Catalyseurs aminés importants et leurs applications

1. Triéthylènediamine

La triéthylènediamine, officiellement connue sous le nom de 1,4-diazabicyclo[2,2,2]octane, est communément appelée triéthylènediamine dans l'industrie. Sa formule structurelle est N(CH₂CH₂)₃N, ce qui en fait un catalyseur d'amine tertiaire à structure bicyclique. Dans son état normal, il apparaît comme un solide cristallin blanc avec une densité relative de 1,14 à 28°C. Sa forme pure a un point de fusion de 154°C et un point d'ébullition de 174°C. Il se sublime facilement, est hygroscopique et se dissout dans divers solvants. Il a une légère odeur d’amine, moins prononcée que la plupart des catalyseurs à base d’amine tertiaire. Sa pression de vapeur est de 533 Pa à 50°C et 7,7 kPa à 100°C. Avec une valeur pKa de 5,4, il est très soluble dans l'eau, dissolvant 46 g dans 100 g d'eau à 25°C.

La triéthylènediamine est l'un des catalyseurs d'amine tertiaire les plus importants, largement utilisé dans les mousses de polyuréthane flexibles, semi-rigides et rigides. Son importance est particulièrement notable dans le procédé de moussage en une étape, dont le succès est étroitement lié à la découverte et au développement de ce catalyseur. Il est très actif, ne nécessite que de petites quantités et catalyse efficacement les réactions de gélification et de moussage.

Sa structure chimique unique—un composé en forme de cage avec deux atomes d'azote reliés par trois groupes éthylène—le rend très symétrique et dense. Les atomes d'azote manquent de substituants volumineux, ce qui permet un accès facile à leurs paires d'électrons isolées. Dans les systèmes moussants, il réagit avec les isocyanates pour former des complexes actifs instables qui, lors de la formation de liaisons uréthane, sont libérés pour catalyser davantage la réaction. Bien qu’il ne s’agisse pas d’une base forte, il présente une activité catalytique élevée pour les isocyanates et les composés à hydrogène actif en raison de ce mécanisme.

Dans le processus de moussage en une étape, son faible dosage (généralement moins de 1 %) favorise efficacement les réactions d'extension de chaîne et de moussage, favorisant une augmentation initiale rapide de la viscosité et une croissance de la mousse.

2. Éther de bis(diméthylaminoéthyle)

L'éther bis(diméthylaminoéthyle) est un autre catalyseur aminé crucial, apparaissant sous la forme d'un liquide transparent jaune pâle avec un point d'éclair de 64°C et une densité de 0,85 g/cm³ À 25°C. Il est soluble dans l'eau et présente une activité catalytique et une sélectivité élevées pour les réactions de moussage. Initialement développé par Union Carbide Corporation sous le nom commercial Niax A-1, il a ensuite été produit par la division Compton's Silicone (OSI) sous le même nom. Il est disponible sous forme de solution à 70 % dans du dipropylène glycol, commercialisé sous le nom de Dabco BL11 par Air Products. Au niveau national, le catalyseur A-1 contient également 70 % d'éther bis(diméthylaminoéthyle) dans du dipropylène glycol, avec une viscosité de 4.0–5.5 amp·s, un indice de réfraction de 1,4346 et une densité de 0,902 g/cm³ À 25°C.

Le catalyseur A-1 est principalement utilisé dans la production de mousses de polyuréthane flexibles. Son fort effet catalytique sur les réactions de l’eau réduit la densité de la mousse. Environ 80 % de son effet cible les réactions de génération de gaz, tandis que 20 % favorisent la gélification. Cela le rend proche du modèle idéal de catalyseur aminé. L’ajustement de son dosage a un impact significatif sur la génération de gaz plus que sur la gélification. Dans la limite de tolérance des catalyseurs à l'étain, leur quantité peut rester inchangée tout en maintenant l'équilibre de la réaction, permettant une production de mousse de haute qualité. Ainsi, Niax A-1 améliore la tolérance de production, évitant ainsi les problèmes de qualité dus à des erreurs de fonctionnement ou de dosage.

3. Diméthylcyclohexylamine et diméthyléthanolamine

(1) Diméthylcyclohexylamine

Ce catalyseur aminé de faible viscosité et d'activité moyenne a une densité de 0,85 g/cm³ À 25°C, un point d'éclair de 48°C, et une viscosité de 2 mPa·assis 25°C. Il est insoluble dans l'eau et principalement utilisé dans les mousses de polyuréthane rigides, offrant des performances catalytiques équilibrées pour le moussage et la gélification. Cependant, il a une forte odeur.

(2) Diméthyléthanolamine

Couramment utilisée dans la production de mousse rigide, la diméthyléthanolamine contient un groupe hydroxyle qui réagit avec les isocyanates, l'incorporant dans la structure du polymère, contrairement à la triéthylamine volatile. C'est un liquide d'une densité de 0,85 g/cm³ À 25°C, un point d'éclair de 44°C, une viscosité de 6 mPa·s, et un indice d'hydroxyle de 638 mg KOH/g. Malgré sa faible activité catalytique pour la montée de mousse et la gélification, sa forte alcalinité neutralise les traces d'acides dans le système, en particulier les acides dérivés des isocyanates, protégeant ainsi les autres amines organiques. Sa faible activité de type tampon et sa forte neutralisation sont particulièrement bénéfiques lorsqu'elles sont associées à la triéthylènediamine, permettant à des doses plus faibles de cette dernière d'atteindre les vitesses de réaction souhaitées. Les mélanges à rapport élevé (par exemple 80 % de diméthyléthanolamine et 20 % de triéthylènediamine) sont économiquement avantageux mais ne conviennent qu'aux mousses rigides en raison de leur effet catalytique limité sur les réactions ultérieures.

4. N-éthylmorpholine

La N-éthylmorpholine est un catalyseur d'amine tertiaire de force moyenne, idéal pour les mousses de polyuréthane flexibles à base de polyester. Ces mousses sont largement utilisées dans les vêtements, les tissus laminés, les chaussures et les rembourrages de véhicules résistants aux solvants. En raison de la réactivité et de la viscosité élevées des polyester-polyols, les catalyseurs de faible activité comme la N-éthylmorpholine ou la N-méthylmorpholine sont préférés. Ils catalysent fortement la gélification après la montée de la mousse, maximisant l'expansion cellulaire sans modifier de manière significative les taux de réaction à différentes concentrations. Cependant, ces catalyseurs dégagent une forte odeur.

5. Catalyseurs de trimérisation d'amine

Certains catalyseurs aminés sont également d'excellents catalyseurs de trimérisation des isocyanates, utilisés pour produire des mousses d'isocyanurate. Ces mousses offrent un retardateur de flamme supérieur et une faible génération de fumée pendant la combustion, ce qui les rend idéales pour les matériaux de construction. Les mousses modifiées aux isocyanurates constituent une solution efficace pour améliorer la résistance aux flammes.

Divers catalyseurs aminés comprennent la pentaméthyldiéthylènetriamine, un catalyseur de moussage puissant, et la tétraméthyléthylènediamine, un catalyseur d'activité moyenne adapté aux mousses flexibles et semi-rigides. N,N’La -diéthylpipérazine et la N,N'-diéthyl-2-méthylpipérazine sont utilisées dans les mousses flexibles et moulées.