PAMAM 树枝状大分子用于环氧树脂的特性阻燃剂和固化剂

由于独特的分子对称结构和众多突出的性质，树枝状结构材料具有广泛的应用前景。PAMAM 具有高度支化的分子结构、官能团密度高、分子尺寸可控等优点。基于这些优点，PAMAM 树枝状大分子的研究已经扩展到各个领域，包括载体、膜材料、絮凝剂等。尽管 PAMAM 树枝状大分子在许多领域被广泛研究，但作为阻燃剂的应用却很少报道。PAMAM 树枝状大分子在结构骨架中含有大量氮，可以作为发泡剂，燃烧时产生大体积的 N2、NH3、NxOy 等不可燃气体。这些不可燃气体在燃烧过程中可稀释氧气浓度，因此可作为阻燃剂。此外，PAMAM 是合成的单分散大分子，具有多个一级和三级氨基，这些氨基可提供大量的活性位点。其中，第三代 PAMAM（G3）具有最高的分子密度和较大的内腔结构。该空腔结构有利于聚合物穿透。同时，PAMAM 树枝状大分子表面有大量的胺基，这些官能团易于与聚合物交联，因此可作为热固性树脂的固化剂。

随着科学技术的不断进步，人们对聚合物的综合性能提出了更高的要求，包括优异的热稳定性、阻燃性、良好的机械性能等。特别是环氧树脂（EP）作为典型的热固性塑料，其抗拉强度和机械性能优异，在涂料、电子绝缘体、胶粘剂等领域得到了广泛应用。但 EP 材料的一大缺点是可燃性高，这极大地限制了它在一些特定领域的应用。因此，合成阻燃 EP 材料对其安全性具有重要意义。根据在 EP 中添加阻燃剂的方法，基于 EP 的阻燃型热固性材料可分为环氧单体型、固化型和复合型。其中固化剂与 EP 发生化学反应后会生成三维交联网络，使EP 的综合性能大大提高。许多被报道的阻燃剂一直以来只被用作辅助交联剂，而不是用作双功能的阻燃剂和固化剂。因此，设计既能提高阻燃性又能同时提高EP 综合性能的多功能添加剂具有重要意义。

西北师范大学杨志旺教授团队合成了多功能高效 PAMAM 树枝状大分子，并将其作为固化剂和阻燃剂用于制备高性能 EP 热固性材料。EP 中 的环氧基团可与PAMAM 树枝状大分子中的胺基交联，显著提高 EP 的热稳定性。加入 20wt%的第三代（G3）PAMAM，EP 的限氧指数（LOI）达到 26.4%，通过了 UL-04 V-0 标准，热释放速率峰值（PHRR）和热释放总量（THR）分别降低了 51.1%和 60.3%。EP/20G3 在气相与凝聚相的阻燃性能有很大提高。与常用阻燃剂不同，EP/20G3 的Tg、抗弯强度、抗弯模量等力学性能也有所提高，这可归因于 PAMAM 树枝状大分子与 EP 之间的交联效应。总之，G3 PAMAM 树枝状大分子不仅能提高 EP 的阻燃性，还能保持优异的力学性能。

图. PAMAM 树枝状大分子的固化和阻燃作用示意图

文献来源：Li Li, Hui Xi, Jing Yang, Ting Xiao, Rui Zuo, Xueqing Xu, Yaoxia Yang, Zhiwang Yang*, and Ziqiang Lei*. ACS Appl. Polym. Mater. 2023, 5, 2739-2749.