三乙烯二胺在水性聚氨酯分散體中的催化作用
三乙烯二胺在水性聚氨酯分散體中的催化作用
引子：從“膠”說起
大家都知道，生活中離不開“膠”。無論是你家孩子貼手工作業(yè)用的白膠，還是裝修時(shí)師傅用來粘瓷磚的結(jié)構(gòu)膠，甚至是你手機(jī)屏幕和邊框之間那層看不見的隱形膠——這些都可能與一種叫做“聚氨酯”的材料有關(guān)。
而今天我們要聊的，是這個(gè)家族中一個(gè)比較特別的成員：水性聚氨酯分散體（waterborne polyurethane dispersions, wpuds）。它環(huán)保、安全、可塑性強(qiáng)，近年來在涂料、膠黏劑、紡織涂層等領(lǐng)域大放異彩。不過，要讓這東西真正“活起來”，還得靠一位幕后英雄——三乙烯二胺，英文名teda（triethylenediamine），化學(xué)式c6h12n2。
別看它名字拗口，其實(shí)它是個(gè)挺有意思的“催化劑”，就像廚房里的調(diào)味料，雖然用量不多，但少了它，味道就差那么一點(diǎn)。
一、先來認(rèn)識(shí)一下這位“老朋友”
1.1 化學(xué)身份
三乙烯二胺，聽起來像是個(gè)復(fù)雜的家伙，其實(shí)它的結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜。它是一種雙環(huán)叔胺類化合物，常溫下為白色晶體或粉末，有輕微的氨味。它的分子量為112.17 g/mol，熔點(diǎn)45~47℃，沸點(diǎn)約174℃，易溶于水和，不溶于非極性溶劑。
| 性質(zhì) | 數(shù)值 |
|---|---|
| 分子式 | c6h12n2 |
| 分子量 | 112.17 g/mol |
| 熔點(diǎn) | 45–47 ℃ |
| 沸點(diǎn) | 174 ℃ |
| 溶解性 | 易溶于水、，難溶于苯等非極性溶劑 |
1.2 應(yīng)用領(lǐng)域
teda廣泛應(yīng)用于聚氨酯合成中，尤其是在發(fā)泡反應(yīng)中作為促進(jìn)異氰酸酯與多元醇反應(yīng)的催化劑。在水性體系中，它更是扮演著至關(guān)重要的角色，尤其適用于室溫固化的系統(tǒng)。
二、水性聚氨酯分散體：環(huán)保新寵兒
水性聚氨酯分散體，顧名思義，就是把聚氨酯樹脂分散在水中形成的乳液。相比傳統(tǒng)的溶劑型聚氨酯，它不含voc（揮發(fā)性有機(jī)物），對(duì)環(huán)境友好，使用更安全，因此在環(huán)保法規(guī)日益嚴(yán)格的今天，成為行業(yè)發(fā)展的主流方向。
不過，水性體系也有它的“脾氣”：
- 反應(yīng)活性低：水的存在會(huì)抑制異氰酸酯基團(tuán)的反應(yīng)；
- 固化速度慢：特別是在低溫環(huán)境下，成膜困難；
- 性能不穩(wěn)定：儲(chǔ)存期短，容易分層或凝結(jié)。
這就需要我們引入合適的催化劑來“調(diào)教”它。
三、teda上場(chǎng)：催化劑界的“快槍手”
在聚氨酯反應(yīng)中，異氰酸酯（—nco）和羥基（—oh）之間的反應(yīng)是核心反應(yīng)之一。這個(gè)反應(yīng)的速度決定了整個(gè)聚合過程的效率和終產(chǎn)品的性能。
teda正是這個(gè)反應(yīng)的“加速器”。
3.1 催化機(jī)制簡(jiǎn)述
teda作為一種堿性催化劑，能夠有效激活羥基氫原子，從而加快其與異氰酸酯基團(tuán)的親核加成反應(yīng)。簡(jiǎn)單來說，它就像是給反應(yīng)裝上了“渦輪增壓器”。
在水性體系中，由于水的存在會(huì)消耗部分—nco基團(tuán)生成二氧化碳和脲鍵，導(dǎo)致反應(yīng)效率下降。這時(shí)候加入teda，就能顯著提高反應(yīng)速率，縮短固化時(shí)間，提升終產(chǎn)品的機(jī)械性能和耐化學(xué)品性。
3.2 teda的優(yōu)勢(shì)
| 特性 | 描述 |
|---|---|
| 催化效率高 | 反應(yīng)速度快，適合低溫固化 |
| 適用范圍廣 | 可用于單組分和雙組分體系 |
| 成本較低 | 相比其他金屬類催化劑更具經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì) |
| 環(huán)保性好 | 不含重金屬，符合綠色發(fā)展趨勢(shì) |
3.3 使用建議
teda通常以固體形式添加，在使用前需預(yù)先溶解于水或共溶劑中。推薦添加量一般為0.1%~0.5%（按總固含量計(jì)），具體用量需根據(jù)配方調(diào)整。
| 參數(shù) | 推薦值 |
|---|---|
| 添加量 | 0.1%~0.5% |
| 溶劑選擇 | 水、、丙二醇等 |
| 佳ph范圍 | 7~9 |
| 固化溫度 | 室溫~80℃ |
| 保存條件 | 陰涼干燥處密封保存 |
四、實(shí)際應(yīng)用案例：從實(shí)驗(yàn)室到工廠
4.1 案例一：水性木器漆
某知名涂料企業(yè)開發(fā)了一款用于室內(nèi)家具涂裝的水性木器漆。原配方在冬季施工時(shí)固化緩慢，影響生產(chǎn)進(jìn)度。
解決方案：加入0.3% teda后，固化時(shí)間由原來的7天縮短至3天，硬度提升明顯，打磨性能也有所改善。
| 指標(biāo) | 加入teda前 | 加入teda后 |
|---|---|---|
| 表干時(shí)間 | 4小時(shí) | 2小時(shí) |
| 實(shí)干時(shí)間 | 7天 | 3天 |
| 耐劃傷性 | 一般 | 良好 |
| 光澤度 | 85° | 92° |
4.2 案例二：紡織涂層
某紡織廠在使用水性聚氨酯進(jìn)行織物涂層時(shí)，發(fā)現(xiàn)成品手感偏硬、彈性不足。
| 指標(biāo) | 加入teda前 | 加入teda后 |
|---|---|---|
| 表干時(shí)間 | 4小時(shí) | 2小時(shí) |
| 實(shí)干時(shí)間 | 7天 | 3天 |
| 耐劃傷性 | 一般 | 良好 |
| 光澤度 | 85° | 92° |
4.2 案例二：紡織涂層
某紡織廠在使用水性聚氨酯進(jìn)行織物涂層時(shí)，發(fā)現(xiàn)成品手感偏硬、彈性不足。
改進(jìn)措施：在預(yù)聚體階段加入適量teda，調(diào)節(jié)交聯(lián)密度，使涂層更柔軟且保持良好耐磨性。
| 性能指標(biāo) | 改進(jìn)前 | 改進(jìn)后 |
|---|---|---|
| 手感 | 硬 | 柔軟 |
| 彈性回復(fù)率 | 75% | 88% |
| 耐洗牢度 | 3級(jí) | 4級(jí) |
| 透濕性 | 800g/m2·24h | 950g/m2·24h |
五、teda的“兄弟姐妹們”：催化劑家族一覽
雖然teda表現(xiàn)優(yōu)異，但在某些特殊場(chǎng)合，也會(huì)搭配或替換其他催化劑使用。比如：
| 催化劑名稱 | 類型 | 用途特點(diǎn) |
|---|---|---|
| dbtdl（二月桂酸二丁基錫） | 金屬催化劑 | 強(qiáng)效，但含重金屬，環(huán)保受限 |
| dabco（三亞乙基二胺） | 有機(jī)胺類 | teda的別稱，功能相同 |
| tmr系列 | 季銨鹽類 | 適用于高固含體系 |
| amine x | 新型延遲催化劑 | 控制反應(yīng)速度，適合噴涂工藝 |
每種催化劑都有自己的“性格”，有的暴躁（反應(yīng)太快），有的溫柔（反應(yīng)太慢），有的“潔癖”（怕水），選對(duì)了才能發(fā)揮佳效果。
六、常見問題答疑
q：teda會(huì)不會(huì)影響儲(chǔ)存穩(wěn)定性？
a：合理用量下不會(huì)造成太大影響，但過量可能導(dǎo)致提前反應(yīng)，縮短儲(chǔ)存期。建議現(xiàn)配現(xiàn)用或加入穩(wěn)定劑如阻聚劑。
q：teda能不能替代金屬催化劑？
a：在某些要求不高或環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)高的場(chǎng)景可以替代，但在高溫快速固化體系中，仍需配合使用金屬類催化劑。
q：teda對(duì)人體有害嗎？
a：有一定刺激性，操作時(shí)需戴手套和口罩，避免吸入粉塵。總體毒性較低，屬于工業(yè)安全可控范圍。
七、未來展望：綠色催化新趨勢(shì)
隨著環(huán)保政策的不斷收緊，水性聚氨酯的發(fā)展前景廣闊。而作為其關(guān)鍵助劑的teda，也在不斷優(yōu)化升級(jí)。未來的趨勢(shì)包括：
- 復(fù)合型催化劑：將teda與其他高效助劑復(fù)配，實(shí)現(xiàn)協(xié)同效應(yīng)；
- 延遲型催化劑：通過微膠囊技術(shù)控制釋放速度，延長(zhǎng)適用期；
- 生物基催化劑：探索植物來源的新型胺類催化劑，進(jìn)一步降低碳足跡。
結(jié)語：催化劑雖小，作用不小
三乙烯二胺，這個(gè)看似不起眼的小分子，在水性聚氨酯的世界里卻扮演著舉足輕重的角色。它不僅提升了反應(yīng)效率，還幫助我們?cè)谧非蟾咝阅艿耐瑫r(shí)兼顧環(huán)保責(zé)任。
正如烹飪中的一勺鹽，少則無味，多則咸澀，恰到好處才是王道。teda的妙處，正在于它能在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)推動(dòng)反應(yīng)，又不至于喧賓奪主。
后，附上一些國(guó)內(nèi)外權(quán)威文獻(xiàn)供有興趣的朋友參考：
參考文獻(xiàn)
國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)：
- 李志剛, 王偉. 水性聚氨酯合成與應(yīng)用[m]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2018.
- 張麗華, 劉曉峰. 三乙烯二胺在水性聚氨酯中的催化行為研究[j]. 高分子材料科學(xué)與工程, 2020, 36(4): 78-82.
- 陳志強(qiáng). 環(huán)保型水性聚氨酯催化劑的研究進(jìn)展[j]. 精細(xì)化工, 2021, 38(2): 210-215.
國(guó)外文獻(xiàn)：
- g. oertel (ed.). polyurethane handbook, 2nd ed., hanser publishers, munich, 1993.
- j. h. saunders, k. c. frisch. chemistry of polyurethanes, part i & ii, crc press, 1962.
- m. szycher. szycher’s handbook of polyurethanes, 2nd ed., crc press, 2017.
- r. a. pearson, l. mascia. "catalysis in polyurethane synthesis", progress in polymer science, 1992, 17(1): 1–54.
- y. liu, et al. “effect of tertiary amine catalysts on the properties of waterborne polyurethanes”, journal of applied polymer science, 2019, 136(12): 47312.
如果你覺得這篇文章對(duì)你有用，不妨把它收藏起來，下次遇到配方調(diào)試的問題時(shí)翻出來看看。畢竟，催化劑雖小，學(xué)問卻不小。
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公司其它產(chǎn)品展示:
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nt cat t-12 適用于室溫固化有機(jī)硅體系，快速固化。
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nt cat ul1 適用于有機(jī)硅體系和硅烷改性聚合物體系，中等催化活性，活性略低于t-12。
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nt cat ul22 適用于有機(jī)硅體系和硅烷改性聚合物體系，活性比t-12高，優(yōu)異的耐水解性能。
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nt cat ul28 適用于有機(jī)硅體系和硅烷改性聚合物體系，該系列催化劑中活性高，常用于替代t-12。
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nt cat ul30 適用于有機(jī)硅體系和硅烷改性聚合物體系，中等催化活性。
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nt cat ul50 適用于有機(jī)硅體系和硅烷改性聚合物體系，中等催化活性。
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nt cat ul54 適用于有機(jī)硅體系和硅烷改性聚合物體系，中等催化活性，耐水解性良好。
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nt cat si220 適用于有機(jī)硅體系和硅烷改性聚合物體系，特別推薦用于ms膠，活性比t-12高。
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nt cat mb20 適用有機(jī)鉍類催化劑，可用于有機(jī)硅體系和硅烷改性聚合物體系，活性較低，滿足各類環(huán)保法規(guī)要求。
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nt cat dbu 適用有機(jī)胺類催化劑，可用于室溫硫化硅橡膠，滿足各類環(huán)保法規(guī)要求。