聚乳酸纤维沙袋沙障降解老化性能研究

【摘要】聚乳酸，又称聚丙交酯，因原材料易获取，可完全降解，无害性等特点，在减少环境污染、节省石油资源及减轻地球温室效应方面具有重要的应用意义，因而被认为是最具发展前景的理想绿色高分子材料之一。聚乳酸已被引入到我国的荒漠化防治领域并且取得了理想的防沙固沙效果，目前主要的利用途径是铺设聚乳酸沙障。本研究通过在乌兰布和沙漠及毛乌素沙地铺设不同规格的聚乳酸沙障，测定沙障不同铺设时间及铺设位置下的物理、化学性能、热性能及表面形貌变化，解析了聚乳酸沙障的降解老化过程，揭示了影响聚乳酸沙障降解老化的主要因素。通过对比其他常见高分子纤维材料沙障在沙区应用的老化情况，评价了聚乳酸沙障的耐久性。针对聚乳酸沙障在沙区应用过程中出现的漏沙现象，提出了解决办法并进行了验证。主要结论如下：（1）聚乳酸沙障织物的顶破强力损失率、失重率和单纱断裂强度损失率均随着铺设时间的延长而增大，至5a时，三者的平均值分别为44.1%，22.21%，70.53%，变化速度并不一致。（2）单根聚乳酸沙障障体上下左右4个不同部位的沙障降解老化程度由高到低依次为：障体迎风面、障体顶部、障体背风面、障体贴地面，且四者之间的差异性随时间增加逐渐减小。说明风沙活动对聚乳酸沙障的降解老化起着最重要的作用，其次是光照和水分影响，且随时间增加，这些环境因素之间的影响力差异逐渐减小。（3）乌兰布和沙漠沙障障体暴露面的降解程度高于贴地面部分，且二者差异较大。而毛乌素沙地沙障障体暴露面与贴地面的降解程度之间差异较小，表明不同研究区域下风沙活动、光照及土壤水分等环境因素作用强度不一。生长季0.5-1a（5月-10月）的聚乳酸沙障降解程度较非生长季0.5-2a（11月-翌年4月）的稍大，表明不同取样时间下风沙活动、光照及土壤水分的差异对于聚乳酸沙障降解老化性能有重要的影响。（4）FT-IR分析显示聚乳酸沙障在前5a的整个降解老化过程中并无新旧官能团的产生及消失，表明其在沙区的应用性能较为稳定。到铺设5a时聚乳酸沙障的—CH发生明显振动，表明长时间的光照是影响聚乳酸沙障的主要因素之一；聚乳酸沙障相对分子量随时间增加逐步降低，分子量分布宽度逐渐变大，变化幅度分别为33.96%、6.63%，说明聚乳酸大分子逐渐降解为小分子。通过建立一级动力学模型方程预测聚乳酸沙障的使用寿命半衰期约为8.5a。（5）随着铺设时间的延长，聚乳酸沙障的玻璃化转变温度先上升后下降，同时，熔点下降，熔融焓增大，结晶度增大，表明聚乳酸沙障随铺设时间的延长降解老化程度不断加深，但仍处于无定型区降解阶段。（6）随铺设时间的延长，聚乳酸沙障障体的纱线结构由较为完整到开始出现凌乱和部分破坏，而纤维表面则由团簇状碎片、条状及片状剥皮逐渐发展至凹槽块状纤维脱落、开裂。初步判断聚乳酸沙障的降解老化尚处于初期至中期阶段，远未达到最终使用寿命。试验地同期铺设2a后，聚乳酸沙障的顶破强力损失率仅为25.06%，7种常规化纤材料沙障中顶破强力损失率最小的是47.68%，最大的已经达到100%。表明聚乳酸沙障具有比其他常规化纤材料沙障优越的耐降解老化性能，适宜在沙区推广使用。（7）不同铺设规格的聚乳酸沙障在降解老化过程中无明显差异。由于沙丘不同部位的风沙活动、光照、土壤水分含量等环境因素分布的差异而导致相应部位的聚乳酸纤维沙障降解程度不同，降解老化程度呈如下规律：沙丘顶部＞迎风坡坡中＞迎风坡坡底＞背风坡坡底＞背风坡坡中；迎风坡不同坡位的沙障整体降解老化程度比背风坡的偏大。不同沙埋深度的聚乳酸沙障降解老化程度随土壤含水率的变化表现为先增大后降低，且随沙埋时间的增加，不同埋深处的聚乳酸沙障降解老化程度差异越来越大。表明土壤水分是影响聚乳酸沙障降解老化的一个重要因素。（8）100℃沸水加热处理1.5min能显著增大聚乳酸沙障织物密度，减小织物孔径大小，使纵向长度为5cm的沙障织物的线圈数达到93个，明显改善漏沙情况，减少漏沙量为78.5%，对其本身的化学性能、热性能及表面形貌没有任何影响。但沙障织物纵向长度显著减小，单丝细度稍有下降，而横向宽度及重量变化不大。
【作者】原伟杰；
【导师】岳永德；
【作者基本信息】中国林业科学研究院，生态学，2014，博士
【关键词】聚乳酸（PLA）纤维；沙障；降解老化；沙漠；沙地；

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