生物基尼龙56的应用及改性研究进展

杨昌磊， 刘 明， 何 敏， 刘玉飞,2， 黄瑞杰，明星星， 张 凯,2， 徐国敏,2， 秦舒浩,2

(1.贵州大学 材料与冶金学院，贵阳 550025；2.国家复合改性聚合物材料工程技术研究中心，贵阳 550014；3.中广核俊尔(浙江)新材料有限公司，浙江温州 325025；4.重庆长安汽车股份有限公司，重庆 400023)

0 前言

1 生物基尼龙56的应用研究

1.1 生物基尼龙56在汽车工程材料的研究

尼龙塑料具有良好的力学性能、耐温性能和耐腐蚀性能，可以制作汽车外饰品和发动机周边零部件等车用制品。尼龙塑料具有质量轻的特点，使得其在汽车轻量化发展上有良好的前景[10]。生物基尼龙56具有优良的力学性能，在基础物理性能上与尼龙66、尼龙6接近。因此，在一定程度上可以用生物基尼龙56来代替尼龙66和尼龙6在汽车工程材料方面的应用。

薛彬彬[11]将制作成型的生物基尼龙56、尼龙66应用于冠带层中的帘子布进行测试，研究了生物基尼龙56在乘用车轮胎冠带层中的应用性能。结果表明：生物基尼龙56帘子布的断裂强力略低于尼龙66帘子布，但其黏合强力、断裂伸长率、耐热强力保持率、高速耐久性能和降低噪声舒适度优于尼龙66帘子布；生物基尼龙56帘子布轮胎外延尺寸强度脱圈阻力和尼龙66相当;生物基尼龙56的各项性能均能符合帘子布的工艺生产要求。

玻璃纤维的强度远高于尼龙的强度，玻璃纤维的加入可以使基材的承载能力提高,有效地将负荷由局部传递至整个材料，从而提高尼龙的力学性能[12]。叶士兵[13]研究了采用玻璃纤维分别增强生物基尼龙56、尼龙6和尼龙66的性能，并评估生物基尼龙56代替尼龙66在车用工程中应用的可行性。结果表明：玻璃纤维增强生物基尼龙56的熔点、拉伸强度、弯曲强度和弯曲模量都介于玻璃纤维增强尼龙66和玻璃纤维增强尼龙6之间；玻璃纤维增强生物基尼龙56的耐热和耐油性能与玻璃纤维增强尼龙66、玻璃纤维增强尼龙6接近。

玻璃纤维增强生物基尼龙56与玻璃纤维增强尼龙66、玻璃纤维增强尼龙6的大部分性能接近。但由于玻璃纤维增强生物基尼龙56的吸水率最高，所以其湿态性能变化大，在吸水后的拉伸强度降低最显著，耐水解(醇解)性能最差，这些弱点使其在车用工程方面的应用仍不能完全代替尼龙66。从性能上来看，生物基尼龙56本身就具有优良的基本物理性能、力学性能、耐热性能、耐油性能等，若对其进行增强改性，使其性能进一步提升，将使得生物基尼龙56在部分车用工程材料上得到很好的应用。但由于生物基尼龙较强的吸水性，限制了其在车用工程材料方面的应用。若要使其在车用工程材料方面的应用能够得到很好的应用，则需要对其继续深入研究以减小其吸水性。

1.2 生物基尼龙56在纺织和着色的研究

生物基尼龙56具备本体阻燃、高耐磨性能、优良的吸湿快干性能等优点，是一种优良的纺织材料，可应用于纺织服用领域中各种纺织服装的制作。于伟才[14]对生物基尼龙56的可纺性进行了探析，通过对生物基尼龙56进行挤出纺丝发现其熔融性能好。从流变行为上来看，生物基尼龙56具有可纺性。孙彦洁[15]通过流变和纺丝实验对生物基尼龙56的批量化纺丝生产进行了探究。结果表明：生物基尼龙56的熔融性能良好，具有可纺性，在批量生产上有良好的前景。但由于设备上的客观因素，导致生物基尼龙56纺出的丝不连续且间断。生物基尼龙56在工业化纺丝生产中需要进一步的优化。

杨婷婷等[16]对生物基尼龙56纤维的热降解产物进行研究。结果表明：在氮气氛围下生物基尼龙56纤维的热降解产物主要为二氧化碳、环戊酮和1-5戊二胺，降解产物对环境的危害不大。HAO X M等[17]对生物基尼龙56纤维、尼龙66纤维和尼龙6纤维的性能进行对比研究。结果表明：生物基尼龙56聚合度分布相对较窄，结晶度高，黏度稳定，更加有利于纺丝，纤维的强度也更高，具有良好的热稳定性和耐热性。ELTAHIR Y A用差示扫描量热(DSC)法、广角X射线衍射(WAXD)分析、生物法和拉伸测试法对生物基尼龙56、尼龙6纤维进行测定表征。结果表明：生物基尼龙56纤维的韧性和拉伸模量优于尼龙6纤维；生物基尼龙56纤维虽然在力学性能上略低于尼龙6纤维，但是也不失为一种极具竞争生产力的纤维[9]。

张晨等[18]对生物基尼龙56进行低速纺丝，并对生物基尼龙56、尼龙66和尼龙6的性能进行对比。结果表明：生物基尼龙56纺丝的热稳定性能和力学性能良好；生物基尼龙56长丝有更加优良的弹性回复性能和沸水收缩性能。王学利等[19]对生物基尼龙56进行高速纺丝，并与尼龙66、尼龙6的性能进行对比。结果表明：生物基尼龙56纤维在高速纺丝下具有良好的热稳定性能和力学性能，其沸水收缩率和回潮率皆优于尼龙66和尼龙6纤维，在工艺上可进一步优化以提高生物基尼龙56纤维的性能。WANG Y等[20]用高速纺丝制备圆形截面和三叶形截面生物基尼龙56纤维，并对生物基尼龙56的预取向丝(POY)、拉伸变形丝(DTY)结构性能进行研究。结果表明：POY中以Y相为主，具有较高的结晶度和取向度；DTY中Y相转变为α相，具有较好的吸湿性能、染色性能和色牢度；圆形截面的力学性能高于三叶形截面，但吸湿性能不如三叶形截面。

胡翱翔等[21]通过参考尼龙66性能及纺丝工艺来调节生物基尼龙56的POY纺丝工艺。结果表明：生物基尼龙56的熔融和纺丝温度相对较低。油嘴高度会影响丝条张力，从而影响可纺性。李永峰等[22]对生物基尼龙56纤维不同截面的吸湿、放湿性能进行研究，通过在标准大气下测定异形截面和圆形截面的吸湿、放湿和干燥曲线推导其回潮率和含水率对时间、吸湿、放湿和干燥的回归方程。结果表明：异形截面生物基尼龙56纤维的吸湿回潮率、放湿回潮率、干燥含水率皆高于圆形截面的生物基尼龙56纤维。

张俊辉等[23]通过扫描电镜观察生物基尼龙56长丝表面形态，并对其性能进行研究。结果表明：生物基尼龙56长丝的可编织性能和综合服役性能良好，其表面光滑、均匀平直，具有一定的强度和柔软性，拥有优良的可编织性；生物基尼龙56长丝的顶破强度、顶破高度耐磨损性、透湿性和透气性良好；生物基尼龙56长丝针织物的悬垂度、美感系数与尼龙66、尼龙6接近，但其悬垂性不强。孙燕琳等[24]研究了用纳米纤维素/改性混合浆液对生物基尼龙56纤维性能的影响。结果表明：采用纳米纤维素/改性混合浆液对生物基尼龙56纤维上浆后可增强其力学性能，并降低毛羽值；固含量的增多会使浆液黏度增大，加入纳米纤维以代替改性淀粉能降低浆液黏度，降低毛羽值的效果更好，可以有效提升浆液在生物基尼龙56纤维表面的成膜性能。

王迎等[25]用市售油剂和抗静电剂技术开发了具有良好抗静电性、集束性和可纺性的生物基尼龙56纺丝油剂。该油剂的电导率和pH随抗静电剂质量浓度的增加而降低，油剂具有良好的电导率。在一定程度上，油剂可以增强生物基尼龙56纤维的抱合性和平滑性，有利于其梳理成网，且满足纤维生产工艺要求。杨富玲等[26]对生物基尼龙56混合纺纱进行探析，将生物基尼龙56短纤维和棉、黏胶、莫代尔分别进行混合纺纱并对纺纱纱线进行性能测试。结果表明：混合纱线兼具生物基尼龙56的力学性能和纤维素的吸湿性能。用不同纤维混合纺纱使得混合纤维纺纱兼具不同纤维的优良性能，可提高纤维的附加值。王静茹等[27]以纺织参数对生物基尼龙56纺织的影响进行了探析。结果表明：纱线捻度越大撕破断裂强力越弱，纱线断裂强力越大，织物的断裂强度就越大。

在实际的生产应用中合理选用生产原料、捻度和纺纱方式可以有效地提高纺织物的性能。生物基尼龙56纤维织物与尼龙66织物有相近的性能，但生物基尼龙56具备更加优良的吸湿性、舒适性(手感接近羊毛)、阻燃性、弹性回复性、染色性和耐磨性。生物基尼龙56纤维可应用于地毯、衣着服装、家用织物、防护护具、军事服装等产品的制备。生物基尼龙56在生产应用中节能环保，对环境危害小，相对于尼龙66等尼龙制品生产具有一定的优势[28-29]。

从生物基尼龙56的熔融性能和流变行为来看，生物基尼龙56具备可纺性，但是生物基尼龙56的纺丝过程会受到工艺参数和纺丝设备的影响，可以通过进一步优化工艺参数和改变成型加工方法以提高纺丝制备的生物基尼龙56纤维的性能。生物基尼龙56纤维的力学性能不弱于尼龙6纤维和尼龙66纤维，生物基尼龙56纤维还具有更好的热稳定性能、沸水收缩性能和透湿性。不同形态的生物基尼龙56纤维的性能存在差异。生物基尼龙56纤维纺织物在服装行业将有望成为一种极具竞争力的材料。

李宁宁等[30-31]采用弱酸性染料对生物基尼龙56织物、尼龙66织物进行染色，并对2种尼龙织物的染色性能进行对比研究。结果表明：生物基尼龙56可以低温染色且染色速率快，上染速率和半染速率高于尼龙66；生物基尼龙56耐摩擦色牢度良好但耐洗色牢度较弱，可通过固色处理改善其色牢度。赵霞霞等[32]用酸性染料对生物基尼龙56织物和尼龙6进行染色，并对2种尼龙织物的染色性能进行对比研究。结果表明：生物基尼龙56的上染速率高于尼龙6，但保温性相对较弱；经固色处理后生物基尼龙56的色牢度可接近尼龙6。曹诗慧等[33]用还原染料对生物基尼龙56织物进行染色研究。结果表明：还原染料染色生物基尼龙56有很好的耐摩擦、耐汗渍、耐皂洗色牢度和耐摩擦色牢度。马雪松等[34]用Eriofast系列活性染料对生物基尼龙56、尼龙66进行染色对比研究。结果表明：相比于尼龙66,生物基尼龙56有较好的染色性能和上染速率，同时具有低温可染性。ZHANG S Y等[35]在生物基尼龙56纤维中加入增白剂、采用原位聚合、共融互混法在纺丝工艺下提升生物基尼龙56纤维的色值。荧光增白母粒熔融共混法在合适的工艺条件下可以提升纤维色值，使其有良好的耐黄变性、耐久性和力学性能。

生物基尼龙56纤维具有很好的耐磨性和耐阻燃性。这将使其在军事、防护服装上具有良好的应用。生物基尼龙纤维56还有很好的吸湿快干性、优良的力学性能，这将使其在运动服装上具有良好的应用。生物基尼龙56不论是在弱酸性染料、活性染料，还是还原性染料上都具有良好的染色性能。不同的染色剂可用不同的染色工艺优化染色性能，还可用固色处理提高色牢度，这使得其在时尚、高质量服装上能有很好的应用。

1.3 生物基尼龙56在过滤膜上的研究应用

随着环境的污染，空气和水质存在危害杂质，对人们生活造成影响。生物基尼龙56薄膜具有较优良的力学性能，可用于制作过滤膜以过滤空气和水。刘玥波[36]制备了静电纺丝生物基尼龙56纳米纤维膜，并对其力学性能进行研究，用生物基尼龙56的纺丝液进行静电纺丝并对其进行测试和表征分析。结果表明：纤维膜具有良好的力学性能，均匀性会随纺丝液浓度的增大而增大，达到最大值后将随丝液浓度增大而减小；当膜达到最均匀时具有最佳的力学性能，此时膜具有较好的力学强度。刘波文[37]研究了生物基尼龙56纳米蛛网纤维膜，并对其性能进行测试。结果表明：生物基尼龙56蛛网纤维膜以物理拦截的过滤机理和表面过滤的过滤方式进行过滤；纤维膜的过滤性能随纤维膜质量的增加而增加，达到临界值后增加不明显，但阻力压降仍持续变大；风速对生物基尼龙56蛛网纤维膜影响不大但对其他膜有较强的影响。综合来看生物基尼龙56蛛网纤维膜较其他膜具有更优良的性能，其过滤效率高，有较好的力学性能、阻燃性能，且尘容量大。

LIU B等[38]用静电纺丝结网法制作了生物基尼龙56纳滤膜。生物基尼龙56纳米纤维/网格(PA56 NFN)膜是由2D纳米网和空腔结构组成的，可以通过改变溶液的浓度来促进纳米网的形成。改变甲酸(HCOOH3)、醋酸(CH3COOH)的质量比来构建稳定的腔结构并对其自身系统进行优化。结果表明：PA56 NFN膜能够有效过滤细小颗粒，具有过滤效率高、空气阻力小、寿命长、孔径小、孔隙率高、联结支架的优良性能；同时，表现出很好的力学性能，PA56 NFN过滤空气颗粒的纳滤膜的过滤效率优于传统材料如聚丙烯酸、聚丙烯腈、聚砜等制备的过滤膜。新型PA56 NFN膜可生产应用于家用、工业等的空气过滤塞、医用防护口罩等。作为一种新型的制膜材料，生物基尼龙56在制作饮水过滤器和防护面罩上具有优良的应用前景。

2 对生物基尼龙56进行改性的研究应用

2.1 力学性能改性研究

生物基尼龙56本身便具有较好的力学性能。若进一步增强生物基尼龙56的力学性能，使其具有超韧性和高抗冲性，将扩大其在工程材料上的应用。WANG Y等[39]通过用马来酸酐接枝乙烯-辛烯共聚物(POE-g-MAH)与生物基尼龙56进行熔融共混挤出，并对其相容性和力学性能进行测试分析。结果表明：弹性体乙烯-辛烯共聚物(POE)与生物基尼龙56有很好的相容性。经改性后的生物基尼龙56具有超韧性和超抗冲性。随着POE-g-MAH的增加，复合材料的韧性逐渐增强，当共混物中POE-g-MAH的质量分数达到20%时，改性后的复合材料生物基尼龙56的韧性达到最佳，能够到达工业上对尼龙在超韧性和超抗冲性能上的要求。WANG Y等[40]通过将生物基尼龙56和POE接枝甲基丙烯酸缩水甘油酯(POE-g-GMA)共混挤出制备改性生物基尼龙56复合材料，并对其性能进行测试。结果表明：生物基尼龙56与增韧剂有良好的相容性，POE-g-GMA可以有效地分散应力，降低缺口敏感性，显著提高生物基尼龙56的韧性和抗冲能力。当POE的质量分数到达20%时可以达到超韧性。改性的生物基尼龙56复合材料的超韧性和抗冲能力将可用于汽车制造保险杠、车身板、车门等零件生产。通过将生物基尼龙56和弹性体共混的方法，可以使生物基尼龙56的韧性和抗冲性能得到较好的提升，可以达到工业要求的超韧性和高抗冲的要求。提高弹性体和生物基尼龙56的界面结合强度和相容性，可以更好地增强生物基尼龙56的韧性和抗冲性。不过这种方法会影响生物基尼龙56的结晶行为，使其结晶度、稳定性和强度下降。达到超韧性和高抗冲性的生物基尼龙56在电子电器、机械轴承和航天航空的零件等诸多方面将有良好的应用前景。

2.2 抗菌改性研究

对生物基尼龙56进行改性使其具备抗菌性和一定的紫外防护性，将使其在服用防护方面有更广泛的应用。XUE C F等[41]对用尸氨制备生物基尼龙56和抗菌纳米纤维膜进行研究，用静电纺丝制得生物基尼龙56纳米纤维膜(PAM)，将活性红141染料与聚丙烯酰胺的氨基反应，得到了染色膜(P-Dye)。将聚六亚甲基双胍(PHMB)连接到P-Dye上产生P-Dye-PHMB，用于促进PHMB附着的含有藻酸盐(Alginate)的PAM(P-Alg-PHMB)与P-Dye-PHMB对大肠杆菌和恶臭假单胞晶的抗菌活性。PHMB上的阳离子氨基与细菌细胞壁中的阴离子磷脂之间的相互作用，通过外膜中主要核心脂多糖的阳离子置换，使得膜具有抗菌性。P-Alg-PHMB 纳米纤维比P-Dye-PHMB膜具有更好的抗菌活性，同时P-Alg-PHMB对大肠杆菌和恶臭假单胞菌表现出优良的抑菌效果。张翰誉等[42]对抗菌纤维的制备和性能进行了研究。用生物基尼龙56和抗菌剂聚六亚甲基胍盐酸盐(PHMG)熔融共混制生物基尼龙56/PHGM抗菌材料并对其各项性能进行研究。结果表明：生物基尼龙56与PHMG有良好的相融性，黏度会随PHGM的加入而降低。相对于纯生物基尼龙56，生物基尼龙56/PHGM的热性能略微降低，但抗菌性能优良，生物基尼龙56中加入少量PHMG时，复合材料便可达到90%的抑菌率。

GAO A等[43]研究了用苯醌衍生物活性蓝(P-3R)和二苯甲酮光活性衍生物(BPTCA)与生物基尼龙56的氨基反应进行改性获得具有优良紫外线防护性能和良好的抗菌性能的生物基尼龙56织物。改性后的生物基尼龙56织物产生的羟基自由基具有很好的抗菌活性，P-3R和BPTCA中含有能吸附紫外线的官能团。BRTCA和P-3R是光活性化合物，加入生物基尼龙56织物中后保留了他们的光活性，同时突出了这2种化合物的协同作用。因此，改性后的生物基尼龙56织物将具有良好的抗菌性能和紫外线防护性能。用PHGM改性生物基尼龙56将使其具备优良的抗菌性能。用苯醌衍生物改性生物基尼龙56不仅能使其具备优良的抗菌性，还会使其具备优良的紫外线防护性能。具有良好抗菌性能和紫外防护性能的生物基尼龙56在多功能防护服、生物医学、食品保质上将有良好的应用前景。

3 结语

虽然我国已在生物基尼龙56的生产上取得突破性进展，特别是上海凯赛生物技术股份有限公司将关键酶效率提高了100倍[43]。但生物基尼龙56的生产仍需要进一步优化以获得稳定的淀粉来源，减少副产物，降低能源消耗，提高产率[44-45]。生物基尼龙56的批量、大规模、低成本、工业化生产仍是一个需要攻克的难关。解决这些问题需要相关企业和科研单位共同合作研发创新以优化生产工艺，调整产业结构，完善生产链以促进生物基尼龙56的发展，提高生物基尼龙56的竞争力。

生物基尼龙56本身便具有阻燃性，但若能在将氮系或磷系阻燃剂加入生物基尼龙56中，并通过机械共混的方法进行制备。使其具备高阻燃性、低毒性、环保低污染等特点，将能提高其在电子器材和耐高温纤维制品方面的应用。