聚丙烯非织造土工布研究进展及应用

土工合成材料是一种新型岩土工程材料，以天然或人工合成的聚合物为原料，制成各类产品，置于土体内部、表层或各层土体之间，起到加强或保护土体等作用。美国材料实验学会 （ASTM） 给土工布下的定义为：“一切和地基、土壤、岩石、泥土或任何其他土建材料一起使用，并作为人造工程、结构、系统的组成部分的纺织品，即称为土工布”。

近年来，随着社会快速发展，土工布在各个领域的应用愈加广泛。与机织、针织或编织土工布相比，非织造土工布由于其复杂的三维结构、可定制的孔隙大小和分布，在土木工程、过滤和排水等应用领域受到青睐。非织造土工布优异的力学性能、耐老化、耐光照等性能，能更好地在土工建设工程中起到加固、过滤、分离、排水防渗漏等作用。

非织造土工布的原料来源广泛，主要为合成纤维，包括聚酯（PET）、聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）、聚酰胺（PA）等。其中PP纤维因其成本低，拉伸性能优异，且具有良好的化学惰性成为土工布最常用的纤维材料，其次是PET纤维和PE纤维等。PP的主要缺点是抗紫外能力差。此外，在高温下，其性能易恶化，表现出较差的蠕变特性。

PP非织造土工布因其具有加工工艺简单、成本低、生产效率高、性能优异等特点，广泛应用于各个领域。按成网方法的不同，常见的有PP短纤针刺土工布和PP纺粘长丝针刺土工布。

短纤维针刺土工布是一种由短纤维经过开松、梳理、针刺等工艺制成的土工布。其特点是由于短纤维互相交织，使土工布具有很高的抗拉强度、抗冲击能力和耐久性。通过针刺加工，将纤维缠结在一起，形成具有一定厚度和适度孔隙度的织物，使其更好地保持土体稳定性和液体渗透性，从而达到增强土体、防止土壤侵蚀的效果。PP针刺法非织造布工艺流程短；且制备的产品结构蓬松、厚度大、密度高，抗拉能力强；设备结构简单，一次性投资少。因此以短纤维针刺加工的土工布是我国目前用量最大的非织造土工布（见图1）。

 图1  PP短纤维针刺土工布流程

纺粘长丝针刺技术是将聚合物加热熔融，形成连续的长丝束，经气流牵伸，赋予纤维强力，不规则地铺放在传送带上形成纤网，用针刺法加固后一步法成型的非织造技术。该方法生产工艺简单、产量高，在同种规格下土工布的抗拉强度、断裂伸长率远优于短纤维针刺土工布。但PP纺粘长丝针刺的工艺设备投资大、产品灵活性差、不适合小批量、多品种生产。

目前，我国纺粘法非织造土工布主要以PET为主，PET纺粘长丝针刺土工布发展迅速，无论是工艺还是设备都居世界前列。但我国PP纺粘长丝针刺土工布发展缓慢。由于PP纺粘长丝针刺土工布具有优异的耐酸碱性和化学稳定性，因此，我国许多相关企业均自主研发PP纺粘长丝针刺土工布技术。励达公司成功研发出力学性能超过国标50%的PP纺粘长丝针刺土工布。之后，天鼎丰非织造有限公司、山东晶创新材料科技有限公司、中国石化济南炼化公司相继开发出PP纺粘长丝针刺土工布。

根据土工布在各个应用场所的要求，可通过对PP纤维原料或者PP土工布进行改性处理，从而使土工布具有抗老化和提高物理机械性能等。常用的改性方法有接枝共聚、共混和表面化学改性等。

接枝共聚主要是通过在PP分子上引入极性基团，从而使PP非织造土工布获得某种特定功能。Vandenbossche等将壳聚糖接枝到丙烯酸改性的PP上，壳聚糖具有吸附重金属的性能，通过壳聚糖来提高土工布对重金属的捕集能力，研究结果表明，在pH = 4.10和20℃条件下，PP-g-AA-壳聚糖对铜离子吸附量为30 mg/g。同时Vandenbossche等还研究了采用冷等离子体处理将半胱氨酸接枝到PP分子上，提高PP非织造土工布吸附重金属离子的能力。

目前，PP土工布在接枝共聚的研究中较少，主要是在提高土工布吸附重金属能力做研究，并在废水和沉积物的排水和过滤方面具有潜在用途。

共混改性是指两种或两种以上的聚合物材料以及助剂，在一定温度下进行的机械掺混，最终形成宏观均匀一致，即“宏观均相, 微观多相”，使其物理性能、力学性能有明显的改善。郑康等采用液相表面改性处理纳米粉体（CaCO₃）、添加PP相容剂方法，熔融共混改性PP，使纳米粒子易于分散到PP中。研究显示，改性使PP结晶和晶体结构更加完善，同时PP的抗紫外性能有所提升，可延长土工布的使用寿命。

共混改性PP可在土工布中起到增强增韧和抗老化等作用，提高土工布的抗拉伸性能和耐久性。此外，共混改性PP还可以增强土工布的防护性能，如抗紫外线、防腐蚀、抗化学侵蚀等，从而使土工布更加适用于各种复杂的环境条件下使用。目前，关于在共混改性PP土工布中，多采用添加抗老化母粒提高其抗老化性能。

在表面化学改性中，通常使用化学试剂对材料表面进行处理，如溶液浸泡、涂覆或化学反应等，以改变其表面组成和性质。PP土工布在高温或高寒环境特别是酸性或碱性的土壤中具有重要的应用价值，然而，当暴露在紫外线辐射中时，容易老化，导致抗拉强度严重下降，限制了它的使用寿命和产品质量。因此有研究者通过化学表面改性的方法来提高其抗老化性能。此外，有研究者采用浸轧法提高聚丙烯土工布性能稳定性，并应用在垃圾填埋场中。

PP土工布通过表面化学改性能够提高其力学性能、抗老化性能等。在提高其抗紫外老化的能力方面，研究者多采用TiO₂水溶胶以及其复合乳液去处理PP土工布，有效地提高了土工布的抗老化性能，但这种方法相对于添加抗老化母粒来说工艺难度较高，难以产业化。

将PP纤维和其他纤维按照不同比例进行混合，制备土工布也是改性PP土工布性能的常见方法。天然纤维作为土工布原材料的一种，具有环境友好、可生物降解、二氧化碳封存、韧性高等特点。天然纤维土工布通常用于短期加固和侵蚀控制，而合成纤维在土工织物的长期功能方面表现良好，因此有研究者将两者共混进行制备土工布，并研究其性能。

PP纤维共混改性土工布提高了土工布的强度、耐磨性、耐老化性能，使其能够适应各种恶劣的工程环境，提高工程质量和使用寿命。可用于加固路基、防止沙土飞扬、隔离不同性质的土层、加固堤坝、防止滑坡、保护水土等。

一些研究者将PP土工布与其他织物进行复合形成复合土工布，应用于特定领域。Ding等为了达到应用于污泥脱水领域土工布过滤效率高、脱水效率高、脱水时间短等要求，通过针刺工艺将PP纺粘非织造布和机织土工布复合。通过优化针刺工艺参数，实现高效过滤和脱水及高强度。周真佳等将PP针刺土工布和PP纺粘土工布与聚乙烯膜复合，复合土工布的硬挺度、拉伸断裂强度和拉伸断裂伸长率等各项力学性能明显提高。

PP土工布在道路、铁路、水利工程、防渗工程、环境工程、海岸工程等领域都得到了广泛应用。

在防渗工程领域中，土工布主要应用于污水处理、垃圾填埋、尾矿处理、煤粉灰堆厂等场合。这些土工布除具有良好的防渗效果外，还应具有抗拉、抗撕裂、耐顶破等优异的物理性能，以及在施工过程中耐高温、易于焊接等特点。PP长丝土工布具有优异的耐酸碱性能、耐冻融性能、较好的芯吸效应和渗水性能，且有较高的抗拉强度，因此在武汉建设火神山医院时被应用在防渗工程中。 

与传统的有砟轨道相比，高铁无砟轨道最大的特点是采用了大量的水泥和土工合成材料。土工布主要应用在轨道的隔离层和滑动层。PP纺粘长丝土工布的强力高，纵横向强力相等，有利于无砟轨道在受力时，各方向力的均匀承受、缓冲及消除。同时其摩擦系数小，磨损小，作为隔离层使用寿命就会延长。韦有信等对土工布铺设前后轨道各结构部件的力学性能进行分析，结果发现土工布的设计不仅降低了支承层制约道床板应力释放的负面作用，也降低了道床板伸缩对支承层的附加应力，进一步降低支承层开裂的概率，也避免了滑动层出现在支承层与基床表层之间，充分保证了结构的稳定性。

自1970年以来，土工布一直被用于改善道路在松软路基土壤上的性能。由于非织造土工布具有强度高、延伸性好、韧性强等特点，在道路工程中应用可有效对道路进行加固。土工布在公路工程中应用的主要作用原理为：减小道路结构面层和沥青罩面层之间的黏结力、扩大受力范围，降低罩面层所受的拉应力作用、阻止地表水向道路结构基层渗透，从而保护了道路基层。除了加固作用外，良好的非织造土工布还具有排水、过滤等功能，是路面使用寿命延长的解决方案。

土工布在环境工程中逐渐受到了更多关注。城市建设和经济发展带来了许多诸如垃圾、有害气体和液体排放，土壤和地下水污染等问题。据报道，我国每年都会产生1.5亿吨的生活垃圾，预计到2050年，全球垃圾的产量将增加到34亿吨，将催生出大量垃圾填埋场用于掩埋生活垃圾。土工布应用在垃圾填埋场时需具有良好的耐老化性能、一定的厚度、良好的力学性能、透水、透气性能等，从而有效减少甚至避免二次污染，提高填充废物的受理条件，增强填充物的抗拉强度和抗变形能力，提高工程结构的稳定性。

“十四五”规划明确指出强化精准治污，以近岸海湾、河口为重点，分区分类实施陆海污染源头治理。海湾及海岸的护岸、修筑海堤、围海造陆等工程需要使用大量土工布。土工布在海岸保护中的应用具有巨大的经济效益，例如通过替换或减少选定的土壤材料来节省成本，易于安装，提高施工速度，通过提高性能（通过延长寿命或减少维护）节省生命周期成本，以及在保护自然环境方面提高可持续性。

土工布作为反滤材料，在水利工程中的应用日趋广泛，特别是在堤防工程、灌溉工程以及排涝工程中可提高工程质量，延长工程寿命，降低工程造价。土工布应用在水利工程中的土坝体，可缓解土坝体受到的水压和水流冲击，能减少各种渗流危害，有效防止动植物对坝体结构的侵袭。

在哈尔滨市内马家沟河二期改造工程中，沟岸下半坡护砌和河底护砌应用了400g/m²的PP针刺土工布。同时采用土工布底下铺砂垫层，上面直接铺设混凝土板的设计方案，充分考虑到PP针刺土工布较弱的抗切割的物理特性。

随着新材料、新技术的不断涌现，土工布应用领域也不断扩展，对土工布性能要求也越来越高。PP长丝土工布由于优异的性能愈受关注，但国内的PP长丝土工布的发展技术相对与国外较落后。如今，国内正面临“十四五”规划大力发展基础建设的契机，我国土工布生产企业、相关科研机构以及相关测试评价机构应着重合作共赢，共同创新，努力攻克技术难关，打破国外的技术垄断。

如今PP土工布正向着多功能、高强度、高耐久性和环境友好型发展。（1）多功能化，PP土工布将逐渐实现多功能化，除了传统的隔离、过滤、加固外，还将应用于防水、保温等领域；（2）高强度化，随着工程需求的不断增加，PP土工布的强度也将不断提高，以适应更为复杂的工程需求；（3）高耐久化，PP土工布的耐久性也将不断提高，以满足长期使用的要求；（4）环保型，PP土工布的环保性将日益受到重视，未来的PP土工布将注重降低对环境的影响，达到可持续发展的目标。