Types et activité catalytique des catalyseurs d’amines tertiaires

Les catalyseurs à base d'amines tertiaires sont l'un des types de catalyseurs les plus couramment utilisés dans la production de mousse de polyuréthane. La plupart des catalyseurs d'amines tertiaires peuvent catalyser à la fois la réaction entre les isocyanates et l'eau et la réaction entre les isocyanates et les polyols, qui sont les deux principales réactions dans la synthèse des mousses de polyuréthane. Cependant, l'activité catalytique varie selon les différents composés aminés.

Classification des catalyseurs d'amines tertiaires

Les composés d'amines tertiaires utilisés comme catalyseurs de polyuréthane peuvent être classés en fonction de leur structure chimique en amines aliphatiques, amines alicycliques et amines aromatiques.

1. Amines aliphatiques

Exemples courants : N,N-Diméthylcyclohexylamine, Bis(2-diméthylaminoéthyl)éther, Triéthylènediamine, N,N,N’,N’-Tétraméthyl-1,2-éthylènediamine, N,N,N’,N’’,N’’-Pentaméthyldiéthylènetriamine, Triéthylamine, N,N-Diméthylbenzylamine, N,N-Diméthylhexylamine.

2. Amines alicycliques

Exemples courants : Triéthylènediamine, N-Éthylmorpholine, N-Méthylmorpholine, N,N’-Diéthylpipérazine, N,N’-Diéthyl-2-méthylpipérazine, N,N’-Bis(α-hydroxypropyl)-2-méthylpipérazine, N-(2-hydroxypropyl)-N,N-diméthylmorpholine.

3. Alcools aminés

Exemples : Triéthanolamine, N,N-Diméthyléthanolamine.

Ce sont des catalyseurs réactifs qui peuvent être utilisés en combinaison avec d’autres catalyseurs de haute activité. La triéthanolamine agit également comme agent de réticulation dans les mousses moulées.

4. Amines aromatiques

Exemples : Pyridine, N,N’-Diméthylpyridine.

Effet catalytique et pertinence industrielle

Dans les premières étapes de la réaction, l’efficacité catalytique joue un rôle crucial dans la production industrielle de mousses de polyuréthane. Le procédé de fabrication de la mousse polyuréthane flexible est fortement dépendant des catalyseurs en raison de la faible fonctionnalité des réactifs et de la plus faible densité de réticulation des produits par rapport aux mousses rigides. Les mousses flexibles nécessitent plus de temps pour atteindre une résistance suffisante dans leur réseau cellulaire et présentent un taux de cellules ouvertes élevé.

Les catalyseurs favorisent les réactions NCO-OH et NCO-H₂O, conduisant à une augmentation rapide du poids moléculaire du polymère. Simultanément, du gaz est généré, la viscosité du polymère augmente et la mousse se dilate et se solidifie rapidement.

L'activité catalytique est généralement évaluée en fonction du temps de montée de la mousse et de la chaleur dégagée lors de la réaction.

Facteurs affectant l'activité catalytique

Basicité

L'activité catalytique des amines tertiaires est fortement influencée par leur basicité. Une basicité plus forte correspond à une activité catalytique plus élevée. Les substituants donneurs d'électrons sur l'atome d'azote augmentent la densité du nuage électronique, augmentant ainsi la basicité et l'activité catalytique. À l’inverse, les substituants attracteurs d’électrons diminuent la basicité et l’efficacité catalytique. Certains chercheurs considèrent la basicité comme une mesure clé pour évaluer l’activité des catalyseurs aminés.

Structure moléculaire

L'encombrement spatial des substituants sur l'atome d'azote affecte grandement l'activité catalytique. Les substituants plus petits améliorent l'activité, tandis que les groupes plus volumineux empêchent l'approche de l'atome d'azote du groupe carbonyle de l'isocyanate, réduisant ainsi les performances catalytiques.

Une première étude à l'étranger a démontré ce principe en examinant la réaction entre l'isocyanate de phényle et le 1-butanol dans le toluène à 40°C. Malgré une constante de dissociation pKa plus élevée, N,N,N’,N’-La tétraéthylméthylènediamine a présenté une activité plus faible en raison de l'encombrement stérique de ses quatre groupes éthyle. En revanche, la triéthylènediamine, avec sa structure unique en forme de cage et ses atomes d’azote exposés, a montré une forte activité catalytique.

Dosage du catalyseur et considérations économiques

Lorsque le dosage du catalyseur est faible, son augmentation entraîne une augmentation significative de la vitesse de réaction. Cependant, au-delà d’un certain point, de nouvelles augmentations de dose ont un effet décroissant sur la vitesse de réaction. Compte tenu du coût relativement élevé des catalyseurs, il est essentiel de déterminer un dosage optimal en fonction des exigences spécifiques de la réaction.