聚丙烯針刺土工布及其復合土工膜的力學性能分析

周真佳 柯勤飛 靳向煜 鮑旭鋒 張旭東

1.東華大學紡織學院，上海 201600；2.宜興市杰高非織造布有限公司，江蘇 宜興 214200；3.江蘇東方濾袋股份有限公司，江蘇 阜寧 224400

土工布(Geotextiles)具備多重應用功能，如增強加筋、隔離防護、承受載荷、過濾排水、防滲防漏等。在紡黏針刺非織造土工布應用中，聚丙烯紡黏針刺土工布性能優異，耐堿性能尤為突出，這使得其能用于鐵路、公路、機場、港口、牧場、隧道等建設，以及水利水電、垃圾填埋、土壤修復等重點工程中。因此，加強對聚丙烯紡黏針刺土工布的研究具有十分重要的意義。

本文針對目前備受國內外業界人士關注的聚丙烯紡黏(L-PP)針刺土工布和聚丙烯短纖(S-PP)針刺土工布展開研究，測試了兩者的各項力學性能，研究兩種土工布在拉伸斷裂強度及斷裂伸長率、撕裂強力、頂破強力等性能上的差異，并采用一步法新復合工藝分別制備聚丙烯紡黏針刺土工布/聚乙烯膜復合土工膜(L-PP/PE復合土工膜)、聚丙烯短纖針刺土工布/聚乙烯膜復合土工膜(S-PP/PE復合土工膜)，對它們的性能進行測試、對比與分析，以期為聚丙烯紡黏針刺和聚丙烯短纖針刺土工布在工程中的應用提供理論依據與參考[1-4]。

1 試樣的制備

根據前期的工程應用和要求，確定分別制備面密度為200、400和600 g/m2的聚丙烯針刺土工布試樣。

1.1 聚丙烯紡黏針刺土工布的制備

制備流程：聚丙烯切片喂入→計量混合→螺桿擠壓機擠壓熔融→熔體過濾器過濾→計量泵計量→紡絲→側吹風冷卻→氣流牽伸→分絲成網→噴灑油劑→預針刺→主針刺→分切收卷→聚丙烯紡黏針刺土工布。

所得聚丙烯紡黏針刺土工布中，纖維為PP長絲(簡記為L-PP)，故該土工布簡記為L-PP針刺土工布。下文將面密度為200、400和600 g/m2的L-PP針刺土工布試樣分別簡記為1#、2#和3#。

1.2 聚丙烯短纖針刺土工布的制備

制備流程：聚丙烯短纖原料喂入→開松混合→梳理成網→機械鋪網→纖網牽伸→纖網喂入→預針刺→主針刺→切邊→聚丙烯短纖針刺土工布。

所得聚丙烯短纖針刺土工布中，纖維為PP短纖(簡記為S-PP)，故該土工布簡記為S-PP針刺土工布。下文將面密度為200、400和600 g/m2的S-PP針刺土工布試樣分別簡記為4#、5#和6#。

1.3 復合土工膜的制備

將1#～6#聚丙烯針刺土工布試樣，通過一步法工藝，分別與熱熔PE擠出膜復合，制成復合土工膜。

具體制備流程：PE切片喂入→PE切片熔融擠出并與聚丙烯針刺土工布試樣壓延復合→冷卻→裁剪、卷繞→復合土工膜。

制備復合土工膜時，淋膜厚度控制在約0.30 mm。下文將1#、2#和3#試樣制備的L-PP/PE復合土工膜簡記為A、B、C，將4#、5#和6#試樣制備S-PP/PE復合土工膜簡記為D、E、F。

12種試樣的面密度歸納于表1。

表1 12種試樣的面密度 (g/m2)

2 性能測試

2.1 單纖維拉伸性能

利用XQ-2纖維強伸度儀，參照GB/T 14337—2008《化學纖維 短纖維拉伸性能試驗方法》標準進行測試。

測試條件及參數：環境溫度為 20 ℃、相對濕度為65%；試樣夾持隔距為1.0 cm，拉伸速度為10 mm/min。

每種試樣取樣數量為50根，分成5組測試，每組10根，結果取其平均值。

2.2 聚丙烯針刺土工布及復合土工膜的拉伸性能

利用 YG026型土工布電子拉力試驗機，參照SL 235—2012《土工合成材料測試規程》標準，采用窄條法進行拉伸性能測試。

測試條件及參數：環境溫度為25 ℃、相對濕度為65%；試樣尺寸為20.0 cm×5.0 cm；夾持隔距為10.0 cm，拉伸速度為200 mm/min。

每種試樣縱橫向各取樣5塊，測試結果取平均值。

2.3 聚丙烯針刺土工布及復合土工膜的撕裂性能

采用YG026型土工布電子拉力試驗機，參照SL 235—2012標準進行梯形撕裂強力的測試。

測試條件及參數：環境溫度25 ℃、相對濕度 65%；試樣尺寸20.0 cm×7.6 cm，根據模板尺寸在試樣上畫出梯形的兩條底邊，在梯形較短底邊正中處剪一條1.5 cm長的切口；夾持距離為2.5 cm，試驗速度為300 mm/min，撕裂長度為5.0 cm。

每種試樣縱橫向各取樣5塊，測試結果取平均值。

2.4 聚丙烯針刺土工布及復合土工膜的頂破性能

采用 YG026 D型土工布電子拉力試驗機，參照SL 235—2012標準進行CBR頂破強力的測試。

測試條件及參數：環境溫度 25 ℃、相對濕度65%；圓形試樣直徑為30.0 cm；試驗機頂壓速度為50 mm/min，返回速度為500 mm/min，隔距為8.0 cm。

每種試樣各取樣5塊，測試結果取平均值。

3 結果與分析

3.1 單纖維拉伸性能

單纖維拉伸性能在一定程度上會影響土工布的拉伸性能。1#～6#試樣中單根聚丙烯纖維的拉伸曲線如圖1所示，各項拉伸性能測試結果歸納于表2，其中L-PP1、L-PP2和L-PP3分別指代1#、2#和3#試樣中的單根聚丙烯長絲；S-PP1、S-PP2和S-PP3分別指代4#、5#和6#試樣中的單根聚丙烯短纖。

圖1 1#～6#試樣中單根聚丙烯纖維拉伸曲線

表2 1#～6#試樣中單根聚丙烯纖維的拉伸性能

由圖1及表2可以看出：

(1)L-PP纖維的斷裂強力和斷裂強度均小于S-PP纖維。這主要是因為，S-PP針刺土工布的生產采用的是多輥機械牽伸工藝，S-PP纖維在牽伸過程中受牽伸非常充分，故S-PP纖維的取向度和結晶度高，均值分別可達87.6%和58.66%；L-PP針刺土工布的生產采用的是氣流牽伸工藝，L-PP纖維受牽伸不充分，其大分子鏈的取向度和結晶度均值分別為83.9%和51.88%，故斷裂強力和斷裂強度都不及S-PP纖維。

(2)L-PP纖維的斷裂伸長率都遠大于S-PP纖維，在數值上前者約是后者的1.8～3.5倍。

3.2 聚丙烯針刺土工布

3.2.1 拉伸性能

拉伸斷裂強度及拉伸斷裂伸長率是土工布最基本也是最重要的力學性能指標，其除了與纖維的品種及線密度有關外，還與土工布的結構及工藝密切相關[5-10]。圖2反映了1#～6#試樣縱橫向的拉伸斷裂強度及拉伸斷裂伸長率。

再根據SL 235—2012標準裁剪1#～6#試樣，于標準溫濕度條件下(環境溫度20 ℃、相對濕度65%)，測試土工布試樣的面密度與厚度，并計算出相應的密度，歸納于表3。

表3 1#～6#試樣的厚度和密度

由圖2和表3可以看出：

圖2 1#～6#試樣縱橫向拉伸斷裂強度和拉伸斷裂伸長率

(1)面密度為200 g/m2和400 g/m2時，1#和2#

試樣的縱橫向拉伸斷裂強度小于4#和5#試樣，數值上后者約是前者的1.3倍，這與1#和2#試樣中L-PP纖維線密度較大，加之1#和2#試樣密度較小，1#和2#試樣中L-PP纖維間的接觸較4#和5#試樣中S-PP纖維間少，L-PP纖維與周圍纖維不能形成更多的纏結和抱合有關[11-13]；面密度為600 g/m2時，3#試樣的縱橫向拉伸斷裂強度大于6#試樣，這與3#試樣中L-PP纖維線密度相對較小，纖網均勻性好，加之3#試樣的厚度和密度相對較大，纖維間接觸點和纏結點增多，同一根L-PP纖維形成的“纖維銷釘”個數更多有關[14-15]。

(2)面密度為200 g/m2和400 g/m2時，1#和2#試樣縱橫向拉伸斷裂伸長率大于4#和5#試樣；面密度為600 g/m2時，3#試樣縱橫向拉伸斷裂伸長率小于6#試樣。

可見，聚丙烯針刺土工布縱橫向的拉伸斷裂強度和拉伸斷裂伸長率并非隨面密度同比例或同趨勢變化[16]，它們還與成網及固結工藝有關。

為進一步分析L-PP針刺土工布與S-PP針刺土工布的拉伸斷裂過程，圖3展示了它們的拉伸曲線。

圖3 兩種聚丙烯針刺土工布的拉伸曲線

L-PP針刺土工布即1#～3#試樣由雜亂堆放的長絲經針刺加固而成，其拉伸斷裂包括雜亂堆積的長絲的延伸、長絲“Ω”式纏結結構的破壞及長絲的斷裂這3個階段。從圖3a)可以看出，1#～3#試樣斷裂的不同時性明顯，這與試樣中L-PP纖維間的黏合點較多，試樣剛度較大，針刺加固不夠充分有關[17-19]。

S-PP針刺土工布中短纖維間的纏結非常緊密，圖3b)中4#～6#試樣斷裂的同時性非常明顯。

3.2.2 撕裂性能

土工布撕裂性能的測試方法有梯形法、舌形法、落錘法、翼形法等，其中梯形法使用較為廣泛。圖4為梯形法測得的聚丙烯針刺土工布的縱橫向撕裂強力。

圖4 聚丙烯針刺土工布的縱橫向撕裂強力

由圖4可知：面密度增加，聚丙烯針刺土工布試樣的縱橫向撕裂強力都增大；L-PP針刺土工布試樣的縱橫向撕裂強力均大于S-PP針刺土工布試樣相應的縱橫向撕裂強力，且數值上前者約是后者的1.5～2.0倍。L-PP針刺土工布斷裂伸長大，變形能力好，撕裂時其撕裂應力集中區擴大，撕裂的同時性增強，撕裂強力增大。因此，就本質而言，梯形法對土工布撕裂性能的評價主要還是體現了其拉伸性能[20-21]。

3.2.3 頂破性能

本文使用直徑為5.0 cm的平頭圓柱頂桿垂直頂壓聚丙烯針刺土工布試樣，直至試樣完全被頂破。兩種聚丙烯針刺土工布試樣的CBR頂破強力如圖5所示，其中1#與4#、2#與5#、3#與6#的頂破對比效果相同，此處頂破曲線選擇2#與5#為例。聚丙烯針刺土工布被頂時受剪切力的作用，被頂處的纖維發生相對錯動，但最終纖維發生斷裂，頂破處為一隆起的松散狀纖維包。

由圖5可知：L-PP針刺土工布的CBR頂破強力和頂破伸長均大于S-PP針刺土工布。原因在于：L-PP針刺土工布延伸性好，抵抗變形能力強，CBR頂破時纖網先發生一定程度的延伸，CBR頂破應力被分散，然后內部相互纏結的長絲才發生斷裂；S-PP針刺土工布延伸率較低，變形能力差，CBR頂破應力較集中。

圖5 聚丙烯針刺土工布的CBR頂破強力和頂破曲線

3.3 復合土工膜

3.3.1 拉伸性能

為表征熱熔PE擠出膜對L-PP針刺土工布和S-PP針刺土工布拉伸性能的影響，測試并對比了1#～6#聚丙烯針刺土工布試樣與A～F復合土工膜試樣的拉伸斷裂強度及拉伸斷裂伸長率(圖6和圖7)，其中圖8所示強力-伸長曲線仍以2#與5#為例。

圖8 復合土工膜和土工布的強力-伸長曲線

由圖6和圖7可知：1)復合土工膜的拉伸斷裂強度都大于相應的聚丙烯針刺土工布的拉伸斷裂強度，說明PE膜在熱熔狀態下與聚丙烯針刺土工布復合后，復合土工膜的強度增強；2)復合土工膜的拉伸斷裂伸長率都大于相應的聚丙烯針刺土工布的拉伸斷裂伸長率。

圖6 聚丙烯針刺土工布及其復合土工膜的縱橫向斷裂強度

圖7 聚丙烯針刺土工布及其復合土工膜的縱橫向斷裂伸長率

PE膜的復合極大地改善了L-PP針刺土工布和S-PP針刺土工布的力學性能，這與經螺桿擠壓機熔融擠出的PE膜本身具有一定的強力和優異的延展性有關。復合后，PE膜和聚丙烯針刺土工布共同承受拉伸載荷。此外，PE膜束縛了聚丙烯針刺土工布表面的纖維，增加了復合土工膜的厚度，使得復合土工膜的硬挺度、拉伸斷裂強度和拉伸斷裂伸長率都明顯提高[22]。

由圖8可知：聚丙烯針刺土工布的拉伸斷裂形式主要是纖維的斷裂；復合土工膜的拉伸斷裂形式是先聚丙烯針刺土工布拉伸達到臨界值發生斷裂，然后PE膜拉伸形變達到極限發生斷裂，故復合土工膜的斷裂整體表現為不同時性[23]。

此外，為進一步研究復合土工膜的復合機理，特對復合土工膜的界面進行了觀察，圖9以2#試樣為例展示了PE膜與聚丙烯針刺土工布分離前后的界面形態。

圖9 PE膜與土工布分離前后的界面形態

分析圖9可以發現：在熱熔和壓力的雙重作用下，PE膜與聚丙烯針刺土工布復合，大量的聚丙烯纖維與PE膜熱黏合并鑲嵌在一起，形成了纖維網絡區域(圖中虛線圓圈所示)，PE膜冷卻成型后對聚丙烯纖維產生束縛作用，制約了纖維網的伸長，同時膜的抗拉強力大幅增加。故復合土工膜的硬挺度增加，力學性能得到提升[24-25]。

3.3.2 撕裂性能

聚丙烯針刺土工布及其復合土工膜試樣縱橫向的撕裂強力如圖10所示。

從圖10可以看出，復合土工膜的撕裂強力都高于相應的聚丙烯針刺土工布，且L-PP/PE復合土工膜(A～C試樣)的縱橫向撕裂強力均大于S-PP/PE復合土工膜(D～ F試樣)的縱橫向撕裂強力，前者約是后者的1.5倍，這與L-PP針刺土工布和S-PP針刺土工布的撕裂強力情況一致。

圖10 聚丙烯針刺土工布及其復合土工膜試樣縱橫向的撕裂強力

3.3.3 頂破性能

CBR頂破測試時，統一以聚丙烯針刺土工布的表面作為頂桿的接觸面，聚丙烯針刺土工布及其復合土工膜試樣的CBR頂破強力測試結果如圖11所示。

圖11 聚丙烯針刺土工布及其復合土工膜試樣的CBR頂破強力

從圖11可以看出：復合土工膜的CBR頂破強力均高于相應的聚丙烯針刺土工布的頂破強力，這與PE膜會同聚丙烯針刺土工布一起共同受力有關。此外，L-PP/PE復合土工膜(A～ C試樣)的CBR頂破強力大于S-PP/PE復合土工膜(D～F試樣)，這與L-PP針刺土工布(1#～3#試樣)的CBR頂破強力大于S-PP針刺土工布(4#～6#試樣)有關。

實際上，影響復合土工膜CBR頂破強力最直接的因素就是其拉伸斷裂強度。隨著縱橫向拉伸斷裂強度的增加，CBR頂破強力明顯提高。

4 結論

(1)L-PP針刺土工布中單纖維的斷裂強力和斷裂強度均小于S-PP針刺土工布中的單纖維，而伸長率方面，L-PP纖維大于S-PP纖維，數值上前者約是后者的1.8～3.5倍。

(2)對于不同面密度的L-PP針刺土工布和S-PP針刺土工布試樣，其縱橫向拉伸斷裂強度、拉伸斷裂伸長率并非與面密度同比例或同趨勢變化。L-PP針刺土工布的撕裂強力和CBR頂破強力均大于相同面密度的S-PP針刺土工布試樣。

(3)復合土工膜力學性能優異，其各項力學性能都優于相應的聚丙烯針刺土工布。