高性能土工布的發展現狀

隨著我國社會的快速發展，我國基礎設施建設與我國經濟發展、民生福祉以及生態保護之間的關系變得越來越緊密。高速鐵路工程、垃圾或污水處理相關的防滲工程、礦山以及生態袋邊坡防護工程等領域正不斷地對土工建筑材料提出更高的要求和更多的需求。一般同時和地基、土壤、巖石、泥土或任何其他土建材料一起使用，并作為人造工程、結構、系統的組成部分的紡織品，即為土工布。高性能土工布往往具有優異的力學性能、耐光照、耐溫度、耐老化等特性，能更好地在土工建筑工程中起到加固、防護、隔離、導水、防滲漏等作用。1926年，荷蘭第一次將土工布應用在巖土工程領域，然而我國于上世紀80年代初，才逐漸將土工布應用在我國鐵路、水利等領域當中。目前，我國是全球土工用紡織品用量最大的國家，已形成約500家土工用紡織品企業為主的產業規模。根據中國產業用紡織品行業協會的統計，2019年我國土工用紡織品的產量約110.59萬噸，同比增長4.1%。近年，隨著高性能土工布材料的開發與創新，必將進一步推動我國土工建筑材料制造技術的發展以及我國建筑與工程建設水平的提高。

1高性能土工布概況

1.1分類

按照制備方法的不同，土工布可分為織造土工布、非織造土工布以及復合土工布三大類。織造土工布可大致分為通過編織、機織、針織工藝生產的三類產品。非織造型土工布則是指由定向或隨機取向的纖維、長絲、條帶等，通過紡黏法、針刺法或者熱熔黏合法制成的產品。非織造土工布生產效率較高、具備良好的延伸性、力學性能和水平滲透過濾性能。復合土工布與前兩種類型的土工布相比更具優勢，它是由兩種或兩種以上土工布或土工布有關產品復合而成，其具有更好的綜合性能，是一種在各類工程中被廣泛使用的一類高性能土工布。此外，從產品形狀來劃分，土工布又可分為平面狀、管狀、帶狀、格柵狀、繩索狀和其他異形土工布。

1.2原料

土工布原材料的選擇一定要與工程的實際需求相匹配，既要考慮現場對土工布性能要求，也要考慮產品的成本。土工布的生產原料目前主要為合成纖維，此外也少量采用天然纖維。天然纖維雖然具有可再生、易降解、成本低等優勢，但也因其自身性能的不足而使其在各類工程應用中受到局限。與天然纖維相比，合成纖維具有強度高、耐腐蝕等優點，現階段幾乎所有的土工織物中都會用到合成纖維，包括聚酯(PET)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚酰胺(PA)、聚乙烯醇(PVA)等。四種常見合成纖維生產的土工布的性能如下表1。其中，PP目前的使用量最大，而PET耐堿腐蝕性能不如PP，其在土工布當中的用量僅次于PP。此外，聚氯乙烯(PVC)、乙烯共聚物改性瀝青樹脂(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應用。高性能土工布的生產通常還需添加添加劑以提高土工布的性能，如抗氧化劑、光穩定劑、紫外線吸收穩定劑、長期熱穩定劑、加工改性劑、阻燃劑、潤滑劑、抗菌劑等。

1.3生產技術

長絲紡黏生產技術具有生產流程短、生產效率高、產品性能高等優勢，然而我國長絲紡黏工藝制備的土工布生產能力較大，技術水平卻較國外有一定差距，這與國內設備的技術水平有關。PP長絲紡黏針刺土工布是長絲紡黏針刺非織造土工布的主要產品之一，具有高模量、高延伸、抗撕破、耐刺穿、耐酸堿、耐低溫、耐霉變、成本低等優點，尤其在地下酸、堿、高寒等惡劣環境中具有不可替代的地位。2016年，山東天鼎豐公司建成了國內首條年產8000t的高強粗旦聚丙烯長絲針刺土工布生產線，成為國內首家此項生產技術的企業，結束了我國長期依賴進口國外聚丙烯長絲針刺土工布的歷史，天鼎豐采用高強粗旦熔融紡絲技術，即利用氣流加機械牽伸的方式，使聚丙烯高分子高度取向結晶，最終形成單絲線密度達到11dtex，單絲強力超過3.5cN/dtex的連續長絲。再經鋪網和針刺加固工藝，最終形成各向均勻的非織造土工布。山東晶創新材料科技有限公司采用瑞士歐瑞康與德國巴馬格公司最新研發的紡黏技術用于生產超強細旦PP土工布，年產量可達5萬噸。其采用牽伸一步成型技術加工聚丙烯的全自動智能化設備，可將生產速度提升一倍，并在全球范圍內首創6m寬幅產品，可進一步實現多重復合。

織造型土工布與非織造土工布相比，生產工藝更為復雜，生產成本更高，而產量較低，因此在土工領域主要應用于一些對強度以及孔隙等有特殊要求的環節。織造型土工布成形技術主要包括高密度、寬幅、高速、高強機織和經編技術。目前市場上的織造型土工布產品主要包括扁絲織造土工布、長絲機織土工布等。此外，復合型土工布的生產和應用相對于其他類型的土工布來說起步較晚，但卻是土工布生產技術發展的重點。

2高性能土工布的發展與應用

根據美國知名市場研究機構Grand View Research(GVR)的研究，2018年全球土工用紡織品的市場規模約為47.518億m2，預計到2025年將達到76.11億m2，預期內的年均復合增長率為7.0%。目前，我國是全球土工用紡織品用量最大的國家。實施重大公共設施和基礎設施工程，加快完善水利、鐵路、公路、水運等基礎設施網絡，是我國“十四五”期間的重要發展目標。近年，在國家科技部等有關部門的高度重視下，我國土木建筑行業以及土工合成材料產業也在不斷地發展，土工布正逐漸轉變為巖土工程中必不可少的一種關鍵施工材料，并在基礎交通設施、水利工程、垃圾填埋、城市市政建設等領域成為基礎材料。

2.1道路施工領域的應用

土工布在道路施工中的用量非常大，約占土工用紡織品總消耗量的一半，其主要依靠土工布與周圍土體之間的界面摩擦力來限制土體側向移動，增加土體承載能力，從而提高土體和建筑在使用期間的完整性和結構支撐能力。高性能土工布除了自身應具有較高的機械強度外，其表面還應具有較高的粗糙度從而通過橫向約束力實現對其表面的巖土或者礫石的加固作用。

在道路施工建設過程中，高性能土工布除了起到加強作用外同時兼具其他功能：例如將碎石與路基隔開的分離功能、將軟弱地基中的水導出到集料層的排水功能等。此外，在臨時道路或者施工平臺上，采用土工布進行加固，可有效改善土壤太軟等施工面臨的問題，從而降低施工設備進入現場所需鋪設的碎石厚度，維護路基的穩定性。

2.2海洋工程領域的應用

高性能土工布在應用過程中還可以起到保護陸地、人造結構以及海水中人造結構免受海水沖擊并保持其結構穩定的作用，因此還被廣泛應用在港口工程、海岸工程以及海上工程當中。此外，我國海島生態系統的健康發展亦是國家生態安全的重要組成部分，持續得到國家的高度重視，因此高性能土工布也將持續大量應用在海灣以及海岸的護岸、修筑海堤、圍海造陸等工程當中。而且，在海洋工程領域的應用過程中，土工布的水力機械性能和耐久性就變得至關重要。

2.3在環保防滲領域的應用

我國目前針對垃圾填埋，污水處理、尾礦處理、煤粉灰堆廠等工程，均需大量使用高性能復合土工布為其提供防滲、防護等作用。此外，諸如景觀綠化、生態園林建設、“海綿城市”建設、生態邊坡防護等環保項目的大量投入，也進一步促進了高性能土工布的發展與應用。

3高性能土工布的性能研究與開發

近年來，國家加大了對聚丙烯紡黏土工布的開發力度。國內企業生產開發了新型高強聚丙烯紡黏針刺非織造土工布(HPP土工布)。與普通PP土工布相比，HPP土工布具有強度高、過濾性好等優勢。北京工業大學鄧宗才等人針對HPP土工布耐老化和耐腐蝕性能進行了試驗研究，進一步為其推廣應用提供參考。研究結果表明，與PP土工布相比，HPP土工布具有更好的耐熱氧老化性能，以及較好的耐酸、堿和耐水浸泡性能。

提高土工布性能的主要方法還包括加入添加劑、化學改性和進行復合。使用添加劑來彌補土工布的性能缺陷是一種常見的方法，但大量的添加劑也在一定程度上污染環境。對土工布進行改性研究，例如進一步改善土工布的強度以及抗降解性，是擴大土工布應用范圍、提高土工布附加值的重要手段。研究結果表明，將殼聚糖或半胱氨酸共價接枝到丙烯酸改性PP土工布上，可以使土工布在排水或過濾時具有捕捉重金屬的能力。

此外，伴隨原油價格的上漲以及環保相關法律的頒布，選擇生物可降解熱塑性聚合物制備環保型土工布也是一個重要的研究方向，其中，聚乳酸(PLA)、熱塑性淀粉(TPS)、聚羥基脂肪酸、石油基生物聚酯和纖維素衍生物是最具商業價值的生物基聚合物和生物基聚合物共混物。與這些材料相關的大部分研究主要集中在生物可降解包裝材料領域，目前尚無文獻報道將其應用于可生物降解土工布。Prambauer等人就上述材料的綜合性能及其在土工布行業的應用前景進行了綜述，討論了不同的結構和相關性能，以及聚合物的可用性和成本，目前主要是PLA和TPS可以滿足高性能土工布對材料的可用性和價格的要求。當然為了獲得所需的力學和物理特性，仍需對生物基聚合物進行必要的改性和共混。

高性能復合土工布材料的研究與開發對土木建筑工程水平的發展有著重要意義。李新玥等人以滌綸和低熔點纖維為原料，生產針刺復合土工布，并以高密度聚乙烯(HDPE)和乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)為主要原料，采用滾吸工藝生產出排水板。最終將土工布濾膜與排水板板芯進行熱熔黏合，制備出土工復合排水材料。土工復合排水材料拉伸強力要大于兩者復合前單體材料強力，并且具有很高的通水量。

高性能土工布對工業纖維原料性能的要求是在各種應用領域中都必須非常耐用，因此，所選工業纖維需具備高度穩定、抗蠕變，以及低收縮率、超高強度或高模量等性能。復合土工布通常是由多種纖維混合而成，它們結合了不同材料各自的功能特性，尋找合適的高性能纖維一直是對高性能土工布的一個重要研究方向。玻璃纖維、玄武巖纖維、碳纖維等無機纖維的強度和模量明顯高于合成纖維。然而，由于生產成本高，無機纖維在土工布上大面積應用受到限制。玻璃纖維復合土工布是由玻纖機織基布與短纖針刺非織造布復合而成，具有高透水性、優良的抗濾失性、耐磨性等特點。玄武巖纖維土工布具有環保、耐高溫等優點。

國家先后在2008年和2017年起草了最新的長絲紡黏針刺土工布、短纖針刺土工布以及非織造復合土工膜等一系列土工布相關國家標準，對相應土工布產品的生產技術規范、供貨條件以及性能表征方法等做出了明確的指導。高性能土工布在實際工程應用當中，難免也要面對極端自然環境的作用，譬如極寒、火災、洪水甚至地震，因此對土工布在極端環境中性能的演變規律的研究就顯得尤為重要。同濟大學土木工程學院馮世進教授團隊針對應用于垃圾填埋防滲工程的復合土工布，研究了在地震循環載荷作用對復合土工布中土工膜與非織造土工布間界面的動態剪切強度的影響。研究結果表明，土工布孔隙中水的潤滑作用加快了界面剪切變形的發展，而界面的抗剪強度與位移速率呈正相關關系。

4結語

高性能土工布是產業用紡織品中的重要組成部分，其在全球范圍內的土工建筑領域發揮著舉足輕重的作用。隨著我國經濟社會的快速發展，工業與基礎設施的建設迅速崛起，我國土工布產能的穩步提升與需求的持續增長預示著該產業發展的巨大潛力。隨著土工布應用范圍的不斷擴大和應用環境的趨于復雜，具備高強度和多功能的高性能土工布已成為土工布的發展方向。然而，我國在高性能土工布產品開發、成型技術以及生產設備的研制等領域均落后于發達國家。如今，面向國內“十四五”規劃大力發展基礎設施建設這一契機，以及國內外大量土木建筑合作工程帶來的良機，我國土工布生產企業、相關科研機構以及相關測試評價機構應著重合作共贏，協同創新，圍繞高性能土工布開展基礎理論研究、關鍵材料與核心技術的開發，高端裝備的研制等工作，使高性能土工布在耐候性、功能性、強度等方面的性能得到進一步提高的同時，降低成本并提高產能。

來源：《2020/2021中國產業用紡織品技術發展報告》

標簽： 生產技術 合成纖維