袁 帥，龐 磊，徐 偉，劉 強(qiáng)，李勝虎

（宜賓天億新材料科技有限公司，四川 宜賓 644000）

PVC在管材的應(yīng)用很長(zhǎng)時(shí)間都只有PVC-U一個(gè)品類。采用常規(guī)的拉伸擠出PVC-U管材，PVC分子沿著軸向排布，而在環(huán)向上，分子的排列并未存在規(guī)整性。在流體輸送中，PVC-U管道受到內(nèi)壓力時(shí)，其環(huán)向強(qiáng)度正是最薄弱點(diǎn)。故管材在壓力流體的輸送過(guò)程中，需要提高管材的壁厚來(lái)提升管材的環(huán)向強(qiáng)度，但是采取此種增強(qiáng)方法，無(wú)疑會(huì)造成材料的巨大浪費(fèi)。

20世紀(jì)后期，PVC-O管材的出現(xiàn)很好地改變了管材環(huán)向強(qiáng)度低的狀況。PVC-O管道是通過(guò)對(duì)擠出成型后獲得的PVC-U管材進(jìn)行環(huán)向和軸向拉伸取向后得到的管材。在微觀結(jié)構(gòu)下，經(jīng)過(guò)雙軸取向后，分子鏈呈現(xiàn)有序規(guī)整結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)對(duì)裂紋在管材中延展有良好的抑制作用，能延長(zhǎng)材料的使用壽命。另一方面，PVC-O管材經(jīng)過(guò)環(huán)向取向后，在環(huán)向上提升了管材的強(qiáng)度和韌性，在壓力流體的輸送中，在同等規(guī)格下，PVC-O與PVC-U管材相比，可以節(jié)省大量原材料[1]。

1 PVC-O研究狀況

取向加工技術(shù)[2]在薄膜、纖維和中空吹塑等行業(yè)是較為成熟的技術(shù)。該類產(chǎn)品具有很高的取向程度、壁厚薄、強(qiáng)度高等特點(diǎn)。聚氯乙烯作為非結(jié)晶型的無(wú)定型塑料，分子中氯原子有較大的極性，玻璃化溫度較高，無(wú)明確的熔點(diǎn)，和聚烯烴類管材相比，較適合雙軸拉伸取向。

1.1 國(guó)外研究狀況

20世紀(jì)60年代，英國(guó)利茲大學(xué)的I.M.Ward教授等[3，4]對(duì)高分子材料拉伸自增強(qiáng)進(jìn)行了深入研究，深入了解了PP、PE、PVC等在內(nèi)的多種高分子的拉伸強(qiáng)度，并探索了相應(yīng)管材的加工方法。早期研究中，拉伸自增強(qiáng)局限于小型制品的制備，在大型制品制備過(guò)程中易產(chǎn)生永久性變形，無(wú)法獲得完整產(chǎn)品。在1979年，Coates等[5]開發(fā)了間歇式口模拉伸技術(shù)，拉伸口模技術(shù)能夠解決大型制品生產(chǎn)過(guò)程中的塑性變形問(wèn)題，展現(xiàn)出了極大的商業(yè)化潛力。目前，國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家所采用的最新技術(shù)為連續(xù)口模雙軸取向技術(shù)，該技術(shù)由英國(guó)Frances Shaw公司于1986年率先開始研究，不僅可以用于管材的生產(chǎn)，亦可用于片材、棒材的生產(chǎn)。1993年，連續(xù)口模技術(shù)正式投入使用。

20世紀(jì)70年代，英國(guó)Yorkshire Imperial Plastics公司[6]（現(xiàn)Uponor）率先開發(fā)出PVC-O產(chǎn)品，當(dāng)時(shí)按照其傳統(tǒng)命名稱為“Superpolyoprc”。1974年英國(guó)約克郡水務(wù)局[6]率先安裝使用Yorkshire Imperial Plastics公司生產(chǎn)的DN100的PVC-O管材。20世紀(jì)80年代，PVC-O管材開始在歐洲各地出現(xiàn)。1982年，澳大利亞的Vinidex公司建設(shè)了第一條PVC-O試驗(yàn)線，1986年，澳大利亞正式安裝了第一條PVC-O生產(chǎn)線[7]。1990年美國(guó)Uponor公司收購(gòu)了美國(guó)Extrusion Technologies Inc（ETI）公司，并授權(quán)其進(jìn)行PVC-O管材的生產(chǎn)[8]。PVC-O的生產(chǎn)，大大增強(qiáng)了Uponor公司的PVC產(chǎn)品在美國(guó)市場(chǎng)的影響力。21世紀(jì)初期，西班牙Molecor公司開發(fā)出干法+離線系統(tǒng)，在提高管材生產(chǎn)效率的同時(shí)，將PVC-O管材的加工范圍擴(kuò)大了一倍[9]。2013年Molecor推出M-OR-P 3180系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以制得DN 800 mm，承壓25 bar的PVC-O管材[10]。2016年Molecor推出M-ORP 5012系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以制備得到DN 1200 mm，承壓25 bar的PVC-O管材。雖然PVC-O管材經(jīng)歷40多年的發(fā)展，但是研究人員對(duì)PVC-O的研究依舊沒有停止。

Zhouxin等[11]采用瑞利波測(cè)量PVC-O的環(huán)向取向強(qiáng)度，結(jié)果表明瑞利波對(duì)取向結(jié)構(gòu)十分敏感，可以用于PVC-O管材的環(huán)向強(qiáng)度檢測(cè)，且能實(shí)時(shí)在線檢測(cè)。

M.Ferrante等[12]通過(guò)對(duì)PN 16 DN 110 mm的PVC-O管材瞬態(tài)研究，表明了PVC-O管的波速與聚乙烯等其他高分子材料管的波速接近，但其粘彈性特性不明顯。

D.B.West等[13]通過(guò)建立RFL模型獲得PVC-O管材的疲勞壽命數(shù)據(jù)，從而分析預(yù)測(cè)PVC-O管材在規(guī)定時(shí)間內(nèi)和應(yīng)力作用下的失效概率，該模型有助于優(yōu)化PVC-O管材的使用。

1.2 國(guó)內(nèi)研究狀況

國(guó)內(nèi)對(duì)雙軸取向的關(guān)注較晚，在20世紀(jì)90年代，國(guó)內(nèi)科研機(jī)構(gòu)開始關(guān)注取向技術(shù)的研究。北京化工大學(xué)、四川大學(xué)、國(guó)家化學(xué)建材檢測(cè)中心等單位做了大量的基礎(chǔ)研究。

申開智等[14]設(shè)計(jì)了一種自增強(qiáng)塑料管材擠出裝置，在擠出過(guò)程中，通過(guò)芯棒和口模產(chǎn)生相對(duì)旋轉(zhuǎn)發(fā)生剪切作用，從而使塑料的大分子鏈沿著管材環(huán)向取向，冷卻定型后獲得自增強(qiáng)塑料管材。

王克儉等[15]設(shè)計(jì)了通過(guò)在坯管和擴(kuò)脹管之間設(shè)置兩個(gè)封閉堵頭，造成內(nèi)部為軟性介質(zhì)的密封空間，通過(guò)外模具進(jìn)行定徑，兩個(gè)牽引輪采用同軸不同徑的方式對(duì)管材進(jìn)行模頭拉脹，獲得了較好效果。

楊明華等[16]設(shè)計(jì)了一種旁側(cè)進(jìn)料式機(jī)頭，可以減輕合模線對(duì)管材強(qiáng)度帶來(lái)的負(fù)面影響。在對(duì)自增強(qiáng)機(jī)理研究中發(fā)現(xiàn)，在徑向拉伸比大于軸向拉伸比的情況下，可以獲得環(huán)向強(qiáng)度大于軸向強(qiáng)度的管材，且該類管材更加符合使用中的受力情況。

吳大鳴等[17]等通過(guò)將密閉布袋置入需要成型的坯管中，在布袋中充入軟性介質(zhì)，采用外定徑的方式，最終獲得雙軸取向的管材，該方式可以進(jìn)行連續(xù)擴(kuò)展生產(chǎn)。

1.2.2 RACE實(shí)驗(yàn) 5'-Full RACE：根據(jù)從cDNA文庫(kù)中已得到的MLAA-22基因(AY288965)的cDNA序列，使用引物設(shè)計(jì)專用軟件分別設(shè)計(jì)其下游特異性引物GSP2(外側(cè)引物)：5'-ACTGAGCTTTGGCAGCCGATACAAT-3'，以及下游特異性引物GSP3(內(nèi)側(cè)引物)： 5'-CTCAATAAGGCAGTTTCGGTGGTAT-3'；此引物由Takara公司合成。按廠家提供的試劑盒說(shuō)明書進(jìn)行MLAA-22基因的5'-Full RACE實(shí)驗(yàn)，以擴(kuò)增其cDNA的5'端未知序列。

2012年以來(lái)，國(guó)內(nèi)PVC-O管材開啟了商業(yè)化應(yīng)用道路，國(guó)內(nèi)PVC-O管材生產(chǎn)都采用連續(xù)擴(kuò)脹方式進(jìn)行。天原集團(tuán)子公司宜賓天億新材料科技有限公司推出PVC-O管道[18]，目前已經(jīng)做到了8萬(wàn)t/a。此外，河北建投寶塑推出了PVC-O管道（太極藍(lán)管）[19]、河北萬(wàn)利泰歐勒管業(yè)推出了PVC-O管道（歐勒藍(lán)管）[20]。

2 PVC-O管材介紹

高聚物的C-C鍵具有很高的鍵能，但是在微觀結(jié)構(gòu)下，材料內(nèi)的大分子處于無(wú)序排列狀態(tài)，起主要作用的是結(jié)合能較低的范德華力和偶極力。根據(jù)H.Staudinger教授的理論，高分子鏈剛直取向，則可以獲得高強(qiáng)度和高模量的高聚物。高分子的拉伸取向過(guò)程一般是介于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和熔融溫度的條件下，分子鏈段在外力的作用下由無(wú)序排列轉(zhuǎn)變?yōu)檩S向和環(huán)向的有序排列，材料由各向同性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦飨虍愋誀顟B(tài)，材料沿分子取向方向的強(qiáng)度加強(qiáng)，而垂直于取向方向的強(qiáng)度有所降低。也就是說(shuō)，經(jīng)過(guò)取向工藝后，材料垂直方向的強(qiáng)度被疊加在了取向方向，由此增強(qiáng)了取向方向的強(qiáng)度。雙向取向只能在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以上進(jìn)行，當(dāng)材料的溫度低于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，分子鏈處于“凍結(jié)”狀態(tài)，此狀態(tài)下拉伸材料，只會(huì)使得材料的分子鏈段被強(qiáng)行破壞。此外當(dāng)材料溫度高于熔融溫度時(shí)，分子能夠自由移動(dòng)，此時(shí)拉伸無(wú)法達(dá)到取向效果。

聚合物通過(guò)取向加工使得加工制品中的分子鏈規(guī)整排列，可以明顯提升制品的性能。目前大部分塑料制品依靠取向獲得的卓越性能提升自身的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，如雙向拉伸薄膜、纖維[21]、容器等。一方面采用雙軸取向工藝可以提升管材的綜合性能，另一方面采用雙軸取向技術(shù)，可以在同等規(guī)格條件下，減少材料的消耗。

PVC-O管材是采用雙軸取向技術(shù)制備得到的管材[22]。經(jīng)過(guò)雙向拉伸后，PVC-O管材在拉伸強(qiáng)度、韌性和抗沖性能等方面遠(yuǎn)優(yōu)于PVC-U管材。不同品類的PVC給水管對(duì)比見表1。在執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)中發(fā)現(xiàn)，PVC-O管材具有更高的公稱壓力以及更小的公稱外徑，故其水力容量相較于其他管道系統(tǒng)和同外徑管道系統(tǒng)高15%～40%。通過(guò)對(duì)PVC-O和PVC-U落錘指標(biāo)對(duì)比見表2，由表2可見相較于傳統(tǒng)的PVC-U管道，經(jīng)過(guò)雙軸取向后的PVC-O管道具有更加優(yōu)良的抗沖性能。

表1 三種PVC給水管執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)情況

表2 PVC-O和PVC-U落錘指標(biāo)對(duì)比

3 PVC-O管材的生產(chǎn)工藝

目前PVC-O管材的生產(chǎn)方法主要有兩種，一種為Off-line（兩步法），另一種為In-line（一步法）[23]。

3.1 兩步法生產(chǎn)工藝

早期PVC-O的生產(chǎn)都采用兩步法（Off-line）加工方式。兩步法[24]是將經(jīng)過(guò)擠出切割后的PVC-U管材進(jìn)行二次加熱，達(dá)到一定溫度后，再使管材在定徑套中進(jìn)行自由擴(kuò)張，最后通過(guò)牽引設(shè)備進(jìn)行軸向的拉伸，最終獲得雙軸取向的PVC-O管材。在對(duì)管材進(jìn)行加熱過(guò)程中，因加熱介質(zhì)不同，又分為“干法”和“濕法”。早期的兩步法大都采用液體作為加熱介質(zhì)，直到2007年西班牙Molecor[25]開發(fā)了一種全新的生產(chǎn)技術(shù)，新式離線+干法PVC-O生產(chǎn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用紅外線加熱，通過(guò)空氣導(dǎo)熱對(duì)管材加熱。加熱時(shí)，管材連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)保證管材的受熱均勻性，預(yù)熱完成后的管坯被送入到拉伸模具中，通過(guò)向管坯中通入軟性介質(zhì)（壓縮空氣）進(jìn)行拉伸獲得PVC-O管。相較于傳統(tǒng)的濕法離線加工方式，Molecor的新型離線系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)效率有極大的提升。

采用兩步法加工工藝，管坯生產(chǎn)時(shí)可以實(shí)時(shí)測(cè)量管材的壁厚，橫向拉伸值可以取得更高，且可以同步制造出帶有R-R承插口的管材。但是采用離線生產(chǎn)時(shí)，管坯的兩端需要作為密封段，在生產(chǎn)完成后需要做切除處理，且相較于一步法來(lái)說(shuō)，無(wú)法連續(xù)生產(chǎn)，生產(chǎn)效率較低。此外，采用離線法生產(chǎn)，設(shè)備投資造價(jià)高昂。相比于一步法在大口徑管材生產(chǎn)過(guò)程中，管材尺寸的控制難度較大，兩步法生產(chǎn)工藝則能降低產(chǎn)品的廢品率。

3.2 一步法生產(chǎn)工藝

早 期Petzetakis、Upo-vinidex、Wavin、Alphacan等都采用濕法（液體作為加熱介質(zhì)）進(jìn)行PVC-O管道的生產(chǎn)[27]。為解決傳統(tǒng)濕法中熱水耗能、復(fù)雜的水溫控制和水泄露的可能性等問(wèn)題，在2009年Rollepaal推出新型PVC-O一步法生產(chǎn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用氣體對(duì)PVC-O管材加熱，通過(guò)兩個(gè)獨(dú)立牽引機(jī)，采用氣壓和在線拉伸對(duì)管材進(jìn)行環(huán)向和軸向的取向。在DN 63～160 mm管材的生產(chǎn)中，產(chǎn)量由以前的300 kg/h提升至500 kg/h。

一步法工藝大幅度提升了生產(chǎn)效率，降低了制造成本，增強(qiáng)了管材的競(jìng)爭(zhēng)力。但是在大口徑管材的生產(chǎn)中，一步法對(duì)管材的壁厚控制能力要求較高。另一方面，一步法生產(chǎn)后的管材需要經(jīng)過(guò)擴(kuò)口工序獲得R口，在擴(kuò)口過(guò)程中，R口位置會(huì)出現(xiàn)解取向現(xiàn)象，會(huì)降低管材性能。

4 PVC-O管材市場(chǎng)應(yīng)用情況

PVC管材是全球范圍內(nèi)應(yīng)用最為廣泛、需求量最大的塑料管材。在過(guò)去的80多年中，PVC-U充當(dāng)給水管的角色，其應(yīng)用歷史表明了PVC材質(zhì)管道的安全性。PVC-O管道經(jīng)過(guò)雙軸取向后，分子形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，賦予了材料優(yōu)良的抗沖性能。此外，在輸水能力上，在相同壓力、口徑的條件下，PVC-O管道的壁厚更薄，輸水能力更高。在國(guó)外，PVC-O管材主要應(yīng)用于給水管道、非開挖鋪設(shè)、礦山管道等。在一些國(guó)家中，PVC-O管材已經(jīng)大幅應(yīng)用于飲水管網(wǎng)，其中荷蘭飲用水管網(wǎng)已經(jīng)完全采用了PVC-O管道。根據(jù)Wavin的調(diào)查報(bào)告顯示，法國(guó)、西班牙、北美、南美等地都開始大規(guī)模采用PVC-O管道。礦山環(huán)境惡劣，在具有強(qiáng)烈腐蝕環(huán)境的地下，強(qiáng)度大、抗沖性強(qiáng)、耐腐蝕的PVC-O管道有非常大的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。且其非開挖鋪設(shè)管道技術(shù)及R口簡(jiǎn)易安裝設(shè)計(jì)，在鋪設(shè)費(fèi)用上與同等聚烯烴管道對(duì)比有巨大的建設(shè)優(yōu)勢(shì)。

在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)下，大眾對(duì)PVC-O的認(rèn)知度較低，現(xiàn)階段市場(chǎng)規(guī)模較小。但是隨著中國(guó)城市化進(jìn)程不斷推進(jìn)，城鎮(zhèn)化率上升，在給水領(lǐng)域管材的需求量將會(huì)持續(xù)上升，而PVC-O作為性能優(yōu)勢(shì)突出產(chǎn)品，更會(huì)獲得大眾的青睞。自2000年以來(lái)，中國(guó)城市化進(jìn)程不斷加快，在城市化建設(shè)早期球墨鑄鐵管被大量用于給水工程管道。而球墨鑄鐵管的使用壽命為30年左右，在未來(lái)的一段時(shí)間，將會(huì)逐漸出現(xiàn)給水工程管道更換，屆時(shí)將會(huì)迎來(lái)PVC-O的消費(fèi)市場(chǎng)快速增長(zhǎng)期。

5 結(jié)語(yǔ)

PVC-O作為一種新型管材，在國(guó)內(nèi)目前處于起步階段，具有性能良好、質(zhì)量輕、成本低、安裝運(yùn)輸方便等優(yōu)點(diǎn)，可以在較高壓力和惡劣腐蝕環(huán)境下使用。相較于其他PVC管材，其所需要材料更少，在生產(chǎn)中更加節(jié)能環(huán)保，且性能優(yōu)越，得到了國(guó)家的大力支持，市場(chǎng)前景廣闊?！吨泄仓醒雵?guó)務(wù)院關(guān)于深入打好污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)的意見》提出要深入打好碧水保衛(wèi)戰(zhàn)，鞏固提升飲用水安全保障水平，PVC-O作為性能突出的給水管道，將迎來(lái)發(fā)展契機(jī)。在2021年的《“十四五”節(jié)水型社會(huì)建設(shè)規(guī)劃》中明確，農(nóng)田灌溉有效利用系數(shù)要達(dá)到0.58，城市供水管網(wǎng)漏損率低于9.0%。在《關(guān)于推動(dòng)城鄉(xiāng)建設(shè)綠色發(fā)展的意見》一文中指出，打造綠色生態(tài)宜居的美麗鄉(xiāng)村，完善水、電、氣、廁配套附屬設(shè)施?！蛾P(guān)于國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要的決議》指出城鎮(zhèn)污水垃圾處理設(shè)施需要新增和改造污水收集管網(wǎng)8萬(wàn)km，預(yù)估污水管網(wǎng)的資金缺口達(dá)到1萬(wàn)億元，加上雨水管網(wǎng)共超過(guò)2萬(wàn)億元，性能卓越的PVC-O管材市場(chǎng)潛力巨大。

PVC-O管材因其節(jié)能環(huán)保及優(yōu)越性能被越來(lái)越多的國(guó)家所接受。2018年，塑料管材產(chǎn)量達(dá)到1 567萬(wàn)t，其中PVC管材產(chǎn)量為55%，國(guó)內(nèi)PVC-O的產(chǎn)能約為25.5萬(wàn)t，不足PVC管材產(chǎn)量的3%。相較于PVC-U和PVC-M的管材，性能更優(yōu)、成本更低的PVC-O管材應(yīng)用空間十分巨大。

在PVC-O發(fā)展中仍有較多問(wèn)題需要解決。目前國(guó)內(nèi)企業(yè)使用PVC-O管材，普遍選擇法蘭件進(jìn)行連接，而鑄鐵制備的法蘭件使用壽命遠(yuǎn)低于PVC-O的使用壽命。法蘭件銹蝕后，銹蝕物質(zhì)進(jìn)入水中，對(duì)水質(zhì)造成一定的影響。故急需制備采用同等技術(shù)條件的PVC-O管件，以便于PVC-O管道的安裝和使用。在特殊加壓給水、排水等領(lǐng)域，需要承受壓力等級(jí)更高的管道，對(duì)PVC-O管道的管材等級(jí)提出更高要求。在大型管道領(lǐng)域，目前世界上僅有Molecor可以制備得到DN 1 200 mm的PVC-O管材，而國(guó)內(nèi)口徑DN 630 mm以上管材仍處于“開荒”階段，需要不斷的推進(jìn)產(chǎn)品提升。

經(jīng)過(guò)四十多年的發(fā)展，PVC-O管材目前仍舊是一個(gè)需要不斷開發(fā)和完善的產(chǎn)品，而其卓越的性能、節(jié)能環(huán)保的特點(diǎn)值得進(jìn)行深入研究。