锦纶用抗菌PA6 材料的制备及性能研究

力伟，林栋梁，余丽玲，吴惠民

(福州市福塑科学技术研究所有限公司，福建 福州 350008)

0 前言

受2019 年新冠疫情的影响，人们对面料的抗菌诉求也越来越高[1～3]。在抗菌纤维中，银系抗菌剂是使用最广泛的抗菌剂之一，然而有研究表明含银纤维在安全性上存在着一定问题，2014 年美国自然资源保护委员会宣布限制纳米银在纺织品上的使用，使铜基抗菌纤维成为人们关注的热点。在实际应用中，由于铜离子的抗菌效果低于银离子，在使用时通常需要加大用量，同时市场上的无机铜离子抗菌剂粒径较大，与基体相容性较差，导致纺丝困难，废品率增加，产品力学性能下降、功能性效果持续性差等严重问题[4]。

1 实验部分

1.1 主要原料

PA6，永荣锦江；

纳米氧化铜，自制；

润滑剂，市售；

偶联剂，市售；

相容剂，PA 接枝马来酸酐，接枝率≥1.5%，市售；

抗氧化剂，1010/168 复配，市售。

1.2 主要仪器与设备

烘箱：881Y-3 型，苏州华洁烘箱制造有限公司；

高速混合机：SHR-5，5 L，张家港市日新机电有限公司；

双螺杆挤出机：SJSH-30，石家庄市星烁实业公司；

塑料注射成型机：EM150-V，震德注塑机有限公司；

微机控制电子万能实验机：CMT4204-20 kN，深圳新三思计量技术有限公司；

摆锤冲击试验机：ZBC1251-2，深圳市新三思材料检测有限公司；

熔体流动速率仪：ZRZ1452，深圳新三思计量技术有限公司；

扫描电子显微镜：JSM-7500F，日本JEOL 公司。

1.3 试样制备

1.3.1 纳米氧化铜抗菌母料的制备

首先将PA6 树脂在鼓风干燥箱中100 ℃干燥12 h，纳米氧化铜在烘干箱中100 ℃干燥12 h。按照表1 的配比加入高速混合机中混好后，通过双螺杆挤出机主喂料口加入，挤出，冷却，造粒。螺杆转速设为喂料速度为100～150 r/min，螺杆转速为250～300 r/min，从主喂料下料口到机头螺杆各区温度设置范围为200～245 ℃，挤出造粒；得到纳米氧化铜抗菌母料。

表 1 纳米氧化铜母料的配方

1.3.2 锦纶用纳米氧化铜抗菌专用料的制备

将制得母料、PA 树脂及其他加工助剂按照表2 的配比加入高速混合机中混好后，经双螺杆挤出机主喂料口加入，挤出，冷却，造粒得到锦纶用纳米氧化铜抗菌专用料，将专用料在100 ℃下热风干燥24 h，经注塑机成型机注射成测试样条，性能测试。

表 2 锦纶用纳米氧化铜抗菌母料专用料的配方

1.4 测试与表征

拉伸性能按GB/T 1040—2006 测试，拉伸速率为10 mm/min ；

简支梁缺口冲击强度按GB/T 1043—2008 测试，缺口类型为A 型；

熔体流动速率按GB/T 3682—2000 测试，温度230 ℃，负荷 2.16 kg ；

抗菌性能按GB/T 31402—2015 测试；

电镜SEM。

2 结果与讨论

2.1 纳米氧化铜抗菌母料的研究

2.1.1 纳米抗菌氧化铜对纳米氧化铜母料力学性能的影响

纳米氧化铜抗菌母料的材料性能如表3 所示：

表3 纳米氧化铜母料的材料性能

从表3 可以看出，由于加入纳米氧化铜，纳米氧化铜抗菌母料的熔融指数较纯PA 树脂降低28.6%，降低为24 g/10 min，说明纳米氧化铜无机材料的添加，材料的整体流动性降低。而纳米氧化铜抗菌母料的拉伸强度较纯PA 树脂提高9.7 MPa，断裂伸长率和缺口冲击强度分别降低4.2% 和0.4 kJ/m2，说明纳米氧化铜加入在提高材料拉伸强度的同时，也在一定程度上对材料的韧性造成影响。

图1 纳米氧化铜抗菌母料拉伸及缺口冲击前后对比图

2.1.2 纳米抗菌氧化铜对纳米氧化铜母料抗菌性能的影响

纳米氧化铜抗菌母料的抗菌性能如图2 所示，从图2 可以看出：纯PA 材料基本布满大肠杆菌和金黄色葡萄球菌菌落，材料不具有抗菌性能，而抗菌母料没有菌落，抗菌率为100%，抗菌效果明显。

图 4 母料用量对抗菌专用料拉伸强度、断裂伸长率的影响

2.1.3 纳米抗菌氧化铜对纳米氧化铜母料表征

图3 为PA 材料和纳米氧化铜抗菌母料冲击断面的SEM 图，图3(a) 为PA 纯料冲击断面的SEM 图；图3(b) 为纳米氧化铜母料冲击断面的SEM 图，从图2(b) 可以看出，在母料中，纳米氧化铜颗粒均匀分布在PA 基体树脂中，且由于采用偶联剂对纳米氧化铜进行“ 原位改性”，纳米氧化铜无机粉体与PA 树脂很好的融合在一起，未出现界面分层现象，这也印证了前面纳米氧化铜抗菌母料较纯PA 树脂，在材料拉伸强度提高的同时，对材料的缺口冲击强度影响不大。

2.2 锦纶用纳米氧化铜抗菌专用料的研究

2.2.1 抗菌母料用量对锦纶用纳米氧化铜抗菌专用料拉伸强度、断裂伸长率的影响

分别添加5%、10%、15% 和20% 纳米抗菌母料与PA 树脂及其他加工助剂制备锦纶用纳米氧化铜抗菌专用料，考察不同抗菌母料用量对锦纶用纳米氧化铜抗菌专用料拉伸强度和断裂伸长率的影响，结果如图4 所示。

由图4 可见，随着抗菌母料的用量的增加，抗菌专用料的拉伸强度和断裂伸长率呈现先增后减的趋势，在抗菌母料添加量为15% 时，专用料拉伸强度达到72.8 MPa，较纯PA 树脂的62.3 MPa 提高16.9%，随着抗菌母料增加到20%，材料拉伸强度降至65.5 MPa。而在抗菌母料添加量为10% 时，专用料断裂伸长率为20%，较纯PA 树脂的13.8% 提高6.2%。这是由于母料添加量在一定范围时，由于无机材料纳米氧化铜的纳米效应，对专用料产生一定的增强增韧效果，随着抗菌母料添加量的增加，专用料材料中无机材料也相应增加，由于无机材料的应力集中作用，导致专用料拉伸强度和断裂伸长率出现下降。因此，抗菌母料10% 时，材料拉伸强度及断裂伸长率综合性能最佳。

2.2.2 抗菌母料用量对锦纶用纳米氧化铜抗菌专用料熔融指数、冲击强度的影响

分别添加5%、10%、15% 和20% 纳米抗菌母料与PA 树脂及其他加工助剂制备锦纶用纳米氧化铜抗菌专用料，考察不同抗菌母料用量对锦纶用纳米氧化铜抗菌专用料缺口冲击强度和熔融指数的影响，结果如图5 所示。

图5 母料用量对抗菌专用料缺口冲击强度、熔融指数的影响

图 6 锦纶用纳米氧化铜抗菌专用料抗菌性能研究

图 7 锦纶用纳米氧化铜抗菌专用料SEM 图

由图5 可知，当抗菌母料添加量为5% 和10%时，专用料的熔融指数分别为34.9 g/10min 和34.5 g/10min，与PA 树脂33.6 g/10min 相差不大，而当抗菌母料添加量为15% 时，专用料的熔融指数骤降至30.7 g/10 min，这是由于随着抗菌母料的增加，纳米氧化铜无机材料在体系中的含量随之增加，从而影响复合材料流动性，而当抗菌母料添加量为10% 时，专用料的缺口冲击强度为7.6 kJ/m2，较PA 树脂缺口冲击强度1.9 kJ/m2，因此，抗菌母料10% 时，材料熔融指数及冲击强度综合性能最佳。

2.2.3 锦纶用纳米氧化铜抗菌专用料抗菌性能的影响与表征

根据前述的性能研究，选取综合性能最优的添加量10% 抗菌母料制备的锦纶用纳米氧化铜抗菌专用料进行抗菌性能研究与表征，分别采用GB T 31402—2015 《塑料塑料表面抗菌性能试验方法》和电镜扫描方法考察抗菌性能及冲击断面SEM 图表征，结果如图6、7 所示。

由图6 可见，添加10% 抗菌母料制备的锦纶用纳米氧化铜抗菌专用料对大肠杆菌抗菌和金黄色葡萄球菌抗菌率≥99.9%，抗菌效果显著。从图7 锦纶用纳米氧化铜抗菌专用料SEM 图，由于相容剂的加入，纳米氧化铜抗菌无机材料均匀分散在PA 基体树脂中，未出现明显的界面分层现象，表现出良好的相容性，这也印证了前面当抗菌母料添加量10% 时，锦纶用纳米氧化铜抗菌专用料综合性能最优。

4 结论

（1）采用添加量为10% 抗菌母料制备的锦纶用纳米氧化铜抗菌专用料，对大肠杆菌抗菌和金黄色葡萄球菌抗菌率≥99.9%，抗菌效果明显。材料拉伸强度70.4 MPa、断裂伸长率20.0%、缺口冲击强度7.6 kJ/m2、熔融指数 31.5 g/10 min，综合性能最佳。

（2）采用添加量为10% 抗菌母料制备的锦纶用纳米氧化铜抗菌专用料，结合实际生产和经济效益，对实现产业化生产具有一定的指导意义。