高性能土工布的发展现状
http://www.texnet.com.cn/ 2022-03-28 14:13:28 来源：中国纺织报
随着我国社会的快速发展，我国基础设施建设与我国经济发展、民生福祉以及生态保护之间的关系变得越来越紧密。高速铁路工程、垃圾或污水处理相关的防渗工程、矿山以及生态袋边坡防护工程等领域正不断地对土工建筑材料提出更高的要求和更多的需求。一般同时和地基、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，即为土工布。高性能土工布往往具有优异的力学性能、耐光照、耐温度、耐老化等特性，能更好地在土工建筑工程中起到加固、防护、隔离、导水、防渗漏等作用。1926年，荷兰第一次将土工布应用在岩土工程领域，然而我国于上世纪80年代初，才逐渐将土工布应用在我国铁路、水利等领域当中。目前，我国是全球土工用纺织品用量最大的国家，已形成约500家土工用纺织品企业为主的产业规模。根据中国产业用纺织品行业协会的统计，2019年我国土工用纺织品的产量约110.59万吨，同比增长4.1%。近年，随着高性能土工布材料的开发与创新，必将进一步推动我国土工建筑材料制造技术的发展以及我国建筑与工程建设水平的提高。
1高性能土工布概况
1.1分类
按照制备方法的不同，土工布可分为织造土工布、非织造土工布以及复合土工布三大类。织造土工布可大致分为通过编织、机织、针织工艺生产的三类产品。非织造型土工布则是指由定向或随机取向的纤维、长丝、条带等，通过纺黏法、针刺法或者热熔黏合法制成的产品。非织造土工布生产效率较高、具备良好的延伸性、力学性能和水平渗透过滤性能。复合土工布与前两种类型的土工布相比更具优势，它是由两种或两种以上土工布或土工布有关产品复合而成，其具有更好的综合性能，是一种在各类工程中被广泛使用的一类高性能土工布。此外，从产品形状来划分，土工布又可分为平面状、管状、带状、格栅状、绳索状和其他异形土工布。
1.2原料
土工布原材料的选择一定要与工程的实际需求相匹配，既要考虑现场对土工布性能要求，也要考虑产品的成本。土工布的生产原料目前主要为合成纤维，此外也少量采用天然纤维。天然纤维虽然具有可再生、易降解、成本低等优势，但也因其自身性能的不足而使其在各类工程应用中受到局限。与天然纤维相比，合成纤维具有强度高、耐腐蚀等优点，现阶段几乎所有的土工织物中都会用到合成纤维，包括聚酯(PET)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚酰胺(PA)、聚乙烯醇(PVA)等。四种常见合成纤维生产的土工布的性能如下表1。其中，PP目前的使用量最大，而PET耐碱腐蚀性能不如PP，其在土工布当中的用量仅次于PP。此外，聚氯乙烯(PVC)、乙烯共聚物改性沥青树脂(ECB)、氯化聚乙烯(CPE)等其他具有特殊功能的聚合物材料也有少量应用。高性能土工布的生产通常还需添加添加剂以提高土工布的性能，如抗氧化剂、光稳定剂、紫外线吸收稳定剂、长期热稳定剂、加工改性剂、阻燃剂、润滑剂、抗菌剂等。
1.3生产技术
长丝纺黏生产技术具有生产流程短、生产效率高、产品性能高等优势，然而我国长丝纺黏工艺制备的土工布生产能力较大，技术水平却较国外有一定差距，这与国内设备的技术水平有关。PP长丝纺黏针刺土工布是长丝纺黏针刺非织造土工布的主要产品之一，具有高模量、高延伸、抗撕破、耐刺穿、耐酸碱、耐低温、耐霉变、成本低等优点，尤其在地下酸、碱、高寒等恶劣环境中具有不可替代的地位。2016年，山东天鼎丰公司建成了国内首条年产8000t的高强粗旦聚丙烯长丝针刺土工布生产线，成为国内首家此项生产技术的企业，结束了我国长期依赖进口国外聚丙烯长丝针刺土工布的历史，天鼎丰采用高强粗旦熔融纺丝技术，即利用气流加机械牵伸的方式，使聚丙烯高分子高度取向结晶，最终形成单丝线密度达到11dtex，单丝强力超过3.5cN/dtex的连续长丝。再经铺网和针刺加固工艺，最终形成各向均匀的非织造土工布。山东晶创新材料科技有限公司采用瑞士欧瑞康与德国巴马格公司最新研发的纺黏技术用于生产超强细旦PP土工布，年产量可达5万吨。其采用牵伸一步成型技术加工聚丙烯的全自动智能化设备，可将生产速度提升一倍，并在全球范围内首创6m宽幅产品，可进一步实现多重复合。
织造型土工布与非织造土工布相比，生产工艺更为复杂，生产成本更高，而产量较低，因此在土工领域主要应用于一些对强度以及孔隙等有特殊要求的环节。织造型土工布成形技术主要包括高密度、宽幅、高速、高强机织和经编技术。目前市场上的织造型土工布产品主要包括扁丝织造土工布、长丝机织土工布等。此外，复合型土工布的生产和应用相对于其他类型的土工布来说起步较晚，但却是土工布生产技术发展的重点。
2高性能土工布的发展与应用
根据美国知名市场研究机构Grand View Research(GVR)的研究，2018年全球土工用纺织品的市场规模约为47.518亿m2，预计到2025年将达到76.11亿m2，预期内的年均复合增长率为7.0%。目前，我国是全球土工用纺织品用量最大的国家。实施重大公共设施和基础设施工程，加快完善水利、铁路、公路、水运等基础设施网络，是我国“十四五”期间的重要发展目标。近年，在国家科技部等有关部门的高度重视下，我国土木建筑行业以及土工合成材料产业也在不断地发展，土工布正逐渐转变为岩土工程中必不可少的一种关键施工材料，并在基础交通设施、水利工程、垃圾填埋、城市市政建设等领域成为基础材料。
2.1道路施工领域的应用
土工布在道路施工中的用量非常大，约占土工用纺织品总消耗量的一半，其主要依靠土工布与周围土体之间的界面摩擦力来限制土体侧向移动，增加土体承载能力，从而提高土体和建筑在使用期间的完整性和结构支撑能力。高性能土工布除了自身应具有较高的机械强度外，其表面还应具有较高的粗糙度从而通过横向约束力实现对其表面的岩土或者砾石的加固作用。
在道路施工建设过程中，高性能土工布除了起到加强作用外同时兼具其他功能：例如将碎石与路基隔开的分离功能、将软弱地基中的水导出到集料层的排水功能等。此外，在临时道路或者施工平台上，采用土工布进行加固，可有效改善土壤太软等施工面临的问题，从而降低施工设备进入现场所需铺设的碎石厚度，维护路基的稳定性。
2.2海洋工程领域的应用
高性能土工布在应用过程中还可以起到保护陆地、人造结构以及海水中人造结构免受海水冲击并保持其结构稳定的作用，因此还被广泛应用在港口工程、海岸工程以及海上工程当中。此外，我国海岛生态系统的健康发展亦是国家生态安全的重要组成部分，持续得到国家的高度重视，因此高性能土工布也将持续大量应用在海湾以及海岸的护岸、修筑海堤、围海造陆等工程当中。而且，在海洋工程领域的应用过程中，土工布的水力机械性能和耐久性就变得至关重要。
2.3在环保防渗领域的应用
我国目前针对垃圾填埋，污水处理、尾矿处理、煤粉灰堆厂等工程，均需大量使用高性能复合土工布为其提供防渗、防护等作用。此外，诸如景观绿化、生态园林建设、“海绵城市”建设、生态边坡防护等环保项目的大量投入，也进一步促进了高性能土工布的发展与应用。
3高性能土工布的性能研究与开发
近年来，国家加大了对聚丙烯纺黏土工布的开发力度。国内企业生产开发了新型高强聚丙烯纺黏针刺非织造土工布(HPP土工布)。与普通PP土工布相比，HPP土工布具有强度高、过滤性好等优势。北京工业大学邓宗才等人针对HPP土工布耐老化和耐腐蚀性能进行了试验研究，进一步为其推广应用提供参考。研究结果表明，与PP土工布相比，HPP土工布具有更好的耐热氧老化性能，以及较好的耐酸、碱和耐水浸泡性能。
提高土工布性能的主要方法还包括加入添加剂、化学改性和进行复合。使用添加剂来弥补土工布的性能缺陷是一种常见的方法，但大量的添加剂也在一定程度上污染环境。对土工布进行改性研究，例如进一步改善土工布的强度以及抗降解性，是扩大土工布应用范围、提高土工布附加值的重要手段。研究结果表明，将壳聚糖或半胱氨酸共价接枝到丙烯酸改性PP土工布上，可以使土工布在排水或过滤时具有捕捉重金属的能力。
此外，伴随原油价格的上涨以及环保相关法律的颁布，选择生物可降解热塑性聚合物制备环保型土工布也是一个重要的研究方向，其中，聚乳酸(PLA)、热塑性淀粉(TPS)、聚羟基脂肪酸、石油基生物聚酯和纤维素衍生物是最具商业价值的生物基聚合物和生物基聚合物共混物。与这些材料相关的大部分研究主要集中在生物可降解包装材料领域，目前尚无文献报道将其应用于可生物降解土工布。Prambauer等人就上述材料的综合性能及其在土工布行业的应用前景进行了综述，讨论了不同的结构和相关性能，以及聚合物的可用性和成本，目前主要是PLA和TPS可以满足高性能土工布对材料的可用性和价格的要求。当然为了获得所需的力学和物理特性，仍需对生物基聚合物进行必要的改性和共混。
高性能复合土工布材料的研究与开发对土木建筑工程水平的发展有着重要意义。李新玥等人以涤纶和低熔点纤维为原料，生产针刺复合土工布，并以高密度聚乙烯(HDPE)和乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)为主要原料，采用滚吸工艺生产出排水板。最终将土工布滤膜与排水板板芯进行热熔黏合，制备出土工复合排水材料。土工复合排水材料拉伸强力要大于两者复合前单体材料强力，并且具有很高的通水量。
高性能土工布对工业纤维原料性能的要求是在各种应用领域中都必须非常耐用，因此，所选工业纤维需具备高度稳定、抗蠕变，以及低收缩率、超高强度或高模量等性能。复合土工布通常是由多种纤维混合而成，它们结合了不同材料各自的功能特性，寻找合适的高性能纤维一直是对高性能土工布的一个重要研究方向。玻璃纤维、玄武岩纤维、碳纤维等无机纤维的强度和模量明显高于合成纤维。然而，由于生产成本高，无机纤维在土工布上大面积应用受到限制。玻璃纤维复合土工布是由玻纤机织基布与短纤针刺非织造布复合而成，具有高透水性、优良的抗滤失性、耐磨性等特点。玄武岩纤维土工布具有环保、耐高温等优点。
国家先后在2008年和2017年起草了最新的长丝纺黏针刺土工布、短纤针刺土工布以及非织造复合土工膜等一系列土工布相关国家标准，对相应土工布产品的生产技术规范、供货条件以及性能表征方法等做出了明确的指导。高性能土工布在实际工程应用当中，难免也要面对极端自然环境的作用，譬如极寒、火灾、洪水甚至地震，因此对土工布在极端环境中性能的演变规律的研究就显得尤为重要。同济大学土木工程学院冯世进教授团队针对应用于垃圾填埋防渗工程的复合土工布，研究了在地震循环载荷作用对复合土工布中土工膜与非织造土工布间界面的动态剪切强度的影响。研究结果表明，土工布孔隙中水的润滑作用加快了界面剪切变形的发展，而界面的抗剪强度与位移速率呈正相关关系。
4结语
高性能土工布是产业用纺织品中的重要组成部分，其在全球范围内的土工建筑领域发挥着举足轻重的作用。随着我国经济社会的快速发展，工业与基础设施的建设迅速崛起，我国土工布产能的稳步提升与需求的持续增长预示着该产业发展的巨大潜力。随着土工布应用范围的不断扩大和应用环境的趋于复杂，具备高强度和多功能的高性能土工布已成为土工布的发展方向。然而，我国在高性能土工布产品开发、成型技术以及生产设备的研制等领域均落后于发达国家。如今，面向国内“十四五”规划大力发展基础设施建设这一契机，以及国内外大量土木建筑合作工程带来的良机，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，协同创新，围绕高性能土工布开展基础理论研究、关键材料与核心技术的开发，高端装备的研制等工作，使高性能土工布在耐候性、功能性、强度等方面的性能得到进一步提高的同时，降低成本并提高产能。
来源：《2020/2021中国产业用纺织品技术发展报告》
