高強(qiáng)粗旦聚丙烯紡黏針刺非織造土工布的耐久性研究*

聶松林 姜瑞明 鎮(zhèn) 壘 孫豐華 李洪昌 錢競(jìng)芳 王先鋒

1.天鼎豐聚丙烯材料技術(shù)有限公司，山東 德州 251500；2.東華大學(xué)紡織學(xué)院，上海 201620

非織造土工布是將纖維進(jìn)行定向或隨機(jī)排列形成纖網(wǎng)后，采用機(jī)械加固的方式制成的一種土工材料[1]。非織造土工布中纖維相互疊加，內(nèi)部呈三維結(jié)構(gòu)，具有良好的力學(xué)各向同性、延伸性和水力學(xué)性能，且加工簡(jiǎn)單、成本較低，已成為世界土工布的主要發(fā)展方向[2-3]。非織造土工布按所用原料的不同，可分為聚酯非織造土工布、聚丙烯非織造土工布、聚酰胺非織造土工布、聚乙烯醇非織造土工布、黃麻非織造土工布、聚乙烯非織造土工布及聚乳酸非織造土工布等。目前，應(yīng)用最普遍的是聚酯非織造土工布和聚丙烯非織造土工布。聚酯非織造土工布強(qiáng)力高、熔點(diǎn)高，具有優(yōu)良的韌性、蠕變特性與抗老化性能，但缺點(diǎn)是耐堿性較差，難以滿足工程要求。聚丙烯非織造土工布強(qiáng)度較高、耐酸堿性好、耐磨性好，且耐腐蝕、耐霉變、耐低溫，具有較好的芯吸效應(yīng)和滲水性能，其密度小、價(jià)格低廉，在土木工程領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，尤其是在地下和高寒等惡劣環(huán)境中具有不可替代的地位[4-5]。其中，高強(qiáng)粗旦聚丙烯紡黏針刺非織造土工布較普通聚丙烯非織造土工布具有更高的強(qiáng)度與更大的孔隙率，力學(xué)及水力學(xué)性能更優(yōu)異。

土工布的耐久性直接影響工程的可靠性和安全性。本文將通過(guò)耐酸堿、室外自然老化、抗熱氧老化和抗凍融試驗(yàn)，對(duì)高強(qiáng)粗旦聚丙烯紡黏針刺非織造土工布(下文簡(jiǎn)稱“土工布A”)、聚酯紡黏針刺非織造土工布(下文簡(jiǎn)稱“土工布B”)和抗紫外線(UV)高強(qiáng)粗旦聚丙烯紡黏針刺非織造土工布(下文簡(jiǎn)稱“土工布C”)的耐久性進(jìn)行試驗(yàn)研究，以期為工程的實(shí)際應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)原料與設(shè)備

聚丙烯切片(PPH-Y24，中石化濟(jì)南分公司)；聚酯切片(非織造布專用，中石化天津分公司)；抗UV母粒[4004-F60-400，奧美凱聚合物(蘇州)有限公司]。

TCS-2000型電子土工布綜合強(qiáng)力試驗(yàn)機(jī)；JSM-5600 LV型掃描電子顯微鏡(SEM)。

1.2 試樣制備

本文制備了不同面密度的土工布用于各種耐久性研究。其中：耐酸堿性測(cè)試采用面密度均為200 g/m2的土工布A和土工布B；室外自然老化測(cè)試使用面密度均為600 g/m2的土工布A、土工布B和土工布C；抗熱氧老化性能測(cè)試使用面密度為120 g/m2的土工布A，由于聚酯土工布的抗熱氧老化性能本來(lái)就優(yōu)于聚丙烯土工布，故本文不研究土工布B的抗熱氧化老化性能；抗凍融性能測(cè)試使用面密度為400 g/m2的土工布A和土工布B。所有測(cè)試樣的制取均按照GB/T 13760—2009《土工合成材料 取樣和試樣準(zhǔn)備》進(jìn)行。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 耐酸堿性測(cè)試

耐酸性測(cè)試所用溶液由H2SO4溶液稀釋配制而成，制成的稀H2SO4溶液的pH值為2?？v橫向各取5塊測(cè)試樣，尺寸均為240 mm×200 mm，室溫下將測(cè)試樣浸泡于稀H2SO4溶液中，每天攪拌1次，每10 d取樣測(cè)試其面密度、斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率，并計(jì)算相應(yīng)指標(biāo)的保持率，結(jié)果取平均值。該測(cè)試需持續(xù)30 d。

耐堿性測(cè)試所用溶液由Ca(OH)2溶于水配制而成，并裝于室內(nèi)大型桶中，制成的Ca(OH)2溶液的pH值為12?？v橫向各取5塊測(cè)試樣，尺寸均為240 mm×200 mm，室溫下將測(cè)試樣浸泡于Ca(OH)2溶液中，蓋上蓋子，每天攪拌1次，每30 d取樣，烘干后測(cè)試其斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率，并計(jì)算相應(yīng)指標(biāo)的保持率，結(jié)果取平均值。該測(cè)試需持續(xù)180 d。

1.3.2 室外自然老化性能測(cè)試

縱橫向各取5塊1 500 mm×1 000 mm的測(cè)試樣放置于樓頂平臺(tái)上(北緯N37°18′、東經(jīng)E116°87′、海拔19.72 m)，測(cè)試樣4個(gè)角用沉重物壓住并固定，定期采取測(cè)試樣并測(cè)試其斷裂強(qiáng)度及斷裂伸長(zhǎng)率，計(jì)算相應(yīng)指標(biāo)的保持率，結(jié)果取平均值。測(cè)試時(shí)間從2016年12月21日開(kāi)始，并于2017年9月20日結(jié)束，共計(jì)9個(gè)月。

1.3.3 抗熱氧老化性能測(cè)試

縱橫向各取5塊尺寸均為240 mm×200 mm測(cè)試樣。依據(jù)ISO 13438-2018Geosynthetics-screeningtestmethodfordeterminingtheresistanceofgeotextilesandgeotextile-relatedproductstooxidation，先將測(cè)試樣于80 ℃水中浸泡28 d，再將測(cè)試樣分別暴露于100 ℃的空氣中28、56和112 d，測(cè)試其斷裂強(qiáng)度及斷裂伸長(zhǎng)率，并計(jì)算相應(yīng)指標(biāo)的保持率，結(jié)果取平均值。

1.3.4 抗凍融性能測(cè)試

縱橫向各取5塊尺寸均為240 mm×200 mm測(cè)試樣。將測(cè)試樣置于-20 ℃的環(huán)境中冷凍24 h后，取出并恢復(fù)至常溫，此為1次凍融循環(huán)。測(cè)試并計(jì)算測(cè)試樣經(jīng)過(guò)10次和20次凍融循環(huán)后的斷裂強(qiáng)度及斷裂伸長(zhǎng)率，并計(jì)算相應(yīng)指標(biāo)的保持率，結(jié)果取平均值。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 耐酸堿性

2.1.1 耐酸性

測(cè)試樣的耐酸性測(cè)試結(jié)果如圖1和圖2所示。

圖1 土工布A的耐酸性

圖2 土工布B的耐酸性

從圖1和圖2可以看出：土工布A在pH值為2的酸性環(huán)境中浸泡30 d后，其面密度基本沒(méi)有損失，縱、橫向斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率的保持率均在90.0%以上；土工布B在pH值為2的酸性環(huán)境中浸泡30 d后，其面密度也基本沒(méi)有損失，但縱橫向斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率則出現(xiàn)明顯下降。這表明，與土工布B相比，土工布A在酸性環(huán)境下的面密度和拉伸性能具有更好的保持性，其耐酸性更優(yōu)。這是因?yàn)榫郾┲饕纱罅繜o(wú)極性烷烴鏈構(gòu)成[6]，在酸性環(huán)境下具有較高的穩(wěn)定性，而聚酯的主要成分為聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯，其存在大量極性基團(tuán)，在酸的作用下部分極性基團(tuán)被破壞，導(dǎo)致分子鏈發(fā)生變化，故而拉伸性能下降，耐久性變差。

測(cè)試樣的耐堿性測(cè)試結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3 土工布A的耐堿性

圖4 土工布B的耐堿性

從圖3和圖4可以看出：(1)整個(gè)測(cè)試過(guò)程中，土工布A的面密度基本沒(méi)有損失，縱、橫向斷裂強(qiáng)度和縱、橫向斷裂伸長(zhǎng)率隨著浸泡時(shí)間的增加呈下降趨勢(shì)，但下降較為平緩，浸泡180 d后面密度保持率仍在100.0%左右、縱向斷裂強(qiáng)度保持率為85.1%、橫向斷裂強(qiáng)度保持率為97.3%，這都表明土工布A在強(qiáng)堿性環(huán)境下具有較高的穩(wěn)定性；(2)整個(gè)測(cè)試過(guò)程中，土工布B的面密度和縱橫向斷裂強(qiáng)度出現(xiàn)明顯下降，其中斷裂強(qiáng)度的下降呈先平緩后劇烈的趨勢(shì)，浸泡180 d后面密度保持率在76.7%、縱向斷裂強(qiáng)度保持率為51.0%、橫向斷裂強(qiáng)度保持率為48.1%。

綜上可以看出，與土工布B相比，土工布A在pH值為12的堿性環(huán)境中，面密度和拉伸性能都具有更好的保持性，且其耐堿性能更優(yōu)。原因在于，聚酯的主要成分聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯在堿性條件下會(huì)發(fā)生逆向水解，生成對(duì)苯二甲酸和乙二醇，故而質(zhì)量減小，面密度下降，拉伸性能受影響較大；且隨著時(shí)間的推進(jìn)，這種水解反應(yīng)不僅只發(fā)生在纖維表面，還會(huì)深入到纖維內(nèi)部，故土工布B縱、橫向斷裂強(qiáng)度的下降呈先緩慢后劇烈的趨勢(shì)。而聚丙烯分子鏈上只有甲基基團(tuán)，沒(méi)有其他活性基團(tuán)，這使得聚丙烯分子的反應(yīng)活性極低，其具有優(yōu)異的耐化學(xué)腐蝕性能，不會(huì)與酸、堿發(fā)生反應(yīng)，所以土工布A在堿性環(huán)境中仍能保持較高的力學(xué)性能。

圖5所示的SEM照片則進(jìn)一步驗(yàn)證了聚酯在55 ℃、pH值為12的堿性溶液中的水解性能。從SEM照片可清晰看出，經(jīng)堿浸泡12周的聚酯纖維表面產(chǎn)生了大量的凹陷，水解導(dǎo)致聚酯纖維的分子鏈斷裂，相對(duì)分子質(zhì)量減小，土工布B的面密度和縱、橫向斷裂強(qiáng)度下降；而高強(qiáng)粗旦聚丙烯纖維經(jīng)堿浸泡后則未受影響。

圖5 土工布A和土工布B在55 ℃、pH值為12的堿性溶液中處理12周后纖維的SEM照片

2.2 室外自然老化性能

土工布耐老化性能的測(cè)試方法有實(shí)際應(yīng)用老化法、室外自然老化法和人工加速老化法等[7]。其中，室外自然老化法是將材料直接暴露于室外環(huán)境中，材料會(huì)充分接受大氣綜合因素的作用。該測(cè)試方法簡(jiǎn)單，結(jié)果較接近實(shí)際，所得材料的室外自然老化性能數(shù)據(jù)更真實(shí)、準(zhǔn)確，故而能更好地為實(shí)際工程應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支持。

測(cè)試樣放置于室外露天環(huán)境的拉伸性能隨時(shí)間變化的關(guān)系如圖6所示。室外放置9個(gè)月后3種測(cè)試樣的外觀形貌如圖7所示。

圖6 測(cè)試樣室外自然老化性能結(jié)果

圖7 測(cè)試樣室外自然老化9個(gè)月后的外觀形貌

從圖6可以得出以下結(jié)論。

(1)在室外露天環(huán)境下，土工布A的縱、橫向斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率的下降速度快于土工布B，尤其是室外放置3個(gè)月后，前者各項(xiàng)指標(biāo)開(kāi)始劇烈下降，室外放置6個(gè)月后前者縱向斷裂強(qiáng)度保持率只有26.0%、橫向斷裂強(qiáng)度保持率只有35.4%，縱向斷裂伸長(zhǎng)率保持率為45.0%、橫向斷裂伸長(zhǎng)率保持率為59.0%，室外放置9個(gè)月后前者布面已粉化并完全失去作用。這都表明土工布A耐光氧老化性能較差，其在日光直射下比土工布B更易老化，這與聚丙烯大分子中碳?xì)溟L(zhǎng)鏈結(jié)構(gòu)在光的作用下易被破壞有關(guān)。其中，前3個(gè)月拉伸性能下降緩慢有兩方面原因，一是前3個(gè)月屬冬春交接，加之測(cè)試地點(diǎn)為北半球，紫外線強(qiáng)度較弱；二是紫外線對(duì)土工布的作用存在一個(gè)過(guò)程。

1994年中國(guó)足球走向職業(yè)化道路，建立了甲級(jí)A組聯(lián)賽(簡(jiǎn)稱甲A)，到2003年十年間中國(guó)職業(yè)足球的發(fā)展獲得了初步的效果，社會(huì)各界對(duì)中國(guó)足球聯(lián)賽的關(guān)注度不斷提高，中國(guó)足球職業(yè)聯(lián)賽也逐步建立起了有自身特色的模式。2004年中國(guó)足球協(xié)會(huì)超級(jí)聯(lián)賽在天津正式開(kāi)幕(簡(jiǎn)稱中超)，開(kāi)創(chuàng)了中國(guó)足球的新紀(jì)元，它是參照英超聯(lián)賽制度進(jìn)行完善的，但發(fā)展效果并不理想。中超聯(lián)賽發(fā)展期間暴露了很多問(wèn)題，例如運(yùn)營(yíng)管理、聯(lián)賽的公平性等問(wèn)題嚴(yán)重阻礙了聯(lián)賽發(fā)展。因此，有必要對(duì)中超聯(lián)賽的運(yùn)營(yíng)管理、組織傳播、上座率、引進(jìn)外籍球員等問(wèn)題進(jìn)行深入研究。通過(guò)研究中超聯(lián)賽的現(xiàn)狀、存在的問(wèn)題與原因，尋找解決方法，有助于足球改革發(fā)展的順利進(jìn)行。

(2)土工布C的耐老化性能較土工布A大幅提高，其在同等條件的室外放置3個(gè)月后，縱橫向斷裂強(qiáng)度不降反升，室外放置9個(gè)月后，縱向斷裂強(qiáng)度保持率為82.5%、橫向斷裂強(qiáng)度保持率為82.8%，均在80.0%以上，高于土工布B的縱、橫向斷裂強(qiáng)度保持率(63.7%和68.5%)。這是因?yàn)楣饫匣^(guò)程中，聚丙烯高分子中的叔碳原子受到光能作用產(chǎn)生了許多自由基，這些自由基會(huì)引起分子鏈的斷裂、增長(zhǎng)、交聯(lián)等反應(yīng)。紫外老化前期，鏈增長(zhǎng)和交聯(lián)作用明顯，故斷裂強(qiáng)度出現(xiàn)小幅增加；隨著紫外老化的進(jìn)行，鏈斷裂的影響顯現(xiàn)，但由于抗UV母粒的作用，斷裂強(qiáng)度下降較少。

2.3 抗熱氧老化性能

土工布A測(cè)試樣的抗熱氧老化性能測(cè)試結(jié)果如圖8所示。

圖8 土工布A的抗熱氧老化性能

從圖8可以看出，隨著熱氧老化時(shí)間的增加，土工布A的縱橫向斷裂強(qiáng)度保持率先超過(guò)100.0%后降至100.0%以下，斷裂強(qiáng)度均呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)。究其原因，聚丙烯屬結(jié)晶型高分子化合物，聚丙烯纖維的強(qiáng)度與其分子鏈內(nèi)部的結(jié)晶及取向有關(guān)。熱氧化初期的高溫使得聚丙烯分子鏈的結(jié)晶和取向進(jìn)一步提升，故縱橫向斷裂強(qiáng)度提高；隨著熱氧化的進(jìn)行，其對(duì)材料的影響逐漸顯現(xiàn)，老化開(kāi)始向材料內(nèi)部擴(kuò)展，聚丙烯大分子結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，材料斷裂強(qiáng)度下降[8-9]。圖8中，土工布A先在80 ℃水中浸泡28 d，再在100 ℃的空氣中暴露112 d后，縱向斷裂強(qiáng)度保持率為83.5%，橫向斷裂強(qiáng)度保持率為78.7%，縱、橫向斷裂伸長(zhǎng)保持率均在60.0%以上，表明其具有良好的抗熱氧老化性能。

2.4 抗凍融性能

抗凍融性能可反應(yīng)材料在極端氣候條件下的使用性能。測(cè)試樣的抗凍融性能如圖9所示。

圖9 測(cè)試樣的抗凍融性能

從圖9可以看出：土工布A在凍融循環(huán)20次后，其斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率的保持率都在95.0%以上，損失較小。而土工布B凍融循環(huán)10次后，其斷裂強(qiáng)度與斷裂伸長(zhǎng)率的保持率已經(jīng)下降到80.0%以下；凍融循環(huán)20次后，其斷裂強(qiáng)度與斷裂伸長(zhǎng)率的保持率已下降到60.0%左右?？梢?jiàn)，相較于土工布B，土工布A具有更好的抗凍融性能，更適宜在極端氣候條件下的工程應(yīng)用中使用。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)土工布A、土工布B及土工布C進(jìn)行試驗(yàn)研究，得出：

(1)土工布A具有優(yōu)異的耐酸堿性能，其能在pH值為2～12的環(huán)境中保持拉伸性能穩(wěn)定，而土工布B的耐酸堿性較差，尤其是在堿性環(huán)境下易發(fā)生水解，斷裂強(qiáng)度快速下降；

(2)土工布A本身的耐光氧老化性能較弱，暴露于室外露天環(huán)境中易老化失去作用，但添加一定成分的抗UV助劑后，其耐老化性能大幅提高，能在室外露天環(huán)境中穩(wěn)定使用；

(3)土工布A具有優(yōu)異的抗熱氧老化性能，其先在80 ℃水中浸泡28 d，再在100 ℃的空氣中暴露112 d后，縱向斷裂強(qiáng)度保持率為83.5%，橫向斷裂強(qiáng)度保持率為78.7%，縱橫向斷裂伸長(zhǎng)保持率也都在60.0%以上。

(4)土工布A具有優(yōu)異的抗凍融性能，能適應(yīng)冬季極寒天氣條件及晝夜溫差較大區(qū)域的溫度反復(fù)變化，并保持自身性能的穩(wěn)定。