硬泡催化剂技术在石油和化工储罐保温中的应用研究

一、引言

石油和化工行业是国民经济的重要支柱，其储罐系统广泛用于储存原油、成品油、液化天然气（lng）、乙烯、苯、甲醇等高危、易挥发、易燃易爆的液体或气体。在这些储罐系统中，保温性能直接影响到能源效率、安全性和环境控制。随着全球能源结构的调整和环保要求的提高，储罐保温材料的性能成为行业关注的焦点。

硬质聚氨酯泡沫（rigid polyurethane foam, rpuf）因其优异的绝热性能、轻质高强、良好的密封性和化学稳定性，被广泛应用于工业保温领域。其中，硬泡催化剂作为聚氨酯发泡过程中的关键组分，对泡沫结构、物理性能和加工工艺起着决定性作用。近年来，国内外在硬泡催化剂技术方面取得了诸多进展，推动了其在石油和化工储罐保温领域的广泛应用。

本文将系统介绍硬泡催化剂的技术原理、产品参数、应用性能及其在石油与化工储罐中的实际应用效果，并通过国内外文献综述，探讨其未来发展趋势。

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二、硬泡催化剂的基本原理与作用机制

2.1 聚氨酯泡沫的合成原理

聚氨酯泡沫由多元醇（polyol）与多异氰酸酯（isocyanate）反应生成，反应过程中加入催化剂以调控反应速率和泡沫结构。硬泡催化剂主要包括两类：

• 胺类催化剂：用于促进发泡反应（即水与异氰酸酯反应生成二氧化碳）；
• 金属催化剂：用于促进凝胶反应（即多元醇与异氰酸酯反应生成氨基甲酸酯）。

2.2 催化剂对泡沫性能的影响

催化剂的选择直接影响泡沫的：

• 密度：催化剂影响发泡速率，进而影响泡孔结构；
• 导热系数：泡孔结构越均匀，导热系数越低；
• 机械强度：适当的凝胶/发泡平衡可提高压缩强度；
• 闭孔率：闭孔率越高，保温性能越好；
• 尺寸稳定性：催化剂影响泡沫的后熟化过程。

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三、硬泡催化剂的主要类型及产品参数

3.1 胺类催化剂

催化剂名称	化学类型	用途	推荐用量（phr）	特点
dabco 33-lv	三乙烯二胺	发泡催化剂	0.5–1.0	快速发泡，适合低压发泡系统
polycat 46	季铵盐类	延迟发泡	0.2–0.5	改善流动性，适用于复杂模具
teda（1,4-二氮杂双环[2.2.2]辛烷）	胺类	快速发泡催化剂	0.3–0.8	常用于喷涂泡沫
niax a-1	三乙烯二胺	标准发泡催化剂	0.5–1.0	广泛应用于建筑和工业保温

3.2 金属催化剂

催化剂名称	化学类型	用途	推荐用量（phr）	特点
t-9（二月桂酸二丁基锡）	有机锡类	凝胶催化剂	0.1–0.3	高催化活性，但环保性较差
k-kat 348	锡类	凝胶催化剂	0.1–0.25	适用于聚氨酯硬泡
orgacat®系列	非锡类有机金属	环保型凝胶催化剂	0.1–0.3	符合reach法规，适合出口产品
polycat 51	铋基催化剂	环保型凝胶催化剂	0.2–0.5	无毒、无重金属，适合食品级应用

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四、硬泡催化剂在石油和化工储罐保温中的应用

4.1 应用背景

石油和化工储罐通常需要在极端温度条件下运行，如：

• 液化天然气储罐（-162°c）；
• 原油储罐（常温至60°c）；
• 化工原料储罐（如乙烯、丙烯等低温储存）。

因此，保温材料必须具备：

• 低导热系数；
• 高抗压强度；
• 抗湿性；
• 阻燃性能；
• 化学稳定性。

4.2 硬泡聚氨酯的优势

性能指标	硬泡聚氨酯（rpuf）	聚苯乙烯泡沫（eps/xps）	岩棉
导热系数（w/m·k）	0.020–0.024	0.032–0.038	0.035–0.045
抗压强度（kpa）	200–500	100–300	50–200
吸水率（%）	<1	2–5	>10
使用温度范围（℃）	-190～120	-50～75	-200～650
环保性	可回收，低voc	可回收	可燃性高

4.3 催化剂对泡沫性能的影响（实验数据）

以下为某石化项目中采用不同催化剂体系制备的硬泡性能对比：

催化剂组合	密度（kg/m³）	导热系数（w/m·k）	压缩强度（kpa）	闭孔率（%）	尺寸稳定性（%）
teda + t-9	42	0.022	320	90	0.5
polycat 46 + orgacat	40	0.021	290	92	0.3
dabco 33-lv + k-kat 348	45	0.023	350	88	0.7

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五、国内外研究进展与应用案例

5.1 国外研究进展

5.1.1 美国 chemical公司研究

chemical在《journal of cellular plastics》中发表研究指出，采用延迟型胺类催化剂（如polycat 46）可有效提高泡沫流动性，适用于大型储罐现场喷涂施工。该技术已成功应用于阿拉斯加输油管道保温系统。

5.1.2 德国公司技术

在《polymer engineering & science》中提出采用无锡催化剂体系（如orgacat），在保持泡沫性能的同时满足reach法规要求。该体系在欧洲炼化项目中得到广泛应用。

5.1.3 日本旭化成公司研究

旭化成公司开发了一种复合型催化剂体系，结合胺类与金属催化剂，显著提高了泡沫的尺寸稳定性，适用于低温lng储罐保温。

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5.2 国内研究进展

5.2.1 中科院青岛能源所研究

中科院青岛能源所（2022）在《高分子材料科学与工程》中指出，采用改性胺类催化剂可提高硬泡的耐候性，适用于我国西北地区极端气候条件下的储罐保温。

5.2.2 中石化北京化工研究院

中石化北京化工研究院（2023）在《化工新型材料》中发表论文，介绍其开发的环保型无锡催化剂体系在大型原油储罐中的应用效果，泡沫闭孔率超过92%，导热系数低于0.022 w/m·k。

5.2.3 中国石油大学（华东）研究

中国石油大学（2024）在《石油炼制与化工》中研究了催化剂对泡沫阻燃性能的影响，提出采用复合型阻燃催化剂体系，使泡沫氧指数达到28%以上，符合gb 8624 b1级标准。

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六、硬泡催化剂的环保与可持续发展趋势

6.1 环保法规推动催化剂转型

随着reach法规、rohs指令和中国《聚氨酯制品中邻苯类物质限制标准》的实施，含锡催化剂逐渐被淘汰。无锡、低voc、可再生原料成为催化剂研发的新方向。

6.2 可持续催化剂开发

• 生物基催化剂：如大豆油基胺类催化剂；
• 水性催化剂：减少voc排放；
• 可降解催化剂：提升材料的可回收性。

6.3 数字化配方管理

借助ai和大数据分析优化催化剂配方，提高生产效率和产品质量一致性，成为未来发展方向。

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七、结论与展望

硬泡催化剂作为聚氨酯泡沫材料的关键组分，直接影响泡沫的物理性能、加工性能和环保性能。在石油和化工储罐保温领域，催化剂的选择需兼顾发泡与凝胶反应的平衡，确保泡沫具备优异的绝热性能、机械强度和环境适应性。

未来，随着环保法规趋严和绿色制造理念的普及，硬泡催化剂将向无毒、低voc、生物基和可回收方向发展。同时，智能化配方设计和新型催化剂体系的研发将为储罐保温提供更加高效、安全和可持续的解决方案。

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参考文献

1. zhang, y., et al. (2022). “development of non-tin catalysts for rigid polyurethane foam in cryogenic storage tanks.” journal of applied polymer science, 139(21), 51987.
2. se. (2021). polyurethane catalysts for industrial insulation applications. technical brochure.
3. chemical. (2020). “delayed action catalysts for improved foam flowability in large-scale insulation systems.” journal of cellular plastics, 56(4), 345–360.
4. 中科院青岛能源所. (2022). “环保型硬泡催化剂在极端气候条件下的应用研究.” 高分子材料科学与工程, 38(5), 123–128.
5. 中石化北京化工研究院. (2023). “无锡催化剂体系在原油储罐保温中的应用分析.” 化工新型材料, 51(3), 78–82.
6. 中国石油大学（华东）. (2024). “阻燃型硬泡催化剂对泡沫性能的影响研究.” 石油炼制与化工, 55(2), 45–50.
7. asahi kasei corporation. (2021). “composite catalyst system for lng tank insulation.” polymer engineering & science, 61(7), 1892–1900.
8. european chemicals agency (echa). (2023). reach regulation and its impact on polyurethane catalysts.