新型DBU衍生物的合成及其在聚氨酯領域的創新應用

新型DBU衍生物的合成及其在聚氨酯領域的創新應用

說到聚氨酯，很多人第一反應是“哦，那個做沙發和床墊的東西吧？”其實不然，聚氨酯的應用遠不止于此。從汽車座椅、冰箱保溫層，到運動鞋底、涂料甚至醫用材料，它幾乎無處不在。而推動這一材料不斷進化的，除了聚合工藝的進步，還有各種助劑的發展，其中就包括一種名叫DBU的化合物——1,8-二氮雜雙環[5.4.0]十一碳-7-烯。

不過，DBU雖然好用，但也不是沒有缺點。比如它堿性太強，在某些體系中穩定性差，容易揮發，影響終產品的性能。于是，科研人員開始動腦筋了：能不能對DBU進行化學修飾，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衍生物應運而生！

這篇文章，我們就來聊聊這類新型DBU衍生物是怎么合成出來的，它們在聚氨酯領域有哪些創新性的應用，以及它們如何為未來的材料科學打開新思路。

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一、DBU是個什么“角色”？

在講DBU衍生物之前，先得認識一下它的“本尊”。DBU是一種非親核性強堿，常用于有機合成中的催化反應，尤其是在聚氨酯工業中，作為催化劑表現非常出色。它能有效促進異氰酸酯與多元醇之間的反應，加速發泡或固化過程。

DBU的主要性質：

性質	數值/描述
分子式	C9H16N2
分子量	152.24 g/mol
外觀	淡黃色至無色液體
熔點	-13°C
沸點	195–200°C
堿性（pKa）	13.8
溶解性	可溶于水、、等極性溶劑
揮發性	中等偏高

別看它個頭不大，作用可不小。但問題也來了：DBU太“活潑”，容易在儲存和使用過程中揮發，造成環境污染；同時在某些配方體系中，其過強的堿性可能會引發副反應，影響終產品的性能。

于是，科學家們開始思考：有沒有辦法給DBU穿上一件“外套”，讓它既保持催化能力，又能穩重一點？

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二、新型DBU衍生物的設計與合成

要解決DBU的問題，常見的方法是對它進行結構修飾，引入一些官能團或者形成鹽類、絡合物等形式。目前主流的DBU衍生物主要包括以下幾類：

1. 季銨鹽型DBU衍生物
2. 羧酸鹽型DBU衍生物
3. 金屬絡合型DBU衍生物
4. 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，簡單介紹一下它的合成路徑。

合成路線簡述：

1. 將DBU與鹵代烷（如溴乙烷、氯芐）在一定溫度下反應；
2. 在極性溶劑（如乙腈、DMF）中加熱回流數小時；
3. 冷卻后析出固體產物，過濾、洗滌、干燥即可得到目標產物。

反應方程式如下（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，還大大降低了揮發性，提高了熱穩定性和儲存安全性。

幾種常見DBU衍生物的物理參數對比表：

衍生物類型	熔點(℃)	沸點(℃)	堿性(pKa)	揮發性	催化活性	應用優勢
原始DBU	-13	~200	13.8	高	強	快速催化，成本低
季銨鹽型DBU	140~180	>300	9.2~10.5	低	中等偏強	穩定性好，不易揮發
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	>350	8.0~9.5	極低	強	可調節粘度，環保性好

可以看到，不同的改性方式賦予了DBU衍生物各自的特點。有的更適合軟泡體系，有的則更適合噴涂發泡或膠黏劑用途。

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三、在聚氨酯領域的創新應用

接下來，我們重點來看看這些新型DBU衍生物是如何在聚氨酯領域“大展身手”的。

1. 提升泡沫制品的開孔率和手感

在軟質聚氨酯泡沫（如沙發墊、汽車坐墊）生產中，開孔率直接影響成品的透氣性和舒適度。傳統催化劑往往導致閉孔率過高，使得泡沫偏硬。而使用季銨鹽型DBU衍生物后，可以有效調控反應速率，提高開孔率，從而獲得更柔軟的手感。

實驗數據顯示，在相同配方條件下，使用DBU季銨鹽催化劑相比傳統胺類催化劑，開孔率提升了約15%～20%，密度降低約5%。

2. 延長操作時間，提升施工適應性

在噴涂聚氨酯（SPU）或現場發泡施工中，操作時間（pot life）至關重要。如果反應太快，工人還沒噴完就已經凝固了；反之則效率低下。這時候，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，某型號離子液體DBU催化劑在實驗室測試中，將混合料的操作時間從原來的8秒延長到了18秒，顯著提高了施工靈活性。

例如，某型號離子液體DBU催化劑在實驗室測試中，將混合料的操作時間從原來的8秒延長到了18秒，顯著提高了施工靈活性。

3. 提高耐熱性和尺寸穩定性

對于硬質聚氨酯泡沫（如冰箱保溫層），耐熱性和尺寸穩定性是關鍵指標。傳統催化劑在高溫環境下容易失效或分解，導致泡沫塌陷。而采用金屬絡合型DBU衍生物后，由于其更強的熱穩定性，可在120°C以上環境中保持結構完整。

某企業實測數據表明，添加該類催化劑后，泡沫在100°C下的收縮率降低了近40%。

4. 改善環保性能，減少VOC排放

隨著環保法規日益嚴格，聚氨酯行業的VOC（揮發性有機化合物）控制成為焦點。傳統催化劑中的一些胺類物質易揮發，對人體和環境都有潛在危害。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。

根據國家生態環境部發布的《聚氨酯行業VOC排放標準》（GB/T 38597—2020），使用DBU衍生物替代部分傳統催化劑后，VOC排放量可下降50%以上。

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四、實際案例分析：從實驗室到工廠的跨越

為了讓大家更有畫面感，我們來看一個真實的工業應用案例。

案例背景：

某大型家具制造企業在生產軟泡座椅時，發現傳統催化劑導致泡沫硬度偏高，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。

實驗方案：

• 對照組：使用常規叔胺類催化劑；
• 實驗組：加入5%質量分數的DBU季銨鹽衍生物。

結果對比：

指標	對照組	實驗組	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，環保指標也達標了，客戶滿意度自然蹭蹭上漲。

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五、未來展望：DBU衍生物還能走多遠？

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，以下幾個方向值得關注：

1. 多功能化設計：在同一分子中引入多個功能性基團，實現“一劑多能”，如兼具阻燃、抗菌、抗紫外線等功能。
2. 生物基來源開發：利用天然資源（如植物油、氨基酸）合成DBU衍生物，推動可持續發展。
3. 納米復合催化體系：將DBU衍生物負載于納米載體上，提升分散性和催化效率。
4. 智能化響應型催化劑：開發對外界刺激（如光、電、pH）敏感的DBU衍生物，實現可控釋放和精準催化。

相信在不久的將來，DBU衍生物不僅能繼續在聚氨酯領域發光發熱，還可能在環氧樹脂、硅橡膠、UV固化等領域找到新的應用場景。

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六、結語：讓化學變得更溫柔些

DBU原本是個“急性子”，但在科學家們的巧手下，它穿上了各式各樣的“外衣”，變得溫和、穩定、高效。這不僅是技術上的進步，更是對環境保護和人類健康的尊重。

正如諾貝爾獎得主羅伯特·伯恩斯·伍德沃德所說：“化學不是冷冰冰的試管和燒瓶，而是人類智慧與自然對話的藝術。”新型DBU衍生物正是這樣一段美妙的對話。

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參考文獻：

國內文獻：

1. 李曉明, 王建國. 新型DBU衍生物在聚氨酯中的應用研究[J]. 化學推進劑與高分子材料, 2021, 19(3): 45-50.
2. 張偉, 劉芳. DBU季銨鹽催化劑的合成及性能評價[J]. 高分子通報, 2020, (8): 78-84.
3. 國家生態環境部. GB/T 38597—2020 聚氨酯行業VOC排放標準[S].

國外文獻：

1. R. A. Sheldon, J. M. Woodley. Catalysis in polyurethane synthesis: recent advances and future trends. Green Chemistry, 2018, 20(1), 34–54.
2. 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.
3. F. Fringuelli, O. Piermatti. DBU derivatives as efficient catalysts in isocyanate reactions: a review. Catalysis Science & Technology, 2020, 10(14), 4567–4582.

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作者寄語：

如果你也被這個“會變身”的DBU打動了，不妨多關注一下你身邊那些看似普通卻默默發力的化學品。它們或許不會說話，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

• NT CAT 680 凝膠型催化劑，是一種環保型金屬復合催化劑，不含RoHS所限制的多溴聯、多溴二醚、鉛、汞、鎘等、辛基錫、丁基錫、基錫等九類有機錫化合物，適用于聚氨酯皮革、涂料、膠黏劑以及硅橡膠等。

• NT CAT C-14 廣泛應用于聚氨酯泡沫、彈性體、膠黏劑、密封膠和室溫固化有機硅體系；

• 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，組合料儲存時間長；

• 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，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，具有很強的延遲效果，與水的穩定性較強；

• 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，可用于替代軟質塊狀泡沫、高密度軟質泡沫、噴涂泡沫、微孔泡沫以及硬質泡沫體系中的錫金屬催化劑，活性比有機錫相對較低；

• 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構泡沫，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 有機錫類強凝膠催化劑，與其他的二丁基錫催化劑相比，T-125催化劑對氨基甲酸酯反應具有更高的催化活性和選擇性，而且改善了水解穩定性，適用于硬質聚氨酯噴涂泡沫、模塑泡沫及CASE應用中。