聚丙烯针刺土工布及其复合土工膜的力学性能分析

周真佳 柯勤飞 靳向煜 鲍旭锋 张旭东

1.东华大学纺织学院，上海 201600；2.宜兴市杰高非织造布有限公司，江苏 宜兴 214200；3.江苏东方滤袋股份有限公司，江苏 阜宁 224400

土工布(Geotextiles)具备多重应用功能，如增强加筋、隔离防护、承受载荷、过滤排水、防渗防漏等。在纺黏针刺非织造土工布应用中，聚丙烯纺黏针刺土工布性能优异，耐碱性能尤为突出，这使得其能用于铁路、公路、机场、港口、牧场、隧道等建设，以及水利水电、垃圾填埋、土壤修复等重点工程中。因此，加强对聚丙烯纺黏针刺土工布的研究具有十分重要的意义。

本文针对目前备受国内外业界人士关注的聚丙烯纺黏(L-PP)针刺土工布和聚丙烯短纤(S-PP)针刺土工布展开研究，测试了两者的各项力学性能，研究两种土工布在拉伸断裂强度及断裂伸长率、撕裂强力、顶破强力等性能上的差异，并采用一步法新复合工艺分别制备聚丙烯纺黏针刺土工布/聚乙烯膜复合土工膜(L-PP/PE复合土工膜)、聚丙烯短纤针刺土工布/聚乙烯膜复合土工膜(S-PP/PE复合土工膜)，对它们的性能进行测试、对比与分析，以期为聚丙烯纺黏针刺和聚丙烯短纤针刺土工布在工程中的应用提供理论依据与参考[1-4]。

1 试样的制备

根据前期的工程应用和要求，确定分别制备面密度为200、400和600 g/m2的聚丙烯针刺土工布试样。

1.1 聚丙烯纺黏针刺土工布的制备

制备流程：聚丙烯切片喂入→计量混合→螺杆挤压机挤压熔融→熔体过滤器过滤→计量泵计量→纺丝→侧吹风冷却→气流牵伸→分丝成网→喷洒油剂→预针刺→主针刺→分切收卷→聚丙烯纺黏针刺土工布。

所得聚丙烯纺黏针刺土工布中，纤维为PP长丝(简记为L-PP)，故该土工布简记为L-PP针刺土工布。下文将面密度为200、400和600 g/m2的L-PP针刺土工布试样分别简记为1#、2#和3#。

1.2 聚丙烯短纤针刺土工布的制备

制备流程：聚丙烯短纤原料喂入→开松混合→梳理成网→机械铺网→纤网牵伸→纤网喂入→预针刺→主针刺→切边→聚丙烯短纤针刺土工布。

所得聚丙烯短纤针刺土工布中，纤维为PP短纤(简记为S-PP)，故该土工布简记为S-PP针刺土工布。下文将面密度为200、400和600 g/m2的S-PP针刺土工布试样分别简记为4#、5#和6#。

1.3 复合土工膜的制备

将1#～6#聚丙烯针刺土工布试样，通过一步法工艺，分别与热熔PE挤出膜复合，制成复合土工膜。

具体制备流程：PE切片喂入→PE切片熔融挤出并与聚丙烯针刺土工布试样压延复合→冷却→裁剪、卷绕→复合土工膜。

制备复合土工膜时，淋膜厚度控制在约0.30 mm。下文将1#、2#和3#试样制备的L-PP/PE复合土工膜简记为A、B、C，将4#、5#和6#试样制备S-PP/PE复合土工膜简记为D、E、F。

12种试样的面密度归纳于表1。

表1 12种试样的面密度 (g/m2)

2 性能测试

2.1 单纤维拉伸性能

利用XQ-2纤维强伸度仪，参照GB/T 14337—2008《化学纤维 短纤维拉伸性能试验方法》标准进行测试。

测试条件及参数：环境温度为 20 ℃、相对湿度为65%；试样夹持隔距为1.0 cm，拉伸速度为10 mm/min。

每种试样取样数量为50根，分成5组测试，每组10根，结果取其平均值。

2.2 聚丙烯针刺土工布及复合土工膜的拉伸性能

利用 YG026型土工布电子拉力试验机，参照SL 235—2012《土工合成材料测试规程》标准，采用窄条法进行拉伸性能测试。

测试条件及参数：环境温度为25 ℃、相对湿度为65%；试样尺寸为20.0 cm×5.0 cm；夹持隔距为10.0 cm，拉伸速度为200 mm/min。

每种试样纵横向各取样5块，测试结果取平均值。

2.3 聚丙烯针刺土工布及复合土工膜的撕裂性能

采用YG026型土工布电子拉力试验机，参照SL 235—2012标准进行梯形撕裂强力的测试。

测试条件及参数：环境温度25 ℃、相对湿度 65%；试样尺寸20.0 cm×7.6 cm，根据模板尺寸在试样上画出梯形的两条底边，在梯形较短底边正中处剪一条1.5 cm长的切口；夹持距离为2.5 cm，试验速度为300 mm/min，撕裂长度为5.0 cm。

每种试样纵横向各取样5块，测试结果取平均值。

2.4 聚丙烯针刺土工布及复合土工膜的顶破性能

采用 YG026 D型土工布电子拉力试验机，参照SL 235—2012标准进行CBR顶破强力的测试。

测试条件及参数：环境温度 25 ℃、相对湿度65%；圆形试样直径为30.0 cm；试验机顶压速度为50 mm/min，返回速度为500 mm/min，隔距为8.0 cm。

每种试样各取样5块，测试结果取平均值。

3 结果与分析

3.1 单纤维拉伸性能

单纤维拉伸性能在一定程度上会影响土工布的拉伸性能。1#～6#试样中单根聚丙烯纤维的拉伸曲线如图1所示，各项拉伸性能测试结果归纳于表2，其中L-PP1、L-PP2和L-PP3分别指代1#、2#和3#试样中的单根聚丙烯长丝；S-PP1、S-PP2和S-PP3分别指代4#、5#和6#试样中的单根聚丙烯短纤。

图1 1#～6#试样中单根聚丙烯纤维拉伸曲线

表2 1#～6#试样中单根聚丙烯纤维的拉伸性能

由图1及表2可以看出：

(1)L-PP纤维的断裂强力和断裂强度均小于S-PP纤维。这主要是因为，S-PP针刺土工布的生产采用的是多辊机械牵伸工艺，S-PP纤维在牵伸过程中受牵伸非常充分，故S-PP纤维的取向度和结晶度高，均值分别可达87.6%和58.66%；L-PP针刺土工布的生产采用的是气流牵伸工艺，L-PP纤维受牵伸不充分，其大分子链的取向度和结晶度均值分别为83.9%和51.88%，故断裂强力和断裂强度都不及S-PP纤维。

(2)L-PP纤维的断裂伸长率都远大于S-PP纤维，在数值上前者约是后者的1.8～3.5倍。

3.2 聚丙烯针刺土工布

3.2.1 拉伸性能

拉伸断裂强度及拉伸断裂伸长率是土工布最基本也是最重要的力学性能指标，其除了与纤维的品种及线密度有关外，还与土工布的结构及工艺密切相关[5-10]。图2反映了1#～6#试样纵横向的拉伸断裂强度及拉伸断裂伸长率。

再根据SL 235—2012标准裁剪1#～6#试样，于标准温湿度条件下(环境温度20 ℃、相对湿度65%)，测试土工布试样的面密度与厚度，并计算出相应的密度，归纳于表3。

表3 1#～6#试样的厚度和密度

由图2和表3可以看出：

图2 1#～6#试样纵横向拉伸断裂强度和拉伸断裂伸长率

(1)面密度为200 g/m2和400 g/m2时，1#和2#

试样的纵横向拉伸断裂强度小于4#和5#试样，数值上后者约是前者的1.3倍，这与1#和2#试样中L-PP纤维线密度较大，加之1#和2#试样密度较小，1#和2#试样中L-PP纤维间的接触较4#和5#试样中S-PP纤维间少，L-PP纤维与周围纤维不能形成更多的缠结和抱合有关[11-13]；面密度为600 g/m2时，3#试样的纵横向拉伸断裂强度大于6#试样，这与3#试样中L-PP纤维线密度相对较小，纤网均匀性好，加之3#试样的厚度和密度相对较大，纤维间接触点和缠结点增多，同一根L-PP纤维形成的“纤维销钉”个数更多有关[14-15]。

(2)面密度为200 g/m2和400 g/m2时，1#和2#试样纵横向拉伸断裂伸长率大于4#和5#试样；面密度为600 g/m2时，3#试样纵横向拉伸断裂伸长率小于6#试样。

可见，聚丙烯针刺土工布纵横向的拉伸断裂强度和拉伸断裂伸长率并非随面密度同比例或同趋势变化[16]，它们还与成网及固结工艺有关。

为进一步分析L-PP针刺土工布与S-PP针刺土工布的拉伸断裂过程，图3展示了它们的拉伸曲线。

图3 两种聚丙烯针刺土工布的拉伸曲线

L-PP针刺土工布即1#～3#试样由杂乱堆放的长丝经针刺加固而成，其拉伸断裂包括杂乱堆积的长丝的延伸、长丝“Ω”式缠结结构的破坏及长丝的断裂这3个阶段。从图3a)可以看出，1#～3#试样断裂的不同时性明显，这与试样中L-PP纤维间的黏合点较多，试样刚度较大，针刺加固不够充分有关[17-19]。

S-PP针刺土工布中短纤维间的缠结非常紧密，图3b)中4#～6#试样断裂的同时性非常明显。

3.2.2 撕裂性能

土工布撕裂性能的测试方法有梯形法、舌形法、落锤法、翼形法等，其中梯形法使用较为广泛。图4为梯形法测得的聚丙烯针刺土工布的纵横向撕裂强力。

图4 聚丙烯针刺土工布的纵横向撕裂强力

由图4可知：面密度增加，聚丙烯针刺土工布试样的纵横向撕裂强力都增大；L-PP针刺土工布试样的纵横向撕裂强力均大于S-PP针刺土工布试样相应的纵横向撕裂强力，且数值上前者约是后者的1.5～2.0倍。L-PP针刺土工布断裂伸长大，变形能力好，撕裂时其撕裂应力集中区扩大，撕裂的同时性增强，撕裂强力增大。因此，就本质而言，梯形法对土工布撕裂性能的评价主要还是体现了其拉伸性能[20-21]。

3.2.3 顶破性能

本文使用直径为5.0 cm的平头圆柱顶杆垂直顶压聚丙烯针刺土工布试样，直至试样完全被顶破。两种聚丙烯针刺土工布试样的CBR顶破强力如图5所示，其中1#与4#、2#与5#、3#与6#的顶破对比效果相同，此处顶破曲线选择2#与5#为例。聚丙烯针刺土工布被顶时受剪切力的作用，被顶处的纤维发生相对错动，但最终纤维发生断裂，顶破处为一隆起的松散状纤维包。

由图5可知：L-PP针刺土工布的CBR顶破强力和顶破伸长均大于S-PP针刺土工布。原因在于：L-PP针刺土工布延伸性好，抵抗变形能力强，CBR顶破时纤网先发生一定程度的延伸，CBR顶破应力被分散，然后内部相互缠结的长丝才发生断裂；S-PP针刺土工布延伸率较低，变形能力差，CBR顶破应力较集中。

图5 聚丙烯针刺土工布的CBR顶破强力和顶破曲线

3.3 复合土工膜

3.3.1 拉伸性能

为表征热熔PE挤出膜对L-PP针刺土工布和S-PP针刺土工布拉伸性能的影响，测试并对比了1#～6#聚丙烯针刺土工布试样与A～F复合土工膜试样的拉伸断裂强度及拉伸断裂伸长率(图6和图7)，其中图8所示强力-伸长曲线仍以2#与5#为例。

图8 复合土工膜和土工布的强力-伸长曲线

由图6和图7可知：1)复合土工膜的拉伸断裂强度都大于相应的聚丙烯针刺土工布的拉伸断裂强度，说明PE膜在热熔状态下与聚丙烯针刺土工布复合后，复合土工膜的强度增强；2)复合土工膜的拉伸断裂伸长率都大于相应的聚丙烯针刺土工布的拉伸断裂伸长率。

图6 聚丙烯针刺土工布及其复合土工膜的纵横向断裂强度

图7 聚丙烯针刺土工布及其复合土工膜的纵横向断裂伸长率

PE膜的复合极大地改善了L-PP针刺土工布和S-PP针刺土工布的力学性能，这与经螺杆挤压机熔融挤出的PE膜本身具有一定的强力和优异的延展性有关。复合后，PE膜和聚丙烯针刺土工布共同承受拉伸载荷。此外，PE膜束缚了聚丙烯针刺土工布表面的纤维，增加了复合土工膜的厚度，使得复合土工膜的硬挺度、拉伸断裂强度和拉伸断裂伸长率都明显提高[22]。

由图8可知：聚丙烯针刺土工布的拉伸断裂形式主要是纤维的断裂；复合土工膜的拉伸断裂形式是先聚丙烯针刺土工布拉伸达到临界值发生断裂，然后PE膜拉伸形变达到极限发生断裂，故复合土工膜的断裂整体表现为不同时性[23]。

此外，为进一步研究复合土工膜的复合机理，特对复合土工膜的界面进行了观察，图9以2#试样为例展示了PE膜与聚丙烯针刺土工布分离前后的界面形态。

图9 PE膜与土工布分离前后的界面形态

分析图9可以发现：在热熔和压力的双重作用下，PE膜与聚丙烯针刺土工布复合，大量的聚丙烯纤维与PE膜热黏合并镶嵌在一起，形成了纤维网络区域(图中虚线圆圈所示)，PE膜冷却成型后对聚丙烯纤维产生束缚作用，制约了纤维网的伸长，同时膜的抗拉强力大幅增加。故复合土工膜的硬挺度增加，力学性能得到提升[24-25]。

3.3.2 撕裂性能

聚丙烯针刺土工布及其复合土工膜试样纵横向的撕裂强力如图10所示。

从图10可以看出，复合土工膜的撕裂强力都高于相应的聚丙烯针刺土工布，且L-PP/PE复合土工膜(A～C试样)的纵横向撕裂强力均大于S-PP/PE复合土工膜(D～ F试样)的纵横向撕裂强力，前者约是后者的1.5倍，这与L-PP针刺土工布和S-PP针刺土工布的撕裂强力情况一致。

图10 聚丙烯针刺土工布及其复合土工膜试样纵横向的撕裂强力

3.3.3 顶破性能

CBR顶破测试时，统一以聚丙烯针刺土工布的表面作为顶杆的接触面，聚丙烯针刺土工布及其复合土工膜试样的CBR顶破强力测试结果如图11所示。

图11 聚丙烯针刺土工布及其复合土工膜试样的CBR顶破强力

从图11可以看出：复合土工膜的CBR顶破强力均高于相应的聚丙烯针刺土工布的顶破强力，这与PE膜会同聚丙烯针刺土工布一起共同受力有关。此外，L-PP/PE复合土工膜(A～ C试样)的CBR顶破强力大于S-PP/PE复合土工膜(D～F试样)，这与L-PP针刺土工布(1#～3#试样)的CBR顶破强力大于S-PP针刺土工布(4#～6#试样)有关。

实际上，影响复合土工膜CBR顶破强力最直接的因素就是其拉伸断裂强度。随着纵横向拉伸断裂强度的增加，CBR顶破强力明显提高。

4 结论

(1)L-PP针刺土工布中单纤维的断裂强力和断裂强度均小于S-PP针刺土工布中的单纤维，而伸长率方面，L-PP纤维大于S-PP纤维，数值上前者约是后者的1.8～3.5倍。

(2)对于不同面密度的L-PP针刺土工布和S-PP针刺土工布试样，其纵横向拉伸断裂强度、拉伸断裂伸长率并非与面密度同比例或同趋势变化。L-PP针刺土工布的撕裂强力和CBR顶破强力均大于相同面密度的S-PP针刺土工布试样。

(3)复合土工膜力学性能优异，其各项力学性能都优于相应的聚丙烯针刺土工布。