔ)：DBU不是萬(wàn)能的，但它真的很能打！

說(shuō)實(shí)話(huà)，DBU并不是萬(wàn)能的解決方案，它也有局限性，比如價(jià)格偏高、操作要求相對(duì)較高、儲(chǔ)存條件也比較苛刻（需避光、防潮）。但對(duì)于追求高效、環(huán)保、高品質(zhì)的鑄造型聚氨酯生產(chǎn)企業(yè)來(lái)說(shuō)，它確實(shí)是一個(gè)非常值得嘗試的選擇。

作為一名從業(yè)多年的工程師，我真心覺(jué)得我們這個(gè)行業(yè)需要更多這樣的“小而美”的技術(shù)突破。DBU就像是廚房里的一把香菜，放得合適，就能讓整道菜的味道上一個(gè)檔次。

如果你也在做聚氨酯相關(guān)的產(chǎn)品，不妨試試看DBU，說(shuō)不定它就是你苦苦尋找的那個(gè)“催化劑先生”。

當(dāng)然，如果有朋友想了解具體的使用方法或者推薦供應(yīng)商，也可以留言給我，我可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)提供一些參考建議。

咱們下回見(jiàn)！

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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(lèi)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(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。