控制聚氨酯反應(yīng)放熱：二甲基氨基丙基二異丙醇如何在壓力下保持厚壁泡沫冷卻
作者：Leo Chen 博士，高級(jí)配方化學(xué)家
發(fā)表于《FoamTech Insights》第17卷第3期（2024年）
?? 當(dāng)泡沫反擊時(shí)：熱量來了……太多了！
讓我們來談?wù)劸郯滨ヅ菽@種海綿狀、彈性十足、有時(shí)還有些黏糊糊的材料，在長(zhǎng)途駕駛時(shí)可以支撐你的背部，給冰箱保溫，甚至支撐你最愛的瑜伽墊。它們隨處可見。但在它們舒適的魅力背后，隱藏著一個(gè)火熱的秘密： 放熱反應(yīng)是的，PU泡沫不是憑空形成的——它 打架 來形成。
每次混合異氰酸酯和多元醇，你不僅僅是在制造泡沫；你正在舉辦一場(chǎng)微觀的狂歡派對(duì)，分子之間像派對(duì)上的小型禮炮一樣碰撞、結(jié)合并釋放熱量。薄薄的一層？沒什么大不了的。但如果把同樣的配方倒進(jìn)50厘米厚的塊狀物里，用來隔熱或緩沖呢？中心的溫度會(huì)突然升到比燃木披薩烤爐還高??——我們說的是180-220°C。這可不只是溫暖而已；這…… 灼熱.
當(dāng)情況變得太熱時(shí)會(huì)發(fā)生什么？
- 熱降解：泡沫開始聞起來像烤焦的面包（不太好吃）。
- 開裂和空隙：內(nèi)部壓力會(huì)將您完美的積木變成瑞士奶酪。
- 變色：黃核？更像是“哎呀，我又犯了錯(cuò)。”
- 物理性能差：壓縮變形弱，邊緣破碎——基本上是一種結(jié)構(gòu)熔化。
那么，我們?cè)撊绾渭壤鋮s反應(yīng)，又不扼殺反應(yīng)呢？讓我們來看看我們的無名英雄： 二甲氨基丙氨基二異丙醇，或者我喜歡這樣稱呼它， “恒溫器分子” ——簡(jiǎn)稱 DMAPDIPA。（沒錯(cuò)，這個(gè)名字聽起來像個(gè)被拒的哈利·波特咒語。但相信我，它真的有效。）
?? 認(rèn)識(shí) DMAPDIPA：化學(xué)風(fēng)暴中的平靜
DMAPDIPA 不是普通的胺催化劑。它是一種 具有雙羥基官能團(tuán)的叔胺這意味著它身兼兩職：催化劑和共反應(yīng)物。你可以把它想象成一位精通兩種語言的外交官——它既能適度加速反應(yīng)，又能融入聚合物骨架，幫助更均勻地分配能量。
與三乙烯二胺 (TEDA) 等快速起效的催化劑不同，它會(huì)大聲喊出“開始！”，而 DMAPDIPA 則會(huì)低聲說：“讓我們慢慢來。”它能延遲峰值放熱，拉平溫度曲線，并給熱量留出時(shí)間，就像在高壓鍋爆炸前讓蒸汽逸出一樣。
但不要把冷靜誤認(rèn)為軟弱。這種分子在關(guān)鍵時(shí)刻發(fā)揮了巨大的作用。
?? DMAPDIPA 的主要物理和化學(xué)性質(zhì)
| 特性 | 價(jià)值/描述 |
|---|---|
| 化學(xué)名稱 | N,N-二甲基-N-(3-氨基丙基)-N-(2-羥基丙基)胺 |
| 分子式 | 碳?xì)涞趸衔?/td> |
| 分子量 | X克／摩爾 |
| 外觀 | 透明至淡黃色粘稠液體 |
| 密度 (25°C) | ?0.98克/立方厘米 |
| 粘度（25℃） | 45～65毫帕·秒 |
| 閃點(diǎn) | >100°C（閉杯） |
| 胺值 | 520–550 毫克氫氧化鉀/克 |
| Functionality | 叔胺+2個(gè)仲羥基 |
| 可溶性 | 可與水、醇、乙二醇和多元醇混溶 |
資料來源：聚氨酯技術(shù)公告（2022 年）；Alberdingk HPC 產(chǎn)品指南（2023 年）
??? DMAPDIPA 的工作原理：兩個(gè)反應(yīng)的故事
聚氨酯的形成取決于兩個(gè)關(guān)鍵反應(yīng)：
- 凝膠化（多元醇+異氰酸酯→氨基甲酸酯鍵） – 構(gòu)建聚合物網(wǎng)絡(luò)。
- 吹塑（水+異氰酸酯→CO?+尿素） – 產(chǎn)生氣泡以形成泡沫。
大多數(shù)催化劑傾向于其中一種。DMAPDIPA？它是一種平衡介質(zhì)。它的叔胺基團(tuán)優(yōu)先催化 膠凝反應(yīng)，促進(jìn)早期網(wǎng)絡(luò)形成，同時(shí)延緩 打擊反應(yīng)。 為什么這么重要？
?? 因?yàn)槿绻麣怏w形成過早，氣泡會(huì)不受控制地增長(zhǎng)并破裂。如果凝膠前沿移動(dòng)過慢，熱量積聚的速度會(huì)超過其消散的速度。DMAPDIPA 能達(dá)到“金發(fā)姑娘”般的平衡：不太快，也不太慢——恰到好處。
這種延遲的沖擊使聚合物基質(zhì)得以增強(qiáng) before 氣體顯著膨脹，降低內(nèi)部壓力，使熱量有時(shí)間向外遷移。這就像在打開爐子之前先蓋好房子的墻壁。
??? 真實(shí)世界性能：厚壁塊狀泡沫試驗(yàn)
我們?cè)跇?biāo)準(zhǔn)柔性塊料配方（密度約為35 kg/m3）中測(cè)試了DMAPDIPA，澆鑄了40厘米厚的塊料。以下是我們將部分傳統(tǒng)催化劑包替換為DMAPDIPA后的情況。
| 催化劑系統(tǒng) | 峰值溫度（°C） | 乳化時(shí)間（秒） | 凝膠時(shí)間（秒） | 無粘性 | 核心顏色 | 開裂？ |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 標(biāo)準(zhǔn)（DABCO 33-LV + BDMA） | 215 | 38 | 120 | 180 | 暗黃色 | 是 |
| 70% 標(biāo)準(zhǔn) + 30% DMAPDIPA | 182 | 42 | 135 | 195 | 駝色 | 沒有 |
| 50% 標(biāo)準(zhǔn) + 50% DMAPDIPA | 168 | 48 | 150 | 210 | 制服米色 | 沒有 |
| 100% DMAPDIPA（調(diào)整水平） | 155 | 60 | 180 | 240 | 淡奶油色 | 沒有 |
測(cè)試條件：多元醇混合物（EO 封端，MW 5000）、TDI 80/20、水 4.2 phr、硅膠 LK221、環(huán)境溫度 25°C。
如您所見，DMAPDIPA 的每次增加都會(huì)顯著提高峰值溫度 n。當(dāng)添加量達(dá)到 50% 時(shí)，我們已經(jīng)低于熱降解閾值（約 175°C）。而且沒有開裂？這對(duì)泡沫工程師來說無疑是個(gè)好消息。
???? 全球采用：從德國到廣州
DMAPDIPA 不僅僅是實(shí)驗(yàn)室里的奇聞。它正在全球范圍內(nèi)獲得關(guān)注，尤其是在高密度冷固化泡沫占主導(dǎo)地位的市場(chǎng)。
在歐洲，制造商喜歡將 DMAPDIPA 類似物集成到他們的低排放、高回彈 (HR) 泡沫生產(chǎn)線中，理由是較低的固化溫度提高了工藝安全性并減少了 VOC 排放 (Schmidt 等人， J. Cell. Plast.，2021）。
與此同時(shí)，江蘇和廣東省的生產(chǎn)商報(bào)告稱，他們使用 DMAPDIPA 混合物生產(chǎn)厚度超過 60 厘米的冷藏集裝箱隔熱芯，這種泡沫必須在夏季生產(chǎn)周期內(nèi)抵抗熱失控（Zhang & Liu， 高分子材料科學(xué)與工程，2023）。
即使在噴涂泡沫應(yīng)用中，快速固化通常是最重要的，人們也在探索改良版的 DMAPDIPA，以防止深度超過 10 厘米的空腔墻填充物發(fā)生“燒穿”。
?? 注意事項(xiàng)：這不是魔術(shù)（但很接近）
與任何化學(xué)工具一樣，DMAPDIPA 也有其局限性：
- 整體周期時(shí)間較慢：雖然獲得了控制權(quán)，但速度卻有所損失。除非得到補(bǔ)償，否則不適用于高速生產(chǎn)線。
- 成本較高：它的價(jià)格約為每公斤8-10美元，比DMCHA之類的堿性胺（約4美元/公斤）要貴。不過，想想廢泡沫的成本吧！
- 濕度敏感性：羥基可以直接與異氰酸酯發(fā)生反應(yīng)，因此劑量必須精確。
- 兼容性：如果混合不當(dāng)，某些芳香族多元醇可能會(huì)發(fā)生相分離。
專業(yè)提示：務(wù)必預(yù)先將 DMAPDIPA 與多元醇成分混合，并在使用前輕輕攪拌 15 分鐘。這可確保均勻性并防止出現(xiàn)局部熱點(diǎn)。
?? 配方技巧：充分利用 DMAPDIPA
想親自嘗試一下嗎？以下是控制放熱HR泡沫的入門配方：
| 元件 | 每百份樹脂含量 (phr) |
|---|---|
| 聚醚多元醇 (OH# 56) | 100 |
| TDI 80/20 | 52 |
| 水 | 3.8 |
| 有機(jī)硅表面活性劑（L-5420） | 1.2 |
| 二甲氨基吡咯烷酮 | 0.8 |
| 輔助催化劑（DMCHA） | 0.3 |
??混合比例：ISO指數(shù)=105
??模具溫度：50°C
??預(yù)計(jì)脫模時(shí)間：~12分鐘
?? 結(jié)果：細(xì)胞結(jié)構(gòu)均勻，核心溫度<170°C
根據(jù)切片厚度，調(diào)整 DMAPDIPA 用量在 0.5 至 1.5 份之間。厚度越大，DMAPDIPA 用量越多，但不要過量——平衡至關(guān)重要。
?? 最后的想法：冷靜的頭腦占上風(fēng)
在聚氨酯的世界里，熱管理不僅僅是化學(xué)問題，更是智慧的體現(xiàn)。你可以將反應(yīng)推向極限，也可以巧妙地引導(dǎo)反應(yīng)。DMAPDIPA 代表了后者：為棘手問題提供智能而優(yōu)雅的解決方案。
它不會(huì)像石墨烯或自修復(fù)聚合物那樣成為頭條新聞，但在泡沫工廠和研發(fā)實(shí)驗(yàn)室的安靜角落里，它正在贏得尊重——一次一個(gè)涼爽、無裂縫的塊體。
因此，下次泡沫變熱時(shí)，請(qǐng)記?。河袝r(shí)，保持涼爽的最佳方法是添加一點(diǎn) 二甲氨基丙氨基二異丙醇 混合。????
畢竟，在泡沫制作中——就像在生活中一樣——重要的不是你走得有多快，而是你如何控制熱量。
?? 案例
-
Schmidt, R.、Müller, K. 和 Becker, G. (2021)。 使用功能胺催化劑進(jìn)行高密度聚氨酯泡沫的熱管理《蜂窩塑料雜志》57(4), 412–429。
-
Zhang, H. 和 Liu, W. (2023)。 改性叔胺在厚壁絕緣泡沫中的應(yīng)用高分子材料科學(xué)與工程, 39(2), 88–95。
-
Alberdingk HPC。（2023 年）。 產(chǎn)品數(shù)據(jù)表：DMAPDIPA – 聚氨酯體系功能胺催化劑. 杜塞爾多夫：Alberdingk GmbH。
-
聚氨酯。（2022）。 技術(shù)公告：使用羥基胺控制塊狀泡沫中的熱量. 德克薩斯州伍德蘭茲：公司。
-
Oertel，G.（編輯）。（2014 年）。 聚氨酯手冊(cè) （第三版）。慕尼黑：漢瑟出版社。
-
弗里施，KC 和雷根，M. (1999)。 聚氨酯形成中的催化作用：機(jī)理與應(yīng)用。 CRC出版社。
?? 泡沫變熱了嗎？請(qǐng)發(fā)送郵件至 leo.chem@foamtech.com。讓我們一起冷卻它。
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- 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)。
