高性能聚氯乙烯管道的發(fā)展與需求

高長(zhǎng)全，勾 邁，王迎濤，周少鵬

（河北建投寶塑管業(yè)有限公司，河北 保定 071000）

1 概述

硬聚氯乙烯管材（以下簡(jiǎn)稱PVC管材）在世界范圍內(nèi)的發(fā)展至今已有70多年的歷史，中國從上世紀(jì)五十年代開始研發(fā)和生產(chǎn)，上世紀(jì)八十年代以來通過引進(jìn)和消化國外先進(jìn)設(shè)備和技術(shù)，促進(jìn)了中國PVC管道業(yè)的快速發(fā)展，目前已成為中國主要的塑料管道品種，其產(chǎn)量占中國塑料管道總產(chǎn)量的50%左右，年生產(chǎn)量預(yù)計(jì)達(dá)到650萬t。就中國現(xiàn)狀而言，PVC樹脂生產(chǎn)主要采用電石法，符合中國缺少石油資源的基本現(xiàn)狀。而且由于PVC價(jià)格適中，強(qiáng)度遠(yuǎn)高于聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）材料，具有很高的性價(jià)比。

與PE和PP需要焊接相比，由于PVC管道采用承插連接和粘合劑粘接方式，施工速度快，效率高，安裝成本低。所以在塑料管道發(fā)展初期，PVC管道在建筑給排水、室外給排水、護(hù)套管、農(nóng)業(yè)、化工等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

PVC優(yōu)點(diǎn)突出，缺點(diǎn)也同樣明顯，主要體現(xiàn)在：

（1）韌性差。特別是在低溫時(shí)，抗沖擊性明顯降低。

（2）產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊。企業(yè)自主設(shè)計(jì)配方，生產(chǎn)和加工難度較PE、PP大。有很多企業(yè)由于技術(shù)力量薄弱，裝備落后，其生產(chǎn)的管材達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)要求。更有些企業(yè)在生產(chǎn)時(shí)為了降低成本，大量填充碳酸鈣，使管材性能大幅降低，遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)要求。

（3）市場(chǎng)信心不足。施工現(xiàn)場(chǎng)對(duì)管材的拖拉、拋摔、不規(guī)范的回填施工導(dǎo)致本就韌性不足的PVC管道在工程中特別是給水工程中出現(xiàn)各種不確定性，使設(shè)計(jì)者和使用者對(duì)PVC管道在供水和配水工程中的使用失去信心，妨礙了PVC管道的推廣應(yīng)用。

盡管PVC管道存在韌性不足等缺點(diǎn)，但是國內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)證明，PVC管道只要按標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)、設(shè)計(jì)合理、規(guī)范施工，其仍不失為一個(gè)利國利民的好產(chǎn)品。而且韌性不足的缺點(diǎn)可以通過物理或化學(xué)改性得以克服。近年來國內(nèi)開發(fā)的PVC-M管材就是通過在配方中添加抗沖改性劑，通過工藝調(diào)整，使PVC管材的常溫抗沖擊性得以大幅度提高。但是PVC-M管材同樣存在著明顯不足：（1）低溫抗沖擊性改善不夠。（2）真假難辨，經(jīng)多年研究，真正能體現(xiàn)PVC-M管材特點(diǎn)的是20 m高速?zèng)_擊試驗(yàn)，只有通過了這項(xiàng)試驗(yàn)，又符合其他指標(biāo)要求時(shí)，才能認(rèn)為改性達(dá)到預(yù)期效果，才可以提高設(shè)計(jì)應(yīng)力，減薄壁厚，否則不能稱其為PVC-M管材。（3）PVC-M管材盡管韌性得到改善，但材料強(qiáng)度并未提高。因此國內(nèi)外學(xué)者、生產(chǎn)企業(yè)、研究機(jī)構(gòu)將更多的精力投入到開發(fā)在強(qiáng)度、韌性都得到提高或改善的新一代PVC管道產(chǎn)品—PVC-O管材。

2 拉伸自增強(qiáng)工藝技術(shù)

通過雙向拉伸或單向拉伸自增強(qiáng)工藝技術(shù)，將待成型材料在同一平面內(nèi)沿一個(gè)方向或兩個(gè)垂直方向拉伸，改變材料的微觀結(jié)構(gòu)，使分子鏈或鏈段沿拉伸方向有序排列，使各向同性材料變?yōu)楦飨虍愋圆牧稀Ｎ⒂^上分子沿拉伸方向取向，宏觀上改善或提高聚合物材料的光、聲、電、物理和機(jī)械性能。拉伸一般在材料的玻璃化溫度和熔融溫度之間的任意溫度下進(jìn)行，一般在維卡軟化點(diǎn)附近。溫度太低分子鏈處于凍結(jié)狀態(tài)難以流動(dòng)，拉伸力大容易拉斷分子鏈，造成材料破壞；拉伸溫度高材料流動(dòng)性好，拉伸力小，取向度難以保持，材料取向程度低，性能改善有限。因此拉伸溫度是取向成型的重要控制參數(shù)之一。由于拉伸技術(shù)可以有效地改善材料的性能，通過拉伸技術(shù)制得的產(chǎn)品與日常生活息息相關(guān)，如吹塑膜，香煙包裝膜（BOPP），PVC-O 管材，纖維及制品，中空制品，飲料瓶等。

2.1 高抗沖耐壓PVC-O管材

PVC屬于非結(jié)晶無定型聚合物，非常適合于取向加工。但是由于PVC管材壁厚較厚，而且PVC分子結(jié)構(gòu)中的氯原子的存在，加大了分子間作用力，加工時(shí)物料流動(dòng)性差，取向加工拉伸力大、難度高。

PVC-O取向管材的研制始于上世紀(jì)七十年代，據(jù)文獻(xiàn)記載，1974年英國約克郡塑料公司首先研制成功。PVC-O管材于上世紀(jì)八十年代初形成規(guī)模化生產(chǎn)，后來澳大利亞威尼德斯、尤波諾公司、法國阿爾法康公司、荷蘭瓦云公司、西班牙莫里克公司等著名管道制造商相繼開發(fā)生產(chǎn)出PVC-O管材。

PVC-O管材的生產(chǎn)工藝分為一步法和兩步法生產(chǎn)，一步法又稱在線（in-line）工藝。是在管材擠出生產(chǎn)線上，把已經(jīng)擠出成型的PVC-U管材 （厚料胚）連續(xù)地通過徑向的擴(kuò)張和軸向的拉伸實(shí)現(xiàn)雙軸取向，然后冷卻定型成為PVC-O管材。兩步法又稱離線（off-line）工藝或分批（In batch）工藝，其特點(diǎn)是將擠出厚料胚和雙向拉伸取向分兩步進(jìn)行。取向是將擠出成型并已經(jīng)冷卻的PVC-U管材段（厚料胚）放在模具內(nèi)，通過加熱和加壓膨脹到要求尺寸來實(shí)現(xiàn)的。

目前PVC-O管材材料的MRS等級(jí)最高達(dá)到500級(jí)。一步法和兩步法的生產(chǎn)工藝技術(shù)目前均有采用，二者優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比見表1。

表1 一步法和兩步法的生產(chǎn)工藝技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)比較

2014年各種塑料管道產(chǎn)量達(dá)到1 300萬t/a，PVC管道產(chǎn)量預(yù)計(jì)達(dá)到650萬t/a，但是在PVC壓力管道生產(chǎn)技術(shù)上與國外先進(jìn)國家相比仍有不小的差距，特別是取向PVC-O管材的生產(chǎn)。

中國的四川大學(xué)、北京化工大學(xué)等科研院校盡管進(jìn)行PVC-O管材研究多年，至今仍停留在兩步法試驗(yàn)研究階段，難以進(jìn)行商業(yè)化生產(chǎn)。國外公司技術(shù)雖然成熟，但是設(shè)備和技術(shù)轉(zhuǎn)讓費(fèi)太高，國內(nèi)企業(yè)難以承受，迫使我們必須進(jìn)行自主研發(fā)。

河北建投寶塑管業(yè)有限公司是一個(gè)具有幾十年P(guān)VC管道生產(chǎn)與研發(fā)經(jīng)驗(yàn)的創(chuàng)新型公司，該公司繼2006年在國內(nèi)率先開發(fā)出PVC-M管材后，于2014年又在國內(nèi)率先系統(tǒng)推出PVC-M管材的升級(jí)換代產(chǎn)品——PVC-O管材。這是該公司技術(shù)團(tuán)隊(duì)集幾十年的PVC管道生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)和對(duì)PVC-O生產(chǎn)技術(shù)十幾年的潛心研究所取得的豐碩成果。采取一步法生產(chǎn)技術(shù)，通過模拉法可生產(chǎn)PVC-O 400級(jí)的取向管材，產(chǎn)品各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到或超過國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 16422的相關(guān)要求，其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)賦予了產(chǎn)品特殊的性能。

2.2 PVC-O規(guī)格與性能

（1）規(guī)格尺寸見表 2。

表2 規(guī)格尺寸表

（2）原料及產(chǎn)品的物理性能見表3。

表3 物理、力學(xué)性能

PVC-O管材與管配件的系統(tǒng)適用性見表4。

表4 系統(tǒng)適用性

2.3 產(chǎn)品特性

PVC-O管材除具有傳統(tǒng)PVC、PE管材質(zhì)量輕、安裝方便、不結(jié)垢、內(nèi)壁光滑、水力性能好、耐各種酸堿鹽的腐蝕、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)外，由于其特殊的成型工藝，賦予產(chǎn)品獨(dú)特的片狀分層結(jié)構(gòu)和特殊的長(zhǎng)期使用性能。

（1）優(yōu)越的抗沖擊性

PVC-O管材分子雙軸取向而形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，為管材帶來無與倫比的抗沖擊性能，這意味著在管線安裝、試水乃至運(yùn)行過程中，由于外物沖擊碰撞而形成的破壞降至最低。

（2）更高的輸水能力

PVC-O管材的材料強(qiáng)度與PVC-U和PE管材相比更高，使用相同壓力下的同口徑管材的壁厚更薄，輸水能力提高20%～30%，見表5。

表5 常用塑料管道比較

PVC-O管材采用內(nèi)定徑成型工藝，使產(chǎn)品的內(nèi)壁更加光滑，粗糙率更低，水力性能更加優(yōu)異，輸水量更大。

（3）更高的剛度

特殊的取向成型工藝，賦予PVC-O管材更高的剛度（彈性模量），根據(jù)彈性模量與環(huán)剛度，環(huán)剛度與負(fù)壓性能的關(guān)系，見式1、式2，當(dāng)環(huán)剛度≥4 kPa時(shí)，管材能夠抵抗極端條件下出現(xiàn)的壓屈失穩(wěn)現(xiàn)象。

式中：Scalc計(jì)算的初始環(huán)剛度，kN/m2；

E彈性模量：管材材料等級(jí)為355及以上，E＝4.0×106kN/m2；

式中：Pcr無支撐下出現(xiàn)壓屈失穩(wěn)的臨界壓力，kPa；ν泊松比（0.45）。

（4）更長(zhǎng)的使用壽命

特殊的取向結(jié)構(gòu)（片狀分層結(jié)構(gòu)）避免了傳統(tǒng)PVC、PE管材快速開裂和慢速裂紋增長(zhǎng)的風(fēng)險(xiǎn)，使管材長(zhǎng)期運(yùn)行更安全，更可靠，免維護(hù)或少維護(hù)，使用壽命更長(zhǎng)，長(zhǎng)期壽命可達(dá)100年。裂紋終止示意圖及管材的片狀分層分別見圖1、圖2。

（5）更高的抗水錘沖擊能力

水錘沖擊壓力計(jì)算公式如下：

式中：P—水錘壓力，MPa；S—水錘波速，m/s；V—水流速度，m/s；g—重力加速度，m/s2。

圖1 裂紋終止示意圖

圖2 管材的片狀分層

圖3 抗水錘性能比較

由式（3）可知，水錘波速S越大，則水錘壓力越高，而水錘波速S與管材的彈性模量有關(guān)，與管徑和管壁厚度有關(guān)。管材彈性模量小，管徑大，壁厚薄，均可使水錘波速減小，也就使水錘壓力減小，抗水錘性能比較見圖3。

（6）優(yōu)異的耐低溫性能

特殊的取向結(jié)構(gòu)，使PVC-O管材具有優(yōu)異的耐低溫性能。在-20℃的抗沖性能仍優(yōu)于PVC-U管材常溫下抗沖性能，耐溫性能比較見圖4。

該公司按照ISO 16422中對(duì)管材的0℃落錘沖擊性能的要求，進(jìn)行加嚴(yán)試驗(yàn)，取試驗(yàn)溫度為-25℃進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)管段無任何變形或破裂，而PVC-U管材在0℃下按ISO 16422的標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行落錘沖擊性能試驗(yàn)，管材全部破裂。0℃下PVC-U管材和PVC-O管材的試驗(yàn)技術(shù)要求見表6。

（7）環(huán)保性最佳

就輸送飲用水的管道材料而言，PVC-O管材是最節(jié)能的一個(gè)，每3 m管段耗能828 kWh，CO2排放最少，排放CO2363 kg。

傳統(tǒng)PVC管材每3 m管段耗能1 041 kW·h，排放CO2452 kg。

HDPE管材，能量消耗1 055 kW·h，CO2排放454 kg；即較傳統(tǒng)PVC高1.3%和0.4%。

未添加再生料的球鐵管能量消耗和二氧化碳排放很多，每3 m管段耗能1 620 kW·h，有681 kg二氧化碳排放到空氣中。

圖4 耐低溫性能比較

表6 錘頭質(zhì)量和沖擊高度

2.4 施工規(guī)程

PVC-O管材的施工參考中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50268-2008《給水排水管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》和中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)《埋地雙軸取向硬聚氯乙烯（PVC-O）管道工程技術(shù)規(guī)程》。需要重點(diǎn)注意以下幾點(diǎn)。

（1）產(chǎn)品存放環(huán)境溫度不超過60℃。

（2）長(zhǎng)期使用溫度不超過50℃。

（3）管材與管材/管件連接宜采用柔性接口連接，與其它材質(zhì)的管材宜采用法蘭連接。

（4）當(dāng)輸水溫度≥25℃時(shí)，應(yīng)對(duì)最大允許工作壓力進(jìn)行折減。當(dāng)輸水溫度不同時(shí)，應(yīng)按表7給出的不同溫度對(duì)應(yīng)的折減系數(shù)（ft）修正工作壓力。

用折減系數(shù)乘以公稱壓力得到最大允許工作壓力。

表7 不同溫度的折減系數(shù)

（5）同樣的輸水量下，可以選擇更小的管材口徑。

（6）管配件可以選擇PVC-U注塑管件、球磨鑄鐵管件和鋼塑管件等柔性接口連接件。

2.5 檢測(cè)報(bào)告

（1）衛(wèi)生性能。PVC-O管材的衛(wèi)生安全性能符合《生活飲用水輸配水設(shè)備及防護(hù)材料衛(wèi)生安全評(píng)價(jià)規(guī)范》的要求。

（2）物理力學(xué)性能。PVC-O管材的物理力學(xué)性能符合國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 16422：2014《帶壓給水用雙軸取向硬聚氯乙烯（PVC-O）管材及連接件》的要求。

（3）材料的MRS定級(jí)測(cè)試。材料定級(jí)示意圖見圖5。

圖5 材料定級(jí)

3 新型PVC（PVC-O）管材對(duì)PVC樹脂的需求

3.1 傳統(tǒng)PVC管材對(duì)PVC樹脂的要求

PVC樹脂的重要應(yīng)用領(lǐng)域之一是生產(chǎn)PVC管材（件），用量不低于樹脂總消耗量的三分之一，這些產(chǎn)品包括輸水、供配水管；建筑排水、排污；室外排水、排污；化工領(lǐng)域流體輸送管；護(hù)套管；農(nóng)業(yè)灌溉用管等。

在這些應(yīng)用領(lǐng)域尤以壓力管材對(duì)樹脂性能提出了更高的要求，依據(jù)國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定：

（1）生產(chǎn)PVC壓力輸水管材的原料應(yīng)是PVC-U的混配料，混配料應(yīng)該主要由PVC樹脂構(gòu)成，只加入為生產(chǎn)符合標(biāo)準(zhǔn)要求的管材所必需的添加劑，所有添加劑應(yīng)分散均勻。

（2）按照 GB/T 3401（ISO1628-2）進(jìn)行測(cè)試，選用的PVC樹脂的K值不小于64。

（3）按照 GB/T 8802（ISO2507）進(jìn)行測(cè)試時(shí)混配料的維卡軟化溫度應(yīng)不低于80℃。

（4）混配料應(yīng)按照 GB/T18252（ISO9080）進(jìn)行定級(jí)，評(píng)定為PVC-250。

（5）如果輸送或可能接觸生活飲用水時(shí)，材料的衛(wèi)生性能應(yīng)符合GB/T17219和《生活飲用水輸配水設(shè)備及防護(hù)材料衛(wèi)生安全評(píng)價(jià)規(guī)范》的要求。

3.2 新型PVC（PVC-O）管材對(duì)PVC樹脂的需求

PVC管道應(yīng)用，考驗(yàn)的是管道的綜合性能，要求耐內(nèi)壓強(qiáng)度、耐外壓強(qiáng)度（耐負(fù)壓性能）、耐沖擊強(qiáng)度等性能共同保持在較高水平，管道才具有較長(zhǎng)的使用壽命。

PVC-U混配料應(yīng)適應(yīng)PVC管道更新?lián)Q代的發(fā)展要求，在提升管道綜合性能，延長(zhǎng)管道使用壽命方面進(jìn)行創(chuàng)新。

同時(shí)還應(yīng)滿足管道加工工藝的要求，和擠出機(jī)械的適用性強(qiáng)，耗能低、擠出量高，加工成型工藝簡(jiǎn)單，對(duì)擠出工藝工程師的依賴降低，使管道性能穩(wěn)定。

作為PVC管道加工企業(yè)，希望PVC樹脂生產(chǎn)企業(yè)有針對(duì)性地開發(fā)壓力管道專用料并制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

（1）建議專用料應(yīng)基于PVC-O管材生產(chǎn)對(duì)樹脂的較高要求進(jìn)行開發(fā)，這樣既可以滿足PVC-O管材的生產(chǎn)也可以滿足傳統(tǒng)PVC-U管材和PVC-M管材的生產(chǎn)，當(dāng)然也可以針對(duì)PVC-M管材對(duì)抗沖擊性的特殊要求開發(fā)專用料。

（2）專用料宜按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行定級(jí)，評(píng)定為PVC-250.

（3）雖然樹脂中殘留氯乙烯單體5×10-6能滿足生產(chǎn)飲用水管的要求，但基于生產(chǎn)環(huán)境環(huán)保的要求，建議專用料的單體殘留在1×10-6以下。

（4）雜質(zhì)和魚眼可能是引發(fā)PVC-O生產(chǎn)過程中擴(kuò)張開裂和PVC管使用過程中慢速裂紋增長(zhǎng)的誘因之一，建議作出更嚴(yán)格的規(guī)定，至少符合優(yōu)等品的要求。

（5）綜合國外標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，專用料的K值不宜小于66。

（6）由于在線PVC-O管材生產(chǎn)至少要進(jìn)行三次加熱-冷卻過程，除配方的必要調(diào)整外，樹脂的熱穩(wěn)定性至關(guān)重要，建議開發(fā)穩(wěn)定性能更好的PVC樹脂，以減少穩(wěn)定劑用量利于加工和管道的衛(wèi)生指標(biāo)符合要求。

（7）專用料應(yīng)有較高的增塑劑吸收量（或多孔性），以利于加工過程的凝膠化，同時(shí)為保證生產(chǎn)效率，專用料的表觀密度又不宜過度降低。

（8）專用料樣條的拉伸強(qiáng)度不低于48 MPa。

綜上所述：專用料的開發(fā)宜以SG-5優(yōu)等品的技術(shù)指標(biāo)為基礎(chǔ)，針對(duì)PVC-O管材加工特點(diǎn)，對(duì)影響加工和制品長(zhǎng)期使用性能的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行必要的調(diào)整，并最終按GB/T 18252（ISO9080）進(jìn)行材料定級(jí)試驗(yàn)，確定材料等級(jí)為PVC-250。

4 結(jié)語

提高PVC管材的綜合性能，使之在工程應(yīng)用中更安全可靠、壽命更長(zhǎng)，需要生產(chǎn)工藝的創(chuàng)新（實(shí)施主體在PVC管道加工企業(yè)），更加需要PVC樹脂的性能提高和標(biāo)準(zhǔn)化（實(shí)施主體在聚氯乙烯樹脂生產(chǎn)企業(yè)）。

中國對(duì)PVC樹脂的需求是巨大的，通過開發(fā)高性能樹脂，不僅可以使樹脂企業(yè)和加工企業(yè)獲利，還將增強(qiáng)這些企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。同時(shí)，必將促進(jìn)PVC行業(yè)的發(fā)展。