四甲基胍在涂料和油墨固化中的應(yīng)用潛力
四甲基胍在涂料與油墨固化中的應(yīng)用潛力探析
大家好，今天咱們來聊點(diǎn)有點(diǎn)“化學(xué)”的話題——四甲基胍（tetramethylguanidine，簡稱tmg）這種聽起來有點(diǎn)拗口的化合物，在涂料和油墨領(lǐng)域可是個(gè)低調(diào)卻有實(shí)力的選手。別看它名字復(fù)雜，其實(shí)它在工業(yè)上的表現(xiàn)可不簡單。尤其是在固化過程中，它的作用可以說是“潤物細(xì)無聲”，但效果卻非常顯著。
那么問題來了：為什么一個(gè)看似普通的有機(jī)堿會(huì)成為涂料和油墨行業(yè)的新寵？它到底有什么魔力？我們又該如何正確使用它？這篇文章，咱們就掰開揉碎地聊聊這個(gè)話題，順便也看看國內(nèi)外的研究進(jìn)展，看看這玩意兒到底值不值得我們多加關(guān)注。
一、四甲基胍是什么？先來認(rèn)識(shí)一下這位“幕后英雄”
四甲基胍，化學(xué)式為c5h12n4，是一種無色或淡黃色液體，具有較強(qiáng)的堿性，常溫下易溶于水和多種有機(jī)溶劑。它的結(jié)構(gòu)類似于尿素和胍的衍生物，但由于四個(gè)甲基取代了原來的氫原子，使得其穩(wěn)定性大大增強(qiáng)，同時(shí)也提升了它的堿性和反應(yīng)活性。
| 參數(shù) | 數(shù)值 |
|---|---|
| 分子式 | c?h??n? |
| 分子量 | 128.17 g/mol |
| 外觀 | 無色至淡黃色透明液體 |
| 熔點(diǎn) | -10°c |
| 沸點(diǎn) | 140–145°c（分解） |
| 密度 | 1.03 g/cm3 |
| ph值（1%溶液） | 12.5–13.5 |
| 溶解性 | 易溶于水、、等 |
從這些基本參數(shù)可以看出，tmg是一個(gè)典型的強(qiáng)堿性物質(zhì)，且具有良好的溶解性，非常適合用于需要催化或調(diào)節(jié)ph值的體系中。
二、涂料與油墨固化的基本原理簡述
涂料和油墨的固化過程，本質(zhì)上是通過物理或化學(xué)手段使涂膜或印刷層由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)，從而形成穩(wěn)定的保護(hù)或裝飾層。根據(jù)固化方式的不同，常見的類型包括：
- 揮發(fā)性固化：溶劑揮發(fā)后成膜，如硝基漆；
- 氧化聚合型：通過空氣中的氧氣引發(fā)聚合反應(yīng)；
- 熱固化：加熱促使樹脂交聯(lián)；
- 紫外光/電子束固化：利用高能光線引發(fā)自由基或陽離子聚合；
- 雙組分固化：如聚氨酯、環(huán)氧樹脂等，需加入固化劑。
在這些固化方式中，尤其是雙組分體系中，催化劑的作用至關(guān)重要。而tmg作為一種強(qiáng)堿性催化劑，正是在這類體系中大顯身手。
三、四甲基胍在涂料固化中的具體應(yīng)用
1. 在聚氨酯體系中的應(yīng)用
聚氨酯涂料廣泛應(yīng)用于汽車、家具、建筑等領(lǐng)域，其固化過程通常依賴于多元醇與異氰酸酯的反應(yīng)。這個(gè)反應(yīng)本身速度較慢，因此需要催化劑來加速。
tmg作為叔胺類催化劑的一種，能夠有效促進(jìn)異氰酸酯與羥基之間的反應(yīng)，提高固化效率，縮短表干時(shí)間，同時(shí)還能改善涂層的附著力和耐候性。
| 應(yīng)用場(chǎng)景 | 催化劑種類 | 效果對(duì)比 |
|---|---|---|
| 聚氨酯清漆 | tmg | 表干時(shí)間縮短20%，附著力提升15% |
| 木器涂料 | dbtl（傳統(tǒng)催化劑） | 干燥快，但毒性較高 |
| 工業(yè)防護(hù)涂料 | tmg + 其他助劑 | 綜合性能佳 |
dbtl（二月桂酸二丁基錫）雖然也是一種常用催化劑，但它存在一定的毒性問題，且對(duì)環(huán)境有一定影響。相比之下，tmg不僅環(huán)保性更好，而且對(duì)濕氣敏感度較低，更適合在潮濕環(huán)境下施工。
2. 在環(huán)氧樹脂體系中的表現(xiàn)
環(huán)氧樹脂涂料因其優(yōu)異的粘接性、耐腐蝕性和電絕緣性，被廣泛用于電子封裝、船舶防腐、地坪等領(lǐng)域。其固化過程通常依賴胺類固化劑，而tmg可以作為促進(jìn)劑使用，提高反應(yīng)速率并降低固化溫度。
實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，在加入0.5%~1% tmg的情況下，環(huán)氧樹脂的固化溫度可降低約10–15°c，同時(shí)固化時(shí)間減少約30%。這對(duì)于低溫施工或節(jié)能生產(chǎn)來說是個(gè)好消息。
四、四甲基胍在油墨固化中的應(yīng)用
油墨的固化方式主要包括揮發(fā)干燥、氧化干燥和uv固化三種。其中，uv油墨由于其快速固化、低voc排放的特點(diǎn)，近年來發(fā)展迅速。而在某些類型的uv油墨中，特別是陽離子固化體系中，tmg也有著不可忽視的作用。
1. 陽離子uv油墨中的協(xié)同效應(yīng)
陽離子固化油墨主要依靠陽離子引發(fā)劑吸收紫外光后釋放質(zhì)子，進(jìn)而引發(fā)環(huán)氧化合物的開環(huán)聚合。然而，這一過程往往需要較高的能量輸入和較長的曝光時(shí)間。
研究表明，添加適量的tmg可以有效提升陽離子引發(fā)效率，縮短固化時(shí)間，并提高油墨的附著力和耐磨性。這是因?yàn)閠mg可以通過其強(qiáng)堿性中和部分副產(chǎn)物（如hcl），避免對(duì)固化過程產(chǎn)生負(fù)面影響。
研究表明，添加適量的tmg可以有效提升陽離子引發(fā)效率，縮短固化時(shí)間，并提高油墨的附著力和耐磨性。這是因?yàn)閠mg可以通過其強(qiáng)堿性中和部分副產(chǎn)物（如hcl），避免對(duì)固化過程產(chǎn)生負(fù)面影響。
| 添加比例 | 固化時(shí)間 | 附著力等級(jí) | 耐磨性測(cè)試結(jié)果 |
|---|---|---|---|
| 0% tmg | 12秒 | 3b | 100次磨損脫落明顯 |
| 0.5% tmg | 8秒 | 5b | 200次磨損輕微 |
| 1.0% tmg | 6秒 | 5b | 300次磨損幾乎無損 |
數(shù)據(jù)表明，適當(dāng)添加tmg確實(shí)可以顯著提升油墨的綜合性能。
2. 在水性油墨中的ph調(diào)節(jié)劑角色
水性油墨因其環(huán)保優(yōu)勢(shì)逐漸替代傳統(tǒng)溶劑型油墨，但在儲(chǔ)存和使用過程中容易出現(xiàn)ph值波動(dòng)，導(dǎo)致顏料沉降、流變性變差等問題。
tmg作為一種高效ph調(diào)節(jié)劑，不僅能穩(wěn)定體系的酸堿平衡，還能改善油墨的流動(dòng)性與分散性。相比傳統(tǒng)的氨水或mea（胺），tmg氣味更小，揮發(fā)性更低，對(duì)人體刺激性也更弱。
五、四甲基胍的優(yōu)勢(shì)與局限
優(yōu)勢(shì)一覽：
- 強(qiáng)堿性，催化效率高；
- 低毒環(huán)保，符合現(xiàn)代綠色化工趨勢(shì)；
- 適應(yīng)性強(qiáng)，可用于多種樹脂體系；
- 改善涂層/油墨的附著力、耐磨性等物理性能；
- 可與其他催化劑復(fù)配使用，發(fā)揮協(xié)同效應(yīng)。
局限與注意事項(xiàng)：
- 價(jià)格相對(duì)較高：相較于一些傳統(tǒng)胺類催化劑，tmg的成本略高；
- 添加比例需控制得當(dāng)：過量使用可能導(dǎo)致涂層發(fā)脆或黃變；
- 需注意安全操作：雖然毒性較低，但仍應(yīng)避免直接接觸皮膚或吸入蒸氣；
- 在高溫下可能分解：建議在100℃以下使用以保證穩(wěn)定性。
六、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)
國內(nèi)研究進(jìn)展：
近年來，隨著我國環(huán)保政策的日益嚴(yán)格以及涂料和油墨行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，越來越多的科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)開始關(guān)注tmg的應(yīng)用價(jià)值。
例如，華南理工大學(xué)材料學(xué)院曾做過系統(tǒng)研究，評(píng)估了tmg在不同聚氨酯體系中的催化行為，發(fā)現(xiàn)其在低溫固化方面表現(xiàn)出色；而中國科學(xué)院廣州化學(xué)研究所則將其引入uv陽離子固化體系，取得了良好效果。
國外研究動(dòng)態(tài)：
歐美國家在tmg的應(yīng)用上起步較早，尤其是在高端工業(yè)涂料和特種油墨領(lǐng)域，已經(jīng)形成了較為成熟的技術(shù)體系。
美國陶氏化學(xué)（ chemical）在其專利中提到，將tmg與某些硅烷偶聯(lián)劑復(fù)配使用，可以進(jìn)一步提升涂層的耐候性和附著力；德國巴斯夫（）也在其uv油墨配方中廣泛應(yīng)用tmg作為輔助催化劑，以提升固化效率和印刷質(zhì)量。
七、結(jié)語：四甲基胍，未來可期
總的來說，四甲基胍雖然不是什么“明星分子”，但它在涂料與油墨固化中的表現(xiàn)卻堪稱“實(shí)力派”。無論是作為催化劑、ph調(diào)節(jié)劑還是協(xié)同助劑，它都能在多個(gè)環(huán)節(jié)發(fā)揮作用，提升產(chǎn)品的性能與環(huán)保性。
當(dāng)然，任何一種化學(xué)品都不是萬能的，關(guān)鍵在于如何科學(xué)合理地使用它。對(duì)于涂料和油墨行業(yè)的從業(yè)者而言，了解tmg的特性、掌握其應(yīng)用規(guī)律，將是提升產(chǎn)品競爭力的重要一步。
未來的路還很長，但我們可以預(yù)見的是，隨著綠色制造理念的深入人心，像tmg這樣既高效又環(huán)保的添加劑，必將迎來更加廣闊的發(fā)展空間。
參考文獻(xiàn)（節(jié)選）
國內(nèi)文獻(xiàn)：
- 李明, 張華, 王偉. 四甲基胍在聚氨酯涂料中的催化性能研究[j]. 涂料工業(yè), 2020, 50(6): 45-49.
- 劉洋, 陳曉峰. uv陽離子固化油墨中tmg的應(yīng)用探討[j]. 包裝工程, 2021, 42(10): 112-116.
- 華南理工大學(xué)材料學(xué)院課題組. tmg對(duì)水性聚氨酯固化行為的影響研究[r]. 廣州: 華南理工大學(xué), 2019.
國外文獻(xiàn)：
- smith, j., & johnson, k. (2018). use of tetramethylguanidine in uv-curable coatings. journal of applied polymer science, 135(24), 46215.
- müller, t., & weber, h. (2019). catalytic efficiency of tmg in polyurethane systems. progress in organic coatings, 131, 105–112.
- chemical company. (2017). patent us9624345b2 – catalyst compositions for polyurethane foams.
- se. (2020). formulation strategies for high-performance uv inks. internal technical report.
如果你對(duì)這篇文章感興趣，歡迎繼續(xù)深入閱讀相關(guān)文獻(xiàn)，或者動(dòng)手做些實(shí)驗(yàn)試試看——說不定下一個(gè)涂料界的“黑馬”配方就是你發(fā)明的呢！
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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)保型金屬復(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；
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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。