高强粗旦聚丙烯纺黏针刺非织造土工布的耐久性研究*

聂松林 姜瑞明 镇 垒 孙丰华 李洪昌 钱竞芳 王先锋

1.天鼎丰聚丙烯材料技术有限公司，山东 德州 251500；2.东华大学纺织学院，上海 201620

非织造土工布是将纤维进行定向或随机排列形成纤网后，采用机械加固的方式制成的一种土工材料[1]。非织造土工布中纤维相互叠加，内部呈三维结构，具有良好的力学各向同性、延伸性和水力学性能，且加工简单、成本较低，已成为世界土工布的主要发展方向[2-3]。非织造土工布按所用原料的不同，可分为聚酯非织造土工布、聚丙烯非织造土工布、聚酰胺非织造土工布、聚乙烯醇非织造土工布、黄麻非织造土工布、聚乙烯非织造土工布及聚乳酸非织造土工布等。目前，应用最普遍的是聚酯非织造土工布和聚丙烯非织造土工布。聚酯非织造土工布强力高、熔点高，具有优良的韧性、蠕变特性与抗老化性能，但缺点是耐碱性较差，难以满足工程要求。聚丙烯非织造土工布强度较高、耐酸碱性好、耐磨性好，且耐腐蚀、耐霉变、耐低温，具有较好的芯吸效应和渗水性能，其密度小、价格低廉，在土木工程领域应用广泛，尤其是在地下和高寒等恶劣环境中具有不可替代的地位[4-5]。其中，高强粗旦聚丙烯纺黏针刺非织造土工布较普通聚丙烯非织造土工布具有更高的强度与更大的孔隙率，力学及水力学性能更优异。

土工布的耐久性直接影响工程的可靠性和安全性。本文将通过耐酸碱、室外自然老化、抗热氧老化和抗冻融试验，对高强粗旦聚丙烯纺黏针刺非织造土工布(下文简称“土工布A”)、聚酯纺黏针刺非织造土工布(下文简称“土工布B”)和抗紫外线(UV)高强粗旦聚丙烯纺黏针刺非织造土工布(下文简称“土工布C”)的耐久性进行试验研究，以期为工程的实际应用提供参考。

1 试验部分

1.1 试验原料与设备

聚丙烯切片(PPH-Y24，中石化济南分公司)；聚酯切片(非织造布专用，中石化天津分公司)；抗UV母粒[4004-F60-400，奥美凯聚合物(苏州)有限公司]。

TCS-2000型电子土工布综合强力试验机；JSM-5600 LV型扫描电子显微镜(SEM)。

1.2 试样制备

本文制备了不同面密度的土工布用于各种耐久性研究。其中：耐酸碱性测试采用面密度均为200 g/m2的土工布A和土工布B；室外自然老化测试使用面密度均为600 g/m2的土工布A、土工布B和土工布C；抗热氧老化性能测试使用面密度为120 g/m2的土工布A，由于聚酯土工布的抗热氧老化性能本来就优于聚丙烯土工布，故本文不研究土工布B的抗热氧化老化性能；抗冻融性能测试使用面密度为400 g/m2的土工布A和土工布B。所有测试样的制取均按照GB/T 13760—2009《土工合成材料 取样和试样准备》进行。

1.3 试验方法

1.3.1 耐酸碱性测试

耐酸性测试所用溶液由H2SO4溶液稀释配制而成，制成的稀H2SO4溶液的pH值为2。纵横向各取5块测试样，尺寸均为240 mm×200 mm，室温下将测试样浸泡于稀H2SO4溶液中，每天搅拌1次，每10 d取样测试其面密度、断裂强度和断裂伸长率，并计算相应指标的保持率，结果取平均值。该测试需持续30 d。

耐碱性测试所用溶液由Ca(OH)2溶于水配制而成，并装于室内大型桶中，制成的Ca(OH)2溶液的pH值为12。纵横向各取5块测试样，尺寸均为240 mm×200 mm，室温下将测试样浸泡于Ca(OH)2溶液中，盖上盖子，每天搅拌1次，每30 d取样，烘干后测试其断裂强度和断裂伸长率，并计算相应指标的保持率，结果取平均值。该测试需持续180 d。

1.3.2 室外自然老化性能测试

纵横向各取5块1 500 mm×1 000 mm的测试样放置于楼顶平台上(北纬N37°18′、东经E116°87′、海拔19.72 m)，测试样4个角用沉重物压住并固定，定期采取测试样并测试其断裂强度及断裂伸长率，计算相应指标的保持率，结果取平均值。测试时间从2016年12月21日开始，并于2017年9月20日结束，共计9个月。

1.3.3 抗热氧老化性能测试

纵横向各取5块尺寸均为240 mm×200 mm测试样。依据ISO 13438-2018Geosynthetics-screeningtestmethodfordeterminingtheresistanceofgeotextilesandgeotextile-relatedproductstooxidation，先将测试样于80 ℃水中浸泡28 d，再将测试样分别暴露于100 ℃的空气中28、56和112 d，测试其断裂强度及断裂伸长率，并计算相应指标的保持率，结果取平均值。

1.3.4 抗冻融性能测试

纵横向各取5块尺寸均为240 mm×200 mm测试样。将测试样置于-20 ℃的环境中冷冻24 h后，取出并恢复至常温，此为1次冻融循环。测试并计算测试样经过10次和20次冻融循环后的断裂强度及断裂伸长率，并计算相应指标的保持率，结果取平均值。

2 试验结果与分析

2.1 耐酸碱性

2.1.1 耐酸性

测试样的耐酸性测试结果如图1和图2所示。

图1 土工布A的耐酸性

图2 土工布B的耐酸性

从图1和图2可以看出：土工布A在pH值为2的酸性环境中浸泡30 d后，其面密度基本没有损失，纵、横向断裂强度和断裂伸长率的保持率均在90.0%以上；土工布B在pH值为2的酸性环境中浸泡30 d后，其面密度也基本没有损失，但纵横向断裂强度和断裂伸长率则出现明显下降。这表明，与土工布B相比，土工布A在酸性环境下的面密度和拉伸性能具有更好的保持性，其耐酸性更优。这是因为聚丙烯主要由大量无极性烷烃链构成[6]，在酸性环境下具有较高的稳定性，而聚酯的主要成分为聚对苯二甲酸乙二醇酯，其存在大量极性基团，在酸的作用下部分极性基团被破坏，导致分子链发生变化，故而拉伸性能下降，耐久性变差。

测试样的耐碱性测试结果如图3和图4所示。

图3 土工布A的耐碱性

图4 土工布B的耐碱性

从图3和图4可以看出：(1)整个测试过程中，土工布A的面密度基本没有损失，纵、横向断裂强度和纵、横向断裂伸长率随着浸泡时间的增加呈下降趋势，但下降较为平缓，浸泡180 d后面密度保持率仍在100.0%左右、纵向断裂强度保持率为85.1%、横向断裂强度保持率为97.3%，这都表明土工布A在强碱性环境下具有较高的稳定性；(2)整个测试过程中，土工布B的面密度和纵横向断裂强度出现明显下降，其中断裂强度的下降呈先平缓后剧烈的趋势，浸泡180 d后面密度保持率在76.7%、纵向断裂强度保持率为51.0%、横向断裂强度保持率为48.1%。

综上可以看出，与土工布B相比，土工布A在pH值为12的碱性环境中，面密度和拉伸性能都具有更好的保持性，且其耐碱性能更优。原因在于，聚酯的主要成分聚对苯二甲酸乙二醇酯在碱性条件下会发生逆向水解，生成对苯二甲酸和乙二醇，故而质量减小，面密度下降，拉伸性能受影响较大；且随着时间的推进，这种水解反应不仅只发生在纤维表面，还会深入到纤维内部，故土工布B纵、横向断裂强度的下降呈先缓慢后剧烈的趋势。而聚丙烯分子链上只有甲基基团，没有其他活性基团，这使得聚丙烯分子的反应活性极低，其具有优异的耐化学腐蚀性能，不会与酸、碱发生反应，所以土工布A在碱性环境中仍能保持较高的力学性能。

图5所示的SEM照片则进一步验证了聚酯在55 ℃、pH值为12的碱性溶液中的水解性能。从SEM照片可清晰看出，经碱浸泡12周的聚酯纤维表面产生了大量的凹陷，水解导致聚酯纤维的分子链断裂，相对分子质量减小，土工布B的面密度和纵、横向断裂强度下降；而高强粗旦聚丙烯纤维经碱浸泡后则未受影响。

图5 土工布A和土工布B在55 ℃、pH值为12的碱性溶液中处理12周后纤维的SEM照片

2.2 室外自然老化性能

土工布耐老化性能的测试方法有实际应用老化法、室外自然老化法和人工加速老化法等[7]。其中，室外自然老化法是将材料直接暴露于室外环境中，材料会充分接受大气综合因素的作用。该测试方法简单，结果较接近实际，所得材料的室外自然老化性能数据更真实、准确，故而能更好地为实际工程应用提供数据支持。

测试样放置于室外露天环境的拉伸性能随时间变化的关系如图6所示。室外放置9个月后3种测试样的外观形貌如图7所示。

图6 测试样室外自然老化性能结果

图7 测试样室外自然老化9个月后的外观形貌

从图6可以得出以下结论。

(1)在室外露天环境下，土工布A的纵、横向断裂强度和断裂伸长率的下降速度快于土工布B，尤其是室外放置3个月后，前者各项指标开始剧烈下降，室外放置6个月后前者纵向断裂强度保持率只有26.0%、横向断裂强度保持率只有35.4%，纵向断裂伸长率保持率为45.0%、横向断裂伸长率保持率为59.0%，室外放置9个月后前者布面已粉化并完全失去作用。这都表明土工布A耐光氧老化性能较差，其在日光直射下比土工布B更易老化，这与聚丙烯大分子中碳氢长链结构在光的作用下易被破坏有关。其中，前3个月拉伸性能下降缓慢有两方面原因，一是前3个月属冬春交接，加之测试地点为北半球，紫外线强度较弱；二是紫外线对土工布的作用存在一个过程。

1994年中国足球走向职业化道路，建立了甲级A组联赛(简称甲A)，到2003年十年间中国职业足球的发展获得了初步的效果，社会各界对中国足球联赛的关注度不断提高，中国足球职业联赛也逐步建立起了有自身特色的模式。2004年中国足球协会超级联赛在天津正式开幕(简称中超)，开创了中国足球的新纪元，它是参照英超联赛制度进行完善的，但发展效果并不理想。中超联赛发展期间暴露了很多问题，例如运营管理、联赛的公平性等问题严重阻碍了联赛发展。因此，有必要对中超联赛的运营管理、组织传播、上座率、引进外籍球员等问题进行深入研究。通过研究中超联赛的现状、存在的问题与原因，寻找解决方法，有助于足球改革发展的顺利进行。

(2)土工布C的耐老化性能较土工布A大幅提高，其在同等条件的室外放置3个月后，纵横向断裂强度不降反升，室外放置9个月后，纵向断裂强度保持率为82.5%、横向断裂强度保持率为82.8%，均在80.0%以上，高于土工布B的纵、横向断裂强度保持率(63.7%和68.5%)。这是因为光老化过程中，聚丙烯高分子中的叔碳原子受到光能作用产生了许多自由基，这些自由基会引起分子链的断裂、增长、交联等反应。紫外老化前期，链增长和交联作用明显，故断裂强度出现小幅增加；随着紫外老化的进行，链断裂的影响显现，但由于抗UV母粒的作用，断裂强度下降较少。

2.3 抗热氧老化性能

土工布A测试样的抗热氧老化性能测试结果如图8所示。

图8 土工布A的抗热氧老化性能

从图8可以看出，随着热氧老化时间的增加，土工布A的纵横向断裂强度保持率先超过100.0%后降至100.0%以下，断裂强度均呈现先增加后减小的趋势。究其原因，聚丙烯属结晶型高分子化合物，聚丙烯纤维的强度与其分子链内部的结晶及取向有关。热氧化初期的高温使得聚丙烯分子链的结晶和取向进一步提升，故纵横向断裂强度提高；随着热氧化的进行，其对材料的影响逐渐显现，老化开始向材料内部扩展，聚丙烯大分子结构发生破坏，材料断裂强度下降[8-9]。图8中，土工布A先在80 ℃水中浸泡28 d，再在100 ℃的空气中暴露112 d后，纵向断裂强度保持率为83.5%，横向断裂强度保持率为78.7%，纵、横向断裂伸长保持率均在60.0%以上，表明其具有良好的抗热氧老化性能。

2.4 抗冻融性能

抗冻融性能可反应材料在极端气候条件下的使用性能。测试样的抗冻融性能如图9所示。

图9 测试样的抗冻融性能

从图9可以看出：土工布A在冻融循环20次后，其断裂强度和断裂伸长率的保持率都在95.0%以上，损失较小。而土工布B冻融循环10次后，其断裂强度与断裂伸长率的保持率已经下降到80.0%以下；冻融循环20次后，其断裂强度与断裂伸长率的保持率已下降到60.0%左右。可见，相较于土工布B，土工布A具有更好的抗冻融性能，更适宜在极端气候条件下的工程应用中使用。

3 结论

通过对土工布A、土工布B及土工布C进行试验研究，得出：

(1)土工布A具有优异的耐酸碱性能，其能在pH值为2～12的环境中保持拉伸性能稳定，而土工布B的耐酸碱性较差，尤其是在碱性环境下易发生水解，断裂强度快速下降；

(2)土工布A本身的耐光氧老化性能较弱，暴露于室外露天环境中易老化失去作用，但添加一定成分的抗UV助剂后，其耐老化性能大幅提高，能在室外露天环境中稳定使用；

(3)土工布A具有优异的抗热氧老化性能，其先在80 ℃水中浸泡28 d，再在100 ℃的空气中暴露112 d后，纵向断裂强度保持率为83.5%，横向断裂强度保持率为78.7%，纵横向断裂伸长保持率也都在60.0%以上。

(4)土工布A具有优异的抗冻融性能，能适应冬季极寒天气条件及昼夜温差较大区域的温度反复变化，并保持自身性能的稳定。