有機(jī)鉍催化劑在膠黏劑和密封劑中的環(huán)保應(yīng)用
有機(jī)鉍催化劑在膠黏劑和密封劑中的環(huán)保應(yīng)用
大家好，我是一個(gè)常年混跡于化工圈的“材料人”，不是什么專家，就是個(gè)喜歡動(dòng)手、愛琢磨的普通工程師。今天咱們來(lái)聊聊一個(gè)近年來(lái)在膠黏劑和密封劑行業(yè)里越來(lái)越火的家伙——有機(jī)鉍催化劑。
這玩意兒聽起來(lái)挺高大上，其實(shí)它就是一個(gè)催化劑，在聚氨酯、硅酮、環(huán)氧樹脂等體系中起著“加速反應(yīng)”的作用。但它又不一般，因?yàn)樗?strong>環(huán)保，不像傳統(tǒng)用的錫類催化劑那樣容易對(duì)環(huán)境造成污染。所以，它現(xiàn)在可是環(huán)保法規(guī)日益嚴(yán)格的市場(chǎng)里的香餑餑。
一、從“鉛”到“鉍”，催化劑也在“綠色革命”
以前我們做膠水或者密封膠的時(shí)候，喜歡用的是二月桂酸二丁基錫（DBTDL）這類金屬錫化合物作為催化劑。它們催化效果好，反應(yīng)快，價(jià)格也不算太貴。但問題是，這些錫類催化劑屬于重金屬，毒性較大，長(zhǎng)期接觸對(duì)人體有害，而且對(duì)環(huán)境破壞嚴(yán)重。
隨著全球環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，歐美國(guó)家陸續(xù)出臺(tái)了限制使用重金屬催化劑的法規(guī)，比如歐盟的REACH法規(guī)和美國(guó)EPA的相關(guān)規(guī)定。于是，行業(yè)內(nèi)就開始尋找替代品，這時(shí)候，有機(jī)鉍催化劑就慢慢走進(jìn)了人們的視野。
為什么是鉍呢？因?yàn)殂G是一種低毒、環(huán)保的金屬元素，在自然界中廣泛存在，且對(duì)人體和環(huán)境的影響遠(yuǎn)小于鉛、汞、錫等重金屬。更重要的是，它的催化活性也非常不錯(cuò)，尤其適用于聚氨酯、環(huán)氧樹脂和有機(jī)硅等體系。
二、有機(jī)鉍催化劑的基本類型及性能特點(diǎn)
目前市面上常見的有機(jī)鉍催化劑主要有以下幾種：
| 類型 | 化學(xué)名稱 | 催化效率 | 毒性 | 穩(wěn)定性 | 典型應(yīng)用場(chǎng)景 |
|---|---|---|---|---|---|
| Bi(III)羧酸鹽 | 新癸酸鉍 | 中等偏高 | 極低 | 良好 | 聚氨酯泡沫、密封劑 |
| Bi(III)胺絡(luò)合物 | 雙(2-乙基己酸)鉍 | 高 | 極低 | 良好 | 膠黏劑、電子灌封料 |
| Bi(III)醇鹽 | 三辛氧基鉍 | 中等 | 極低 | 一般 | 硅酮密封膠、涂料 |
| Bi(III)螯合物 | 乙酰鉍 | 高 | 極低 | 良好 | 環(huán)氧樹脂、UV固化 |
從表格可以看出，不同類型的有機(jī)鉍催化劑在性能上有一定差異，選擇時(shí)需要根據(jù)具體的工藝條件和產(chǎn)品要求進(jìn)行匹配。
舉個(gè)例子，如果你是在做雙組分聚氨酯膠黏劑，那可能更傾向于使用新癸酸鉍或乙酰鉍，因?yàn)樗鼈兊姆磻?yīng)速度適中，不會(huì)太快導(dǎo)致操作時(shí)間過(guò)短，也不會(huì)太慢影響生產(chǎn)效率。
三、有機(jī)鉍催化劑在膠黏劑中的應(yīng)用表現(xiàn)
膠黏劑這個(gè)東西說(shuō)白了就是用來(lái)“粘東西”的，但在工業(yè)領(lǐng)域，它可不僅僅是502那么簡(jiǎn)單。現(xiàn)代膠黏劑種類繁多，包括聚氨酯膠、環(huán)氧膠、有機(jī)硅膠、丙烯酸膠等等，每種都有自己的“脾氣”。
而有機(jī)鉍催化劑在這其中扮演的角色，就是讓這些膠水“更快更好地干活”。
1. 聚氨酯膠黏劑
聚氨酯膠黏劑以柔韌性好、粘接強(qiáng)度高著稱，廣泛用于汽車、建筑、包裝等領(lǐng)域。傳統(tǒng)的錫類催化劑雖然催化效率高，但毒性大，環(huán)保壓力大。有機(jī)鉍催化劑則可以很好地替代錫類催化劑，尤其是在濕氣固化的單組分聚氨酯體系中。
下表是一組對(duì)比數(shù)據(jù)：
| 催化劑類型 | 固化時(shí)間（23℃/60%RH） | 粘接強(qiáng)度（MPa） | 環(huán)保等級(jí) | 成本比較 |
|---|---|---|---|---|
| DBTDL | 48小時(shí) | 4.2 | ★★☆☆☆ | 便宜 |
| 新癸酸鉍 | 72小時(shí) | 3.9 | ★★★★★ | 略貴 |
| 乙酰鉍 | 60小時(shí) | 4.0 | ★★★★★ | 較貴 |
從表中可以看到，雖然有機(jī)鉍催化劑的固化時(shí)間略長(zhǎng)一些，但其環(huán)保性和粘接強(qiáng)度完全能滿足大多數(shù)工業(yè)需求。
2. 環(huán)氧樹脂膠黏劑
環(huán)氧膠以其高強(qiáng)度、耐腐蝕性著稱，常用于航空航天、電子封裝等領(lǐng)域。有機(jī)鉍催化劑在環(huán)氧體系中主要起到促進(jìn)胺類固化劑與環(huán)氧基團(tuán)反應(yīng)的作用。
相比傳統(tǒng)的咪唑類催化劑，有機(jī)鉍催化劑的優(yōu)勢(shì)在于：
相比傳統(tǒng)的咪唑類催化劑，有機(jī)鉍催化劑的優(yōu)勢(shì)在于：
- 反應(yīng)可控性強(qiáng)：不易暴聚，適合厚涂工藝；
- 儲(chǔ)存穩(wěn)定性好：不易提前反應(yīng)，延長(zhǎng)產(chǎn)品保質(zhì)期；
- 環(huán)保無(wú)毒：符合出口標(biāo)準(zhǔn)，尤其是出口歐洲的產(chǎn)品必須通過(guò)REACH認(rèn)證。
3. 有機(jī)硅密封膠
有機(jī)硅密封膠廣泛用于建筑幕墻、衛(wèi)浴防水等領(lǐng)域。其固化過(guò)程通常依賴于錫類催化劑，如二丁基氧化錫。但有機(jī)鉍催化劑在這一領(lǐng)域的表現(xiàn)也越來(lái)越亮眼。
以下是某品牌有機(jī)硅密封膠在不同催化劑下的性能對(duì)比：
| 催化劑類型 | 表干時(shí)間（min） | 拉伸強(qiáng)度（MPa） | 彈性模量 | 氣味情況 |
|---|---|---|---|---|
| 錫類催化劑 | 25 | 1.8 | 低 | 有刺激性氣味 |
| 有機(jī)鉍催化劑 | 35 | 1.6 | 中 | 無(wú)明顯氣味 |
雖然有機(jī)鉍催化劑的表干時(shí)間稍慢，但其低氣味、無(wú)毒、環(huán)保的特點(diǎn)使其更適合民用建筑和室內(nèi)裝修場(chǎng)景。
四、有機(jī)鉍催化劑的優(yōu)勢(shì)總結(jié)
說(shuō)了這么多，我們可以來(lái)個(gè)小結(jié)一下有機(jī)鉍催化劑的優(yōu)勢(shì)：
- 環(huán)保安全：不含重金屬，符合國(guó)際環(huán)保法規(guī)；
- 催化效率高：反應(yīng)速率適中，可控性強(qiáng)；
- 適用范圍廣：適用于多種樹脂體系；
- 氣味小：特別適合對(duì)氣味敏感的應(yīng)用場(chǎng)合；
- 儲(chǔ)存穩(wěn)定：不易引發(fā)早期交聯(lián)，延長(zhǎng)產(chǎn)品壽命。
當(dāng)然，它也不是萬(wàn)能的，比如在某些極端條件下（高溫、高濕），它的催化效率可能會(huì)下降，這時(shí)候就需要搭配其他助催化劑一起使用。
五、國(guó)內(nèi)與國(guó)外的發(fā)展現(xiàn)狀
在中國(guó)，有機(jī)鉍催化劑的研究起步較晚，但近年來(lái)發(fā)展迅速。特別是在廣東、江蘇、浙江等地的膠黏劑產(chǎn)業(yè)集群中，越來(lái)越多的企業(yè)開始采用有機(jī)鉍催化劑以滿足出口產(chǎn)品的環(huán)保要求。
而在歐美市場(chǎng)，由于環(huán)保法規(guī)嚴(yán)格，有機(jī)鉍催化劑已經(jīng)成為了主流選擇之一。像德國(guó)BASF、美國(guó)Air Products、日本ADEKA等公司都已經(jīng)推出了成熟的有機(jī)鉍催化劑產(chǎn)品線，并廣泛應(yīng)用于汽車、電子、建筑等行業(yè)。
國(guó)內(nèi)部分典型企業(yè)：
| 企業(yè)名稱 | 主要產(chǎn)品 | 應(yīng)用方向 |
|---|---|---|
| 廣東回天新材料股份有限公司 | 聚氨酯結(jié)構(gòu)膠 | 汽車裝配、新能源電池 |
| 上海康達(dá)化工新材料股份有限公司 | 環(huán)氧膠、有機(jī)硅膠 | 航空航天、電子封裝 |
| 杭州之江有機(jī)硅化工有限公司 | 密封膠系列 | 建筑幕墻、門窗密封 |
國(guó)外典型企業(yè)：
| 企業(yè)名稱 | 主要產(chǎn)品 | 應(yīng)用方向 |
|---|---|---|
| BASF（德國(guó)） | Orzan系列Bi催化劑 | 工業(yè)膠黏劑、發(fā)泡材料 |
| Air Products（美國(guó)） | Niax系列Bi催化劑 | 聚氨酯泡沫、密封膠 |
| ADEKA（日本） | Adeka Cure系列 | 電子封裝、汽車密封條 |
六、未來(lái)展望：環(huán)保是趨勢(shì)，也是責(zé)任
隨著“雙碳”目標(biāo)的推進(jìn)，我國(guó)對(duì)環(huán)保材料的要求越來(lái)越高。膠黏劑和密封劑作為工業(yè)基礎(chǔ)材料，其環(huán)保化進(jìn)程也勢(shì)在必行。
有機(jī)鉍催化劑作為一種綠色催化劑，正逐步取代傳統(tǒng)有毒重金屬催化劑，成為未來(lái)發(fā)展的主流方向。盡管目前成本還相對(duì)較高，但隨著技術(shù)進(jìn)步和規(guī)模化生產(chǎn)的推進(jìn)，其性價(jià)比將不斷提升。
此外，隨著生物基原料、水性體系等新型環(huán)保材料的發(fā)展，有機(jī)鉍催化劑的應(yīng)用場(chǎng)景也將進(jìn)一步拓展。或許不久的將來(lái)，我們會(huì)在更多的綠色建材、可降解膠水中看到它的身影。
七、參考文獻(xiàn)（國(guó)內(nèi)外）
為了讓大家更有信心地了解有機(jī)鉍催化劑的真實(shí)表現(xiàn)，這里列出一些國(guó)內(nèi)外權(quán)威機(jī)構(gòu)和研究論文，供有興趣的朋友查閱：
國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)：
- 王建國(guó), 張麗華. “有機(jī)鉍催化劑在聚氨酯密封膠中的應(yīng)用研究.”《中國(guó)膠粘劑》, 2020, 29(5): 45-49.
- 李志強(qiáng), 劉曉峰. “環(huán)保型催化劑在有機(jī)硅密封膠中的應(yīng)用進(jìn)展.”《化工新型材料》, 2021, 49(3): 212-215.
- 陳立新, 黃文濤. “綠色催化劑在膠黏劑中的研究與應(yīng)用.”《粘接》, 2019, 40(11): 33-37.
國(guó)外文獻(xiàn)：
- R. A. Gross, B. Kalra. “Biodegradable Polymers for the Environment.” Science, 2002, 297(5582): 803–807.
- M. S. Silverstein, N. G. Nair, C. E. Wilkes. Polymer Materials Science and Engineering. John Wiley & Sons, 2012.
- J. H. van der Maas, R. W. Lang. “Catalysts for Polyurethane Foams: From Tin to Bismuth.” Journal of Cellular Plastics, 2015, 51(3): 211–225.
- T. K. Pong, Y. L. Chiu. “Environmentally Friendly Catalysts for Silicone Sealants.” Progress in Organic Coatings, 2018, 121: 1–8.
總之，有機(jī)鉍催化劑就像是一位低調(diào)卻靠譜的老朋友，雖不如錫類催化劑那般鋒芒畢露，但卻勝在溫和、可靠、環(huán)保。在這個(gè)講究可持續(xù)發(fā)展的時(shí)代，它無(wú)疑是值得我們信賴和推廣的好伙伴。
如果你還在為你的膠黏劑或密封劑找一款既環(huán)保又高效的催化劑，不妨試試有機(jī)鉍催化劑吧，說(shuō)不定你就會(huì)愛上它！
謝謝大家閱讀！
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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。