DBU在聚氨酯發(fā)泡與凝膠反應(yīng)中的平衡調(diào)控作用深入分析

說(shuō)到聚氨酯（PU），大家可能第一反應(yīng)是“泡沫”、“軟墊子”、“床墊”、“汽車(chē)座椅”之類(lèi)的日常用品。沒(méi)錯(cuò)，聚氨酯應(yīng)用廣泛，從軟泡到硬泡，從涂料到粘合劑，幾乎無(wú)處不在。而在聚氨酯的合成過(guò)程中，催化劑的選擇至關(guān)重要。今天我們要聊的是一個(gè)“低調(diào)但關(guān)鍵”的角色——DBU（1,8-二氮雜雙環(huán)[5.4.0]十一碳-7-烯）。

DBU雖然名字拗口，但它在聚氨酯化學(xué)中扮演著非常重要的角色。它不像那些常見(jiàn)的胺類(lèi)催化劑那樣張揚(yáng)，卻能在發(fā)泡和凝膠反應(yīng)之間巧妙地走鋼絲，維持著整個(gè)體系的微妙平衡。那么問(wèn)題來(lái)了：DBU到底是怎么做到這一點(diǎn)的？它的存在到底有多重要？接下來(lái)，咱們就來(lái)細(xì)細(xì)掰扯一下這個(gè)話(huà)題。

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一、什么是DBU？

DBU的全稱(chēng)是1,8-二氮雜雙環(huán)[5.4.0]十一碳-7-烯，英文名就是Dabco BL-11或者簡(jiǎn)稱(chēng)DBU。它是一種有機(jī)堿性催化劑，屬于脒類(lèi)化合物的一種。結(jié)構(gòu)上，DBU分子具有兩個(gè)氮原子組成的強(qiáng)堿性位點(diǎn)，能夠有效促進(jìn)羥基與異氰酸酯之間的反應(yīng)，也就是我們常說(shuō)的氨基甲酸酯反應(yīng)（urethane reaction）。

化學(xué)名稱(chēng)	DBU
分子式	C9H16N2
分子量	152.24 g/mol
外觀(guān)	淡黃色透明液體
熔點(diǎn)	-35°C
沸點(diǎn)	220–222°C
密度	0.98 g/cm3
pH值（1%水溶液）	約12.5
溶解性	可溶于大多數(shù)有機(jī)溶劑

從參數(shù)上看，DBU是一種典型的弱揮發(fā)性堿性催化劑，適用于多種聚氨酯配方體系。尤其是對(duì)于需要控制反應(yīng)速率、調(diào)節(jié)發(fā)泡與凝膠時(shí)間差的場(chǎng)合，DBU可謂“得心應(yīng)手”。

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二、聚氨酯反應(yīng)的基本原理

要理解DBU的作用機(jī)制，首先得了解聚氨酯反應(yīng)的基本過(guò)程。聚氨酯是由多元醇（polyol）和多異氰酸酯（polyisocyanate）在催化劑作用下發(fā)生聚合反應(yīng)生成的一類(lèi)高分子材料。在這個(gè)過(guò)程中，主要發(fā)生的反應(yīng)有兩個(gè)：

1. 發(fā)泡反應(yīng)（Blowing Reaction）：

   • 異氰酸酯（NCO）與水（H2O）反應(yīng)，生成二氧化碳?xì)怏w（CO?）并形成脲鍵。
   • 這個(gè)反應(yīng)會(huì)釋放出氣體，從而推動(dòng)泡沫膨脹。
   • 反應(yīng)式：NCO + H2O → NHCONHCH2OH（中間體）→ CO2↑ + 脲

2. 凝膠反應(yīng)（Gelling Reaction）：

   • 異氰酸酯（NCO）與多元醇（OH）反應(yīng)，生成氨基甲酸酯鍵。
   • 這個(gè)反應(yīng)負(fù)責(zé)形成交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，使材料逐漸固化。
   • 反應(yīng)式：NCO + OH → NHCOO-

這兩個(gè)反應(yīng)看似簡(jiǎn)單，實(shí)則復(fù)雜。它們競(jìng)爭(zhēng)著有限的NCO基團(tuán)資源，而反應(yīng)速度又受到溫度、催化劑種類(lèi)、原料配比等多重因素影響。如果發(fā)泡太快，氣泡還沒(méi)定型就被撐破；如果凝膠太慢，泡沫結(jié)構(gòu)不穩(wěn)容易塌陷。因此，如何在這兩者之間找到一個(gè)“黃金比例”，就成了聚氨酯工藝的關(guān)鍵所在。

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三、DBU的獨(dú)特之處：在發(fā)泡與凝膠之間“調(diào)和陰陽(yáng)”

DBU之所以被廣泛用于聚氨酯系統(tǒng)，是因?yàn)樗鼘?duì)這兩種反應(yīng)具有不同的催化選擇性。具體來(lái)說(shuō)：

• 對(duì)發(fā)泡反應(yīng)的抑制作用較強(qiáng)
• 對(duì)凝膠反應(yīng)的促進(jìn)作用較為溫和

換句話(huà)說(shuō)，DBU不是那種“哪里都插一腳”的催化劑，它更像是一個(gè)有原則的“調(diào)解員”，傾向于讓凝膠反應(yīng)穩(wěn)步進(jìn)行，同時(shí)控制發(fā)泡反應(yīng)不要太快爆發(fā)。

這種特性使得DBU特別適合用在以下幾種場(chǎng)景中：

1. 低密度軟泡制品：如床墊、沙發(fā)等，要求泡孔細(xì)膩均勻，不能因?yàn)榘l(fā)泡過(guò)猛導(dǎo)致開(kāi)孔或塌陷。
2. 噴涂聚氨酯泡沫：這類(lèi)工藝對(duì)反應(yīng)時(shí)間窗口要求極高，必須在幾秒內(nèi)完成噴射、膨脹、初步固化。
3. 自結(jié)皮泡沫：表面需要形成致密層，內(nèi)部保持柔軟，這對(duì)反應(yīng)節(jié)奏的控制要求非常高。

我們可以用一個(gè)比喻來(lái)形容DBU的作用：就像是一位經(jīng)驗(yàn)豐富的指揮家，在交響樂(lè)中既要讓銅管樂(lè)器適時(shí)發(fā)聲，又要控制弦樂(lè)不要壓過(guò)頭，才能奏出和諧的樂(lè)章。

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四、與其他催化劑的對(duì)比分析

為了更好地說(shuō)明DBU的特點(diǎn)，我們不妨將其與其他常用催化劑做個(gè)橫向?qū)Ρ?。以下是幾種常見(jiàn)催化劑及其特點(diǎn)：

催化劑類(lèi)型	名稱(chēng)	特點(diǎn)	發(fā)泡催化能力	凝膠催化能力	適用場(chǎng)景
胺類(lèi)催化劑	A-33（三乙撐二胺）	強(qiáng)堿性，催化活性高	強(qiáng)	強(qiáng)	快速發(fā)泡系統(tǒng)
金屬催化劑	T-9（辛酸亞錫）	對(duì)凝膠反應(yīng)特異性高	弱	極強(qiáng)	硬泡、結(jié)構(gòu)泡沫
有機(jī)堿催化劑	DBU	中等堿性，選擇性強(qiáng)	中等偏弱	中等	自結(jié)皮、噴涂泡沫
阻燃催化劑	FR-730	含磷阻燃劑，兼具催化功能	弱	中等	阻燃泡沫系統(tǒng)

可以看出，DBU處于一個(gè)比較“中庸”的位置，既不像A-33那樣狂熱地催促發(fā)泡，也不像T-9那樣只顧著凝膠不顧大局。它的優(yōu)勢(shì)在于“平衡感”，特別是在一些對(duì)操作時(shí)間窗口要求較高的場(chǎng)合，DBU往往能起到“四兩撥千斤”的效果。

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五、DBU在實(shí)際配方中的應(yīng)用案例

為了讓大家更直觀(guān)地理解DBU的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，下面列舉幾個(gè)典型的應(yīng)用實(shí)例：

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五、DBU在實(shí)際配方中的應(yīng)用案例

為了讓大家更直觀(guān)地理解DBU的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，下面列舉幾個(gè)典型的應(yīng)用實(shí)例：

案例一：噴涂聚氨酯泡沫

噴涂泡沫對(duì)反應(yīng)速度的要求極為苛刻。一般情況下，發(fā)泡開(kāi)始后必須在5～10秒內(nèi)完成噴射，否則物料會(huì)在槍頭堵塞。此時(shí)若使用純胺類(lèi)催化劑，可能導(dǎo)致發(fā)泡過(guò)早啟動(dòng)，影響施工性能。

加入適量DBU（例如0.1～0.3 phr）可以延緩發(fā)泡誘導(dǎo)期，延長(zhǎng)乳白時(shí)間，同時(shí)不影響后期凝膠進(jìn)程。這樣既能保證噴涂順暢，又能確保泡沫結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

參數(shù)	不加DBU	加入DBU（0.2 phr）
乳白時(shí)間	4秒	7秒
起發(fā)時(shí)間	12秒	15秒
凝膠時(shí)間	40秒	42秒
泡沫密度	32 kg/m3	30 kg/m3

從數(shù)據(jù)可以看出，加入DBU后，起泡時(shí)間適當(dāng)延后，乳白時(shí)間延長(zhǎng)，整體泡沫質(zhì)量提升。

案例二：自結(jié)皮泡沫

自結(jié)皮泡沫常用于儀表盤(pán)、扶手等內(nèi)飾件。其特點(diǎn)是外層致密光滑，內(nèi)層柔軟富有彈性。這要求表層在短時(shí)間內(nèi)迅速凝膠，而內(nèi)部仍需一定時(shí)間繼續(xù)發(fā)泡。

在這種情況下，DBU可以作為輔助催化劑，與主催化劑配合使用。例如搭配A-33使用時(shí)，DBU可延緩水-NCO反應(yīng)，避免表層過(guò)早破裂，同時(shí)增強(qiáng)內(nèi)部交聯(lián)程度。

配方組成	主催化劑	輔助催化劑	表面光潔度	內(nèi)部泡孔均勻性
方案A	A-33	無(wú)	一般	偏粗
方案B	A-33	DBU 0.15 phr	良好	均勻細(xì)膩

可見(jiàn)，添加DBU后，產(chǎn)品的外觀(guān)質(zhì)量和內(nèi)在結(jié)構(gòu)都有明顯改善。

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六、DBU使用的注意事項(xiàng)

盡管DBU是個(gè)好幫手，但在使用過(guò)程中也需要注意以下幾個(gè)方面：

1. 添加量控制：DBU雖好，也不能貪多。一般來(lái)說(shuō)，用量控制在0.1～0.5 phr之間較為合適，過(guò)多反而會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)遲滯，影響生產(chǎn)效率。
2. 與其他催化劑的協(xié)同效應(yīng)：DBU通常不會(huì)單獨(dú)使用，而是作為復(fù)合催化劑的一部分。它與胺類(lèi)、錫類(lèi)催化劑搭配使用時(shí)，能發(fā)揮更好的協(xié)同效應(yīng)。
3. 儲(chǔ)存條件：DBU屬于堿性物質(zhì)，應(yīng)避免與酸性物質(zhì)接觸，防止發(fā)生中和反應(yīng)。建議密封避光保存，遠(yuǎn)離火源。
4. 環(huán)保與安全：DBU本身毒性較低，但仍需注意通風(fēng)防護(hù)，避免長(zhǎng)時(shí)間吸入蒸氣或皮膚接觸。

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七、DBU的市場(chǎng)現(xiàn)狀與發(fā)展前景

目前，DBU已被國(guó)內(nèi)外多個(gè)知名化工企業(yè)廣泛采用，尤其是在高端聚氨酯產(chǎn)品中，其地位不可替代。國(guó)外廠(chǎng)商如Air Products、Evonik、Catalyst & Chemicals等均有成熟的產(chǎn)品線(xiàn)，國(guó)內(nèi)也有不少?gòu)S家如萬(wàn)華化學(xué)、藍(lán)星東大、紅寶麗等積極布局。

隨著環(huán)保法規(guī)日益嚴(yán)格，以及下游行業(yè)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量要求的不斷提升，DBU這類(lèi)高效、低毒、可控性強(qiáng)的催化劑正逐步取代傳統(tǒng)高揮發(fā)性胺類(lèi)催化劑，成為綠色制造的重要組成部分。

未來(lái)，隨著生物基多元醇、水性聚氨酯等新型材料的發(fā)展，DBU的應(yīng)用領(lǐng)域還將進(jìn)一步拓展，有望在更多高性能材料中大顯身手。

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八、總結(jié)：DBU，不只是催化劑，更是工藝的靈魂

綜上所述，DBU在聚氨酯發(fā)泡與凝膠反應(yīng)之間扮演著一位“冷靜的調(diào)控者”。它不像某些催化劑那樣急于表現(xiàn)自己，而是懂得“放慢腳步”，給整個(gè)反應(yīng)系統(tǒng)留出喘息的空間。正是這種“克制的藝術(shù)”，讓它在眾多催化劑中脫穎而出，成為許多高端聚氨酯制品不可或缺的一員。

如果你把聚氨酯反應(yīng)看作一場(chǎng)演出，那么DBU就是那個(gè)躲在幕后卻掌控全場(chǎng)節(jié)奏的導(dǎo)演。沒(méi)有它，可能整場(chǎng)戲就會(huì)亂了套；有了它，才有可能成就一部經(jīng)典之作。

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參考文獻(xiàn)

國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)：

1. 王志剛, 李建國(guó). 聚氨酯泡沫塑料生產(chǎn)工藝[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2015.
2. 張偉, 劉洋. DBU在噴涂聚氨酯泡沫中的應(yīng)用研究[J]. 聚氨酯工業(yè), 2018, 33(2): 45-49.
3. 陳曉峰, 周立新. 新型催化劑在聚氨酯中的應(yīng)用進(jìn)展[J]. 化工新材料, 2020, 48(5): 23-28.

國(guó)外文獻(xiàn)：

1. G. Oertel (Ed.). Polyurethane Handbook. Hanser Publishers, 1994.
2. J. H. Saunders, K. C. Frisch. Chemistry of Polyurethanes, Part I and II. Academic Press, 1962.
3. R. A. Dickie. Catalysis in Polyurethane Formation: Mechanisms and Applications. Journal of Cellular Plastics, 2001, 37(4): 321–335.
4. M. Szycher. Szycher’s Handbook of Polyurethanes. CRC Press, 2013.

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好了，關(guān)于DBU在聚氨酯中的平衡調(diào)控作用，我們就先聊到這里。希望這篇文章能讓大家對(duì)這位“低調(diào)的實(shí)力派”有更深的了解。下次再看到軟綿綿的床墊或者手感細(xì)膩的汽車(chē)內(nèi)飾時(shí)，不妨想想：這其中，說(shuō)不定就有DBU的一份功勞呢！

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聚氨酯防水涂料催化劑目錄

• 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(lèi)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。

• 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；

• 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；

• 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)；

• 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；

• 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)；

• 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；

• 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；

• 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%；

• 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；

• 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；

• NT CAT T-125 有機(jī)錫類(lèi)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。