植物纖維沙障的抗紫外老化性能研究*

顧夢圓 閆 容 丁志榮

南通大學紡織服裝學院，江蘇 南通 226019

土地荒漠化會對農田、交通、水庫、灌渠及居民點造成極大的危害，如不加控制，風沙的流動會進一步導致土地荒漠區域面積的不斷擴大。在人類與土地荒漠化的斗爭過程中，科研工作者們做出了大量的努力，探索并提出了一批又一批富有成效的防沙、治沙措施[1-3]。

機械沙障作為21世紀新型的環保防沙材料，已開始應用于土地荒漠化的治理工作中，且發展前景廣闊[4-6]。傳統的機械沙障通過在沙面上設置機械或植物障礙物，以此控制風沙的流動，改變地表的蝕積狀況，達到防風阻沙及改變地貌的目的[7-8]。常見的機械沙障有稻草、枝條、塑料網及尼龍網等。由稻草、枝條等材料制作的沙障在使用過程中，土壤內埋置部分可能會出現腐爛現象；由尼龍網、塑料網等制造的沙障不僅造價高，而且材料自身不易降解，易破壞生態，造成污染。因此，固沙效果持久且對環境無污染的沙障——植物纖維沙障應運而生。

植物纖維既能在預期的使用壽命周期內具有化纖材料沙障的防沙效果，又能在預期的使用壽命周期結束時充分地自然降解。目前，基于機織物的植物纖維沙障已開始投入試用，并已在防風固沙中初見成效。

荒漠化地區的氣候環境條件比普通地區要極端很多，但其環境狀態比較穩定。本文將以純棉沙障為例，利用紫外光耐氣候老化試驗箱，在實驗室模擬純棉沙障的自然光照老化過程，并通過改變老化時間及光照溫度，研究紫外老化條件對純棉沙障斷裂強力及硬挺度的影響。

1 試驗部分

1.1 試驗材料與儀器設備

試驗材料：純棉織物，經緯紗密度皆為55根/(10 cm)； 硬挺劑GQ-800HH，南通斯恩特紡織科技有限公司；催化劑氯化銨，西隴化工股份有限公司；蒸餾水。

試驗儀器：PB1橫式軋染機(廈門瑞比精密機械有限公司)、101AB-1電熱恒溫鼓風干燥箱(上海聯華環境試驗設備公司恒昌儀器廠)、R-3自動定型烘干機(廈門瑞比精密機械有限公司)、BN/UVA-340紫外光耐氣候老化試驗箱(常州邦納試驗設備制造科技有限公司)、YG026H型電子強力機(溫州方圓儀器有限公司)、LFY-207自動織物硬挺度試驗儀(山東省紡織科學研究院)。

1.2 純棉沙障制備過程

利用軋染機對純棉織物二浸二軋，軋液中GQ-800HH質量濃度為300 g/L、氯化銨質量分數為3%，設置軋液率為95%；再在110 ℃的條件下預烘3 min，160 ℃的條件下焙烘90 s，即完成對純棉織物的硬挺整理，得到純棉沙障。

1.3 試驗方法

1.3.1 織物紫外老化

為在實驗室內模擬純棉沙障的自然光照老化過程，先將純棉沙障按照拉伸性能測試及彎曲性能測試的要求，裁剪出相應尺寸的測試樣。其中，拉伸性能測試樣尺寸為(50.0±0.5) mm×(200.0±1.0) mm，彎曲性能測試樣尺寸為(25.0±1.0) mm×(250.0±1.0) mm。再參照GB/T 31899—2015《紡織品 耐候性試驗 紫外光曝曬》標準，將部分測試樣安裝在試樣夾上，放入紫外光耐氣候老化試驗箱中進行紫外老化試驗(圖1)，另一部分測試樣留作對比樣。采用UVA-340熒光紫外燈管作為紫外燈光源。設置紫外光耐氣候老化試驗箱中的光照強度為0.89 W/m2，老化時間參照表1分別設置。測試時，按照使用要求向紫外光耐氣候老化試驗箱中添加蒸餾水，以保持箱內水分充足。

圖1 紫外光耐氣候老化試驗箱截面結構示意

機外老化時間/月機內老化時間/h55 ℃60 ℃65 ℃627.024.622.81254.049.245.624108.098.491.236162.0147.6136.8

1.3.2 拉伸斷裂性能測試

為測量純棉沙障在不同光照溫度和老化時間作用下的斷裂強力的變化，采用YG026H型電子強力機對紫外老化處理前后的測試樣進行拉伸強度的測試。根據GB/T 3923.1—2013《紡織品 織物拉伸性能 第1部分：斷裂強力和斷裂伸長率的測定(條樣法)》的要求，設置預加張力為2 N、隔距長度為2 m、拉伸速度為20 mm/min。測試樣以均勻的速度拉伸至斷裂，記錄下測試樣能夠承受的最大載荷即斷裂強力。每種試樣測試5塊，測試結果取平均值。

1.3.3 織物彎曲性能測定

根據GB/T 18318—2001《紡織品 織物彎曲長度的測定》，每種試樣準備6塊測試樣，其中3塊測試樣的長邊平行于織物經向，另外3塊測試樣的長邊平行于織物緯向。取樣時，測試樣至少距離布邊100.0 mm，并盡可能減少用手觸摸。

將測試樣放置于彎曲長度儀的平臺上，測試樣一端與平臺的前緣重合。鋼尺放于試樣表面，鋼尺的零點與平臺上的標記點對準。接著，以一定的速度推動鋼尺和試樣，使試樣伸出平臺的前緣，試樣在自身重力的作用下彎曲，得到彎曲長度。重復以上步驟，對同一試樣的另一面進行試驗。最后，重復對試樣的另一端的兩面進行試驗。試驗結果取平均值。彎曲長度能反映出織物的硬挺度。

2 結果分析

2.1 光照溫度的影響

為研究不同光照溫度對純棉沙障老化性能的影響，試驗在機內老化時間分別為54.0、49.2及45.6 h即等同于機外老化時間為12個月不變的前提下，改變光照溫度，觀察光照溫度分別為55、60、65 ℃時純棉沙障的斷裂強力和彎曲長度，并與常溫(25 ℃)下未老化的純棉沙障的斷裂強力和彎曲長度作比較(圖2)。

圖2 光照溫度對純棉沙障斷裂強力及彎曲長度的影響

從圖2可以看出：

(1) 純棉沙障的斷裂強力隨光照溫度的升高而降低，且降低幅度越來越明顯。其中，當機外光照溫度為65 ℃時，純棉沙障的斷裂強度較常溫時下降了約18%。

(2) 純棉沙障的彎曲長度隨著光照溫度的升高呈上升趨勢。

上述現象與棉纖維的分子結構發生了變化有關。棉纖維素長鏈在紫外光的照射下會發生斷裂而變短，聚合度降低[9-10]，且棉纖維素長鏈的斷裂主要發生在無定形區。隨著溫度的增加，發生斷裂的棉纖維素長鏈更多，故純棉沙障經紫外光照射后斷裂強力降低，彎曲長度增加。

2.2 老化時間的影響

為研究不同老化時間對純棉沙障老化性能的影響，試驗在保證光照溫度為60 ℃不變的前提下，改變老化時間，觀察機內時間分別為24.6、49.2、98.4及147.6 h(即等同于機外老化時間分為6、12、24及36個月)時純棉沙障的斷裂強力和彎曲長度，并與常溫(25 ℃)下未老化的純棉沙障的斷裂強力和彎曲長度作比較(圖3)。

圖3 老化時間對純棉沙障斷裂強力及彎曲長度的影響

分析圖3可知：隨著老化時間的增加，純棉沙障的斷裂強度逐漸降低，彎曲長度逐漸增加。其中，在機內老化處理的前24.6 h即機外老化處理的前6個月，純棉沙障的斷裂強度下降較平緩，且彎曲長度與常溫下未老化處理的純棉沙障相比變化不明顯；當機內老化處理超過49.2 h即機外老化處理12個月后，純棉沙障的斷裂強力下降明顯，較常溫下未老化處理的純棉沙障最大降幅約為35%，但數值仍在有效范圍內。

3 結論

在模擬的36個月的機外老化時間內，隨著光照溫度及老化時間的增加，純棉沙障的斷裂強力降低，彎曲長度增加，但斷裂強力仍在有效范圍內，可見硬挺整理改善了純棉沙障的斷裂強度，延長了純棉沙障的使用壽命，可用于荒漠地區風沙的防治。