CASE(非泡PU)通用催化劑在電子封裝材料和灌封膠中的MDI應(yīng)用優(yōu)勢(shì)
CASE（非泡PU）通用催化劑在電子封裝材料和灌封膠中的MDI應(yīng)用優(yōu)勢(shì)
大家好，我是從事聚氨酯材料研發(fā)的一名“老材料人”，干這行也有十多年了。今天我想聊聊一個(gè)看似不起眼但非常關(guān)鍵的“幕后英雄”——催化劑，在聚氨酯電子封裝材料和灌封膠中的重要角色。特別是我們常說(shuō)的CASE體系（Coatings, Adhesives, Sealants and Elastomers），在這個(gè)領(lǐng)域里，非泡型聚氨酯（Non-foaming Polyurethane）的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，而作為反應(yīng)的核心推動(dòng)者之一——催化劑，其作用不容小覷。
這篇文章，我會(huì)從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，結(jié)合我這些年做配方、調(diào)工藝的經(jīng)驗(yàn)，給大家詳細(xì)講講：為什么說(shuō)CASE通用催化劑在基于MDI體系的電子封裝材料和灌封膠中表現(xiàn)得如此出色？它的優(yōu)勢(shì)到底體現(xiàn)在哪些方面？有沒(méi)有什么參數(shù)或者數(shù)據(jù)可以支撐這些說(shuō)法？
當(dāng)然，文章后也會(huì)附上一些國(guó)內(nèi)外的經(jīng)典文獻(xiàn)，方便有興趣的朋友進(jìn)一步查閱。
一、先來(lái)點(diǎn)基礎(chǔ)：什么是CASE？什么是MDI？
在進(jìn)入正題之前，咱們先簡(jiǎn)單科普一下幾個(gè)專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)，畢竟不是所有人都像我們這些“材料狗”一樣天天泡在實(shí)驗(yàn)室里。
CASE指的是啥？
CASE是四個(gè)英文單詞的縮寫(xiě)：
- Coatings（涂層）
- Adhesives（膠粘劑）
- Sealants（密封膠）
- Elastomers（彈性體）
這些都是聚氨酯在工業(yè)上的典型應(yīng)用方向。尤其在電子行業(yè)，隨著對(duì)產(chǎn)品可靠性、耐候性要求的提高，聚氨酯在電子封裝材料和灌封膠中的地位也越來(lái)越高。
MDI又是什么鬼？
MDI全稱(chēng)是二苯基甲烷二異氰酸酯（Methylene Diphenyl Diisocyanate），是一種常用的芳香族二異氰酸酯，廣泛用于聚氨酯制品中。與TDI相比，MDI具有更好的熱穩(wěn)定性、機(jī)械性能和耐化學(xué)性，特別適合用于需要長(zhǎng)期穩(wěn)定性的場(chǎng)合，比如電子封裝。
二、催化劑的作用：不只是“加速器”
很多人以為催化劑就是讓反應(yīng)變快的東西，其實(shí)不然。在聚氨酯反應(yīng)中，催化劑的作用遠(yuǎn)不止于此。它不僅影響反應(yīng)速度，還會(huì)影響反應(yīng)路徑、產(chǎn)物結(jié)構(gòu)、終性能，甚至加工窗口期。
特別是在電子封裝和灌封膠這類(lèi)對(duì)操作時(shí)間、固化溫度、物理性能都有嚴(yán)格要求的應(yīng)用場(chǎng)景中，選擇合適的催化劑顯得尤為重要。
催化劑的分類(lèi)
聚氨酯反應(yīng)中常見(jiàn)的催化劑包括：
| 類(lèi)型 | 代表物 | 特點(diǎn) |
|---|---|---|
| 胺類(lèi)催化劑 | DABCO、TEDA、DMCHA等 | 主要促進(jìn)發(fā)泡反應(yīng)，適用于泡沫體系 |
| 有機(jī)錫催化劑 | T-9（辛酸亞錫）、T-12等 | 對(duì)NCO/OH反應(yīng)有強(qiáng)催化作用，適合非泡體系 |
| 非錫類(lèi)金屬催化劑 | 鋯、鉍、鋅等有機(jī)金屬化合物 | 環(huán)保友好，替代傳統(tǒng)錫類(lèi)催化劑 |
而在CASE體系中，尤其是電子封裝和灌封膠這種非泡型應(yīng)用中，通常會(huì)選擇有機(jī)錫或非錫類(lèi)金屬催化劑，因?yàn)樗鼈兏鼘?zhuān)注于促進(jìn)主鏈增長(zhǎng)反應(yīng)，而不是產(chǎn)生氣泡。
三、為何選用通用型催化劑？有什么好處？
在實(shí)際生產(chǎn)中，很多企業(yè)都會(huì)遇到一個(gè)問(wèn)題：不同的產(chǎn)品需要不同的催化劑，導(dǎo)致庫(kù)存管理復(fù)雜、成本上升。
于是，“通用型催化劑”應(yīng)運(yùn)而生。所謂通用型，就是在多種體系下都能表現(xiàn)出良好的催化效果，尤其是在不同比例、不同原材料組合下依然保持穩(wěn)定的反應(yīng)特性。
在MDI體系中的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)：
1. 更寬的操作窗口
在電子封裝和灌封膠中，常常需要較長(zhǎng)的可操作時(shí)間（Pot Life），以便于施工和注膠。通用型催化劑能夠很好地平衡反應(yīng)速率與操作時(shí)間之間的關(guān)系。
舉個(gè)例子：
| 催化劑類(lèi)型 | 反應(yīng)開(kāi)始時(shí)間（s） | 固化時(shí)間（min） | 操作窗口（min） |
|---|---|---|---|
| T-9 | 30 | 8 | 5 |
| TEDA | 20 | 6 | 3 |
| 通用催化劑A | 40 | 10 | 7 |
可以看出，通用型催化劑在不犧牲固化效率的前提下，提供了更長(zhǎng)的操作時(shí)間，這對(duì)自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)來(lái)說(shuō)簡(jiǎn)直是福音。
2. 兼容性強(qiáng)，適配多種配方
電子封裝材料和灌封膠所用的多元醇種類(lèi)繁多，有聚醚、聚酯、環(huán)氧改性、硅氧烷等等。通用型催化劑能夠在不同類(lèi)型的多元醇體系中保持一致的催化活性。
舉個(gè)我親身經(jīng)歷的例子：我們?cè)_(kāi)發(fā)一款雙組分灌封膠，主料換過(guò)三種不同來(lái)源的聚醚多元醇，結(jié)果發(fā)現(xiàn)只有使用某款通用催化劑時(shí)，固化時(shí)間和性能變化小，幾乎不需要重新調(diào)整配方。
3. 提升材料性能，減少缺陷
在MDI體系中，如果催化劑選擇不當(dāng)，容易出現(xiàn)以下問(wèn)題：
- 表面起皮、龜裂
- 內(nèi)部氣泡多
- 固化不完全
- 力學(xué)性能差
而好的通用型催化劑可以通過(guò)調(diào)控反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，使得交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)更加均勻，從而提升材料的力學(xué)性能、耐溫性和電絕緣性。
- 表面起皮、龜裂
- 內(nèi)部氣泡多
- 固化不完全
- 力學(xué)性能差
而好的通用型催化劑可以通過(guò)調(diào)控反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，使得交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)更加均勻，從而提升材料的力學(xué)性能、耐溫性和電絕緣性。
下面是一個(gè)簡(jiǎn)單的對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：
| 催化劑類(lèi)型 | 抗拉強(qiáng)度（MPa） | 伸長(zhǎng)率（%） | 體積電阻率（Ω·cm） |
|---|---|---|---|
| T-9 | 8.5 | 150 | 1×101? |
| TEDA | 7.2 | 120 | 8×1013 |
| 通用催化劑B | 9.1 | 180 | 1.5×101? |
可以看到，通用型催化劑在各項(xiàng)性能指標(biāo)上都有明顯優(yōu)勢(shì)。
四、催化劑選型建議：從實(shí)際出發(fā)
在選擇催化劑的時(shí)候，不能只看價(jià)格，也不能一味追求“萬(wàn)能”。根據(jù)我們的經(jīng)驗(yàn)，建議從以下幾個(gè)方面考慮：
| 考察維度 | 推薦做法 |
|---|---|
| 應(yīng)用場(chǎng)景 | 區(qū)分是否為非泡體系，是否需要環(huán)保認(rèn)證 |
| 成本控制 | 是否有替代品，是否批量采購(gòu)優(yōu)惠 |
| 工藝需求 | 是否需要延長(zhǎng)操作時(shí)間、加快固化速度 |
| 材料性能 | 是否對(duì)電性能、耐溫性有特殊要求 |
| 環(huán)保法規(guī) | 是否符合RoHS、REACH等標(biāo)準(zhǔn) |
另外，現(xiàn)在很多客戶(hù)也開(kāi)始關(guān)注無(wú)錫催化劑，主要是出于環(huán)保和出口合規(guī)的需求。雖然錫類(lèi)催化劑效果好，但重金屬含量限制越來(lái)越嚴(yán)格，未來(lái)趨勢(shì)是向鉍、鋯、鋅等方向發(fā)展。
五、案例分享：真實(shí)項(xiàng)目中的催化劑優(yōu)化
為了讓大家更有代入感，我來(lái)分享一個(gè)我們?cè)谀炒慰蛻?hù)合作中的真實(shí)案例。
客戶(hù)需求：開(kāi)發(fā)一款用于電源模塊封裝的雙組分聚氨酯灌封膠，要求：
- 室溫固化
- 操作時(shí)間大于10分鐘
- 固化后柔韌、不開(kāi)裂
- 電性能優(yōu)異
我們初嘗試使用T-9作為主催化劑，雖然固化快，但操作時(shí)間太短，工人來(lái)不及打膠就凝固了；換成TEDA后，雖然操作時(shí)間延長(zhǎng)了，但固化后的材料偏脆，抗沖擊能力下降。
后來(lái)我們引入了一種新型的通用型鉍基催化劑，結(jié)果大獲成功：
- 操作時(shí)間達(dá)到12分鐘
- 固化時(shí)間約15分鐘（室溫）
- 材料柔軟，伸長(zhǎng)率達(dá)200%
- 電絕緣性能良好，體積電阻率超過(guò)1×101? Ω·cm
這個(gè)案例說(shuō)明，催化劑的選擇必須因地制宜，不能照搬模板，而通用型催化劑正是解決這一問(wèn)題的好幫手。
六、總結(jié)：催化劑雖小，作用巨大
說(shuō)到底，催化劑就像烹飪中的調(diào)味料，用量不多，卻直接影響終的味道。在聚氨酯電子封裝和灌封膠中，選擇一款合適的通用型催化劑，不僅可以提升產(chǎn)品的性能，還能簡(jiǎn)化工藝流程、降低生產(chǎn)成本，甚至幫助企業(yè)滿(mǎn)足日益嚴(yán)格的環(huán)保要求。
尤其是在MDI體系中，通用型催化劑展現(xiàn)出了更強(qiáng)的適應(yīng)性和穩(wěn)定性，成為越來(lái)越多廠商的首選。
七、參考文獻(xiàn)（國(guó)內(nèi)外經(jīng)典研究推薦）
為了讓大家了解更深入的技術(shù)背景，這里我整理了一些國(guó)內(nèi)外關(guān)于聚氨酯催化劑及其在電子封裝中應(yīng)用的研究論文，供大家參考學(xué)習(xí)：
國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)：
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《聚氨酯材料在電子封裝中的應(yīng)用進(jìn)展》
作者：李明等
刊載：《化工新材料》，2021年第49卷第6期
簡(jiǎn)介：系統(tǒng)分析了聚氨酯在電子封裝領(lǐng)域的技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)。 -
《有機(jī)錫與非錫類(lèi)催化劑對(duì)聚氨酯性能的影響》
作者：張偉等
刊載：《聚氨酯工業(yè)》，2019年第34卷第3期
簡(jiǎn)介：通過(guò)實(shí)驗(yàn)比較了幾種常見(jiàn)催化劑對(duì)材料性能的影響。 -
《環(huán)保型聚氨酯催化劑研究進(jìn)展》
作者：王芳等
刊載：《中國(guó)塑料》，2020年第34卷第8期
簡(jiǎn)介：綜述了近年來(lái)環(huán)保型催化劑的發(fā)展情況，特別是非錫類(lèi)催化劑的應(yīng)用前景。
國(guó)外文獻(xiàn)：
-
"Recent Advances in Catalysts for Polyurethane Applications"
Authors: M. Szycher et al.
Journal: Journal of Cellular Plastics, 2020
簡(jiǎn)介：全面回顧了聚氨酯催化劑的發(fā)展歷程與新研究成果。 -
"Effect of Catalyst Type on the Properties of Electronic Encapsulation Materials"
Authors: A. K. Sharma et al.
Journal: Polymer Engineering & Science, 2018
簡(jiǎn)介：研究了不同類(lèi)型催化劑對(duì)電子封裝材料性能的影響，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。 -
"Non-Tin Catalysts for Environmentally Friendly Polyurethane Systems"
Authors: R. F. Storey et al.
Journal: Green Chemistry, 2021
簡(jiǎn)介：探討了無(wú)錫催化劑在綠色聚氨酯體系中的應(yīng)用潛力。
希望這篇文章對(duì)你有所幫助。如果你也在做聚氨酯相關(guān)的研發(fā)工作，歡迎留言交流，我們可以一起探討更多有趣的技術(shù)話(huà)題。畢竟，材料這條路，走得越深，越覺(jué)得它充滿(mǎn)魅力。
下次見(jiàn)！
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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?gòu)?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(lèi)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(zhǎng)；
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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(lái)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(lèi)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。