PVC-O管材的技術現狀和發(fā)展趨勢

馬建華，鄭化安，王小憲，雷瑞，胡國和，李應平，王佼

(陜西煤業(yè)化工技術研究院有限責任公司，陜西 西安 710075)

采用普通擠出方法制備的PVC-U管材，其分子沿軸向取向，軸向強度大于周向強度，這種強度分配對于輸送壓力流體的管材非常不合理。普通軸向增強PVC-U管材受內壓時應力最大的周向正好是強度最弱的方向，管材軸向的高強度、高模量并不能使管的耐壓強度提高，造成了材料性能的極大浪費[1]。為了增強PVC-U管材的周向強度，通常會采用增加管材壁厚、改變管材結構(例如雙壁波紋管或者加筋管)、制備復合管材等方法，然而這些方法的實施會在節(jié)材降耗、設備復雜性、管材質量穩(wěn)定性等方面出現不同的問題。長期以來，國內外在提高PVC管材周向強度方面開展了諸多研究工作，直到雙軸取向PVC管材(PVC-O)的開發(fā)成功，以上問題才得到了較好地解決。PVC-O管材是通過將擠出成型的PVC-U管材進行環(huán)向以及軸向拉伸制備的，雙軸取向提高了管材的強度和韌性，特別是通過雙軸取向后，材料獲得了有序的微觀結構，這種結構能夠阻礙裂紋在材料中的通過，延長管材的使用年限，并由于管壁的減薄節(jié)約了原材料。PVC-O管最早是英國Uponor公司在20世紀70年代開發(fā)的，后來澳大利亞、美國、荷蘭和法國的相關公司也相繼開發(fā)成功[2]。而我國PVC-O管材生產在一定程度上受到專用生產設備及成型工藝的制約，制備成本居高不下，故十分有必要對PVO-O管材加工成套設備進行系統研發(fā)。另外，由于我國PVC管材制造企業(yè)為了降低成本，在PVC-U管材配方中添加較多的無機填料，而增韌劑等材料用量不足，造成PVC-U管材延展性不佳，在對其進行軸向拉伸以及環(huán)向擴脹時容易發(fā)生破裂。因此，對PVC-O管材生產技術的開發(fā)不僅需要關注其專用設備及加工工藝，與之匹配的專用配方開發(fā)也具有重要的實際意義。筆者從PVC-O管材的技術現狀、市場應用情況和未來發(fā)展趨勢等方面進行了綜述，以期為PVC-O管材的生產開發(fā)提供參考。

1 PVC-O管材技術現狀

1.1 雙軸取向技術

雙軸取向自增強管是在生產過程中將管材沿軸向和環(huán)向都拉伸取向，即在軸向拉伸的同時，環(huán)向也進行擴脹，從而使管材軸向和環(huán)向的力學性能均得到自增強。從結構相的角度分析，這種工藝方法的目的是獲得“均質復合材料”；從應用的角度分析，這種方法的優(yōu)勢在于經濟性好和加工方便。PVC-O管材生產通常分為兩個階段：①按照普通PVC管材的配方及工藝條件，使用雙(單)螺桿擠出機生產管坯；②將由機頭擠出的熱管坯冷卻到特定溫度，再用擴脹器擴徑，同時在高的牽引速比下牽引，然后在冷水中定型。通過以上步驟，PVC-O管材獲得了相較PVC管坯增大2倍的直徑和減少一半的壁厚，同時管坯在擴脹過程中實現了環(huán)向的PVC分子取向。

雙軸拉伸的技術關鍵在于管材的環(huán)向自增強。研究表明，在拉伸過程中實現環(huán)向擴脹的較為有效方法包括：模頭拉伸法、壓力擴張拉伸法、旋轉芯棒拉伸法等[3-4]。

模頭拉伸法是將加熱至一定溫度(低于熔點或維卡軟化溫度)的坯料在牽引力的作用下，以一定的速度通過一個錐形芯?；蚰ｎ^，從而形成一定截面尺寸且在拉伸方向具有較高模量的高強度管材。模頭拉伸法是世界上普遍應用的管材雙向拉伸增強方法，但是實施起來比較困難，特別是擴孔拉伸更是如此。從拉伸結果看，無論怎樣變更芯模直徑，增大芯模擴脹角，拉伸管的軸向性能總是高于環(huán)向性能，這正是模頭拉伸法的不足之處。

壓力擴張拉伸法是利用壓力液體或氣體對管坯進行環(huán)向拉伸。利用壓力氣體或液體擴張管材時，可以避免管材在軸向和環(huán)向的收縮，從而保證管材尺寸滿足要求。但是這種方法容易使管材產生局部膨脹而導致壁厚不均，故該法更適合于薄壁管的生產。

旋轉芯棒拉伸法是通過擠出機機頭的旋轉裝置，使聚合物在熔融狀態(tài)產生取向。依靠成型管材內表面的芯棒旋轉形成的環(huán)向剪切力場，使管材沿環(huán)向取向，從而實現管材環(huán)向的自增強。

目前所有提高管材周向強度的技術中，只有剪切控制技術和旋轉成型技術的軸向強度超過了周向強度。

1.2 制造工藝技術

PVC-O管材的制造技術通常分為兩大類：兩步加工法和一步加工法[5]。兩步加工法又稱離線工藝，其特點是將擠出厚料坯和雙向拉伸取向分兩步進行。取向過程是將擠出成型并冷卻的PVC-U管材段放在模具內，通過加熱和加壓膨脹到要求尺寸來實現的。一步加工法又稱在線工藝，其特點是在管材擠出生產線上，把已經擠出成型的PVC-U管材連續(xù)地通過徑向的擴張和軸向的拉伸實現雙軸取向，然后冷卻定型成為PVC-O管材。離線工藝開發(fā)較早，設備和工藝比較簡單，可以達到較大的取向效果，產品性能優(yōu)良，可生產的產品范圍較寬。但是傳統的離線工藝生產效率較低，耗費勞力和能源較多，因此PVC-O管材雖然已經存在了近30年，但是直到在線取向制備工藝出現以后，PVC-O管材才在性能及成本優(yōu)勢方面與PVC-M管材相媲美。這主要是由于在線加工工藝實現了生產效率的大幅提升，降低了生產成本的同時顯著增加了管材的強度和韌性，從而在提高管材設計壓力的同時減少材料用量，這在耐高壓管材領域十分重要。

在線工藝的典型路線如下：生產線的前部是通常的擠出線，連續(xù)擠出用作料坯的厚管，在料坯管中的固定位置有2個塞體——在前面的“分隔塞”和后面的“可膨脹塞”。在控制溫度的狀態(tài)下，通過內操作管向2個塞體之間輸入高壓水，實現料坯管徑向的膨脹，同時通過生產線前后牽引速度差實現料坯管的軸向拉伸。在這個過程中，可膨脹塞要相應地膨脹，保持對兩塞之間高壓水的密封(塞面和管材內壁之間始終在滑動)。最后經過徑向的擴張和軸向的拉伸，實現了雙軸取向管材的冷卻定型。

1.3 配方技術

PVC屬于無定形塑料且沒有明確的熔點，故PVC管材與其他結晶型的聚烯烴管材相比，更適合于進行雙軸拉伸取向。在加工中對管材進行徑向擴脹，使分子沿環(huán)向取向，不僅提高了強度，而且韌度也有了實質性的改善。而為了適應這種雙軸拉伸工藝，在雙軸拉伸自增強PVC管材的配方設計中，材料除應符合強度與加工性能要求以外，還應具有足夠的延展性，即PVC-O專用料要求具有比較大的斷裂伸長率。

劉濤等[6]采用正交分析法對PVC-O管材專用配方進行了研究，結果表明：對于斷裂伸長率來說，影響因素的大小順序為無機填料>復合潤滑劑>ACR加工助劑；對于沖擊強度來說，影響因素的大小順序為復合潤滑劑>ACR加工助劑>無機填料?？梢?，無機填料對于斷裂伸長率影響最大，其加入量、粒徑、分散均勻度會直接影響PVC-O管材的拉伸擴張倍率。復合潤滑劑對沖擊強度影響最大，且對斷裂伸長率影響也較大。復合潤滑劑的加入量偏大時會阻礙PVC粒子間的融合，導致塑化困難，進而影響材料各方面性能。ACR加工助劑對于沖擊強度影響較大，對于斷裂伸長率影響較小。ACR加工助劑促進了PVC初級粒子的破裂，縮短了塑化時間；另一方面，由于ACR加工助劑與PVC基體間存在很好的相容性，使兩者之間的分子鏈發(fā)生纏結，進而提高了PVC的沖擊強度。

2 PVC-O管材市場應用情況

通過雙軸拉伸取向，既增加了管材的軸向強度，又增加了管材的環(huán)向強度，環(huán)向強度的提高直接增強了管材承受水壓的能力。因為分子取向加工產生薄片分層結構，在管材因缺陷或點負載產生裂紋時，分層結構會阻礙裂紋在材料中通過，裂紋在各層通過時由于應力集中的減少而被有效抑制，同時分子的取向大大增加了材料的短期強度和長期強度。由于突出的強度和韌度，型號為MRS45和MRS50的PVC-O材料的50年安全系數可以分別采用1.6和1.414 3，所以PVC-O管材的設計應力可分別高達28 MPa和32 MPa，結果比PVC-U管材和PVC-M管材節(jié)約大量材料[7]。在國外，PVC-O管材主要應用在給水管道、礦山管道、非開挖鋪設和修復管道、燃氣管網等市場。一些國家的飲水管網中，PVC-O管材的應用在逐步擴大，成為PVC-U管材的替代品。據Wavin集團的調查報告，荷蘭、法國、西班牙、北美、南美、澳大利亞等國家和地區(qū)都在大量使用PVC-O管道。荷蘭的飲用水管網已經100%使用PVC-O管道，法國在近一兩年也將全部使用PVC-O管道。礦山環(huán)境特別惡劣，安全要求特別嚴格，在有腐蝕性的地下環(huán)境中，強度大、韌性高、耐沖擊、不腐蝕的PVC-O管道非常有競爭優(yōu)勢。采用非開挖技術鋪設新管道和修復舊管道是一個有巨大需求的市場，Duraliner TM修復方法證明這個管道修復方法可以顯著地節(jié)約費用。PVC-O管道在荷蘭等國燃氣管網中，提供了良好的強度、剛度和韌性，材料和鋪設費用比競爭材料低得多。與PVC-U管材和PVC-M管材相比，PVC-O管材的開發(fā)實現了既節(jié)省材料又提高性能的目的，具有高性價比優(yōu)勢，市場需求廣闊。

3 PVC-O管材發(fā)展趨勢

提高管材的環(huán)向強度可以明顯提高管材整體的耐壓能力，經過雙軸取向拉伸處理，不僅可使管材軸向、環(huán)向強度提高，承受更高的內壓，而且可以使管壁變薄、管徑變大，實現既節(jié)省材料，又提高性能的目的。但是目前現有的生產雙軸取向管材的擴脹方法，如口模拉伸和錐形管等機械擴脹法，往往存在取向度不高、環(huán)向增強不顯著的缺點；而氣壓擴脹法易出現壓力不足，擴脹不均勻等不足；液壓擴脹法裝置比較復雜，需要解決密封的問題；熔體流動取向法的取向程度不易控制，取向結構難以固定。因此，尋找一種能夠連續(xù)生產雙向自增強管材，且擴脹均勻、結構簡單、管材環(huán)向取向明顯的方法勢在必行。

與國外相比，國內科研單位對PVC-O管材加工制備技術的研究較晚，有代表性的是北京化工大學和四川大學，它們對于PVC-O管材一步法制備技術進行了持續(xù)性的探索，開展了大量試驗研究，并已經取得了初步成果[1,3,4]。通常而言，最能顯示PVC-O管材競爭優(yōu)勢的是要求耐壓性特別高、沖擊性特別強的應用領域，如環(huán)境惡劣的礦山和工業(yè)場所。換句話說，PVC-O管材的目標市場應該設定在PVC-U管材、PVC-M管材，以及HDPE管材難以勝任的地方。因此，針對PVC-O管材的加工技術與配方研發(fā)結合制備高性能特種PVC-O管材具有十分廣闊的前景。

4 結語

PVC-O管材作為一種新型管材，具有性能好、成本低、管材質量輕、搬運和鋪設容易等優(yōu)點，超強的性能使其可以應用到較高的壓力和更惡劣的環(huán)境中。降低產品成本的同時提高其性能是人們一直在追求但并不容易實現的課題，雙軸取向PVC-O管材的開發(fā)不僅為這一課題提供了范例，更為一個新產品的未來發(fā)展奠定了基礎。