市政排水用硬PVC排水管材自然老化行為研究

王 夏

（同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司，上海 200092）

城市化迅速發(fā)展，政府建設(shè)計(jì)劃腳步也逐漸加快，加快了市政建設(shè)的進(jìn)程。市政工程中較為重要的一個(gè)環(huán)節(jié)就是作為城市基礎(chǔ)設(shè)施的排水管與排污管等排水系統(tǒng)［1］。最初城市建設(shè)中市政排水系統(tǒng)使用明溝，該種排水手段具有美觀性差、污染高等缺點(diǎn)。此后人類文明取得進(jìn)步，排水管道逐漸轉(zhuǎn)為地下暗渠，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，市政排水系統(tǒng)使用鋼混材料的排水管道，但是成本過高、腐蝕性大，使用年限較短。近幾年各學(xué)者不斷研究，逐漸推廣使用化工材料作為地下排水管道的主要材料［2］。這種化工材料作為原材料的市政工程排水管具有強(qiáng)大性能與環(huán)保效果，成本較低，后續(xù)維護(hù)簡(jiǎn)便，受到越來越多建設(shè)工程項(xiàng)目的青睞。眾多化工材料之中，PVC管材由于其優(yōu)質(zhì)的抗壓強(qiáng)度、簡(jiǎn)便的安裝工序以及較輕的自身重量成為排水工程中使用頻率最高的化工材料。

PVC實(shí)質(zhì)上是一種合成樹脂，主要組成成分是經(jīng)過單體均聚以后的VC原料，在增強(qiáng)劑、穩(wěn)定劑等添加劑的作用下成為合成高分子材料。原料選取存在的差異導(dǎo)致PVC管材成為軟、硬不同、用處不同的高分子材料。PVC屬于無(wú)定型聚合物，在氧化作用以及自然光照條件下會(huì)發(fā)生緩慢分解產(chǎn)生氯化氫，共軛雙鍵與碳基都會(huì)發(fā)生變色，出現(xiàn)老化現(xiàn)象［3］。PVC管材使用聚合工藝制備而成，工藝步驟包含懸浮、聚合等步驟。其中最為主要的工藝就是懸浮聚合工藝，該工藝能夠?qū)崿F(xiàn)較高產(chǎn)品轉(zhuǎn)化率，能夠加快硬PVC管材適應(yīng)市場(chǎng)發(fā)展。實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，硬PVC管材的生產(chǎn)工藝較為簡(jiǎn)單，但是聚合體系具有較大黏度，所以生產(chǎn)時(shí)導(dǎo)出難度大，容易出現(xiàn)聚合失敗的情況，為解決這種情況，眾多廠家和研究者都做出改進(jìn)研究并且取得客觀成效［4］。目前PVC材料應(yīng)用廣泛，已經(jīng)深入到社會(huì)生活的方方面面，提升硬PVC管材的性能有利于今后相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

本文綜合研究市政排水用硬PVC排水管材自然老化行為，從理論性的角度綜合分析，為今后市政排水管建設(shè)規(guī)劃提供有效參考。

1 硬PVC排水管材自然老化行為

1.1 硬PVC管概念與應(yīng)用性能

（1）硬PVC管道概念

硬PVC也就是硬聚氯乙烯，硬PVC排水管的制作工藝較為簡(jiǎn)單，僅需要添加適量的輔助劑壓鑄成形以后經(jīng)過冷卻固化就成為直接應(yīng)用于市政排水工程的排水管材。國(guó)外早在上世界中葉就在各排水系統(tǒng)中推廣使用硬PVC管材，也就是說硬PVC是高分子材料中，應(yīng)用于工業(yè)化領(lǐng)域內(nèi)最早的塑料制品之一，相比于國(guó)外排水工程較為成熟的PVC技術(shù)，我國(guó)在上世紀(jì)末期才逐漸推廣應(yīng)用于市政工程以及排水相關(guān)領(lǐng)域之中，經(jīng)過多年研究以及不斷推廣，硬PVC管材已經(jīng)在市政排水領(lǐng)域得到普遍使用，但是相比于歐美發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)于硬PVC材料的使用，我國(guó)在硬PVC方面研究技術(shù)仍舊需要進(jìn)步。

（2）硬PVC管應(yīng)用特性

應(yīng)用于市政工程的硬PVC管材主要起排水作用。對(duì)于這種使用需求，要求排水管具有較強(qiáng)的剛度和抗變形能力，同時(shí)還需要具有較強(qiáng)的防滲密封性與水體輸送能力，由于污水中成分不能確定，所以要求排水管還具有較強(qiáng)的耐腐蝕性［5］。市政工程由于資金有限所以要求排水管在安裝時(shí)具有高效便捷、成本低廉的特點(diǎn)。硬PVC管材能夠滿足以上各種要求，所以在目前市政排水工程中應(yīng)用廣泛［6］。

硬PVC管材的耐腐蝕性較強(qiáng)，無(wú)論是強(qiáng)酸性還是強(qiáng)堿性環(huán)境下都不會(huì)發(fā)生腐蝕現(xiàn)象，但是無(wú)法適應(yīng)芳香類化合物。在市政排水工程中，使用硬PVC管材不需要考慮水質(zhì)問題，該管材能夠適用于大部分水質(zhì)。硬PVC管材自身所具備良好的耐腐蝕性能，即使被鹽堿類土壤掩埋較長(zhǎng)時(shí)間也仍舊能夠保持較好狀態(tài)。與混凝土管材相比，硬PVC管材的內(nèi)壁粗糙度更低，所有硬PVC管材在排水過程中水流量更大，所以能夠優(yōu)先將水力的坡降有效降低，這樣就能幫助降低排水泵站的使用，降低水流運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用［7-8］。硬PVC管材屬于柔性管材，即使面對(duì)土層的不均勻沉降也不會(huì)發(fā)生斷裂、堵塞、滲漏的情況，且修復(fù)更換方便，密封性能良好。相比于鋼管或者混凝土管材，硬PVC管的抗壓性能較差，但是硬PVC管的剛度較高，符合市政工程中土體掩埋需求，能夠抵抗土體帶來的壓力［9］。硬PVC管材還有易于運(yùn)輸?shù)奶攸c(diǎn)，安裝工序較為簡(jiǎn)單，盡管單價(jià)高于混凝土管材，但是綜合費(fèi)用與混凝土相比有所降低，實(shí)際市政施工時(shí)能夠提升施工效率。

1.2 硬PVC排水管材自然老化影響因素

應(yīng)用于市政排水工程的硬PVC管材出現(xiàn)自然老化實(shí)質(zhì)上是一個(gè)涵蓋物理及化學(xué)學(xué)科的慢性變化效果，從化學(xué)成分上來看，硬PVC較為復(fù)雜，制備過程中共混合大于10種的添加劑，不同環(huán)境影響下混合后生成的硬PVC活性也存在差異，呈現(xiàn)出一種物理或者化學(xué)的變化效果［10］。對(duì)于目前硬PVC排水管材的自然老化情況國(guó)內(nèi)外學(xué)者都做出大量研究，本文從以下幾點(diǎn)分析硬PVC排水管材自然老化的影響因素。

（1）分子結(jié)構(gòu)缺陷導(dǎo)致的自然老化

高分子材料研究領(lǐng)域中大多數(shù)學(xué)者都認(rèn)為硬PVC排水管材出現(xiàn)自然老化主要是由于內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)存在缺陷的原因，分子結(jié)構(gòu)之中，大多數(shù)分子鏈?zhǔn)浅尸F(xiàn)首尾相連接形式的氯乙烯單體。該分析中存在的氫原子與氯原子只與仲碳原子相關(guān)反應(yīng)，具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。但是分子鏈結(jié)構(gòu)如果出現(xiàn)頭與頭相連或者尾與尾直接相連的形式時(shí)就會(huì)使分子結(jié)構(gòu)發(fā)生異常，如不飽和支鏈與不飽和雙鍵等形式影響硬PVC的熱穩(wěn)定性能，導(dǎo)致硬PVC發(fā)生反應(yīng)脫出HCl，形成多烯結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)極易生成使硬PVC管材發(fā)生著色的多烯結(jié)構(gòu)［11］。不飽和雙鍵形成于分子鏈的末端，導(dǎo)致出現(xiàn)氧化斷鏈，脫出穩(wěn)定性較差的丙烯基氯。由于分子結(jié)構(gòu)具有支鏈，出現(xiàn)老化現(xiàn)象時(shí)，各叔原子都容易遭受攻擊，這些原子聚合比較差的鏈能，極易出現(xiàn)活化反應(yīng)。部分原子在聚合階段就直接脫出HCl，造成雙鍵結(jié)構(gòu)發(fā)生在分子鏈上。

（2）紫外光線導(dǎo)致的自然老化

氧化反應(yīng)疊加光降解直接導(dǎo)致硬PVC材料發(fā)生降解情況。紫外光是太陽(yáng)光中較大能量和較短波長(zhǎng)的一部分光線，硬PVC管材發(fā)生自然老化的影響因素之一就是由于紫外線照射影響導(dǎo)致的。太陽(yáng)光的波長(zhǎng)最短為150nm，最長(zhǎng)波長(zhǎng)達(dá)到10000nm，大氣層能夠把一部分波長(zhǎng)過長(zhǎng)的光線消除，所以能夠到達(dá)地面的光線主要為波長(zhǎng)較短的紫外光（占全部光線的5%）、波長(zhǎng)較長(zhǎng)的紅外光（占全部光線的55%）以及波長(zhǎng)比較適中的可見光（占全部光線的40%），盡管紫外光在總體光線中占比較少［12］，但是該部分光線具有較大能量，所以會(huì)嚴(yán)重影響硬PVC管材的穩(wěn)定性能。高分子材料各個(gè)分子鏈需要一定規(guī)格的能量才會(huì)發(fā)生斷裂，但是紫外光自身具備的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于這個(gè)所需能量，直接導(dǎo)致化學(xué)鍵遭受破壞，由于紫外光的影響，加快硬PVC管材的光氧化速度，自然老化效果明顯［13］。大量研究表明，長(zhǎng)時(shí)間暴露在紫外光之下的硬PVC管材最開始會(huì)先由白色轉(zhuǎn)變?yōu)辄S色，隨著暴露時(shí)間上升，管材由黃色向深紅或者深棕色轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變過程如圖1所示。

圖1 紫外光導(dǎo)致的管材老化Fig. 1 Pipe aging caused by ultraviolet light

硬PVC排水管發(fā)生圖1這種老化現(xiàn)象主要是由于PVC管材中的聚合物出現(xiàn)交聯(lián)情況，導(dǎo)致聚合物產(chǎn)生共軛多烯，PVC管材本身具備的吸光譜被改變，紫外線光照過程中也會(huì)使PVC管材釋放大量鹽酸，這一情況也是由于上文中研究的PVC管材分子結(jié)構(gòu)存在缺陷，吸收更多的紫外光線，出現(xiàn)嚴(yán)重降解［14］。已有研究數(shù)據(jù)表明，PVC管材長(zhǎng)時(shí)間暴露在紫外光照之下從尺寸到外觀都會(huì)導(dǎo)致PVC管材發(fā)生嚴(yán)重變化，相關(guān)數(shù)據(jù)見表1。

表1 紫外光照下PVC管材的尺寸變化Table 1 Size change of PVC pipe under ultraviolet light

從表1中的數(shù)據(jù)能夠看出，隨紫外光照射管材的時(shí)間變長(zhǎng)，PVC管材的壁厚逐漸增加，照射時(shí)間越長(zhǎng)，管材變形越嚴(yán)重，光照中期管材的不圓度已經(jīng)達(dá)到2以上，說明由于紫外光照老化造成管材嚴(yán)重變形。

（3）顏色導(dǎo)致的自然老化

硬PVC管材發(fā)生老化的另一個(gè)重要影響因素是管材自身的顏色。硬PVC排水管除了我們常見的白色以外還存在黑色、灰色、綠色、黃色等多種顏色。國(guó)際排水管標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，應(yīng)用于市政工程的硬PVC排水管最好選用顏色為灰色的管材，使用這種顏色的管材主要是由于，這類管材中適量使用炭黑元素，這種添加劑是屏蔽光線最有效的添加劑，在天然室外環(huán)境中能夠有效降低紫外光對(duì)于管材的傷害，具有較強(qiáng)耐候性［15］。

我國(guó)在硬PVC管材研究之初就是選擇適當(dāng)添加炭黑添加劑的灰色硬PVC管材，但是近年來對(duì)于硬PVC排水管的使用環(huán)境以及使用需求發(fā)生改變，仍舊使用灰色PVC管材無(wú)法直接區(qū)分管材是全新管材還是回收再利用的舊管材，所以各行各業(yè)對(duì)于灰色硬PVC管材的需求越來越少，而白色管材的需求量則逐漸增加，但是白色管材的耐老化性能遠(yuǎn)不如灰色管材，因此目前應(yīng)用于市政排水工程的硬PVC管材耐老化性能遠(yuǎn)不如以前灰色硬PVC管材好［16］。

（4）自身質(zhì)量不佳導(dǎo)致的自然老化

我國(guó)最初生產(chǎn)的硬PVC管材耐久性強(qiáng)、具有較為優(yōu)異的抗老化性能，其中最為主要的一個(gè)原因是我國(guó)最初生產(chǎn)的硬PVC管材依照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)以及國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格生產(chǎn)，生產(chǎn)過程中不會(huì)過量使用外加劑，對(duì)于已經(jīng)投入使用的硬PVC管材也不會(huì)反復(fù)回收再利用，投入使用的硬PVC管材都是最高質(zhì)量的材料。曾有學(xué)者針對(duì)上世紀(jì)末最初生產(chǎn)并且已經(jīng)投入使用19年的硬PVC管材做出耐老化性能測(cè)定，測(cè)定結(jié)果表明，該管材表面老化程度較高，但是內(nèi)部只發(fā)生輕微老化，這也說明當(dāng)時(shí)正產(chǎn)的高質(zhì)量硬PVC管材具有強(qiáng)大的耐老化性能［17］。

但是近年來，由于市場(chǎng)需求增大，各廠家加快競(jìng)爭(zhēng)步伐，為降低成本同時(shí)提高產(chǎn)量，在生產(chǎn)過程中過量添加如三氧化鈣等外加劑，導(dǎo)致管材的質(zhì)量嚴(yán)重降低。國(guó)家相關(guān)規(guī)定中要求，用于市政排水的硬PVC管材需要使用至少80%以上的聚氯乙烯樹脂，但是目前市場(chǎng)上銷售的硬PVC管材外加劑的用量嚴(yán)重超標(biāo)，嚴(yán)重降低管材的力學(xué)性能和抗老化性能，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)破裂、損壞等情況。

2 硬PVC排水管材自然老化性能改善策略

2.1 添加熱穩(wěn)定劑

適量添加熱穩(wěn)定劑能夠極大程度改善PVC管的老化性能，最常使用的熱穩(wěn)定劑包含鉛鹽類熱穩(wěn)定劑與金屬皂類的熱穩(wěn)定劑。

（1）鉛鹽類熱穩(wěn)定劑

目前市面上生產(chǎn)的硬PVC管材為提升抗耐老化性能，最常使用的穩(wěn)定劑都是鉛鹽類熱穩(wěn)定劑，這種穩(wěn)定劑購(gòu)買成本較低能，同時(shí)能夠?qū)VC釋放的HCl有效捕捉，防止管材發(fā)生催化反應(yīng)，極大程度提升硬PVC管材的穩(wěn)定性和耐老化性能。但是鹽鉛屬于重金屬，使用過程中會(huì)釋放毒素，雖然硬PVC管材被應(yīng)用于市政排水工程，但是隨著近年來我國(guó)越來越重視環(huán)保事業(yè)，所以該類穩(wěn)定劑的使用逐漸降低。

（2）金屬皂類穩(wěn)定劑

該類穩(wěn)定劑的主要原料是復(fù)合金屬鹽，一般需要復(fù)配增效劑才能實(shí)現(xiàn)管材穩(wěn)定性的提升，所使用的增效劑包含多元醇、硬脂酸鹽等，該類穩(wěn)定劑在穩(wěn)定效果上略遜于鉛鹽類熱穩(wěn)定劑但是不會(huì)釋放毒素，具有良好的環(huán)保效果，已經(jīng)成為市面上使用最廣闊的穩(wěn)定劑。

2.2 添加光穩(wěn)定劑

光穩(wěn)定劑的使用主要就是為了解決硬PVC管受到紫外光影響而出現(xiàn)的老化現(xiàn)象，考慮到應(yīng)對(duì)的紫外光存在機(jī)理差異，所以光穩(wěn)定劑主要包括光屏蔽劑和紫外光吸收劑等。

（1）光屏蔽劑

光屏蔽劑又可以分為鈦白粉和炭黑元素等，在PVC原材料中添加這種穩(wěn)定劑主要是由于這類穩(wěn)定劑具有強(qiáng)大的光反射功能，可降低紫外光的輻射，降低硬PVC管材的老化速度。大量研究表明，適當(dāng)使用光屏蔽劑能夠顯著提升硬PVC管對(duì)于自身外觀的敏感性，同時(shí)能夠抑制紫外光對(duì)于管材的傷害，提升管材的光穩(wěn)定效果。

（2）紫外光吸收劑

紫外光吸收劑在自身結(jié)構(gòu)上具有較強(qiáng)特點(diǎn)，主要針對(duì)紫外光的高輻射性發(fā)揮吸收作用，把光能向熱能轉(zhuǎn)化，延緩硬PVC管材的老化速度，最常使用的紫外光吸收劑為苯并三唑類吸收劑。已有研究表明，在聚乙烯樹脂原料中適當(dāng)添加該光穩(wěn)定劑能夠使得硬PVC管材不易出現(xiàn)顏色改變，降低管材表面由于紫外光出現(xiàn)的老化現(xiàn)象。各種光吸收劑由于結(jié)構(gòu)存在差異，吸收紫外光的效果也存在差異，所以在使用過程中需要選用性能更加優(yōu)越的吸收劑才能獲得較好的耐老化性能，該部分還需要今后通過試驗(yàn)進(jìn)一步研究。

3 結(jié)語(yǔ)

市政排水工程中已經(jīng)廣泛使用硬PVC排水管，該類排水管材具有良好的耐腐蝕性和防滲性能，在地下排水工作中展現(xiàn)出良好的性能，近年在各學(xué)者的努力研究之下不斷改進(jìn)技術(shù)，硬PVC管材的性能得到質(zhì)的提升，但是由于一些外部影響因素以及內(nèi)部自身原因?qū)е鹿懿囊子诔霈F(xiàn)老化現(xiàn)象，主要包含分析結(jié)構(gòu)缺陷、紫外光照、顏色影響以及質(zhì)量問題導(dǎo)致的老化問題，諸多研究者都為改善硬PVC管材老化情況作出相關(guān)研究，根本目的都是提升硬PVC管的性能，在市政排水工程中發(fā)揮更加強(qiáng)大的工作效果，同時(shí)提升管材的使用壽命，從根本上降低管材的消耗，節(jié)約成本，為城市化綜合發(fā)展奠定良好的基礎(chǔ)。