催化劑在聚氨酯中作用巨大

催化劑是一種能改變化學反應速度而自身不被消耗的物質。好的催化劑應具備以下特點：1.增加反應的選擇性；2.降低能耗即加快反應速度；3.減少操作步驟，減少副產物即促使原料完全變成目標產物。

在聚氨酯化學中自從發現了二異氰酸酯與羥基化合物反應制得硬質泡沫塑料，涂料和膠粘劑以來聚氨酯產品的應用已遍布各個領域。目前還在開發更廣泛的應用。

需求總是促進科學研究的發展。就以聚氨酯硬泡為例，在所有保溫材料中雖然聚氨酯泡沫塑料各方面的性能好，而成本也高，其中一個原因是制品整體密度高;在生產工藝上雖然靈活方便但物料在反應過程中對操作工藝條件的敏感性使制品質量波動，需要經常地調整配方，對于制品生產廠造成損失，當然有些問題增加投料量也是解決問題的一種方法，其結果以增加成本為代價;聚氨酯耐溫不能超過120度；在阻燃性上加了阻燃劑效果阻燃性達到B2級。在應用上想說愛你，都難。正是這些弱點成為聚氨酯泡沫塑料發展的瓶頸。要解決這一瓶頸的問題就要先了解目前影響質量波動和高密度等問題的因素。

從模塑泡沫成型特征看，發泡時是注料操作，泡沫就有流動的問題，如果泡沫流動的不好在制品中泡沫的密度就不一致，這時就要用多投料的方法使密度低處也能達到合格的強度和表皮。怎樣達到密度一致，在發泡反應的過程中控制泡沫的流動性是一個途徑，為什么環境工藝條件對制品質量影響那么大。催化劑在其中的作用是什么。

從聚氨酯化學特征看顧名思義聚氨酯即聚氨基甲酸酯，是異氰酸酯與羥基化合物反應的產物，加入水可以生成脲基和二氧化碳而發泡生成泡沫塑料，催化劑起著重要的作用，催化劑不僅能加速反應速度，而且是發泡工藝的重要的控制手段。選擇恰當的催化劑體系能使在鏈增長反應(異氰酸酯-羥基反應)和發泡反應(異氰酸酯-水反應)二者之間建立較好的平衡，使聚合物的形成和氣體產生的速率相互平衡，在發氣反應的同時泡沫壁具有足夠的強度，將氣體有效的包囊在泡沫體內，發泡完成后凝固成型。

目前有兩大類催化劑：叔胺類和有機金屬鹽類催化劑，叔胺類催化劑以三乙烯二胺，NN-二甲基環己胺為代表，有機金屬有有機錫類和羧酸鹽類。雖然目前已有很多上述類型催化劑可用，人們也在根據催化活性的強弱反復地試驗，以澆注成型為例人們要根據制品的形狀大小控制發泡和固化的時間，要在這兩類催化劑中反復的調節尋找發泡和凝膠的平衡以期增加泡沫的流動性和成型。然而因聚氨基甲酸酯所顧有的彈性韌性，使泡沫在發泡中后期泡沫被拉長，這就是所謂的拉絲現象，使所得制品在澆注料之處泡沫密度大，拉絲處密度小，雖然也可固化成型，但受外界影響仍有變形的可能，如果為了增加交聯多加水，和異氰酸酯生成脲低聚物，又會使泡沫酥脆。人們為防止變形，除了增加密度就是 加熱模具增加熟化時間。

舉例說明：保溫管發泡為例，首先要考慮生產需要有一定的注料時間，如果物料發泡太快，來不及拔出注料槍，而且也可能泡沫分布不好，這時候的情況就是，將起發乳白的催化劑用量減少，這時物料起發慢了，雖然前期好操作，但泡沫流動過程中熱量不夠，起泡就不充分，除了多投料泡沫密度變大而費料以外，固化，熟化也慢，要延長時間脫模，此時如果增加固化催化劑就有可能降低發泡的流動性而使泡沫分布不均勻，拔絲多，料發不到頭。要得到完整的制品就要在各種催化劑之間取舍如果環境溫度變化了還可能改變了發泡和凝膠固化的時間平衡，而影響質量。無論怎樣調配方總是管的中間密度大量端的密度小差別都超過20–30%，這就是現有催化劑既忙乎人又費料。

那么能不能使泡沫密度均勻一致，泡沫不被拉絲，并且快速熟化且熟化后不再變形加水多也不脆呢，如何解決造成聚氨酯發展的瓶頸的更多的問題呢?

我想問題還是要從影響內部反應的催化劑入手。實際上我們目前僅利用了 生成聚氨基甲酸酯這一級反應，有一些較弱的改性反應，但都沒有質的變化。如果研究透了異氰酸酯，充分利用其各個反應且研發異氰酸酯的各個反應的催化劑控制反應向著我們需要的方向進行，得到我們所需要的目標產物，突破聚氨酯泡沫塑料發展的瓶頸是有可能的。

要研究催化劑就要先好好研究反應主導原料異氰酸酯的特性，異氰酸酯具有較多的不飽和基團-N=C=O，是一類反應性極高的化合物。它的一些反應特點：異氰酸酯可以和幾乎所有的活潑氫反應但難易程度不一，與羥基，水的反應在25—50°C就能生成聚氨基甲酸酯和脲基;與胺類的反應無需催化劑，而氨基甲酸酯和脲基上等還有活潑氫還可以異氰酸酯進行反應，如果說前面的反應叫做一級反應那么后者就稱為二級或二階反應，這類反應必須給更高的能量才能進行，一般需要100－140度的高溫才能反應所生成的聚脲基甲酸酯和聚脲縮二脲，對制品的品性有著很大的影響，使聚合物以單一的線性結構發展至含有部分支鏈交聯型的網狀結構，從而改善了制品的力學性能。

異氰酸酯的三聚體是六節環的異氰脲酸酯也是提高制品強度耐熱性的結構，生成聚異氰脲酸酯需要大于150度。傳統催化劑中因無對以上二級反應三聚反應的有效的催化劑，所以在聚氨酯泡沫塑料的產品時常需在中后期經高溫停放過程就是為了形成交聯，即熟化以便改善制品的強度和永久變形等性能。

實際上異氰酸酯的二級反應需要一類能給異氰酸酯更高的能量的催化劑使其配合一級反應催化劑與一級反應同步或協調進行并能與生成的一級產物相容而利于二級反應的進行，催化劑既要有高的反應選擇性，能將所有的二級反應和三聚反應進行到底，生成聚氨酯聚脲基甲酸酯聚異氰脲酸酯聚脲。若能研發這類催化劑，將是聚氨酯的一場革命，聚氨酯就可以改名為聚脲氨酯即聚異氰脲酸基聚脲基氨基甲酸酯，它的發泡路線就不是那種改性的路線，即生成氨基甲酸酯后生成聚異氰脲基或脲酸酯，而是同步接續的反應所以更利于泡沫的形成和獨立性因為鏈增長和網絡的形成是同時進行，異氰酸酯永遠是跑在多元醇合物的前面，所以不論在哪里注料，泡沫總是均勻地向四周分布，只要異氰酸酯足夠和這樣的催化劑是足夠的，反應到完成泡沫也不會有拔絲現象。所以所得的泡沫制品總體密度就可以降低，強度可大幅度提高，其反應完成就是固化之時熟化也隨即完成。所得產物泡沫制品可以不用后期的高溫停放，表皮自然不脆，而且強度高，泡沫尺寸穩定性好。而且能耐高溫可超過150度，異氰酸酯的指數足夠的話可提高阻燃等級。

開發這類反應的催化劑將有望突破聚氨酯發展的瓶頸。找到了目標產物和所要進行的反應了，尋找什么樣的化合物作為催化劑將是艱巨的任務，這類催化劑的問世將是聚氨酯泡沫塑料行業的福音。期待!