涤纶纺黏与涤纶短纤维针刺土工布的性能研究

2014-09-04

产业用纺织品 2014年5期

(东华大学纺织学院，上海，201620)

土工布可分为机织类、针织类(主要指经编类产品)、非织造类及复合类[1]。尽管工艺类型不同，但总体上均具有一定的物理性能和水力学性能，能够应用于岩土工程、水利和市政建设等领域。本文以目前广泛应用的涤纶纺黏针刺土工布和涤纶短纤维针刺土工布为例，研究了两者在拉伸断裂强度及伸长率、梯形撕裂强力、CBR顶破强力、握持强力及伸长率等力学性能指标上的差异[2]，为实际工程设计提供理论指导。

1 试样

1.1 涤纶纺黏针刺土工布

涤纶纺黏针刺土工布试样的面密度分别为100、200、300和400 g/m2，其生产工艺是：

聚酯切片→结晶干燥→螺杆挤压→熔体过滤→纺丝→侧吹风冷却→气流牵伸→摆丝铺网→预针刺→主针刺→储布→切边成卷。

1.2 涤纶短纤维针刺土工布

涤纶短纤维针刺土工布试样的面密度分别为100、200、300和400 g/m2，其生产工艺是：纤维包→混合开松→精开松→梳理→铺网→预针刺→主针刺→修面针刺→切边成卷。

2 性能测试

2.1 拉伸断裂强度及伸长率

采用YT010型土工布综合强力机，按照标准GB/T 15788—2005方法测试。

测试条件：环境温度20 ℃，相对湿度65%；试样尺寸200 mm×200 mm；夹持隔距100 mm，拉伸速度100 mm/min。纵横向取样数量分别为10个。

2.2 梯形撕裂强力

采用YT010型土工布综合强力机，按照标准GB/T 13763—2010方法测试。

测试条件：环境温度20 ℃，相对湿度65%；试样尺寸200 mm×75 mm；夹持隔距25 mm，拉伸速度50 mm/min。纵横向取样数量分别为10个。

2.3 CBR顶破强力

采用YT010型土工布综合强力机，按照标准GB/T 14800—2010方法测试。

测试条件：环境温度20 ℃，相对湿度65%；试样为Ф300 mm的圆形试样；顶压速度50 mm/min。取样数量10个。

2.4 握持强力

采用YT010型土工布综合强力机，按照标准SL 235—2012方法测试。

测试条件：环境温度20 ℃，相对湿度65%；试样尺寸200 mm×100 mm；夹具面钳口尺寸为宽25 mm，长50 mm；试样长边平行于荷载作用方向，试样计量长度75 mm，在长度方向上试样两端应伸出夹具至少10 mm；拉伸速度300 mm/min。纵横向取样数量分别为10个。

3 结果与分析

3.1 拉伸断裂强度及伸长率

土工布的拉伸断裂强度及伸长率通过宽条样法拉伸试验测出，是土工布力学性能要求中最基本的一项指标。涤纶纺黏与涤纶短纤维针刺土工布的纵横向拉伸断裂强度及伸长率如图1和图2所示。

由图1和图2数据分析可知：

(1)纵横向断裂强度：涤纶纺黏针刺土工布均大于涤纶短纤维针刺土工布，数值上前者约是后者的2倍。

(2)纵向断裂伸长率：面密度低于200 g/m2时，涤纶纺黏针刺土工布>涤纶短纤维针刺土工布；面密度大于200 g/m2、小于400 g/m2时，涤纶纺黏针刺土工布<涤纶短纤维针刺土工布。

1——涤纶纺黏针刺土工布；2——涤纶短纤维针刺土工布图1 不同面密度土工布的拉伸强度

1——涤纶纺黏针刺土工布；2——涤纶短纤维针刺土工布图2 不同面密度土工布的断裂伸长率

(3)横向断裂伸长率：面密度低于约150 g/m2时，涤纶纺黏针刺土工布>涤纶短纤维针刺土工布；面密度大于150 g/m2、小于400 g/m2时，涤纶纺黏针刺土工布<涤纶短纤维针刺土工布。

涤纶纺黏针刺土工布的拉伸断裂强度大于涤纶短纤维针刺土工布是因为单纤维的强力起到了主要作用。涤纶纺黏针刺土工布的纤维是由管式气流牵伸装置牵伸而成，纺丝速度达到5 000 m/min[3]，单丝性能类似于化纤纺丝中的全拉伸丝(FDY)，因而其强力较高。同时，由于涤纶纺黏针刺土工布中的纤维是长丝，在受到外界拉伸时，单纤维强力的贡献较短纤维大，且相互间的缠结接触以及摩擦力大，从而使得涤纶纺黏针刺土工布的拉伸强力大于短纤维针刺土工布。

在面密度较低时，涤纶纺黏针刺土工布的尺寸稳定性较差，伸长率较涤纶短纤维针刺土工布大；而面密度高时，涤纶短纤维针刺土工布的伸长率比涤纶纺黏针刺土工布大。主要原因是面密度低时，土工布厚度小，加之长丝刚度较大，其纤维间的抱合较短纤维之间的抱合困难；随着面密度的增加，土工布厚度增大，纤维之间的接触增多，长丝与周围纤维有更多的缠结和抱合。

3.2 梯形撕裂强力

测试织物撕裂性能的方法有舌形法、梯形法、落锤法和翼形法等，而梯形法撕裂是在土工布测试中较为广泛采用的。涤纶纺黏与涤纶短纤维针刺土工布的梯形撕裂强力如图3所示。

1——涤纶纺黏针刺土工布；2——涤纶短纤维针刺土工布图3 不同面密度土工布的梯形撕裂强力

由图3数据分析可知：涤纶纺黏针刺土工布的纵横向梯形撕裂强力均大于涤纶短纤维针刺土工布，数值上前者约是后者的2倍。撕裂破坏作用主要是依靠撕裂三角区的局部应力场作用。相对于机织土工布，针刺非织造土工布变形能力大，因而随着撕裂应力集中区的扩大，撕裂的不同时性主作用明显减弱，转向大面积的拉伸[4]。就其本质而言，梯形撕裂法针对针刺土工布的评价主要还是体现了拉伸断裂性能。因此，本文两种土工布的梯形撕裂强力的相对性能与拉伸断裂强度是一致的。

3.3 CBR顶破强力

土工布在一垂直于其平面的负荷作用下，顶起或鼓起扩张而破裂的现象称为顶破。测试织物顶破性能的方法有圆球顶破、CBR顶破、气压胀破、液压胀破等，这些方法在土工布的测试中都有应用，并有相应的测试标准。本文的CBR顶破强力是使用直径为50 mm 的平头圆柱顶杆垂直顶压试样，以过程中的最大顶压力表征。涤纶纺黏与涤纶短纤维针刺土工布的CBR顶破强力如图4所示。

1——涤纶纺黏针刺土工布；2——涤纶短纤维针刺土工布图4 不同面密度土工布的CBR顶破强力

由图4数据分析可知：涤纶纺黏针刺土工布的CBR顶破强力均大于涤纶短纤维针刺土工布，数值上前者约是后者的2倍。针刺土工布被顶破主要是纤维的断裂和纤维网的松散化，顶破口是一个隆起的松散纤维包[4]。影响针刺土工布顶破强力的最直接的因素是其拉伸断裂强度，随着纵横向拉伸断裂强度的增加，顶破强力明显提高。因此，本文两种土工布的CBR顶破强力的相对性能与拉伸断裂强度是一致的。