李松 馬燁紅
(廣東省建筑科學研究院集團股份有限公司)
硬聚氯乙烯塑料管材濕熱老化性能研究
李松 馬燁紅
(廣東省建筑科學研究院集團股份有限公司)
本文對PVC-U塑料管材進行濕熱老化測試,得到其拉伸屈服強度、拉伸斷裂伸長率及維卡軟化溫度的數據,通過分析,研究濕熱老化對材料性能的影響。
聚氯乙烯;濕熱老化;拉伸性能
我國塑料管道生產量超過了1000萬噸,居世界第一,建立了聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯(PE)和聚丙烯(PP)材料為主的塑料管道加工產業(yè)。據統計,2011年,塑料管道中 PVC材料占總量的55%。硬聚氯乙烯(PVC-U)管材因其優(yōu)異的性能和低廉的成本,已逐步取代了鑄鐵管等傳統管材,大量用作建筑物排水管道。2011年底,在新建住宅里使用率超過90%[1]。
PVC-U管材的自然氣候老化是復雜的物理化學變化過程,PVC-U是成分最復雜的塑料之一,是由基材PVC與超過10種其他物質組成的混合物,各組分對上述一種或者多種環(huán)境因素呈現不同活性,發(fā)生化學和物理變化。由于PVC分子結構的特點,使其在加工和使用過程中光氧、熱氧穩(wěn)定性差。PVC-U排水管材,長期暴露于自然氣候環(huán)境中,由于受到各種大氣因素如光、熱、氧、水汽、灰塵,以及工業(yè)大氣污染物的綜合作用,如酸雨、酸霧、霾等,不可避免會發(fā)生老化破壞,外觀上出現變色、粉化,物理性能逐漸降低,甚至不能繼續(xù)使用即失效。
本文通過在測定嚴酷的濕熱條件下,研究其性能的變化,確定老化對其影響,能夠為以后材料的使用提出意見與參考。
2.1 試驗樣品
選取市面上三個廠家的PVC-U塑料管材,按照規(guī)范要求制成待檢樣品,命名為試樣1、試樣2和試樣3,再進行老化試驗。
2.2 試驗方案
⑴拉伸性能:采用國家標準GB/T 8804.2-2003《熱塑性塑料管材 拉伸性能測定 第2部分:硬聚氯乙烯(PVC-U)、氯化聚氯乙烯 (PVC-C)和高抗沖聚氯乙烯(PVC-HI)管材》,拉伸試樣為類型2試樣[2],如圖1。
圖1 拉伸試驗試樣
⑵維卡軟化溫度:采用標準為國家標準GB/T 8802-2001《熱塑性塑料管材、管件維卡軟化溫度的測定》,升溫速率為50℃/h,試驗力為50N的試驗,測定探針深入1mm時的溫度[3],如圖2。
圖2 維卡軟化溫度試樣
2.3 濕熱老化條件
本試驗采用的溫度為:(60±2)℃,相對濕度為:(95±5)%。
3.1 濕熱老化試驗結果
性能測試前,試樣1、試樣2和試驗3在(23± 2)℃、(50±10)%RH的標準狀態(tài)下進行調節(jié)24h,然后測定其性能。測定的時間分別為:初始狀態(tài)、10d和20d時,對其拉伸屈服強度、拉伸斷裂伸長率和維卡軟化溫度進行測試,其結果如圖3~圖8所示。
3.2 結果分析
⑴從圖3和圖4可知,試樣2、試樣3的20d老化以后拉伸性能、拉伸屈服強度,都表現出增加的趨勢;試樣1則減小,拉伸斷裂伸長率,總的來說都在減小。這可能是因為試樣2和試樣3在這個老化周期內PVC分子鏈在高溫環(huán)境下出現重排,試樣配方中部分小分子助劑與分子鏈的相互作用發(fā)生改變,使得分子鏈剛性增大,宏觀表現為試樣的強度增大,伸長率下降。試樣1在這個老化周期內性能已經發(fā)生老化,即表現為強度和伸長率都下降,這可能是因為部分助劑,如填料,與PVC基體相容性不佳,高溫條件下發(fā)生相分離所致。
圖3 三種試樣拉伸屈服強度老化對比圖
圖4 三種材料拉伸斷裂伸長率老化對比圖
⑵從圖5和圖6和圖7可知,試樣2和3的拉伸斷裂伸長率的單值依舊比較均勻,但試樣1在以后的老化過程中,拉伸斷裂伸長率變得離散比較嚴重。這也證明了在這個老化周期內,試樣2和試樣3內部結構發(fā)生變化,導致部分性能變優(yōu),而試樣1在這個老化周期內性能已經發(fā)生老化現象。綜合以上分析可以判斷,試樣2和試樣3的機械性能耐老化性要優(yōu)于試樣3。
圖5 試樣1濕熱老化拉伸斷裂伸長率
圖6 試樣2濕熱老化拉伸斷裂伸長率
圖7 試樣3濕熱老化拉伸斷裂伸長率
⑶從圖8可知,在20d的老化中,維卡軟化溫度都有所增加。維卡軟化溫度的增大可能是濕熱環(huán)境下,試樣分子出現不同程度的重排,使得分子鏈在高溫下的流動性下降,從而維卡軟化溫度上升。
圖8 三種試樣老化維卡軟化溫度對比圖
本文通過選擇3種市售PVC-U管進行濕熱老化試驗,試驗結果表明,試樣2和試樣3在老化周期內未發(fā)現明顯的性能老化現象,試樣1則出現性能老化現象。產品性能差異多由配方差異所致,不同牌號的PVC,不同的助劑以及不同生產工藝條件對PVC-U管的性能有較大影響。這也在一定程度上體現了市場上的PVC-U管性能參差不齊。盡管材料在初期性能差別不大,但從老化結果看來,在以后使用過程必然出現不同程度的老化結果,為材料質量的判定提供一定的數據支持?!?/p>
[1]朱生高,林文,等.PVC-U排水管材戶外老化影響因素綜述
[J].中國建材科技,2013,(02):1-3.
[2]全國塑料制品標準化委員會.GB/T 8804.2-2003熱塑性塑料管材 拉伸性能測定 第2部分:硬聚氯乙烯(PVC-U)、氯化聚氯乙烯(PVC-C)和高抗沖聚氯乙烯(PVC-HI)管材[S].中國標準出版社,2003.
[3]全國塑料制品標準化委員會.GB/T 8802-2001熱塑性塑料管材、管件維卡軟化溫度的測定[S].中國標準出版社,2002.