丙綸長絲非織造土工布的性能及其應(yīng)用

黃順偉，錢曉明，周 覓

(天津工業(yè)大學(xué) 紡織學(xué)院，天津 300387)

丙綸長絲非織造土工布的性能及其應(yīng)用

黃順偉，錢曉明，周 覓

(天津工業(yè)大學(xué) 紡織學(xué)院，天津 300387)

簡述了滌綸和丙綸長絲的生產(chǎn)技術(shù)現(xiàn)狀，比較分析了滌綸與丙綸非織造土工布的耐堿性、力學(xué)性能、抗穿刺性及瀝青浸漬后性能，以及丙綸長絲非織造土工布的應(yīng)用前景。

丙綸長絲；土工布；產(chǎn)品性能；應(yīng)用前景

土工布具有良好的加固、防護、隔離、排水、過濾、防滲、防漏等功能，被廣泛用于公路鐵路、土木工程、水利工程、環(huán)保工程等領(lǐng)域，并同木材、鋼材、水泥一起被稱為四大建筑材料[1-2]。根據(jù)加工和生產(chǎn)方式不同土工布分為機織土工布、編織土工布、非織造土工布和復(fù)合土工布[3]，其中非織造土工布按成網(wǎng)和加固方法不同又分為紡黏法針刺非織造土工布、短纖針刺非織造土工布和熱熔黏合法非織造土工布。前者具有質(zhì)地均勻，強力高，伸長率好，生產(chǎn)率高，成本最低等優(yōu)點，應(yīng)用范圍廣；中者具有質(zhì)地松軟，結(jié)構(gòu)蓬松，吸水滲水性能好等優(yōu)點，多應(yīng)用于各種滲水、排水系統(tǒng)，但其強力較差，抗撕裂性差，具有局限性；后者因其黏合點不能產(chǎn)生滑移，布面比較僵直，抗撕拉性較差，在土木工程中應(yīng)用很少。

土工布主要以滌綸、丙綸、錦綸、維綸、乙綸和氯綸為纖維原料，其中滌綸和丙綸的纖維用量占纖維總量的95%以上。滌綸非織造土工布強力高、熔點高、韌度和蠕變特性優(yōu)良，且具有能滿足嚴格工程要求的抗紫外線性和抗老化性，但耐堿性能較差；丙綸非織造土工布強度較高，耐酸堿性好、耐腐蝕、耐霉變、耐低溫、具有較好的芯吸效應(yīng)和滲水性能，但其抗紫外線和抗老化性能欠佳。

1 滌綸和丙綸長絲非織造布生產(chǎn)技術(shù)現(xiàn)狀

合成纖維長絲的生產(chǎn)通常有一步法和二步法之分[4]，目前國內(nèi)工業(yè)長絲生產(chǎn)基本上都采用了紡絲牽伸卷繞一步法,其主要生產(chǎn)工藝流程為：

切片→干燥→螺桿擠壓機→熔體過濾器→紡絲箱→側(cè)吹風(fēng)冷卻→上油→熱對輥牽伸→后整理→成品

紡黏非織造布生產(chǎn)作為一種將化纖紡絲與非織造成網(wǎng)、加固有機結(jié)合的新技術(shù)，由美國Dupont和德國Freudenberg于上世紀60年代率先研制成功。隨著科技的發(fā)展該技術(shù)日趨成熟且門類更多[5]，其主要生產(chǎn)工藝流程為：

切片→干燥→螺桿擠壓機→熔體過濾器→紡絲箱→側(cè)吹風(fēng)冷卻→氣流牽伸→氣流輸送擺絲→成網(wǎng)→加固→儲布卷繞→包裝、成品

不管是傳統(tǒng)化學(xué)熔融紡絲還是紡黏法紡絲，其中最為核心的是牽伸技術(shù)。通過紡絲成形的初生纖維由于強力都很低，伸長大，結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，不能用在紡織加工中。在拉伸過程中纖維的大分子鏈或聚集態(tài)結(jié)構(gòu)單元沿著纖維軸向發(fā)生舒展，取向度大大提高；在取向的同時通常伴隨著相態(tài)(密度、結(jié)晶度)的變化，分子間作用力增加；由于纖維承受外加張力的分子量數(shù)目增加，纖維的斷裂強度顯著提高，延伸度下降，耐磨性和疲勞強度提高。

在化學(xué)紡絲牽伸技術(shù)中，按拉伸裝置不同可分為拉伸輥牽伸、熱盤牽伸、熱板牽伸、熱箱牽伸、熱管牽伸五類。目前熔體化學(xué)紡絲多采用拉伸輥牽伸技術(shù)，如工業(yè)滌綸長絲常用四對不同速度、不同溫度的熱牽伸輥對初生纖維進行牽伸和熱定型[6]；生產(chǎn)熔體直紡細旦滌綸長絲FDY的拉伸工藝主要是由第一熱輥速度、溫度和第二熱輥的速度、溫度組成[7]；國內(nèi)丙綸、滌綸膨體變形長絲(BCF)的牽伸系統(tǒng)分別由4個熱輥和5個熱輥組成[8]。

紡黏法紡絲牽伸技術(shù)特點決定了世界各國的紡黏法生產(chǎn)線基本上不再采用機械拉伸,而是采用氣流拉伸方式[9-11]。根據(jù)牽伸器結(jié)構(gòu)不同可將氣流牽伸技術(shù)分為管式牽伸、窄狹縫式牽伸和寬狹縫式牽伸三大類。

窄狹縫式牽伸技術(shù)的典型代表為意大利NWT公司，寬狹縫式牽伸技術(shù)的典型代表是德國Reiefenhauser(萊芬索舍)公司。管式牽伸技術(shù)的典型代表是意大利STP公司、Modem(摩登公司)、ORV公司等。目前丙綸紡黏和滌綸紡黏產(chǎn)品采用的均是管式牽伸技術(shù)。

2 滌綸和丙綸非織造土工布性能比較

2.1 耐化學(xué)性能

圖1為HanYongJeon[12]模擬垃圾填埋場的環(huán)境，克重均為600g/m2的丙綸短纖維針刺土工布(GT-1)、再生滌綸短纖維針刺土工布(GT-2)、滌綸紡黏針刺土工布(GT-3)浸泡在溫度分別為20、50、80 ℃垃圾填埋場的滲瀝液中180天后，測試得到的結(jié)果。

從圖1(a)、(b)可看出，丙綸短纖針刺土工布的耐化學(xué)性能明顯好于滌綸短纖針刺和滌綸紡黏針刺土工布。即丙綸土工布相比滌綸土工布更符合垃圾填埋場的使用要求。

2.2 阻隔穿刺性能

GeorgeRKoerner等[13]分別選用丙綸短纖針刺土工布(PP-staple)、丙綸長絲針刺土工布(PP-cont)、滌綸長絲針刺土工布(PET-cont)三種試樣，在穿刺標準ASTMD4833(針頭為“Pin”)條件下，分別進行不同克重值穿刺，測試結(jié)果如圖2所示。

從圖2可看出，在ASTMD4833實驗條件下，長絲和短纖丙綸土工布的針刺阻力值趨勢大致相同，且顯著高于滌綸長絲土工布。即用于保護或緩沖作用時，丙綸針刺土工布要比滌綸針刺土工布效果好。

2.3 瀝青浸漬后初始剛度和透水性能

土工合成材料的夾層系統(tǒng)是用來控制反射裂縫破壞路面的有效方法，可減少裂紋的傳播，延長路面使用壽命，因此土工布的使用效果直接與土工布浸漬瀝青后的性能有關(guān)。NatáliadeSouzaCorreia[14]模擬了土工布的公路使用環(huán)境，將克重均為180g/m2的丙綸短纖土工布(PP-staple)、滌綸短纖土工(PET-staple)、滌綸長絲針刺土工布(PET-cont)分別進行瀝青浸漬，浸漬殘留量分別為0.60、0.90、1.10L/m2，其剛度與滲透性能測試結(jié)果如圖3和表1所示。

從圖3可看出，三種土工布經(jīng)瀝青浸漬后的剛度都明顯增加，其中滌綸長絲土工布增加值顯著大于滌綸短纖土工布和丙綸短纖土工布，而滌綸短纖剛度增加值比丙綸短纖增加值稍大。即在用于控制公路反射裂化保護上滌綸長絲土工布明顯優(yōu)于滌綸短纖土工布和丙綸短纖土工布，而滌綸短纖土工布只稍優(yōu)于丙綸土工布。

表1 瀝青浸漬土工布的滲透性測試值 單位：cm·s-1

從表1可看出，土工布經(jīng)瀝青浸漬后其滲透性能急劇下降，且浸漬量越大滲透性能越差。丙綸土工布未浸漬的滲透性能要略小于滌綸土工布，而經(jīng)瀝青浸漬后的滲透性能要優(yōu)于滌綸土工布。即在滲透性方面，丙綸土工布要優(yōu)于滌綸土工布。

3 丙綸長絲非織造土工布的應(yīng)用前景

3.1 垃圾填埋場

隨著經(jīng)濟的發(fā)展城市垃圾不斷增加，常見的垃圾處理方式有衛(wèi)生填埋、焚燒、堆肥等。垃圾填埋場采用衛(wèi)生填埋方式集中堆放垃圾，具有成本低、衛(wèi)生程度好的優(yōu)點，因此在國內(nèi)被廣泛應(yīng)用。通常垃圾填埋場由覆蓋系統(tǒng)、襯墊系統(tǒng)、滲濾液收集系統(tǒng)、氣體收集和處理系統(tǒng)、滲濾液排放系統(tǒng)組成[15-16]，襯墊系統(tǒng)起到橫向排水、防滲的作用，要求材料具有優(yōu)良的耐高溫、抗冷凍、耐腐蝕、耐酸堿性能。由丙綸長絲土工布與防滲土工膜結(jié)合使用的襯墊完全符合襯墊系統(tǒng)要求，因此丙綸長絲非織造土工布在垃圾填埋場具有非常好的應(yīng)用前景。

3.2 污水處理廠

隨著工業(yè)的發(fā)展水污染問題日益嚴重,污水處理水平的高低直接影響到城市環(huán)境質(zhì)量、居民飲用水安全和大自然的水循環(huán)系統(tǒng)。根據(jù)全國城市污水處理管理信息系統(tǒng)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，到2013年12月國內(nèi)已建污水處理廠達到4 136座[17]；丙綸長絲土工布與防滲土工膜的復(fù)合材料具有優(yōu)良的防滲功能，同時耐高溫、抗冷凍、耐腐蝕、耐酸堿性能優(yōu)良，因此在污水處理廠構(gòu)筑物防滲漏控制措施中具有非常好的應(yīng)用前景。

3.3 粉煤灰堆場

中國的煤炭儲量最大且能源結(jié)構(gòu)以煤炭為主，由燃煤產(chǎn)生的粉煤灰總堆存量已超過10億t，且還在以每年0.8～1.0億t的速度增加，成為了世界上最大的排灰國[18]。粉煤灰的主要成分是酸性氧化物，遇水后隨著時間的延長pH值增加最大可達12以上，呈強堿性，因此在建設(shè)粉煤灰堆場時必然使用丙綸長絲非織造土工布。

3.4 尾礦庫堆場

我國是一個產(chǎn)礦大國，每年因選礦而產(chǎn)生的尾礦石可達數(shù)億t，其中小部分作為充填材料在礦山巷道中進行了回填或綜合利用，而產(chǎn)生的絕大部分尾礦堆存于尾礦庫中[19]。大多數(shù)金屬尾礦庫如金、鉛、銅、氧化鋁、汞、鎘、鉻和鉬等的滲瀝液基本呈堿性，有的呈強堿性。宜采用耐酸堿的丙綸土工布做防滲膜，輔助采用丙綸土工布復(fù)合排水網(wǎng)，可起到加固、排水和反濾作用。

3.5 其他應(yīng)用領(lǐng)域

在滌綸長絲非織造土工布應(yīng)用領(lǐng)域方面，幾乎可用丙綸長絲非織造土工布代替的有公路、鐵路路基鋪設(shè)、堤壩加固等。

4 結(jié)語

丙綸長絲非織造土工布具有強度高、耐酸堿、耐腐蝕、耐霉變，耐低溫等優(yōu)點。根據(jù)丙綸長絲非織造土工布的特性，其在公路、鐵路路基鋪設(shè)、堤壩加固、污水處理廠、垃圾填埋場、水工結(jié)構(gòu)防滲、建筑防滲等領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景。

近20年來國內(nèi)長絲土工布發(fā)展相對滯后，且現(xiàn)今應(yīng)用的也只有滌綸這一種。而在歐美等發(fā)達國家，丙綸長絲土工布相對成熟且占紡黏土工布的比例達30%～40%。目前國內(nèi)也只有紹興勵達無紡布有限公司成功開建首條國產(chǎn)丙綸土工布生產(chǎn)線。我國每年進口丙綸長絲土工布高達4萬t，每噸價格在3.5～4萬元之間。由于丙綸長絲加工工藝、設(shè)備制造等許多方面不同于滌綸長絲，相關(guān)生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)尚未獲得突破，因此國內(nèi)丙綸長絲非織造土工布尚未產(chǎn)業(yè)化。為滿足市場需求國內(nèi)必須加快相關(guān)技術(shù)和設(shè)備的引進、開發(fā)，突破粗旦高強聚丙烯纖維的紡絲技術(shù)及土工布針刺加工技術(shù)，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

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Property and Application of Polypropylene Filament Nonwoven Geotextiles

HUANG Shun-wei, QIAN Xiao-ming, ZHOU Mi

(School of Textile，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China)

The production technology status of polyester and polypropylene filament was introduced. The chemical resistance, mechanical properties, punctures resistance and performance of asphalt impregnated of polyester and polypropylene nonwoven geotextiles were comparative analyzed. The application prospect of polypropylene filament nonwoven geotextile was proposed..

polypropylene filament; geotextile; product property; application prospects

2016-09-14

國家科技支撐項目(2014BAE09B00)

黃順偉(1990-)，男，安徽淮南人，在讀碩士研究生，主要從事非織造土工布結(jié)構(gòu)與性能研究，E-mail：985897189@qq.com。

TS

A

1673-0356(2016)11-0012-04