高强度抗老化土工布的制备与性能表征

龙啸云， 张 琰， 葛明桥

(1. 生态纺织教育部重点实验室(江南大学)， 江苏 无锡 214122； 2. 江苏远大新纺织联合发展有限公司， 江苏 南京 210039)

土工布是应用于土木、水利等工程中的一种产业用纺织品[1]。自1926年荷兰首先在大坝建造中应用后，其在全世界范围内得到了广泛的应用。我国从20世纪90年代起在水利、道路、铁路、矿山、垃圾填埋场等工程领域大量使用土工布，主要起到排水、过滤、隔离、保护、防渗等作用[2]。满足工程设计年限(如现代垃圾填埋场的设计使用寿命为30～50 a)，可长效稳定地发挥作用是土工布的主要要求之一，但在实际应用过程中，复杂严酷的环境往往会对土工布造成一定损伤，大大缩短其使用寿命，达不到工程设计的年限要求[3]。

目前，制备土工布的原料主要是聚酯(PET)和聚丙烯(PP)，占总产量的90%以上。聚丙烯耐酸碱性能好，但是不耐紫外光辐射，在强烈的紫外光长时间照射下会发生光氧降解反应，造成大分子链断裂。同时，矿山和垃圾填埋场废液中存在的金属离子也会催化、加快聚丙烯的热老化过程，还有温度、湿度等因素均会造成其力学性能大幅度下降，从而失去应该发挥的作用。聚酯的耐紫外光性能比聚丙烯稍好，但是耐酸不耐碱，水分、温度也会对其造成一定的影响。2种纤维各有缺陷，在复杂多变的环境下时常伴有较大的安全性风险[4-5]。

高模高强聚乙烯醇(PVA)纤维[6]的线密度一般为2.2 dtex,强度超过15.3 cN/dtex，断裂伸长率为6%，模量为30 GPa，具有良好的耐酸碱/热、抗辐射性能，长丝通常被制成缆绳和渔网应用在海洋船舶上[7]。同时，高模高强PVA相比于其他高性能纤维[8-9]，如芳纶、碳纤维等，具有较高的性价比和良好的工程应用价值。

本文采用一定比例的抗老化聚丙烯和高模高强聚乙烯醇混合针刺制备短纤土工布，以期提高产品的强度、耐酸碱/金属离子及抗紫外线辐射等性能，增强其在复杂严酷环境下的安全性和长效性，为以后的研究提供理论基础和指导。

1 实验部分

1.1 原 料

抗老化聚丙烯短纤，断裂强度为6.2 cN/dtex，断裂伸长率为16%，购自仪征化纤股份有限公司；高模高强聚乙烯醇短纤维，断裂强度为15.3 cN/dtex，断裂伸长率为6%，由安徽皖维集团有限责任公司提供。

1.2 工艺流程

图1示出抗老化PP/高模高强PVA土工布的制备工艺流程。在生产制备过程中需要注意：1)由于高模高强PVA纤维刚性大，线密度小，开松梳理以及针刺过程中应尽量柔和，特别是在针刺的过程中，过大的针刺密度和针刺深度易损伤纤维，甚至造成断裂，本文实验中所采用的针刺深度为8 mm，针刺密度为300刺/m2；2)高模高强PVA纤维密度小，在往复运动铺网过程中易产生漂移，从而造成非织造土工布的均匀度下降，应适当调整往复与底帘之间的距离，以40 cm为佳。

图1 PP/PVA土工布制备工艺流程Fig.1 Process flow of PP/PVA geotextile

1.3 性能测试

1.3.1微观形态观察

采用Quanta 200型扫描电子显微镜(荷兰)观察抗老化PP/高模高强PVA短纤维针刺土工布的内部微观形态，工作电压为20 kV。

1.3.2反滤性能测试

在XSB-88型振筛仪上测试等效孔径(O95)。

1.3.3干/湿强度测试

按照GB/T 17638—20017《土工合成材料 短纤针刺非织造土工布》，测试干态和在水中浸泡24 h的湿态样品的断裂强度。

1.3.4耐候性测试

参照GB/T 3681—2000《塑料自然气候暴露试验方法》进行耐候性测试。

1.3.5耐铜离子性能测试

将样品浸渍在25 ℃的硝酸铜溶液中，于72 h后取出，然后放入120 ℃的恒温烘箱中处理18 d，测试其强度的变化，以表征土工布的耐铜离子性能[4]。

2 结果与讨论

2.1 力学性能分析

表1示出高模高强PVA短纤维含量对土工布(面密度为400 g/m2)干态和湿态强度的影响。可以看出，随着PVA含量的增大，混合土工布干态强度和湿态强度都有较大的提升。纯聚丙烯土工布的干/湿态断裂强度分别为17.2、13.5 kN/m。当PVA含量为60%时，土工布的干/湿态断裂强度分别高达29.7、34.8 kN/m。一方面，高模高强聚乙烯醇强度较高，在外力作用下不易断裂，与PP短纤混合针刺可起到增强作用；另一方面，一般的土工布中聚丙烯短纤线密度为6.7 dtex，而高模高强PVA的线密度为2.2 dtex，如图2所示。在土工布中，有大量的高模高强聚乙烯醇纤维存在，其线密度较小，使得相互之间缠结紧密，从而提高了土工布的力学性能。

表1 PVA含量对土工布干/湿态断裂强度的影响Tab.1 Influence PVA content on dry/wet breaking strength property of goetextile

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

此外，从表1还可看出：纯聚丙烯土工布的干态强度高于湿态强度；但是PP/PVA土工布中，随着PVA含量的增大，从其含量为35%左右开始，其湿态强度高于干态强度，当PVA含量为60%时更加明显。这可解释为高模高强聚乙烯醇纤维是一种高结晶、高取向度的材料，湿态下由于水分子进入纤维内部，使大分子链之间的作用力减弱，增强了大分子链之间的滑移能力以及张力均匀性，从而使受力大分子数目增多，其力学性能提高[10]。PP虽然也是一种高分子材料，但其结晶度较低，水分子的进入会破坏其大分子间的排列和结合，从而使力学性能下降。这使得抗老化PP/高模高强PVA短纤混合土工布在水利工程或者在湿度较大的环境中具有独特的工程应用优势。

2.2 反滤性能分析

表2示出PVA含量对土工布反滤性能的影响。可以看出，随着混合土工布中PVA含量的增大，其等效孔径O95值减小，说明其垂直渗透系数减小。土工布在很多实际工程应用中起到反滤的作用，如长江航道治理、软基处理等。由于细旦丙纶强度低，在高速梳理和针刺过程中易造成纤维严重损伤，产品很难达到工程对土工布力学性能的要求，故一般选用6.7 dtex的丙纶作为短纤维针刺土工布的原料，以保证力学性能达到工程标准。此外，纤维较粗，也使得土工布的孔径较大，垂直渗透系数较大，影响了其反滤性能，特别是在软基处理工程中，对包覆在排水板外层的土工布孔径大小要求较为严格。

表2 PVA含量对土工布反滤性能的影响Tab.2 Influence of PVA content on permeability of geotextile

PP/PVA混合土工布不仅强度高，还具有等效孔径小，垂直渗透系数小的特点，相比纯PP土工布而言，其反滤性能更为优良。

2.3 耐候性能分析

土工布暴露在自然环境中，在紫外光、雨水、温度(高温或高寒)等因素的长期影响下，其力学性能会快速下降[11]，其中，紫外光对聚丙烯纤维的影响尤为显著。PP分子吸收光能之后，即被激发到电子激发态，若没有及时从激发态跃迁回基态，则会产生自由基，从而与空气中的氧气发生反应，即发生光氧反应；因此，聚丙烯纤维发生老化并不是与光发生反应，而是通过吸收光能，再与氧气发生反应。图3示出纯PP、抗老化PP和抗老化PP/PVA土工布在自然暴露老化实验中断裂强度随着时间变化的规律。

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

从图3可看出：纯PP土工布经过90 d的自然暴露老化实验后，力学性能下降最为明显，强度保持率在37%左右；抗老化PP土工布的强度保持率在58%左右，优于纯PP土工布。这说明抗老化剂的加入可部分缓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实验后其强度保持率大约为73%，比抗老化PP土工布有较为显著的提高。高模高强PVA纤维长时间暴露在紫外光下，受到的影响较小，因此，用其与抗老化PP混合制备土工布可提高非织造土工布的耐候性能。

2.4 表面形貌分析

图4示出抗老化PP和高模高强PVA在经过90 d耐候性实验后的表面形貌。可清楚地看出：抗老化PP由于长期在紫外线照射下发生了光氧化反应，大分子链发生断裂，纤维受损，表面呈现出大量裂痕、凹陷、剥落等不同形式的损伤，从而使纤维的力学性能受到较大影响；相反，高模高强聚乙烯醇纤维表面的损伤形式主要为凹陷，且损伤情况较小，因此，在90 d的耐候性测试后基本能保持纤维原有的力学性能。

图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 耐铜离子性能分析

聚丙烯在温度的作用下会发生热氧反应，与光氧化的原理相同，热能的吸收使聚丙烯分子从基态被激发至激发态，从而与氧气发生反应，铜离子在其中作为催化剂加速了此反应，使抗老化聚丙烯纤维的老化速度加快，铜离子的催化作用可用如下反应式[12]表示：

图5示出纯PP、抗老化PP和抗老化PP/PVA土工布的耐铜离子性能。1号样品为未经过硝酸铜溶液浸泡的纯PP土工布，2号样品为在硝酸铜溶液中浸泡72 h后的土工布。由图可知，在同样的温度下加热处理18 d后，1、2号样品的断裂强度保持率分别为77.2%和42.3%，说明铜离子对聚丙烯材料的热氧化反应有较为显著的催化作用。3号样品经过18 d的高温处理，其断裂强度保持率为44.6%，和2号样品相差不大，说明在铜离子的催化作用下，抗老化剂并不能有效地阻止聚丙烯纤维发生热氧化反应。

图5 土工布的耐铜离子性能Fig.5 Cupric ions resistance performance of geotextile

4号样品为抗老化PP/高模高强PVA混合土工布，经过18 d的高强处理后，其断裂强度保持率为64.3%，优于2、3号样品。这是由于高模高强聚乙烯醇纤维的高结晶和高取向度使其耐高温性能较为优良，只有在80 ℃以上且湿度较大的情况下，才会表现出明显的力学性能下降；在干热的情况下，其可长时间承受150 ℃以上的高温，在土工布实际应用中几乎不存在这种情况：因此，在硝酸铜溶液浸泡加热处理的过程中，无论是铜离子还是高温几乎均不会对其性能造成影响，纤维仍能够保持较高的力学性能，从而使得土工布的耐铜离子性能相比纯PP和抗老化PP土工布得到了提升。

3 结 论

1)高模高强PVA应用于土工布中，可明显地提高非织造短纤维土工布的力学性能，当PVA含量为60%时，其干/湿态强度分别为29.7、34.8 kN/m，分别是相同面密度抗老化聚丙烯土工布的1.7、2.6倍，且湿态强度大于干态强度；同时，其等效孔径较小，反滤性能优良。

2)抗老化PP/高模高强PVA短纤维混合土工布的耐候性和耐金属离子性能相比抗老化PP和纯PP土工布更为优良，力学性能和长效安全性得到了明显的提升。

3)抗老化PP/高模高强PVA短纤维混合土工布在强紫外线辐射地区(如新疆、西藏、四川等)和水利工程、含有金属离子废液的工程(如垃圾填埋场、尾矿处理工程)等领域具有其独特的优势。

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