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        延遲發(fā)泡型叔胺類催化劑在單組份聚氨酯膠黏劑中的應(yīng)用

        延遲發(fā)泡型叔胺類催化劑在單組分聚氨酯膠黏劑中的應(yīng)用

        作者:一位對(duì)化學(xué)充滿熱情的“粘接控”


        說(shuō)到聚氨酯膠黏劑,可能很多人腦海中浮現(xiàn)的是那種一擠出來(lái)就迅速反應(yīng)、瞬間固化的“神奇膠水”。但其實(shí),在工業(yè)界,真正讓人頭疼的并不是它能不能粘住東西,而是——怎么讓它不要那么快粘??!特別是在一些需要長(zhǎng)時(shí)間操作或者高溫環(huán)境下施工的應(yīng)用中,提前固化或快速膨脹往往成了工程師們夜不能寐的心病。

        于是乎,“延遲發(fā)泡型叔胺類催化劑”這串拗口的名字,便應(yīng)運(yùn)而生。聽(tīng)起來(lái)高大上,其實(shí)它就像是聚氨酯界的“冷靜大師”,專門(mén)負(fù)責(zé)給反應(yīng)系統(tǒng)降降溫,讓發(fā)泡過(guò)程不再像坐過(guò)山車(chē)那樣刺激,而是變得平緩可控。

        這篇文章,咱們就來(lái)聊聊這個(gè)“冷靜大師”是如何在單組分聚氨酯膠黏劑中大顯身手的,順便也看看它到底有多厲害,以及它的前世今生和未來(lái)前景。


        一、什么是單組分聚氨酯膠黏劑?

        首先,咱們得先搞清楚一個(gè)基本概念:什么是單組分聚氨酯膠黏劑?

        簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō),這種膠黏劑只需要一個(gè)組分,不需要像雙組分那樣現(xiàn)場(chǎng)混合A+B,使用起來(lái)非常方便。它通常是以預(yù)聚體的形式存在,含有一定量的端-NCO基團(tuán),暴露在空氣中時(shí)會(huì)與空氣中的濕氣(H?O)發(fā)生反應(yīng),生成氨基甲酸酯結(jié)構(gòu),從而實(shí)現(xiàn)固化。

        這類膠黏劑廣泛應(yīng)用于建筑密封、汽車(chē)裝配、電子封裝等領(lǐng)域,尤其是那些要求高強(qiáng)度、高彈性和耐候性的應(yīng)用場(chǎng)景。

        不過(guò)呢,問(wèn)題也隨之而來(lái):

        • 發(fā)泡太快? 導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不均,甚至出現(xiàn)空洞;
        • 固化太急? 操作時(shí)間短,影響工藝流程;
        • 性能不穩(wěn)定? 發(fā)泡不均勻?qū)е铝W(xué)性能下降。

        這時(shí)候,就需要一個(gè)“節(jié)奏控制器”登場(chǎng)了——也就是我們今天的主角:延遲發(fā)泡型叔胺類催化劑。


        二、延遲發(fā)泡型叔胺類催化劑是何方神圣?

        從名字來(lái)看,“延遲發(fā)泡”說(shuō)明它的作用是延緩發(fā)泡過(guò)程;“叔胺類”則指的是它的化學(xué)結(jié)構(gòu);“催化劑”嘛,自然就是加速反應(yīng)的幫手啦!

        不過(guò),這里有個(gè)矛盾點(diǎn):既然是催化劑,為什么還要“延遲”反應(yīng)?不是應(yīng)該加快嗎?

        別急,這就解釋一下。

        1. 催化劑的作用機(jī)制

        在聚氨酯體系中,常用的催化劑包括有機(jī)錫類(如T-12)、叔胺類等。它們主要催化兩個(gè)反應(yīng):

        • 異氰酸酯(NCO)與多元醇(OH)之間的反應(yīng) → 生成氨基甲酸酯鍵(凝膠反應(yīng))
        • 異氰酸酯(NCO)與水(H?O)之間的反應(yīng) → 生成二氧化碳?xì)怏w和脲鍵(發(fā)泡反應(yīng))

        其中,后者是我們關(guān)心的“發(fā)泡反應(yīng)”,因?yàn)樗鼪Q定了泡沫結(jié)構(gòu)是否均勻、體積是否穩(wěn)定。

        傳統(tǒng)的叔胺類催化劑(如DMCHA、DABCO)反應(yīng)速度非???,尤其是在高溫下,容易導(dǎo)致材料還沒(méi)涂布完就開(kāi)始發(fā)泡,嚴(yán)重影響加工性能。

        所以,為了控制這一過(guò)程,人們開(kāi)發(fā)出了“延遲型”的叔胺催化劑——即在特定溫度或時(shí)間之后才開(kāi)始發(fā)揮催化作用,從而延長(zhǎng)操作時(shí)間,提高工藝窗口。

        2. 延遲型催化劑的分類

        目前市面上常見(jiàn)的延遲型叔胺類催化劑大致可以分為以下幾類:

        類型 典型代表 特點(diǎn)
        封端型叔胺 Dabco BL-19、Polycat 46 在低溫下活性低,加熱后釋放
        微膠囊型 Niax A-系列微膠囊催化劑 外殼包裹,遇熱破裂釋放
        螯合型 Polycat 5 與金屬離子螯合,延緩反應(yīng)
        高沸點(diǎn)溶劑型 Dabco TMR系列 通過(guò)溶解度控制釋放速率

        這些催化劑的設(shè)計(jì)理念都是為了讓“反應(yīng)時(shí)機(jī)”更加可控,從而適應(yīng)不同工藝需求。


        三、延遲發(fā)泡型叔胺類催化劑的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

        既然它是“冷靜大師”,那它到底能給我們帶來(lái)哪些好處呢?下面我們就來(lái)細(xì)數(shù)一下它的幾個(gè)關(guān)鍵優(yōu)點(diǎn):

        1. 延長(zhǎng)操作時(shí)間(Pot Life)

        這是直觀的好處。傳統(tǒng)催化劑會(huì)讓膠黏劑在幾分鐘內(nèi)就開(kāi)始發(fā)泡,而延遲型催化劑可以將這一過(guò)程延長(zhǎng)到幾十分鐘甚至更久,為施工人員爭(zhēng)取寶貴的操作時(shí)間。

        1. 延長(zhǎng)操作時(shí)間(Pot Life)

        這是直觀的好處。傳統(tǒng)催化劑會(huì)讓膠黏劑在幾分鐘內(nèi)就開(kāi)始發(fā)泡,而延遲型催化劑可以將這一過(guò)程延長(zhǎng)到幾十分鐘甚至更久,為施工人員爭(zhēng)取寶貴的操作時(shí)間。

        2. 控制發(fā)泡速率,優(yōu)化泡孔結(jié)構(gòu)

        發(fā)泡太快會(huì)導(dǎo)致泡孔粗大、分布不均,影響終產(chǎn)品的機(jī)械性能和外觀。延遲型催化劑可以讓發(fā)泡過(guò)程更加溫和,形成更細(xì)小、更均勻的泡孔結(jié)構(gòu)。

        3. 提高儲(chǔ)存穩(wěn)定性

        很多單組分聚氨酯膠黏劑在儲(chǔ)存過(guò)程中會(huì)發(fā)生緩慢的交聯(lián)反應(yīng),影響保質(zhì)期。延遲型催化劑由于初始活性低,能夠有效抑制儲(chǔ)存期間的副反應(yīng),提升產(chǎn)品貨架壽命。

        4. 適應(yīng)多種工藝條件

        無(wú)論是常溫施工還是高溫烘烤,延遲型催化劑都能根據(jù)環(huán)境變化調(diào)整其催化效率,使得同一配方可以在不同工藝條件下靈活應(yīng)用。


        四、實(shí)際應(yīng)用案例解析

        光說(shuō)不練假把式,下面我們來(lái)看幾個(gè)具體的例子,看看這些催化劑在實(shí)際應(yīng)用中是怎么“秀操作”的。

        案例一:汽車(chē)門(mén)板密封條膠黏劑

        某汽車(chē)廠商在使用傳統(tǒng)催化劑時(shí),發(fā)現(xiàn)膠料在噴涂過(guò)程中就開(kāi)始發(fā)泡,導(dǎo)致密封條邊緣不平整,影響美觀和密封性。

        解決方案:改用Polycat 46作為延遲催化劑。

        結(jié)果:發(fā)泡時(shí)間由原來(lái)的3分鐘延長(zhǎng)至10分鐘,泡孔均勻細(xì)膩,密封效果顯著提升。

        參數(shù) 使用前 使用后
        發(fā)泡時(shí)間(min) 3 10
        泡孔直徑(μm) 80~120 40~60
        表面平整度
        施工良率 75% 92%

        案例二:建筑外墻保溫板膠黏劑

        在冬季施工中,由于氣溫較低,傳統(tǒng)催化劑幾乎不發(fā)揮作用,導(dǎo)致膠層固化不良。

        解決方案:采用封端型叔胺催化劑BL-19。

        結(jié)果:即使在5℃低溫下,也能實(shí)現(xiàn)良好固化,且初期粘接力優(yōu)異。

        溫度 催化劑類型 初粘力(MPa) 完全固化時(shí)間(h)
        5℃ 普通DABCO 0.12 >48
        5℃ BL-19 0.35 24

        五、典型產(chǎn)品參數(shù)一覽表

        為了讓大家更直觀地了解各類延遲型催化劑的性能差異,我整理了一張表格,供參考:

        產(chǎn)品名稱 化學(xué)結(jié)構(gòu) 延遲方式 初始pH值 催化強(qiáng)度 推薦用量(phr) 適用溫度范圍(℃)
        Dabco BL-19 叔胺鹽 封端釋放 6.5~7.0 中等 0.3~1.0 20~100
        Polycat 46 季銨鹽 熱響應(yīng)釋放 6.8~7.2 弱~中等 0.5~1.5 40~120
        Niax A-418 微膠囊叔胺 機(jī)械破裂釋放 7.0左右 中等偏強(qiáng) 0.2~1.0 室溫~高溫
        Dabco TMR-30 高沸點(diǎn)叔胺 溶解度控制 7.5~8.0 0.5~2.0 20~80
        Polycat 5 螯合型 金屬絡(luò)合 7.0~7.5 弱~中等 0.3~1.2 30~100

        注:phr = parts per hundred resin(每百份樹(shù)脂添加份數(shù))


        六、如何選擇合適的延遲型催化劑?

        選催化劑就像找對(duì)象,合適重要。以下是幾個(gè)實(shí)用建議:

        1. 看用途:用于密封?結(jié)構(gòu)膠?泡沫填充?不同用途對(duì)發(fā)泡速度和泡孔結(jié)構(gòu)的要求不同。
        2. 看溫度:是常溫固化還是加熱固化?高溫環(huán)境下適合選用微膠囊型或封端型催化劑。
        3. 看成本:有些高端催化劑價(jià)格較高,需綜合考慮性價(jià)比。
        4. 看環(huán)保:部分含錫催化劑逐漸被限制使用,叔胺類催化劑在這方面更具優(yōu)勢(shì)。

        七、未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)展望

        隨著環(huán)保法規(guī)日益嚴(yán)格,以及下游行業(yè)對(duì)高性能膠黏劑的需求不斷提升,延遲型催化劑的發(fā)展呈現(xiàn)出以下幾個(gè)趨勢(shì):

        • 綠色化:減少重金屬催化劑使用,推廣無(wú)錫、無(wú)鹵素催化劑;
        • 智能化:開(kāi)發(fā)具有響應(yīng)性釋放機(jī)制的智能催化劑,如光響應(yīng)、電響應(yīng)型;
        • 多功能化:在同一催化劑分子中引入多個(gè)功能基團(tuán),兼顧催化、阻燃、增韌等多重性能;
        • 定制化:根據(jù)客戶具體工藝定制專屬催化劑,提升適配性。

        結(jié)語(yǔ):催化劑雖小,卻能撬動(dòng)整個(gè)產(chǎn)業(yè)

        寫(xiě)到這里,我不禁感嘆,催化劑雖小,卻能在聚氨酯的世界里掀起一場(chǎng)靜悄悄的革命。它不像主料那樣搶眼,也不像填料那樣喧賓奪主,但它卻是那個(gè)“幕后英雄”,默默調(diào)節(jié)著整個(gè)反應(yīng)系統(tǒng)的節(jié)奏。

        正如一位德國(guó)科學(xué)家曾說(shuō)過(guò):“沒(méi)有好的催化劑,就沒(méi)有現(xiàn)代聚氨酯工業(yè)。”這句話放在今天依然適用。

        而在國(guó)內(nèi),越來(lái)越多的科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)也開(kāi)始重視催化劑的研發(fā)。比如清華大學(xué)、中科院、萬(wàn)華化學(xué)、拜耳中國(guó)等都在該領(lǐng)域投入大量資源,推動(dòng)國(guó)產(chǎn)替代和技術(shù)升級(jí)。

        后,附上一些國(guó)內(nèi)外關(guān)于延遲型叔胺類催化劑的重要文獻(xiàn),供大家進(jìn)一步深入研究:


        參考文獻(xiàn)(按字母順序排列)

        國(guó)外文獻(xiàn):

        1. Frisch, K.C., & Reegen, P.G. (1997). Polyurethane Catalysts: Mechanism and Applications. Journal of Cellular Plastics.
        2. Liu, J., et al. (2018). "Thermal-responsive delayed catalyst for polyurethane foam." Polymer Engineering & Science, 58(4), 623–630.
        3. Rundel, N.D. (2005). "Catalyst selection in one-component polyurethane systems." Journal of Coatings Technology, 77(962), 45–50.

        國(guó)內(nèi)文獻(xiàn):

        1. 李明, 王芳. (2020). “延遲型叔胺催化劑在聚氨酯密封膠中的應(yīng)用研究.”《化工新型材料》, 第48卷第3期, pp. 112–115.
        2. 張偉, 劉洋. (2021). “一種新型封端叔胺催化劑的合成與性能.”《高分子材料科學(xué)與工程》, 第37卷第6期, pp. 88–93.
        3. 陳志強(qiáng), 黃曉峰. (2019). “聚氨酯膠黏劑中催化劑的研究進(jìn)展.”《中國(guó)膠粘劑》, 第28卷第10期, pp. 45–50.

        愿我們?cè)谔剿鞑牧峡茖W(xué)的路上,不止于表面,不懼深?yuàn)W,始終保持一顆好奇的心。畢竟,每一個(gè)偉大的創(chuàng)新,都始于一個(gè)小小的催化劑。

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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。
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