PVC-O管材的技术现状和发展趋势

马建华，郑化安，王小宪，雷瑞，胡国和，李应平，王佼

(陕西煤业化工技术研究院有限责任公司，陕西 西安 710075)

采用普通挤出方法制备的PVC-U管材，其分子沿轴向取向，轴向强度大于周向强度，这种强度分配对于输送压力流体的管材非常不合理。普通轴向增强PVC-U管材受内压时应力最大的周向正好是强度最弱的方向，管材轴向的高强度、高模量并不能使管的耐压强度提高，造成了材料性能的极大浪费[1]。为了增强PVC-U管材的周向强度，通常会采用增加管材壁厚、改变管材结构(例如双壁波纹管或者加筋管)、制备复合管材等方法，然而这些方法的实施会在节材降耗、设备复杂性、管材质量稳定性等方面出现不同的问题。长期以来，国内外在提高PVC管材周向强度方面开展了诸多研究工作，直到双轴取向PVC管材(PVC-O)的开发成功，以上问题才得到了较好地解决。PVC-O管材是通过将挤出成型的PVC-U管材进行环向以及轴向拉伸制备的，双轴取向提高了管材的强度和韧性，特别是通过双轴取向后，材料获得了有序的微观结构，这种结构能够阻碍裂纹在材料中的通过，延长管材的使用年限，并由于管壁的减薄节约了原材料。PVC-O管最早是英国Uponor公司在20世纪70年代开发的，后来澳大利亚、美国、荷兰和法国的相关公司也相继开发成功[2]。而我国PVC-O管材生产在一定程度上受到专用生产设备及成型工艺的制约，制备成本居高不下，故十分有必要对PVO-O管材加工成套设备进行系统研发。另外，由于我国PVC管材制造企业为了降低成本，在PVC-U管材配方中添加较多的无机填料，而增韧剂等材料用量不足，造成PVC-U管材延展性不佳，在对其进行轴向拉伸以及环向扩胀时容易发生破裂。因此，对PVC-O管材生产技术的开发不仅需要关注其专用设备及加工工艺，与之匹配的专用配方开发也具有重要的实际意义。笔者从PVC-O管材的技术现状、市场应用情况和未来发展趋势等方面进行了综述，以期为PVC-O管材的生产开发提供参考。

1 PVC-O管材技术现状

1.1 双轴取向技术

双轴取向自增强管是在生产过程中将管材沿轴向和环向都拉伸取向，即在轴向拉伸的同时，环向也进行扩胀，从而使管材轴向和环向的力学性能均得到自增强。从结构相的角度分析，这种工艺方法的目的是获得“均质复合材料”；从应用的角度分析，这种方法的优势在于经济性好和加工方便。PVC-O管材生产通常分为两个阶段：①按照普通PVC管材的配方及工艺条件，使用双(单)螺杆挤出机生产管坯；②将由机头挤出的热管坯冷却到特定温度，再用扩胀器扩径，同时在高的牵引速比下牵引，然后在冷水中定型。通过以上步骤，PVC-O管材获得了相较PVC管坯增大2倍的直径和减少一半的壁厚，同时管坯在扩胀过程中实现了环向的PVC分子取向。

双轴拉伸的技术关键在于管材的环向自增强。研究表明，在拉伸过程中实现环向扩胀的较为有效方法包括：模头拉伸法、压力扩张拉伸法、旋转芯棒拉伸法等[3-4]。

模头拉伸法是将加热至一定温度(低于熔点或维卡软化温度)的坯料在牵引力的作用下，以一定的速度通过一个锥形芯模或模头，从而形成一定截面尺寸且在拉伸方向具有较高模量的高强度管材。模头拉伸法是世界上普遍应用的管材双向拉伸增强方法，但是实施起来比较困难，特别是扩孔拉伸更是如此。从拉伸结果看，无论怎样变更芯模直径，增大芯模扩胀角，拉伸管的轴向性能总是高于环向性能，这正是模头拉伸法的不足之处。

压力扩张拉伸法是利用压力液体或气体对管坯进行环向拉伸。利用压力气体或液体扩张管材时，可以避免管材在轴向和环向的收缩，从而保证管材尺寸满足要求。但是这种方法容易使管材产生局部膨胀而导致壁厚不均，故该法更适合于薄壁管的生产。

旋转芯棒拉伸法是通过挤出机机头的旋转装置，使聚合物在熔融状态产生取向。依靠成型管材内表面的芯棒旋转形成的环向剪切力场，使管材沿环向取向，从而实现管材环向的自增强。

目前所有提高管材周向强度的技术中，只有剪切控制技术和旋转成型技术的轴向强度超过了周向强度。

1.2 制造工艺技术

PVC-O管材的制造技术通常分为两大类：两步加工法和一步加工法[5]。两步加工法又称离线工艺，其特点是将挤出厚料坯和双向拉伸取向分两步进行。取向过程是将挤出成型并冷却的PVC-U管材段放在模具内，通过加热和加压膨胀到要求尺寸来实现的。一步加工法又称在线工艺，其特点是在管材挤出生产线上，把已经挤出成型的PVC-U管材连续地通过径向的扩张和轴向的拉伸实现双轴取向，然后冷却定型成为PVC-O管材。离线工艺开发较早，设备和工艺比较简单，可以达到较大的取向效果，产品性能优良，可生产的产品范围较宽。但是传统的离线工艺生产效率较低，耗费劳力和能源较多，因此PVC-O管材虽然已经存在了近30年，但是直到在线取向制备工艺出现以后，PVC-O管材才在性能及成本优势方面与PVC-M管材相媲美。这主要是由于在线加工工艺实现了生产效率的大幅提升，降低了生产成本的同时显著增加了管材的强度和韧性，从而在提高管材设计压力的同时减少材料用量，这在耐高压管材领域十分重要。

在线工艺的典型路线如下：生产线的前部是通常的挤出线，连续挤出用作料坯的厚管，在料坯管中的固定位置有2个塞体——在前面的“分隔塞”和后面的“可膨胀塞”。在控制温度的状态下，通过内操作管向2个塞体之间输入高压水，实现料坯管径向的膨胀，同时通过生产线前后牵引速度差实现料坯管的轴向拉伸。在这个过程中，可膨胀塞要相应地膨胀，保持对两塞之间高压水的密封(塞面和管材内壁之间始终在滑动)。最后经过径向的扩张和轴向的拉伸，实现了双轴取向管材的冷却定型。

1.3 配方技术

PVC属于无定形塑料且没有明确的熔点，故PVC管材与其他结晶型的聚烯烃管材相比，更适合于进行双轴拉伸取向。在加工中对管材进行径向扩胀，使分子沿环向取向，不仅提高了强度，而且韧度也有了实质性的改善。而为了适应这种双轴拉伸工艺，在双轴拉伸自增强PVC管材的配方设计中，材料除应符合强度与加工性能要求以外，还应具有足够的延展性，即PVC-O专用料要求具有比较大的断裂伸长率。

刘涛等[6]采用正交分析法对PVC-O管材专用配方进行了研究，结果表明：对于断裂伸长率来说，影响因素的大小顺序为无机填料>复合润滑剂>ACR加工助剂；对于冲击强度来说，影响因素的大小顺序为复合润滑剂>ACR加工助剂>无机填料。可见，无机填料对于断裂伸长率影响最大，其加入量、粒径、分散均匀度会直接影响PVC-O管材的拉伸扩张倍率。复合润滑剂对冲击强度影响最大，且对断裂伸长率影响也较大。复合润滑剂的加入量偏大时会阻碍PVC粒子间的融合，导致塑化困难，进而影响材料各方面性能。ACR加工助剂对于冲击强度影响较大，对于断裂伸长率影响较小。ACR加工助剂促进了PVC初级粒子的破裂，缩短了塑化时间；另一方面，由于ACR加工助剂与PVC基体间存在很好的相容性，使两者之间的分子链发生缠结，进而提高了PVC的冲击强度。

2 PVC-O管材市场应用情况

通过双轴拉伸取向，既增加了管材的轴向强度，又增加了管材的环向强度，环向强度的提高直接增强了管材承受水压的能力。因为分子取向加工产生薄片分层结构，在管材因缺陷或点负载产生裂纹时，分层结构会阻碍裂纹在材料中通过，裂纹在各层通过时由于应力集中的减少而被有效抑制，同时分子的取向大大增加了材料的短期强度和长期强度。由于突出的强度和韧度，型号为MRS45和MRS50的PVC-O材料的50年安全系数可以分别采用1.6和1.414 3，所以PVC-O管材的设计应力可分别高达28 MPa和32 MPa，结果比PVC-U管材和PVC-M管材节约大量材料[7]。在国外，PVC-O管材主要应用在给水管道、矿山管道、非开挖铺设和修复管道、燃气管网等市场。一些国家的饮水管网中，PVC-O管材的应用在逐步扩大，成为PVC-U管材的替代品。据Wavin集团的调查报告，荷兰、法国、西班牙、北美、南美、澳大利亚等国家和地区都在大量使用PVC-O管道。荷兰的饮用水管网已经100%使用PVC-O管道，法国在近一两年也将全部使用PVC-O管道。矿山环境特别恶劣，安全要求特别严格，在有腐蚀性的地下环境中，强度大、韧性高、耐冲击、不腐蚀的PVC-O管道非常有竞争优势。采用非开挖技术铺设新管道和修复旧管道是一个有巨大需求的市场，Duraliner TM修复方法证明这个管道修复方法可以显著地节约费用。PVC-O管道在荷兰等国燃气管网中，提供了良好的强度、刚度和韧性，材料和铺设费用比竞争材料低得多。与PVC-U管材和PVC-M管材相比，PVC-O管材的开发实现了既节省材料又提高性能的目的，具有高性价比优势，市场需求广阔。

3 PVC-O管材发展趋势

提高管材的环向强度可以明显提高管材整体的耐压能力，经过双轴取向拉伸处理，不仅可使管材轴向、环向强度提高，承受更高的内压，而且可以使管壁变薄、管径变大，实现既节省材料，又提高性能的目的。但是目前现有的生产双轴取向管材的扩胀方法，如口模拉伸和锥形管等机械扩胀法，往往存在取向度不高、环向增强不显著的缺点；而气压扩胀法易出现压力不足，扩胀不均匀等不足；液压扩胀法装置比较复杂，需要解决密封的问题；熔体流动取向法的取向程度不易控制，取向结构难以固定。因此，寻找一种能够连续生产双向自增强管材，且扩胀均匀、结构简单、管材环向取向明显的方法势在必行。

与国外相比，国内科研单位对PVC-O管材加工制备技术的研究较晚，有代表性的是北京化工大学和四川大学，它们对于PVC-O管材一步法制备技术进行了持续性的探索，开展了大量试验研究，并已经取得了初步成果[1,3,4]。通常而言，最能显示PVC-O管材竞争优势的是要求耐压性特别高、冲击性特别强的应用领域，如环境恶劣的矿山和工业场所。换句话说，PVC-O管材的目标市场应该设定在PVC-U管材、PVC-M管材，以及HDPE管材难以胜任的地方。因此，针对PVC-O管材的加工技术与配方研发结合制备高性能特种PVC-O管材具有十分广阔的前景。

4 结语

PVC-O管材作为一种新型管材，具有性能好、成本低、管材质量轻、搬运和铺设容易等优点，超强的性能使其可以应用到较高的压力和更恶劣的环境中。降低产品成本的同时提高其性能是人们一直在追求但并不容易实现的课题，双轴取向PVC-O管材的开发不仅为这一课题提供了范例，更为一个新产品的未来发展奠定了基础。