聚丙烯纺黏针刺土工布的力学和耐光氧老化性能*

位华瑞 王 超 左文静 刘高慧 俞建勇 丁 彬 王先锋，

1.东华大学纺织学院，上海 201620；2.东华大学纺织科技创新中心，上海 200051

随着我国基础建设的快速发展，水利大坝、高速公路、高速铁路、矿山、垃圾填埋场等领域对高性能土工建筑材料的需求激增。“十三五”期间，国家高度重视土木建筑行业，科技部也启动了重点研发计划专项项目，提出了土工建筑增强材料的研制等研发工作[1]。在所有的土工建筑材料中，土工布属于一类重要的材料，其主要由热塑性聚合物制成，为一种具有渗透性和柔性的材料，具有过滤、排水、隔离、加筋、防渗及保护等功能[2]，广泛应用于公路、铁路、水利、军事及环保等工程领域[3-5]。

土工布按照加工和生产方式的不同可以分为织造土工布、非织造土工布和复合土工布[6]。非织造土工布因具有生产流程短、成本低、水力学性能优异等特点，已成为土工行业的主要研究方向。目前，非织造土工布在全球土工布总量中的占比约为70%，在我国土工布总量中的占比为60%左右[7]。近年来，继天鼎丰控股有限公司在国内实现了聚丙烯纺黏针刺土工布的产业化生产后，聚丙烯纺黏针刺土工布已成为非织造土工布行业研究的热点。聚丙烯纺黏针刺土工布具有模量高、延伸性好、抗撕破、耐刺穿、耐酸碱、耐低温、耐霉变及成本低等优点，在恶劣环境中尤其在酸、碱及高寒环境中具有不可替代的作用[8-9]。然而，聚丙烯在使用过程中易受到氧气、光照、温度及湿度等因素的影响而发生老化降解，极大地影响其在土木工程领域的应用[10-12]。

力学性能是土工布在工程应用中最基本和最重要的性能，土工布的耐久性直接影响工程的可靠性和安全性。紫外辐射是导致聚丙烯土工布降解的主导因素，土工布的老化实质上是其在紫外辐射作用下的光氧老化[13]。目前，国内关于聚丙烯纺黏针刺土工布力学性能和耐光氧老化性能的研究较少。基于此，本文主要对聚丙烯纺黏针刺土工布的力学性能和耐光氧老化性能进行测试和分析。研究旨在为提高我国聚丙烯纺黏针刺土工布的产品质量，拓宽其在土木工程领域的应用，提供参考。

1 试验部分

1.1 试验材料

聚丙烯切片，熔融指数(MI)为23 g/(10 min)，中国石油化工股份有限公司提供；聚酯切片，MI为23 g/(10 min)，中国石油化工股份有限公司提供；UV 88抗老化母粒、灰色母粒，巨奇塑胶江苏有限公司提供。

1.2 试验仪器及设备

CMT-50型电子万能试验机(天津美特斯试验仪器厂)、YG(B)611QUV型紫外老化箱(温州市大荣纺织仪器有限公司)、FY 3000+型水冷式日晒气候老化仪(温州市方圆仪器有限公司)。

1.3 试样制备

采用纺黏法和针刺加固工艺，以聚丙烯切片、聚酯切片、灰色母粒和UV 88抗老化母粒为原料，在相同的工艺参数下，制备表1所示的6种纺黏针刺土工布试样。

表1 土工布试样的制备方案

1.4 性能测试

1.4.1 力学性能测试

(1)拉伸性能测试：参照GB/T 15788—2017《土工合成材料 宽条拉伸试验方法》测试试样的抗拉强度和断裂伸长率。

(2)撕破强力测试：参照GB/T 13763—2010《土工合成材料 梯形法撕破强力的测定》测试试样的撕破强力。

(3)顶破强力测试：参照GB/T 14800—2010《土工合成材料 静态顶破试验(CBR法)》测试试样的顶破强力。

(4)刺破强力测试：参照GB/T 19978—2005《土工布及其有关产品 刺破强力的测定》测试试样的刺破强力。

1.4.2 耐光氧老化性能测试

(1)荧光紫外灯老化试验：参照GB/T 31899—2015《纺织品 耐候性试验 紫外光曝晒》，将土工布试样放入YG(B)611QUV型紫外老化箱中，设定循环条件——辐照度为0.89 W/m2，黑板温度为60 ℃下曝晒8 h，黑板温度为50 ℃下冷凝4 h。分别在试验进行到12、24和48 h时取样，测试试样的抗拉强度与断裂伸长率，计算试样的抗拉强度保留率。

(2)氙弧灯老化试验：参照GB/T 16422.2—2014《塑料实验室光源暴露试验方法 第2部分：氙弧灯》，将土工布试样放入FY 3000+型水冷式日晒气候老化仪中；设定辐照度为60.00 W/m2，黑板温度为65 ℃，空气湿度为50%，按102 min的光照加18 min的喷淋为一个周期，对土工布试样进行氙弧灯老化试验。分别在试验进行到24、48和72 h时取样，测试试样的抗拉强度，计算试样的抗拉强度保留率。

2 试验结果与分析

2.1 力学性能分析

2.1.1 拉伸性能分析

土工布为一种柔性材料，在对土工布进行加筋、隔离、护坡、反滤或垫层等应用设计时，均要求其具有足够的强度和伸长率。抗拉强度和伸长率是土工布最基本的力学指标[14]。6种试样的纵横向抗拉强度-伸长率曲线如图1和图2所示。

图1 土工布纵向抗拉强度-伸长率曲线

图2 土工布横向抗拉强度-伸长率曲线

由图1和图2可知，试样2的纵横向抗拉强度与断裂伸长率均高于试样1，表明在相同工艺参数下，聚丙烯纺黏针刺土工布的拉伸性能优于聚酯纺黏针刺土工布，即聚丙烯纺黏针刺土工布承载负荷的能力较大，在土木建筑领域的应用更具优势。

除试样4和试样5外，其余试样的抗拉强度和断裂伸长率在纵横向差异不大，表明采用纺黏针刺法制得的聚丙烯和聚酯土工布产品均具有良好的各向同性；同时也表明在原料中添加色母粒或抗老化母粒后，由于这些母粒与聚丙烯切片的共混性较差，影响纺黏过程的均匀性，导致产品的各项异性增加。试样5的纵横向抗拉强度均高于相同面密度的试样3和试样4，主要是由于抗老化母粒的加入改善了纤维的结晶性能[15]，从而使纤维的强度提高，土工布产品的抗拉强度增大。

由试样2、试样3和试样6可知，聚丙烯纺黏针刺土工布的抗拉强度随着其面密度的增大而提高，这是因为随着土工布面密度的增大，其厚度增加，纤维之间的接触增多，且单根纤维与周围纤维产生的缠结和抱合增多，导致土工布产品的抗拉强度提高。

2.1.2 撕破强力分析

土工布在铺设和实际使用过程中，会不可避免地产生不同程度的破损裂口。撕破强力反映材料在有破损裂口的情况下抵抗裂口继续扩大的能力[16]。6种试样的纵横向撕破强力测试结果如图3所示。

图3 土工布的纵横向撕破强力

由图3可知，试样2的纵横向撕破强力接近试样1的2倍，表明在相同工艺参数下，聚丙烯纺黏针刺土工布的纵横向撕破强力远大于聚酯纺黏针刺土工布，即聚丙烯纺黏针刺土工布在出现破损裂口时，抵抗裂口继续扩大的能力远胜于聚酯纺黏针刺土工布。

与其余试样相比，试样4和试样5的纵横向撕破强力差异较大，原因主要是色母粒和抗老化母粒未能与聚丙烯切片均匀混合，导致土工布的纵横向撕破强力存在差异。由试验结果还可以看出，加入抗老化母粒后，聚丙烯土工布的撕破强力得以提升。

由试样2、试样3和试样6可知，聚丙烯纺黏针刺土工布的撕破强力随着其面密度的增大而提高。这是因为材料的撕裂破坏作用起初是由撕裂三角区的局部应力产生的，且随着撕裂应力区的扩大，撕裂破坏作用转变成因大面积的拉伸而产生[17]。因此，聚丙烯纺黏针刺土工布撕破强力和抗拉强度的变化趋势一致，均随着土工布面密度的增大而提高。

2.1.3 顶破强力分析

在工程应用中，土工布通常被置于两种不同粒径的颗粒状材料之间，受颗粒状材料的顶压作用。施工中，其也会经受抛填粒料引起的法向载荷作用。顶破强力反映材料抵抗垂直于材料平面的法向压力的能力[18]。6种试样的CBR顶破强力测试结果如图4所示。

图4 土工布的CBR顶破强力

由图4可知，相同工艺参数下，聚丙烯纺黏针刺土工布的CBR顶破强力略大于聚酯纺黏针刺土工布。色母粒或抗老化母粒的添加影响聚酯纺黏针刺土工布的CBR顶破强力。聚丙烯纺黏针刺土工布被顶破时，会出现一个隆起的纤维包，纤维呈松散化和断裂状。影响材料顶破强力最直接的因素是材料的拉伸断裂强力，顶破强力随着材料纵横向拉伸断裂强力的增大而提高[19]。故聚丙烯纺黏针刺土工布的顶破强力与抗拉强度的变化成正比，均随着土工布面密度的增大而提高。

2.1.4 刺破强力分析

刺破强力指试样在小面积上受到法向集中荷载，直至破裂所能承受的最大力。刺破强力反映土工布抵抗树根压入或有棱角的石子等尖锐物的能力。6种试样的刺破强力测试结果如图5所示。

图5 土工布的刺破强力

由图5可知，相同工艺参数下，聚丙烯纺黏针刺土工布的刺破强力大于聚酯纺黏针刺土工布，表明聚丙烯纺黏针刺土工布抵抗小面积集中荷载的能力优于聚酯纺黏针刺土工布。材料的刺破强力与顶破强力类似，其主要受材料抗拉强度的影响。随着聚丙烯纺黏针刺土工布纵横向抗拉强度的增大，刺破强力提高。同样，聚丙烯纺黏针刺土工布的刺破强力随着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试验方法有实际应用老化、室外自然老化和人工加速老化3种[20]。室外自然老化和实际应用老化由于时间周期长、劳动强度大，因此适用性较差；而人工加速老化具有加速老化条件稳定、可比性强、试验周期短、重现性较好等优点[21]，目前土工行业普遍采用荧光紫外灯法和氙弧灯法这两种人工加速老化试验方法测试土工布的耐光氧老化性能。

本文分别采用荧光紫外灯法和氙弧灯法，测试试样3～试样5的耐光氧老化性能。

2.2.1 荧光紫外灯法试验结果与分析

聚丙烯纺黏针刺土工布试样(试样3～试样5)的荧光紫外灯法耐光氧老化性能测试结果如图6所示。

图6 试样纵横向抗拉强度保留率与紫外老化时间的关系

由图6可以看到，3种试样在经紫外光照射后，抗拉强度保留率均呈下降趋势。其中，试样3的降幅最大，紫外光照射48 h后其纵向抗拉强度保留率为63.3%，横向抗拉强度保留率为62.5%；试样4经紫外光照射48 h后的纵向抗拉强度保留率为77.8%，横向抗拉强度保留率为72.1%；试样5的降幅最小，照射48 h后其纵向抗拉强度保留率为94.9%，横向抗拉强度保留率为91.8%。表明试样5的耐光氧老化性能最好，试样4次之，试样3的耐光氧老化性能最差。这是因为纯聚丙烯耐光氧老化性能较差；灰色母粒为一种光屏蔽剂，能吸收大量的可见光，反射紫外光；而UV 88抗老化母粒为一种受阻胺类光稳定剂，能够在聚丙烯光氧老化过程中发挥捕获自由基、分解过氧化物等作用，从而大幅降低链式氧化反应总速率[22]。因此，在原料中添加灰色母粒或UV 88抗老化母粒可提高聚丙烯纺黏针刺土工布的耐光氧老化性能，且添加UV 88抗老化母粒后，聚丙烯纺黏针刺土工布的耐光氧老化性能提升显著。

2.2.2 氙弧灯法试验结果与分析

聚丙烯纺黏针刺土工布试样(试样3～试样5)的氙弧灯法耐光氧老化性能测试结果如图7所示。

图7 土工布纵横向抗拉强度保留率与氙灯老化时间的关系

由图7可以看出，3种试样在经氙灯照射后，抗拉强度保留率也均呈下降趋势。其中，试样3的抗拉强度保留率降幅最大，照射72 h后其纵向抗拉强度保留率为43.0%，横向抗拉强度保留率为45.8%；试样4照射72 h后的纵向抗拉强度保留率为60.3%，横向抗拉强度保留率为58.4%；试样5的降幅最小，照射72 h后的纵向抗拉强度保留率为90.8%，横向抗拉强度保留率为90.2%。表明试样5的耐光氧老化性能最好，试样4次之，试样3的耐光氧老化性能最差。该试验结果与荧光紫外灯老化试验的试验结果一致，均表明纯聚丙烯制成的纺黏针刺土工布的耐光氧老化性能较差，在原料中添加灰色母粒或UV 88抗老化母粒可提高其耐光氧老化性能，且添加UV 88抗老化母粒后，聚丙烯纺黏针刺土工布的耐光氧老化性能提升显著。

3 结论

(1)相同工艺条件下，聚丙烯纺黏针刺土工布的力学性能优于聚酯纺黏针刺土工布。

(2)采用纺黏针刺法生产的非织造土工布产品具有良好的各向同性；灰色母粒、抗老化母粒的添加影响土工布产品的力学性能和各向同性，生产中需考虑其与原料的共混性问题。

(3)聚丙烯纺黏针刺土工布的抗拉强度、撕破强力、顶破强力和刺破强力均随着其面密度的增大而提高。

(4)纯聚丙烯制成的纺黏针刺土工布的耐光氧老化性能较差。

(5)在原料中添加灰色母粒或UV 88抗老化母粒，可提高聚丙烯纺黏针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显著。