DBU在鑄造型聚氨酯中的應(yīng)用，提升生產(chǎn)效率
DBU在鑄造型聚氨酯中的應(yīng)用——提升生產(chǎn)效率的“秘密武器”
大家好，我是從事聚氨酯行業(yè)十多年的一線工程師老李。今天我想和大家聊聊一個(gè)聽起來(lái)有點(diǎn)“冷門”，但在我們這個(gè)圈子里卻相當(dāng)“熱門”的話題：DBU在鑄造型聚氨酯中的應(yīng)用。
可能你第一次聽到DBU這個(gè)詞的時(shí)候會(huì)一臉懵：“DBU？是數(shù)據(jù)庫(kù)嗎？還是某個(gè)編程語(yǔ)言？”其實(shí)都不是。DBU全名叫1,8-二氮雜雙環(huán)[5.4.0]十一碳-7-烯（1,8-Diazabicyclo[5.4.0]undec-7-ene），是一種強(qiáng)堿性有機(jī)催化劑，在聚氨酯領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用。尤其是在鑄造型聚氨酯（Cast Polyurethane）的生產(chǎn)過程中，DBU簡(jiǎn)直就像是一位“加速器大師”，讓整個(gè)反應(yīng)過程變得更快、更穩(wěn)、更可控。
這篇文章我打算從幾個(gè)方面來(lái)聊一聊：
- 什么是鑄造型聚氨酯？
- DBU是什么？它有什么特點(diǎn)？
- DBU在鑄造型聚氨酯中扮演什么角色？
- 使用DBU后，生產(chǎn)效率有哪些具體提升？
- 實(shí)際案例分析與參數(shù)對(duì)比
- 行業(yè)趨勢(shì)與文獻(xiàn)參考
好了，咱們先來(lái)點(diǎn)個(gè)開胃菜，說說鑄造型聚氨酯到底是個(gè)啥玩意兒。
一、鑄造型聚氨酯是個(gè)啥？
鑄造型聚氨酯，英文叫Cast Polyurethane，簡(jiǎn)稱CPU，是一種通過將多元醇和多異氰酸酯混合后澆注成型的材料。這種材料大的特點(diǎn)是可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、力學(xué)性能優(yōu)異、耐磨耐油、彈性好，廣泛應(yīng)用于汽車零部件、礦山機(jī)械、輥筒、密封件、緩沖墊等多個(gè)工業(yè)領(lǐng)域。
跟其他類型的聚氨酯（比如噴涂型、泡沫型）相比，鑄造型聚氨酯對(duì)工藝控制的要求更高，因?yàn)樗ǔＪ鞘止せ虬胱詣?dòng)操作，反應(yīng)時(shí)間短，固化速度快，稍有不慎就容易出現(xiàn)氣泡、分層、硬度不均等問題。
所以，怎么控制反應(yīng)速度、調(diào)節(jié)凝膠時(shí)間、提高制品質(zhì)量，就成了我們這些技術(shù)人員天天琢磨的問題。而DBU，正是在這個(gè)過程中逐漸嶄露頭角的“關(guān)鍵人物”。
二、DBU是誰(shuí)？它為啥這么牛？
前面說了，DBU全名叫1,8-二氮雜雙環(huán)[5.4.0]十一碳-7-烯，化學(xué)式是C9H16N2。它是一種無(wú)色透明液體，具有強(qiáng)烈的堿性，pKa值高達(dá)13.5左右，屬于超強(qiáng)堿類催化劑。
DBU早是在上世紀(jì)中期被開發(fā)出來(lái)的，初用于有機(jī)合成中的脫保護(hù)反應(yīng)。后來(lái)人們發(fā)現(xiàn)它在聚氨酯體系中也有很強(qiáng)的催化活性，特別是在促進(jìn)氨基甲酸酯（urethane）反應(yīng)方面表現(xiàn)突出。
它的主要特點(diǎn)包括：
| 特性 | 描述 |
|---|---|
| 催化活性 | 強(qiáng)烈促進(jìn)-NCO與-OH之間的反應(yīng) |
| 反應(yīng)選擇性 | 對(duì)urethane反應(yīng)選擇性高，副反應(yīng)少 |
| 堿性強(qiáng)弱 | pH值約為11~12（稀釋液） |
| 溶解性 | 易溶于大多數(shù)有機(jī)溶劑，如DMF、THF等 |
| 安全性 | 需注意腐蝕性和刺激性，操作時(shí)戴手套護(hù)目鏡 |
DBU的一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)是它不像傳統(tǒng)的胺類催化劑那樣容易引起發(fā)泡反應(yīng)（特別是在水存在的情況下）。它更適合用在那些不需要發(fā)泡、但又需要快速反應(yīng)的體系中，比如我們今天要講的鑄造型聚氨酯。
三、DBU在鑄造型聚氨酯中的作用機(jī)制
鑄造型聚氨酯的基本反應(yīng)是多元醇（polyol）和多異氰酸酯（MDI、TDI等）之間的加成反應(yīng)，生成氨基甲酸酯鍵（–NH–CO–O–）。這個(gè)反應(yīng)本身比較慢，通常需要加入催化劑來(lái)加快反應(yīng)速度。
傳統(tǒng)的催化劑主要有兩類：一類是錫類催化劑（如T-9、T-12），另一類是叔胺類催化劑（如DABCO、TEA）。它們各有優(yōu)劣，比如錫類催化劑雖然效果穩(wěn)定，但價(jià)格貴、環(huán)保性差；叔胺類催化劑成本低，但容易引發(fā)副反應(yīng)，尤其是當(dāng)體系中有水分存在時(shí)，容易導(dǎo)致不必要的發(fā)泡現(xiàn)象。
這時(shí)候DBU的優(yōu)勢(shì)就體現(xiàn)出來(lái)了。
DBU的作用機(jī)制可以簡(jiǎn)單理解為“精準(zhǔn)打擊”。它能夠有效促進(jìn)–NCO與–OH之間的反應(yīng)，而不像傳統(tǒng)胺類那樣對(duì)水敏感。也就是說，它能讓你的反應(yīng)“快而不亂”，既提升了反應(yīng)速度，又避免了不必要的副作用。
此外，DBU還有一個(gè)很特別的地方：它是“延遲型”催化劑。什么意思呢？就是在混合初期它不會(huì)立刻起作用，而是等到一定溫度或時(shí)間后才開始發(fā)力。這對(duì)于鑄造工藝來(lái)說非常重要，因?yàn)槟憧梢岳眠@段時(shí)間完成澆注、排氣等操作，然后再讓反應(yīng)迅速進(jìn)行。
四、DBU如何提升生產(chǎn)效率？
說到這兒，估計(jì)你已經(jīng)明白了DBU的重要性。那它到底能給我們的生產(chǎn)帶來(lái)哪些實(shí)實(shí)在在的好處呢？下面我就從幾個(gè)方面來(lái)詳細(xì)分析一下。
1. 縮短凝膠時(shí)間
凝膠時(shí)間是指從原料混合到開始變稠、失去流動(dòng)性的那個(gè)臨界點(diǎn)。對(duì)于鑄造型聚氨酯來(lái)說，控制好凝膠時(shí)間至關(guān)重要。太短了來(lái)不及操作，太長(zhǎng)了影響生產(chǎn)節(jié)拍。
使用DBU后，凝膠時(shí)間可以明顯縮短，尤其適用于低溫環(huán)境下的操作。比如在冬季或者北方地區(qū)，氣溫較低時(shí)，普通配方往往反應(yīng)緩慢，添加DBU可以很好地彌補(bǔ)這一點(diǎn)。
舉個(gè)例子：
舉個(gè)例子：
| 添加劑類型 | 凝膠時(shí)間（秒） | 操作時(shí)間（秒） | 硬度變化范圍（Shore A） |
|---|---|---|---|
| 無(wú)催化劑 | >600 | >500 | 60~70 |
| T-9 | 200~250 | 180~220 | 70~80 |
| DABCO | 150~200 | 120~180 | 75~85 |
| DBU（0.1%） | 120~160 | 100~140 | 80~90 |
從表格可以看出，DBU在凝膠時(shí)間和硬度方面都有明顯優(yōu)勢(shì)。
2. 提高脫模效率
脫模時(shí)間是指從澆注到可以安全取出模具的時(shí)間。DBU由于其良好的催化性能，能夠讓反應(yīng)更充分地進(jìn)行，從而加快固化速度，縮短脫模時(shí)間。
這對(duì)工廠來(lái)說意味著單位時(shí)間內(nèi)可以生產(chǎn)更多的產(chǎn)品，提升產(chǎn)能。
3. 改善物理性能
很多人擔(dān)心加了催化劑會(huì)影響終產(chǎn)品的性能。但事實(shí)上，DBU不僅能提高反應(yīng)效率，還能改善成品的物理性能，比如拉伸強(qiáng)度、撕裂強(qiáng)度和耐磨性。
這是因?yàn)镈BU促進(jìn)了更均勻的交聯(lián)結(jié)構(gòu)形成，減少了局部缺陷，使分子鏈排列更加規(guī)整。
4. 環(huán)保友好型替代品
隨著環(huán)保法規(guī)越來(lái)越嚴(yán)格，傳統(tǒng)的錫類催化劑（如辛酸亞錫）正面臨淘汰。DBU作為一種非金屬催化劑，不含重金屬，符合當(dāng)前綠色制造的趨勢(shì)，是替代錫類的理想選擇。
五、實(shí)際應(yīng)用案例與參數(shù)對(duì)比
為了讓大家更有直觀感受，我這里分享一個(gè)我們?cè)谀晨蛻衄F(xiàn)場(chǎng)做的測(cè)試案例。
案例背景：
客戶是一家專業(yè)生產(chǎn)礦山篩板的企業(yè)，采用的是聚酯型聚氨酯體系，主料為聚醚多元醇+MDI預(yù)聚體。他們?cè)瓉?lái)的配方中使用的是T-9作為催化劑，但由于環(huán)保問題和脫模慢的問題，想要換一種更高效環(huán)保的催化劑。
我們建議他們?cè)谠浞交A(chǔ)上，替換掉部分T-9，改用DBU，并做了三組對(duì)照實(shí)驗(yàn)。
實(shí)驗(yàn)配方如下：
| 組別 | 催化劑種類 | 添加量（%） | 凝膠時(shí)間（s） | 脫模時(shí)間（min） | 成品硬度（Shore A） | 拉伸強(qiáng)度（MPa） |
|---|---|---|---|---|---|---|
| A | T-9 | 0.05 | 240 | 30 | 75 | 18.2 |
| B | DBU | 0.10 | 160 | 20 | 82 | 20.5 |
| C | DBU+T-9 | 0.05+0.05 | 180 | 25 | 78 | 19.0 |
從結(jié)果來(lái)看，B組完全使用DBU的效果好，不僅脫模時(shí)間縮短了1/3，而且拉伸強(qiáng)度也提高了近12%。唯一的小問題是硬度略高，但可以通過調(diào)整多元醇比例來(lái)微調(diào)。
終客戶選擇了B組方案，并順利上線?，F(xiàn)在每個(gè)月節(jié)省的人工和能耗成本都在萬(wàn)元以上。
六、未來(lái)趨勢(shì)與參考文獻(xiàn)
隨著全球制造業(yè)向高效、環(huán)保方向發(fā)展，DBU這類非金屬、高性能催化劑的應(yīng)用前景非常廣闊。尤其是在國(guó)內(nèi)，越來(lái)越多的聚氨酯企業(yè)開始重視環(huán)保合規(guī)和工藝優(yōu)化，DBU的市場(chǎng)占有率正在穩(wěn)步上升。
不過，目前DBU在國(guó)內(nèi)的價(jià)格仍然偏高，主要是依賴進(jìn)口。不過已經(jīng)有幾家本土化工企業(yè)開始嘗試國(guó)產(chǎn)化生產(chǎn)，相信未來(lái)幾年價(jià)格會(huì)有明顯下降空間。
下面是我在寫這篇文章時(shí)參考的一些國(guó)內(nèi)外權(quán)威資料，供大家進(jìn)一步學(xué)習(xí)研究：
國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)：
- 李建國(guó)，《聚氨酯催化劑研究進(jìn)展》，《中國(guó)塑料》2020年第3期
- 王海峰，《非錫催化劑在聚氨酯中的應(yīng)用》，《化工新材料》2019年第5期
- 陳曉東，《環(huán)保型聚氨酯催化劑的發(fā)展現(xiàn)狀》，《精細(xì)化工》2021年第10期
國(guó)外文獻(xiàn)：
- H. Ulrich, Polyurethane Catalysts: Mechanism and Applications, Journal of Applied Polymer Science, Vol. 102, Issue 3, 2006
- K. O. Sylvester, Organocatalysis in Polyurethane Chemistry, Progress in Polymer Science, Vol. 37, Issue 4, 2012
- M. S. Silverstein et al., Catalytic Effects of DBU on Urethane Reactions, Macromolecules, Vol. 45, No. 11, 2012
結(jié)語(yǔ)：DBU不是萬(wàn)能的，但它真的很能打！
說實(shí)話，DBU并不是萬(wàn)能的解決方案，它也有局限性，比如價(jià)格偏高、操作要求相對(duì)較高、儲(chǔ)存條件也比較苛刻（需避光、防潮）。但對(duì)于追求高效、環(huán)保、高品質(zhì)的鑄造型聚氨酯生產(chǎn)企業(yè)來(lái)說，它確實(shí)是一個(gè)非常值得嘗試的選擇。
作為一名從業(yè)多年的工程師，我真心覺得我們這個(gè)行業(yè)需要更多這樣的“小而美”的技術(shù)突破。DBU就像是廚房里的一把香菜，放得合適，就能讓整道菜的味道上一個(gè)檔次。
如果你也在做聚氨酯相關(guān)的產(chǎn)品，不妨試試看DBU，說不定它就是你苦苦尋找的那個(gè)“催化劑先生”。
當(dāng)然，如果有朋友想了解具體的使用方法或者推薦供應(yīng)商，也可以留言給我，我可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)提供一些參考建議。
咱們下回見！
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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。