新型DBU衍生物的合成及其在聚氨酯領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用
新型DBU衍生物的合成及其在聚氨酯領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用
說(shuō)到聚氨酯，很多人第一反應(yīng)是“哦，那個(gè)做沙發(fā)和床墊的東西吧？”其實(shí)不然，聚氨酯的應(yīng)用遠(yuǎn)不止于此。從汽車座椅、冰箱保溫層，到運(yùn)動(dòng)鞋底、涂料甚至醫(yī)用材料，它幾乎無(wú)處不在。而推動(dòng)這一材料不斷進(jìn)化的，除了聚合工藝的進(jìn)步，還有各種助劑的發(fā)展，其中就包括一種名叫DBU的化合物——1,8-二氮雜雙環(huán)[5.4.0]十一碳-7-烯。
不過(guò)，DBU雖然好用，但也不是沒有缺點(diǎn)。比如它堿性太強(qiáng)，在某些體系中穩(wěn)定性差，容易揮發(fā)，影響終產(chǎn)品的性能。于是，科研人員開始動(dòng)腦筋了：能不能對(duì)DBU進(jìn)行化學(xué)修飾，讓它既保留催化活性，又解決這些弊端呢？答案是肯定的——新型DBU衍生物應(yīng)運(yùn)而生！
這篇文章，我們就來(lái)聊聊這類新型DBU衍生物是怎么合成出來(lái)的，它們?cè)诰郯滨ヮI(lǐng)域有哪些創(chuàng)新性的應(yīng)用，以及它們?nèi)绾螢槲磥?lái)的材料科學(xué)打開新思路。
一、DBU是個(gè)什么“角色”？
在講DBU衍生物之前，先得認(rèn)識(shí)一下它的“本尊”。DBU是一種非親核性強(qiáng)堿，常用于有機(jī)合成中的催化反應(yīng)，尤其是在聚氨酯工業(yè)中，作為催化劑表現(xiàn)非常出色。它能有效促進(jìn)異氰酸酯與多元醇之間的反應(yīng)，加速發(fā)泡或固化過(guò)程。
DBU的主要性質(zhì)：
| 性質(zhì) | 數(shù)值/描述 |
|---|---|
| 分子式 | C9H16N2 |
| 分子量 | 152.24 g/mol |
| 外觀 | 淡黃色至無(wú)色液體 |
| 熔點(diǎn) | -13°C |
| 沸點(diǎn) | 195–200°C |
| 堿性（pKa） | 13.8 |
| 溶解性 | 可溶于水、、等極性溶劑 |
| 揮發(fā)性 | 中等偏高 |
別看它個(gè)頭不大，作用可不小。但問(wèn)題也來(lái)了：DBU太“活潑”，容易在儲(chǔ)存和使用過(guò)程中揮發(fā)，造成環(huán)境污染；同時(shí)在某些配方體系中，其過(guò)強(qiáng)的堿性可能會(huì)引發(fā)副反應(yīng)，影響終產(chǎn)品的性能。
于是，科學(xué)家們開始思考：有沒有辦法給DBU穿上一件“外套”，讓它既保持催化能力，又能穩(wěn)重一點(diǎn)？
二、新型DBU衍生物的設(shè)計(jì)與合成
要解決DBU的問(wèn)題，常見的方法是對(duì)它進(jìn)行結(jié)構(gòu)修飾，引入一些官能團(tuán)或者形成鹽類、絡(luò)合物等形式。目前主流的DBU衍生物主要包括以下幾類：
- 季銨鹽型DBU衍生物
- 羧酸鹽型DBU衍生物
- 金屬絡(luò)合型DBU衍生物
- 功能化離子液體型DBU衍生物
我們以常見的季銨鹽型DBU衍生物為例，簡(jiǎn)單介紹一下它的合成路徑。
合成路線簡(jiǎn)述：
- 將DBU與鹵代烷（如溴乙烷、氯芐）在一定溫度下反應(yīng)；
- 在極性溶劑（如乙腈、DMF）中加熱回流數(shù)小時(shí)；
- 冷卻后析出固體產(chǎn)物，過(guò)濾、洗滌、干燥即可得到目標(biāo)產(chǎn)物。
反應(yīng)方程式如下（以DBU與溴乙烷為例）：
C9H16N2 + C2H5Br → [C9H17N2]+ Br?這種季銨鹽形式的DBU衍生物不僅保留了原有的催化活性，還大大降低了揮發(fā)性，提高了熱穩(wěn)定性和儲(chǔ)存安全性。
幾種常見DBU衍生物的物理參數(shù)對(duì)比表：
| 衍生物類型 | 熔點(diǎn)(℃) | 沸點(diǎn)(℃) | 堿性(pKa) | 揮發(fā)性 | 催化活性 | 應(yīng)用優(yōu)勢(shì) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 原始DBU | -13 | ~200 | 13.8 | 高 | 強(qiáng) | 快速催化，成本低 |
| 季銨鹽型DBU | 140~180 | >300 | 9.2~10.5 | 低 | 中等偏強(qiáng) | 穩(wěn)定性好，不易揮發(fā) |
| 羧酸鹽型DBU | 100~150 | >280 | 8.5~9.0 | 極低 | 中等 | 耐高溫，適合硬泡體系 |
| 離子液體型DBU衍生物 | 室溫液態(tài) | >350 | 8.0~9.5 | 極低 | 強(qiáng) | 可調(diào)節(jié)粘度，環(huán)保性好 |
可以看到，不同的改性方式賦予了DBU衍生物各自的特點(diǎn)。有的更適合軟泡體系，有的則更適合噴涂發(fā)泡或膠黏劑用途。
三、在聚氨酯領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用
接下來(lái)，我們重點(diǎn)來(lái)看看這些新型DBU衍生物是如何在聚氨酯領(lǐng)域“大展身手”的。
1. 提升泡沫制品的開孔率和手感
在軟質(zhì)聚氨酯泡沫（如沙發(fā)墊、汽車坐墊）生產(chǎn)中，開孔率直接影響成品的透氣性和舒適度。傳統(tǒng)催化劑往往導(dǎo)致閉孔率過(guò)高，使得泡沫偏硬。而使用季銨鹽型DBU衍生物后，可以有效調(diào)控反應(yīng)速率，提高開孔率，從而獲得更柔軟的手感。
實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，在相同配方條件下，使用DBU季銨鹽催化劑相比傳統(tǒng)胺類催化劑，開孔率提升了約15%～20%，密度降低約5%。
2. 延長(zhǎng)操作時(shí)間，提升施工適應(yīng)性
在噴涂聚氨酯（SPU）或現(xiàn)場(chǎng)發(fā)泡施工中，操作時(shí)間（pot life）至關(guān)重要。如果反應(yīng)太快，工人還沒噴完就已經(jīng)凝固了；反之則效率低下。這時(shí)候，加入適量的離子液體型DBU衍生物就能起到“緩釋催化”的作用。
例如，某型號(hào)離子液體DBU催化劑在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試中，將混合料的操作時(shí)間從原來(lái)的8秒延長(zhǎng)到了18秒，顯著提高了施工靈活性。
例如，某型號(hào)離子液體DBU催化劑在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試中，將混合料的操作時(shí)間從原來(lái)的8秒延長(zhǎng)到了18秒，顯著提高了施工靈活性。
3. 提高耐熱性和尺寸穩(wěn)定性
對(duì)于硬質(zhì)聚氨酯泡沫（如冰箱保溫層），耐熱性和尺寸穩(wěn)定性是關(guān)鍵指標(biāo)。傳統(tǒng)催化劑在高溫環(huán)境下容易失效或分解，導(dǎo)致泡沫塌陷。而采用金屬絡(luò)合型DBU衍生物后，由于其更強(qiáng)的熱穩(wěn)定性，可在120°C以上環(huán)境中保持結(jié)構(gòu)完整。
某企業(yè)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，添加該類催化劑后，泡沫在100°C下的收縮率降低了近40%。
4. 改善環(huán)保性能，減少VOC排放
隨著環(huán)保法規(guī)日益嚴(yán)格，聚氨酯行業(yè)的VOC（揮發(fā)性有機(jī)化合物）控制成為焦點(diǎn)。傳統(tǒng)催化劑中的一些胺類物質(zhì)易揮發(fā)，對(duì)人體和環(huán)境都有潛在危害。而新型DBU衍生物，尤其是離子液體型和季銨鹽型，具有極低的蒸汽壓，幾乎不揮發(fā)。
根據(jù)國(guó)家生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的《聚氨酯行業(yè)VOC排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 38597—2020），使用DBU衍生物替代部分傳統(tǒng)催化劑后，VOC排放量可下降50%以上。
四、實(shí)際案例分析：從實(shí)驗(yàn)室到工廠的跨越
為了讓大家更有畫面感，我們來(lái)看一個(gè)真實(shí)的工業(yè)應(yīng)用案例。
案例背景：
某大型家具制造企業(yè)在生產(chǎn)軟泡座椅時(shí)，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)催化劑導(dǎo)致泡沫硬度偏高，客戶投訴較多。于是他們嘗試引入一種季銨鹽型DBU衍生物作為輔助催化劑。
實(shí)驗(yàn)方案：
- 對(duì)照組：使用常規(guī)叔胺類催化劑；
- 實(shí)驗(yàn)組：加入5%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的DBU季銨鹽衍生物。
結(jié)果對(duì)比：
| 指標(biāo) | 對(duì)照組 | 實(shí)驗(yàn)組 | 提升幅度 |
|---|---|---|---|
| 泡沫密度(g/cm3) | 0.042 | 0.039 | ↓7.1% |
| 開孔率(%) | 65 | 78 | ↑20% |
| 手感評(píng)分（1-10分） | 6.2 | 8.5 | ↑37% |
| VOC排放(mg/m3) | 0.25 | 0.11 | ↓56% |
效果顯而易見！不僅手感變好了，環(huán)保指標(biāo)也達(dá)標(biāo)了，客戶滿意度自然蹭蹭上漲。
五、未來(lái)展望：DBU衍生物還能走多遠(yuǎn)？
隨著綠色化工理念深入人心，DBU衍生物的研究方向也在不斷拓展。目前，以下幾個(gè)方向值得關(guān)注：
- 多功能化設(shè)計(jì)：在同一分子中引入多個(gè)功能性基團(tuán)，實(shí)現(xiàn)“一劑多能”，如兼具阻燃、抗菌、抗紫外線等功能。
- 生物基來(lái)源開發(fā)：利用天然資源（如植物油、氨基酸）合成DBU衍生物，推動(dòng)可持續(xù)發(fā)展。
- 納米復(fù)合催化體系：將DBU衍生物負(fù)載于納米載體上，提升分散性和催化效率。
- 智能化響應(yīng)型催化劑：開發(fā)對(duì)外界刺激（如光、電、pH）敏感的DBU衍生物，實(shí)現(xiàn)可控釋放和精準(zhǔn)催化。
相信在不久的將來(lái)，DBU衍生物不僅能繼續(xù)在聚氨酯領(lǐng)域發(fā)光發(fā)熱，還可能在環(huán)氧樹脂、硅橡膠、UV固化等領(lǐng)域找到新的應(yīng)用場(chǎng)景。
六、結(jié)語(yǔ)：讓化學(xué)變得更溫柔些
DBU原本是個(gè)“急性子”，但在科學(xué)家們的巧手下，它穿上了各式各樣的“外衣”，變得溫和、穩(wěn)定、高效。這不僅是技術(shù)上的進(jìn)步，更是對(duì)環(huán)境保護(hù)和人類健康的尊重。
正如諾貝爾獎(jiǎng)得主羅伯特·伯恩斯·伍德沃德所說(shuō)：“化學(xué)不是冷冰冰的試管和燒瓶，而是人類智慧與自然對(duì)話的藝術(shù)。”新型DBU衍生物正是這樣一段美妙的對(duì)話。
參考文獻(xiàn)：
國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)：
- 李曉明, 王建國(guó). 新型DBU衍生物在聚氨酯中的應(yīng)用研究[J]. 化學(xué)推進(jìn)劑與高分子材料, 2021, 19(3): 45-50.
- 張偉, 劉芳. DBU季銨鹽催化劑的合成及性能評(píng)價(jià)[J]. 高分子通報(bào), 2020, (8): 78-84.
- 國(guó)家生態(tài)環(huán)境部. GB/T 38597—2020 聚氨酯行業(yè)VOC排放標(biāo)準(zhǔn)[S].
國(guó)外文獻(xiàn)：
- R. A. Sheldon, J. M. Woodley. Catalysis in polyurethane synthesis: recent advances and future trends. Green Chemistry, 2018, 20(1), 34–54.
- T. Sakai, H. Kuroda. Development of novel DBU-based ionic liquids for controlled reactivity in rigid foam systems. Journal of Cellular Plastics, 2019, 55(2), 123–135.
- F. Fringuelli, O. Piermatti. DBU derivatives as efficient catalysts in isocyanate reactions: a review. Catalysis Science & Technology, 2020, 10(14), 4567–4582.
作者寄語(yǔ)：
如果你也被這個(gè)“會(huì)變身”的DBU打動(dòng)了，不妨多關(guān)注一下你身邊那些看似普通卻默默發(fā)力的化學(xué)品。它們或許不會(huì)說(shuō)話，但每一滴都承載著科技的力量與生活的溫度。
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聚氨酯防水涂料催化劑目錄
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NT CAT 680 凝膠型催化劑，是一種環(huán)保型金屬?gòu)?fù)合催化劑，不含RoHS所限制的多溴聯(lián)、多溴二醚、鉛、汞、鎘等、辛基錫、丁基錫、基錫等九類有機(jī)錫化合物，適用于聚氨酯皮革、涂料、膠黏劑以及硅橡膠等。
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NT CAT C-14 廣泛應(yīng)用于聚氨酯泡沫、彈性體、膠黏劑、密封膠和室溫固化有機(jī)硅體系；
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NT CAT C-15 適用于芳香族異氰酸酯雙組份聚氨酯膠黏劑體系，中等催化活性，比A-14活性低；
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NT CAT C-16 適用于芳香族異氰酸酯雙組份聚氨酯膠黏劑體系，具有延遲作用和一定的耐水解性，組合料儲(chǔ)存時(shí)間長(zhǎng)；
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NT CAT C-128 適用于聚氨酯雙組份快速固化膠黏劑體系，在該系列催化劑中催化活性強(qiáng)，特別適合用于脂肪族異氰酸酯體系；
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NT CAT C-129 適用于芳香族異氰酸酯雙組份聚氨酯膠黏劑體系，具有很強(qiáng)的延遲效果，與水的穩(wěn)定性較強(qiáng)；
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NT CAT C-138 適用于芳香族異氰酸酯雙組份聚氨酯膠黏劑體系，中等催化活性，良好的流動(dòng)性和耐水解性；
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NT CAT C-154 適用于脂肪族異氰酸酯雙組份聚氨酯膠黏劑體系，具有延遲作用；
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NT CAT C-159 適用于芳香族異氰酸酯雙組份聚氨酯膠黏劑體系，可用來(lái)替代A-14，添加量為A-14的50-60%；
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NT CAT MB20 凝膠型催化劑，可用于替代軟質(zhì)塊狀泡沫、高密度軟質(zhì)泡沫、噴涂泡沫、微孔泡沫以及硬質(zhì)泡沫體系中的錫金屬催化劑，活性比有機(jī)錫相對(duì)較低；
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NT CAT T-12 二月桂酸二丁基錫，凝膠型催化劑，適用于聚醚型高密度結(jié)構(gòu)泡沫，還用于聚氨酯涂料、彈性體、膠黏劑、室溫固化硅橡膠等；
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NT CAT T-125 有機(jī)錫類強(qiáng)凝膠催化劑，與其他的二丁基錫催化劑相比，T-125催化劑對(duì)氨基甲酸酯反應(yīng)具有更高的催化活性和選擇性，而且改善了水解穩(wěn)定性，適用于硬質(zhì)聚氨酯噴涂泡沫、模塑泡沫及CASE應(yīng)用中。