吹塑法制作的土工膜性能分析

（一）吹塑土工膜产品设计

产品设计要符合产品标准（包括国际标准、国家标准、行业标准、企业标准等），同时要满足工程应用要求。《GB/T 1743—2011土工合成材料 聚乙烯土工膜》，适用于以聚乙烯树脂、乙烯共聚物为原料，加入各类添加剂所生产的聚乙烯土工膜。

1.产品的分类、代号、规格及命名

（1）产品分类及代号

见表3-1-9所示。

表3-1-9 产品分类及代号

（2）产品规格

GH-1和GL-1型聚乙烯土工膜的厚度范围0.3～3.0mm；

GH-2S、GH-2T1和GH-2T2聚乙烯土工膜的厚度范围0.75～3.0mm；

GL-2聚乙烯土工膜的厚度范围0.5～3.0mm。

（3）产品命名

产品命名示例：宽度6000mm，厚度1.5mm环保用光面高密度聚乙烯土工膜，可表示为：GH-2S 6000/1.5mm GB/T 17643—2011。

2.产品设计

和任何产品设计一样，应用是产品设计的最终目的。土工膜作为一种工程材料，它的设计应当首先了解工程对土工膜的要求。根据工程对土工膜的要求，广泛参照相关标准，设计产品的性能、状态、结构和制造工艺方法等。

（1）工程环境对土工膜的要求

任何一种用于工程的材料，特别是永久性工程，材料的使用寿命是决定工程寿命的主要因素。材料在工程中的使用条件，称为“工程环境”。工程环境，包括了力的因素、热的因素、介质和时间等因素。这些因素，通常极少是单独存在的，而常常是诸因素的叠加，它们同时对土工膜发生作用，其结果是对工程材料的固有特性造成不可逆转的影响，直至破坏。工程环境是异常复杂的。翔实的分析，还要靠具体工程，由工程的设计者来完成。

1）耐水性

水是土工膜最经常接触的一种介质，如水库、水坝、水池、建筑物的地下、屋面和厕浴间的防渗漏，都会直接与水接触。本章所述及的土工膜，其大分子上不含酰胺基、酯基等亲水基团，它们不溶于水，也不会与水发生水解反应，吸水率、透水率极低，如GH土工膜的吸水率小于0.3%、其水蒸气透过小于10^-13。但是，所有的土工膜在制造过程中，都必须添加相关的助剂，这些助剂的耐水性，便成为影响这些土工膜耐水性的主要因素。

2）耐酸碱性

化工厂、电镀厂，尾矿浸渍厂等的防渗漏工程中，土工膜接触到的介质，多为各种酸、碱类的溶液。聚乙烯及乙烯共聚物土工膜、聚丙烯土工膜、聚丁烯土工膜，在常温下能抵抗绝大多数酸、碱、盐类溶液的侵蚀，但对热的、浓的氧化性酸，它们的抵抗能力是有限的。另外，与耐水性相似，土工膜中所添加的各种助剂，选用不当，会严重影响土工膜的耐酸碱性能。

3）耐有机溶剂性

酿酒厂、炼油厂、有机化工厂等的防渗漏工程中，土工膜接触到的介质，多为各种有机溶剂。聚乙烯土工膜和聚丁烯土工膜，在60℃以下，能耐绝大多数有机溶剂的侵蚀。聚丙烯土工膜80℃以下能耐绝大多数有机溶剂。而聚乙烯土工膜在60℃以下，可被氯代烃类溶剂溶胀，并少量溶解。EVA土工膜，在50℃以下，溶于芳族和氯代溶剂中。

4）抵抗活性物质

表面活性剂是去氧剂、除垢剂、洗涤剂等的重要成分，污水池，污水处理场、垃圾填埋场等工程的防渗漏。土工膜都必然会接触到诸如此类的介质。聚丁烯土工膜，具有极强的抵抗表面活性剂的能力，聚丙烯土工膜，对表面活性剂的抵抗能力也很好，但是普通的聚乙烯土工膜，抵抗表面活性的能力却极差。因此，普通的聚乙烯土工膜是不能用于污水池、垃圾填埋场等防渗漏工程上的。《GB/T 17643—2011土工合成材料 聚乙烯土工膜》中有环保用高密度聚乙烯土工膜品种，其抵抗表面活性剂的能力就很强。该标准中规定，环保用高密度聚乙烯土工膜的拉伸负荷应力开裂（切口恒载拉伸法）≥300h。

5）抵抗金属离子

水中或多或少都会含有某些金属离子，尾矿浸渍厂和电镀厂的防渗漏工程中、介质中某些金属离子的浓度都是很高的。有些土工膜所用原料树脂，对某些金属离子特别敏感，如聚丙烯树脂，当与铜离子相遇时，其降解速度会成百倍的增加，温度越高，降解速度越快。此即所谓的聚丙烯的“铜害”。

6）抵抗微生物

微生物是无处不在的，水中、土壤中、动植物体上，都有真菌的踪迹。真菌俗称霉菌，在合成高分子聚合物中，聚氨酯（PU）本身就是一种殖菌源，因此用聚氨酯制成的土工膜，在使用时就应考虑这一因素，而本章所述的土工膜，均非殖菌源，通常是不易受真菌侵害的。问题仍然出在添加剂上。有人曾做过一个很有趣的实验，即将P VC土工膜和P E土工膜，相邻铺设在野外，时间不长PVC土工膜霉变明显，PE土工膜无变化。分析认为，PVC中的添加剂硬脂酸（润滑剂）、癸二酸酯（耐寒增塑剂）和季戊四醇酯（耐热增塑剂）都是殖菌源。因此，P VC土工膜的应用中，微生物的侵害是一个比较难办的问题。

7）耐老化性

聚合物的耐老化性能，是表征该材料使用寿命的最重要的特征之一，其老化的动因和形式，也有很多种，但最常见的动因和形式是光、热和氧等的作用，导致其光（氧）老化、热（氧）老化。聚合物在热的作用下，会发生大分子的热降解，即热老化，即使是在室温的条件下，其热老化也在缓慢地进行中。温度越高，热老化的速度越快。合成高分子聚合物在有氧的氛围中，会发生氧化降解。温度越高，氧化降解的速度越快。合成高分子聚合物的燃烧，即是其迅速氧化的一种表现。聚合物受到紫外线的照射，会产生分子链的断裂，即光（氧）老化。土工膜在储存、运输、施工，乃至使用过程中，都很难避免与光、热和氧接触，因此，关于土工膜的老化一直是设计和应用者最为关注的问题。

8）力学性能

土工膜在工程上的应用，常常会受到拉伸、压缩、穿刺、顶破、撕裂等力的作用，土工膜的拼接缝也会遇到剪切和剥离等力的作用，土工膜作为一种柔性防渗漏材料，虽然不应苛求其承受工程可能产生的全部荷载，但是力学性能好的土工膜，无疑会对防渗漏工程十分有利。如本书中所述及的土工膜，其断裂伸长率都很大，达到100%～800%，这样的土工膜对基面的变化的适应能力就很强，当基面发生轻微断裂时，柔性防渗层并不立即破坏。这比刚性防渗体系有着十分明显的优势。

9）耐蠕变性能

材料的蠕变是指材料受力大小不变，变形随时间的增长而逐渐增大的现象。蠕变特性是土工合成材料重要特性之一，是材料能否长期应用的关键。因此蠕变数据，即是产品设计，也是工程选材的重要依据。

聚合物试样，在受到拉伸，压缩、弯曲、扭转等基本荷载下的分析，通常可参照金属材料力学性能的处理方法。金属、混凝土、玻璃等多种材料，在室温或接近室温时，应力—应变的性质基本与时间无关。但当温度升高后，它们与时间就有关了，那是由于它处于塑性状态的缘故。然而合成高分子聚合物的弹性模量低，且分子结构比较松散，在室温或接近室温时，其局部就处在塑性状态下，此局部塑性状态的范围，视合成高分子聚台物的品种、温度和应力或负荷而定。聚合物的应变行为和断裂现象，对时间和温度有着明显的依赖性。

在等应力的蠕变曲线中，截取某一恒应变做出的应力与时间的对数曲线，称为“等应变蠕变曲线”，或称为“等距曲线”，线性关系较好。对任何一种合成高分子聚合物所做的试验，若应变小于0.02，其在工程上应用是可靠的，做更大的外推也是可行的。也就是说，可以用高的温度，和不太长的试验时间，来外推较低温度下，较长工作时间内，材料的蠕变行为。图3-1-14为聚合物的等应变蠕变曲线图。从这条曲线上可以看出：

图3-1-14 塑料损坏原因及破裂状态，在运行时间内的变化

第一段：仅是韧性破裂，其原因是机械过程（超负荷），可用破裂试验来证明。

第二段：中间阶段，仅是脆性破裂，破裂现象多半来自机械过程。

第三段：仅是脆性破裂，在此阶段，化学过程促使管道破裂（例如：氧化使管道退化）。

过渡阶段A：出现韧性破裂，脆性破裂和混合状态。

过渡阶段B：只有脆性破裂。

①材料破坏的三个阶段，即曲线中的第一、二、三段。在第一阶段，可按材料的固有特性，在必要的安全度内正常使用。在第二阶段，应当是有条件地使用，即除按必要的安全度外，还要设法采取补救措施，或设法避开“A”点。如对材料加载的应力适当减小，材料的厚度适当加大，使用温度适当降低，或设计寿命酌情减少等。“A”点被称为物理拐点，在此点，材料本身的结构（宏观的和微观的）并未受到根本破坏。在第三阶段，材料本身的结构已完全破坏，失去了使用价值，“B”点被称为化学拐点，材料断裂，即为蠕变的终点，对所有材料进行蠕变试验，都会出现三个阶段，二个拐点，只不过抗蠕变性能好的材料，拐点出现得晚一些，抗蠕变性能差的材料，拐点出现得早一些。图3-1-15、图3-1-16、图3-1-17和图3-1-18分别为几种高分子聚合物的等应变蠕变曲线图。图3-1-15是一种抗蠕变性能很好的高密度聚乙烯的等应变蠕变曲线，70℃时“A”点大约出现在15万h左右，80℃时，“A”点大约出现在4万h左右，95℃时，“A”点大约出现在9000h左右。图3-1-16为交联高密度聚乙烯（PEX）的等应变蠕变曲线。从20～110℃，在推导时间内，曲线并未出现“A”点，这就说明，PEX是一种抗蠕变性能极佳的高分子材料。温度越高，这一特性越为明显。

图3-1-15 HDPE等应变蠕变曲线

图3-1-16 PE-X等应变蠕变特性曲线

②图3-1-17为PB的等应变蠕变曲线。图3-1-18为PPR（乙烯丙烯无规共聚物）的等应变蠕变曲线。这两组曲线的斜度差异很大，说明了PB的抗蠕变能力要优于PPR。

③从这些曲线上还可以看出，不同材料在不同的温度条件下的力学性能，并估算出材料的使用寿命。这些曲线，在纵坐标上的交点，即为该材料在该温度下、该时间内（横坐标），能够承受的最大应力。如95℃时，PPR的应力为2.0MPa，其最大使用寿命为5～6年，在同样温度下，PEX的应力为4.0MPa，其最大使用寿命可达11年以上。从这四组等应变蠕变曲线上还可以看出，PB的强度最好，特别是热强度接近PEX，因此PB的土工膜的厚度设计，可比PE和PPR稍薄一些。

10）施工性能

土工膜的施工性能，指土工膜敷设的难易、拼接的难易及可靠性。如隧道、涵洞和某些地下工程，因空间狭窄、作业面积小、土工膜需要连续敷设在工程垂直断面上的各点，一般要求土工膜柔软一些、幅宽窄一些。而水利工程作业面较大，又希望土工膜宽一些，这样不但可以提高施工效率，而且减少了拼接缝，工程的防渗漏可靠性也高，因此，土工膜的规格设计应当考虑不同工程的需要。

土工膜的拼接，目前国内外技术均已很成熟。对热塑性塑料，主要采用焊接的方法，速度较快，可靠性很高。但PEX并非热塑性塑料，当交联度较低时，它的热塑性表现占优，是可以焊接的，并且也很可靠。但当交联度较高时，其主要表现为热固性，不溶，不熔，是无法焊接的。对于PE和PP土工膜，目前尚无可靠的胶黏剂黏接。所以，热熔焊接便成为唯一的拼接方法。P B和P VC土工膜，不仅可以采用焊接方法拼接，也可采用胶黏剂进行黏接，但因胶黏剂所用溶剂和稀释剂通常毒性都比较大，易燃、易爆、污染环境，属于有害作业，并且黏接速度慢，可靠性很差，工程上一般不推荐使用此法做大面积的拼接，仅在修补土工膜时或局部处理时，酌情采用。

图3-1-17 PB等应变蠕变特性曲线(www.xing528.com)

图3-1-18 PPR等应变蠕变特性曲线

（2）吹塑法土工膜配方设计要点

①稳定体系 为保证土工膜的成型、储存、运输、热熔焊接及长期使用寿命，土工膜配方中通常都必须添加足量的抗氧剂、光稳定剂和金属离子钝化剂等。但是目前国产本色PE土工膜中，无一例外，在土工膜制造前并未另行添加这些十分必要的助剂，这些土工膜的使用寿命将是无法保证的，如果选用树脂制造厂的“管级”树脂制造土工膜，其在配方设计时，已考虑了这诸多因素，在土工膜制造前一般是不需另外添加这些助剂的。

②为改善某些PE树脂熔体强度低容易产生熔体破裂的缺陷，配方中可添加适量的氟弹性体，但添加量必须进行严格的试验。因为氟弹性体添加量过多，将会影响土工膜的可焊性。

③为提高普通PE的耐环境应力开裂性（ESCR）可在配方中添加适量的聚丁烯-1树脂，但最好选用耐环境应力开裂性好的共聚树脂。

④通常把树脂中的添加成分称为“助剂”，助剂的应用是一项很复杂的技术，选择和使用助剂时，应注意的一些问题如下：

a.助剂与树脂的配伍性：这包括助剂与树脂之间的相容性，及在稳定性方面的相互影响。

b.助剂的耐久性，助剂的损失，导致材料稳定体系的破坏，直接影响材料的使用寿命。助剂的损失，主要通过挥发、抽出和迁移三个途径，特别是抽出性，在土工膜的应用中，土工膜与介质的接触、助剂和介质间的相容性，或者介质与助剂间发生化学反应，均会导致助剂在树脂中的浓度、分散度及效能的降低。

c.助剂对加工条件的适应性，加工条件对助剂的要求最主要的是耐热性，即要求助剂在土工膜的加工温度和时间内，不分解、不易挥发或升华。此外，还要注意，助剂对加工设备、模具等可能产生的腐蚀作用，对操作环境可能产生的污染作用等。

d.制品用途对助剂的要求：不同用途的土工膜，对所要采用的助剂，有着不同的要求。如着色剂的应用，有些着色剂添加到土工膜的配方中，不仅赋予了土工膜所需要的颜色，同时还有可能改善土工膜的许多性能，炭黑是一种很好的黑色着色剂，添加到土工膜的配方中还能极大的改善PE土工膜的耐光老化、耐热氧老化性能。试验证明：1.0mm厚普通LDPE土工膜，暴露使用寿命仅2年左右，而添加了粒径为20nm、添加量为2.5份的炭黑的土工膜，厚度也是1.0mm，其推导暴露使用寿命可达20年。酞菁系的蓝、绿，也是很好的着色剂，但在选用时应注意，它可加大土工膜的收缩率，同时有可能降低土工膜的防老化能力。再如助剂的毒性，土工膜的应用，大多数场合会直接或间接起到环境保护的作用，则土工膜中使用毒性较强的助剂显然是不适宜的。为防止微生物的孳生，土工膜配方中添加防霉剂是必要的。但一定要选用无毒或低毒的防霉剂。

e.助剂配合中的“协同”和“相克”作用：聚合物稳定体系中，往往是多种助剂同时存在，配合得当，它们之间常常会互相增效，此即“协同”作用。这也是配方设计所追求的一个重要目标。如果它们配合不当，助剂之间的作用，会降低或削弱其单独存在于体系中的效能，此即“相克”作用。配方设计的另一目标，就是避免或消除助剂之间的“相克”作用的发生。

（二）吹塑土工膜一般性能

吹塑土工膜一般性能是指《GB/T 17643—2011土工合成材料 聚乙烯土工膜》规定的技术要求。

1.外观质量

低密度聚乙烯土工膜（GL-1）一般为白色或黑色，其他型号产品一般为黑色，其他颜色可由供需双方确定，外观质量应符合表3-1-10的要求。

表3-1-10 外观质量

2.产品规格尺寸

长度及偏差：产品单卷长度应不小于40m，偏差控制在1%范围内。

宽度及偏差：产品宽度尺寸应不小于2000mm，偏差控制在1%范围内。

厚度及偏差：见表3-1-11和表3-1-12所示。

表3-1-11 聚乙烯土工膜（GH-1、GL-1、GL-2型）厚度及偏差

注：表中没有列出厚度规格及偏差按照内插法执行。

表3-1-12 环保用高密度聚乙烯土工膜（GH-2型）厚度及偏差

注：表中没有列出厚度规格及偏差按照内插法执行。

3.技术性能指标

普通高密度聚乙烯土工膜技术性能指标应符合表3-1-13要求。

表3-1-13 普通高密度聚乙烯土工膜（GH-1型）

续表

注：表中没有列出厚度规格的技术性能指标要求按照内插法执行。

环保用光面高密度聚乙烯土工膜技术性能指标应符合表3-1-14要求。

表3-1-14 环保用光面高密度聚乙烯土工膜（GH-2S型）

续表

注：表中没有列出厚度规格的技术性能指标要求按照内插法执行。

∗11、13两项指标的常压OIT（保留率）和高压OIT（保留率）可任选其一测试。

环保用糙面高密度聚乙烯土工膜技术性能指标应符合表3-1-15要求。

表3-1-15 环保用糙面高密度聚乙烯土工膜（GH-2T1、GH-2T2型）

注：表中没有列出厚度规格的技术性能指标要求按照内插法执行。

∗序号2项指标在10次测试中，8次的结果应大于0.18mm，最小值应大于0.13mm。

∗12、14两项指标的常压OIT（保留率）和高压OIT（保留率）可任选其一测试。

低密度聚乙烯土工膜技术性能指标应符合表3-1-16要求。

表3-1-16 低密度聚乙烯土工膜（GL-1型）

注：a.表中没有列出厚度规格的技术性能指标要求按照内插法执行。

b.6、7两项指标只适用于黑色土工膜

环保用线性低密度聚乙烯土工膜技术性能指标应符合表3-1-17要求。

表3-1-17 环保用线性低密度聚乙烯土工膜（GL-2型）

续表

注：a.表中没有列出厚度规格的技术性能指标要求按照内插法执行。

b.序号2项指标在10次测试中，8次的结果应大于0.18mm，最小值应大于0.13mm。

c.9、11两项指标的常压OIT（保留率）和高压OIT（保留率）可任选其一测试。

本节涉及《GB/T 17643—2011土工合成材料 聚乙烯土工膜》，其他国家标准《GM 13—2012高密度聚乙烯土工膜试验方法 性能和试验频率》《GM 17—2012线性低密度聚乙烯土工膜试验方法 性能和试验频率》、行业标准《CJ/T 234—2006垃圾填埋场用高密度聚乙烯土工膜》《CJ/T 276—2008垃圾填埋场用线性低密度聚乙烯土工膜》、企业标准等涉及本节制造技术及性能的，可以参考本节内容。