延遲發(fā)泡型叔胺類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)。

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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；
• 改善泡沫開孔率和回彈性；
• 減少揮發(fā)性有機(jī)物（VOC）排放。

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二、常見延遲發(fā)泡型叔胺催化劑類型及性能對(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：

類型	典型產(chǎn)品	化學(xué)名稱	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)泡沫開孔率有積極影響；
• 成本適中，性價(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、冷熟化泡沫。

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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：汽車內(nèi)飾件、兒童玩具、醫(yī)療泡沫。

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3. N,N-二甲基芐胺（DMBA）

DMBA以其強(qiáng)效的延遲特性著稱，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。

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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；
• 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。

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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。

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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：

1. 發(fā)泡系統(tǒng)的種類

   • 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)線與間歇式發(fā)泡設(shè)備也有區(qū)別。

2. 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。

3. 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？

4. 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。

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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。

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五、總結(jié)與展望

延遲發(fā)泡型叔胺類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。

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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：

1. H. Ulrich, Chemistry and Technology of Isocyanates, Wiley-VCH, 2015.
2. G. Oertel (Ed.), Polyurethane Handbook, Hanser Gardner Publications, 2nd ed., 1994.
3. J. H. Saunders, K. C. Frisch, Chemistry of Polyurethanes, CRC Press, 1962.
4. 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.
5. 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.
6. Y. Liu et al., "Development of Low-Odor Catalysts for Flexible Polyurethane Foams", Journal of Applied Polymer Science, Vol. 134, Issue 18, 2017.
7. 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

• 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。