高強粗旦聚丙烯紡黏針刺非織造土工布的耐久性研究*

聶松林 姜瑞明 鎮 壘 孫豐華 李洪昌 錢競芳 王先鋒

1.天鼎豐聚丙烯材料技術有限公司，山東 德州 251500；2.東華大學紡織學院，上海 201620

非織造土工布是將纖維進行定向或隨機排列形成纖網后，采用機械加固的方式制成的一種土工材料[1]。非織造土工布中纖維相互疊加，內部呈三維結構，具有良好的力學各向同性、延伸性和水力學性能，且加工簡單、成本較低，已成為世界土工布的主要發展方向[2-3]。非織造土工布按所用原料的不同，可分為聚酯非織造土工布、聚丙烯非織造土工布、聚酰胺非織造土工布、聚乙烯醇非織造土工布、黃麻非織造土工布、聚乙烯非織造土工布及聚乳酸非織造土工布等。目前，應用最普遍的是聚酯非織造土工布和聚丙烯非織造土工布。聚酯非織造土工布強力高、熔點高，具有優良的韌性、蠕變特性與抗老化性能，但缺點是耐堿性較差，難以滿足工程要求。聚丙烯非織造土工布強度較高、耐酸堿性好、耐磨性好，且耐腐蝕、耐霉變、耐低溫，具有較好的芯吸效應和滲水性能，其密度小、價格低廉，在土木工程領域應用廣泛，尤其是在地下和高寒等惡劣環境中具有不可替代的地位[4-5]。其中，高強粗旦聚丙烯紡黏針刺非織造土工布較普通聚丙烯非織造土工布具有更高的強度與更大的孔隙率，力學及水力學性能更優異。

土工布的耐久性直接影響工程的可靠性和安全性。本文將通過耐酸堿、室外自然老化、抗熱氧老化和抗凍融試驗，對高強粗旦聚丙烯紡黏針刺非織造土工布(下文簡稱“土工布A”)、聚酯紡黏針刺非織造土工布(下文簡稱“土工布B”)和抗紫外線(UV)高強粗旦聚丙烯紡黏針刺非織造土工布(下文簡稱“土工布C”)的耐久性進行試驗研究，以期為工程的實際應用提供參考。

1 試驗部分

1.1 試驗原料與設備

聚丙烯切片(PPH-Y24，中石化濟南分公司)；聚酯切片(非織造布專用，中石化天津分公司)；抗UV母粒[4004-F60-400，奧美凱聚合物(蘇州)有限公司]。

TCS-2000型電子土工布綜合強力試驗機；JSM-5600 LV型掃描電子顯微鏡(SEM)。

1.2 試樣制備

本文制備了不同面密度的土工布用于各種耐久性研究。其中：耐酸堿性測試采用面密度均為200 g/m2的土工布A和土工布B；室外自然老化測試使用面密度均為600 g/m2的土工布A、土工布B和土工布C；抗熱氧老化性能測試使用面密度為120 g/m2的土工布A，由于聚酯土工布的抗熱氧老化性能本來就優于聚丙烯土工布，故本文不研究土工布B的抗熱氧化老化性能；抗凍融性能測試使用面密度為400 g/m2的土工布A和土工布B。所有測試樣的制取均按照GB/T 13760—2009《土工合成材料 取樣和試樣準備》進行。

1.3 試驗方法

1.3.1 耐酸堿性測試

耐酸性測試所用溶液由H2SO4溶液稀釋配制而成，制成的稀H2SO4溶液的pH值為2。縱橫向各取5塊測試樣，尺寸均為240 mm×200 mm，室溫下將測試樣浸泡于稀H2SO4溶液中，每天攪拌1次，每10 d取樣測試其面密度、斷裂強度和斷裂伸長率，并計算相應指標的保持率，結果取平均值。該測試需持續30 d。

耐堿性測試所用溶液由Ca(OH)2溶于水配制而成，并裝于室內大型桶中，制成的Ca(OH)2溶液的pH值為12。縱橫向各取5塊測試樣，尺寸均為240 mm×200 mm，室溫下將測試樣浸泡于Ca(OH)2溶液中，蓋上蓋子，每天攪拌1次，每30 d取樣，烘干后測試其斷裂強度和斷裂伸長率，并計算相應指標的保持率，結果取平均值。該測試需持續180 d。

1.3.2 室外自然老化性能測試

縱橫向各取5塊1 500 mm×1 000 mm的測試樣放置于樓頂平臺上(北緯N37°18′、東經E116°87′、海拔19.72 m)，測試樣4個角用沉重物壓住并固定，定期采取測試樣并測試其斷裂強度及斷裂伸長率，計算相應指標的保持率，結果取平均值。測試時間從2016年12月21日開始，并于2017年9月20日結束，共計9個月。

1.3.3 抗熱氧老化性能測試

縱橫向各取5塊尺寸均為240 mm×200 mm測試樣。依據ISO 13438-2018Geosynthetics-screeningtestmethodfordeterminingtheresistanceofgeotextilesandgeotextile-relatedproductstooxidation，先將測試樣于80 ℃水中浸泡28 d，再將測試樣分別暴露于100 ℃的空氣中28、56和112 d，測試其斷裂強度及斷裂伸長率，并計算相應指標的保持率，結果取平均值。

1.3.4 抗凍融性能測試

縱橫向各取5塊尺寸均為240 mm×200 mm測試樣。將測試樣置于-20 ℃的環境中冷凍24 h后，取出并恢復至常溫，此為1次凍融循環。測試并計算測試樣經過10次和20次凍融循環后的斷裂強度及斷裂伸長率，并計算相應指標的保持率，結果取平均值。

2 試驗結果與分析

2.1 耐酸堿性

2.1.1 耐酸性

測試樣的耐酸性測試結果如圖1和圖2所示。

圖1 土工布A的耐酸性

圖2 土工布B的耐酸性

從圖1和圖2可以看出：土工布A在pH值為2的酸性環境中浸泡30 d后，其面密度基本沒有損失，縱、橫向斷裂強度和斷裂伸長率的保持率均在90.0%以上；土工布B在pH值為2的酸性環境中浸泡30 d后，其面密度也基本沒有損失，但縱橫向斷裂強度和斷裂伸長率則出現明顯下降。這表明，與土工布B相比，土工布A在酸性環境下的面密度和拉伸性能具有更好的保持性，其耐酸性更優。這是因為聚丙烯主要由大量無極性烷烴鏈構成[6]，在酸性環境下具有較高的穩定性，而聚酯的主要成分為聚對苯二甲酸乙二醇酯，其存在大量極性基團，在酸的作用下部分極性基團被破壞，導致分子鏈發生變化，故而拉伸性能下降，耐久性變差。

測試樣的耐堿性測試結果如圖3和圖4所示。

圖3 土工布A的耐堿性

圖4 土工布B的耐堿性

從圖3和圖4可以看出：(1)整個測試過程中，土工布A的面密度基本沒有損失，縱、橫向斷裂強度和縱、橫向斷裂伸長率隨著浸泡時間的增加呈下降趨勢，但下降較為平緩，浸泡180 d后面密度保持率仍在100.0%左右、縱向斷裂強度保持率為85.1%、橫向斷裂強度保持率為97.3%，這都表明土工布A在強堿性環境下具有較高的穩定性；(2)整個測試過程中，土工布B的面密度和縱橫向斷裂強度出現明顯下降，其中斷裂強度的下降呈先平緩后劇烈的趨勢，浸泡180 d后面密度保持率在76.7%、縱向斷裂強度保持率為51.0%、橫向斷裂強度保持率為48.1%。

綜上可以看出，與土工布B相比，土工布A在pH值為12的堿性環境中，面密度和拉伸性能都具有更好的保持性，且其耐堿性能更優。原因在于，聚酯的主要成分聚對苯二甲酸乙二醇酯在堿性條件下會發生逆向水解，生成對苯二甲酸和乙二醇，故而質量減小，面密度下降，拉伸性能受影響較大；且隨著時間的推進，這種水解反應不僅只發生在纖維表面，還會深入到纖維內部，故土工布B縱、橫向斷裂強度的下降呈先緩慢后劇烈的趨勢。而聚丙烯分子鏈上只有甲基基團，沒有其他活性基團，這使得聚丙烯分子的反應活性極低，其具有優異的耐化學腐蝕性能，不會與酸、堿發生反應，所以土工布A在堿性環境中仍能保持較高的力學性能。

圖5所示的SEM照片則進一步驗證了聚酯在55 ℃、pH值為12的堿性溶液中的水解性能。從SEM照片可清晰看出，經堿浸泡12周的聚酯纖維表面產生了大量的凹陷，水解導致聚酯纖維的分子鏈斷裂，相對分子質量減小，土工布B的面密度和縱、橫向斷裂強度下降；而高強粗旦聚丙烯纖維經堿浸泡后則未受影響。

圖5 土工布A和土工布B在55 ℃、pH值為12的堿性溶液中處理12周后纖維的SEM照片

2.2 室外自然老化性能

土工布耐老化性能的測試方法有實際應用老化法、室外自然老化法和人工加速老化法等[7]。其中，室外自然老化法是將材料直接暴露于室外環境中，材料會充分接受大氣綜合因素的作用。該測試方法簡單，結果較接近實際，所得材料的室外自然老化性能數據更真實、準確，故而能更好地為實際工程應用提供數據支持。

測試樣放置于室外露天環境的拉伸性能隨時間變化的關系如圖6所示。室外放置9個月后3種測試樣的外觀形貌如圖7所示。

圖6 測試樣室外自然老化性能結果

圖7 測試樣室外自然老化9個月后的外觀形貌

從圖6可以得出以下結論。

(1)在室外露天環境下，土工布A的縱、橫向斷裂強度和斷裂伸長率的下降速度快于土工布B，尤其是室外放置3個月后，前者各項指標開始劇烈下降，室外放置6個月后前者縱向斷裂強度保持率只有26.0%、橫向斷裂強度保持率只有35.4%，縱向斷裂伸長率保持率為45.0%、橫向斷裂伸長率保持率為59.0%，室外放置9個月后前者布面已粉化并完全失去作用。這都表明土工布A耐光氧老化性能較差，其在日光直射下比土工布B更易老化，這與聚丙烯大分子中碳氫長鏈結構在光的作用下易被破壞有關。其中，前3個月拉伸性能下降緩慢有兩方面原因，一是前3個月屬冬春交接，加之測試地點為北半球，紫外線強度較弱；二是紫外線對土工布的作用存在一個過程。

1994年中國足球走向職業化道路，建立了甲級A組聯賽(簡稱甲A)，到2003年十年間中國職業足球的發展獲得了初步的效果，社會各界對中國足球聯賽的關注度不斷提高，中國足球職業聯賽也逐步建立起了有自身特色的模式。2004年中國足球協會超級聯賽在天津正式開幕(簡稱中超)，開創了中國足球的新紀元，它是參照英超聯賽制度進行完善的，但發展效果并不理想。中超聯賽發展期間暴露了很多問題，例如運營管理、聯賽的公平性等問題嚴重阻礙了聯賽發展。因此，有必要對中超聯賽的運營管理、組織傳播、上座率、引進外籍球員等問題進行深入研究。通過研究中超聯賽的現狀、存在的問題與原因，尋找解決方法，有助于足球改革發展的順利進行。

(2)土工布C的耐老化性能較土工布A大幅提高，其在同等條件的室外放置3個月后，縱橫向斷裂強度不降反升，室外放置9個月后，縱向斷裂強度保持率為82.5%、橫向斷裂強度保持率為82.8%，均在80.0%以上，高于土工布B的縱、橫向斷裂強度保持率(63.7%和68.5%)。這是因為光老化過程中，聚丙烯高分子中的叔碳原子受到光能作用產生了許多自由基，這些自由基會引起分子鏈的斷裂、增長、交聯等反應。紫外老化前期，鏈增長和交聯作用明顯，故斷裂強度出現小幅增加；隨著紫外老化的進行，鏈斷裂的影響顯現，但由于抗UV母粒的作用，斷裂強度下降較少。

2.3 抗熱氧老化性能

土工布A測試樣的抗熱氧老化性能測試結果如圖8所示。

圖8 土工布A的抗熱氧老化性能

從圖8可以看出，隨著熱氧老化時間的增加，土工布A的縱橫向斷裂強度保持率先超過100.0%后降至100.0%以下，斷裂強度均呈現先增加后減小的趨勢。究其原因，聚丙烯屬結晶型高分子化合物，聚丙烯纖維的強度與其分子鏈內部的結晶及取向有關。熱氧化初期的高溫使得聚丙烯分子鏈的結晶和取向進一步提升，故縱橫向斷裂強度提高；隨著熱氧化的進行，其對材料的影響逐漸顯現，老化開始向材料內部擴展，聚丙烯大分子結構發生破壞，材料斷裂強度下降[8-9]。圖8中，土工布A先在80 ℃水中浸泡28 d，再在100 ℃的空氣中暴露112 d后，縱向斷裂強度保持率為83.5%，橫向斷裂強度保持率為78.7%，縱、橫向斷裂伸長保持率均在60.0%以上，表明其具有良好的抗熱氧老化性能。

2.4 抗凍融性能

抗凍融性能可反應材料在極端氣候條件下的使用性能。測試樣的抗凍融性能如圖9所示。

圖9 測試樣的抗凍融性能

從圖9可以看出：土工布A在凍融循環20次后，其斷裂強度和斷裂伸長率的保持率都在95.0%以上，損失較小。而土工布B凍融循環10次后，其斷裂強度與斷裂伸長率的保持率已經下降到80.0%以下；凍融循環20次后，其斷裂強度與斷裂伸長率的保持率已下降到60.0%左右。可見，相較于土工布B，土工布A具有更好的抗凍融性能，更適宜在極端氣候條件下的工程應用中使用。

3 結論

通過對土工布A、土工布B及土工布C進行試驗研究，得出：

(1)土工布A具有優異的耐酸堿性能，其能在pH值為2～12的環境中保持拉伸性能穩定，而土工布B的耐酸堿性較差，尤其是在堿性環境下易發生水解，斷裂強度快速下降；

(2)土工布A本身的耐光氧老化性能較弱，暴露于室外露天環境中易老化失去作用，但添加一定成分的抗UV助劑后，其耐老化性能大幅提高，能在室外露天環境中穩定使用；

(3)土工布A具有優異的抗熱氧老化性能，其先在80 ℃水中浸泡28 d，再在100 ℃的空氣中暴露112 d后，縱向斷裂強度保持率為83.5%，橫向斷裂強度保持率為78.7%，縱橫向斷裂伸長保持率也都在60.0%以上。

(4)土工布A具有優異的抗凍融性能，能適應冬季極寒天氣條件及晝夜溫差較大區域的溫度反復變化，并保持自身性能的穩定。