高強度抗老化土工布的制備與性能表征

龍嘯云， 張 琰， 葛明橋

(1. 生態紡織教育部重點實驗室(江南大學)， 江蘇 無錫 214122； 2. 江蘇遠大新紡織聯合發展有限公司， 江蘇 南京 210039)

土工布是應用于土木、水利等工程中的一種產業用紡織品[1]。自1926年荷蘭首先在大壩建造中應用后，其在全世界范圍內得到了廣泛的應用。我國從20世紀90年代起在水利、道路、鐵路、礦山、垃圾填埋場等工程領域大量使用土工布，主要起到排水、過濾、隔離、保護、防滲等作用[2]。滿足工程設計年限(如現代垃圾填埋場的設計使用壽命為30～50 a)，可長效穩定地發揮作用是土工布的主要要求之一，但在實際應用過程中，復雜嚴酷的環境往往會對土工布造成一定損傷，大大縮短其使用壽命，達不到工程設計的年限要求[3]。

目前，制備土工布的原料主要是聚酯(PET)和聚丙烯(PP)，占總產量的90%以上。聚丙烯耐酸堿性能好，但是不耐紫外光輻射，在強烈的紫外光長時間照射下會發生光氧降解反應，造成大分子鏈斷裂。同時，礦山和垃圾填埋場廢液中存在的金屬離子也會催化、加快聚丙烯的熱老化過程，還有溫度、濕度等因素均會造成其力學性能大幅度下降，從而失去應該發揮的作用。聚酯的耐紫外光性能比聚丙烯稍好，但是耐酸不耐堿，水分、溫度也會對其造成一定的影響。2種纖維各有缺陷，在復雜多變的環境下時常伴有較大的安全性風險[4-5]。

高模高強聚乙烯醇(PVA)纖維[6]的線密度一般為2.2 dtex,強度超過15.3 cN/dtex，斷裂伸長率為6%，模量為30 GPa，具有良好的耐酸堿/熱、抗輻射性能，長絲通常被制成纜繩和漁網應用在海洋船舶上[7]。同時，高模高強PVA相比于其他高性能纖維[8-9]，如芳綸、碳纖維等，具有較高的性價比和良好的工程應用價值。

本文采用一定比例的抗老化聚丙烯和高模高強聚乙烯醇混合針刺制備短纖土工布，以期提高產品的強度、耐酸堿/金屬離子及抗紫外線輻射等性能，增強其在復雜嚴酷環境下的安全性和長效性，為以后的研究提供理論基礎和指導。

1 實驗部分

1.1 原 料

抗老化聚丙烯短纖，斷裂強度為6.2 cN/dtex，斷裂伸長率為16%，購自儀征化纖股份有限公司；高模高強聚乙烯醇短纖維，斷裂強度為15.3 cN/dtex，斷裂伸長率為6%，由安徽皖維集團有限責任公司提供。

1.2 工藝流程

圖1示出抗老化PP/高模高強PVA土工布的制備工藝流程。在生產制備過程中需要注意：1)由于高模高強PVA纖維剛性大，線密度小，開松梳理以及針刺過程中應盡量柔和，特別是在針刺的過程中，過大的針刺密度和針刺深度易損傷纖維，甚至造成斷裂，本文實驗中所采用的針刺深度為8 mm，針刺密度為300刺/m2；2)高模高強PVA纖維密度小，在往復運動鋪網過程中易產生漂移，從而造成非織造土工布的均勻度下降，應適當調整往復與底簾之間的距離，以40 cm為佳。

圖1 PP/PVA土工布制備工藝流程Fig.1 Process flow of PP/PVA geotextile

1.3 性能測試

1.3.1微觀形態觀察

采用Quanta 200型掃描電子顯微鏡(荷蘭)觀察抗老化PP/高模高強PVA短纖維針刺土工布的內部微觀形態，工作電壓為20 kV。

1.3.2反濾性能測試

在XSB-88型振篩儀上測試等效孔徑(O95)。

1.3.3干/濕強度測試

按照GB/T 17638—20017《土工合成材料 短纖針刺非織造土工布》，測試干態和在水中浸泡24 h的濕態樣品的斷裂強度。

1.3.4耐候性測試

參照GB/T 3681—2000《塑料自然氣候暴露試驗方法》進行耐候性測試。

1.3.5耐銅離子性能測試

將樣品浸漬在25 ℃的硝酸銅溶液中，于72 h后取出，然后放入120 ℃的恒溫烘箱中處理18 d，測試其強度的變化，以表征土工布的耐銅離子性能[4]。

2 結果與討論

2.1 力學性能分析

表1示出高模高強PVA短纖維含量對土工布(面密度為400 g/m2)干態和濕態強度的影響。可以看出，隨著PVA含量的增大，混合土工布干態強度和濕態強度都有較大的提升。純聚丙烯土工布的干/濕態斷裂強度分別為17.2、13.5 kN/m。當PVA含量為60%時，土工布的干/濕態斷裂強度分別高達29.7、34.8 kN/m。一方面，高模高強聚乙烯醇強度較高，在外力作用下不易斷裂，與PP短纖混合針刺可起到增強作用；另一方面，一般的土工布中聚丙烯短纖線密度為6.7 dtex，而高模高強PVA的線密度為2.2 dtex，如圖2所示。在土工布中，有大量的高模高強聚乙烯醇纖維存在，其線密度較小，使得相互之間纏結緊密，從而提高了土工布的力學性能。

表1 PVA含量對土工布干/濕態斷裂強度的影響Tab.1 Influence PVA content on dry/wet breaking strength property of goetextile

圖2 PP/PVA土工布的SEM照片Fig.2 SEM images of PP/PVA geotextile

此外，從表1還可看出：純聚丙烯土工布的干態強度高于濕態強度；但是PP/PVA土工布中，隨著PVA含量的增大，從其含量為35%左右開始，其濕態強度高于干態強度，當PVA含量為60%時更加明顯。這可解釋為高模高強聚乙烯醇纖維是一種高結晶、高取向度的材料，濕態下由于水分子進入纖維內部，使大分子鏈之間的作用力減弱，增強了大分子鏈之間的滑移能力以及張力均勻性，從而使受力大分子數目增多，其力學性能提高[10]。PP雖然也是一種高分子材料，但其結晶度較低，水分子的進入會破壞其大分子間的排列和結合，從而使力學性能下降。這使得抗老化PP/高模高強PVA短纖混合土工布在水利工程或者在濕度較大的環境中具有獨特的工程應用優勢。

2.2 反濾性能分析

表2示出PVA含量對土工布反濾性能的影響。可以看出，隨著混合土工布中PVA含量的增大，其等效孔徑O95值減小，說明其垂直滲透系數減小。土工布在很多實際工程應用中起到反濾的作用，如長江航道治理、軟基處理等。由于細旦丙綸強度低，在高速梳理和針刺過程中易造成纖維嚴重損傷，產品很難達到工程對土工布力學性能的要求，故一般選用6.7 dtex的丙綸作為短纖維針刺土工布的原料，以保證力學性能達到工程標準。此外，纖維較粗，也使得土工布的孔徑較大，垂直滲透系數較大，影響了其反濾性能，特別是在軟基處理工程中，對包覆在排水板外層的土工布孔徑大小要求較為嚴格。

表2 PVA含量對土工布反濾性能的影響Tab.2 Influence of PVA content on permeability of geotextile

PP/PVA混合土工布不僅強度高，還具有等效孔徑小，垂直滲透系數小的特點，相比純PP土工布而言，其反濾性能更為優良。

2.3 耐候性能分析

土工布暴露在自然環境中，在紫外光、雨水、溫度(高溫或高寒)等因素的長期影響下，其力學性能會快速下降[11]，其中，紫外光對聚丙烯纖維的影響尤為顯著。PP分子吸收光能之后，即被激發到電子激發態，若沒有及時從激發態躍遷回基態，則會產生自由基，從而與空氣中的氧氣發生反應，即發生光氧反應；因此，聚丙烯纖維發生老化并不是與光發生反應，而是通過吸收光能，再與氧氣發生反應。圖3示出純PP、抗老化PP和抗老化PP/PVA土工布在自然暴露老化實驗中斷裂強度隨著時間變化的規律。

圖3 土工布的耐候性能Fig.3 Weatherability of geotextile

從圖3可看出：純PP土工布經過90 d的自然暴露老化實驗后，力學性能下降最為明顯，強度保持率在37%左右；抗老化PP土工布的強度保持率在58%左右，優于純PP土工布。這說明抗老化劑的加入可部分緩解和阻止聚丙烯材料的光氧老化，但效果并不是十分理想。此外，抗老化PP/PVA混合土工布在自然暴露老化實驗后其強度保持率大約為73%，比抗老化PP土工布有較為顯著的提高。高模高強PVA纖維長時間暴露在紫外光下，受到的影響較小，因此，用其與抗老化PP混合制備土工布可提高非織造土工布的耐候性能。

2.4 表面形貌分析

圖4示出抗老化PP和高模高強PVA在經過90 d耐候性實驗后的表面形貌。可清楚地看出：抗老化PP由于長期在紫外線照射下發生了光氧化反應，大分子鏈發生斷裂，纖維受損，表面呈現出大量裂痕、凹陷、剝落等不同形式的損傷，從而使纖維的力學性能受到較大影響；相反，高模高強聚乙烯醇纖維表面的損傷形式主要為凹陷，且損傷情況較小，因此，在90 d的耐候性測試后基本能保持纖維原有的力學性能。

圖4 抗老化PP/PVA土工布的SEM照片(自然暴露90 d后)Fig.4 SEM images of anti-aging PP/PVA geotextile (exposure in natural for 90 d)

2.5 耐銅離子性能分析

聚丙烯在溫度的作用下會發生熱氧反應，與光氧化的原理相同，熱能的吸收使聚丙烯分子從基態被激發至激發態，從而與氧氣發生反應，銅離子在其中作為催化劑加速了此反應，使抗老化聚丙烯纖維的老化速度加快，銅離子的催化作用可用如下反應式[12]表示：

圖5示出純PP、抗老化PP和抗老化PP/PVA土工布的耐銅離子性能。1號樣品為未經過硝酸銅溶液浸泡的純PP土工布，2號樣品為在硝酸銅溶液中浸泡72 h后的土工布。由圖可知，在同樣的溫度下加熱處理18 d后，1、2號樣品的斷裂強度保持率分別為77.2%和42.3%，說明銅離子對聚丙烯材料的熱氧化反應有較為顯著的催化作用。3號樣品經過18 d的高溫處理，其斷裂強度保持率為44.6%，和2號樣品相差不大，說明在銅離子的催化作用下，抗老化劑并不能有效地阻止聚丙烯纖維發生熱氧化反應。

圖5 土工布的耐銅離子性能Fig.5 Cupric ions resistance performance of geotextile

4號樣品為抗老化PP/高模高強PVA混合土工布，經過18 d的高強處理后，其斷裂強度保持率為64.3%，優于2、3號樣品。這是由于高模高強聚乙烯醇纖維的高結晶和高取向度使其耐高溫性能較為優良，只有在80 ℃以上且濕度較大的情況下，才會表現出明顯的力學性能下降；在干熱的情況下，其可長時間承受150 ℃以上的高溫，在土工布實際應用中幾乎不存在這種情況：因此，在硝酸銅溶液浸泡加熱處理的過程中，無論是銅離子還是高溫幾乎均不會對其性能造成影響，纖維仍能夠保持較高的力學性能，從而使得土工布的耐銅離子性能相比純PP和抗老化PP土工布得到了提升。

3 結 論

1)高模高強PVA應用于土工布中，可明顯地提高非織造短纖維土工布的力學性能，當PVA含量為60%時，其干/濕態強度分別為29.7、34.8 kN/m，分別是相同面密度抗老化聚丙烯土工布的1.7、2.6倍，且濕態強度大于干態強度；同時，其等效孔徑較小，反濾性能優良。

2)抗老化PP/高模高強PVA短纖維混合土工布的耐候性和耐金屬離子性能相比抗老化PP和純PP土工布更為優良，力學性能和長效安全性得到了明顯的提升。

3)抗老化PP/高模高強PVA短纖維混合土工布在強紫外線輻射地區(如新疆、西藏、四川等)和水利工程、含有金屬離子廢液的工程(如垃圾填埋場、尾礦處理工程)等領域具有其獨特的優勢。

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