劉俊

(江西省建筑材料工業(yè)科學研究設計院, 江西 南昌 330001)

增韌改性雖然是提高管材力學性能的有效途徑，但其局限性是改 PVC樹脂價格較高，提高了管材成本。普通塑料管材在極限環(huán)向應力作用下，初期出現(xiàn)軸向裂紋，并沿管道軸向迅速增長，形成長距離開裂，造成大量液體泄漏。因此，如何既能提高塑料管的周向強度，有效地防止塑料管道發(fā)生快速開裂，又能低成本生產(chǎn)，是塑料管業(yè)一直思考的問題。

研究發(fā)現(xiàn)，用硬質(zhì) PVC塑料生產(chǎn) PVC管過程中，將管材在其軟化點附近進行周向和軸向拉伸使聚氯乙烯分子在管子的周向和軸向取向，使管材周向和軸向的力學性能均得以增強。通過雙向取向得到的PVC管簡稱為PVC-O管。PVC-O管因強度高、韌性大、抗沖擊、耐疲勞，各種機械性能不但遠優(yōu)于普通 PVC-U管，而且更好于PVC-M管，故有“打不破的管材”的美稱。

1 PVC-O管材的特性

1.1 PVC-O管材具有優(yōu)良的抗水錘能力

PVC-O管材的波速遠低于傳統(tǒng)管材，比鑄鐵管低4倍，這意味著減少了因水壓和水量變化而形成的水錘，從而減少乃至消除了打開和關閉水網(wǎng)時爆管的可能性；同時，在水網(wǎng)運行時，也對水網(wǎng)的各個部件形成了保護。

1.2 PVC-O管材具有便捷的連接性

PVC-O管材采用柔性連接，不僅施工安裝簡單快速，而且確保管線安裝完畢后接頭不會移位，管線水密性好，漏失少，珍貴的水資源得到有效輸送。

1.3 PVC-O管材具有環(huán)保節(jié)能性

PVC-O管材管壁僅為傳統(tǒng)塑料管材的一半，增大了內(nèi)徑和輸水斷面面積；同時PVC-O管材卓越的生產(chǎn)設備和工藝使其內(nèi)壁要遠比金屬管材光滑，這不僅減少了水頭損失，而且管線中沉積物亦難于附著于內(nèi)壁。這意味著同樣外徑的PVC-O管材，要比傳統(tǒng)管材輸水流量提高15%～40%。

1.4 PVC-O管材具有優(yōu)良的衛(wèi)生性能

PVC-O管材分子雙軸取向技術的實現(xiàn)是基于優(yōu)質(zhì)原料，無法摻假。PVC-O管材耐受腐蝕，管材內(nèi)外亦無需涂層，輸水過程中不存在其他物質(zhì)向水體的遷移，使得水體在輸送時水質(zhì)保持不變。

1.5 PVC-O管材具有無與倫比的抗沖擊性能

PVC-O管材比PVC-U具有更好的抗沖擊性。特別是在較低溫度下，傳統(tǒng)PVC-U在5℃以下易脆，PVC-O則未顯示出這個問題。在較低溫度下，PVC-O的抗沖擊性甚至高于正常工作條件(溫度＞20℃)下的PVC-U。PVC-O與PE之間也有不同，“時間”是這種差異的一個至關重要的因素：如何“長期”抵抗裂紋擴展的影響。

1.6 PVC-O管材超高的強度

管材壁厚僅為普通PVC-U管材的一半，但強度達到4倍。

1.7 PVC-O管材擁有卓越的彈性

在管材直徑方向上可以承受的變形達到管材內(nèi)徑的100%。當管材受到擠壓后，管材可以迅速恢復原形，從而使得施工過程中因砂石擠壓或機械沖撞而造成的破壞風險降至最低。同時，卓越的韌性使得PVC-O管材極為適合于S形管線的鋪設。

1.8 PVC-O管材卓具有良好的耐低溫脆性

即使在-25℃的寒冷環(huán)境下，其吸收沖擊的能力也沒有明顯變化，從而擴大了PVC-O管材的使用地區(qū)，延長了管線施工的窗口。

1.9 PVC-O管材具備優(yōu)良的抗開裂能力。

PVC-O管材對缺口不敏感，網(wǎng)狀的管壁結(jié)構(gòu)可以有效阻止裂紋和劃痕的延伸，外界對管材本體造成的破壞點不會擴展。消除了管線快速開裂及慢速開裂的現(xiàn)象，從而極大地保證了管網(wǎng)的安全，并延長了產(chǎn)品的使用壽命。

2 高分子材料的拉伸取向機理和溫度控制區(qū)間

高分子聚合物有個特性，就是在外力的作用下對產(chǎn)品進行拉伸時，分子能夠有序的重新規(guī)整和排列，并可以明顯地提高它的物理性能，如：拉伸強度、落錘沖擊強度和承壓能力。高分子材料制品的拉伸取向會給產(chǎn)品帶來優(yōu)良的性能，雙軸取向聚氯乙烯(PVC-O)管材就是通過雙向拉伸工藝生產(chǎn)的管材，這一加工工藝是采用高分子物理原理，拉伸取向機理的方法完成的，對PVC管材進行縱向拉伸和橫向拉伸擴張，使管材中的PVC分子在外力的作用下重新有序的排列，使PVC分子能夠均一的承受一定的力，從而形成合力，使強度、韌性、抗沖擊性和抗疲勞性得到加強，避免了分子單一受力的現(xiàn)象[2]。PVC-O管材就是通過這一原理生產(chǎn)而成的，由于PVC-O管的產(chǎn)品性能要優(yōu)于PVC-U管材，所以擴大了它的使用范圍，具有明顯的經(jīng)濟效益和社會效益。

高分子材料的拉伸取向過程是在Tg與Tf之間，一般是在高彈態(tài)區(qū)間的溫度條件下，溫度控制在80～160℃之間，對管材進行拉伸和擴張，使高分子材料在外力的作用下分子從無序排列到有序排列的過程。

由圖可知高分子材料有三種物理狀態(tài)，即：玻璃態(tài)、高彈態(tài)和黏流態(tài)，其轉(zhuǎn)變溫度分別為：Tg=80℃ (玻 璃 化 溫 度 )、Tf=160℃ (黏 流 溫 度 )、Td=200℃(分解溫度)，根據(jù)配方中穩(wěn)定體系、穩(wěn)定劑用量與搭配，分解溫度有所提高或降低，所以從理論上講成型硬質(zhì)PVC管材時機筒各段溫度的控制應有所不同，為獲得高質(zhì)量、高產(chǎn)量，各段溫度需反復調(diào)節(jié)，準確控制。

在拉伸過程中，由于高分子實現(xiàn)了有序的排列、PVC-O管材的高分子沿分子取向力的方向，強度得到了極大提高，而垂直于拉伸方向的強度大大減小[3]。也就是說材料通過拉伸取向，將垂直于拉伸方向的強度，通過外力的拉伸取向，移動到了沿分子取向方向的強度上去了。雙軸拉伸取向的優(yōu)點，就是通過縱向拉伸和橫向拉伸，將卷曲的分子鏈拉直并沿拉伸力的方向排列。適當增加拉伸比率，則分子取向程度加大，材料的強度也同時加大。但不能過分加大拉伸比率，拉伸比太大會導致高分子材料的破壞，將高分子材料的分子鏈被拉斷，管材局部會出現(xiàn)白化現(xiàn)象，壁厚減小，此時應力會階梯式的下降，高分子材料已受到了永久的破壞。

如果在拉伸過程中物料溫度控制過高，在黏流態(tài)160～200℃時，拉伸速度又過低，冷卻太慢，分子鏈在拉伸的過程中會產(chǎn)生松弛現(xiàn)象，即在拉伸的過程中分子鏈產(chǎn)生蠕動，由于溫度過高PVC分子有足夠的時間和能力，使分子逐漸回復至原來的卷曲狀態(tài)，使取向程度降低。拉伸沒有起到相應的效果，因此要獲得較為理想的拉伸取向，應當制定合理的拉伸溫度、拉伸速率、一定的冷卻時間。及時的將拉伸后的管材溫度降到其玻璃化溫度以下。使高分子鏈及時的冷卻定型。

在拉伸過程中溫度控制過低，在玻璃態(tài)Tg80℃，分子鏈處于凍結(jié)狀態(tài)，在這個溫度條件下進行拉伸，會造成材料受強迫拉伸而破壞了它原有的應力。拉伸的不均勻現(xiàn)象增加。機械受力嚴重。

在拉伸過程中溫度最好控制在高彈態(tài)Tf=120～160℃左右，因為在此時PVC的溫度高于玻璃態(tài)區(qū)間，有利于拉伸和擴張。但溫度又低于黏流態(tài)區(qū)間，PVC分子相對固定，不會產(chǎn)生分子間的蠕變和移動，PVC分子沒有足夠的時間和能力回復至原來的卷曲狀態(tài)，物料也不會產(chǎn)生局部過熱現(xiàn)象，在此區(qū)間拉伸和擴張較為理想。

3 PVC-O管材的生產(chǎn)加工方法

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。這種性能的管材，與其他結(jié)晶型的聚烯烴管材相比，較適合于進行雙軸拉伸取向。PVC管材在成型過程中很容易進行單軸拉伸取向。 PVC管材在成型過程中很容易進行單軸拉伸取向，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，因為它雖然通過拉伸取向增加了管材取向的強度，但卻降低了管材徑向(即環(huán)向)的強度，這對于塑料管材，尤其是給水管材來說，是十分有害的，因為它會大大降低管材的液壓爆破強度，這也是管材的質(zhì)量標準中要規(guī)定管材的縱向回縮率一定要小于等于5%的原因。 理想的拉伸取向應當是雙向的，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度，同時也增加了管材的徑向(即環(huán)向)強度。也就是說，通過雙軸拉伸取向，提高了管材的整體性能。在管材材料強度大大增加、管材原有液壓爆破強度基礎上，通過降低壁厚的方法節(jié)省原料，降低產(chǎn)品的成本。

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)向取向并帶來強度和韌度兩個物理性能的實質(zhì)性改善。分子的取向大大地增加了材料的短期和長期強度。分子取向加工產(chǎn)生薄片分層結(jié)構(gòu)，是PVC-O韌度高的關鍵。如果由于缺陷和點負載產(chǎn)生了裂紋，分層結(jié)構(gòu)會阻礙裂紋在材料中通過，裂紋在各層通過時由于應力集中的減少，裂紋擴展被有效地抑制。 PVC-O管材的生產(chǎn)分為一步法和二步法。二步法分為布袋法和高壓水擴張法。

3.1 PVC-O管一步法生產(chǎn)流程圖

如圖1在一步法生產(chǎn)中，當管坯從擠出機中擠出時，在管坯中有二個固定的橡膠塞，分為一級和二級，二級塞為可膨脹塞。并且在一、二級管坯中的型體內(nèi)要能夠充入一定量的氣壓。一級橡膠塞和二級可膨脹橡膠塞相互用鋼絲繩牽引連接，難點就是要控制好二次加熱溫度和加熱時間，并且與主機擠出速度和溫度之間的工藝配合。它的主要流程生產(chǎn)工藝為，先拉伸、后擴張。

在一步法生產(chǎn)PVC-O管時，當管胚從擠出機中擠出時，只要適當?shù)恼{(diào)節(jié)牽引速度就可以實現(xiàn)管材的拉伸取向，但這種拉伸太大時就破壞了環(huán)向取向應力，當在對管材進行擴張時就會出現(xiàn)管材破裂的現(xiàn)象。

一步法的生產(chǎn)速度和效率都高、耗能和耗勞動力少，但設備和工藝復雜，產(chǎn)品徑向尺寸有一定限制。如，荷蘭WAVIN公司生產(chǎn)的 Apelo管，壓力達 PN16，而管材直徑才315 mm；又如，澳大利亞Vinidex公 司生產(chǎn)的 Supermain管，壓力達 PNI6時，管材直徑卻只有300 mm 。

圖1 高分子材料物理狀態(tài)

3.2 PVC-O管二步法生產(chǎn)流程圖

利用布管法對管材進行擴張，先將布管引入在預熱好的管坯內(nèi)，經(jīng)牽引，通過充氣裝置向布管內(nèi)通入一定壓力的氣體布管被快速并充分脹開，外面的管坯同時受內(nèi)壓被擴脹，冷卻后就得到拉伸取向管。

由圖2二步法也稱為離線工藝法，就是將生產(chǎn)好的PVC-O管坯料進行二次加熱、擴張、拉伸。此種生產(chǎn)方法生產(chǎn)速度很慢效率很低，廢品率較高。它的主要生產(chǎn)流程工藝為，先擴張、同時拉伸。

圖2 PVC-O管一步法生產(chǎn)流程圖

二步法生產(chǎn)PVC-O管材生產(chǎn)效率比較低，管胚加熱裝置及加熱的均勻度很難控制。在膨脹過程中壁厚的均勻程度及公差也很難控制。廢品率較高。生產(chǎn)出的PVC-O管材其取向度很難保證。

PVC-O管在生產(chǎn)中如若只擴張，不拉伸，或者只拉伸，不擴張，只能算是擴張管或拉伸管材，這種生產(chǎn)的管材根本達不到應有的標準，只會給以后的安裝和使用留下很多的隱患。PVC-O管它不僅要有縱向的取向度，還有橫向的取向度。取向度是衡量PVC-O管材的一個特定的標準。當高分材料在拉伸時，高分子才會呈現(xiàn)出大分子鏈沿著作用力方向有序的排列。從而使得高分子材料在力的取向方向上獲得較高的力學強度性能。

有關PVC-O給水管的生產(chǎn)工藝，國內(nèi)外都有報道，其中得到較好評價的加工工藝有兩個：一是荷蘭WAVIN公司的連續(xù)成型法，另一個是法國阿爾法康公司的帶 R-R承口的成型法。

荷蘭 WAVIN公司的技術是，擠出機擠出管坯先后連續(xù)地通過生產(chǎn)線上的冷卻區(qū)、加熱區(qū)、擴脹和拉伸區(qū)。從擠出機出來的管坯先在冷卻區(qū)冷卻，當管坯前進到加熱區(qū)再被加熱，隨后被強行塞入擴展芯模實現(xiàn)周向擴脹。擴脹同時，用牽引機強力牽引管材而使管軸向拉伸。

法國阿爾法康公司的技術是，擠出機擠出的管坯用夾具固定在滑動罩體內(nèi)，滑動罩體安裝在成形筒內(nèi)，管材前端夾具的外面是 R-R承口模；溫度略高于管材玻璃化溫度的流體通過管道，壓入成型裝置內(nèi)，管材受熱受壓而開始膨脹，直至管外壁緊貼滑動罩體的內(nèi)壁；滑動罩體在驅(qū)動裝置作用下緩慢地從成形筒內(nèi)抽出，管材膨脹繼續(xù)，直至管外壁緊貼成形筒內(nèi)壁，實現(xiàn)了管材的周向擴脹，與此同時，夾緊裝置在牽引裝置拉動下緩慢從成形筒內(nèi)抽出，對管材進行軸向拉伸。隨后，用冷流體置換掉管材內(nèi)的熱流體，對管材冷卻定型。成型后，鋸掉兩端夾具夾緊處，就得到一根完整的帶 R-R承口的管材。

圖3 PVC-O管二步法生產(chǎn)流程圖

4 PVC-O管材的優(yōu)點和缺點

現(xiàn)在生產(chǎn)PVC管材的廠家都在開發(fā)研究PVC-O管材，認為這是代表了一個廠的實力和技術水平，其實PVC-O管也有很多缺點和不足，但是很多報道只說好的一方面，實質(zhì)性的問題很多消費者都無從知曉。希望廠家在生產(chǎn)和研究過程中能加以克服。

由于PVC的多功能性和配方的多變性，而PVC-O作為一種新型管材，具備了以上有的特點，它的拉伸強度、抗沖擊性、抗疲勞性，綜合性能強，運輸、安裝、維護、維修方便，鋪設容易等優(yōu)點，超強的性能使其可以應用到較高的壓力和更惡劣的環(huán)境之中。

PVC-O管材在沒有擴張和拉伸前，高分子物呈雜亂無序化狀態(tài)，（如圖4），當對PVC-O管進行加熱并施加以外力，將其拉伸，高分子材料通過力的取向、將卷曲的分子鏈拉直并沿拉伸的方向排列、形成統(tǒng)一合力的方向。適當增加拉伸，則分子取向程度加大，材料的強度也同時加大，它能夠極大的提高拉伸強度、提高抗沖擊性能和抗疲勞性能。

如若PVC-O管在生產(chǎn)中首先擴張，然后再進行拉伸。高分子會向著環(huán)方向擴張的方向，（如圖5），高分子就會沿著環(huán)方向的應力取向，使PVC-O管材的承壓能力增強，可有效的提高抗沖擊性、抗疲勞性。所以PVC-O管材的擴張倍率是一個十分重要的參數(shù)。

但擴張倍率、拉伸倍率過高，會帶來材料柔性變差，拉伸倍率和擴張倍率越大，管材的剛性則越強。耐壓強度越大，管材的性能會逐漸由韌性變?yōu)榇嘈浴嗔焉扉L率會逐漸變小，拉伸強度會逐漸加強。

圖4 未取向示意圖

圖5 擴張取向示意圖

PVC-O管材在成型過程中很容易進行單向拉伸，即軸向拉伸取向，只要增加管材牽引和擠出的速比即可實現(xiàn)這種取向。但這種軸向拉伸取向?qū)懿牡木C合性能來講是毫無意義的，有時還會起到反作用，因為它雖然通過拉伸取向增強了管材軸向取向的強度，但卻降低了管材徑向(即環(huán)向)的分子力的強度，這對于塑料管材，尤其是給水管材來說，是十分有害的，因為它會大大降低管材的液壓強度。這只是一種拉伸管材，這種管材在軸向的強度很好，但在環(huán)方向強度卻不是太好。當它在受力或承壓時容易產(chǎn)生爆管 （如圖 6）。

我們要求的PVC-O管材，即要有在拉伸方向的分子取向，又要有擴張方向的分子取向，這樣會使高分子沿著軸向有著一定的分子排向，又有著環(huán)方向排列的分子取向（如圖7），這樣的管材既有拉伸強度，又有擴張強度，使管材的承壓能力得到極大的增強。

5 高分子材料的應力松弛功能

圖6 只拉伸未擴張示意圖

圖7 擴張后拉伸取向示意圖

高分子材料有應力取向性，相反的它也有應力松弛性（即高分子材料的應力回復記意功能），當已生產(chǎn)好的PVC-O管材處于一定溫度的時候，由于大分子鏈內(nèi)摩擦力較小，較容易自由運動，當受到一定應力產(chǎn)生形變后，很快就松弛掉了。那么PVC-O管材的內(nèi)應力就會隨著時間的增加而逐漸減少。管材的強度、承壓能力也會隨著下降，管材的外徑和長度也會隨之產(chǎn)生形變，因為這是高分子材料無法改變的一個特性。

所以生產(chǎn)PVC-O管材應嚴把質(zhì)量關，因為任何產(chǎn)品都有使用區(qū)間，PVC-O主要應用在給水管道、礦山管道、非開挖鋪設和修復用管道、燃氣管網(wǎng)等領域。飲水管網(wǎng)中PVC-O的應用在逐步擴大，成為PVC-U的替代品。

但PVC-O管不能用于熱源管道，不能在戶外存放和戶外使用。它不能在日光下暴曬，不能離熱源太近的地方使用。因為這是它的分子結(jié)構(gòu)和分子性能決定的。這也是它的一大缺點。溫度的升高會使PVC-O管材產(chǎn)生蠕變，高分子材料回復原有記意功能，產(chǎn)生形變。

但在生產(chǎn)PVC-O的時，我要在此反復提醒要慎重、要穩(wěn)妥。如果沒有嚴密的生產(chǎn)標準和完善的工藝生產(chǎn)檢測手段，盲目草率地生產(chǎn)所謂的PVC-O管，可能給用戶、給社會帶來重大損害，同時給生產(chǎn)企業(yè)造成重大損失。PVC-O管材并非是完美無暇，十分完善的一種管材。也并非是所有生產(chǎn)PVC的廠家都可以生產(chǎn)PVC-O管材。由于PVC-O管材的生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)過程都存在著很多有待完善的過程，在生產(chǎn)過程中，合格率太低，造成生產(chǎn)成本較高，管材壁厚難以控制。拉伸倍率和擴張倍率要求較高。二次擴張和拉伸中管材預熱均勻性的問題和擴張時偏心造成壁厚誤差的問題，都需要認真的解決，所以在生產(chǎn)和研發(fā)過程中要慎重。

在高分子這個大家庭中，綜合性能指標能夠達到PVC-O管材的生產(chǎn)材料有很多。在不增加生產(chǎn)設備的情況下，其生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)方法比生產(chǎn)PVC-O管材要簡單、方便、快捷的多，這種管材就是高強度PVC-SG3型管材。

6 總結(jié)

PVC-O產(chǎn)品在和其他材料的競爭中被選用的原因，是因為它最經(jīng)濟有效。大部分塑料(樹脂)是以石油為原材料，因此樹脂的價格依賴于石油的價格，特別是生產(chǎn)中消耗乙烯多的塑料品種，隨著石油價格的不斷增長，其樹脂價格也在相當長時期內(nèi)維持在高位。而以煤為原材料的聚氯乙烯則較少受到石油價格高的影響，持續(xù)維持在較低價格，因而增強了競爭力。

PVC-O產(chǎn)品能夠經(jīng)久不衰的另一個原因，是因為它是一種環(huán)保型的產(chǎn)品。眾所周知，制堿業(yè)是化學工業(yè)的基礎，單就我國而言近幾年每年的燒堿產(chǎn)量就有3 000多萬t。通過電解食鹽制造燒堿的過程中會產(chǎn)生大量的氯氣，氯氣是一種有毒、有害、刺激性氣味的氣體，如果不慎泄漏到大氣中對空氣、對環(huán)境、對周圍的生物都會造成嚴重的危害，所以必須把產(chǎn)生的氯氣消化掉。

而生產(chǎn)制造聚氯乙烯樹脂則是大量消耗氯氣的最好的方式。因而從國家的宏觀政策和大環(huán)保的角度來看，聚氯乙烯是國家著力發(fā)展和保護的環(huán)保型產(chǎn)品。