雙軸取向聚氯乙烯（PVC-O）管道的發(fā)展
1 PVC管道發(fā)展前景
近年來，形勢的變化和發(fā)展為我國PVC管道系統(tǒng)的發(fā)展提供了一個(gè)的歷史機(jī)遇。石油價(jià)格暴漲使得在很多應(yīng)用領(lǐng)域和PVC管道系統(tǒng)競爭的聚烴烯管道系統(tǒng)受到了嚴(yán)重的影響，而以煤為原料的PVC因維持在較低價(jià)格而增強(qiáng)了競爭力。
PVC管道系統(tǒng)已經(jīng)有近70年的發(fā)展歷史，因其具有高模量、高強(qiáng)度和較低價(jià)格等優(yōu)點(diǎn)，所以一直是*應(yīng)用量zui大的塑料管道系統(tǒng)，在現(xiàn)代社會的很多領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。我國塑料管道行業(yè)發(fā)展迅速，已經(jīng)成為世界塑料管道生產(chǎn)和應(yīng)用大國之一。目前，我國PVC管材生產(chǎn)能力在200萬t/a以上，僅占塑料管總量的50%左右，而在發(fā)達(dá)國家，PVC管消費(fèi)量一般占塑料管市場的70%-80%。
進(jìn)入21世紀(jì)，PVC管材面對諸多競爭對手，尤其是由，于HDPE等樹脂性能的明顯改進(jìn)（如從PE63到PE80和PE100），PE管材具有優(yōu)異的韌性和抗水錘沖擊能力。另外，各國環(huán)境保護(hù)組織對于氯元素的批評，使得PVC管道面臨嚴(yán)峻形勢，但是人們長期忽視的一點(diǎn)是，PVC管材相對于PE管材更能阻止一些有毒、有害物質(zhì)的滲透。PE管材和PVC管材在水及土壤中對某些污染物質(zhì)的阻止情況見表1。
從表1數(shù)據(jù)及PE管材和PVC管材的性價(jià)比可以看出，在未來世界管材市場中占主導(dǎo)地位的還是PVC管材，其根本原因在于技術(shù)創(chuàng)新、技術(shù)進(jìn)步。PVC樹脂和PVC管道創(chuàng)新技術(shù)的應(yīng)用，特別是PVC管道加工技術(shù)和工藝的創(chuàng)新，明顯地改善了PVC管道的經(jīng)濟(jì)性，并開拓了新的應(yīng)用領(lǐng)域。所以，必須在提高管材性能的同時(shí)節(jié)約材料，以提高PVC管材的競爭力。
表1 PE管材和PVC管材對污染物質(zhì)的阻止能力對比。
| 名稱 | PE管材 | PVC管材 |
| 水 | 土壤 | 水 | 土壤 |
| 芳烴化合物 | 弱 | 弱 | 強(qiáng) | 強(qiáng) |
| 氯化烴 | 弱 | 弱 | 強(qiáng) | 強(qiáng) |
| 油 | 弱 | 弱 | 中 | 強(qiáng) |
| 殺蟲劑 | 中 | 中 | 強(qiáng) | 強(qiáng) |
| PCA'S | 中 | 中 | 強(qiáng) | 強(qiáng) |
| 酚類 | 中 | 中 | 強(qiáng) | 強(qiáng) |
2 雙軸取向聚氯乙烯（PVC-O）管材及其發(fā)展
很多高分子聚合物通過取向加212（或稱定向）使其分子規(guī)整排列，可以明顯地提高其性能。事實(shí)上，有不少塑料制品在市場上的競爭優(yōu)勢就依靠取向加工帶來的性能，例如纖維、雙向拉伸薄膜、容器等。取向加212212藝一方面可以提高管材性能，另一方面可以減少材料的消耗，是順應(yīng)可持續(xù)發(fā)展大方向的前沿技術(shù)。
雙軸取向聚氯乙烯（PVC-O）管材是通過特殊的取向加22212藝制造的管材，這一加工工藝是把采用擠出方法生產(chǎn)的PVC-U管材進(jìn)行軸向拉伸和徑向拉伸，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。
研究開發(fā)PVC-O管材，可以大大節(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。PVC-Ozui早是英國YorkshirelmperialPlastics（現(xiàn)在的Uponor）在1970年開發(fā)的，后來澳大利亞Vinidex（1986）、美國Upomor-ETI（1990）、荷蘭Polva和法國Seperef也相續(xù)生產(chǎn)。早期都是采用“離線”（off-line）加工工藝（兩步加工法），把擠出成型和已經(jīng)冷卻的PVC-U管材段（厚料胚）在模具內(nèi)通過加熱和加壓膨脹到要求尺寸來實(shí)現(xiàn)取向。試驗(yàn)研究和實(shí)際應(yīng)用證明PVC-O具有非凡的性能，但是“離線”加22212藝生產(chǎn)速度低，設(shè)備投資高，很難推廣。
后來研發(fā)出在擠出加工過程中“在線”（in-line）進(jìn)行取向，連續(xù)生產(chǎn)PVC-O。其生產(chǎn)工藝為一步加工法，就是在管材擠出生產(chǎn)線上，把已經(jīng)擠出成型的PVC-U管材（厚料胚）通過徑向的擴(kuò)張和軸向的拉伸實(shí)現(xiàn)雙軸取向，然后冷卻定型成為PVC-O管材。“在線”雙軸取向生產(chǎn)工藝大大提高了生產(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。目前，PVC-O管材已經(jīng)在英國、法國、荷蘭、葡萄牙、美國、澳大利亞、南非和日本等國家應(yīng)用多年。美國、澳大利亞等國已經(jīng)發(fā)布了PVC-O的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)組織也發(fā)表了PVC-O標(biāo)準(zhǔn)-ISO/DIS 16422-2006。表2列出了市場上部分PVC-O管材和生產(chǎn)企業(yè)的資料。近年來，國內(nèi)已經(jīng)有一些科研院所和大企業(yè)集團(tuán)在探索開發(fā)。如北京化工大學(xué)和四川大學(xué)等相繼發(fā)表了PVC-O研究報(bào)告，亞通集團(tuán)和寶碩管材開展了試驗(yàn)研究，但是目前還沒有進(jìn)入商品化生產(chǎn)。
表2 市場上部分PVC-O管材和生產(chǎn)企業(yè)的資料
| 國家 | 企業(yè)名稱 | 商品名稱 | 規(guī)格 | 企業(yè) |
| 荷蘭 | Wavin | Apollo | 110-315mm1.0,1.25,1.6MP3 | |
| 美國 | UndOgroudSohtiom，Inc | DuralinerTM | | |
| 澳大利亞 | Vinidex | Supermain | 100-300mm | / |
| 南非 | DPIPlastics（Pry）Ltd. | Genimi-Biax | 160-250mm，1.2,1.6MPa | |
| 比利時(shí) | SOTRASEPEREF | BI-OROC | 100-00mm,1.6,2.5MPa | / |
3 原理及理論
3.1 高分子材料的拉伸取向機(jī)理
高分子材料的拉伸取向過程是材料在玻璃化溫度與熔融溫度之間（一般在軟化點(diǎn)附近）的溫度條件下，在外力的作用下，分子從無序排列向有序排列的過程。高分子分子鏈由于實(shí)現(xiàn)了有序排列，材料由各向同性轉(zhuǎn)變?yōu)楦飨虍愋?，即材料沿分子取向方向的?qiáng)度大大增加，而垂直于拉伸方向的強(qiáng)度大大減小，也就是說，材料通過拉伸取向，將垂直于拉伸方向的強(qiáng)度疊加到沿分子取向方向的強(qiáng)度上。雙軸拉伸是材料通過雙向拉伸，將垂直于雙向拉伸這個(gè)拉伸面的強(qiáng)度疊加到拉伸面方向的強(qiáng)度上，由此增加了材料拉伸面方向的強(qiáng)度。
高分子材料的拉伸取向廠定要在玻璃化溫度與熔融溫度之間進(jìn)行，如果低于玻璃化溫度，分子鏈處于被凍結(jié)狀態(tài)，在這個(gè)溫度條件下進(jìn)行拉伸，只會造成材料受強(qiáng)迫拉伸而破壞。如果高于熔融溫度，分子鏈能自由運(yùn)動，受拉伸的分子鏈不能實(shí)現(xiàn)取向作用。只有在玻璃化溫度與熔融溫度之間，在材料軟化點(diǎn)附近，才能實(shí)現(xiàn)和保持zui有效的分子取向。
3.2 比率和拉伸速率
拉伸取向，用通俗的話來講，就是將卷曲的分子鏈拉直并沿拉伸的方向排列。適當(dāng)增加拉伸比率，則分子取向程度加大，材料的強(qiáng)度也同時(shí)加大。但過分加大拉伸比率會導(dǎo)致材料的破壞，用通俗的話來講，就是材料的分子鏈被拉斷，材料受到了破壞。另外，如果拉伸溫度偏高，拉伸速率過低，分子鏈在拉伸的過程中會產(chǎn)生松弛，即分子鏈在拉伸的過程中有足夠的時(shí)間和能力回復(fù)到原來的卷曲狀態(tài)，使取向程度降低。因此，要獲得較為理想的取向度，應(yīng)當(dāng)制定合理的拉伸溫度和較快的拉伸速率，并及時(shí)將拉伸后材料的溫度降低到玻璃化溫度以下。
3.3 PVC-U管材的雙軸拉伸
PVC屬于非結(jié)晶型的無定型塑料，由于分子中的氯具有較大的極性，因此呈剛性，玻璃化溫度較高，沒有明確的熔點(diǎn)。這種性能的管材，與其他結(jié)晶型的聚烯烴管材相比，較適合于進(jìn)行雙軸拉伸取向。PVC管材在成型過程中很容易進(jìn)行單軸拉伸取向。
PVC管材在成型過程中很容易進(jìn)行單軸拉伸取向，即軸向拉伸取向，只要增加管材牽引和擠出的速比即可實(shí)現(xiàn)這種取向。但這種軸向拉伸取向?qū)懿牡男阅軄碇v是毫無意義的，因?yàn)樗m然通過拉伸取向增加了管材取向的強(qiáng)度，但卻降低了管材徑向（即環(huán)向）的強(qiáng)度，這對于塑料管材，尤其是給水管材來說，是十分有害的，因?yàn)樗鼤蟠蠼档凸懿牡囊簤罕茝?qiáng)度，這也是管材的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中要規(guī)定管材的縱向回縮率一定要小于等于5%的原因。
理想的拉伸取向應(yīng)當(dāng)是雙向的，即雙軸拉伸取向，通過雙軸拉伸取向，既增加了管材的軸向強(qiáng)度，同時(shí)也增加了管材的徑向（即環(huán)向）強(qiáng)度。也就是說，通過雙軸拉伸取向，提高了管材的整體性能。在管材材料強(qiáng)度大大增加、管材原有液壓爆破強(qiáng)度基礎(chǔ)上，通過降低壁厚的方法節(jié)省原料，降低產(chǎn)品的成本。
4 PVC-O管材的生產(chǎn)技術(shù)
在線連續(xù)生產(chǎn)PVC-O管材的生產(chǎn)技術(shù)比較復(fù)雜，目前都屬于技術(shù)。生產(chǎn)PVC-O管材的另一個(gè)難點(diǎn)-成型連體的承口也已經(jīng)有技術(shù)。PVC-U給水管的雙軸拉伸工藝國內(nèi)外都有報(bào)道，較為理想的加工方法有兩種：荷蘭瓦云公司的連續(xù)成型法和法國阿爾法康公司的管材帶R-R承口的成型法。荷蘭瓦云公司的雙軸拉伸管材成型方法的特點(diǎn)是可以連續(xù)生產(chǎn)。法國阿爾法康公司成型方法的特點(diǎn)是可以生產(chǎn)R-R承口的管材，缺點(diǎn)是不能連續(xù)生產(chǎn)。
“離線”加工工藝的主要局限性是擠出速度低和單位產(chǎn)出的投資費(fèi)用高。由于料胚管周圍厚度和溫度的差異，自由膨脹的公差難以控制。為了達(dá)到溫度、均勻的條件，所需循環(huán)時(shí)間長。
的加工工藝是在擠出加工過程中“在線”進(jìn)行取向，但是生產(chǎn)線設(shè)計(jì)時(shí)常有以下難題需要考慮：
（1）在不知道受熱經(jīng)歷、拉伸速率的情況下，拉伸比例會如何影響拉伸加工中PVC的力學(xué)特性或zui終產(chǎn)品的特性。不知道要達(dá)到的溫度允差，只能根據(jù)從“離線”加工工藝中得來的結(jié)果進(jìn)行定性估計(jì)。
（2）需要在離擠出機(jī)一段距離處，將物料控制在要求的溫度下進(jìn)行受熱處理，在生產(chǎn)線的某一點(diǎn)進(jìn)行膨脹。不論是用機(jī)械方法還是用液壓方法進(jìn)行膨脹，均需要配放在管材內(nèi)的裝置。這樣的裝置很容易損壞，造成生產(chǎn)線事故，而且在管材內(nèi)的裝置和管材本身兩者之間存在很大的反作用力，都需要由牽引設(shè)備和錨定系統(tǒng)來控制。
（3）考慮到軸向力的平衡和得到的盈利及軸向變化，設(shè)置一個(gè)穩(wěn)定的膨脹。
5 PVC-O管材的規(guī)格尺寸和性能
5.1 PVC-O管材的壁厚
由于PVC-O管材是將原來成型的PVC-U管材進(jìn)行軸向和徑向拉伸，所以管材的壁厚較薄。表3是GB/T 10002.1-2006中規(guī)定的給水用PVC-U管材標(biāo)準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)ISO16422-2006規(guī)定的輸水用PVC-O管枯部分規(guī)格產(chǎn)品壁厚的比較。
表3 PVC-O與PVC-U壁厚比較 mm
| 管材外徑 | PVC-U（1.0MPa） | PVC-O（1.0MPa） | PVC-U（1.6MPa） | PVC-O（1.6MPa） |
| 63 | 3.0 | 1.6 | 4.7 | 2.5 |
| 75 | 3.6 | 1.9 | 5.6 | 2.9 |
| 90 | 4.3 | 2.2 | 6.7 | 3.5 |
| 110 | 4.8 | 2.7 | 7.2 | 4.2 |
| 125 | 5.4 | 3.1 | 7.4 | 4.6 |
| 140 | 6.1 | 3.5 | 8.3 | 5.4 |
| 160 | 7.0 | 4.0 | 9.5 | 6.2 |
| 200 | 8.7 | 4.9 | 11.9 | 7.7 |
| 225 | 9.8 | 5.5 | 13.4 | 9.6 |
| 250 | 10.9 | 6.2 | 14.8 | 9，6 |
| 315 | 13.7 | 7.7 | 18.7 | 12，1 |
| 355 | 14.8 | 8.， | 21.1 | 13.6 |
| 400 | 15.8 | 9.8 | 23.7 | 15.3 |
| 450 | 17.2 | 11.0 | 26.7 | 17.2 |
| 500 | 19.1 | 12.3 | 29.7 | 19.1 |
| 560 | 21.4 | 13.7 | 21.4 | |
| 630 | 24.1 | 15.4 | 24.1 | |
從表3可以看出，PVC-O給水管較PVC-U給水管可減少壁厚35%-40%，大大節(jié)約了材料，降低了成本。
5.2 強(qiáng)度和韌度性能
PVC-O加工工藝是把由常用擠出方法生產(chǎn)的PVC-U管材的長鏈分子進(jìn)行取向。在加工中管材的直徑增大，使分子在環(huán)向取向并帶來強(qiáng)度和韌度兩個(gè)物理性能的實(shí)質(zhì)性改善。分子的取向大大地增加了材料的短期和長期強(qiáng)度。
由于突出的強(qiáng)度和韌度，MRS45和MRS50的PVC-O材料的50年安全系數(shù)可以用1.6或1.4143來表示，所以PVC-O管用的設(shè)計(jì)應(yīng)力可高達(dá)28MPa和32MPa，結(jié)果比PVC-U管材和PVC-M管材節(jié)約大量材料。
分子取向加工產(chǎn)生薄片分層結(jié)構(gòu)，是PVC-O韌度高的關(guān)鍵。如果由于缺陷和點(diǎn)負(fù)載產(chǎn)生了裂紋，分層結(jié)構(gòu)會阻礙裂紋在材料中通過，裂紋在各層通過時(shí)由于應(yīng)力集中的減少，裂紋擴(kuò)展被有效地抑制。
另外一種新型管材--增韌改性PVC-M管材，雖然其沖擊強(qiáng)度提高了，但拉伸強(qiáng)度沒有提高。
表4是PVC-O管材與PVC-U管材沖擊強(qiáng)度比較。
表4 PVC--0管材與PVC--U管材沖擊強(qiáng)度比較
| 管材外徑/mm | PVC-U | PVC-O |
| 落錘質(zhì)量/kg | 沖擊高度/mm | 落錘質(zhì)量/kg | 沖擊高度/mm |
| 63 | 0.25 | 2000 | 4.0 | 2000 |
| 75 | 0.25 | 2000 | 5.0 | 2000 |
| 90 | 0.50 | 2000 | 5.0 | 2000 |
| 110 | 0.50 | 2000 | 6.3 | 2000 |
| 125 | 1.00 | 2000 | 6.3 | 2000 |
| 140 | 1.00 | 2000 | 8.0 | 2000 |
| 160 | 1.00 | 2000 | 8.0 | 2000 |
| 200 | 1.00 | 2000 | 10.0 | 2000 |
| ≥225 | 1.00 | 2000 | 11.5 | 2000 |
從表4可以看出，PVC-U給水管材通過雙軸拉伸后，其沖擊強(qiáng)度提高了10倍多。
PVC-O管的另千個(gè)優(yōu)點(diǎn)是由于較高的設(shè)計(jì)應(yīng)力，增加了通水能力，方便了搬運(yùn)和鋪設(shè)。
6 PVC-O管材的主要市場
在國外，PVC-O主要應(yīng)用在給水管道、礦山管道、非開挖鋪設(shè)和修復(fù)用管道、燃?xì)夤芫W(wǎng)等領(lǐng)域。
一些國家的飲水管網(wǎng)中PVC-O的應(yīng)用在逐步擴(kuò)大，成為PVC-U的替代晶，據(jù)Wavin集團(tuán)的調(diào)查報(bào)告，荷蘭、法國、西班牙、北美、南美、澳大利亞等國家都在大量使用PVC-O管道。荷蘭的飲水管網(wǎng)已經(jīng)100%使用PVC-O管道，法國等國在近一二年內(nèi)也將全部采用。礦山環(huán)境特別惡劣，安全要求特別嚴(yán)格，在有腐蝕性的地下環(huán)境中，強(qiáng)度大、韌性高、抗沖擊、不腐蝕的PVC-O管道非常有競爭優(yōu)勢。采用非開挖技術(shù)鋪設(shè)新管道和修復(fù)舊管道是一個(gè)有巨大需求的市場，DuralinerTM修復(fù)方法可以顯著地節(jié)約費(fèi)用。PVC-O管道應(yīng)用在荷蘭等國供燃?xì)夤芫W(wǎng)中，提供了良好的強(qiáng)度、剛度和韌度，材料和鋪設(shè)費(fèi)用比競爭材料低很多。
7 PVC-O管材的經(jīng)濟(jì)效益
荷蘭Wavin集團(tuán)已經(jīng)生產(chǎn)并使用PVC-O管材多年，據(jù)Wavin集團(tuán)統(tǒng)計(jì)，與PVC-U相比，PVC-O管材投入、支出情況如下。
（1）平均節(jié)省原料11.58%。
（2）PVC-O投資提高2.5-3倍（在歐洲情況）。
（3）產(chǎn)量300～650 kg/h，長度增加20%-40%。
（4）廢品率增高2%-4%。
（5）能源損耗提高25%。
（6）人力運(yùn)行費(fèi)用增加10%-15%。
（7）生產(chǎn)線長度增加25%。
綜合計(jì)算，1 m管材節(jié)省投入33%-44%，價(jià)格可提高10%-15%?？梢?，PVC-O管材是一次性投人，終身收益。
8 結(jié)論
由于PVC非凡的多功能性，突出的耐久性和經(jīng)濟(jì)性，將來還是管材的材料。而PVC-O作為一種新型韻管材，具有性能好、成本低、管材質(zhì)量輕、搬運(yùn)和鋪設(shè)容易等優(yōu)點(diǎn)，*的性能使其可以應(yīng)用到較高的壓力和更惡劣的環(huán)境中。
降低產(chǎn)品成本的同時(shí)提高其性能是人們一直在追求但并不容易實(shí)現(xiàn)的課題。雙軸取向PVC管不僅為這一課題提供了范例，更為一個(gè)新產(chǎn)品的未來發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。
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