纸纤维/聚酰胺-6 复合材料的制备与耐候性分析

熊 伟，卢嵩，李慧茹，孙亚男，黄缪蕾

（1.江苏农林职业技术学院，江苏 句容 212400；2.南京林业大学，江苏 南京 210037）

目前，木塑复合材料多为生物质纤维与聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）和聚氯乙烯（PVC）等混合成新的复合材料[1]。聚酰胺-6（PA6）具有轻质、强度大、抗磨损、耐弱酸弱碱等优点，但因其熔融温度较高，挤出工艺较为复杂，在木塑复合材料制备中应用较少。本研究考虑纸纤维来源广泛，将其与聚酰胺-6（PA6）共混制备成PF/PA6 复合材料，探究纸纤维的含量对复合材料基本特性及耐候性的影响，以降低PA 成本、拓展纸纤维的应用。

1 试验材料与方法

1.1 主要试验材料

纸纤维（原生木浆纸，大连扬润贸易有限公司）；聚酰胺（PA6，广东省东莞市顺捷塑料科技有限公司，350目粉末）；马来酸酐接枝聚酰胺（PA-g-MA，广东省东莞市佳成塑料原料有限公司）。

1.2 主要试验仪器

单螺旋挤出实验机（东莞市松湖塑料机械股份有限公司）；WSZ10D 型实验用微型注塑机（上海新硕精密机械有限公司）；CMT4204 型力学试验机（深圳三思纵横科技股份有限公司）；CR-10 型色差计（日本KONICA MINOLTA 公司）；Quanta200 型扫描电子显微镜（荷兰FEI 公司）。

1.3 试件制备

1.3.1 试样制备

将纸纤维制浆研磨调制成wt.%为1%的溶液，与PA6 粉末按0∶10、1∶9、2∶8、3∶7 进行混合，并以A0-A3表示，考虑PF 与PA6 界面相容性，添加3%的PLA-g-MAH，形成4 种试样混合液[2]，见表1。

表1 PF/PA6 混合配比表

试样混合液进行1h 温度为60℃的水浴搅拌，通过真空抽滤形成片状固态混合物，并对其按0.8MPa、80℃设置进行6h 真空干燥，干燥成形后，剪切成颗粒状备用，如图1。

图1 试样制备流程图

1.3.2 试件制作

1.3.2.1 熔融制备

设置单螺旋挤出实验机进料速度为10g/min，螺杆转速为30 r/min，料筒1 区、2 区温度分别为230℃、220℃，模具温度170℃，熔融挤出制成PF/PA6 复合材料颗粒，冷却真空干燥24h。

1.3.2.2 拉伸试件制备

参照ASTM D638-2003 标准，对PF/PA6 复合材料颗粒以进气压力0.7 MPa，料筒温度230℃，模具温度30℃，保压时间10s，注射成型拉伸试验试件。

1.4 试验方法

1.4.1 耐候性能试验

2021 年5 月10 日至7 月4 日，选择江苏农林职业技术学院（镇江句容）某土壤池内，选取杨木（Y）、杉木（S）、炭化杨木（TY）及试件（MA1、MA2、MA3）各3 件埋入地深20cm 处。测定初始含水率、材色，每周测定含水率变化、色差变化、每日天气情况等。

1.4.2 力学性能测试

参照ASTM D638-2003 标准，采用电子力学试验机对制备试件和耐候性测试件进行拉伸强度测试，加载拉力后的拉伸速度为5mm/min，每种样品做3 次拉伸强度测试，取其平均值。

2 试验结果与分析

2.1 复合材料结合形貌分析

图2 为不同含量的PF/PA6 复合材料断面形貌SEM 图，（a）图显示为纯PA6 的断面形貌，其断面多有“拉花”形貌，说明其拉伸韧性较强；（b）（c）（d）图显示为A1（10%PF）、A2（20%PF）、A3（30%PF）断面形貌，可知纸纤维成团包覆明显，与PA6 结合界面不够紧密，说明PF 和PA6 的结晶度不够。

图2 PF/PA6 SEM 分析图

2.2 复合材料吸水性能

采用间隔7d 测量，记录当地气象数据，进行6W周期试件质量数据记录。通过与初始质量之差，得出试件吸水增量。采取气候变化赋分估算（见表2）；拟合出6W 土壤墒情变化，见图3。与杨木（△Y）、杉木（△S）、炭化杨木相比（△TY），PF/PA6 复合材料整体吸水性变化不大，受气候因素影响小。因植物纤维具有吸附水分的特性，随PF 含量的增加，复合材料的吸水率稍有提高[3]，6W 内A1 试件吸水量增为0.40g，A2 试件为0.48g，A3 试件为0.52g。

表2 气候模拟赋分表

图3 吸水量分析图

2.3 色差及明度变化

采用色差计测量试件材色的白度（L*）、材料的红绿轴色品指数（a*）和黄蓝色轴色品指数（b*），并计算得色差（△E）。采用CIE（1976）标准色度系统中的L*、a*、b* 值来表征材料颜色，根据公式（1）来计算[4]。

将材料颜色计算取值后，△E 数值越大则表示材料颜色变化越大。明度表示材料颜色的明暗程度，根据公式（2）来计算。

V 数值越小表示材料颜色越暗[5]。

色差及明度分析图如图4，由图中可知，经过6W时间，杨木、杉木的色差和明度都有较大变化，且杨木出现大面积霉变，杨木明度由6.21 降到3.80；炭化杨木色差和明度变化不大，这也说明炭化工艺对木材防腐和变色是有作用的。不同比例的PF/PA6 复合材色差、明度数值变化很小，A2、A3 的色差、明度值几乎重合。

图4 色差及明度分析图

2.4 复合材料拉伸性能

2.4.1 PF 含量对试件拉伸性能的影响

拉伸性能分析图如图5，从图中可知，A0 试件的拉伸载荷为446.17N，抗拉强度最大为49.57 MPa，随着PF 含量的增加，试件的拉伸载荷和抗拉强度呈A2＞A0＞A1＞A3 的变化，这是因为加入PF 降低了PF/PA6 复合材料的结晶度，从而影响了试件的强度；PF含量的升高使其与PA6 共混效果变差，产生微观孔隙，造成试件缺陷[6]。但在一定比例条件下，如PF/PA6=2∶8 时，植物纤维的拉伸韧性也起到了一定的效果，使其综合拉伸机能有所提高[7]。

图5 拉伸性能分析图

2.4.2 环境因素对试件拉伸性能的影响

由图5 可知，随着6 周的自然环境干预，MA1、MA2 的拉伸载荷和抗拉强度都较A1、A2 有一定程度的降低。但MA3 较之A3 提高了力学数值，这可能是因为植物纤维比例较大，微观孔隙吸附水分较多，一定程度上增加拉伸粘性[8-10]。

3 结语

3.1 PF/PA6 复合材料性能较为稳定，随PF 含量的增加，吸水性能有所提升，但不明显；因PA 塑料特性原因，其色差、明度等耐久性指标较好。

3.2 在合理的比例范围内，PF/PA6 复合材料的拉伸载荷和抗拉强度有所提升。力学性能受环境因素影响，主要是两种材料熔融混合结晶度不高、聚酰胺有一定的吸水性所致。

3.3 可进一步研究纳米化纸纤维增强PF/PA6 复合材料的相容性，以提高复合材料的综合力学性能。