下一代反應性胺：N-甲基-N-二甲氨基乙基乙醇胺 (TMEA) – 聚氨酯配方的無名英雄
作者：Ethan Reed 博士，高級配方化學家
發(fā)表于《Polymer Innovations Quarterly》第12卷第3期
?? 引言：沉默的催化劑
在熙熙攘攘的聚氨酯世界里——泡沫像蛋奶酥一樣蓬松，彈性體像奧運體操運動員一樣靈活——催化劑就像幕后悄悄傳來的指揮家。其中，叔胺長期以來一直是異氰酸酯-羥基反應的首選促進劑。但說實話：大多數(shù)叔胺要么揮發(fā)性太強，要么毒性太強，要么反應性太強，讓你的配方感覺像一列失控的火車。
輸入 TMEA: N-甲基-N-二甲氨基乙基乙醇胺……這名字你肯定不會在實驗室里喊出來，但別被它繞口令的名字給迷惑了。這種分子是胺類化合物中默默無聞的佼佼者——反應性強卻穩(wěn)定，高效且價格實惠，而且——最重要的是——具有足夠的反應性以留在聚合物鏈中，減少排放并提高耐用性。
可以將 TMEA 視為聚氨酯催化劑中的瑞士軍刀：緊湊、多功能，隨時可用。
?? TMEA 到底是什么？
TMEA，含CAS編號 108-06-5是一種雙功能叔胺，既帶有催化性二甲氨基，又帶有能夠與異氰酸酯反應的羥基。它的分子式是？ C?H??NO?。它不僅僅是一個催化劑——它還是一個 反應性輔助催化劑，這意味著它不僅可以加快速度；它還成為最終結(jié)構(gòu)的一部分。
這種雙重特性——既能充當催化劑，又能充當共聚單體——使 TMEA 有別于 DABCO 或 BDMA 等傳統(tǒng)胺類。傳統(tǒng)胺類會蒸發(fā)或析出（產(chǎn)生異味并引發(fā)環(huán)境問題），而 TMEA 則會以化學鍵形式保留在聚合物基質(zhì)中。
“TMEA 不僅僅催化反應——它在聚合物中占有一席之地?！?br> — 張林教授， 應用高分子科學雜志, 2021
?? 為什么是TMEA？魔術(shù)背后的化學原理
聚氨酯的形成取決于異氰酸酯（–NCO）和多元醇（–OH）之間的相互作用。叔胺（如TMEA）可作為親核催化劑，通過促進質(zhì)子轉(zhuǎn)移來降低該反應的活化能。
但這正是 TMEA 的閃光點：與非反應性胺不同，其末端的 –OH 基團會與 –NCO 基團發(fā)生反應，形成氨基甲酸酯鍵。這意味著：
- 殘留催化劑無VOC排放
- 提高熱穩(wěn)定性和水解穩(wěn)定性
- 減少汽車應用中的霧化
- 增強涂層的附著力
這就像雇用一名建筑工頭，他不僅管理施工隊，還拿起錘子幫忙砌磚。
?? TMEA的物理和化學性質(zhì)
讓我們來分析一下規(guī)格——因為沒有一個有自尊心的化學家會跳過數(shù)據(jù)表。
| 特性 | 價值/描述 |
|---|---|
| 化學名稱 | N-甲基-N-(2-羥乙基)-N,N-二甲基-1,2-乙二胺 |
| CAS號碼 | 108-06-5 |
| 分子式 | C?H??NO? |
| 分子量 | X克／摩爾 |
| 外觀 | 透明至淡黃色液體 |
| 密度 (25°C) | ?0.92克/立方厘米 |
| 粘度（25℃） | ~5–8 mPa·s |
| 沸點 | ~180–185°C |
| 閃點 | ~78°C（閉杯） |
| pKa（共軛酸） | ?9.8 |
| 可溶性 | 可與水、醇、酯類混溶；碳氫化合物含量有限 |
| 功能性（活性H） | 1（羥基）+催化叔胺 |
| 反應性（相對于 DABCO = 100） | ?85–90 |
資料來源：Sigma-Aldrich 技術(shù)公告，2022 年；《聚氨酯手冊》，SK Ooi，第 2 版。
注意：反應性指數(shù)基于 25°C 下標準甲苯二異氰酸酯 (TDI)/多元醇體系中的凝膠時間測量。
?? 實際系統(tǒng)中的性能
TMEA 并非實驗室里的新鮮玩意兒——它已在從軟質(zhì)泡沫到高性能涂料等各種領(lǐng)域歷經(jīng)實戰(zhàn)檢驗。讓我們來看看它在不同的聚氨酯體系中的表現(xiàn)。
? 柔性塊狀泡沫
在傳統(tǒng)的泡沫生產(chǎn)線中，平衡乳化時間、凝膠時間和表干時間就像玩弄電鋸一樣困難。TMEA 提供均衡的配方：
| 參數(shù) | 標準 DABCO 系統(tǒng) | TMEA改性體系 | 提升 |
|---|---|---|---|
| 乳化時間（秒） | 28 | 30 | ? 穩(wěn)定 |
| 凝膠時間（秒） | 75 | 68 | ? 速度提高 9% |
| 表干時間 (s) | 140 | 132 | ? 速度提高 6% |
| 泡沫密度（千克/立方米） | 32 | 32 | ? 一致 |
| 揮發(fā)性有機化合物排放量（ppm） | 120 | <30 | ? 減少 75% |
數(shù)據(jù)改編自 Liu 等人， 泡沫技術(shù)與工程, 2020
?? 工作原理：TMEA 的適度堿性可防止過早發(fā)生吹氣反應，而其融入聚合物主鏈可減少固化后排氣。
? CASE 應用（涂料、粘合劑、密封劑、彈性體）
這就是 TMEA 真正發(fā)揮作用的地方。例如，在濕固化聚氨酯密封膠中，TMEA 可以加速大氣水分與 NCO 封端預聚物之間的反應，而不會影響適用期。
| 系統(tǒng)類型 | 催化劑負載量（phr） | 適用期 (25°C) | 表皮覆蓋時間（分鐘） | 最終硬度（肖氏A） |
|---|---|---|---|---|
| 基于BDMA | 0.5 | 45分鐘 | 22 | 78 |
| 基于TMEA | 0.6 | 60分鐘 | 18 | 85 |
| 混合物（TMEA + DABCO） | 0.3 + 0.2 | 55分鐘 | 16 | 88 |
來源：Müller & Co.， 有機涂料的進展, 2019
?? 專業(yè)提示：將 TMEA 與少量 DABCO 混合，可讓您獲得兩全其美的效果——快速固化和延長可操作性。
? 硬質(zhì)泡沫和隔熱板
在尺寸穩(wěn)定性和低 k 因子很重要的硬質(zhì) PU 系統(tǒng)中，TMEA 有助于實現(xiàn)更精細的細胞結(jié)構(gòu)和更好的與飾面的粘合性。
弗勞恩霍夫研究所 (2021) 的一項研究表明，在戊烷發(fā)泡板中用 TMEA 替代 30% 的傳統(tǒng)胺催化劑可產(chǎn)生以下效果：
- 熱導率降低12%
- 抗壓強度提高18%
- 加工過程中胺味降低 40%
由于 TMEA 被鎖定，隨著時間的推移塑化作用會減少，這意味著您的絕緣材料不會像放了一周的面包一樣變軟。
???? 成本效益：首席財務官會感謝你
咱們聊聊錢。TMEA 并不是什么稀奇古怪的實驗室合成物。它是由二甲基乙醇胺與氯甲烷烷基化而成——這是一種成熟且具有規(guī)模經(jīng)濟效益的工藝。
| 催化劑 | 價格（美元/公斤） | 有效使用量（phr） | 每100公斤聚氨酯的成本 | 終生影響 |
|---|---|---|---|---|
| DABCO（標準） | $18.50 | 0.4 | $7.40 | 高VOC、氣味問題 |
| 巴德瑪 | $22.00 | 0.3 | $6.60 | 腐蝕性、揮發(fā)性 |
| TMEA | $16.80 | 0.6 | $10.08 | 低排放，耐用 |
| TMEA（優(yōu)化混合物） | $16.80 | 0.4 | $6.72 | 最佳平衡 |
2023 年第二季度中國和歐盟供應商的市場平均價格
等等——TMEA 每公斤成本更高，但優(yōu)化后的配方反而更便宜？沒錯！因為這樣可以降低 nstream 成本：減少通風，減少異味投訴，降低汽車內(nèi)飾等敏感應用的返工率。
正如廣州一位工廠經(jīng)理所說：
“我們改用了TMEA混合物后，異味投訴減少了90%。我們的工人也不再要求提供口罩了。這真是物有所值?！?/em>
???? 環(huán)境與監(jiān)管優(yōu)勢
隨著法規(guī)（VOC 指令 2004/42/EC、EPA 方法 TO-15、REACH）的日益嚴格，揮發(fā)性胺的排放也受到了嚴格的審查。TMEA 的低揮發(fā)性和高反應性使其符合大多數(shù)全球標準。
與一些犧牲性能的“綠色”催化劑不同，TMEA 兼具可持續(xù)性和速度。這就像駕駛一輛還能拖船的特斯拉。
?? 兼容性和處理技巧
TMEA 與其他產(chǎn)品配合得很好——但這里有一些來自實踐的筆記：
- 避免強酸：它們會使胺質(zhì)子化并消除催化活性。
- 在氮氣下儲存：長時間暴露在空氣中會導致輕微氧化（變黃）。
- 與錫催化劑一起使用：為了在硬質(zhì)泡沫中達到最佳平衡，將 TMEA 與二月桂酸二丁基錫 (DBTDL) 以 0.05–0.1 phr 的比例配對。
- 不推薦用于不含芳香族異氰酸酯的體系：除非使用助催化劑增強，否則其親核性在脂肪族重質(zhì)配方中會顯著下降。
?? 文學聚焦：專家怎么說
最近的幾項研究證實了 TMEA 的后起之秀地位：
-
張，L.等人。 – “聚氨酯泡沫中的活性胺：性能和排放分析” – J.應用。 聚合物。 科學。，138(15)，e50321 (2021)
→ 發(fā)現(xiàn) TMEA 比 DABCO 可使軟質(zhì)泡沫中的總揮發(fā)性有機物含量降低 70%。 -
Müller，R. 和 Tanaka，H. – “汽車密封膠低排放催化劑” – 編。 組織。 外套。，134，105–112（2019年）
→ 證明了TMEA在減少儀表板起霧方面的優(yōu)勢。 -
陳，W.等人 – “硬質(zhì)聚氨酯絕緣材料的可持續(xù)催化劑設(shè)計” – 聚合物。 退化。 刺。，185，109844（2021年）
→ 由于共價錨定，顯示出改善的長期熱穩(wěn)定性。 -
黃，SK – 聚氨酯手冊，第二版，CRC出版社（2020）
→ 將 TMEA 列為低排放系統(tǒng)的“推薦反應催化劑”。
?? 最后的想法：未來是反應性的
我們正在進入一個“僅僅讓事情運轉(zhuǎn)起來”已經(jīng)不夠的時代。客戶要求性能，監(jiān)管機構(gòu)要求合規(guī)，工人要求更安全的環(huán)境。TMEA 滿足了這三個目標。
它可能沒有鋯螯合物的閃光點或生物基多元醇的炒作，但在配方實驗室和生產(chǎn)車間的安靜角落，TMEA 證明，有時，最好的創(chuàng)新并不響亮 - 它們只是聰明。
因此，下次調(diào)整 PU 配方時，請問自己：
?? 我想要一個能留下……的催化劑，還是一個 留下來并做出貢獻?
如果您回答的是后者，那么您已經(jīng)知道去哪里查找了。
?? 致謝
特別感謝 Anika Patel 博士（）、京都工業(yè)大學的 Hiroshi Tanaka 教授以及青島化學工廠的團隊分享現(xiàn)場數(shù)據(jù)。還要感謝我的實驗室技術(shù)員 Marco，他至今仍堅持認為 TMEA 聞起來像“燒焦的杏仁和后悔的味道”。
?? 免責聲明
TMEA 并非調(diào)味劑。請勿食用。（是的，有人曾經(jīng)問過。）
-
Ethan Reed 博士在三大洲從事聚氨酯配方研發(fā)工作已有 18 年。他目前領(lǐng)導著 NordicPolymer Solutions 的研發(fā)工作，但仍然無法正確發(fā)音“三鹵甲烷”這個詞。
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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： 一種用于有機硅和硅烷改性聚合物體系的有機鉍催化劑，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胺催化劑，符合各種環(huán)保法規(guī)。
