馬建華，鄭化安，王小憲，雷瑞，胡國和，李應(yīng)平，王佼

(陜西煤業(yè)化工技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710075)

采用普通擠出方法制備的PVC-U管材，其分子沿軸向取向，軸向強(qiáng)度大于周向強(qiáng)度，這種強(qiáng)度分配對(duì)于輸送壓力流體的管材非常不合理。普通軸向增強(qiáng)PVC-U管材受內(nèi)壓時(shí)應(yīng)力最大的周向正好是強(qiáng)度最弱的方向，管材軸向的高強(qiáng)度、高模量并不能使管的耐壓強(qiáng)度提高，造成了材料性能的極大浪費(fèi)[1]。為了增強(qiáng)PVC-U管材的周向強(qiáng)度，通常會(huì)采用增加管材壁厚、改變管材結(jié)構(gòu)(例如雙壁波紋管或者加筋管)、制備復(fù)合管材等方法，然而這些方法的實(shí)施會(huì)在節(jié)材降耗、設(shè)備復(fù)雜性、管材質(zhì)量穩(wěn)定性等方面出現(xiàn)不同的問題。長(zhǎng)期以來，國內(nèi)外在提高PVC管材周向強(qiáng)度方面開展了諸多研究工作，直到雙軸取向PVC管材(PVC-O)的開發(fā)成功，以上問題才得到了較好地解決。PVC-O管材是通過將擠出成型的PVC-U管材進(jìn)行環(huán)向以及軸向拉伸制備的，雙軸取向提高了管材的強(qiáng)度和韌性，特別是通過雙軸取向后，材料獲得了有序的微觀結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)能夠阻礙裂紋在材料中的通過，延長(zhǎng)管材的使用年限，并由于管壁的減薄節(jié)約了原材料。PVC-O管最早是英國Uponor公司在20世紀(jì)70年代開發(fā)的，后來澳大利亞、美國、荷蘭和法國的相關(guān)公司也相繼開發(fā)成功[2]。而我國PVC-O管材生產(chǎn)在一定程度上受到專用生產(chǎn)設(shè)備及成型工藝的制約，制備成本居高不下，故十分有必要對(duì)PVO-O管材加工成套設(shè)備進(jìn)行系統(tǒng)研發(fā)。另外，由于我國PVC管材制造企業(yè)為了降低成本，在PVC-U管材配方中添加較多的無機(jī)填料，而增韌劑等材料用量不足，造成PVC-U管材延展性不佳，在對(duì)其進(jìn)行軸向拉伸以及環(huán)向擴(kuò)脹時(shí)容易發(fā)生破裂。因此，對(duì)PVC-O管材生產(chǎn)技術(shù)的開發(fā)不僅需要關(guān)注其專用設(shè)備及加工工藝，與之匹配的專用配方開發(fā)也具有重要的實(shí)際意義。筆者從PVC-O管材的技術(shù)現(xiàn)狀、市場(chǎng)應(yīng)用情況和未來發(fā)展趨勢(shì)等方面進(jìn)行了綜述，以期為PVC-O管材的生產(chǎn)開發(fā)提供參考。

1 PVC-O管材技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 雙軸取向技術(shù)

雙軸取向自增強(qiáng)管是在生產(chǎn)過程中將管材沿軸向和環(huán)向都拉伸取向，即在軸向拉伸的同時(shí)，環(huán)向也進(jìn)行擴(kuò)脹，從而使管材軸向和環(huán)向的力學(xué)性能均得到自增強(qiáng)。從結(jié)構(gòu)相的角度分析，這種工藝方法的目的是獲得“均質(zhì)復(fù)合材料”；從應(yīng)用的角度分析，這種方法的優(yōu)勢(shì)在于經(jīng)濟(jì)性好和加工方便。PVC-O管材生產(chǎn)通常分為兩個(gè)階段：①按照普通PVC管材的配方及工藝條件，使用雙(單)螺桿擠出機(jī)生產(chǎn)管坯；②將由機(jī)頭擠出的熱管坯冷卻到特定溫度，再用擴(kuò)脹器擴(kuò)徑，同時(shí)在高的牽引速比下牽引，然后在冷水中定型。通過以上步驟，PVC-O管材獲得了相較PVC管坯增大2倍的直徑和減少一半的壁厚，同時(shí)管坯在擴(kuò)脹過程中實(shí)現(xiàn)了環(huán)向的PVC分子取向。

雙軸拉伸的技術(shù)關(guān)鍵在于管材的環(huán)向自增強(qiáng)。研究表明，在拉伸過程中實(shí)現(xiàn)環(huán)向擴(kuò)脹的較為有效方法包括：模頭拉伸法、壓力擴(kuò)張拉伸法、旋轉(zhuǎn)芯棒拉伸法等[3-4]。

模頭拉伸法是將加熱至一定溫度(低于熔點(diǎn)或維卡軟化溫度)的坯料在牽引力的作用下，以一定的速度通過一個(gè)錐形芯?；蚰ｎ^，從而形成一定截面尺寸且在拉伸方向具有較高模量的高強(qiáng)度管材。模頭拉伸法是世界上普遍應(yīng)用的管材雙向拉伸增強(qiáng)方法，但是實(shí)施起來比較困難，特別是擴(kuò)孔拉伸更是如此。從拉伸結(jié)果看，無論怎樣變更芯模直徑，增大芯模擴(kuò)脹角，拉伸管的軸向性能總是高于環(huán)向性能，這正是模頭拉伸法的不足之處。

壓力擴(kuò)張拉伸法是利用壓力液體或氣體對(duì)管坯進(jìn)行環(huán)向拉伸。利用壓力氣體或液體擴(kuò)張管材時(shí)，可以避免管材在軸向和環(huán)向的收縮，從而保證管材尺寸滿足要求。但是這種方法容易使管材產(chǎn)生局部膨脹而導(dǎo)致壁厚不均，故該法更適合于薄壁管的生產(chǎn)。

旋轉(zhuǎn)芯棒拉伸法是通過擠出機(jī)機(jī)頭的旋轉(zhuǎn)裝置，使聚合物在熔融狀態(tài)產(chǎn)生取向。依靠成型管材內(nèi)表面的芯棒旋轉(zhuǎn)形成的環(huán)向剪切力場(chǎng)，使管材沿環(huán)向取向，從而實(shí)現(xiàn)管材環(huán)向的自增強(qiáng)。

目前所有提高管材周向強(qiáng)度的技術(shù)中，只有剪切控制技術(shù)和旋轉(zhuǎn)成型技術(shù)的軸向強(qiáng)度超過了周向強(qiáng)度。

1.2 制造工藝技術(shù)

PVC-O管材的制造技術(shù)通常分為兩大類：兩步加工法和一步加工法[5]。兩步加工法又稱離線工藝，其特點(diǎn)是將擠出厚料坯和雙向拉伸取向分兩步進(jìn)行。取向過程是將擠出成型并冷卻的PVC-U管材段放在模具內(nèi)，通過加熱和加壓膨脹到要求尺寸來實(shí)現(xiàn)的。一步加工法又稱在線工藝，其特點(diǎn)是在管材擠出生產(chǎn)線上，把已經(jīng)擠出成型的PVC-U管材連續(xù)地通過徑向的擴(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。離線工藝開發(fā)較早，設(shè)備和工藝比較簡(jiǎn)單，可以達(dá)到較大的取向效果，產(chǎn)品性能優(yōu)良，可生產(chǎn)的產(chǎn)品范圍較寬。但是傳統(tǒng)的離線工藝生產(chǎn)效率較低，耗費(fèi)勞力和能源較多，因此PVC-O管材雖然已經(jīng)存在了近30年，但是直到在線取向制備工藝出現(xiàn)以后，PVC-O管材才在性能及成本優(yōu)勢(shì)方面與PVC-M管材相媲美。這主要是由于在線加工工藝實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)效率的大幅提升，降低了生產(chǎn)成本的同時(shí)顯著增加了管材的強(qiáng)度和韌性，從而在提高管材設(shè)計(jì)壓力的同時(shí)減少材料用量，這在耐高壓管材領(lǐng)域十分重要。

在線工藝的典型路線如下：生產(chǎn)線的前部是通常的擠出線，連續(xù)擠出用作料坯的厚管，在料坯管中的固定位置有2個(gè)塞體——在前面的“分隔塞”和后面的“可膨脹塞”。在控制溫度的狀態(tài)下，通過內(nèi)操作管向2個(gè)塞體之間輸入高壓水，實(shí)現(xiàn)料坯管徑向的膨脹，同時(shí)通過生產(chǎn)線前后牽引速度差實(shí)現(xiàn)料坯管的軸向拉伸。在這個(gè)過程中，可膨脹塞要相應(yīng)地膨脹，保持對(duì)兩塞之間高壓水的密封(塞面和管材內(nèi)壁之間始終在滑動(dòng))。最后經(jīng)過徑向的擴(kuò)張和軸向的拉伸，實(shí)現(xiàn)了雙軸取向管材的冷卻定型。

1.3 配方技術(shù)

PVC屬于無定形塑料且沒有明確的熔點(diǎn)，故PVC管材與其他結(jié)晶型的聚烯烴管材相比，更適合于進(jìn)行雙軸拉伸取向。在加工中對(duì)管材進(jìn)行徑向擴(kuò)脹，使分子沿環(huán)向取向，不僅提高了強(qiáng)度，而且韌度也有了實(shí)質(zhì)性的改善。而為了適應(yīng)這種雙軸拉伸工藝，在雙軸拉伸自增強(qiáng)PVC管材的配方設(shè)計(jì)中，材料除應(yīng)符合強(qiáng)度與加工性能要求以外，還應(yīng)具有足夠的延展性，即PVC-O專用料要求具有比較大的斷裂伸長(zhǎng)率。

劉濤等[6]采用正交分析法對(duì)PVC-O管材專用配方進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：對(duì)于斷裂伸長(zhǎng)率來說，影響因素的大小順序?yàn)闊o機(jī)填料>復(fù)合潤(rùn)滑劑>ACR加工助劑；對(duì)于沖擊強(qiáng)度來說，影響因素的大小順序?yàn)閺?fù)合潤(rùn)滑劑>ACR加工助劑>無機(jī)填料?？梢?，無機(jī)填料對(duì)于斷裂伸長(zhǎng)率影響最大，其加入量、粒徑、分散均勻度會(huì)直接影響PVC-O管材的拉伸擴(kuò)張倍率。復(fù)合潤(rùn)滑劑對(duì)沖擊強(qiáng)度影響最大，且對(duì)斷裂伸長(zhǎng)率影響也較大。復(fù)合潤(rùn)滑劑的加入量偏大時(shí)會(huì)阻礙PVC粒子間的融合，導(dǎo)致塑化困難，進(jìn)而影響材料各方面性能。ACR加工助劑對(duì)于沖擊強(qiáng)度影響較大，對(duì)于斷裂伸長(zhǎng)率影響較小。ACR加工助劑促進(jìn)了PVC初級(jí)粒子的破裂，縮短了塑化時(shí)間；另一方面，由于ACR加工助劑與PVC基體間存在很好的相容性，使兩者之間的分子鏈發(fā)生纏結(jié)，進(jìn)而提高了PVC的沖擊強(qiáng)度。

2 PVC-O管材市場(chǎng)應(yīng)用情況

通過雙軸拉伸取向，既增加了管材的軸向強(qiáng)度，又增加了管材的環(huán)向強(qiáng)度，環(huán)向強(qiáng)度的提高直接增強(qiáng)了管材承受水壓的能力。因?yàn)榉肿尤∠蚣庸ぎa(chǎn)生薄片分層結(jié)構(gòu)，在管材因缺陷或點(diǎn)負(fù)載產(chǎn)生裂紋時(shí)，分層結(jié)構(gòu)會(huì)阻礙裂紋在材料中通過，裂紋在各層通過時(shí)由于應(yīng)力集中的減少而被有效抑制，同時(shí)分子的取向大大增加了材料的短期強(qiáng)度和長(zhǎng)期強(qiáng)度。由于突出的強(qiáng)度和韌度，型號(hào)為MRS45和MRS50的PVC-O材料的50年安全系數(shù)可以分別采用1.6和1.414 3，所以PVC-O管材的設(shè)計(jì)應(yīng)力可分別高達(dá)28 MPa和32 MPa，結(jié)果比PVC-U管材和PVC-M管材節(jié)約大量材料[7]。在國外，PVC-O管材主要應(yīng)用在給水管道、礦山管道、非開挖鋪設(shè)和修復(fù)管道、燃?xì)夤芫W(wǎng)等市場(chǎng)。一些國家的飲水管網(wǎng)中，PVC-O管材的應(yīng)用在逐步擴(kuò)大，成為PVC-U管材的替代品。據(jù)Wavin集團(tuán)的調(diào)查報(bào)告，荷蘭、法國、西班牙、北美、南美、澳大利亞等國家和地區(qū)都在大量使用PVC-O管道。荷蘭的飲用水管網(wǎng)已經(jīng)100%使用PVC-O管道，法國在近一兩年也將全部使用PVC-O管道。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、耐沖擊、不腐蝕的PVC-O管道非常有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。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(chǎng)，Duraliner TM修復(fù)方法證明這個(gè)管道修復(fù)方法可以顯著地節(jié)約費(fèi)用。PVC-O管道在荷蘭等國燃?xì)夤芫W(wǎng)中，提供了良好的強(qiáng)度、剛度和韌性，材料和鋪設(shè)費(fèi)用比競(jìng)爭(zhēng)材料低得多。與PVC-U管材和PVC-M管材相比，PVC-O管材的開發(fā)實(shí)現(xiàn)了既節(jié)省材料又提高性能的目的，具有高性價(jià)比優(yōu)勢(shì)，市場(chǎng)需求廣闊。

3 PVC-O管材發(fā)展趨勢(shì)

提高管材的環(huán)向強(qiáng)度可以明顯提高管材整體的耐壓能力，經(jīng)過雙軸取向拉伸處理，不僅可使管材軸向、環(huán)向強(qiáng)度提高，承受更高的內(nèi)壓，而且可以使管壁變薄、管徑變大，實(shí)現(xiàn)既節(jié)省材料，又提高性能的目的。但是目前現(xiàn)有的生產(chǎn)雙軸取向管材的擴(kuò)脹方法，如口模拉伸和錐形管等機(jī)械擴(kuò)脹法，往往存在取向度不高、環(huán)向增強(qiáng)不顯著的缺點(diǎn)；而氣壓擴(kuò)脹法易出現(xiàn)壓力不足，擴(kuò)脹不均勻等不足；液壓擴(kuò)脹法裝置比較復(fù)雜，需要解決密封的問題；熔體流動(dòng)取向法的取向程度不易控制，取向結(jié)構(gòu)難以固定。因此，尋找一種能夠連續(xù)生產(chǎn)雙向自增強(qiáng)管材，且擴(kuò)脹均勻、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、管材環(huán)向取向明顯的方法勢(shì)在必行。

與國外相比，國內(nèi)科研單位對(duì)PVC-O管材加工制備技術(shù)的研究較晚，有代表性的是北京化工大學(xué)和四川大學(xué)，它們對(duì)于PVC-O管材一步法制備技術(shù)進(jìn)行了持續(xù)性的探索，開展了大量試驗(yàn)研究，并已經(jīng)取得了初步成果[1,3,4]。通常而言，最能顯示PVC-O管材競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的是要求耐壓性特別高、沖擊性特別強(qiáng)的應(yīng)用領(lǐng)域，如環(huán)境惡劣的礦山和工業(yè)場(chǎng)所。換句話說，PVC-O管材的目標(biāo)市場(chǎng)應(yīng)該設(shè)定在PVC-U管材、PVC-M管材，以及HDPE管材難以勝任的地方。因此，針對(duì)PVC-O管材的加工技術(shù)與配方研發(fā)結(jié)合制備高性能特種PVC-O管材具有十分廣闊的前景。

4 結(jié)語

PVC-O管材作為一種新型管材，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)，超強(qiáng)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-O管材的開發(fā)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)。