聚丙烯紡黏針刺土工布的力學(xué)和耐光氧老化性能*

位華瑞 王 超 左文靜 劉高慧 俞建勇 丁 彬 王先鋒，

1.東華大學(xué)紡織學(xué)院，上海 201620；2.東華大學(xué)紡織科技創(chuàng)新中心，上海 200051

隨著我國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)的快速發(fā)展，水利大壩、高速公路、高速鐵路、礦山、垃圾填埋場(chǎng)等領(lǐng)域?qū)Ω咝阅芡凉そㄖ牧系男枨蠹ぴ觥！笆濉逼陂g，國(guó)家高度重視土木建筑行業(yè)，科技部也啟動(dòng)了重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃專項(xiàng)項(xiàng)目，提出了土工建筑增強(qiáng)材料的研制等研發(fā)工作[1]。在所有的土工建筑材料中，土工布屬于一類重要的材料，其主要由熱塑性聚合物制成，為一種具有滲透性和柔性的材料，具有過濾、排水、隔離、加筋、防滲及保護(hù)等功能[2]，廣泛應(yīng)用于公路、鐵路、水利、軍事及環(huán)保等工程領(lǐng)域[3-5]。

土工布按照加工和生產(chǎn)方式的不同可以分為織造土工布、非織造土工布和復(fù)合土工布[6]。非織造土工布因具有生產(chǎn)流程短、成本低、水力學(xué)性能優(yōu)異等特點(diǎn)，已成為土工行業(yè)的主要研究方向。目前，非織造土工布在全球土工布總量中的占比約為70%，在我國(guó)土工布總量中的占比為60%左右[7]。近年來，繼天鼎豐控股有限公司在國(guó)內(nèi)實(shí)現(xiàn)了聚丙烯紡黏針刺土工布的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)后，聚丙烯紡黏針刺土工布已成為非織造土工布行業(yè)研究的熱點(diǎn)。聚丙烯紡黏針刺土工布具有模量高、延伸性好、抗撕破、耐刺穿、耐酸堿、耐低溫、耐霉變及成本低等優(yōu)點(diǎn)，在惡劣環(huán)境中尤其在酸、堿及高寒環(huán)境中具有不可替代的作用[8-9]。然而，聚丙烯在使用過程中易受到氧氣、光照、溫度及濕度等因素的影響而發(fā)生老化降解，極大地影響其在土木工程領(lǐng)域的應(yīng)用[10-12]。

力學(xué)性能是土工布在工程應(yīng)用中最基本和最重要的性能，土工布的耐久性直接影響工程的可靠性和安全性。紫外輻射是導(dǎo)致聚丙烯土工布降解的主導(dǎo)因素，土工布的老化實(shí)質(zhì)上是其在紫外輻射作用下的光氧老化[13]。目前，國(guó)內(nèi)關(guān)于聚丙烯紡黏針刺土工布力學(xué)性能和耐光氧老化性能的研究較少?；诖?，本文主要對(duì)聚丙烯紡黏針刺土工布的力學(xué)性能和耐光氧老化性能進(jìn)行測(cè)試和分析。研究旨在為提高我國(guó)聚丙烯紡黏針刺土工布的產(chǎn)品質(zhì)量，拓寬其在土木工程領(lǐng)域的應(yīng)用，提供參考。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料

聚丙烯切片，熔融指數(shù)(MI)為23 g/(10 min)，中國(guó)石油化工股份有限公司提供；聚酯切片，MI為23 g/(10 min)，中國(guó)石油化工股份有限公司提供；UV 88抗老化母粒、灰色母粒，巨奇塑膠江蘇有限公司提供。

1.2 試驗(yàn)儀器及設(shè)備

CMT-50型電子萬能試驗(yàn)機(jī)(天津美特斯試驗(yàn)儀器廠)、YG(B)611QUV型紫外老化箱(溫州市大榮紡織儀器有限公司)、FY 3000+型水冷式日曬氣候老化儀(溫州市方圓儀器有限公司)。

1.3 試樣制備

采用紡黏法和針刺加固工藝，以聚丙烯切片、聚酯切片、灰色母粒和UV 88抗老化母粒為原料，在相同的工藝參數(shù)下，制備表1所示的6種紡黏針刺土工布試樣。

表1 土工布試樣的制備方案

1.4 性能測(cè)試

1.4.1 力學(xué)性能測(cè)試

(1)拉伸性能測(cè)試：參照GB/T 15788—2017《土工合成材料 寬條拉伸試驗(yàn)方法》測(cè)試試樣的抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率。

(2)撕破強(qiáng)力測(cè)試：參照GB/T 13763—2010《土工合成材料 梯形法撕破強(qiáng)力的測(cè)定》測(cè)試試樣的撕破強(qiáng)力。

(3)頂破強(qiáng)力測(cè)試：參照GB/T 14800—2010《土工合成材料 靜態(tài)頂破試驗(yàn)(CBR法)》測(cè)試試樣的頂破強(qiáng)力。

(4)刺破強(qiáng)力測(cè)試：參照GB/T 19978—2005《土工布及其有關(guān)產(chǎn)品 刺破強(qiáng)力的測(cè)定》測(cè)試試樣的刺破強(qiáng)力。

1.4.2 耐光氧老化性能測(cè)試

(1)熒光紫外燈老化試驗(yàn)：參照GB/T 31899—2015《紡織品 耐候性試驗(yàn) 紫外光曝曬》，將土工布試樣放入YG(B)611QUV型紫外老化箱中，設(shè)定循環(huán)條件——輻照度為0.89 W/m2，黑板溫度為60 ℃下曝曬8 h，黑板溫度為50 ℃下冷凝4 h。分別在試驗(yàn)進(jìn)行到12、24和48 h時(shí)取樣，測(cè)試試樣的抗拉強(qiáng)度與斷裂伸長(zhǎng)率，計(jì)算試樣的抗拉強(qiáng)度保留率。

(2)氙弧燈老化試驗(yàn)：參照GB/T 16422.2—2014《塑料實(shí)驗(yàn)室光源暴露試驗(yàn)方法 第2部分：氙弧燈》，將土工布試樣放入FY 3000+型水冷式日曬氣候老化儀中；設(shè)定輻照度為60.00 W/m2，黑板溫度為65 ℃，空氣濕度為50%，按102 min的光照加18 min的噴淋為一個(gè)周期，對(duì)土工布試樣進(jìn)行氙弧燈老化試驗(yàn)。分別在試驗(yàn)進(jìn)行到24、48和72 h時(shí)取樣，測(cè)試試樣的抗拉強(qiáng)度，計(jì)算試樣的抗拉強(qiáng)度保留率。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 力學(xué)性能分析

2.1.1 拉伸性能分析

土工布為一種柔性材料，在對(duì)土工布進(jìn)行加筋、隔離、護(hù)坡、反濾或墊層等應(yīng)用設(shè)計(jì)時(shí)，均要求其具有足夠的強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率?？估瓘?qiáng)度和伸長(zhǎng)率是土工布最基本的力學(xué)指標(biāo)[14]。6種試樣的縱橫向抗拉強(qiáng)度-伸長(zhǎng)率曲線如圖1和圖2所示。

圖1 土工布縱向抗拉強(qiáng)度-伸長(zhǎng)率曲線

圖2 土工布橫向抗拉強(qiáng)度-伸長(zhǎng)率曲線

由圖1和圖2可知，試樣2的縱橫向抗拉強(qiáng)度與斷裂伸長(zhǎng)率均高于試樣1，表明在相同工藝參數(shù)下，聚丙烯紡黏針刺土工布的拉伸性能優(yōu)于聚酯紡黏針刺土工布，即聚丙烯紡黏針刺土工布承載負(fù)荷的能力較大，在土木建筑領(lǐng)域的應(yīng)用更具優(yōu)勢(shì)。

除試樣4和試樣5外，其余試樣的抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率在縱橫向差異不大，表明采用紡黏針刺法制得的聚丙烯和聚酯土工布產(chǎn)品均具有良好的各向同性；同時(shí)也表明在原料中添加色母粒或抗老化母粒后，由于這些母粒與聚丙烯切片的共混性較差，影響紡黏過程的均勻性，導(dǎo)致產(chǎn)品的各項(xiàng)異性增加。試樣5的縱橫向抗拉強(qiáng)度均高于相同面密度的試樣3和試樣4，主要是由于抗老化母粒的加入改善了纖維的結(jié)晶性能[15]，從而使纖維的強(qiáng)度提高，土工布產(chǎn)品的抗拉強(qiáng)度增大。

由試樣2、試樣3和試樣6可知，聚丙烯紡黏針刺土工布的抗拉強(qiáng)度隨著其面密度的增大而提高，這是因?yàn)殡S著土工布面密度的增大，其厚度增加，纖維之間的接觸增多，且單根纖維與周圍纖維產(chǎn)生的纏結(jié)和抱合增多，導(dǎo)致土工布產(chǎn)品的抗拉強(qiáng)度提高。

2.1.2 撕破強(qiáng)力分析

土工布在鋪設(shè)和實(shí)際使用過程中，會(huì)不可避免地產(chǎn)生不同程度的破損裂口。撕破強(qiáng)力反映材料在有破損裂口的情況下抵抗裂口繼續(xù)擴(kuò)大的能力[16]。6種試樣的縱橫向撕破強(qiáng)力測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

圖3 土工布的縱橫向撕破強(qiáng)力

由圖3可知，試樣2的縱橫向撕破強(qiáng)力接近試樣1的2倍，表明在相同工藝參數(shù)下，聚丙烯紡黏針刺土工布的縱橫向撕破強(qiáng)力遠(yuǎn)大于聚酯紡黏針刺土工布，即聚丙烯紡黏針刺土工布在出現(xiàn)破損裂口時(shí)，抵抗裂口繼續(xù)擴(kuò)大的能力遠(yuǎn)勝于聚酯紡黏針刺土工布。

與其余試樣相比，試樣4和試樣5的縱橫向撕破強(qiáng)力差異較大，原因主要是色母粒和抗老化母粒未能與聚丙烯切片均勻混合，導(dǎo)致土工布的縱橫向撕破強(qiáng)力存在差異。由試驗(yàn)結(jié)果還可以看出，加入抗老化母粒后，聚丙烯土工布的撕破強(qiáng)力得以提升。

由試樣2、試樣3和試樣6可知，聚丙烯紡黏針刺土工布的撕破強(qiáng)力隨著其面密度的增大而提高。這是因?yàn)椴牧系乃毫哑茐淖饔闷鸪跏怯伤毫讶菂^(qū)的局部應(yīng)力產(chǎn)生的，且隨著撕裂應(yīng)力區(qū)的擴(kuò)大，撕裂破壞作用轉(zhuǎn)變成因大面積的拉伸而產(chǎn)生[17]。因此，聚丙烯紡黏針刺土工布撕破強(qiáng)力和抗拉強(qiáng)度的變化趨勢(shì)一致，均隨著土工布面密度的增大而提高。

2.1.3 頂破強(qiáng)力分析

在工程應(yīng)用中，土工布通常被置于兩種不同粒徑的顆粒狀材料之間，受顆粒狀材料的頂壓作用。施工中，其也會(huì)經(jīng)受拋填粒料引起的法向載荷作用。頂破強(qiáng)力反映材料抵抗垂直于材料平面的法向壓力的能力[18]。6種試樣的CBR頂破強(qiáng)力測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

圖4 土工布的CBR頂破強(qiáng)力

由圖4可知，相同工藝參數(shù)下，聚丙烯紡黏針刺土工布的CBR頂破強(qiáng)力略大于聚酯紡黏針刺土工布。色母?；蚩估匣噶５奶砑佑绊懢埘ゼ忦め槾掏凉げ嫉腃BR頂破強(qiáng)力。聚丙烯紡黏針刺土工布被頂破時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)隆起的纖維包，纖維呈松散化和斷裂狀。影響材料頂破強(qiáng)力最直接的因素是材料的拉伸斷裂強(qiáng)力，頂破強(qiáng)力隨著材料縱橫向拉伸斷裂強(qiáng)力的增大而提高[19]。故聚丙烯紡黏針刺土工布的頂破強(qiáng)力與抗拉強(qiáng)度的變化成正比，均隨著土工布面密度的增大而提高。

2.1.4 刺破強(qiáng)力分析

刺破強(qiáng)力指試樣在小面積上受到法向集中荷載，直至破裂所能承受的最大力。刺破強(qiáng)力反映土工布抵抗樹根壓入或有棱角的石子等尖銳物的能力。6種試樣的刺破強(qiáng)力測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

圖5 土工布的刺破強(qiáng)力

由圖5可知，相同工藝參數(shù)下，聚丙烯紡黏針刺土工布的刺破強(qiáng)力大于聚酯紡黏針刺土工布，表明聚丙烯紡黏針刺土工布抵抗小面積集中荷載的能力優(yōu)于聚酯紡黏針刺土工布。材料的刺破強(qiáng)力與頂破強(qiáng)力類似，其主要受材料抗拉強(qiáng)度的影響。隨著聚丙烯紡黏針刺土工布縱橫向抗拉強(qiáng)度的增大，刺破強(qiáng)力提高。同樣，聚丙烯紡黏針刺土工布的刺破強(qiáng)力隨著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試驗(yàn)方法有實(shí)際應(yīng)用老化、室外自然老化和人工加速老化3種[20]。室外自然老化和實(shí)際應(yīng)用老化由于時(shí)間周期長(zhǎng)、勞動(dòng)強(qiáng)度大，因此適用性較差；而人工加速老化具有加速老化條件穩(wěn)定、可比性強(qiáng)、試驗(yàn)周期短、重現(xiàn)性較好等優(yōu)點(diǎn)[21]，目前土工行業(yè)普遍采用熒光紫外燈法和氙弧燈法這兩種人工加速老化試驗(yàn)方法測(cè)試土工布的耐光氧老化性能。

本文分別采用熒光紫外燈法和氙弧燈法，測(cè)試試樣3～試樣5的耐光氧老化性能。

2.2.1 熒光紫外燈法試驗(yàn)結(jié)果與分析

聚丙烯紡黏針刺土工布試樣(試樣3～試樣5)的熒光紫外燈法耐光氧老化性能測(cè)試結(jié)果如圖6所示。

圖6 試樣縱橫向抗拉強(qiáng)度保留率與紫外老化時(shí)間的關(guān)系

由圖6可以看到，3種試樣在經(jīng)紫外光照射后，抗拉強(qiáng)度保留率均呈下降趨勢(shì)。其中，試樣3的降幅最大，紫外光照射48 h后其縱向抗拉強(qiáng)度保留率為63.3%，橫向抗拉強(qiáng)度保留率為62.5%；試樣4經(jīng)紫外光照射48 h后的縱向抗拉強(qiáng)度保留率為77.8%，橫向抗拉強(qiáng)度保留率為72.1%；試樣5的降幅最小，照射48 h后其縱向抗拉強(qiáng)度保留率為94.9%，橫向抗拉強(qiáng)度保留率為91.8%。表明試樣5的耐光氧老化性能最好，試樣4次之，試樣3的耐光氧老化性能最差。這是因?yàn)榧兙郾┠凸庋趵匣阅茌^差；灰色母粒為一種光屏蔽劑，能吸收大量的可見光，反射紫外光；而UV 88抗老化母粒為一種受阻胺類光穩(wěn)定劑，能夠在聚丙烯光氧老化過程中發(fā)揮捕獲自由基、分解過氧化物等作用，從而大幅降低鏈?zhǔn)窖趸磻?yīng)總速率[22]。因此，在原料中添加灰色母?；騏V 88抗老化母?？商岣呔郾┘忦め槾掏凉げ嫉哪凸庋趵匣阅?，且添加UV 88抗老化母粒后，聚丙烯紡黏針刺土工布的耐光氧老化性能提升顯著。

2.2.2 氙弧燈法試驗(yàn)結(jié)果與分析

聚丙烯紡黏針刺土工布試樣(試樣3～試樣5)的氙弧燈法耐光氧老化性能測(cè)試結(jié)果如圖7所示。

圖7 土工布縱橫向抗拉強(qiáng)度保留率與氙燈老化時(shí)間的關(guān)系

由圖7可以看出，3種試樣在經(jīng)氙燈照射后，抗拉強(qiáng)度保留率也均呈下降趨勢(shì)。其中，試樣3的抗拉強(qiáng)度保留率降幅最大，照射72 h后其縱向抗拉強(qiáng)度保留率為43.0%，橫向抗拉強(qiáng)度保留率為45.8%；試樣4照射72 h后的縱向抗拉強(qiáng)度保留率為60.3%，橫向抗拉強(qiáng)度保留率為58.4%；試樣5的降幅最小，照射72 h后的縱向抗拉強(qiáng)度保留率為90.8%，橫向抗拉強(qiáng)度保留率為90.2%。表明試樣5的耐光氧老化性能最好，試樣4次之，試樣3的耐光氧老化性能最差。該試驗(yàn)結(jié)果與熒光紫外燈老化試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果一致，均表明純聚丙烯制成的紡黏針刺土工布的耐光氧老化性能較差，在原料中添加灰色母粒或UV 88抗老化母?？商岣咂淠凸庋趵匣阅埽姨砑覷V 88抗老化母粒后，聚丙烯紡黏針刺土工布的耐光氧老化性能提升顯著。

3 結(jié)論

(1)相同工藝條件下，聚丙烯紡黏針刺土工布的力學(xué)性能優(yōu)于聚酯紡黏針刺土工布。

(2)采用紡黏針刺法生產(chǎn)的非織造土工布產(chǎn)品具有良好的各向同性；灰色母粒、抗老化母粒的添加影響土工布產(chǎn)品的力學(xué)性能和各向同性，生產(chǎn)中需考慮其與原料的共混性問題。

(3)聚丙烯紡黏針刺土工布的抗拉強(qiáng)度、撕破強(qiáng)力、頂破強(qiáng)力和刺破強(qiáng)力均隨著其面密度的增大而提高。

(4)純聚丙烯制成的紡黏針刺土工布的耐光氧老化性能較差。

(5)在原料中添加灰色母?；騏V 88抗老化母粒，可提高聚丙烯紡黏針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顯著。