建筑給排水用低塑性聚氯乙烯管材的優(yōu)化制備與工藝研究

劉丹莉

（長(zhǎng)安大學(xué)，西安 710061）

0 引言

建筑材料研究與制備技術(shù)不斷成熟完善，建筑給排水項(xiàng)目所用材料也在得到進(jìn)一步強(qiáng)化。UPVC 材料耐腐蝕性強(qiáng)，不會(huì)出現(xiàn)生銹結(jié)垢現(xiàn)象，且UPVC管材內(nèi)壁非常光滑，流動(dòng)阻力很小。因此，從經(jīng)濟(jì)、安全、技術(shù)等角度出發(fā)，建筑給排水領(lǐng)域開始逐漸擴(kuò)大UPVC 管材的應(yīng)用范圍。但是，UPVC 材料本身不具備較強(qiáng)的熱穩(wěn)定性與韌性，只有通過改性造粒，才能應(yīng)用于實(shí)際項(xiàng)目中。所以，實(shí)現(xiàn)UPVC管材應(yīng)用性能最優(yōu)化，應(yīng)結(jié)合實(shí)際建設(shè)項(xiàng)目，根據(jù)項(xiàng)目環(huán)境特征，對(duì)UPVC 管材制備進(jìn)行不同助劑的添加，豐富UPVC管材應(yīng)用途徑。

1 UPVC塑料管材種類及特點(diǎn)分析

UPVC 管材類型豐富，能夠滿足多種功能需求。目前，市場(chǎng)中的主要UPVC 管材類型為普通UPVC 塑料管材、消音螺旋型管材以及芯層發(fā)泡型管材。其中，消音螺旋型管材與芯層發(fā)泡型管材都屬于基礎(chǔ)管材的升級(jí)品種。隨著建筑給排水領(lǐng)域建設(shè)要求不斷提高，UPVC 管材制備也在同步創(chuàng)新。消音螺旋型管材專門用于排水立管，通過螺旋結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)管道內(nèi)部通氣效果，使管道內(nèi)排水水流速度有所提高，削弱整體排水系統(tǒng)產(chǎn)生的噪音，實(shí)現(xiàn)排水立管系統(tǒng)性能的全面提高；芯層發(fā)泡型管材同樣具備良好的降噪性能，在芯層的作用下，能夠降低管內(nèi)5dB左右的噪音，因?yàn)榘l(fā)泡型管材中有許多微小氣孔，所以具有一定的保溫功能[1]。

2 UPVC管材應(yīng)用問題及安裝設(shè)計(jì)研究

2.1 噪音控制

目前UPVC 管材被廣泛應(yīng)用于建筑給排水領(lǐng)域中，考慮到建筑給排水系統(tǒng)本身就存在較大的噪音問題，所以在設(shè)計(jì)與制備UPVC管材的過程中，應(yīng)重點(diǎn)優(yōu)化管材排水噪音問題。根據(jù)環(huán)保部門調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，沖水產(chǎn)生的噪音一般在55dB 左右，此響度噪音已經(jīng)對(duì)日常生活產(chǎn)生一定影響。因此，排水管道規(guī)劃與建設(shè)時(shí)，就應(yīng)與客廳臥室保持相對(duì)距離，且不與墻面直接接觸；布施地下排水管道時(shí)，需要設(shè)置剛性預(yù)埋套管，以實(shí)現(xiàn)消音降噪的目的；處理管道節(jié)點(diǎn)問題，就需要提前安設(shè)好支墩、墊子等設(shè)備。結(jié)合上述內(nèi)容可以得出，UPVC 管材展開性能優(yōu)化與消音降噪，必須重點(diǎn)考量管線的設(shè)置、管型的選擇以及結(jié)點(diǎn)的處理[2]。

2.2 防火控制

UPVC 管材本身不具備良好的耐火、耐高溫性能，當(dāng)周圍溫度趨向于90℃時(shí)，UPVC 管材就會(huì)產(chǎn)生變形。因此，應(yīng)對(duì)用于建筑給排水項(xiàng)目中的UPVC管材進(jìn)行防火保護(hù)。首先，在前期規(guī)劃時(shí)，避免UPVC管道與煙道、防火墻等消防區(qū)域相交叉，應(yīng)將其放置于安全的墻體角落；其次，當(dāng)UPVC管道需要串通樓層時(shí)，同樣要通過安置阻火圈、防火套等設(shè)置來進(jìn)行防火保護(hù)；最后，在整體環(huán)境都偏向高溫或火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)幾率較大的地方，應(yīng)盡量控制UPVC管道的使用數(shù)量或重點(diǎn)強(qiáng)化排水管道安全使用[3]。

2.3 管材特質(zhì)選擇

普通型UPVC管材實(shí)際承壓能力約為0.5MPa，較小的承壓能力存在一定的安全隱患。因此，在建筑給排水設(shè)計(jì)過程中，針對(duì)管材開裂問題進(jìn)行事前預(yù)防。出現(xiàn)管材開裂的主要原因在于管材在冷熱交替環(huán)境下產(chǎn)生的膨脹系數(shù)偏大，并形成伸縮變形。因此，為保證管材具備相應(yīng)的伸縮量，需在特定位置加設(shè)伸縮節(jié)。首先，如樓層高度不超過4m，則每一層都需安設(shè)伸縮節(jié)；其次，每2m 排水管線就需設(shè)置專門的伸縮節(jié)，確保伸縮節(jié)均勻分布；最后，應(yīng)重點(diǎn)考量伸縮節(jié)位置。根據(jù)排水立管穿過樓層的位置與水流交匯位置進(jìn)行科學(xué)規(guī)劃。結(jié)合上述內(nèi)容可得：UPVC 管材應(yīng)用性能存在缺陷與不足時(shí)，有必要科學(xué)規(guī)劃伸縮節(jié)數(shù)量與位置，來支撐建筑排水管道的安全使用[3]。

2.4 機(jī)械強(qiáng)度及質(zhì)量控制

在沒有增強(qiáng)劑的共同制備時(shí)，UPVC 管材的機(jī)械強(qiáng)度較弱，僅為鋼材的一半，且質(zhì)脆，容易破損。因此，在建筑給排水的應(yīng)用過程中，可以通過安裝固定支架來分擔(dān)PUVC管材的重量，以此保證配水管道的機(jī)械安全性。此外，當(dāng)前建筑材料市場(chǎng)中，管材質(zhì)量尚未得到有力管束，出現(xiàn)管材質(zhì)量參差不齊的問題。建筑排水系統(tǒng)的基礎(chǔ)是管道材料。因此，選擇管材必須謹(jǐn)慎，確保管材壁厚合格、尺寸標(biāo)準(zhǔn)、填充良好。

3 UPVC材料優(yōu)化制備研究

3.1 試驗(yàn)部分

3.1.1 原料及設(shè)備

UPVC 材料，遼寧錦化化工；活性鈣材料，河北龍和建材有限公司；PVC酸酯類膠乳材料，景縣華中橡塑化工有限公司；PVC復(fù)合穩(wěn)定劑，江西宏遠(yuǎn)化工有限公司；氯化聚乙烯，135A，威海金泓化工有限公司；PVC加工助劑，南京聯(lián)硅化工有效公司；高速混合器，上海德越粉體機(jī)械有限公司；SK-160 型雙輥筒煉膠機(jī)，東莞市九通機(jī)械有限公司；XLB-D350×350×1型平板硫化機(jī)，青島亞華機(jī)械；組合式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)，承德大華試驗(yàn)機(jī)有限公司；臺(tái)式電子拉力實(shí)驗(yàn)機(jī)，東莞威邦儀器設(shè)備有限公司；哈爾濱哈普電氣技術(shù)有限責(zé)任公司。

3.1.2 試樣制備

將丙烯酸酯類膠乳與活性鈣通過稀釋后，保持在超低玻璃化溫度，制備出復(fù)層核殼結(jié)構(gòu)體。提前準(zhǔn)備好10~25 份助劑，分別與UPVC 材料通過高混機(jī)進(jìn)行混合，于112~125℃條件下，運(yùn)行8~12min，以此得到干混料。之后將干混料溫度控制在175℃以下，并在開煉機(jī)中進(jìn)行6~8min 的塑練。最終在18℃以上的環(huán)境內(nèi)，壓成樣片[4-5]。

3.2 結(jié)果與討論

3.2.1 MCRA性能

MCRA與活性鈣的性能技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 MCRA增強(qiáng)劑的技術(shù)指標(biāo)Tab.1 Technical indexes of MCRA enhancer

3.2.2 試樣性能

在初始化配方中分別添加22 份活性鈣與22 份MCRA增強(qiáng)劑，干混料的表觀性能如表2所示。

表2 干混料表觀性能Tab.2 Apparent properties of dry mixture

干混料通過混練、壓板工序，得出1 號(hào)和2 號(hào)樣品，2個(gè)樣品的物理性能如表3所示。

表3 不同試驗(yàn)樣品力學(xué)性能檢測(cè)Tab.3 Mechanical properties of different test samples

根據(jù)力學(xué)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)中拉伸斷面切口的形態(tài)可以判斷出活性鈣顆粒是游離在UPVC基體上的，兩種材料沒有產(chǎn)生融合，連接界面難以承擔(dān)并傳授應(yīng)力；但是，MCRA 這種增強(qiáng)劑與UPVC 材料產(chǎn)生了較好的相容效果，在連接界面沒有觀測(cè)到空洞及缺陷，且MCRA 增強(qiáng)劑與UPVC 的復(fù)合材料的斷口處表現(xiàn)為撕裂狀，這表明此材料在拉伸斷裂時(shí)，產(chǎn)生的應(yīng)變阻力非常大，斷口的撕裂狀說明斷裂性質(zhì)為韌性斷裂，宏觀上顯示UPVC 材料在MCRA 增強(qiáng)劑的作用下，有效提升自身的力學(xué)性能；而活性鈣與UPVC的復(fù)合材料的斷裂性質(zhì)為脆性斷裂，則表明適量添加MCRA增強(qiáng)劑能夠?qū)PVC管材起到增韌補(bǔ)強(qiáng)的效果[6]。

在-10℃低溫環(huán)境中，MCRA/UPVC斷口處的撕裂嶺數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過活性鈣UPVC復(fù)合材料，前者海島狀組織更加突顯、密集，相界面變多，且MCRA/UPVC斷口整體都被撕裂，使其斷口表面不平整，這表明撕裂過程中，其應(yīng)變阻力較大，而活性鈣UPVC復(fù)合材料的斷口表面則相對(duì)平整。

在23℃溫環(huán)境中，MCRA/UPVC 復(fù)合材料撕裂時(shí)，整體均出現(xiàn)規(guī)律的塑性變形，斷口處呈羽毛狀，；但是，活性鈣UPVC 復(fù)合材料斷口處存在應(yīng)力集中的現(xiàn)象，基體應(yīng)變較不均勻，變形量不一致，且顯微組織不平整。尤其是MCRA/UPVC 斷口處，出現(xiàn)局部拉絲與網(wǎng)化現(xiàn)象，這樣的斷裂形態(tài)表明MCRA/UPVC復(fù)合材料基體界面具有較強(qiáng)的結(jié)合強(qiáng)度[7]。

3.3 MCRA應(yīng)用效果

某廠家在初始配方中原有40 份活性鈣中額外添加8 份MCRA 增強(qiáng)劑，根據(jù)表4 數(shù)據(jù)可知，添加MCRA增強(qiáng)劑后的復(fù)合材料所具備拉伸強(qiáng)度與伸長(zhǎng)率與初始配方?jīng)]有較大差異，在正常室溫與低溫環(huán)境下，均有所提升。同時(shí)，添加MCRA增強(qiáng)劑的復(fù)合材料白度比初始配方更好。

表4 引入MCRA增強(qiáng)劑的UPVC材料物理性能Tab.4 Physical properties of UPVC materials with MCRA enhancer introduced

結(jié)合以上數(shù)據(jù)及表5 信息可以得出：添加MCRA增強(qiáng)劑后，平衡扭矩變化較小，而在塑化扭矩方面有一定變化，這表明新配方所具備的表觀粘度有一定程度的降低；熔融時(shí)間差距較小，塑化效果有所提升，熱穩(wěn)定時(shí)間變長(zhǎng)，這些變化都為混合成型加工提供便利條件[8]。

表5 引入MCRA配方與初始配方的流變性能Tab.5 Rheological properties of the MCRA formula introduced and the initial formula

3.4 MCRA性能影響因素

首先，將甲基丙烯酸酯乳液的表面進(jìn)行改性活性鈣包裹，當(dāng)疏水率超過98.5%時(shí)，粒徑降低，沒有再次出現(xiàn)團(tuán)聚問題。其次，結(jié)點(diǎn)基元細(xì)微化改變同樣是提升材料力學(xué)性能的關(guān)鍵要素。最后，基體本身韌性非常關(guān)鍵，合理的脆性與韌性都能給材料提供更好的利用效果[9]。

4 建筑給排水用UPVC管材的優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.1 基于承載負(fù)荷的排水優(yōu)化設(shè)計(jì)

在建筑給排水系統(tǒng)中，水體是以膜流狀態(tài)進(jìn)行流通的，UPVC 管道內(nèi)壁和水體的親和度是管道優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要影響因素。因此，想要實(shí)現(xiàn)建筑給排水的優(yōu)化設(shè)計(jì)，必須結(jié)合實(shí)際應(yīng)用管材與水體的界面張力，明確不同UPVC管道的類別、型號(hào)以及負(fù)荷能力，不能僅憑經(jīng)驗(yàn)與主觀經(jīng)驗(yàn)臆斷。

4.2 基于內(nèi)部壓力的排水優(yōu)化設(shè)計(jì)

從內(nèi)部壓力波動(dòng)角度出發(fā)，分析建筑物排水設(shè)計(jì)方案。相關(guān)文獻(xiàn)資料表明，立管流量的相關(guān)參數(shù)應(yīng)根據(jù)高度進(jìn)行重置。目前，某些高層排水系統(tǒng)中的壓力波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致底部支管的水封失效。根據(jù)實(shí)際研究，膜流狀態(tài)下降的污水將攜帶與速度成比例的氣體量，并在排水立管中形成異常壓力。為控制膜流的流速和立管的內(nèi)部壓力，可以將UPVC塑料管形狀在規(guī)定高度處進(jìn)行均勻變化來改善，例如UPVC管的彎曲效率處理及擴(kuò)張內(nèi)表面積處理。

4.3 基于高度的排水優(yōu)化設(shè)計(jì)

結(jié)合多層與高層建筑的流水差異進(jìn)行給排水優(yōu)化設(shè)計(jì)分析，按照一致的流速，高層建筑給排水管道所承受的內(nèi)部壓力與氣體溢流量更大。因此，UPVC 管道中的氣體量、立管高度、流體速度直接相關(guān)。按照《建筑給排水規(guī)范》中明確指出的關(guān)于通氣立管規(guī)定，用于建筑給排水的UPVC塑料排水管的最佳設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)相應(yīng)的管徑，去設(shè)計(jì)不同高度的流量臨界值。通過重置臨界值，實(shí)現(xiàn)更佳建筑排水管道的設(shè)計(jì)[10]。

5 結(jié)語

綜上所述，UPVC 管材在建筑給排水領(lǐng)域的應(yīng)用正處在了解、發(fā)展、普及的階段。同時(shí)，UPVC 管材也在不斷創(chuàng)新應(yīng)用工藝與制備方法。基于建筑能源節(jié)約理念，應(yīng)將環(huán)保型UPVC 管材的應(yīng)用范圍進(jìn)行擴(kuò)張。為保證UPVC 多種性能的進(jìn)一步提升，將MCRA增強(qiáng)劑與UPVC 相結(jié)合，利用新型功能填料深入U(xiǎn)P-VC 管材在建筑給排水項(xiàng)目中的應(yīng)用程度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，添加MCRA不僅能夠提升產(chǎn)品力學(xué)性能與表面亮度，還能實(shí)現(xiàn)顯微組織與制備工藝的整體優(yōu)化，有效延長(zhǎng)制品的使用壽命。