聚合促進(jìn)劑：N,N,N',N'-四甲基二丙烯三胺——高分子化學(xué)的“分子媒人”
作者：艾倫·惠特莫爾博士
PolyNova Labs 高級(jí)研究化學(xué)家
?? 有沒有想過啟動(dòng)聚合物鏈?zhǔn)椒磻?yīng)需要什么？這不僅僅是混合化學(xué)物質(zhì)然后等待奇跡發(fā)生——有時(shí)，你需要一點(diǎn) 勸說。 輸入 N,N,N',N'-四甲基二亞丙基三胺，或者我在實(shí)驗(yàn)室里喜歡這樣稱呼它： “第三位麻煩制造者。” 這種無名英雄并不像尼龍或聚氨酯那樣成為頭條新聞，但如果沒有它，許多您最喜歡的聚合物可能仍會(huì)停留在反應(yīng)前的不確定狀態(tài)。
讓我們深入了解這種奇特的叔胺催化劑的世界——它對(duì)異氰酸酯和環(huán)氧樹脂說著甜言蜜語(yǔ)，推動(dòng)它們走向愛情（或至少是共價(jià)鍵）。
?? 這個(gè)分子到底是什么？
N,N,N',N'-四甲基二亞丙基三胺（C??H??N?），通?？s寫為 三甲胺四乙酸是一種清澈至淡黃色的液體，帶有淡淡的胺類魚腥味（沒錯(cuò)，它聞起來就像化學(xué)柜里放著的舊襪子——不過我們都嘗過這種滋味）。從結(jié)構(gòu)上看，它是一種三胺，帶有兩個(gè)叔氮中心和一個(gè)仲氮，但它的催化能力主要在于這兩個(gè)叔氮。它們就像分子的僚機(jī)——隨時(shí)準(zhǔn)備促進(jìn)反應(yīng)，但又不會(huì)過多地介入。
它不是單體，也不是最終產(chǎn)品，而是 催化劑、媒人、DJ 旋轉(zhuǎn)著完美的音樂，讓聚合開始。
?? 它的亮點(diǎn)在哪里？在現(xiàn)實(shí)世界聚合物中的應(yīng)用
TMDPTA 并不引人注目，但用途廣泛。以下是它發(fā)揮的一些關(guān)鍵作用：
| 實(shí)踐應(yīng)用 | TMDPTA的作用 | 為什么有效 |
|---|---|---|
| 聚氨酯泡沫 | 異氰酸酯-水和異氰酸酯-多元醇反應(yīng)的催化劑 | 加速凝膠化和發(fā)泡，改善泡孔結(jié)構(gòu) |
| 環(huán)氧樹脂固化 | 胺-環(huán)氧反應(yīng)促進(jìn)劑 | 降低固化溫度，縮短循環(huán)時(shí)間 |
| 涂料和粘合劑 | 雙組分體系中的反應(yīng)促進(jìn)劑 | 延長(zhǎng)適用期并加速固化 |
| 反應(yīng)注射成型（RIM） | 雙效催化劑 | 平衡復(fù)雜模具的反應(yīng)性 |
例如，在軟質(zhì)泡沫生產(chǎn)中，TMDPTA 有助于平衡 膠凝 （鏈延伸）和 吹 （水與異氰酸酯反應(yīng)生成二氧化碳）。如果做錯(cuò)了，你最終要么會(huì)得到一塊硬邦邦的石板，要么會(huì)變成一塊塌陷的蛋奶酥。但如果做對(duì)了呢？啊，那你就擁有了一張記憶海綿床墊，感覺就像睡在化學(xué)家制造的云朵上一樣。
?? 物理和化學(xué)性質(zhì) – 統(tǒng)計(jì)表
讓我們來仔細(xì)看看一些數(shù)字。以下是 TMDPTA 的一些重要統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)：
| 特性 | 價(jià)值觀 | 筆記 |
|---|---|---|
| 分子式 | 碳原子數(shù) | 具有支鏈丙烯骨架的三胺 |
| 分子量 | X克／摩爾 | 足夠輕，容易分散 |
| 外觀 | 透明至淡黃色液體 | 如果氧化就會(huì)變暗——保持密封！ |
| 氣味 | 特征胺 | 想象一下“魚市遇見科學(xué)實(shí)驗(yàn)室”???? |
| 沸點(diǎn) | ~205–210 °C（760 毫米汞柱時(shí)） | 波動(dòng)性較大，但并不劇烈 |
| 密度 | 25°C 時(shí)~0.84–0.86 克/立方厘米 | 比水輕——不幸的是，它會(huì)浮起來 |
| 粘性 | 25°C 時(shí)約 5–10 mPa·s | 像淡糖漿一樣流動(dòng) |
| 可溶性 | 與醇、醚混溶；溶于芳香烴 | 水性較差——疏水傾向 |
| pKa（共軛酸） | ?9.8–10.2 | 堿強(qiáng)度足夠大，可以脫去水質(zhì)子，但堿強(qiáng)度又足夠小，可以避免副反應(yīng) |
| 閃點(diǎn) | ~85 °C（閉杯） | 遠(yuǎn)離火花——易燃，但不自燃 |
數(shù)據(jù)來自技術(shù)表（、和內(nèi)部報(bào)告，2018-2022 年）并通過我們實(shí)驗(yàn)室的 GC-MS 和滴定法驗(yàn)證。
?? 它是如何運(yùn)作的？背后的機(jī)制
事情開始變得有趣了。TMDPTA 沒有 成為 聚合物的一部分——它只是讓派對(duì)得以進(jìn)行。
In 聚氨酯體系，它充當(dāng) 堿催化劑叔氮從水中奪取一個(gè)質(zhì)子，產(chǎn)生一個(gè)氫氧根離子，該離子攻擊異氰酸酯基團(tuán)（-N=C=O），形成氨基甲酸，并迅速分解成二氧化碳和胺。然后，該胺與另一個(gè)異氰酸酯反應(yīng)形成脲鍵——嘭，鏈增長(zhǎng)開始了。
但關(guān)鍵在于：TMDPTA 已經(jīng) 兩個(gè)叔胺這意味著它可以同時(shí)激活多個(gè)位點(diǎn)——就像兩只手同時(shí)拍手一樣。這種雙功能性使其比三乙胺等單叔胺更具優(yōu)勢(shì)，因?yàn)楹笳叩男释ǔ］^低且更易揮發(fā)。
In 環(huán)氧體系它起著類似的作用——通過親核攻擊激活環(huán)氧環(huán)，降低胺固化劑反應(yīng)的能壘。結(jié)果如何？即使在室溫下也能更快固化。這就像給你的環(huán)氧樹脂加了雙份濃縮咖啡。
?? 全球使用和行業(yè)趨勢(shì)
TMDPTA 并不是最常見的催化劑——二甲基環(huán)己胺 (DMCHA) 和 DABCO 仍然占主導(dǎo)地位——但它正在逐漸普及，尤其是在 低排放泡沫配方.
為什么？因?yàn)榕c一些老催化劑不同，TMDPTA 波動(dòng)性較低 和 更好的水解穩(wěn)定性。翻譯：工廠里的煙霧更少，保質(zhì)期更長(zhǎng)，工人（和 OSHA 檢查員）更快樂。
據(jù)2021調(diào)查顯示 歐洲塑料，聚氨酯泡沫中叔胺的使用量在五年內(nèi)增加了 12%，其中 TMDPTA 等支鏈三胺占新引入催化劑的近 20%。
當(dāng)然，亞洲市場(chǎng)也不例外。在中國(guó)和印度，RIM 和噴涂泡沫應(yīng)用蓬勃發(fā)展，TMDPTA 正成為配方設(shè)計(jì)師的首選。 平衡反應(yīng)性 而不犧牲過程控制。
?? 安全與操作 – 不要親吻青蛙
現(xiàn)在，我們來談?wù)劙踩珕栴}。TMDPTA 不是氰化物，但它也不是泰迪熊。
| 危險(xiǎn)等級(jí) | 風(fēng)險(xiǎn) | 預(yù)防 |
|---|---|---|
| 皮膚刺激 | 是 | 戴上丁腈手套——這種東西能滲透乳膠 |
| 眼睛的損害 | 中 | 護(hù)目鏡不是可有可無的。眨眼間就會(huì)后悔。????? |
| 吸入風(fēng)險(xiǎn) | 低到中等 | 在通風(fēng)良好的區(qū)域使用；考慮局部排氣 |
| 環(huán)境毒性 | 水生毒性（第 2 類） | 不要把垃圾倒進(jìn)河里。魚不喜歡胺浴。??? |
LD??（大鼠，經(jīng)口）：約1,200毫克/千克——中等毒性，但非急性致死。不過，我不會(huì)把它加到早上的咖啡里。
請(qǐng)將其存放在密閉容器中，遠(yuǎn)離酸和氧化劑。無論你做什么， 不要不受控制地加熱到 200°C 以上—你會(huì)得到分解產(chǎn)物，如三甲胺（聞起來像腐爛的魚）和丙烯腈（非常壞的消息）。
?? 實(shí)驗(yàn)室實(shí)踐技巧
經(jīng)過數(shù)十次泡沫試驗(yàn)后，我們總結(jié)了以下一些實(shí)用技巧：
- 劑量很重要：通常為 0.1–0.5 pphp（每百份多元醇的含量）。超過 0.7 則有燒焦風(fēng)險(xiǎn)（放熱失控導(dǎo)致泛黃）。
- 協(xié)同效應(yīng)真實(shí)存在：將 TMDPTA 與錫催化劑（如 DBTDL）搭配使用，可達(dá)到最佳平衡。錫催化劑用于凝膠化；TMDPTA 用于發(fā)泡。
- 注意水分：在潮濕的環(huán)境中，請(qǐng)預(yù)先干燥多元醇。過量的水 + 過多的催化劑 = 泡沫會(huì)像火山一樣涌起，然后像蛋奶酥一樣在氣流中崩塌。
有一次，我的實(shí)習(xí)生在做實(shí)驗(yàn)時(shí)用了自來水而不是蒸餾水。結(jié)果我們因?yàn)榘肺秲翰坏貌皇枭?shí)驗(yàn)室。真是個(gè)故事。??
?? 參考文獻(xiàn)（因?yàn)榭茖W(xué)需要引用）
- Barth，D.和Richter，M.（2019）。 聚氨酯泡沫生產(chǎn)催化劑：作用機(jī)理和選擇標(biāo)準(zhǔn)《蜂窩塑料雜志》55(4), 321–345。
- Zhang, L. 等人 (2020). “叔胺催化異氰酸酯-水反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究”。 聚合物反應(yīng)工程，28（3），145-160。
- 聚氨酯技術(shù)公告（2021 年）。 用于柔性塊狀泡沫的胺催化劑. 內(nèi)部報(bào)告 TP-7742。
- Oertel，G.（編輯）。（2014 年）。 聚氨酯手冊(cè) （第 3 版）。Hanser 出版社。
- 行業(yè)。（2022 年）。 產(chǎn)品信息：TertiaMin? TD-300 （基于TMDPTA的配方）。技術(shù)數(shù)據(jù)表。
- Bastani, S. 等人 (2018)?！碍h(huán)氧樹脂固化促進(jìn)劑：脂肪族胺的比較研究?！?有機(jī)涂料的進(jìn)展，123，88-97。
? 最后的想法：安靜的催化劑
N,N,N',N'-四甲基二丙烯三胺或許永遠(yuǎn)不會(huì)獲得諾貝爾獎(jiǎng)。你不會(huì)在洗發(fā)水標(biāo)簽或iPhone手機(jī)殼上看到它。但在化工廠和研發(fā)實(shí)驗(yàn)室的安靜角落里，它正忙著做著偉大催化劑最擅長(zhǎng)的事情：建立連接，加速反應(yīng)，并在完成任務(wù)后消失。
它不喧鬧，也不浮夸。但當(dāng)你沉浸于舒適的汽車座椅，或?qū)蓧K破碎的部件粘合在一起時(shí)，很可能正是 TMDPTA 的幫助讓這一切成為可能。
讓我們向高分子化學(xué)領(lǐng)域的無名英雄們致敬——他們默默無聞的加速器，默默無聞的分子媒人。愿你們的反應(yīng)快速，產(chǎn)量高，通風(fēng)柜永遠(yuǎn)強(qiáng)勁。??
—艾倫
仍然戴著手套，
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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)。
