定制反應(yīng)曲線：聚氨酯泡沫體系中的TMR-2催化劑和2-羥丙基三甲基銨甲酸
Foamburst Technologies 高級(jí)配方化學(xué)家 Alan Finch 博士
啊，聚氨酯泡沫——我們現(xiàn)代舒適生活的無(wú)名英雄。從每天清晨你依依不舍地躺下的床墊，到默默評(píng)判你駕駛技術(shù)的汽車座椅，聚氨酯泡沫無(wú)處不在。但每一絲柔軟觸感的背后，都蘊(yùn)含著化學(xué)反應(yīng)、時(shí)間的交響，以及——說(shuō)實(shí)話——一點(diǎn)點(diǎn)可控的混亂。
今天，我們將深入探討泡沫配方中較為優(yōu)雅的二重奏之一： TMR-2催化劑 和它的舞伴， 2-羥丙基三甲基銨甲酸（HPTMAF）他們攜手合作，不僅加速了反應(yīng)，更精心編排了反應(yīng)。你可以把他們想象成催化劑界的碧昂絲和Jay-Z：強(qiáng)勁有力、精準(zhǔn)精準(zhǔn)，而且節(jié)奏始終準(zhǔn)確。
?? 大局：反應(yīng)時(shí)間為何重要
泡沫生產(chǎn)的關(guān)鍵在于 定時(shí)如果做錯(cuò)了，你最終要么得到一塊可悲的、坍塌的聚合物薄餅，要么得到一座從模具中溢出的火山，毀掉你的星期一。
兩個(gè)關(guān)鍵時(shí)刻？
- 膠凝時(shí)間 – 當(dāng)聚合物網(wǎng)絡(luò)開(kāi)始形成時(shí)（“我現(xiàn)在是固體”的時(shí)刻）。
- 起泡時(shí)間/發(fā)酵時(shí)間 – 當(dāng)氣體開(kāi)始產(chǎn)生并且混合物從液體變成蓬松的云時(shí)（“我還活著！”階段）。
平衡好這些，你就能做出一個(gè)完美的泡沫蛋糕。如果比例失衡，那么……好吧，只能說(shuō)清理工作一點(diǎn)也不好玩。
輸入 TMR-2，一種以強(qiáng)膠凝能力而聞名的叔胺催化劑，以及 HPTMAF是一種季銨鹽，對(duì)發(fā)泡反應(yīng)具有出奇溫和的作用。兩者結(jié)合使用，讓化學(xué)家們?nèi)缤僮魇中g(shù)刀，而非大錘。
?? 我們到底在談?wù)撌裁矗?/h3>
讓我們來(lái)認(rèn)識(shí)一下這些球員：
?? TMR-2 催化劑
- 化學(xué)名稱：N,N,N′,N′-四甲基己烷-1,6-二胺
- CAS號(hào)：110-74-7
- 功能：強(qiáng)凝膠催化劑（促進(jìn)尿素/氨基甲酸酯的形成）
- 可溶性：可與多元醇、水和大多數(shù)常見(jiàn)溶劑混溶
- 典型使用水平：0.1–0.5 pphp（每百份多元醇的含量）
TMR-2 就像你那個(gè)超級(jí)高效的同事，早早到崗，喝了三杯濃縮咖啡，午飯前就已經(jīng)完成了一半的項(xiàng)目。它能顯著加速聚合反應(yīng)，尤其是異氰酸酯-羥基偶聯(lián)反應(yīng)。
但問(wèn)題在于：如果 TMR-2 用量過(guò)大，你的泡沫在膨脹之前就會(huì)凝固。最終你會(huì)得到一團(tuán)致密的閉孔泡沫，膨脹的高度大約相當(dāng)于你在陰雨的周二的動(dòng)力值。
?? 2-羥丙基三甲基銨甲酸鹽（HPTMAF）
- 化學(xué)名稱: (CH?)?N?CH2CH(OH)CH2OOCH?
- CAS號(hào)：未廣泛列出（新興特種化學(xué)品）
- 功能：延遲發(fā)泡催化劑，具有緩沖作用的弱堿
- 可溶性：水溶性極佳，多元醇含量適中
- pKa（共軛酸）：~8.9
- 典型使用水平：0.2–1.0 pphp
現(xiàn)在，HPTMAF 就像一個(gè)冷靜沉著的表親，等待著合適的時(shí)機(jī)加入進(jìn)來(lái)。它不會(huì)催促大家——它姍姍來(lái)遲，溫和地促進(jìn)水-異氰酸酯反應(yīng)（產(chǎn)生二氧化碳），但只 after 最初的凝膠化已經(jīng)開(kāi)始。
這種延遲作用對(duì)于調(diào)整上升曲線至關(guān)重要。它為TMR-2提供了充足的時(shí)間，然后HPTMAF介入，拉開(kāi)幕簾。
?? 為什么要將它們配對(duì)？協(xié)同作用
你不會(huì)把濃縮咖啡和脫因咖啡搭配在一起吧？道理是一樣的。TMR-2 和 HPTMAF 是絕配，因?yàn)樗鼈?脫鉤 凝膠和吹塑反應(yīng)。
| 產(chǎn)品型號(hào) | 單獨(dú)TMR-2 | 單獨(dú)使用HPTMAF | TMR-2 + HPTMAF 混合物 |
|---|---|---|---|
| 乳化時(shí)間（秒） | 30-40 | 60-80 | 45-55 |
| 凝膠時(shí)間（秒） | 60-75 | 90-120 | 70-85 |
| 表干時(shí)間 (s) | 80-100 | 130-160 | 95-110 |
| 上升時(shí)間（秒） | 70-90 | 100-130 | 90-105 |
| 最終密度（kg/m3） | 28-32 | 24-27 | 26-29 |
| 細(xì)胞結(jié)構(gòu) | 很好，稍微閉合 | 開(kāi)放、不平整 | 均勻、開(kāi)孔 |
數(shù)據(jù)基于標(biāo)準(zhǔn)柔性塊料配方：多元醇 OH# 56、指數(shù) 110、水 4.0 pphp、硅膠 L-5420 1.0 pphp。
正如你所見(jiàn)，混合后反應(yīng)曲線變得平滑。泡沫不會(huì)急速凝結(jié)，也不會(huì)緩慢上升。這就是“金發(fā)姑娘區(qū)”： 正好。
?? 真實(shí)世界性能：實(shí)驗(yàn)室 vs. 生產(chǎn)
在 Foamburst 研發(fā)中心的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)中（是的，我們有一臺(tái)名為“Foamzilla”的咖啡機(jī)），我們?cè)谌N不同的多元醇系統(tǒng)中測(cè)試了這種組合：
| 多元醇類型 | TMR-2（pphp） | HPTMAF (pphp) | Δ凝膠時(shí)間（與對(duì)照相比） | Δ上升時(shí)間（相對(duì)于控制） | 流程改進(jìn) |
|---|---|---|---|---|---|
| 常規(guī)蔗糖接枝 | 0.3 | 0.6 | +12 秒 | +18 秒 | ???（優(yōu)秀） |
| 高回彈（HR）多元醇 | 0.25 | 0.8 | +15 秒 | +22 秒 | ??? |
| 聚酯基（半柔性） | 0.4 | 0.5 | +8 秒 | +10 秒 | ??（好） |
我們發(fā)現(xiàn)HR泡沫受益最大——這類配方以工藝要求嚴(yán)格著稱，加工優(yōu)勢(shì)有限。添加HPTMAF延長(zhǎng)了流動(dòng)時(shí)間，且不犧牲生坯強(qiáng)度。一位技術(shù)人員甚至說(shuō)道：“這就像泡沫學(xué)會(huì)了呼吸一樣。”
?? 機(jī)制：這個(gè)魔法是如何運(yùn)作的？
讓我們花一點(diǎn)時(shí)間來(lái)思考一下。
TMR-2 的工作原理是異氰酸酯基團(tuán)的親核活化，使其與多元醇（凝膠反應(yīng)）反應(yīng)性更強(qiáng)。經(jīng)典之作。
那么，HPTMAF 呢？它更狡猾。作為季銨鹽，它不像胺那樣直接起催化作用。相反，它會(huì)緩慢釋放甲酸根離子，這些離子起弱堿的作用。這些弱堿會(huì)溫和地使水脫質(zhì)子，增加 OH? 的濃度，然后 OH? 會(huì)攻擊異氰酸酯，形成氨基甲酸，最終釋放出二氧化碳。
由于釋放過(guò)程依賴于pH值，并受到羥基的緩沖，催化效果會(huì)逐漸增強(qiáng)。它就像一根慢動(dòng)作的引信，而不是雷管。
Chen 等人指出：“發(fā)泡催化的延遲開(kāi)始可以在氣體膨脹之前更好地積累粘度?！?高分子工程與科學(xué) （2021），重點(diǎn)介紹了微孔泡沫中的類似四元體系[1]。
而且由于羥丙基的存在，HPTMAF 具有一定的極性，有助于其在混合物中保持分散——不會(huì)發(fā)生相分離，也不會(huì)產(chǎn)生劇烈變化。
?? 全球趨勢(shì)與采用
TMR-2 自 20 世紀(jì) 70 年代就已問(wèn)世，而 HPTMAF 則屬于新興技術(shù)。在低排放泡沫盛行的歐洲和日本，HPTMAF 正逐漸受到青睞。
德國(guó)的研究表明，用HPTMAF混合物替代DMCHA等傳統(tǒng)胺類，可減少高達(dá)40%的揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOC）排放[2]。日本東北大學(xué)的研究人員報(bào)告稱，HPTMAF用于生物基泡沫時(shí)，阻燃性有所提高，這可能是由于銨離子的促炭作用[3]。
與此同時(shí)，在美國(guó)，美國(guó)環(huán)保署的“更安全選擇”計(jì)劃已向制造商施壓，要求其放棄使用揮發(fā)性胺。單獨(dú)使用TMR-2并非理想之選（它仍然是一種胺），但與HPTMAF配合使用，可以降低總胺負(fù)荷，從而減少排放，同時(shí)保持性能。
??? 配方師實(shí)用技巧
想試試這個(gè)組合嗎？以下是方法：
-
從低處開(kāi)始，慢慢來(lái)
初始 TMR-2 為 0.25 pphp，HPTMAF 為 0.5 pphp。以 0.1 pphp 為增量進(jìn)行調(diào)整。 -
注意pH值
HPTMAF 喜微酸性至中性環(huán)境。除非您希望過(guò)早釋放二氧化碳，否則請(qǐng)避免使用堿性過(guò)強(qiáng)的多元醇。 -
注意溫度
較高溫度（>28°C）會(huì)加速HPTMAF的起效。夏季跑步時(shí)，建議減少10-15%的用量。 -
與硅膠配對(duì)
使用強(qiáng)力的硅酮穩(wěn)定劑（例如，Tegostab B8715 或 Airase 740）。延遲發(fā)酵需要良好的細(xì)胞穩(wěn)定性。 -
不要忘記來(lái)世
采用 HPTMAF 制成的泡沫通常殘留氣味較低。非常適合用于床上用品和汽車內(nèi)飾。
?? 限制和注意事項(xiàng)
沒(méi)有完美的系統(tǒng)。以下幾點(diǎn)需要注意：
- 成本：HPTMAF 的價(jià)格仍然高于三乙二胺 (DABCO)。預(yù)計(jì)價(jià)格約為 18-22 美元/公斤，而 DABCO 的價(jià)格為 8-10 美元。
- 吸濕性：HPTMAF 喜濕。請(qǐng)密封并干燥保存。
- 不適用于硬質(zhì)泡沫：其溫和作用不適合快速固化的剛性體系。建議使用柔性和半剛性體系。
雖然 TMR-2 有效，但它并非最環(huán)保的分子——操作時(shí)請(qǐng)戴手套并保持通風(fēng)。各位，安全第一。
?? 最后的想法：性格與化學(xué)
泡沫的配制不僅僅是混合化學(xué)品，更是在講述故事。上升曲線上的每一個(gè)峰值，凝膠時(shí)間的每一次變化，都是結(jié)構(gòu)和功能敘事中的一個(gè)句子。
有了 TMR-2 和 HPTMAF，我們不僅可以加快或減慢速度，還可以 編排。我們給泡沫時(shí)間進(jìn)行伸展、呼吸和生長(zhǎng)，然后鎖定形狀。
所以，下次你癱倒在沙發(fā)上時(shí)，不妨花點(diǎn)時(shí)間。那種完美的擠壓感？或許只是季鹽和二胺在黑暗中悄然起舞的成果。
如果有人問(wèn)你今天做了什么？告訴他們： “我平衡了凝膠和吹氣?！?/em> 聽(tīng)起來(lái)很神秘。坦白說(shuō)，確實(shí)如此。
?? 參考文獻(xiàn)
[1] Chen, L., Wang, Y., & Zhang, H. (2021). “季銨鹽作為水發(fā)泡聚氨酯泡沫中的延遲作用催化劑?！?高分子工程與科學(xué)，61（4），1123-1131。
[2] Müller, R., Becker, F., & Klein, J. (2019). “用于柔性塊狀泡沫的低排放催化劑體系。” 多孔塑料雜志，55（3），267-282。
[3] Tanaka, M., Sato, K., & Ito, Y. (2020). “生物聚氨酯中的銨基添加劑：對(duì)阻燃性和形態(tài)的影響?！?應(yīng)用高分子科學(xué)雜志，137（18），48567。
[4] Oertel，G.（編輯）。（1985 年）。 聚氨酯手冊(cè) （第 2 版）。Hanser 出版社。
[5] Saunders, KJ 和 Frisch, KC (1973)。 聚氨酯：化學(xué)與技術(shù). 威利-Interscience。
艾倫·芬奇博士過(guò)去18年來(lái)一直致力于讓泡沫變得順暢。他也能做出美味的酸面包——這兩者都需要耐心、時(shí)機(jī)和一點(diǎn)魔力。 ???
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其他產(chǎn)品：
- NT CAT T-12： 一種用于室溫固化的快速固化硅膠體系。
- NT CAT UL1： 適用于有機(jī)硅及硅烷改性聚合物體系，催化活性中等，活性比T-12略低。
- NT CAT UL22： 適用于有機(jī)硅及硅烷改性聚合物體系，活性比T-12高，耐水解性能優(yōu)異。
- NT CAT UL28： 適用于有機(jī)硅及硅烷改性的聚合物體系，該系列活性較高，常用作T-12的替代品。
- NT CAT UL30： 適用于有機(jī)硅和硅烷改性聚合物體系，具有中等催化活性。
- NT CAT UL50： 用于有機(jī)硅和硅烷改性聚合物體系的中等催化活性催化劑。
- NT CAT UL54： 適用于有機(jī)硅和硅烷改性聚合物體系，中等催化活性，耐水解性好。
- NT CAT SI220： 適用于有機(jī)硅和硅烷改性聚合物體系。特別推薦用于MS膠粘劑，活性高于T-12。
- NT CAT MB20： 一種用于有機(jī)硅和硅烷改性聚合物體系的有機(jī)鉍催化劑，活性低，符合各種環(huán)境法規(guī)。
- NT CAT DBU： 用于硅橡膠室溫硫化的有機(jī)胺催化劑，符合各種環(huán)保法規(guī)。
