聚丙烯紡黏針刺土工布的力學和耐光氧老化性能*

位華瑞 王 超 左文靜 劉高慧 俞建勇 丁 彬 王先鋒，

1.東華大學紡織學院，上海 201620；2.東華大學紡織科技創新中心，上海 200051

隨著我國基礎建設的快速發展，水利大壩、高速公路、高速鐵路、礦山、垃圾填埋場等領域對高性能土工建筑材料的需求激增。“十三五”期間，國家高度重視土木建筑行業，科技部也啟動了重點研發計劃專項項目，提出了土工建筑增強材料的研制等研發工作[1]。在所有的土工建筑材料中，土工布屬于一類重要的材料，其主要由熱塑性聚合物制成，為一種具有滲透性和柔性的材料，具有過濾、排水、隔離、加筋、防滲及保護等功能[2]，廣泛應用于公路、鐵路、水利、軍事及環保等工程領域[3-5]。

土工布按照加工和生產方式的不同可以分為織造土工布、非織造土工布和復合土工布[6]。非織造土工布因具有生產流程短、成本低、水力學性能優異等特點，已成為土工行業的主要研究方向。目前，非織造土工布在全球土工布總量中的占比約為70%，在我國土工布總量中的占比為60%左右[7]。近年來，繼天鼎豐控股有限公司在國內實現了聚丙烯紡黏針刺土工布的產業化生產后，聚丙烯紡黏針刺土工布已成為非織造土工布行業研究的熱點。聚丙烯紡黏針刺土工布具有模量高、延伸性好、抗撕破、耐刺穿、耐酸堿、耐低溫、耐霉變及成本低等優點，在惡劣環境中尤其在酸、堿及高寒環境中具有不可替代的作用[8-9]。然而，聚丙烯在使用過程中易受到氧氣、光照、溫度及濕度等因素的影響而發生老化降解，極大地影響其在土木工程領域的應用[10-12]。

力學性能是土工布在工程應用中最基本和最重要的性能，土工布的耐久性直接影響工程的可靠性和安全性。紫外輻射是導致聚丙烯土工布降解的主導因素，土工布的老化實質上是其在紫外輻射作用下的光氧老化[13]。目前，國內關于聚丙烯紡黏針刺土工布力學性能和耐光氧老化性能的研究較少。基于此，本文主要對聚丙烯紡黏針刺土工布的力學性能和耐光氧老化性能進行測試和分析。研究旨在為提高我國聚丙烯紡黏針刺土工布的產品質量，拓寬其在土木工程領域的應用，提供參考。

1 試驗部分

1.1 試驗材料

聚丙烯切片，熔融指數(MI)為23 g/(10 min)，中國石油化工股份有限公司提供；聚酯切片，MI為23 g/(10 min)，中國石油化工股份有限公司提供；UV 88抗老化母粒、灰色母粒，巨奇塑膠江蘇有限公司提供。

1.2 試驗儀器及設備

CMT-50型電子萬能試驗機(天津美特斯試驗儀器廠)、YG(B)611QUV型紫外老化箱(溫州市大榮紡織儀器有限公司)、FY 3000+型水冷式日曬氣候老化儀(溫州市方圓儀器有限公司)。

1.3 試樣制備

采用紡黏法和針刺加固工藝，以聚丙烯切片、聚酯切片、灰色母粒和UV 88抗老化母粒為原料，在相同的工藝參數下，制備表1所示的6種紡黏針刺土工布試樣。

表1 土工布試樣的制備方案

1.4 性能測試

1.4.1 力學性能測試

(1)拉伸性能測試：參照GB/T 15788—2017《土工合成材料 寬條拉伸試驗方法》測試試樣的抗拉強度和斷裂伸長率。

(2)撕破強力測試：參照GB/T 13763—2010《土工合成材料 梯形法撕破強力的測定》測試試樣的撕破強力。

(3)頂破強力測試：參照GB/T 14800—2010《土工合成材料 靜態頂破試驗(CBR法)》測試試樣的頂破強力。

(4)刺破強力測試：參照GB/T 19978—2005《土工布及其有關產品 刺破強力的測定》測試試樣的刺破強力。

1.4.2 耐光氧老化性能測試

(1)熒光紫外燈老化試驗：參照GB/T 31899—2015《紡織品 耐候性試驗 紫外光曝曬》，將土工布試樣放入YG(B)611QUV型紫外老化箱中，設定循環條件——輻照度為0.89 W/m2，黑板溫度為60 ℃下曝曬8 h，黑板溫度為50 ℃下冷凝4 h。分別在試驗進行到12、24和48 h時取樣，測試試樣的抗拉強度與斷裂伸長率，計算試樣的抗拉強度保留率。

(2)氙弧燈老化試驗：參照GB/T 16422.2—2014《塑料實驗室光源暴露試驗方法 第2部分：氙弧燈》，將土工布試樣放入FY 3000+型水冷式日曬氣候老化儀中；設定輻照度為60.00 W/m2，黑板溫度為65 ℃，空氣濕度為50%，按102 min的光照加18 min的噴淋為一個周期，對土工布試樣進行氙弧燈老化試驗。分別在試驗進行到24、48和72 h時取樣，測試試樣的抗拉強度，計算試樣的抗拉強度保留率。

2 試驗結果與分析

2.1 力學性能分析

2.1.1 拉伸性能分析

土工布為一種柔性材料，在對土工布進行加筋、隔離、護坡、反濾或墊層等應用設計時，均要求其具有足夠的強度和伸長率。抗拉強度和伸長率是土工布最基本的力學指標[14]。6種試樣的縱橫向抗拉強度-伸長率曲線如圖1和圖2所示。

圖1 土工布縱向抗拉強度-伸長率曲線

圖2 土工布橫向抗拉強度-伸長率曲線

由圖1和圖2可知，試樣2的縱橫向抗拉強度與斷裂伸長率均高于試樣1，表明在相同工藝參數下，聚丙烯紡黏針刺土工布的拉伸性能優于聚酯紡黏針刺土工布，即聚丙烯紡黏針刺土工布承載負荷的能力較大，在土木建筑領域的應用更具優勢。

除試樣4和試樣5外，其余試樣的抗拉強度和斷裂伸長率在縱橫向差異不大，表明采用紡黏針刺法制得的聚丙烯和聚酯土工布產品均具有良好的各向同性；同時也表明在原料中添加色母?；蚩估匣噶：螅捎谶@些母粒與聚丙烯切片的共混性較差，影響紡黏過程的均勻性，導致產品的各項異性增加。試樣5的縱橫向抗拉強度均高于相同面密度的試樣3和試樣4，主要是由于抗老化母粒的加入改善了纖維的結晶性能[15]，從而使纖維的強度提高，土工布產品的抗拉強度增大。

由試樣2、試樣3和試樣6可知，聚丙烯紡黏針刺土工布的抗拉強度隨著其面密度的增大而提高，這是因為隨著土工布面密度的增大，其厚度增加，纖維之間的接觸增多，且單根纖維與周圍纖維產生的纏結和抱合增多，導致土工布產品的抗拉強度提高。

2.1.2 撕破強力分析

土工布在鋪設和實際使用過程中，會不可避免地產生不同程度的破損裂口。撕破強力反映材料在有破損裂口的情況下抵抗裂口繼續擴大的能力[16]。6種試樣的縱橫向撕破強力測試結果如圖3所示。

圖3 土工布的縱橫向撕破強力

由圖3可知，試樣2的縱橫向撕破強力接近試樣1的2倍，表明在相同工藝參數下，聚丙烯紡黏針刺土工布的縱橫向撕破強力遠大于聚酯紡黏針刺土工布，即聚丙烯紡黏針刺土工布在出現破損裂口時，抵抗裂口繼續擴大的能力遠勝于聚酯紡黏針刺土工布。

與其余試樣相比，試樣4和試樣5的縱橫向撕破強力差異較大，原因主要是色母粒和抗老化母粒未能與聚丙烯切片均勻混合，導致土工布的縱橫向撕破強力存在差異。由試驗結果還可以看出，加入抗老化母粒后，聚丙烯土工布的撕破強力得以提升。

由試樣2、試樣3和試樣6可知，聚丙烯紡黏針刺土工布的撕破強力隨著其面密度的增大而提高。這是因為材料的撕裂破壞作用起初是由撕裂三角區的局部應力產生的，且隨著撕裂應力區的擴大，撕裂破壞作用轉變成因大面積的拉伸而產生[17]。因此，聚丙烯紡黏針刺土工布撕破強力和抗拉強度的變化趨勢一致，均隨著土工布面密度的增大而提高。

2.1.3 頂破強力分析

在工程應用中，土工布通常被置于兩種不同粒徑的顆粒狀材料之間，受顆粒狀材料的頂壓作用。施工中，其也會經受拋填粒料引起的法向載荷作用。頂破強力反映材料抵抗垂直于材料平面的法向壓力的能力[18]。6種試樣的CBR頂破強力測試結果如圖4所示。

圖4 土工布的CBR頂破強力

由圖4可知，相同工藝參數下，聚丙烯紡黏針刺土工布的CBR頂破強力略大于聚酯紡黏針刺土工布。色母?；蚩估匣噶５奶砑佑绊懢埘ゼ忦め槾掏凉げ嫉腃BR頂破強力。聚丙烯紡黏針刺土工布被頂破時，會出現一個隆起的纖維包，纖維呈松散化和斷裂狀。影響材料頂破強力最直接的因素是材料的拉伸斷裂強力，頂破強力隨著材料縱橫向拉伸斷裂強力的增大而提高[19]。故聚丙烯紡黏針刺土工布的頂破強力與抗拉強度的變化成正比，均隨著土工布面密度的增大而提高。

2.1.4 刺破強力分析

刺破強力指試樣在小面積上受到法向集中荷載，直至破裂所能承受的最大力。刺破強力反映土工布抵抗樹根壓入或有棱角的石子等尖銳物的能力。6種試樣的刺破強力測試結果如圖5所示。

圖5 土工布的刺破強力

由圖5可知，相同工藝參數下，聚丙烯紡黏針刺土工布的刺破強力大于聚酯紡黏針刺土工布，表明聚丙烯紡黏針刺土工布抵抗小面積集中荷載的能力優于聚酯紡黏針刺土工布。材料的刺破強力與頂破強力類似，其主要受材料抗拉強度的影響。隨著聚丙烯紡黏針刺土工布縱橫向抗拉強度的增大，刺破強力提高。同樣，聚丙烯紡黏針刺土工布的刺破強力隨著其面密度的增大而提高。

2.2 耐光氧老化性能分析

土工布耐光氧老化性能的試驗方法有實際應用老化、室外自然老化和人工加速老化3種[20]。室外自然老化和實際應用老化由于時間周期長、勞動強度大，因此適用性較差；而人工加速老化具有加速老化條件穩定、可比性強、試驗周期短、重現性較好等優點[21]，目前土工行業普遍采用熒光紫外燈法和氙弧燈法這兩種人工加速老化試驗方法測試土工布的耐光氧老化性能。

本文分別采用熒光紫外燈法和氙弧燈法，測試試樣3～試樣5的耐光氧老化性能。

2.2.1 熒光紫外燈法試驗結果與分析

聚丙烯紡黏針刺土工布試樣(試樣3～試樣5)的熒光紫外燈法耐光氧老化性能測試結果如圖6所示。

圖6 試樣縱橫向抗拉強度保留率與紫外老化時間的關系

由圖6可以看到，3種試樣在經紫外光照射后，抗拉強度保留率均呈下降趨勢。其中，試樣3的降幅最大，紫外光照射48 h后其縱向抗拉強度保留率為63.3%，橫向抗拉強度保留率為62.5%；試樣4經紫外光照射48 h后的縱向抗拉強度保留率為77.8%，橫向抗拉強度保留率為72.1%；試樣5的降幅最小，照射48 h后其縱向抗拉強度保留率為94.9%，橫向抗拉強度保留率為91.8%。表明試樣5的耐光氧老化性能最好，試樣4次之，試樣3的耐光氧老化性能最差。這是因為純聚丙烯耐光氧老化性能較差；灰色母粒為一種光屏蔽劑，能吸收大量的可見光，反射紫外光；而UV 88抗老化母粒為一種受阻胺類光穩定劑，能夠在聚丙烯光氧老化過程中發揮捕獲自由基、分解過氧化物等作用，從而大幅降低鏈式氧化反應總速率[22]。因此，在原料中添加灰色母?；騏V 88抗老化母?？商岣呔郾┘忦め槾掏凉げ嫉哪凸庋趵匣阅埽姨砑覷V 88抗老化母粒后，聚丙烯紡黏針刺土工布的耐光氧老化性能提升顯著。

2.2.2 氙弧燈法試驗結果與分析

聚丙烯紡黏針刺土工布試樣(試樣3～試樣5)的氙弧燈法耐光氧老化性能測試結果如圖7所示。

圖7 土工布縱橫向抗拉強度保留率與氙燈老化時間的關系

由圖7可以看出，3種試樣在經氙燈照射后，抗拉強度保留率也均呈下降趨勢。其中，試樣3的抗拉強度保留率降幅最大，照射72 h后其縱向抗拉強度保留率為43.0%，橫向抗拉強度保留率為45.8%；試樣4照射72 h后的縱向抗拉強度保留率為60.3%，橫向抗拉強度保留率為58.4%；試樣5的降幅最小，照射72 h后的縱向抗拉強度保留率為90.8%，橫向抗拉強度保留率為90.2%。表明試樣5的耐光氧老化性能最好，試樣4次之，試樣3的耐光氧老化性能最差。該試驗結果與熒光紫外燈老化試驗的試驗結果一致，均表明純聚丙烯制成的紡黏針刺土工布的耐光氧老化性能較差，在原料中添加灰色母?；騏V 88抗老化母?？商岣咂淠凸庋趵匣阅?，且添加UV 88抗老化母粒后，聚丙烯紡黏針刺土工布的耐光氧老化性能提升顯著。

3 結論

(1)相同工藝條件下，聚丙烯紡黏針刺土工布的力學性能優于聚酯紡黏針刺土工布。

(2)采用紡黏針刺法生產的非織造土工布產品具有良好的各向同性；灰色母粒、抗老化母粒的添加影響土工布產品的力學性能和各向同性，生產中需考慮其與原料的共混性問題。

(3)聚丙烯紡黏針刺土工布的抗拉強度、撕破強力、頂破強力和刺破強力均隨著其面密度的增大而提高。

(4)純聚丙烯制成的紡黏針刺土工布的耐光氧老化性能較差。

(5)在原料中添加灰色母?；騏V 88抗老化母粒，可提高聚丙烯紡黏針刺土工布的耐光氧老化性能，其中，添加UV 88抗老化母粒的提升效果更顯著。