雙軸取向聚氯乙烯管材最佳拉伸溫度和徑向拉伸比的研究

顧建國，孫建凱，侯培培，何 浩

（河北萬利泰歐勒管業(yè)有限公司，河北省雙軸取向聚氯乙烯管材技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 保定 072450）

0 前言

在我國，塑料管道以其無以比擬的優(yōu)點得到了快速發(fā)展，2019年中國塑料管道整體產(chǎn)能超過3×104kt，總產(chǎn)量16×103kt，較2018年同比增長2.1%［1］。近幾年，我國PVC管材產(chǎn)品不斷改進(jìn)提升，出現(xiàn)了1種新型PVC管材，即PVC?O管材，它是通過特殊取向加工工藝制造的管材，這一加工工藝是把硬聚氯乙烯（PVC?U）管材［2］進(jìn)行軸向和徑向拉伸，使管材中的PVC長鏈分子在雙軸向規(guī)整排列，獲得高強(qiáng)度、高韌性、高抗沖、抗疲勞的新型PVC管材，性能遠(yuǎn)優(yōu)于普通PVC?U管材［3?4］。研究開發(fā)PVC?O管材可以較大程度節(jié)約原材料資源，降低成本，提高產(chǎn)品性能，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。中國PVC?O新型管材行業(yè)正處在成長期的初級階段，全國PVC?O新型管材及更高等級產(chǎn)品相關(guān)企業(yè)數(shù)量較少，下游市場需求也尚未完全打開，所以亟需提高PVC?O管材的等級及其綜合性能，使之在工程應(yīng)用中更安全可靠、壽命更長，這就需要在設(shè)備、原材料及生產(chǎn)工藝中進(jìn)行進(jìn)一步研究與突破。

目前PVC?O管材的制造工藝分為兩步加工法和一步加工法［5］，2種工藝均可采用水法和氣法輔助拉伸。本研究采用一步加工法中的氣法工藝，即在線氣法，通過坯管擠出、遠(yuǎn)紅外旋轉(zhuǎn)加熱、在線錐形體階梯結(jié)構(gòu)輔助壓縮空氣拉伸、冷凍水定型、定型切割、擴(kuò)口同線完成，可實現(xiàn)多規(guī)格、任意長度的管材同線生產(chǎn)。拉伸過程中的階梯狀擴(kuò)張模具（圖1）和PVC?O管材內(nèi)外徑尺寸定型裝置（圖2，其中擴(kuò)張體即內(nèi)定徑裝置）均為自研。其中階梯狀擴(kuò)張模具中階梯結(jié)構(gòu)采用若干按定向從小徑到大徑逐級遞增的單一部件組合而成，該結(jié)構(gòu)降低了引管過程的開機(jī)難度，使PVC管坯在高彈態(tài)溫度下，由前后牽引機(jī)聯(lián)合作用通過擴(kuò)張芯模，實現(xiàn)雙軸取向；管材內(nèi)外徑尺寸定型裝置可通過外定徑模具和內(nèi)定徑模具共同保證PVC?O管材的內(nèi)外徑尺寸。在線氣法較大程度提高了生產(chǎn)效率，減少了制造成本，增強(qiáng)了PVC?O和其他管材的競爭力，實現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)。

圖1 階梯狀擴(kuò)張模具Fig.1 Laddering expansion mould

圖2 內(nèi)外徑尺寸定型裝置Fig.2 Sizing mill of inside and outside diameter

對PVC?O管材而言，取向程度是影響其最終性能的關(guān)鍵因素。根據(jù)聚合物取向機(jī)理［6］，取向程度的影響因素主要有配方、拉伸溫度、軸向拉伸比和徑向拉伸比。硬PVC管材除在不同溫度下受某些有機(jī)溶劑的影響外，一般性的酸、堿、鹽、水對它都沒影響，所以PVC管材具有較強(qiáng)的抗腐蝕性能。但當(dāng)塑料中摻有多種助劑，在腐蝕環(huán)境中1種或者幾種助劑被選擇性溶出造成破壞時，整個材料的性能也會發(fā)生劣化。針對這個問題，本研究在適應(yīng)雙軸取向拉伸工藝情況下，設(shè)計出純凈配方，在符合強(qiáng)度和加工性能要求的同時節(jié)約原材料，保障了產(chǎn)品在環(huán)境、衛(wèi)生方面的安全性。樹脂中只添加必要的熱（光）穩(wěn)定劑、潤滑劑及著色劑，不添加增塑、增強(qiáng)、增韌類型的加工助劑，即不改變管材內(nèi)部分子組成，在管材成型過程中通過外加應(yīng)力作用來改變管材內(nèi)部大分子的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)，在管材內(nèi)部生成增強(qiáng)相，使管材得到內(nèi)在的增強(qiáng)效應(yīng)，從而提高管材性能［7］。將此純凈配方和軸向拉伸比作為固定參數(shù)，探究不同拉伸溫度和不同徑向拉伸比對PVC?O管材性能的影響，通過對管材進(jìn)行物理和力學(xué)試驗，得出最佳拉伸溫度和最佳徑向拉伸比，為其后的生產(chǎn)提供借鑒。

1 實驗部分

1.1 主要原料

PVC樹脂，SG?5，內(nèi)蒙古君正能源化工股份有限公司；

有機(jī)錫穩(wěn)定劑，ATO?330A，美軻（淮安）化學(xué)有限公司；

石蠟，58號，中國石油天然氣股份有限公司大慶煉化分公司；

酞青藍(lán)，B216，廣州市宏特化工科技有限公司。

1.2 主要設(shè)備及儀器

生產(chǎn)設(shè)備，自研；

靜液壓試驗機(jī)，JJHBT?PS，承德市金建檢測儀器有限公司；

萬能試驗機(jī)，UTM?1422，承德市金建檢測儀器有限公司；

啞鈴型制樣機(jī)，XYZ?20，承德市金建檢測儀器有限公司；

落錘沖擊試驗機(jī)，JJFWI?111，承德市金建檢測儀器有限公司；

低溫冷凍箱測定儀，272SE，青島海爾特種電冰柜有限公司；

紅外線測溫儀，62MAX，福祿克測試儀器（上海）有限公司。

1.3 樣品制備

采用在線氣法擠出成型工藝，配方設(shè)計為PVC 100份、有機(jī)錫穩(wěn)定劑3.5份、石蠟0.2份、酞青藍(lán)0.03份；軸向拉伸比定為1/1.15；拉伸溫度依次為80、85、88、90℃；徑向拉伸比為1/1.8和1/1.9，制備8種規(guī)格尺寸為公稱外徑（dn）110 mm×公稱壁厚（en）2.2 mm的PVC?O管材作為樣品，擠出完成后試樣在恒溫室中放置24 h消除應(yīng)力后再進(jìn)行性能測試。

坯料管經(jīng)過1級牽引作用連續(xù)不斷通過加熱爐，加熱爐則由控制系統(tǒng)控制遠(yuǎn)紅外加熱片連續(xù)不斷對坯料管進(jìn)行加熱，實現(xiàn)坯管在線連續(xù)均勻受熱，同時加熱爐的控制系統(tǒng)還能調(diào)節(jié)加熱片的熱輸出量從而使坯料管各部分溫度趨于均化；坯管達(dá)到高彈狀態(tài)后，采用錐形體結(jié)構(gòu)拉伸裝置進(jìn)行拉伸，實際生產(chǎn)中環(huán)向拉伸是和軸向拉伸同步完成的；用紅外線測溫儀對錐形體擴(kuò)張段的坯料管的外壁進(jìn)行測溫，將此溫度定義為拉伸溫度；拉伸溫度受環(huán)境溫度影響較大，可通過調(diào)整加熱爐控制調(diào)節(jié)。表1為8種不同工藝的管材樣品。

表1 采用不同工藝制備的管材樣品Tab.1 Pipe samples prepared using different processes

1.4 性能測試及結(jié)構(gòu)表征

耐內(nèi)壓性能測試：按GB/T 6111—2018標(biāo)準(zhǔn)測試，取8種不同工藝管材各3根作試樣，試樣長度900 mm/根，管材兩端安裝密封接頭后加滿水，其中一端的密封接頭與加壓裝置相連；將連接好的試樣放入水溫為（20±1）℃的恒溫水箱中進(jìn)行狀態(tài)調(diào)節(jié)1 h；靜液壓試驗機(jī)上設(shè)定實測壁厚、實測外徑、環(huán)向應(yīng)力（65 MPa）、試驗時間等參數(shù)，狀態(tài)調(diào)節(jié)完成后啟動試驗機(jī)，試驗結(jié)束后記錄試樣的狀態(tài)及打壓時長，最后分別計算8種工藝3根試驗管打壓時長的平均值。

低溫抗沖擊性能測試：按GB/T 14152—2001標(biāo)準(zhǔn)測試，取8種不同工藝管材各5根作為試樣，試樣長度（200±10）mm，每根試樣沿圓周方向均勻畫上6處標(biāo)線并編號，將所有試樣放入（0±1）℃的冷凍箱中調(diào)節(jié)60 min；調(diào)節(jié)完成后將試樣放在落錘沖擊試驗機(jī)的V形托板上進(jìn)行沖擊，錘重為6.3 kg，高度為2 m；同一溫度的試樣沖擊完1號標(biāo)線后再對2號標(biāo)線進(jìn)行沖擊，直至試樣破壞或全部標(biāo)線都沖擊1次；試驗結(jié)束后記錄試樣的狀態(tài)及沖擊次數(shù)。

拉伸性能測試：按GB/T 8804.2—2003標(biāo)準(zhǔn)測試，取8種不同工藝管材各1根，長度為115 mm，用機(jī)械加工方法制樣，每根管段沿圓周方向平均取5個樣條，用啞鈴制樣機(jī)加工成5個試樣；測量標(biāo)距間的較小厚度和較大寬度；將所有試樣放置在（23±2）℃的環(huán)境下達(dá)到24 h后進(jìn)行試驗，拉伸速率設(shè)置為5 mm/min。

抗外壓性能測試：按GB/T 9647—2015標(biāo)準(zhǔn)測試，取8種不同工藝管材各1根，長度為900 mm/根，在每根管材的外表面沿軸向全長畫1條直線作為標(biāo)記0°，然后將每根管材截成（300±10）mm的試樣，標(biāo)記為1、2、3，標(biāo)出每個試樣的120°和240°，分別測量不同角度的內(nèi)徑及長度；將所有試樣放置在（23±2）℃環(huán)境下，達(dá)到24 h后進(jìn)行試驗。將試樣1的0°位置、試樣2的120°位置、試樣3的240°位置分別與上平板接觸，啟動試驗機(jī)，壓縮速率設(shè)置為5 mm/min，當(dāng)直徑方向變形量為3%時試驗機(jī)自動停止，得出試驗數(shù)據(jù)并記錄。

2 結(jié)果與討論

2.1 樣品管實際軸向拉伸比和徑向拉伸比分析

測量樣品管的實際尺寸，驗證生產(chǎn)出來的樣品管是否與設(shè)計的軸向拉伸比和徑向拉伸比相符。軸向拉伸：一級牽引負(fù)責(zé)將坯料管從擠出機(jī)模具中牽引出來并將其送入后面的加熱設(shè)備，1級牽引還負(fù)責(zé)保持坯料管的牽引速度，使坯料管的牽引速度低于2級牽引的速度，通過2級牽引的速度差實現(xiàn)對坯料管部分的軸向拉伸。在坯料管定徑冷卻后（1級牽引前）做好標(biāo)記，測量長度（L0，mm）；坯料管經(jīng)過拉伸，冷卻定型后（2級牽引前），測量標(biāo)記段的長度（Li，mm）；軸向拉伸比（λα）=Li/L0，代入測量值，結(jié)果為λα=230/200=1.15。徑向拉伸：坯料管經(jīng)口模與芯棒的間隙形成，所以坯料管的外徑由口模大小決定，壁厚由口模和芯棒的間隙決定。徑向拉伸比（λγi）按式（1）計算。各樣品管的實測尺寸及徑向拉伸比如表2所示，通過計算可知實際生產(chǎn)的樣品管材的軸向拉伸比和徑向拉伸比符合設(shè)計。

表2 樣品管的實測尺寸Tab.2 Measurements of samples

式中Dem——成品管平均外徑測量值，mm

eem——成品管平均壁厚測量值，mm

Di——坯料管外徑設(shè)計值，mm

ei——坯料管壁厚設(shè)計值，mm

i——樣品編號

2.2 耐內(nèi)壓性能分析

在靜液壓試驗中保壓時間越長，說明管材的耐內(nèi)壓性能越強(qiáng)。由圖3可以看出，2條曲線的靜液壓時間都是先增長后縮短的趨勢，拉伸溫度為85℃時保壓時間最長，隨后逐漸縮短，由此得出PVC?O管材耐內(nèi)壓性能的最佳拉伸溫度為85℃，過低或過高的拉伸溫度均會造成耐內(nèi)壓性能的減弱。再對比2條曲線85℃時的保壓時長，發(fā)現(xiàn)當(dāng)徑向拉伸比為1.9時，保壓時間比徑向拉伸比為1.8時長，由此得出最佳徑向拉伸比為1.9，適當(dāng)增加拉伸比率，則取向程度加大，材料的強(qiáng)度也同時增強(qiáng)。通過計算，徑向拉伸比為1.8時，保壓時長的極差為109 min；徑向拉伸比為1.9時，極差為134 min，說明溫度對管材的耐內(nèi)壓性能影響很大。

圖3 樣品的耐內(nèi)壓性能Fig.3 Internal pressure resistance of the samples

2.3 低溫抗沖擊性能分析

由表3可知，在本研究設(shè)定的配方、軸向拉伸比1.15的條件下，徑向拉伸比1.8、1.9，拉伸溫度80、85、88、90℃均能通過0℃環(huán)境下落錘沖擊測試，因為經(jīng)過雙向拉伸的分子鏈實現(xiàn)了有序排列，材料由各向同性轉(zhuǎn)變?yōu)楦飨虍愋?，增?qiáng)了拉伸面的抗沖擊強(qiáng)度。雙向拉伸形成的薄片分層結(jié)構(gòu)會阻止裂紋在材料中通過，使PVC?O管材具有優(yōu)異的耐沖擊、耐刮擦性能。

表3 樣品的低溫抗沖擊性能Tab.3 Low temperature impact resistance of the samples

2.4 拉伸性能分析

由圖4（a）可以看出，徑向拉伸比為1.8，拉伸溫度在80～88℃范圍之間時，拉伸強(qiáng)度的曲線變化平緩，差值較小，高于88℃后拉伸強(qiáng)度下降趨勢快；徑向拉伸比為1.9時，各個拉伸溫度下的拉伸強(qiáng)度變化比較明顯，最佳拉伸溫度為85℃。比較2條曲線85℃時的拉伸強(qiáng)度得出最佳徑向拉伸比為1.9。由圖4（b）可以看出，徑向拉伸比1.9時的斷裂伸長率一般比徑向拉伸比1.8時的斷裂伸長率小，這是因為對于硬PVC這種材料，徑向拉伸比變大會阻礙分子鏈在軸向上的運動，表現(xiàn)為脆性斷裂，因此拉伸強(qiáng)度雖然變大，但斷裂伸長率會變小。在某些抗震領(lǐng)域的應(yīng)用上，需要統(tǒng)籌考慮管材的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率。

圖4 樣品的拉伸性能Fig.4 Tensile properties of the samples

2.5 抗外壓性能分析

由圖5可以看出，徑向拉伸比1.8時拉伸溫度為85℃時環(huán)剛度值最大；徑向拉伸比1.9時拉伸溫度為85℃時環(huán)剛度值最大。由理論最小環(huán)剛度計算公式（式2）可知環(huán)剛度值是平均壁厚的函數(shù)［8］，即平均壁厚越大，計算環(huán)剛度值越大。而彈性模量僅取決于材料本身的物理性質(zhì)，它的大小標(biāo)志了材料的剛性，彈性模量越大，越不容易發(fā)生形變。所以利用環(huán)剛度的計算公式來反推彈性模量，用彈性模量的大小來表征材料本身剛性的大小，計算公式見式（3）：

圖5 樣品的環(huán)剛度Fig.5 Ring stiffness of the samples

式中Sr——理論最小環(huán)剛度的計算值，kN/m2

E——彈性模量，kN/m2

I——慣性矩，mm3/m

S——管系列，無量綱

代入公式計算得到，徑向拉伸比為1.8、拉伸溫度為85℃的試樣的彈性模量為4.03×106kN/m2；徑向拉伸比為1.9，拉伸溫度為85℃的試樣的彈性模量為4.17×106kN/m2。對比可知徑向拉伸比為1.9的管材材料的剛性大于徑向拉伸比為1.8管材材料，說明對于抗外壓性能而言，最佳徑向拉伸比為1.9。

3 結(jié)論

（1）當(dāng)使用純凈配方，軸向拉伸比為1.15時，PVC?O管材的拉伸溫度和徑向拉伸比對管材的耐內(nèi)壓性能影響最大；拉伸溫度在80～90℃，徑向拉伸比為1.8～1.9時，均能滿足對管材0℃低溫抗沖性能的要求；

（2）當(dāng)使用純凈配方，軸向拉伸比為1.15時，PVC?O管生產(chǎn)中最佳拉伸溫度為85℃，此溫度下PVC?O管材的耐內(nèi)壓性能、拉伸強(qiáng)度和抗外壓性能最好；

（3）當(dāng)使用純凈配方，軸向拉伸比為1.15時，PVC?O管生產(chǎn)中適當(dāng)增加徑向拉伸比可以使材料的強(qiáng)度增強(qiáng)，最佳徑向拉伸比為1.9，此徑向拉伸比時管材的耐內(nèi)壓性能、拉伸強(qiáng)度和抗外壓性能最好。