聚丙烯非织造土工布抗老化研究进展

段亚明 钱晓明

（天津工业大学，天津， 300387）

土工布是一种由聚合物原料制成的具有透水、透湿功能的土木工程用纺织品，已成为继木材、钢材和混凝土之后的第四大建筑材料。土工布种类繁多，按照生产加工方式可分为织造土工布、非织造土工布和复合土工布。其中非织造土工布因其工艺流程简单、生产速度快、力学性能优异、成本低、应用广泛成为了土工布的主要品种，具有排水、过滤、分离、加固和防护等功能，广泛应用于公路、铁路、水利等领域，是土工布未来发展的主要方向［1-2］。

非织造土工布在基础应用、土木工程建设中具有十分重要的地位，特别是近年来经济的迅速发展以及国家对基础建设的愈加重视，以致于非织造土工布发展非常迅速［3］。目前国内土工布常用原料多为聚酯纤维，由于市场对土工布有了更高的性能要求，以聚酯为原料的土工布难以适应恶劣的酸碱环境。而聚丙烯是一种来源广泛、价格便宜的优秀原料，更关键的是其还具有较好的耐酸碱性能，聚丙烯非织造土工布能够较好地应用于各类项目工程中，是近年来土工布领域的研究热点［4］。但聚丙烯在长时间的使用过程中，往往会因为光照、温度和氧气等外界条件发生老化，降低聚丙烯非织造土工布的使用寿命，极大限制了其在工程中的推广应用。为了对聚丙烯非织造土工布的老化情况进行改善并对其应用领域进行拓展，往往需要进行抗老化处理。本研究主要介绍非织造土工布的常用原料，浅析聚丙烯非织造土工布的老化机理，并对其老化试验方法和抗老化手段进行探讨，旨在为聚丙烯非织造土工布的抗老化研究提供参考。

1 非织造土工布原料

非织造土工布常用于水利工程基础设施建设和道路工程建设中，因此其应具有良好的力学性能和耐化学腐蚀性能［5］。合成纤维的物理机械性能和化学性能良好，产品价格低，常用作非织造土工布的生产原料。较为常用的有聚酯纤维、聚丙烯纤维、聚乙烯纤维、聚酰胺纤维、聚乳酸纤维、聚乙烯醇纤维等合成纤维［6］。目前，应用较为普遍的是以聚酯纤维为原料的非织造土工布和以聚丙烯纤维为原料的非织造土工布［7］。

1.1 聚酯非织造土工布

国内生产的土工布主要是以聚酯非织造土工布为主，其机械性能和耐冻融性能良好，并且耐光氧老化性能要优于聚丙烯非织造土工布，但是聚酯非织造土工布耐碱性能较差，容易受到水分等外界环境的影响［8］。聂松林等［9］通过采用室外自然老化和耐酸碱等试验对面密度相同的聚酯非织造土工布和聚丙烯非织造土工布进行研究对比。试验结果表明，在碱性环境中，相较于聚丙烯纤维，聚酯纤维会发生水解从而导致聚酯非织造土工布力学性能下降；而在同样放置9 个月室外露天环境条件下，聚丙烯非织造土工布的强力保持率要高于聚酯非织造土工布。申垒［10］分别对经过冻融试验前后的聚酯长丝纺黏非织造土工布进行直剪试验。结果表明，经过冻融试验后，聚酯长丝纺黏非织造土工布的摩擦角仅减小1.82°，摩擦角保持率为86.93%。由此可见，聚酯长丝纺黏非织造土工布具有优异的耐冻融性能。

1.2 聚丙烯非织造土工布

聚丙烯非织造土工布强度高、密度小，耐低温、耐腐蚀和耐磨性优良，还具有较好的疏水性能和芯吸效应，使其具有更好的排水性能；此外，聚丙烯的耐酸碱性也十分优异［11］。相较于聚酯非织造土工布，聚丙烯非织造土工布更能适应地下恶劣的酸碱环境和低温高寒等特殊作业环境。但其耐光氧老化的性能很差，在紫外光长时间照射的情况下，非常容易被氧化降解。此外，聚丙烯也容易在受热的情况下被氧化，造成产品性能大幅度下降［12］。方远远等［13］对聚丙烯非织造土工布进行耐酸碱、耐光氧老化处理，通过比较老化后的纤维形貌、结晶度以及力学性能发现，聚丙烯纤维在光氧的条件下极易损伤断裂，造成土工布强度损失；但在酸碱环境中聚丙烯非织造土工布表现出优异的耐久性，土工布强度基本无下降。陈杰［14］采用烘箱热氧老化的方法对聚丙烯非织造土工布的性能进行探究，通过比较其热氧老化前后的强力-伸长率曲线，发现聚丙烯非织造土工布的弹性模量基本不变，但其断裂强度会出现下降的情况。

目前对土工布的耐酸碱性能提出了更加严格的要求。聚酯非织造土工布虽然能够承受更大的拉伸力和复杂的载荷条件，但是由于其较差的耐碱性，聚酯非织造土工布难以在恶劣的酸碱环境中长期稳定使用。相较于聚酯非织造土工布较差的耐碱性，聚丙烯非织造土工布具有较高的耐化学腐蚀性能，能够较好地承受酸性和碱性环境的侵蚀，可以满足某些酸碱环境的特殊要求。不仅如此，聚丙烯非织造土工布因具有良好的力学性能、透水性以及经济实惠的特点被广泛应用在诸多领域。

2 聚丙烯非织造土工布老化机理

聚丙烯非织造土工布由于其优异的力学性能和耐酸碱能力，常会应用到道路建设和堤坝修建等工程中。但会受到光照、温度等外界条件的影响，在长时间的应用过程中发生功能丧失和强度大幅降低等老化现象［15］。目前，聚丙烯非织造土工布的老化大致可分为光氧老化、热氧老化和化学老化。其中，对聚丙烯非织造土工布影响最大的就是光氧老化［16］。

在太阳发射的众多辐射线中，紫外线的能量为299 kJ/mol~419 kJ/mol，而聚丙烯的键能在350 kJ/mol~400 kJ/mol，两者的能量高度相似，聚丙烯会自动吸收紫外线中的能量。因此聚丙烯非织造土工布在阳光长时间照射的环境中，会产生降解和交联两种不可逆的化学反应。由于聚丙烯的大分子链上存在大量不稳定的叔碳原子，而叔碳原子极易与氧气中的氧分子发生反应形成自由基，叔碳自由基十分活跃，导致聚合物发生了一系列的连锁化学反应（链引发、链增长和链终止），使得聚丙烯被氧化成为大量低分子聚合物，造成土工布力学性能和使用寿命的大幅降低［17-18］。

3 聚丙烯非织造土工布老化试验方法

土工布的使用寿命对于工程安全至关重要，为了研究土工布在光照条件下的老化规律和使用寿命，各种老化试验方法应运而生。聚丙烯非织造土工布的紫外老化试验方法主要分为室外自然老化、人工加速老化和实际应用老化［19］。其中，实际应用老化取样困难、时间周期长，所做研究较少。

3.1 室外自然老化

室外自然老化是将土工布置于自然环境中，长期监测土工布的性能变化。该方法一般试验时间较长，无法及时快速获得试验数据，但通过此法得到的数据真实准确，且成本较低。

SUITS L D 等［20］在使用室外自然老化以及氙弧灯、紫外荧光灯老化两种人工加速老化的方法来对土工布光氧老化规律进行研究。结果表明，室外自然老化和人工加速老化之间存在一定的相关性。基于老化环境的不同，室外自然老化还要将室外环境的阳光辐射度和温度因素纳入考虑。LIU Z 等［21］将聚丙烯非织造土工布置于自然暴露条件下1 年，通过土工布力学性能的衰减来表示土工布老化的速率。结果发现，聚丙烯非织造土工布衰减速率存在3 个阶段（慢-快-慢），在试验的前80 天老化速度相对较慢，而在第80 天到第300 天这段时间内拉伸强度急剧下降，在最后的60 天里力学性能衰减速率再次减缓，为土工布老化行为的探索和寿命评估提供了重要的参考价值。YANG X 等［22］在上海进行为期1 年的室外自然老化试验和加速老化试验，对不同气候条件下聚丙烯土工布的拉伸强度和特性黏度进行测量，结果显示自然老化1 年后的土工布拉伸强度和特性黏度分别降低到原来的55%和57%，与加速老化的结果相同，表明分子量下降是性能损失的主要原因。王向钦等［23］使用室外自然老化和人工加速老化等方法对普通聚丙烯非织造土工布和抗老化聚丙烯非织造土工布进行老化分析。结果表明，普通土工布和抗老化土工布在光老化过程中都存在诱导期，诱导期之后土工布的力学性能急剧下降。自然老化的诱导期要远远长于人工加速老化，而且自然老化的光老化程度更高、更复杂。

室外自然老化主要是将土工布置于室外环境，让土工布受到风吹、日晒等自然环境的影响而发生老化现象。试验发现，置于室外自然老化的土工布在一定时间后会出现拉伸强度以及特性黏度的降低，同时还存在一个诱导期，经过诱导期之后，土工布的性能会急速下降。与人工加速老化相比，室外自然老化拥有更高、更复杂的光老化程度，并且诱导期更长。因此室外自然老化可以模拟土工布实际使用中长时间暴露的老化情况，为土工布的耐久性能提供一定的参考依据。

3.2 人工加速老化

人工加速老化是将土工布放置在室内或者老化仪器内对实际应用环境进行模拟，通过改变环境中的光照强度、光照时间等因素，加速土工布的老化进程。其优点是试验时间短、加速老化条件稳定，但成本较高，且人工加速老化所得的土工布会与实际所得有所差异。

方远远等［24］对比了聚酯和聚丙烯非织造材料在氙弧灯照射下的性能变化。试验结果表明，经过氙弧灯老化后聚酯和聚丙烯断裂纤维数量有明显增加，而聚丙烯的结晶度和强度保持率的下降趋势更加显著。土工布的厚度也是影响老化的重要因素，当材料的厚度较大时，氙弧灯无法完全透过，会影响土工布背面的老化效果。周真佳［25］研究了聚丙烯和聚对苯二甲酸乙二醇酯非织造土工布在室内紫外老化144 h 后的力学性能变化和外观结构变化。结果发现，聚丙烯纤维老化后损伤严重，出现了粉化的现象，并且聚丙烯非织造土工布因老化导致的强度降低也比较明显。陆鹏飞等［26］利用荧光紫外灯对机织、针织和非织造3 种不同类型土工布进行人工加速老化。结果发现，生产工艺对土工布的耐老化性能存在一定的影响，耐老化性能最好的是非织造土工布。CARNEIRO J R 等［27］将土工布单独以及组合置于一些降解试验中（浸渍液体、室内热氧老化和荧光紫外灯老化），对土工布降解间的协同作用进行分析，发现两种降解试验的协同作用要比单个降解试验的作用更加明显。VALENTIN C A 等［28］使用人工加速老化探究聚丙烯非织造布的紫外光老化性能。研究表明，紫外线辐射会影响纤维之间的排列和相互作用，使非织造布的硬度和伸长率都发生一定的变化；但紫外光照射对非织造布的厚度几乎无影响，而温度的变化会使厚度产生一定的变化。CARNEIRO J R 等［29］使用聚对苯二甲酸乙二醇酯长丝增强聚丙烯非织造土工布，通过对该土工布进行不同风化条件处理，研究该土工布的老化规律。结果表明，土工布老化降解的主要原因是紫外辐射，并且土工布的老化程度与温度、紫外线辐射的强度以及暴露时间密切相关。

人工加速老化是用包括氙弧灯照射、荧光紫外灯照射、浸渍液体处理以及室内热氧老化等方法来模拟土工布在相对较短的时间内暴露在极端环境下的老化情况，人工加速老化试验的结果会随着土工布的类型、处理方法以及试验条件而改变。通过以上研究发现，人工加速老化会降低土工布的力学性能，增加纤维的断裂数量以及出现结晶度下降的情况。相较于室外自然老化，人工自然老化提供了更加短暂和极端的老化条件，为改进土工布的抗老化特性和老化行为评估提供重要的参考价值。

4 提高聚丙烯非织造土工布抗老化性能的方法

4.1 添加抗老化剂

聚丙烯非织造土工布的抗老化主要通过减少紫外线吸收和抑制光氧反应来实现，添加抗老化剂可以在链引发和链增长发生作用，减缓光氧反应的生成，起到抗老化的作用。

包伟国等［30］在聚丙烯纺丝过程中添加聚阻胺类光稳定剂，以此制备土工布，并与聚丙烯非织造土工布进行对比。结果表明，当聚丙烯非织造土工布几乎完全丧失强力时，添加光稳定剂的土工布强力保持率仍在82.45%，表现出光稳定剂对土工布优秀的抗老化效果。位华瑞等［31］以聚丙烯切片、灰色母粒（光屏蔽剂）和UV88 抗老化母粒（受阻胺类光稳定剂）为原料，制备具有抗老化性能的非织造土工布，并和常规制备的土工布进行比较。结果表明，灰色母粒或UV88 抗老化母粒的加入对非织造土工布的抗老化能力具有很好的提升效果，且添加UV88 抗老化母粒的土工布效果更好。CARNEIRO J R 等［32］将HALS 型光稳定剂应用在聚丙烯非织造土工布上，在人工加速条件和室外自然条件下进行老化试验，并对土工布的老化损伤进行定量和定性分析。结果发现，紫外老化会使聚丙烯纤维产生裂纹，引起土工布强力下降，在35 MJ/m2的紫外线辐射下，聚丙烯非织造土工布几乎被完全破坏，而添加光稳定剂的土工布单位面积质量基本无变化，表现出HALS 型光稳定剂对土工布抗老化性能的显著提升。CARNEIRO J R 等［33］以葡萄牙为耐老化聚丙烯非织造土工布的自然老化试验点，对普通土工布以及加入光稳定剂、炭黑的土工布进行24 个月的户外暴晒。结果表明，聚丙烯非织造土工布经过24 个月的自然暴露几乎完全被摧毁，但是光添加剂的加入延缓了土工布的光降解，而且在土工布中加入炭黑可以产生额外的抗老化保护作用，大大延长了其使用寿命。

这些研究证明了抗老化剂在土工布抗老化应用上的可行性，值得深入探讨和研究。但目前大多数抗老化剂有机成分居多，易受热分解且成本较高，很大程度上限制了抗老化剂的应用领域。因此，如何简单高效地防止抗老化剂的受热分解成为应用的关键问题。此外，抗老化剂成本较高也是一个亟待解决的难题，仍需进一步去探索抗老化性能更好、成本更低廉的抗老化剂，以实现抗老化剂的广泛应用。

4.2 TiO2后整理

TiO2是一种价格便宜、光吸收能力强、稳定、无毒、生产工艺简单的半导体材料，可以对非织造土工布进行浸渍后整理，改善土工布的耐光氧老化性能［34］。使用TiO2进行浸渍后整理操作简单、无污染，受到研究人员的广泛青睐。

邹雨良等［35］将聚丙烯非织造土工布浸渍在TiO2水凝胶中进行后整理，探究TiO2水凝胶对聚丙烯非织造土工布的处理效果。结果显示，用TiO2水凝胶处理土工布可以一定程度缓解其易被老化的现象。ZHAO X 等［36］制备了水性聚氨酯（WPU）和TiO2的稳定复合乳液，将非织造土工布浸渍在该复合乳液中，探究该复合乳液处理后非织造土工布的防紫外线性能。研究发现，经过10 天的加速老化后，这种WPU-TiO2浸渍聚丙烯非织造土工布相较于纯聚丙烯非织造土工布具有优异的紫外线屏蔽性能，此外还有较好的强力保持率。张旭等［37］通过改变制备TiO2水溶胶的钛酸丁酯和冰醋酸的质量分数以及搅拌时间，探究不同比例水溶胶对聚丙烯非织造土工布的后整理效果，并对其微观图像、力学性能以及防紫外线性能进行分析。结果表明，聚丙烯纤维在TiO2水溶胶浸渍后会形成一层薄膜，从而提高其抗老化性能；当钛酸丁酯质量分数13%、冰醋酸质量分数25%、搅拌时间70 min 时，所得TiO2水溶胶整理后纤维防紫外线性能最好。

TiO2在土工布抗老化的应用中，通常是以后整理的方法将TiO2添加到土工布的表面。但TiO2在土工布上的分散稳定性差，难以保证其在土工布表面均匀分布，很大程度上制约了TiO2后整理的抗老化效果。如何以一种简单高效的手段实现TiO2在土工布表面的牢固结合和均匀分布，依旧是研究的重点。此外还需考虑后整理过程会对土工布原有性能的影响，要尽量避免损害土工布本身的结构与性能。

4.3 添加抗老化纤维

聚丙烯在光照下会吸收紫外光的能量，导致大分子链中弱键和部分强键的断裂，从而发生一系列的氧化降解，使得产品性能降低。在原料中添加部分抗老化纤维，可以有效提高土工布的抗老化性能，大大提高其使用寿命。

高模高强聚乙烯醇纤维强度高、耐酸碱、耐光照性能好，具有较好的工程应用价值［38］。龙啸云等［39］采用一定比例的聚丙烯和高模高强聚乙烯醇纤维制备非织造土工布，将制备好的土工布和纯聚丙烯土工布自然暴露在室外进行对比。试验结果表明，经过90 天自然暴露，抗老化聚丙烯/聚乙烯醇混合土工布的强度保持率要远远优于纯聚丙烯土工布，表明在聚丙烯土工布中混合高强高模聚乙烯醇纤维可以起到提高耐光氧老化能力的作用。

抗老化纤维在土工布的抗老化应用中起着至关重要的作用，但会受到许多因素的影响，包括纤维的种类和比例、纤维的分布均匀性以及土工布的结构等。目前来说，关于抗老化纤维在土工布上的抗老化应用相对较少，如何拓展抗老化纤维在土工布上的应用将会是研究的重点。

5 结语

聚丙烯非织造土工布是一种比强度高、经济实惠的土工材料，具有广阔的应用前景。相较于聚酯非织造土工布，聚丙烯非织造土工布凭借其优异的耐酸碱性能，可以更广泛应用于污水处理、化工厂和垃圾填埋场等恶劣的酸碱环境。但聚丙烯非织造土工布的耐光氧老化能力较差，在实际应用中常会受到风吹日晒等自然因素的侵蚀，从而导致其使用寿命的降低。如何提高聚丙烯非织造土工布的抗老化性能，使其能在各种特殊环境的挑战中保持长期稳定的结构和功能成为一个亟待解决的难题。

聚丙烯非织造土工布的抗老化可从以下几个方向进行改进。第一，在制备过程中添加抗老化剂，通过减缓光氧反应的生成来起到抗老化的效果。第二，利用TiO2良好的光吸收性能，对聚丙烯非织造土工布进行浸渍后整理，操作简便且污染少。第三，从抗老化纤维入手，通过在原料中添加部分抗老化纤维，可以有效提高土工布的抗老化性能。总体而言，国内外关于提高土工布抗老化性能的研究较少，且抗老化方法各有缺点，或是成本较高不适于大规模工程应用，或是提升效果不明显。因此，聚丙烯非织造土工布的抗老化方法仍需朝着绿色无污染、低成本、工艺简单的目标深入探索。