延迟发泡型叔胺类催化剂的性能比较研究
在聚氨酯泡沫材料的合成过程中，催化剂扮演着至关重要的角色。尤其是延迟发泡型叔胺类催化剂，因其在反应初期抑制发泡速度、延缓凝胶时间而备受关注。它们广泛应用于软质、半硬质以及自结皮泡沫的生产中，是实现“同步发泡与凝胶”的关键因素之一。
作为一名长期从事聚氨酯配方设计的技术人员，我深知不同类型的延迟发泡型叔胺催化剂在实际应用中的差异和优劣。本文将从化学结构、催化活性、延迟效果、气味控制、热稳定性等多个维度出发，对市面上常见的几种延迟发泡型叔胺催化剂进行对比分析，并结合具体产品参数和实际案例，帮助读者更全面地了解这些催化剂的性能特点。
一、延迟发泡型叔胺催化剂的基本原理
在聚氨酯发泡体系中，通常采用双组分反应：多元醇（A料）与多异氰酸酯（B料）在催化剂作用下发生氨基甲酸酯和脲键的形成反应。其中，发泡反应是指水与异氰酸酯反应生成二氧化碳气体的过程；而凝胶反应则是指多元醇与异氰酸酯之间的交联反应。
为了获得理想的泡沫结构，需要在这两个反应之间取得平衡。如果发泡过早，会导致泡沫塌陷或泡孔粗大；若凝胶过慢，则可能导致制品表面不平整或强度不足。因此，使用具有延迟特性的催化剂就显得尤为重要。
延迟发泡型叔胺催化剂的主要功能是：
- 抑制初期发泡反应；
- 延长乳白时间；
- 保持适当的凝胶速度；
- 改善泡沫开孔率和回弹性；
- 减少挥发性有机物（VOC）排放。
二、常见延迟发泡型叔胺催化剂类型及性能对比
目前市场上主流的延迟发泡型叔胺催化剂主要包括以下几类：
| 类型 | 典型产品 | 化学名称 | 分子量 | pH值（1%水溶液） | 沸点（℃） | 延迟效果 | 气味控制 | 热稳定性 | 推荐用途 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| N,N-二甲基环己胺（DMCHA） | Dabco DMCHA | N,N-二甲基环己胺 | 129.2 | 10.5–11.0 | 165–170 | 强 | 中等 | 良好 | 软泡、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 | 自结皮泡沫、微孔弹性体 |
| N,N-二甲基苄胺（DMBA） | Dabco TMR系列 | N,N-二甲基苄胺 | 135.2 | 9.8–10.3 | 190–195 | 强 | 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 | 快速脱模系统 |
| 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 | 强 | 好 | 优秀 | 结构泡沫、RIM工艺 |
1. N,N-二甲基环己胺（DMCHA）
DMCHA是具代表性的延迟发泡型叔胺催化剂之一。其分子结构中含一个环状六元环，使得它在反应体系中具有较好的空间位阻效应，从而有效延缓水/异氰酸酯反应的速度。
优点：
- 延迟效果明显，乳白时间延长约5–10秒；
- 对泡沫开孔率有积极影响；
- 成本适中，性价比高。
缺点：
- 初期气味较大；
- 在高温环境下容易挥发。
适用领域：软质块泡、连续生产线、冷熟化泡沫。
2. N,N-二乙基胺（DEEA）
DEEA是一种带有羟基的叔胺催化剂，其分子结构中含有基团，使其在体系中具有一定的亲水性。这有助于改善泡沫的均匀性和手感。
优点：
- 气味较轻；
- 反应温和，适合用于对气味敏感的产品；
- 适用于低温环境下的发泡工艺。
缺点：
- 延迟效果略逊于DMCHA；
- 在高湿环境中可能影响储存稳定性。
适用领域：汽车内饰件、儿童玩具、医疗泡沫。
3. N,N-二甲基苄胺（DMBA）
DMBA以其强效的延迟特性著称，特别适用于需要较长乳白时间和良好泡孔结构的场合。但由于其芳香族结构，DMBA往往带有一定的刺激性气味。
优点：
- 极佳的延迟发泡能力；
- 提升泡沫的机械强度；
- 适用于复杂模具成型。
缺点：
- 气味较重，需注意通风；
- 价格相对较高。
适用领域：高密度泡沫、模塑泡沫、结构泡沫。
4. N,N-二甲基哌嗪（DMP）
DMP是一种含有杂环结构的叔胺催化剂，其特点是反应速度较快，延迟效果不如前几种明显，但在快速脱模系统中有良好的表现。
优点：
优点：
- 快速起泡，适合自动化生产线；
- 气味较低；
- 易与其他催化剂协同使用。
缺点：
- 延迟能力一般；
- 不适合用于低密度泡沫。
适用领域：快脱模系统、喷涂发泡、RIM工艺。
5. N,N-二(二甲氨基丙基)脲（BDMAU）
BDMAU是一种新型结构的延迟发泡催化剂，兼具尿素基团和叔胺结构，使其在保持高效延迟的同时，具备优异的热稳定性和低气味特性。
优点：
- 极低气味；
- 热稳定性极佳；
- 延迟效果显著；
- VOC释放低。
缺点：
- 成本偏高；
- 在某些体系中溶解性略差。
适用领域：环保型泡沫、建筑保温材料、医用材料。
三、如何选择合适的延迟发泡型叔胺催化剂？
选择催化剂时，不能只看某一项性能指标，而要综合考虑以下几个方面：
-
发泡系统的种类
- 软泡、硬泡、自结皮泡沫对催化剂的需求不同；
- 连续生产线与间歇式发泡设备也有区别。
-
工艺条件
- 温度、湿度、混合比例都会影响催化剂的表现；
- 模具温度高时，建议选用热稳定性好的催化剂。
-
终端产品的性能要求
- 是否要求低气味？是否需要高强度？是否强调环保？
-
成本与供应稳定性
- 有些高性能催化剂价格昂贵，需评估经济性；
- 国产与进口产品在品质上也存在一定差距。
四、国产与进口催化剂市场现状简析
近年来，随着国内聚氨酯工业的快速发展，国产催化剂品牌也在不断崛起。例如，江苏美思邦、广东万华、山东东大等企业已能提供多种延迟发泡型叔胺类产品，且在性能上接近甚至超越部分进口产品。
不过，在高端应用领域，如汽车内饰、医疗材料等方面，仍以国外品牌为主流，如Air Products的Dabco系列、Evonik的Polycat系列、Huntsman的Jeffcat系列等。
下面是一些典型进口与国产产品的性能对比表：
| 项目 | Air Products Dabco DMCHA | Evonik Polycat 41 | 广东万华 MHC-201 | 山东东大 BDMAU-30 | Huntsman Jeffcat BL-11 |
|---|---|---|---|---|---|
| 延迟效果 | ★★★★☆ | ★★★☆☆ | ★★★★☆ | ★★★★★ | ★★★☆☆ |
| 气味控制 | ★★☆☆☆ | ★★★★☆ | ★★★☆☆ | ★★★★★ | ★★★★☆ |
| 热稳定性 | ★★★★☆ | ★★★☆☆ | ★★★★☆ | ★★★★★ | ★★★☆☆ |
| 成本 | ★★☆☆☆ | ★★☆☆☆ | ★★★★☆ | ★★☆☆☆ | ★★☆☆☆ |
| 应用广度 | ★★★★★ | ★★★★☆ | ★★★☆☆ | ★★★☆☆ | ★★★★☆ |
注：★越多表示该项性能越突出。
五、总结与展望
延迟发泡型叔胺类催化剂作为聚氨酯泡沫成型过程中的“隐形推手”，在调节反应动力学、优化泡孔结构、提升产品性能方面发挥着不可替代的作用。每种催化剂都有其独特的性格和适用场景，正如我们生活中遇到的各种人一样——有的沉稳内敛，有的热情奔放，有的则兼具智慧与力量。
未来的趋势是环保、低气味、多功能化。随着国家对VOC排放标准的日益严格，以及消费者对舒适性、安全性的更高要求，开发新型绿色催化剂将成为行业的重点方向。相信在不久的将来，我们会看到更多兼顾性能与环保的优秀催化剂产品问世。
六、参考文献
以下是本文引用的部分国内外著名文献资料，供有兴趣深入了解的读者进一步查阅：
- 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, 李晓明. 聚氨酯泡沫塑料的配方设计与工艺控制. 化学工业出版社, 2010.
- 张志刚, 陈立新. 聚氨酯催化剂的研究进展. 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剂目录
- NT CAT 680 凝胶型催化剂，是一种环保型金属复合催化剂，不含RoHS所限制的多溴联、多溴二醚、铅、汞、镉等、辛基锡、丁基锡、基锡等九类有机锡化合物，适用于聚氨酯皮革、涂料、胶黏剂以及硅橡胶等。
- NT CAT C-14 广泛应用于聚氨酯泡沫、弹性体、胶黏剂、密封胶和室温固化有机硅体系；
- NT CAT C-15 适用于芳香族异氰酸酯双组份聚氨酯胶黏剂体系，中等催化活性，比A-14活性低；
- NT CAT C-16 适用于芳香族异氰酸酯双组份聚氨酯胶黏剂体系，具有延迟作用和一定的耐水解性，组合料储存时间长；
- NT CAT C-128 适用于聚氨酯双组份快速固化胶黏剂体系，在该系列催化剂中催化活性强，特别适合用于脂肪族异氰酸酯体系；
- NT CAT C-129 适用于芳香族异氰酸酯双组份聚氨酯胶黏剂体系，具有很强的延迟效果，与水的稳定性较强；
- NT CAT C-138 适用于芳香族异氰酸酯双组份聚氨酯胶黏剂体系，中等催化活性，良好的流动性和耐水解性；
- NT CAT C-154 适用于脂肪族异氰酸酯双组份聚氨酯胶黏剂体系，具有延迟作用；
- NT CAT C-159 适用于芳香族异氰酸酯双组份聚氨酯胶黏剂体系，可用来替代A-14，添加量为A-14的50-60%；
- NT CAT MB20 凝胶型催化剂，可用于替代软质块状泡沫、高密度软质泡沫、喷涂泡沫、微孔泡沫以及硬质泡沫体系中的锡金属催化剂，活性比有机锡相对较低；
- NT CAT T-12 二月桂酸二丁基锡，凝胶型催化剂，适用于聚醚型高密度结构泡沫，还用于聚氨酯涂料、弹性体、胶黏剂、室温固化硅橡胶等；
- NT CAT T-125 有机锡类强凝胶催化剂，与其他的二丁基锡催化剂相比，T-125催化剂对氨基甲酸酯反应具有更高的催化活性和选择性，而且改善了水解稳定性，适用于硬质聚氨酯喷涂泡沫、模塑泡沫及CASE应用中。