植物纖維沙障的抗紫外老化性能研究*

顧夢(mèng)圓 閆 容 丁志榮

南通大學(xué)紡織服裝學(xué)院，江蘇 南通 226019

土地荒漠化會(huì)對(duì)農(nóng)田、交通、水庫、灌渠及居民點(diǎn)造成極大的危害，如不加控制，風(fēng)沙的流動(dòng)會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致土地荒漠區(qū)域面積的不斷擴(kuò)大。在人類與土地荒漠化的斗爭(zhēng)過程中，科研工作者們做出了大量的努力，探索并提出了一批又一批富有成效的防沙、治沙措施[1-3]。

機(jī)械沙障作為21世紀(jì)新型的環(huán)保防沙材料，已開始應(yīng)用于土地荒漠化的治理工作中，且發(fā)展前景廣闊[4-6]。傳統(tǒng)的機(jī)械沙障通過在沙面上設(shè)置機(jī)械或植物障礙物，以此控制風(fēng)沙的流動(dòng)，改變地表的蝕積狀況，達(dá)到防風(fēng)阻沙及改變地貌的目的[7-8]。常見的機(jī)械沙障有稻草、枝條、塑料網(wǎng)及尼龍網(wǎng)等。由稻草、枝條等材料制作的沙障在使用過程中，土壤內(nèi)埋置部分可能會(huì)出現(xiàn)腐爛現(xiàn)象；由尼龍網(wǎng)、塑料網(wǎng)等制造的沙障不僅造價(jià)高，而且材料自身不易降解，易破壞生態(tài)，造成污染。因此，固沙效果持久且對(duì)環(huán)境無污染的沙障——植物纖維沙障應(yīng)運(yùn)而生。

植物纖維既能在預(yù)期的使用壽命周期內(nèi)具有化纖材料沙障的防沙效果，又能在預(yù)期的使用壽命周期結(jié)束時(shí)充分地自然降解。目前，基于機(jī)織物的植物纖維沙障已開始投入試用，并已在防風(fēng)固沙中初見成效。

荒漠化地區(qū)的氣候環(huán)境條件比普通地區(qū)要極端很多，但其環(huán)境狀態(tài)比較穩(wěn)定。本文將以純棉沙障為例，利用紫外光耐氣候老化試驗(yàn)箱，在實(shí)驗(yàn)室模擬純棉沙障的自然光照老化過程，并通過改變老化時(shí)間及光照溫度，研究紫外老化條件對(duì)純棉沙障斷裂強(qiáng)力及硬挺度的影響。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料與儀器設(shè)備

試驗(yàn)材料：純棉織物，經(jīng)緯紗密度皆為55根/(10 cm)； 硬挺劑GQ-800HH，南通斯恩特紡織科技有限公司；催化劑氯化銨，西隴化工股份有限公司；蒸餾水。

試驗(yàn)儀器：PB1橫式軋染機(jī)(廈門瑞比精密機(jī)械有限公司)、101AB-1電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(上海聯(lián)華環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備公司恒昌儀器廠)、R-3自動(dòng)定型烘干機(jī)(廈門瑞比精密機(jī)械有限公司)、BN/UVA-340紫外光耐氣候老化試驗(yàn)箱(常州邦納試驗(yàn)設(shè)備制造科技有限公司)、YG026H型電子強(qiáng)力機(jī)(溫州方圓儀器有限公司)、LFY-207自動(dòng)織物硬挺度試驗(yàn)儀(山東省紡織科學(xué)研究院)。

1.2 純棉沙障制備過程

利用軋染機(jī)對(duì)純棉織物二浸二軋，軋液中GQ-800HH質(zhì)量濃度為300 g/L、氯化銨質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%，設(shè)置軋液率為95%；再在110 ℃的條件下預(yù)烘3 min，160 ℃的條件下焙烘90 s，即完成對(duì)純棉織物的硬挺整理，得到純棉沙障。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 織物紫外老化

為在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬純棉沙障的自然光照老化過程，先將純棉沙障按照拉伸性能測(cè)試及彎曲性能測(cè)試的要求，裁剪出相應(yīng)尺寸的測(cè)試樣。其中，拉伸性能測(cè)試樣尺寸為(50.0±0.5) mm×(200.0±1.0) mm，彎曲性能測(cè)試樣尺寸為(25.0±1.0) mm×(250.0±1.0) mm。再參照GB/T 31899—2015《紡織品 耐候性試驗(yàn) 紫外光曝曬》標(biāo)準(zhǔn)，將部分測(cè)試樣安裝在試樣夾上，放入紫外光耐氣候老化試驗(yàn)箱中進(jìn)行紫外老化試驗(yàn)(圖1)，另一部分測(cè)試樣留作對(duì)比樣。采用UVA-340熒光紫外燈管作為紫外燈光源。設(shè)置紫外光耐氣候老化試驗(yàn)箱中的光照強(qiáng)度為0.89 W/m2，老化時(shí)間參照表1分別設(shè)置。測(cè)試時(shí)，按照使用要求向紫外光耐氣候老化試驗(yàn)箱中添加蒸餾水，以保持箱內(nèi)水分充足。

圖1 紫外光耐氣候老化試驗(yàn)箱截面結(jié)構(gòu)示意

機(jī)外老化時(shí)間/月機(jī)內(nèi)老化時(shí)間/h55 ℃60 ℃65 ℃627.024.622.81254.049.245.624108.098.491.236162.0147.6136.8

1.3.2 拉伸斷裂性能測(cè)試

為測(cè)量純棉沙障在不同光照溫度和老化時(shí)間作用下的斷裂強(qiáng)力的變化，采用YG026H型電子強(qiáng)力機(jī)對(duì)紫外老化處理前后的測(cè)試樣進(jìn)行拉伸強(qiáng)度的測(cè)試。根據(jù)GB/T 3923.1—2013《紡織品 織物拉伸性能 第1部分：斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率的測(cè)定(條樣法)》的要求，設(shè)置預(yù)加張力為2 N、隔距長(zhǎng)度為2 m、拉伸速度為20 mm/min。測(cè)試樣以均勻的速度拉伸至斷裂，記錄下測(cè)試樣能夠承受的最大載荷即斷裂強(qiáng)力。每種試樣測(cè)試5塊，測(cè)試結(jié)果取平均值。

1.3.3 織物彎曲性能測(cè)定

根據(jù)GB/T 18318—2001《紡織品 織物彎曲長(zhǎng)度的測(cè)定》，每種試樣準(zhǔn)備6塊測(cè)試樣，其中3塊測(cè)試樣的長(zhǎng)邊平行于織物經(jīng)向，另外3塊測(cè)試樣的長(zhǎng)邊平行于織物緯向。取樣時(shí)，測(cè)試樣至少距離布邊100.0 mm，并盡可能減少用手觸摸。

將測(cè)試樣放置于彎曲長(zhǎng)度儀的平臺(tái)上，測(cè)試樣一端與平臺(tái)的前緣重合。鋼尺放于試樣表面，鋼尺的零點(diǎn)與平臺(tái)上的標(biāo)記點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)。接著，以一定的速度推動(dòng)鋼尺和試樣，使試樣伸出平臺(tái)的前緣，試樣在自身重力的作用下彎曲，得到彎曲長(zhǎng)度。重復(fù)以上步驟，對(duì)同一試樣的另一面進(jìn)行試驗(yàn)。最后，重復(fù)對(duì)試樣的另一端的兩面進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果取平均值。彎曲長(zhǎng)度能反映出織物的硬挺度。

2 結(jié)果分析

2.1 光照溫度的影響

為研究不同光照溫度對(duì)純棉沙障老化性能的影響，試驗(yàn)在機(jī)內(nèi)老化時(shí)間分別為54.0、49.2及45.6 h即等同于機(jī)外老化時(shí)間為12個(gè)月不變的前提下，改變光照溫度，觀察光照溫度分別為55、60、65 ℃時(shí)純棉沙障的斷裂強(qiáng)力和彎曲長(zhǎng)度，并與常溫(25 ℃)下未老化的純棉沙障的斷裂強(qiáng)力和彎曲長(zhǎng)度作比較(圖2)。

圖2 光照溫度對(duì)純棉沙障斷裂強(qiáng)力及彎曲長(zhǎng)度的影響

從圖2可以看出：

(1) 純棉沙障的斷裂強(qiáng)力隨光照溫度的升高而降低，且降低幅度越來越明顯。其中，當(dāng)機(jī)外光照溫度為65 ℃時(shí)，純棉沙障的斷裂強(qiáng)度較常溫時(shí)下降了約18%。

(2) 純棉沙障的彎曲長(zhǎng)度隨著光照溫度的升高呈上升趨勢(shì)。

上述現(xiàn)象與棉纖維的分子結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化有關(guān)。棉纖維素長(zhǎng)鏈在紫外光的照射下會(huì)發(fā)生斷裂而變短，聚合度降低[9-10]，且棉纖維素長(zhǎng)鏈的斷裂主要發(fā)生在無定形區(qū)。隨著溫度的增加，發(fā)生斷裂的棉纖維素長(zhǎng)鏈更多，故純棉沙障經(jīng)紫外光照射后斷裂強(qiáng)力降低，彎曲長(zhǎng)度增加。

2.2 老化時(shí)間的影響

為研究不同老化時(shí)間對(duì)純棉沙障老化性能的影響，試驗(yàn)在保證光照溫度為60 ℃不變的前提下，改變老化時(shí)間，觀察機(jī)內(nèi)時(shí)間分別為24.6、49.2、98.4及147.6 h(即等同于機(jī)外老化時(shí)間分為6、12、24及36個(gè)月)時(shí)純棉沙障的斷裂強(qiáng)力和彎曲長(zhǎng)度，并與常溫(25 ℃)下未老化的純棉沙障的斷裂強(qiáng)力和彎曲長(zhǎng)度作比較(圖3)。

圖3 老化時(shí)間對(duì)純棉沙障斷裂強(qiáng)力及彎曲長(zhǎng)度的影響

分析圖3可知：隨著老化時(shí)間的增加，純棉沙障的斷裂強(qiáng)度逐漸降低，彎曲長(zhǎng)度逐漸增加。其中，在機(jī)內(nèi)老化處理的前24.6 h即機(jī)外老化處理的前6個(gè)月，純棉沙障的斷裂強(qiáng)度下降較平緩，且彎曲長(zhǎng)度與常溫下未老化處理的純棉沙障相比變化不明顯；當(dāng)機(jī)內(nèi)老化處理超過49.2 h即機(jī)外老化處理12個(gè)月后，純棉沙障的斷裂強(qiáng)力下降明顯，較常溫下未老化處理的純棉沙障最大降幅約為35%，但數(shù)值仍在有效范圍內(nèi)。

3 結(jié)論

在模擬的36個(gè)月的機(jī)外老化時(shí)間內(nèi)，隨著光照溫度及老化時(shí)間的增加，純棉沙障的斷裂強(qiáng)力降低，彎曲長(zhǎng)度增加，但斷裂強(qiáng)力仍在有效范圍內(nèi)，可見硬挺整理改善了純棉沙障的斷裂強(qiáng)度，延長(zhǎng)了純棉沙障的使用壽命，可用于荒漠地區(qū)風(fēng)沙的防治。