催化剂在聚氨酯中的作用及展望2017-05-22 10:14催化剂是一种能改变化学反应速度而自身不被消耗的物质。好的催化剂应具备以下特点：1.增加反应的选择性;2.降低能耗即加快反应速度;3.减少 操作步骤，减少副产物即促使原料完全变成目标产物。在聚氨酯发泡剂化学中自从发现了二异氰酸酯与羟基化合物反应制得硬质泡沫塑料，涂料和胶粘剂以来聚氨酯发泡剂产 品的应用已遍布各个领域。目前还在开发更广泛的应用。
需求总是促进科学研究的发展。就以聚氨酯发泡剂硬泡为例，在所有保温材料中虽然聚氨酯发泡剂泡沫塑料各方面的性能最好，而成本也最高，其中一个原因是制品整体密度 高;在生产工艺上虽然灵活方便但物料在反应过程中对操作工艺条件的敏感性使制品质量波动，需要经常地调整配方，对于制品生产厂造成损失，当然有些问题增加 投料量也是解决问题的一种方法，其结果以增加成本为代价;聚氨酯发泡剂耐温不能超过120度;在阻燃性上加了阻燃剂效果阻燃性达到B2级。在应用上想说爱你，都 难。正是这些弱点成为聚氨酯发泡剂泡沫塑料发展的瓶颈。要解决这一瓶颈的问题就要先了解目前影响质量波动和高密度等问题的因素。从模塑泡沫成型特征看，发泡时是注料操作，泡沫就有流动的问题，如果泡沫流动的不好在制品中泡沫的密度就不一致，这时就要用多投料的方法使密度低处也能 达到合格的强度和表皮。怎样达到密度一致，在发泡反应的过程中控制泡沫的流动性是一个途径，为什么环境工艺条件对制品质量影响那么大。催化剂在其中的作用 是什么。
从聚氨酯发泡剂化学特征看顾名思义聚氨酯发泡剂即聚氨基甲酸酯，是异氰酸酯与羟基化合物反应的产物，加入水可以生成脲基和二氧化碳而发泡生成泡沫塑料，催化剂起着重 要的作用，催化剂不仅能加速反应速度，而且是发泡工艺的重要的控制手段。选择恰当的催化剂体系能使在链增长反应(异氰酸酯-羟基反应)和发泡反应(异氰酸 酯-水反应)二者之间建立较好的平衡，使聚合物的形成和气体产生的速率相互平衡，在发气反应的同时泡沫壁具有足够的强度，将气体有效的包囊在泡沫体内，发 泡完成后凝固成型。目前有两大类催化剂：叔胺类和有机金 属盐类催化剂，叔胺类催化剂以三乙烯二胺，NN-二甲基环己胺为代表，有机金属有有机锡类和羧酸盐类。虽然目前已有很多上述类型催化剂可用，人们也在根据 催化活性的强弱反复地试验，以浇注成型为例人们要根据制品的形状大小控制发泡和固化的时间，要在这两类催化剂中反复的调节寻找发泡和凝胶的平衡以期增加泡 沫的流动性和成型。然而因聚氨基甲酸酯所顾有的弹性韧性，使泡沫在发泡中后期泡沫被拉长，这就是所谓的拉丝现象，使所得制品在浇注料之处泡沫密度大，拉丝 处密度小，虽然也可固化成型，但受外界影响仍有变形的可能，如果为了增加交联多加水，和异氰酸酯生成脲低聚物，又会使泡沫酥脆。人们为防止变形，除了增加 密度就是 加热模具增加熟化时间。
举例说明：保温管发泡为例，首先要考虑生产需要有一定的注料时间，如果物料发泡太快，来不及拔出注料枪，而且也可能泡沫分布不好，这时候的情况就是，将 起发乳白的催化剂用量减少，这时物料起发慢了，虽然前期好操作，但泡沫流动过程中热量不够，起泡就不充分，除了多投料泡沫密度变大而费料以外，固化，熟化 也慢，要延长时间脱模，此时如果增加固化催化剂就有可能降低发泡的流动性而使泡沫分布不均匀，拔丝多，料发不到头。要得到完整的制品就要在各种催化剂之间 取舍如果环境温度变化了还可能改变了发泡和凝胶固化的时间平衡，而影响质量。无论怎样调配方总是管的中间密度大量端的密度小差别都超过20--30%，这 就是现有催化剂既忙乎人又费料。
那么能不能使泡沫密度均匀一致，泡沫不被拉丝，并且快速熟化且熟化后不再变形加水多也不脆呢，如何解决造成聚氨酯发泡剂发展的瓶颈的更多的问题呢?我想问题还是要从影响内部反应的催化剂入手。实际上我们目前仅利用了 生成聚氨基甲酸酯这一级反应，有一些较弱的改性反应，但都没有质的变化。如果研究透了异氰酸酯，充分利用其各个反应且研发异氰酸酯的各个反应的催化剂控制 反应向着我们需要的方向进行，得到我们所需要的目标产物，突破聚氨酯发泡剂泡沫塑料发展的瓶颈是有可能的。要研究催化剂就要先好好研究反应主导原料异氰酸酯的特性，异氰酸酯具有较多的不饱和基团-N=C=O，是一类反应性极高的化合物。它的一些反应特点：异 氰酸酯可以和几乎所有的活泼氢反应但难易程度不一，与羟基，水的反应在25—50°C就能生成聚氨基甲酸酯和脲基;与胺类的反应无需催化剂，而氨基甲酸酯 和脲基上等还有活泼氢还可以异氰酸酯进行反应，如果说前面的反应叫做一级反应那么后者就称为二级或二阶反应，这类反应必须给更高的能量才能进行，一般需要 100-140度的高温才能反应所生成的聚脲基甲酸酯和聚脲缩二脲，对制品的品性有着很大的影响，使聚合物以单一的线性结构发展至含有部分支链交联型的网状结构，从而改善了制品的力学性能。
异氰酸酯的三聚体是六节环的异氰脲酸酯也是提高制品强度耐热性的结构，生成聚异氰脲酸酯需要大于150度。传统催化剂中因无对以上二级反应三聚反应的有 效的催化剂，所以在聚氨酯发泡剂泡沫塑料的产品时常需在中后期经高温停放过程就是为了形成交联，即熟化以便改善制品的强度和永久变形等性能。实际上异氰酸酯的二级反应需要一类能给异氰酸酯更高的能量的催化剂使其配合一级反应催化剂与一级反应同步或协调进行并能与生成的一级产物相容而利于二级 反应的进行，催化剂既要有高的反应选择性，能将所有的二级反应和三聚反应进行到底，生成聚氨酯发泡剂聚脲基甲酸酯聚异氰脲酸酯聚脲。若能研发这类催化剂，将是聚 氨酯的一场革命，聚氨酯发泡剂就可以改名为聚脲氨酯即聚异氰脲酸基聚脲基氨基甲酸酯，它的发泡路线就不是那种改性的路线，即生成氨基甲酸酯最后生成聚异氰脲基或 脲酸酯，而是同步接续的反应所以更利于泡沫的形成和独立性因为链增长和网络的形成是同时进行，异氰酸酯永远是跑在多元醇合物的前面，所以不论在哪里注料， 泡沫总是均匀地向四周分布，只要异氰酸酯足够和这样的催化剂是足够的，反应到完成泡沫也不会有拔丝现象。所以所得的泡沫制品总体密度就可以降低，强度可大 幅度提高，其反应完成就是固化之时熟化也随即完成。所得产物泡沫制品可以不用后期的高温停放，表皮自然不脆，而且强度高，泡沫尺寸稳定性好。而且能耐高温 可超过150度，异氰酸酯的指数足够的话可提高阻燃等级。开发这类反应的催化剂将有望突破聚氨酯发泡剂发展的瓶颈。找到了目标产物和所要进行的反应了，寻找什么样的化合物作为催化剂将是最艰巨的任务，这类催化剂的问世将是聚氨酯发泡剂泡沫塑料行业的福音。
