植物纤维沙障的抗紫外老化性能研究*

顾梦圆 闫 容 丁志荣

南通大学纺织服装学院，江苏 南通 226019

土地荒漠化会对农田、交通、水库、灌渠及居民点造成极大的危害，如不加控制，风沙的流动会进一步导致土地荒漠区域面积的不断扩大。在人类与土地荒漠化的斗争过程中，科研工作者们做出了大量的努力，探索并提出了一批又一批富有成效的防沙、治沙措施[1-3]。

机械沙障作为21世纪新型的环保防沙材料，已开始应用于土地荒漠化的治理工作中，且发展前景广阔[4-6]。传统的机械沙障通过在沙面上设置机械或植物障碍物，以此控制风沙的流动，改变地表的蚀积状况，达到防风阻沙及改变地貌的目的[7-8]。常见的机械沙障有稻草、枝条、塑料网及尼龙网等。由稻草、枝条等材料制作的沙障在使用过程中，土壤内埋置部分可能会出现腐烂现象；由尼龙网、塑料网等制造的沙障不仅造价高，而且材料自身不易降解，易破坏生态，造成污染。因此，固沙效果持久且对环境无污染的沙障——植物纤维沙障应运而生。

植物纤维既能在预期的使用寿命周期内具有化纤材料沙障的防沙效果，又能在预期的使用寿命周期结束时充分地自然降解。目前，基于机织物的植物纤维沙障已开始投入试用，并已在防风固沙中初见成效。

荒漠化地区的气候环境条件比普通地区要极端很多，但其环境状态比较稳定。本文将以纯棉沙障为例，利用紫外光耐气候老化试验箱，在实验室模拟纯棉沙障的自然光照老化过程，并通过改变老化时间及光照温度，研究紫外老化条件对纯棉沙障断裂强力及硬挺度的影响。

1 试验部分

1.1 试验材料与仪器设备

试验材料：纯棉织物，经纬纱密度皆为55根/(10 cm)； 硬挺剂GQ-800HH，南通斯恩特纺织科技有限公司；催化剂氯化铵，西陇化工股份有限公司；蒸馏水。

试验仪器：PB1横式轧染机(厦门瑞比精密机械有限公司)、101AB-1电热恒温鼓风干燥箱(上海联华环境试验设备公司恒昌仪器厂)、R-3自动定型烘干机(厦门瑞比精密机械有限公司)、BN/UVA-340紫外光耐气候老化试验箱(常州邦纳试验设备制造科技有限公司)、YG026H型电子强力机(温州方圆仪器有限公司)、LFY-207自动织物硬挺度试验仪(山东省纺织科学研究院)。

1.2 纯棉沙障制备过程

利用轧染机对纯棉织物二浸二轧，轧液中GQ-800HH质量浓度为300 g/L、氯化铵质量分数为3%，设置轧液率为95%；再在110 ℃的条件下预烘3 min，160 ℃的条件下焙烘90 s，即完成对纯棉织物的硬挺整理，得到纯棉沙障。

1.3 试验方法

1.3.1 织物紫外老化

为在实验室内模拟纯棉沙障的自然光照老化过程，先将纯棉沙障按照拉伸性能测试及弯曲性能测试的要求，裁剪出相应尺寸的测试样。其中，拉伸性能测试样尺寸为(50.0±0.5) mm×(200.0±1.0) mm，弯曲性能测试样尺寸为(25.0±1.0) mm×(250.0±1.0) mm。再参照GB/T 31899—2015《纺织品 耐候性试验 紫外光曝晒》标准，将部分测试样安装在试样夹上，放入紫外光耐气候老化试验箱中进行紫外老化试验(图1)，另一部分测试样留作对比样。采用UVA-340荧光紫外灯管作为紫外灯光源。设置紫外光耐气候老化试验箱中的光照强度为0.89 W/m2，老化时间参照表1分别设置。测试时，按照使用要求向紫外光耐气候老化试验箱中添加蒸馏水，以保持箱内水分充足。

图1 紫外光耐气候老化试验箱截面结构示意

机外老化时间/月机内老化时间/h55 ℃60 ℃65 ℃627.024.622.81254.049.245.624108.098.491.236162.0147.6136.8

1.3.2 拉伸断裂性能测试

为测量纯棉沙障在不同光照温度和老化时间作用下的断裂强力的变化，采用YG026H型电子强力机对紫外老化处理前后的测试样进行拉伸强度的测试。根据GB/T 3923.1—2013《纺织品 织物拉伸性能 第1部分：断裂强力和断裂伸长率的测定(条样法)》的要求，设置预加张力为2 N、隔距长度为2 m、拉伸速度为20 mm/min。测试样以均匀的速度拉伸至断裂，记录下测试样能够承受的最大载荷即断裂强力。每种试样测试5块，测试结果取平均值。

1.3.3 织物弯曲性能测定

根据GB/T 18318—2001《纺织品 织物弯曲长度的测定》，每种试样准备6块测试样，其中3块测试样的长边平行于织物经向，另外3块测试样的长边平行于织物纬向。取样时，测试样至少距离布边100.0 mm，并尽可能减少用手触摸。

将测试样放置于弯曲长度仪的平台上，测试样一端与平台的前缘重合。钢尺放于试样表面，钢尺的零点与平台上的标记点对准。接着，以一定的速度推动钢尺和试样，使试样伸出平台的前缘，试样在自身重力的作用下弯曲，得到弯曲长度。重复以上步骤，对同一试样的另一面进行试验。最后，重复对试样的另一端的两面进行试验。试验结果取平均值。弯曲长度能反映出织物的硬挺度。

2 结果分析

2.1 光照温度的影响

为研究不同光照温度对纯棉沙障老化性能的影响，试验在机内老化时间分别为54.0、49.2及45.6 h即等同于机外老化时间为12个月不变的前提下，改变光照温度，观察光照温度分别为55、60、65 ℃时纯棉沙障的断裂强力和弯曲长度，并与常温(25 ℃)下未老化的纯棉沙障的断裂强力和弯曲长度作比较(图2)。

图2 光照温度对纯棉沙障断裂强力及弯曲长度的影响

从图2可以看出：

(1) 纯棉沙障的断裂强力随光照温度的升高而降低，且降低幅度越来越明显。其中，当机外光照温度为65 ℃时，纯棉沙障的断裂强度较常温时下降了约18%。

(2) 纯棉沙障的弯曲长度随着光照温度的升高呈上升趋势。

上述现象与棉纤维的分子结构发生了变化有关。棉纤维素长链在紫外光的照射下会发生断裂而变短，聚合度降低[9-10]，且棉纤维素长链的断裂主要发生在无定形区。随着温度的增加，发生断裂的棉纤维素长链更多，故纯棉沙障经紫外光照射后断裂强力降低，弯曲长度增加。

2.2 老化时间的影响

为研究不同老化时间对纯棉沙障老化性能的影响，试验在保证光照温度为60 ℃不变的前提下，改变老化时间，观察机内时间分别为24.6、49.2、98.4及147.6 h(即等同于机外老化时间分为6、12、24及36个月)时纯棉沙障的断裂强力和弯曲长度，并与常温(25 ℃)下未老化的纯棉沙障的断裂强力和弯曲长度作比较(图3)。

图3 老化时间对纯棉沙障断裂强力及弯曲长度的影响

分析图3可知：随着老化时间的增加，纯棉沙障的断裂强度逐渐降低，弯曲长度逐渐增加。其中，在机内老化处理的前24.6 h即机外老化处理的前6个月，纯棉沙障的断裂强度下降较平缓，且弯曲长度与常温下未老化处理的纯棉沙障相比变化不明显；当机内老化处理超过49.2 h即机外老化处理12个月后，纯棉沙障的断裂强力下降明显，较常温下未老化处理的纯棉沙障最大降幅约为35%，但数值仍在有效范围内。

3 结论

在模拟的36个月的机外老化时间内，随着光照温度及老化时间的增加，纯棉沙障的断裂强力降低，弯曲长度增加，但断裂强力仍在有效范围内，可见硬挺整理改善了纯棉沙障的断裂强度，延长了纯棉沙障的使用寿命，可用于荒漠地区风沙的防治。