氯化聚氯乙烯與硬聚氯乙烯管材產(chǎn)品的鑒別

張兵

（福建省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)研究院 國(guó)家塑料制品質(zhì)量檢驗(yàn)檢測(cè)中心，福建 福州 350002）

0 前言

氯化聚氯乙烯（CPVC）是將聚氯乙烯（PVC）進(jìn)一步氯化的產(chǎn)物，最早由德國(guó)法本公司以溶液法制得，后來(lái)美國(guó)諾譽(yù)化工公司在20世紀(jì)60年代初期開(kāi)發(fā)研制成功并投入商業(yè)化生產(chǎn)。一般將聚氯乙烯樹(shù)脂粉碎后，經(jīng)氯化、過(guò)濾、水洗、中和、干燥幾個(gè)步驟即可得到氯化聚氯乙烯，是聚氯乙烯樹(shù)脂的重要改性品種之一，目前主要有溶液法、懸浮法、氣固相法三種方法生產(chǎn)，其中懸浮法和氣固相法生產(chǎn)得到的CPVC分子量較高，常用于制造管材、板材[1]。氯化聚氯乙烯分子結(jié)構(gòu)中含氯量明顯高于聚氯乙烯樹(shù)脂，一般生產(chǎn)的氯化聚氯乙烯含氯量在61%～68%。由于氯化聚氯乙烯具有較強(qiáng)的內(nèi)聚能，使得其物理機(jī)械性能大幅提高，特別是耐高溫性能、耐老化、耐腐蝕和阻燃性能比聚氯乙烯有較大的提高。因此在輸送冷熱水工程、化工耐腐蝕管道、電力等耐高溫管道以及民用排污管道領(lǐng)域有大量的應(yīng)用[2]。

目前我國(guó)氯化聚氯乙烯產(chǎn)品質(zhì)量檔次不高，用于管材、型材等硬制品的氯化聚氯乙烯仍依賴進(jìn)口，市場(chǎng)上氯化聚氯乙烯的價(jià)格要比聚氯乙烯價(jià)格高出近2倍。正是由于2種材料價(jià)格存在較大的差異，促使一些不法生產(chǎn)企業(yè)為牟取不正當(dāng)利益，使用硬質(zhì)聚氯乙烯冒充氯化聚氯乙烯產(chǎn)品推向市場(chǎng)。筆者在日常檢驗(yàn)工作中發(fā)現(xiàn)，2種產(chǎn)品在外觀上看難以區(qū)分，但從產(chǎn)品的物理性能上差異還是比較明顯，因此，本文從結(jié)構(gòu)和性能的角度出發(fā)，以紅外、拉伸性能、維卡軟化溫度、環(huán)段熱壓縮及密度等測(cè)試為手段，詳細(xì)討論了2種產(chǎn)品的區(qū)別，希望為消費(fèi)者和監(jiān)管部門提供鑒別2種產(chǎn)品提供數(shù)據(jù)支撐，為凈化氯化聚氯乙烯市場(chǎng)提供技術(shù)支撐。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試樣

1.2 主要儀器設(shè)備

⑴紅外光譜儀，NICOLET 5700，美國(guó)尼高力公司；⑵固體密度測(cè)試儀，AGH-120E，日本島津公司；⑶維卡熱變形試驗(yàn)機(jī) IC6，德國(guó)考斯菲爾德公司；⑷高溫試驗(yàn)箱，SEG-041，上海埃斯佩克環(huán)境儀器有限公司；⑸電子拉力試驗(yàn)機(jī)，ETM104C，深圳萬(wàn)測(cè)試驗(yàn)設(shè)備有限公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 紅外光譜分析

依據(jù)GB/T 6040—2019規(guī)定的方法，采用全反射ATR法采集樣品的紅外光譜圖，分辨率為4 cm-1，掃描次數(shù)為32次，波數(shù)范圍為500～4000 cm-1，測(cè)試時(shí)首先扣除背景空白。

1.3.2 拉伸強(qiáng)度

依據(jù)GB/T 8804.2—2003規(guī)定的方法，從管材上沿著長(zhǎng)度方向切取樣條，再通過(guò)機(jī)械加工的方法制取啞鈴試樣，拉伸速度為5 mm/min。

1.3.3 維卡軟化溫度

依據(jù)GB/T 8802—2001規(guī)定的方法，從管材上切取長(zhǎng)約50 mm，寬約10 mm試樣，升溫速度為50 ℃/h，樣品負(fù)荷50 N。

1.3.4 密度

依據(jù)GB/T 1033.1—2008規(guī)定的方法，從管材上切取長(zhǎng)約30 mm，寬約10 mm試樣，在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下，采用浸漬法測(cè)試。

1.3.5 環(huán)段熱壓縮力

依據(jù)QB/T 2479—2005規(guī)定的方法，從管材上切取長(zhǎng)約300 mm的管段，在溫度為80 ℃的電熱鼓風(fēng)干燥箱里處理1 h后，快速取出試樣，在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上，進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，壓縮量為管材外徑3%，從樣品取出到壓縮試驗(yàn)完成應(yīng)在2 min內(nèi)完成。

2 結(jié)果與討論

2.1 紅外光譜

將2種試樣進(jìn)行紅外測(cè)試，其結(jié)果譜圖見(jiàn)圖1，由圖可見(jiàn)在波數(shù)為685 cm-1和616 cm-1處強(qiáng)吸收峰對(duì)應(yīng)為C-Cl鍵伸縮振動(dòng)產(chǎn)生[3]，氯化聚氯乙烯樣品的吸收強(qiáng)度相對(duì)較強(qiáng)，特別是在685 cm-1處較為明顯；位于1250 cm-1處強(qiáng)吸收譜帶為-CHCl中C-H彎曲振動(dòng)吸收[4]，氯化聚氯乙烯試樣在1250 cm-1處的C-H彎曲振動(dòng)吸收強(qiáng)度明顯低于硬質(zhì)聚氯乙烯試樣在此處吸收強(qiáng)度，其原因是氯化聚氯乙烯分子鏈中C-H中的大量氫原子發(fā)生氯代反應(yīng)，致使分子鏈中-CHCl中C-H減少，吸收強(qiáng)度降低。

圖1 氯化聚氯乙烯（CPVC）和硬質(zhì)聚氯乙烯（UPVC）試樣紅外光譜圖

2.2 物理力學(xué)性能

將2種試樣按照1.3中所述的方法，對(duì)各物理力學(xué)性能進(jìn)行試驗(yàn)，各項(xiàng)目的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 氯化聚氯乙烯（CPVC）和硬質(zhì)聚氯乙烯（UPVC）產(chǎn)品物理力學(xué)性能的測(cè)試結(jié)果比較

表1 試樣

2.2.1 拉伸強(qiáng)度

拉伸強(qiáng)度是管材物理力學(xué)性能的綜合指標(biāo)，反映管材產(chǎn)品配方和生產(chǎn)工藝的合理性。它與材料的分子結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)配方、加工工藝有著密切的關(guān)系。氯化聚氯乙烯（CPVC）分子結(jié)構(gòu)中Cl含量高于聚氯乙烯，氯化聚氯乙烯（CPVC）分子鏈中的Cl原子取代了PVC大分子鏈上的H原子，而取代后的C-Cl鍵能大于被取代的C-H的鍵能，隨著-CHCl-CHCl-結(jié)構(gòu)的增加，氯化聚氯乙烯（CPVC）分子鏈的剛性逐步增大，導(dǎo)致氯化聚氯乙烯（CPVC）管材的拉伸強(qiáng)度要高于PVC管材拉伸強(qiáng)度，2#試樣的拉伸強(qiáng)度高于1#試樣拉伸強(qiáng)度近22 MPa。

2.3 維卡軟化溫度

維卡軟化溫度是評(píng)價(jià)管材耐熱性能的重要的指標(biāo)。作為埋地用高壓電力電纜用氯化聚氯乙烯管道，由于高壓輸電過(guò)程中電纜導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量，需要外護(hù)管道具有一定的耐熱性能，此外，有些用于輸送廚房用水和洗浴用水也要求所用管道產(chǎn)品具有較好的耐熱性。按標(biāo)準(zhǔn)QB/T 2479—2005要求，埋地式高壓電力電纜用氯化聚氯乙烯(PVC-C)套管的維卡軟化溫度必須不低于93 ℃，冷熱水用氯化聚氯乙烯（PVCC）管道標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18993.1—2020要求不低于110 ℃，但由于聚氯乙烯的玻璃化溫度大約為80 ℃，與氯化聚氯乙烯的耐熱性能差別較大。

造成性能差異的原因是由于氯化聚氯乙烯（CPVC）分子結(jié)構(gòu)中含有較多的氯原子，分子鏈的極性增大，使得氯化聚氯乙烯（CPVC）樹(shù)脂的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和熱變形溫度均較高，文獻(xiàn)報(bào)道氯化聚氯乙烯（CPVC）最高耐熱溫度可達(dá)130 ℃[5]，材料的使用溫度比PVC樹(shù)脂高35～40℃，從表1中對(duì)2種試樣的維卡軟化溫度試驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，其結(jié)果可以直觀地辨別試樣的品種。

此外，有文獻(xiàn)報(bào)道[6]為了提高氯化聚氯乙烯產(chǎn)品的成型加工性能和適量地降低成本，在生產(chǎn)CPVC管材產(chǎn)品時(shí)，可添加一定比例的PVC樹(shù)脂，而CPVC樹(shù)脂在配方中質(zhì)量分?jǐn)?shù)的多少與產(chǎn)品的維卡軟化溫度大致呈線性關(guān)系[2]。

2.4 環(huán)段熱壓縮力

由于管道產(chǎn)品安裝時(shí)大多為埋地鋪設(shè)，因此需要產(chǎn)品在需要一定的抗載荷能力，特別承受熱環(huán)境中服役的工況，如用作高壓電力電纜管材、輸送熱流體管材等，此類產(chǎn)品需同時(shí)受熱和外在填埋覆土的能力，因此在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[7]中要求在80 ℃下產(chǎn)品環(huán)段熱壓縮力須達(dá)標(biāo)。

由于氯化聚氯乙烯的耐熱性遠(yuǎn)優(yōu)于硬質(zhì)聚氯乙烯，測(cè)試2種試樣的環(huán)段熱壓縮力，其結(jié)果見(jiàn)表1，可知對(duì)于壁厚相近的2種管材，CPVC管材的結(jié)果遠(yuǎn)高于PVC管材，因此，這個(gè)項(xiàng)目也可以用來(lái)區(qū)分產(chǎn)品的真?zhèn)巍?/p>

2.5 密度

由于氯化聚氯乙烯是通過(guò)Cl原子取代了原分子鏈上的H原子，故氯化后的分子量有所提高，樹(shù)脂的密度也有所提高。一般而言，聚氯乙烯的樹(shù)脂密度約1.4 g/cm3，氯化聚氯乙烯的密度為1.5～1.6 g/cm3。對(duì)于管材產(chǎn)品由于均會(huì)添加必要的加工助劑，對(duì)1#和2#試樣，通過(guò)馬弗爐煅燒測(cè)試2者的灰分，1#試樣的灰分約10%，2#試樣的灰分不到2%。

3 結(jié)論

從以上試驗(yàn)結(jié)果和分析可見(jiàn)：管材的紅外光譜在波數(shù)為616 cm-1、685 cm-1和1250 cm-1處存在強(qiáng)吸收峰、高于90 ℃的維卡軟化溫度、高于50 MPa的拉伸強(qiáng)度可作為鑒別氯化聚氯乙烯（CPVC）管材的重要依據(jù)，如果將紅外光譜、拉伸強(qiáng)度、維卡軟化溫度、環(huán)段熱壓縮力等幾種測(cè)試方法聯(lián)用，分析結(jié)果更為準(zhǔn)確、鑒別結(jié)果更為可靠。