基于含磷有机硅/辣椒素复合物的驱鼠阻燃剂的制备与性能研究

《Reactive and Functional Polymers》：Preparation and properties of a rodent-repellent and flame-retardant agent based on phosphorus-containing organosilicon composite with capsaicin

为解决线缆材料面临的鼠害与火灾双重风险，研究人员开展了基于含磷有机硅复合辣椒素的多功能剂研究。通过合成新型有机硅-磷杂化结构(KHDOPO)，并与辣椒素氢键结合改性三聚氰胺氰尿酸盐(MCA)，制得发泡剂KHDC-MCA。与聚磷酸铵(APP)及季戊四醇(DPER)复配后，在聚丙烯(PP)中以30 wt%添加量实现LOI 29.5%和UL-94 V-0级阻燃，5 wt% KHDC-MCA使试样在24天鼠害测试中保持表面完整，证实其通过瞬时感官不适驱鼠而无生化毒性，为兼具生物防护与防火功能的聚合物材料设计提供新范式。

　　

在现代城市基础设施中，电线电缆如同遍布城市各个角落的“神经网络”，承担着能源传输和信息传递的重要使命。然而，这些聚合物材料制成的线缆长期面临两大潜在威胁：一方面，啮齿类动物凭借不断生长的门齿，将电缆外皮作为磨牙工具，导致线路短路甚至引发火灾；另一方面，聚合物材料本身的可燃性使得火灾风险如影随形。传统解决方案往往采取“分而治之”的策略，即分别添加阻燃剂和驱鼠剂，但这种做法可能导致材料性能下降或组分间相互干扰。如何在不引入有毒化学物质的前提下，开发一种既能有效驱鼠又具备高效阻燃的双功能材料，成为材料科学领域亟待突破的难题。

近日发表于《Reactive and Functional Polymers》的研究论文，报道了一种基于含磷有机硅复合辣椒素的新型多功能剂，巧妙地将生物驱避功能与高性能阻燃特性集于一身。该研究通过分子设计构建了KHDC-MCA复合体系，为解决线缆材料的生物危害与火灾风险协同防护提供了创新性解决方案。

关键技术方法主要包括：通过9,10-二氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物(DOPO)与γ-氨丙基三乙氧基硅烷(KH550)缩合制备有机硅-磷杂化结构(KHDOPO)；利用氢键作用将辣椒素与KHDOPO结合，并用于改性三聚氰胺氰尿酸盐(MCA)制备气源剂；采用热重分析、极限氧指数(LOI)测试、UL-94燃烧等级评价等表征阻燃性能；通过24天啮齿类动物暴露实验评估生物驱避效果。

研究结果系统展示了该多功能复合体系的优异性能：

阻燃性能方面，当APP/KHDC-MCA/DPER以12.5:5:12.5的比例（总添加量30 wt%）添加到聚丙烯(PP)中时，复合材料表现出显著的阻燃协同效应。极限氧指数(LOI)达到29.5%，UL-94测试获得V-0等级，表明材料具备自熄特性。热分析显示，该体系能促进致密炭层的形成，有效隔绝热量和氧气传递，从而抑制燃烧过程。

驱鼠性能方面，含有5 wt% KHDC-MCA的试样在24天啮齿类动物暴露测试中保持了100%的表面完整性，证明其具有持久的生物防护效果。值得注意的是，虽然统计学分析显示实验组动物的体重等生理参数存在显著差异(p < 0.05)，但所有组别均保持一致的上升生长趋势，这表明驱鼠机制是通过瞬时感官不适实现，而非产生生化毒性或致死效应。

材料表征结果表明，KHDOPO的成功合成确保了磷元素和硅元素的协同阻燃作用，而辣椒素的引入则赋予了材料生物活性。氢键结合的方式既保持了辣椒素的生物活性，又避免了其在加工过程中的分解，实现了功能组分的稳定共存。

研究结论表明，这种基于含磷有机硅复合辣椒素的多功能剂成功实现了阻燃与驱鼠功能的有机统一。其驱鼠机制是通过刺激啮齿类动物的瞬时感官不适而非毒性作用，具有环境友好特性；阻燃性能则通过膨胀阻燃机制实现高效防火。该工作为设计能够同时应对生物和火灾风险的双功能聚合物材料提供了理论基础和技术范式，其环境友好特性也符合电缆行业可持续发展要求。这种分子水平的创新设计思路，为多功能聚合物材料的开发开辟了新途径，特别是在需要兼顾安全性与环境兼容性的应用领域展现出广阔前景。