取代脲類促進(jìn)劑在環(huán)氧體系中作為高效潛伏性促進(jìn)劑的作用機(jī)理與應(yīng)用研究

各位朋友，大家好！

我是你們的老朋友，化工界的老馬。今天呢，咱們不講高深的理論，就聊聊咱們環(huán)氧樹脂固化加速劑里的小秘密，尤其是怎么“替換”掉那些不太讓人省心的“脲類”小伙伴，找到更高效、更聽話的“潛伏型”促進(jìn)劑。

咱們都知道，環(huán)氧樹脂就像咱們建筑工地的“水泥”，本身呢，它比較“懶”，需要“固化劑”這位“勤勞的小工”來催化它，讓它變成堅(jiān)固的“混凝土”。但是，有時(shí)候“小工”太勤快了，活還沒干完就固化了，這可不行！所以，我們需要一種“潛伏型”的“小工”，平時(shí)“潛伏”起來，到了關(guān)鍵時(shí)刻再“爆發(fā)”，這就是“潛伏型促進(jìn)劑”！

那為什么我們要“替換”脲類促進(jìn)劑呢？嗯，它們就像一些“性格不太穩(wěn)定”的明星，雖然“人氣高”（加速效果好），但“負(fù)面新聞”也不少：比如，有些脲類加速劑在高溫下容易“變臉”（分解），釋放出有害物質(zhì)，污染環(huán)境；有些呢，跟環(huán)氧樹脂的相容性不太好，搞得“混凝土”里出現(xiàn)“裂縫”（分層）；還有一些，儲(chǔ)存穩(wěn)定性差，放著放著就“過期”（失效）了?？偠灾闷饋聿粔蜃屓税残?。

所以，咱們得尋找更靠譜的“替代品”！這些“替代品”要像咱們的“老黃牛”，默默耕耘，高效穩(wěn)定，而且還要“綠色環(huán)?！?，對(duì)吧？

一、環(huán)氧固化：一場需要“慢熱”的愛情

想要找到完美的“替代品”，咱們首先得了解環(huán)氧樹脂固化的“脾氣”。這就像談戀愛，不能上來就“轟轟烈烈”，得有個(gè)“慢熱”的過程。

環(huán)氧樹脂的固化，其實(shí)就是環(huán)氧基團(tuán)與固化劑（比如胺類、酸酐類）發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的過程。這個(gè)過程需要能量，需要時(shí)間，需要合適的催化劑。

而促進(jìn)劑的作用，就像“媒婆”，它能降低反應(yīng)的“門檻”（活化能），加速“戀愛”的進(jìn)程。但是，這個(gè)“媒婆”不能太“熱情”，否則會(huì)“揠苗助長”，導(dǎo)致固化反應(yīng)過快，產(chǎn)生過多的熱量，反而影響固化質(zhì)量。

所以，我們需要“潛伏型”的“媒婆”，平時(shí)安安靜靜地“潛伏”著，等到溫度升高或者其他條件滿足時(shí)，才開始“發(fā)力”，加速固化反應(yīng)。

二、脲類促進(jìn)劑：曾經(jīng)的“當(dāng)紅炸子雞”，如今的“隱憂”

脲類促進(jìn)劑，曾經(jīng)在環(huán)氧樹脂固化領(lǐng)域風(fēng)靡一時(shí)，就像當(dāng)年的“當(dāng)紅炸子雞”。它們能有效降低固化溫度，縮短固化時(shí)間，提高固化物的性能。

常見的脲類促進(jìn)劑包括：

• 二氰二胺（Dicyandiamide, DICY）: 曾經(jīng)的“老大哥”，應(yīng)用廣泛，但溶解性差，需要研磨分散，容易團(tuán)聚。
• 取代脲類: 通過在脲類分子上引入不同的取代基，可以調(diào)節(jié)其活性、溶解性和與環(huán)氧樹脂的相容性。常見的有N-(3,4-二氯苯基)-N,N-二甲基脲（DCMU）、N-(4-氯苯基)-N,N-二甲基脲（CPMU）等。

這些脲類促進(jìn)劑的作用機(jī)理，簡單來說，就是它們能與環(huán)氧基團(tuán)或固化劑發(fā)生反應(yīng)，形成中間體，加速固化反應(yīng)的進(jìn)行。

但是，正如前面所說，脲類促進(jìn)劑也存在一些問題：

• 高溫分解: 在高溫下，脲類促進(jìn)劑容易分解，釋放出有毒氣體，對(duì)環(huán)境和人體健康造成危害。
• 相容性差: 有些脲類促進(jìn)劑與環(huán)氧樹脂的相容性不好，容易導(dǎo)致固化物出現(xiàn)分層、開裂等現(xiàn)象。
• 儲(chǔ)存穩(wěn)定性差: 脲類促進(jìn)劑容易吸濕，導(dǎo)致失效，影響固化效果。
• 毒性: 部分脲類促進(jìn)劑具有一定的毒性，對(duì)操作人員的健康構(gòu)成威脅。

因此，尋找更安全、更環(huán)保、更高效的“替代品”，勢在必行！

三、潛伏性促進(jìn)劑：默默守護(hù)，關(guān)鍵時(shí)刻爆發(fā)

那么，什么樣的促進(jìn)劑才能勝任“替代品”的角色呢？它們必須具備以下特點(diǎn)：

• 潛伏性: 在常溫下穩(wěn)定，不與環(huán)氧樹脂或固化劑發(fā)生反應(yīng)，只有在特定條件下（如加熱、光照）才能被激活。
• 高效性: 激活后能迅速加速固化反應(yīng)，縮短固化時(shí)間，提高固化效率。
• 安全性: 無毒、無害，對(duì)環(huán)境友好。
• 穩(wěn)定性: 儲(chǔ)存穩(wěn)定，不易吸濕、分解。
• 相容性: 與環(huán)氧樹脂和固化劑相容性好，不影響固化物的性能。

目前，研究比較多的潛伏性促進(jìn)劑主要有以下幾類：

1. 咪唑類化合物: 咪唑及其衍生物具有良好的潛伏性和加速效果，可以通過包覆、鹽化等方法提高其潛伏性。常見的有：

   • 咪唑包覆物: 將咪唑包裹在微膠囊中，只有在加熱時(shí)微膠囊破裂，咪唑才能釋放出來發(fā)揮作用。
   • 咪唑鹽: 將咪唑與酸反應(yīng)生成鹽，降低其活性，只有在加熱時(shí)鹽分解，咪唑才能釋放出來。
   • 固體分散體: 將咪唑分散在固體基質(zhì)中，只有在加熱時(shí)咪唑才能溶解出來。

2. 金屬有機(jī)化合物: 金屬有機(jī)化合物具有特殊的催化活性，可以通過配位、螯合等方法調(diào)節(jié)其活性和潛伏性。比如有機(jī)錫化合物、有機(jī)鋯化合物等。

   

   • 咪唑包覆物: 將咪唑包裹在微膠囊中，只有在加熱時(shí)微膠囊破裂，咪唑才能釋放出來發(fā)揮作用。
   • 咪唑鹽: 將咪唑與酸反應(yīng)生成鹽，降低其活性，只有在加熱時(shí)鹽分解，咪唑才能釋放出來。
   • 固體分散體: 將咪唑分散在固體基質(zhì)中，只有在加熱時(shí)咪唑才能溶解出來。

3. 金屬有機(jī)化合物: 金屬有機(jī)化合物具有特殊的催化活性，可以通過配位、螯合等方法調(diào)節(jié)其活性和潛伏性。比如有機(jī)錫化合物、有機(jī)鋯化合物等。

4. 光酸/堿發(fā)生劑: 這類促進(jìn)劑在光照下會(huì)產(chǎn)生酸或堿，從而引發(fā)固化反應(yīng)。適用于光固化環(huán)氧樹脂體系。

5. Mannich堿類化合物: 曼尼希堿是一類含胺基和羰基的化合物，它在一定溫度下會(huì)分解出胺類，從而促進(jìn)環(huán)氧樹脂的固化。例如二甲基胺基甲基苯酚（DMP-30）。雖然DMP-30并非完全潛伏，但它比傳統(tǒng)的胺類固化劑反應(yīng)活性低，有一定的潛伏性，并且具有良好的溶解性，適用于多種環(huán)氧體系。
   DMP-30 的具體參數(shù)如下表：

   產(chǎn)品名稱	DMP-30
   化學(xué)名稱	二甲基胺基甲基苯酚
   CAS 編號(hào)	71074-89-0
   外觀	無色至淡黃色液體
   胺值 (mg KOH/g)	220-240
   密度 (g/cm3) @ 25°C	0.97-0.99
   粘度 (cps) @ 25°C	20-50
   溶解性	可溶于環(huán)氧樹脂、醇類、酮類等
   推薦用量	1-5 phr (基于環(huán)氧樹脂的質(zhì)量)
   應(yīng)用	環(huán)氧樹脂固化促進(jìn)劑

6. 胺加成物：通過胺類與環(huán)氧化合物反應(yīng)形成加成物，這類加成物在較低溫度下反應(yīng)緩慢，而在較高溫度下能快速與環(huán)氧樹脂反應(yīng)?？梢愿鶕?jù)需要設(shè)計(jì)不同的胺和環(huán)氧化合物種類，以調(diào)節(jié)固化反應(yīng)速度和潛伏性。

7. 基于可逆 Diels-Alder (rDA) 反應(yīng)的促進(jìn)劑：利用 Diels-Alder 反應(yīng)的可逆性。促進(jìn)劑本身與環(huán)氧樹脂形成加合物，在常溫下穩(wěn)定。加熱時(shí)，逆 Diels-Alder 反應(yīng)發(fā)生，釋放出具有促進(jìn)固化作用的物質(zhì)。通過選擇合適的 Diels-Alder 反應(yīng)物，可以調(diào)節(jié)激活溫度。

8. 有機(jī)磷催化劑： 部分有機(jī)磷化合物也能作為環(huán)氧固化催化劑。可以通過修飾有機(jī)磷化合物，提高其潛伏性，例如加入位阻較大的基團(tuán)。加熱時(shí)，位阻消失，有機(jī)磷化合物開始發(fā)揮催化作用。

四、潛伏性促進(jìn)劑的應(yīng)用：各顯神通，大展宏圖

潛伏性促進(jìn)劑的應(yīng)用非常廣泛，幾乎涉及到環(huán)氧樹脂應(yīng)用的各個(gè)領(lǐng)域。

• 粉末涂料: 潛伏性促進(jìn)劑可以提高粉末涂料的儲(chǔ)存穩(wěn)定性，防止結(jié)塊，提高涂膜的流平性和光澤度。
• 預(yù)浸料: 潛伏性促進(jìn)劑可以延長預(yù)浸料的儲(chǔ)存時(shí)間，方便運(yùn)輸和加工，提高復(fù)合材料的力學(xué)性能。
• 膠粘劑: 潛伏性促進(jìn)劑可以提高膠粘劑的儲(chǔ)存穩(wěn)定性和粘接強(qiáng)度，適用于各種材料的粘接。
• 電子封裝: 潛伏性促進(jìn)劑可以提高電子封裝材料的可靠性和耐熱性，保護(hù)電子元件免受外界環(huán)境的影響。

五、案例分析：讓數(shù)據(jù)說話

為了更直觀地了解潛伏性促進(jìn)劑的優(yōu)勢，咱們來看幾個(gè)實(shí)際案例：

案例一：咪唑包覆物在粉末涂料中的應(yīng)用

傳統(tǒng)的粉末涂料在儲(chǔ)存過程中容易結(jié)塊，影響使用。而使用了咪唑包覆物的粉末涂料，在40℃下儲(chǔ)存一個(gè)月后，仍然具有良好的流動(dòng)性，固化后的涂膜也具有良好的光澤度和耐腐蝕性。

案例二：金屬有機(jī)化合物在預(yù)浸料中的應(yīng)用

傳統(tǒng)的預(yù)浸料在儲(chǔ)存過程中容易發(fā)生固化，導(dǎo)致報(bào)廢。而使用了金屬有機(jī)化合物的預(yù)浸料，在室溫下儲(chǔ)存6個(gè)月后，仍然可以正常使用，固化后的復(fù)合材料也具有優(yōu)異的力學(xué)性能。

案例三：曼尼希堿類化合物在單組分環(huán)氧膠黏劑中的應(yīng)用

單組分環(huán)氧膠黏劑要求具有優(yōu)異的儲(chǔ)存穩(wěn)定性和快速固化性能。采用DMP-30作為潛伏性固化促進(jìn)劑，可以在室溫下保證膠黏劑較長時(shí)間的儲(chǔ)存穩(wěn)定性，而在加熱時(shí)又能迅速固化，實(shí)現(xiàn)高效粘接。

六、總結(jié)與展望：未來的路，還很長

總而言之，取代脲類促進(jìn)劑，選擇更高效、更安全、更環(huán)保的潛伏型促進(jìn)劑，是環(huán)氧樹脂固化技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。雖然目前潛伏性促進(jìn)劑的研究已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，但仍然存在一些挑戰(zhàn)：

• 成本較高: 一些潛伏性促進(jìn)劑的合成工藝復(fù)雜，成本較高，限制了其應(yīng)用。
• 激活條件苛刻: 有些潛伏性促進(jìn)劑需要苛刻的激活條件，如高溫、高壓或特定波長的光照，限制了其應(yīng)用范圍。
• 性能有待提高: 有些潛伏性促進(jìn)劑的加速效果還不夠理想，需要進(jìn)一步提高。

因此，未來的研究方向主要包括：

• 開發(fā)低成本、易合成的潛伏性促進(jìn)劑。
• 開發(fā)在溫和條件下即可激活的潛伏性促進(jìn)劑。
• 提高潛伏性促進(jìn)劑的加速效果和與環(huán)氧樹脂的相容性。
• 探索新型的潛伏性促進(jìn)劑體系，如生物基潛伏性促進(jìn)劑。

我相信，隨著科技的不斷進(jìn)步，潛伏性促進(jìn)劑的未來一定會(huì)更加美好！它們將會(huì)在環(huán)氧樹脂固化領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用，為我們的生活帶來更多的便利和驚喜！

好了，今天的講座就到這里。謝謝大家的聆聽！如果大家有什么問題，歡迎提問！咱們共同探討，一起進(jìn)步！

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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)保型金屬復(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。

• 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；

• 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。