高強(qiáng)度抗老化土工布的制備與性能表征

龍嘯云， 張 琰， 葛明橋

(1. 生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(江南大學(xué))， 江蘇 無(wú)錫 214122； 2. 江蘇遠(yuǎn)大新紡織聯(lián)合發(fā)展有限公司， 江蘇 南京 210039)

土工布是應(yīng)用于土木、水利等工程中的一種產(chǎn)業(yè)用紡織品[1]。自1926年荷蘭首先在大壩建造中應(yīng)用后，其在全世界范圍內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用。我國(guó)從20世紀(jì)90年代起在水利、道路、鐵路、礦山、垃圾填埋場(chǎng)等工程領(lǐng)域大量使用土工布，主要起到排水、過(guò)濾、隔離、保護(hù)、防滲等作用[2]。滿(mǎn)足工程設(shè)計(jì)年限(如現(xiàn)代垃圾填埋場(chǎng)的設(shè)計(jì)使用壽命為30～50 a)，可長(zhǎng)效穩(wěn)定地發(fā)揮作用是土工布的主要要求之一，但在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，復(fù)雜嚴(yán)酷的環(huán)境往往會(huì)對(duì)土工布造成一定損傷，大大縮短其使用壽命，達(dá)不到工程設(shè)計(jì)的年限要求[3]。

目前，制備土工布的原料主要是聚酯(PET)和聚丙烯(PP)，占總產(chǎn)量的90%以上。聚丙烯耐酸堿性能好，但是不耐紫外光輻射，在強(qiáng)烈的紫外光長(zhǎng)時(shí)間照射下會(huì)發(fā)生光氧降解反應(yīng)，造成大分子鏈斷裂。同時(shí)，礦山和垃圾填埋場(chǎng)廢液中存在的金屬離子也會(huì)催化、加快聚丙烯的熱老化過(guò)程，還有溫度、濕度等因素均會(huì)造成其力學(xué)性能大幅度下降，從而失去應(yīng)該發(fā)揮的作用。聚酯的耐紫外光性能比聚丙烯稍好，但是耐酸不耐堿，水分、溫度也會(huì)對(duì)其造成一定的影響。2種纖維各有缺陷，在復(fù)雜多變的環(huán)境下時(shí)常伴有較大的安全性風(fēng)險(xiǎn)[4-5]。

高模高強(qiáng)聚乙烯醇(PVA)纖維[6]的線(xiàn)密度一般為2.2 dtex,強(qiáng)度超過(guò)15.3 cN/dtex，斷裂伸長(zhǎng)率為6%，模量為30 GPa，具有良好的耐酸堿/熱、抗輻射性能，長(zhǎng)絲通常被制成纜繩和漁網(wǎng)應(yīng)用在海洋船舶上[7]。同時(shí)，高模高強(qiáng)PVA相比于其他高性能纖維[8-9]，如芳綸、碳纖維等，具有較高的性?xún)r(jià)比和良好的工程應(yīng)用價(jià)值。

本文采用一定比例的抗老化聚丙烯和高模高強(qiáng)聚乙烯醇混合針刺制備短纖土工布，以期提高產(chǎn)品的強(qiáng)度、耐酸堿/金屬離子及抗紫外線(xiàn)輻射等性能，增強(qiáng)其在復(fù)雜嚴(yán)酷環(huán)境下的安全性和長(zhǎng)效性，為以后的研究提供理論基礎(chǔ)和指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原 料

抗老化聚丙烯短纖，斷裂強(qiáng)度為6.2 cN/dtex，斷裂伸長(zhǎng)率為16%，購(gòu)自?xún)x征化纖股份有限公司；高模高強(qiáng)聚乙烯醇短纖維，斷裂強(qiáng)度為15.3 cN/dtex，斷裂伸長(zhǎng)率為6%，由安徽皖維集團(tuán)有限責(zé)任公司提供。

1.2 工藝流程

圖1示出抗老化PP/高模高強(qiáng)PVA土工布的制備工藝流程。在生產(chǎn)制備過(guò)程中需要注意：1)由于高模高強(qiáng)PVA纖維剛性大，線(xiàn)密度小，開(kāi)松梳理以及針刺過(guò)程中應(yīng)盡量柔和，特別是在針刺的過(guò)程中，過(guò)大的針刺密度和針刺深度易損傷纖維，甚至造成斷裂，本文實(shí)驗(yàn)中所采用的針刺深度為8 mm，針刺密度為300刺/m2；2)高模高強(qiáng)PVA纖維密度小，在往復(fù)運(yùn)動(dòng)鋪網(wǎng)過(guò)程中易產(chǎn)生漂移，從而造成非織造土工布的均勻度下降，應(yīng)適當(dāng)調(diào)整往復(fù)與底簾之間的距離，以40 cm為佳。

圖1 PP/PVA土工布制備工藝流程Fig.1 Process flow of PP/PVA geotextile

1.3 性能測(cè)試

1.3.1微觀形態(tài)觀察

采用Quanta 200型掃描電子顯微鏡(荷蘭)觀察抗老化PP/高模高強(qiáng)PVA短纖維針刺土工布的內(nèi)部微觀形態(tài)，工作電壓為20 kV。

1.3.2反濾性能測(cè)試

在XSB-88型振篩儀上測(cè)試等效孔徑(O95)。

1.3.3干/濕強(qiáng)度測(cè)試

按照GB/T 17638—20017《土工合成材料 短纖針刺非織造土工布》，測(cè)試干態(tài)和在水中浸泡24 h的濕態(tài)樣品的斷裂強(qiáng)度。

1.3.4耐候性測(cè)試

參照GB/T 3681—2000《塑料自然氣候暴露試驗(yàn)方法》進(jìn)行耐候性測(cè)試。

1.3.5耐銅離子性能測(cè)試

將樣品浸漬在25 ℃的硝酸銅溶液中，于72 h后取出，然后放入120 ℃的恒溫烘箱中處理18 d，測(cè)試其強(qiáng)度的變化，以表征土工布的耐銅離子性能[4]。

2 結(jié)果與討論

2.1 力學(xué)性能分析

表1示出高模高強(qiáng)PVA短纖維含量對(duì)土工布(面密度為400 g/m2)干態(tài)和濕態(tài)強(qiáng)度的影響?？梢钥闯觯S著PVA含量的增大，混合土工布干態(tài)強(qiáng)度和濕態(tài)強(qiáng)度都有較大的提升。純聚丙烯土工布的干/濕態(tài)斷裂強(qiáng)度分別為17.2、13.5 kN/m。當(dāng)PVA含量為60%時(shí)，土工布的干/濕態(tài)斷裂強(qiáng)度分別高達(dá)29.7、34.8 kN/m。一方面，高模高強(qiáng)聚乙烯醇強(qiáng)度較高，在外力作用下不易斷裂，與PP短纖混合針刺可起到增強(qiáng)作用；另一方面，一般的土工布中聚丙烯短纖線(xiàn)密度為6.7 dtex，而高模高強(qiáng)PVA的線(xiàn)密度為2.2 dtex，如圖2所示。在土工布中，有大量的高模高強(qiáng)聚乙烯醇纖維存在，其線(xiàn)密度較小，使得相互之間纏結(jié)緊密，從而提高了土工布的力學(xué)性能。

表1 PVA含量對(duì)土工布干/濕態(tài)斷裂強(qiáng)度的影響Tab.1 Influence PVA content on dry/wet breaking strength property of goetextile

圖2 PP/PVA土工布的SEM照片F(xiàn)ig.2 SEM images of PP/PVA geotextile

此外，從表1還可看出：純聚丙烯土工布的干態(tài)強(qiáng)度高于濕態(tài)強(qiáng)度；但是PP/PVA土工布中，隨著PVA含量的增大，從其含量為35%左右開(kāi)始，其濕態(tài)強(qiáng)度高于干態(tài)強(qiáng)度，當(dāng)PVA含量為60%時(shí)更加明顯。這可解釋為高模高強(qiáng)聚乙烯醇纖維是一種高結(jié)晶、高取向度的材料，濕態(tài)下由于水分子進(jìn)入纖維內(nèi)部，使大分子鏈之間的作用力減弱，增強(qiáng)了大分子鏈之間的滑移能力以及張力均勻性，從而使受力大分子數(shù)目增多，其力學(xué)性能提高[10]。PP雖然也是一種高分子材料，但其結(jié)晶度較低，水分子的進(jìn)入會(huì)破壞其大分子間的排列和結(jié)合，從而使力學(xué)性能下降。這使得抗老化PP/高模高強(qiáng)PVA短纖混合土工布在水利工程或者在濕度較大的環(huán)境中具有獨(dú)特的工程應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

2.2 反濾性能分析

表2示出PVA含量對(duì)土工布反濾性能的影響。可以看出，隨著混合土工布中PVA含量的增大，其等效孔徑O95值減小，說(shuō)明其垂直滲透系數(shù)減小。土工布在很多實(shí)際工程應(yīng)用中起到反濾的作用，如長(zhǎng)江航道治理、軟基處理等。由于細(xì)旦丙綸強(qiáng)度低，在高速梳理和針刺過(guò)程中易造成纖維嚴(yán)重?fù)p傷，產(chǎn)品很難達(dá)到工程對(duì)土工布力學(xué)性能的要求，故一般選用6.7 dtex的丙綸作為短纖維針刺土工布的原料，以保證力學(xué)性能達(dá)到工程標(biāo)準(zhǔn)。此外，纖維較粗，也使得土工布的孔徑較大，垂直滲透系數(shù)較大，影響了其反濾性能，特別是在軟基處理工程中，對(duì)包覆在排水板外層的土工布孔徑大小要求較為嚴(yán)格。

表2 PVA含量對(duì)土工布反濾性能的影響Tab.2 Influence of PVA content on permeability of geotextile

PP/PVA混合土工布不僅強(qiáng)度高，還具有等效孔徑小，垂直滲透系數(shù)小的特點(diǎn)，相比純PP土工布而言，其反濾性能更為優(yōu)良。

2.3 耐候性能分析

土工布暴露在自然環(huán)境中，在紫外光、雨水、溫度(高溫或高寒)等因素的長(zhǎng)期影響下，其力學(xué)性能會(huì)快速下降[11]，其中，紫外光對(duì)聚丙烯纖維的影響尤為顯著。PP分子吸收光能之后，即被激發(fā)到電子激發(fā)態(tài)，若沒(méi)有及時(shí)從激發(fā)態(tài)躍遷回基態(tài)，則會(huì)產(chǎn)生自由基，從而與空氣中的氧氣發(fā)生反應(yīng)，即發(fā)生光氧反應(yīng)；因此，聚丙烯纖維發(fā)生老化并不是與光發(fā)生反應(yīng)，而是通過(guò)吸收光能，再與氧氣發(fā)生反應(yīng)。圖3示出純PP、抗老化PP和抗老化PP/PVA土工布在自然暴露老化實(shí)驗(yàn)中斷裂強(qiáng)度隨著時(shí)間變化的規(guī)律。

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

從圖3可看出：純PP土工布經(jīng)過(guò)90 d的自然暴露老化實(shí)驗(yàn)后，力學(xué)性能下降最為明顯，強(qiáng)度保持率在37%左右；抗老化PP土工布的強(qiáng)度保持率在58%左右，優(yōu)于純PP土工布。這說(shuō)明抗老化劑的加入可部分緩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實(shí)驗(yàn)后其強(qiáng)度保持率大約為73%，比抗老化PP土工布有較為顯著的提高。高模高強(qiáng)PVA纖維長(zhǎng)時(shí)間暴露在紫外光下，受到的影響較小，因此，用其與抗老化PP混合制備土工布可提高非織造土工布的耐候性能。

2.4 表面形貌分析

圖4示出抗老化PP和高模高強(qiáng)PVA在經(jīng)過(guò)90 d耐候性實(shí)驗(yàn)后的表面形貌?？汕宄乜闯觯嚎估匣疨P由于長(zhǎng)期在紫外線(xiàn)照射下發(fā)生了光氧化反應(yīng)，大分子鏈發(fā)生斷裂，纖維受損，表面呈現(xiàn)出大量裂痕、凹陷、剝落等不同形式的損傷，從而使纖維的力學(xué)性能受到較大影響；相反，高模高強(qiáng)聚乙烯醇纖維表面的損傷形式主要為凹陷，且損傷情況較小，因此，在90 d的耐候性測(cè)試后基本能保持纖維原有的力學(xué)性能。

圖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 耐銅離子性能分析

聚丙烯在溫度的作用下會(huì)發(fā)生熱氧反應(yīng)，與光氧化的原理相同，熱能的吸收使聚丙烯分子從基態(tài)被激發(fā)至激發(fā)態(tài)，從而與氧氣發(fā)生反應(yīng)，銅離子在其中作為催化劑加速了此反應(yīng)，使抗老化聚丙烯纖維的老化速度加快，銅離子的催化作用可用如下反應(yīng)式[12]表示：

圖5示出純PP、抗老化PP和抗老化PP/PVA土工布的耐銅離子性能。1號(hào)樣品為未經(jīng)過(guò)硝酸銅溶液浸泡的純PP土工布，2號(hào)樣品為在硝酸銅溶液中浸泡72 h后的土工布。由圖可知，在同樣的溫度下加熱處理18 d后，1、2號(hào)樣品的斷裂強(qiáng)度保持率分別為77.2%和42.3%，說(shuō)明銅離子對(duì)聚丙烯材料的熱氧化反應(yīng)有較為顯著的催化作用。3號(hào)樣品經(jīng)過(guò)18 d的高溫處理，其斷裂強(qiáng)度保持率為44.6%，和2號(hào)樣品相差不大，說(shuō)明在銅離子的催化作用下，抗老化劑并不能有效地阻止聚丙烯纖維發(fā)生熱氧化反應(yīng)。

圖5 土工布的耐銅離子性能Fig.5 Cupric ions resistance performance of geotextile

4號(hào)樣品為抗老化PP/高模高強(qiáng)PVA混合土工布，經(jīng)過(guò)18 d的高強(qiáng)處理后，其斷裂強(qiáng)度保持率為64.3%，優(yōu)于2、3號(hào)樣品。這是由于高模高強(qiáng)聚乙烯醇纖維的高結(jié)晶和高取向度使其耐高溫性能較為優(yōu)良，只有在80 ℃以上且濕度較大的情況下，才會(huì)表現(xiàn)出明顯的力學(xué)性能下降；在干熱的情況下，其可長(zhǎng)時(shí)間承受150 ℃以上的高溫，在土工布實(shí)際應(yīng)用中幾乎不存在這種情況：因此，在硝酸銅溶液浸泡加熱處理的過(guò)程中，無(wú)論是銅離子還是高溫幾乎均不會(huì)對(duì)其性能造成影響，纖維仍能夠保持較高的力學(xué)性能，從而使得土工布的耐銅離子性能相比純PP和抗老化PP土工布得到了提升。

3 結(jié) 論

1)高模高強(qiáng)PVA應(yīng)用于土工布中，可明顯地提高非織造短纖維土工布的力學(xué)性能，當(dāng)PVA含量為60%時(shí)，其干/濕態(tài)強(qiáng)度分別為29.7、34.8 kN/m，分別是相同面密度抗老化聚丙烯土工布的1.7、2.6倍，且濕態(tài)強(qiáng)度大于干態(tài)強(qiáng)度；同時(shí)，其等效孔徑較小，反濾性能優(yōu)良。

2)抗老化PP/高模高強(qiáng)PVA短纖維混合土工布的耐候性和耐金屬離子性能相比抗老化PP和純PP土工布更為優(yōu)良，力學(xué)性能和長(zhǎng)效安全性得到了明顯的提升。

3)抗老化PP/高模高強(qiáng)PVA短纖維混合土工布在強(qiáng)紫外線(xiàn)輻射地區(qū)(如新疆、西藏、四川等)和水利工程、含有金屬離子廢液的工程(如垃圾填埋場(chǎng)、尾礦處理工程)等領(lǐng)域具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

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