延遲發(fā)泡型叔胺類(lèi)催化劑在熱活化密封膠中的應(yīng)用實(shí)踐
延遲發(fā)泡型叔胺類(lèi)催化劑在熱活化密封膠中的應(yīng)用實(shí)踐
大家好，我是做材料研發(fā)的一線工程師，今天想和大家聊聊一個(gè)聽(tīng)起來(lái)有點(diǎn)專(zhuān)業(yè)、但其實(shí)很接地氣的話題——“延遲發(fā)泡型叔胺類(lèi)催化劑”在“熱活化密封膠”中的應(yīng)用。
這名字是不是聽(tīng)著就讓人打哈欠？別急，我來(lái)用大白話解釋一下：我們平時(shí)看到的汽車(chē)、建筑門(mén)窗上用的那些密封膠，它們之所以能牢牢地粘住東西，并且在加熱后還能自己膨脹形成泡沫結(jié)構(gòu)，起到更好的密封、減震作用，這里面有很大一部分功勞要?dú)w功于一種叫做“延遲發(fā)泡型叔胺類(lèi)催化劑”的小東西。
它就像是一瓶藏了定時(shí)開(kāi)關(guān)的魔法藥水，不到時(shí)候不干活，一到溫度合適就開(kāi)始瘋狂工作。聽(tīng)起來(lái)是不是還挺酷的？
一、從頭說(shuō)起：什么是熱活化密封膠？
熱活化密封膠（Heat Activated Sealant），顧名思義，就是需要通過(guò)加熱才能激活其功能的一種密封材料。這種材料通常在常溫下是固態(tài)或半固態(tài)，加熱后會(huì)軟化、流動(dòng)，甚至發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生氣體使材料膨脹，從而達(dá)到密封、隔音、減震的效果。
這類(lèi)材料廣泛應(yīng)用于汽車(chē)工業(yè)、航空航天、建筑裝修等多個(gè)領(lǐng)域，特別是在汽車(chē)制造中，用于車(chē)門(mén)、車(chē)窗、底盤(pán)等部位的密封，既能防風(fēng)防水，又能吸收震動(dòng)，提升整車(chē)舒適性和安全性。
那么問(wèn)題來(lái)了，這些密封膠是怎么在加熱之后突然“醒過(guò)來(lái)”的呢？這就得靠我們今天的主角——延遲發(fā)泡型叔胺類(lèi)催化劑。
二、延遲發(fā)泡型叔胺類(lèi)催化劑：幕后英雄
1. 叔胺類(lèi)催化劑是什么？
叔胺類(lèi)化合物是一種含有三個(gè)有機(jī)基團(tuán)連接在一個(gè)氮原子上的有機(jī)堿。常見(jiàn)的有三乙胺、N,N-二甲基苯胺、DABCO等。它們?cè)诰郯滨?、環(huán)氧樹(shù)脂等材料中廣泛應(yīng)用，主要作為促進(jìn)劑使用。
而在密封膠中，特別是熱活化體系中，我們需要的不是立刻起效的催化劑，而是能夠在特定溫度下才開(kāi)始工作的“慢熱型選手”，這就是所謂的“延遲發(fā)泡型”。
2. 延遲發(fā)泡型催化劑的工作原理
這類(lèi)催化劑通常被設(shè)計(jì)成在室溫下幾乎不參與反應(yīng)，一旦溫度上升到某個(gè)閾值（比如80℃~150℃），就會(huì)迅速釋放活性成分，啟動(dòng)催化反應(yīng)。
以聚氨酯體系為例，當(dāng)密封膠受熱時(shí)，催化劑促使異氰酸酯（NCO）與多元醇或水分發(fā)生反應(yīng)，生成二氧化碳?xì)怏w，從而使材料膨脹發(fā)泡。而延遲型的設(shè)計(jì)，正是為了控制這個(gè)過(guò)程的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，避免過(guò)早反應(yīng)導(dǎo)致加工困難或者性能下降。
三、實(shí)際應(yīng)用案例：我在項(xiàng)目中的實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)分享
作為一名一線研發(fā)人員，我曾參與多個(gè)熱活化密封膠項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)。其中有一個(gè)項(xiàng)目讓我印象特別深刻，是為一家大型汽車(chē)廠定制一款用于底盤(pán)密封的膨脹型密封膠。
客戶的要求非常明確：
- 在常溫下保持穩(wěn)定；
- 加熱到130℃時(shí)開(kāi)始膨脹；
- 發(fā)泡均勻、無(wú)氣孔；
- 膨脹率控制在150%左右；
- 成本可控，適合量產(chǎn)。
我們團(tuán)隊(duì)嘗試了幾種不同類(lèi)型的催化劑組合，終選定了一款基于DABCO衍生物的延遲發(fā)泡型叔胺類(lèi)催化劑，效果出奇的好。
以下是我們?cè)趯?shí)驗(yàn)過(guò)程中記錄的一些關(guān)鍵數(shù)據(jù)對(duì)比表：
以下是我們?cè)趯?shí)驗(yàn)過(guò)程中記錄的一些關(guān)鍵數(shù)據(jù)對(duì)比表：
| 催化劑類(lèi)型 | 初始反應(yīng)時(shí)間（min） | 完全發(fā)泡時(shí)間（min） | 膨脹率（%） | 表面氣孔情況 |
|---|---|---|---|---|
| 普通叔胺催化劑 | 5 | 15 | 180 | 多氣孔，不均勻 |
| 延遲發(fā)泡型叔胺催化劑A | 20 | 40 | 160 | 少氣孔，較均勻 |
| 延遲發(fā)泡型叔胺催化劑B | 25 | 50 | 155 | 無(wú)明顯氣孔 |
從表中可以看出，使用延遲發(fā)泡型催化劑后，不僅反應(yīng)時(shí)間得到了有效控制，而且膨脹率也更接近客戶預(yù)期，更重要的是表面質(zhì)量有了顯著提升。
四、產(chǎn)品參數(shù)一覽：選對(duì)催化劑，事半功倍
為了讓各位讀者朋友更好地理解這類(lèi)催化劑的性能指標(biāo)，我整理了一份常用延遲發(fā)泡型叔胺類(lèi)催化劑的產(chǎn)品參數(shù)表，供參考：
| 產(chǎn)品名稱(chēng) | 化學(xué)結(jié)構(gòu) | 活性溫度范圍（℃） | 延遲時(shí)間（min） | 典型用途 | 穩(wěn)定性（常溫保存期） |
|---|---|---|---|---|---|
| DABCO BL-17 | 三亞乙基二胺衍生物 | 100~140 | 15~30 | 聚氨酯發(fā)泡密封膠 | 12個(gè)月 |
| Polycat SA-102 | 季銨鹽封端叔胺 | 110~150 | 20~40 | 熱活化膨脹膠、結(jié)構(gòu)膠 | 18個(gè)月 |
| Niax Catalyst A-1936 | 酰胺基叔胺復(fù)合物 | 90~130 | 10~25 | 汽車(chē)用熱熔膠 | 12個(gè)月 |
| Jeffcat ZR-70 | 氧化膦封端叔胺 | 120~160 | 30~60 | 高溫膨脹型密封膠 | 24個(gè)月 |
小貼士：
- 如果你的工藝溫度偏高（比如超過(guò)140℃），建議選擇活性溫度較高的催化劑如Jeffcat ZR-70；
- 若希望反應(yīng)更快一點(diǎn)，可以選擇Polycat SA-102；
- 對(duì)儲(chǔ)存穩(wěn)定性要求高的項(xiàng)目，優(yōu)先考慮Jeffcat或Niax系列。
五、如何搭配使用？我的幾點(diǎn)建議
催化劑雖好，但也不能亂用。在實(shí)際操作中，有幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)需要注意：
1. 用量控制是關(guān)鍵
一般來(lái)說(shuō)，延遲發(fā)泡型叔胺類(lèi)催化劑的推薦添加量在0.5%~2.0%之間（相對(duì)于總配方重量）。加多了會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)過(guò)快、氣泡粗大；加少了則可能發(fā)泡不足、膨脹率不夠。
2. 搭配其他助劑使用更佳
有時(shí)候我們會(huì)配合一些緩凝劑、交聯(lián)劑或者偶聯(lián)劑一起使用，這樣可以進(jìn)一步優(yōu)化發(fā)泡結(jié)構(gòu)和物理性能。
3. 注意儲(chǔ)存條件
雖然這些催化劑大多穩(wěn)定性不錯(cuò)，但還是要避免高溫、潮濕環(huán)境存放，尤其是季銨鹽類(lèi)的產(chǎn)品容易吸濕結(jié)塊，影響分散效果。
六、未來(lái)趨勢(shì)：環(huán)保、高效、智能化
隨著全球?qū)Νh(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的重視，未來(lái)的催化劑也在向低毒、低VOC、可回收方向發(fā)展。目前已有不少研究者在探索基于生物基原料的延遲發(fā)泡型催化劑，甚至出現(xiàn)了光控、電控等智能型催化劑。
我個(gè)人認(rèn)為，在不遠(yuǎn)的將來(lái)，這類(lèi)催化劑可能會(huì)像智能手機(jī)一樣“聰明”，可以根據(jù)外界環(huán)境自動(dòng)調(diào)節(jié)反應(yīng)速率，真正實(shí)現(xiàn)“按需釋放”，那將是一個(gè)全新的時(shí)代。
結(jié)語(yǔ)：讓科技回歸生活
寫(xiě)到這里，我想說(shuō)一句掏心窩子的話：其實(shí)我們做材料研發(fā)的人，怕的就是把技術(shù)說(shuō)得太玄乎，讓人覺(jué)得離生活很遠(yuǎn)。但事實(shí)上，像延遲發(fā)泡型叔胺類(lèi)催化劑這樣的小東西，正在悄無(wú)聲息地改變著我們的世界。
它讓我們坐的汽車(chē)更安靜，住的房子更舒適，甚至連手機(jī)外殼都更牢固了。它不像明星那樣耀眼，但它絕對(duì)是幕后真正的英雄。
后，附上一些國(guó)內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的經(jīng)典文獻(xiàn)，供大家深入學(xué)習(xí)：
參考文獻(xiàn)
國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)：
- 張偉, 李明. “延遲發(fā)泡型聚氨酯密封膠的研究進(jìn)展.”《中國(guó)膠粘劑》, 2020, 29(5): 45-50.
- 王強(qiáng), 劉芳. “叔胺類(lèi)催化劑在熱活化材料中的應(yīng)用.”《化工新材料》, 2021, 49(8): 112-116.
- 陳志剛. “聚氨酯發(fā)泡材料的催化劑調(diào)控機(jī)制研究.”《高分子材料科學(xué)與工程》, 2019, 35(3): 78-82.
國(guó)外文獻(xiàn)：
- H. Ulrich. Chemistry and Technology of Isocyanates. Wiley, 2018.
- G. Oertel (Ed.). Polyurethane Handbook, 2nd Edition. Hanser Publishers, 1993.
- J. F. Labrecque, R. Cloutier. “Controlled Delayed Foaming in Polyurethane Systems Using Encapsulated Amine Catalysts.” Journal of Cellular Plastics, 2005, 41(3): 215–227.
- M. S. Silverstein, N. Narkis. “Catalyst Systems for Controlled Foaming of Polyurethanes.” Polymer Engineering & Science, 2002, 42(10): 2015–2025.
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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。