Все промышленно выпускаемые пенополиуретаны изготавливаются с добавкой хотя бы одного катализатора. Из большого количества исследованных веществ различных классов оптимальными оказались амины и металлорганические соединения. Для установления баланса между реакцией развития цепи (изоцианата с гидроксисоединением) и реакцией вспенивания (изоцианата с водой) скорость образования полимера и скорость образования газа должны быть согласованы таким образом, чтобы газ захватывался полимерным гелем, а стенки образующихся ячеек были достаточно прочными, чтобы сохранить структуру без коллапса (разрыва пены) и утяжки. Катализаторы также важны для полного завершения реакции и отверждения пены.
Выбор каталитической системы для ППУ является сложной задачей и требует экспериментальной проверки не только в лабораторном, но и в опытном масштабе до промышленного внедрения системы. Третичные амины самые распространенные катализаторы, используемые в производстве ППУ. Большинство из них являются катализаторами вспенивания, естественно, определенный вклад вносящими и в процесс гелеобразования. Каталитическая активность третичных аминов обусловлена наличием свободной электронной пары на атоме азота. Стерические факторы у атома азота и электронные эффекты заместителей являются важными деталями, влияющими на относительную каталитическую активность различных аминов.
Чтобы адекватно контролировать процесс вспенивания, в некоторых системах требуется балансировать реакции гелеобразования и вспенивания. Тип и концентрация аминного катализатора выбираются в соответствии с параметрами процесса: временем старта, скоростью вспенивания, временем гелеобразования и, в отдельных случаях, поверхностного отверждения. Выбор амина влияет как на способ переработки, так и на свойства полиуретана из-за возможного протекания не только первичных, но и вторичных реакций. Некоторые амины придают пенам нежелательный остаточных запах, который ограничивает область применения изделий из полиуретана, например, в спальных и мебельных гарнитурах.
Применение летучих аминов снижает уровень запаха в конечном изделии, т.к. они улетучиваются в процессе изготовления изделия, что может также ухудшить отверждение из-за быстрой потери катализатора. Высокая летучесть часто приводит к низким температурам вспышки, высоким давлениям и дополнительным проблемам при переработке. Многие катализаторы включают группы, способные взаимодействовать с изоцианатной группой и входить в полимерную сетку (реактивные амины). Реактивные амины имеют повышенную активность, что также необходимо учитывать при составлении рецептур.
Возможны два механизма каталитического действия третичных аминов в реакциях уретанообразования:
- Атака амина на углерод изоцианатной группы с образованием активированного комплекса (особенно характерно для ароматических изоцианатов, у которых карбонильная и ароматическая группы являются акцепторами электронов).
- Образование промежуточного аминного комплекса и соединения, несущего активный атом водорода.
Металлорганические катализаторы ускоряют реакции образования полимера (гелеобразования), протекающие между изоцианатом и полиолом. Из многих доступных соединений этого рода широко используются оловоорганические соединения. Они действуют как кислоты Льюиса за счет взаимодействия с основными центрами изоцианатов и полиолов. При совместном действии металлорганических и аминных катализаторов установлено явление синергизма. Третичные амины образуют комплексы с металлорганическими соединениями. Такие комплексы затем захватывают молекулу полиола, что приводит к дополнительной активации. Карбоксильная группа металлорганического катализатора захватывает протон полиола, открывая, таким образом, место для внедрения изоцианатной группы. Разрыв и усадка пены происходят, когда недостаточно сбалансированы гелеобразование и вспенивание (газовыделение).
Если содержание катализатора гелеобразования в системе недостаточно, то усилие расширяющихся газовых пузырьков будет превосходить прочность при растяжении полимерной мембраны. В этом случае возможен частичный или полный коллапс пены – разрыв ячеек до достижения полимером точки гелеобразования. При избытке катализатора гелеобразования полимер становится настолько вязкоупругим, что происходит разрыв мембраны и утяжка пены. Для увеличения растекаемости заливочных систем по форме и их быстрого отверждения необходимо сбалансировать процессы вспенивания и отверждения. Если скорость роста полимера будет слишком высокой, вспенивающаяся масса станет менее подвижной и не заполнит форму полностью. Растекаемость заливочных систем по форме достигается катализаторами замедленного действия. Существуют соединения, которые при комнатной температуре инертны, но активируются, когда температура вспенивающейся массы поднимается за счет экзотермичности первичной реакции. Наиболее распространены соли третичных аминов, блокированные кислотами (угольная, муравьиная, уксусная, 2-этилгексизоциановая или молочная).
