汽车内饰及软质聚氨酯泡沫行业如何减少VOC的排放

技术论文（上海晔兴实业有限公司 200436）汽车内饰及软质聚氨酯泡沫行业如何减少VOC的排放

摘要

聚氨酯行业在近数十年飞速发展，越来越多的聚氨酯产品应用到日常生活的各个领域，包括汽车领域，家私等消费品。但人们随着经济高速发展，对于环境的诉求日益严苛。对于

聚氨酯行业来说，环境的问题包括生产环节和使用环节，如早期使用TDI逐步向富含MDI

体系的泡沫转变，改善了生产工人的生产环境。而在消费者使用的环节，聚醚多元醇、胺类

催化剂、有机硅表面活性剂、阻燃剂、抗氧化剂等原材料都决定了最终产品的性能，其中包

括VOC排放，如醛类，苯类等物质。低VOC散发（Low Emission）、低雾化（Low Fogging）、

低气味（Low odor）的聚氨酯产品已经越来越多的被要求使用到汽车内饰行业中去。普通胺

类催化剂目前是焦点问题，而新一代的胺催化剂可平衡凝胶和发泡的反应，具有很宽的加工

工艺，它们在聚氨酯行业中能够满足低的胺排放、低雾化和减少气味，包括所有的MDI、TDI/ MDI和TDI基配方的要求。

介绍

很多年来，叔胺类催化剂是典型聚氨酯泡沫配方中的重要组成部分，一部分催化剂偏向

于水和异氰酸酯的反应（吹发反应），然而其他一些催化剂则会偏向于多元醇与异氰酸酯的

反应（凝胶反应），这取决于催化剂本身的分子结构以及其空间位阻、电子效应等，都会影

响其作用。

在高回弹软泡中，双(2-二甲基氨乙基)醚) BDMAEE作为传统的吹发催化剂使用，由于

其特有的化学结构，这是一种典型的很强的高效的叔胺催化剂，促进水与异氰酸酯的反应，亦称发泡反应或前期反应。绝大多数的泡沫配方中是BDMAEE与三乙烯二胺TEDA配合使用。TEDA是一种常用的凝胶催化剂，目前商业上有很多催化剂为了平衡效果和工艺速率而采取

催化剂混合复配的使用方法。

如果不考虑泡沫中挥发出的VOC的散发、PVC表皮的变色、雾化及气味，这类普通胺类

催化剂的使用还会继续。这些问题已经在硅油、聚醚多元醇、阻燃剂、抗氧剂有了很大的提高。尤其是在家具、汽车内饰等领域，是这一项技术改进的关键推动者。普通的叔胺催化剂TEDA、BDMAEE在泡沫产品中明显有VOC物质放出。近几年来，已有几种方法去减少胺的释放。

大分子量的叔胺催化剂在使用中有三个明显的优势：第一，催化剂的分子在组合聚醚中

受到一定限制从而不能自已地扩散，从而改善气味，PVC表皮变色和雾化值；第二，由于大

的分子量催化剂在特定温度下，低蒸汽压下降了挥发性；第三个优点，这种催化剂的替代末

端不仅影响了催化剂的沸点或蒸汽压，还降低了其自身毒性。但反应活性与反应型催化剂相比，效率差，用量多，工艺宽容度窄，对成本影响巨大，目前已不是主流选择。

使用反应型催化剂的结果就是减少来自泡沫生产及使用中的催化剂的VOC发散。由于有

极少的低毒的自由胺基，在泡沫制造过程中，工人的裸露、操作环境、雾化、气味等问题在

生产和装配工厂都得到改善。本文讨论的是这种无散发性的催化剂能降低VOC挥发物和气味，还能减少催化剂从泡沫中的散发。由于PU化学的复杂性，在理想的催化剂中几个因素要考

虑，如蒸汽压、胺值、分子量、起发凝胶速率、封端成分等，对不同的泡沫及泡沫等级有不同的要求。

试验

全MDI体系和M/T软质模塑泡沫在本论文中进行评估。催化剂的评价清单见表1

使用自由泡沫的升起速率来比较催化剂配方的反应性。模塑泡沫做成380*380*100mm，用加热到50℃的铝模，3到6分钟脱模。脱模后，泡沫被进行机械挤压。TDI泡沫在65℃处理30min,7天后测物理性能。

在密闭的环境中至少放一周后，测试泡沫物性，并且试验前在环境温度23℃，相对湿度50%至少放24小时。制品密度按照GB/T6343-2009方法测定；压陷负荷按照

GB/T10807-2006方法测定；伸长率按照GB/T6344-2008方法测定；撕裂强度按照

GB/T10808-2006方法测定；压缩永久变形按照GB/T 6669-2008方法测定

衡量汽车内饰工业泡沫的散发量，各主机厂分别有不同的测试方法和标准，如戴姆勒-奔驰采用VDA-278:2011；上海大众采用不锈钢桶法+VDA278;上海通用采用GMW 15634，GWM 15635。气味测试大众/戴姆勒-奔驰采用PV3900;东风雪铁龙采用D10 5517-E；上海通用采用GMW 3205。表皮变色测试大众/戴姆勒-奔驰采用PV3937，东风雪铁龙采用D10 5496.

结果与讨论

BDMAEE、TEDA这些常规的催化剂有较多的VOC散发、雾化及表皮变色，这个观点已被认可。我们的研究表明，有好的办法生产泡沫，用替代物会有明显的改善。BDMAEE在模塑及软质块泡中被认为是标准的吹发催化剂。ALLCHEM公司的ECOCAT E-3201作为反应型的吹发催化剂，有与BDMAEE很相似的分子结构，但VOC发散性比较低。

ECOCAT E-3201为脂肪族仲胺，属于较大的分子量，相应减少了它的挥发，与A-1相比，有相当接近的反应活性及催化效果。使用ECOCAT E-3201替代其他催化剂是很容易，不需要大幅度改变配方，而且提供好的流动性，特别对设计复杂的模具更有利。另外BDMAEE（纯品A-1）被认为是有毒的，而ECOCAT E-3201是无毒的。

ECOCAT E-3201作为BDMAEE的替代品越来越有更多的运用。

替代TEDA作为凝胶催化剂，直到现在一直是个挑战。TEDA特殊结构使其有特别的催化性能。在聚氨酯配方中，它具有最有效的催化效果，ALLCHEM提供一系列的替代TEDA的凝

胶催化剂。

ECOCAT E-5307, E-7331,E-7341都是低蒸汽压，大分子量的反应性的组分，特别是

E-7331和E-7341,非常低的蒸汽压证明其安全性和低毒性，归类为普通化学品，不受管制。

ECOCAT E-5307有一个仲胺基反应基团（-NH），有较宽的工艺梯度，与A33相比，它凝胶反应效果在低水含量配方中有差别，需明显增加用量，但在高水含量配方上与A33用量接近。可作为一个标准的非挥发型凝胶类催化剂，适用于模塑高回弹（High resiliency cold-moulded foam），软质泡沫（Slabstock Foams），半硬泡（Semi-rigid）等各种使用

A33的场合。

ECOCAT E-7331、E-7341是改性伯胺产品，有伯胺基反应基团（-NH2）。由表2可以看出，伯胺基的反应速率比仲胺基快2-5倍，但不意味着用量比ECOCAT E-5307大幅降低，只是侧面反映催化效率的变化。仲胺催化剂相比于伯胺催化剂，反应速率较慢，意味着后期熟化慢，与使用传统A1,A33产品相比，产品脱模会变慢，且泡沫制品物理性能会降低，特别是湿热老化性能。

ECOCAT E-7331、E-7341流动性比E-5307更佳，极高的活性促进羟基与异氰酸酯（后期反应），熟化时间快，这意味着可缩短脱模时间，提高生产效率，同时改善了因使用反应催化剂对泡沫制品的物理性能的影响。优异的流动性能意味着适合大型模塑制品的生产制造，如汽车内饰行业，高回弹制品如汽车座椅、汽车头枕、汽车地毯、前围隔音垫、扶手；自结

ECOCAT E-5307,E-7331,E-7341有不同的凝胶的特性，取决于运用与配方的需要，它们可以单独用于凝胶或两种配合使用以满足要求。这些凝胶催化剂与ECOCAT E-3201发泡催化剂配合使用，能满足现流行的降低VOC散发的要求。在全MDI、MDI/TDI和全TDI模塑高回弹泡沫的研究中，我们进行了不同催化剂所得制品的性能。

MDI模塑泡沫

实验室评价不同的催化剂混合物用手工发泡。配方中的催化剂数量是不同的，但有同样的反应效果。切好的部分用于测试物性及VOC散发及雾化和表皮变色性。

表3是测试配方反应活性和VOC散发，雾化,表皮变色的测试结果。所有增大分子量的制品都使减少VOC发散量成为可能。用GC/ms测试时，并未测到ECOCAT E-3201、E-5307、E-7331、E-7341。测试到大多数是硅油。雾化部分测试到最多的来自硅油和抗氧剂。硅油与多元醇的供应商宣称他们极大地降低了原来的VOC散发。表3表明PVC的着色检测，ECOCAT E-3201、E-5307、E-7331、E-7341均符合相关的要求。

各种散发性测试证明，几种不同催化剂的混合使用或单独使用是可行的，ALLCHEM公司提供的反应型催化剂中选择几种配合使用可满足MDI模塑泡沫的VOC低散发要求，这就给了配方工程师选择反应性催化剂组合使用，以满足配方和工艺需要的自由空间。