高抗冲PVC给水管材研究

文仕敏

（四川宜宾天原集团股份有限公司，四川 宜宾 644004）

聚氯乙烯（PVC）是五大通用塑料之一，较易加工，具有良好的综合力学性能，主要用于生产管材、型材、薄膜、电线电缆、地板革等。在PVC下游消费领域中，管材是使用量最大的产品，以2017年为例，管材产量1 525万t。近年管材用于供水领域逐渐增多，但总体比例并不高，2006-2014年塑料管材在供水领域的应用比例及2015年塑料管材主要应用领域分别见表1和图1[1]。

表1 2006-2014年塑料管材在供水领域的应用比例

供水管材对质量要求高，主要是由于供水管要承受压力，所以对强度要求比较高。随着社会进步，产业集中度进一步提高，技术力量差的小企业已经兼、停、并、转、破，市场上低端产品逐步减少，更多的加工企业重视高水平、高性能产品的研发。

图1 2015年塑料管材主要应用领域

PVC供水管材主要原料为PVC树脂，由于加工时温度较高（通常达到160℃），而PVC热稳定性较差，当温度高于150℃时易发生分解，释放出HCl，使产品变色，同时抗冲强度变差，在低温环境时管道发脆。要解决供水管材质量问题，需开发出高品质高抗冲给水管材。本文通过深入研究管材配方和工艺，开发出了塑化快，加工温度低，管材强度高，低温韧性好的高抗冲聚氯乙烯给水管材。

1 检测标准

给水管材按《CJ/T 272-2008给水用抗冲改性聚氯乙烯（PVC-M）管材及管件》标准进行测试。

2 试验部分

2.1 高抗冲给水管材主要原辅料

（1）聚氯乙烯树脂

聚氯乙烯树脂选用SG5型PVC树脂、聚合度与SG5相当的丙烯酸酯与氯乙烯接枝聚合树脂（以下简称“ACR-g-VC树脂”）、低聚合度细颗粒PVC树脂（聚合度600左右，粒径小于20 μm）。研究不同树脂组合对塑化、冲击强度、拉伸强度的影响。

（2）稳定剂

稳定剂种类多，但由于给水管的卫生指标要求，能用于给水管材的主要为有机锡类和钙锌类，比较两种稳定剂对管材热稳定性、塑化、冲击强度、拉伸性能的影响。

（3）改性剂

改性剂通常有丙烯酸酯类（ACR）、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物（ABS）、甲基丙烯酸甲酯-丁二烯-苯乙烯三元共聚物（MBS）、氯化聚氯乙烯（CPE）等，但CPE对提高产品耐寒性、耐候性以及抗紫外照射方面更有优势，故选用CPE，型号135A。

（4）填料

填料选用纳米碳酸钙，可以提高管材的硬度，表面光泽和表面平整性。

2.2 试验主要设备和仪器

试验主要设备和仪器一览表见表2。

2.3 配方研究

2.3.1 稳定剂选用研究

稳定剂种类多，适用于给水管材的主要有钙锌复合稳定剂、有机锡稳定剂，需要通过做试验了解不同稳定剂对制品性能的影响，再确定选用何种稳定剂。

（1）稳定剂试验配方

钙锌复合稳定剂选用市售通用级、有机锡稳定剂选用市售C-102，其配方见表3。

（2）混料

分别按照配方一、配方二称量的ACR-g-VC树脂、稳定剂、纳米碳酸钙、外润滑剂、内润滑剂在高速混和机中混和，待混和温度达到110℃，转至低速搅拌冷却到50℃。

（3）流变试验

表2 主要设备和仪器一览表

表3 基础配方表 份

分别取配方一、配方二混合好的物料75 g做流变试验，所得流变曲线对比图见图2，流变性能数据表见表4。

从图2流变曲线和表4流变性能数据来看，钙锌复合稳定体系下平衡转矩为20.87 Nm，塑化时间1.867 min；有机锡稳定体系下平衡转矩20.40 Nm，塑化时间1.833 min，两种体系下塑化时间相近，平衡转矩相近。从10 min流变曲线看比较接近，动态热稳定性相近。

（4）试样制备

取混合物料约200 g采用双辊塑炼机开炼加工成约0.50 mm厚的片材，温度控制在180℃，混炼6 min。然后将片材放入平板硫化机压片，温度控制在175℃，在100 mm×200 mm×1 mm模具上压制成型用于静态热稳定性试验；在100 mm×200 mm×4 mm模具上压制成型，切割成80 mm×10 mm×4 mm样条用于冲击试验和弯曲试验；切割成150 mm×10 mm×4 mm样条用于拉伸试验。

图2 流变曲线对比图

表4 流变性能数据表

（5）静态热稳定性试验

对钙锌复合稳定体系和有机锡稳定体系在180℃的静态热稳定性对比，主要比较0 min、5 min、10min、15 min、20 min、25 min、30 min 样片变色情况。A 组为钙锌复合稳定剂体系，B组为有机锡稳定剂体系。

A组颜色总体呈微黄色，B组颜色比A组深，但两组样片从0 min到30 min的颜色变化均不明显，说明静态热稳定性均较好，而A组图片颜色变化更小，说明钙锌复合稳定剂效果更好。

（6）力学性能测试

力学性能测试结果一览表见表5。

表5 力学性能测试结果一览表

从表5得知，配方一常温冲击强度86.3 kJ/m2，低温（-25℃）冲击强度 8.8 kJ/m2，拉伸强度45.24 MPa，弯曲强度64.7 MPa；配方二常温冲击强度79.5 kJ/m2，低温（-25℃）冲击强度8.4kJ/m2，拉伸强度45.62MPa，弯曲强度63.52 MPa。从力学性能来看，配方一略优于配方二，说明钙锌复合稳定体系较好。

（7）挤出试验

将混合后的物料放入双螺杆挤出机挤出，挤出温度控制在165～180℃，即制得管径为110 mm的高抗冲PVC管材。取样进行落锤冲击试验和液压试验，测试标准为《CJ/T 272-2008给水用抗冲改性聚氯乙烯（PVC-M）管材及管件》，挤出试验结果一览表见表6。

表6 挤出试验结果一览表

从表6可以看出，在0℃条件下落锤冲击试验配方一和配方二相同。低温（-25℃）条件下落锤冲击配方一20根破2根，而配方二20根破3根，配方一略好于配方二。另外，从液压试验结果来看，配方一和配方二均较好，但配方一略优于配方二。因此，从挤出测试结果来看，钙锌复合稳定体系较好。

（8）小结

从上述测试结果来看，开发给水管材，选用钙锌复合稳定剂较好。因为钙锌复合稳定剂主体成分硬脂酸钙、硬脂酸锌、环氧大豆油酸酯均无毒，价格也较低。锌皂稳定剂的离子化势能高，与PVC分子上的不稳定双键结构反应，能使PVC稳定，抑制初期着色效果良好。而钙皂不仅与HCl反应，而且能与ZnCl2反应生成CaCl2，并重新生成锌皂。CaCl2对脱HCl无催化作用，而且钙的衍生物络合ZnCl2能降低其脱HCl的催化能力。环氧化合物与钙、锌皂类复用有较好的协同效应。

2.3.2 树脂选用配方研究

（1）试验配方

树脂选用配方研究的配方表见表7。

表7 树脂选用配方研究的配方表 份

（2）混料

分别按照表7配方称量的SG5树脂、ACR-g-VC树脂、低聚合度树脂细粉、钙锌复合稳定剂、纳米碳酸钙、内润滑剂等在高速混和机中混和，待混和温度达到110℃，转至低速搅拌冷却到50℃。

（3）流变试验

分别取混合好的配方一、配方二、配方三、配方四、配方五混合物料各75 g做流变试验，流变曲线对比图见图3，流变性能数据对比见表8。

图3 流变曲线对比图

表8 流变性能数据对比表

分别取配方六、配方七、配方八混合好的物料各75 g做流变试验，流变性能数据表见表9，流变曲线对比图见图4。

表9 流变性能数据表

从流变曲线图3和表8数据可知，随着ACR-g-VC树脂数量增加，SG5树脂数量减少，塑化时间变短，平衡转矩略增大，说明ACR-g-VC树脂塑化快；从流变曲线图4和表9数据可知，随着低聚合度树脂数量增加，SG5树脂数量减少，塑化时间变短，平衡转矩减小。综合分析，配方六塑化时间短，扭矩低。这归结于低聚合度PVC树脂、氯乙烯-丙烯酸正丁酯接枝共聚物两者都具有较好的内增塑作用，协同提高塑化性能，降低塑化时间。

（4）试样制备

图4 流变曲线对比图

取混合物料约200 g采用双辊塑炼机开炼加工成约0.50 mm厚的片材，温度控制在180℃，混炼6 min。然后将片材放入平板硫化机压片，温度控制在175℃，在100 mm×200 mm×4 mm模具上压制成型，切割成80 mm×10 mm×4 mm样条用于冲击试验和弯曲试验；切割成150 mm×10 mm×4 mm样条用于拉伸试验。

（5）力学性能测试

力学性能测试结果一览表分别见表10和表11。

表10 力学性能测试结果一览表

表11 力学性能测试结果一览表

从表10看出，随着ACR-g-VC树脂数量增加，SG5树脂数量减少，冲击强度增加，拉伸强度降低，弯曲强度增加；从表11看出，随着低聚合度树脂数量增加，SG5树脂数量减少，冲击强度减小，拉伸强度变化小，弯曲强度增加。综合分析，配方六冲击强度、拉伸强度和弯曲强度均较好。

（6）挤出试验

将混合后的物料放入双螺杆挤出机挤出，挤出温度控制在165～180℃，即得高抗冲高流动性PVC管材。取样做落锤冲击、液压试验。挤出试验结果一览表分别见表12和表13。

从表12看出，随着ACR-g-VC树脂数量增加，SG5树脂数量减少，落锤冲击强度变好，液压试验管材承受能力增强；从表13看出，随着低聚合度树脂数量增加，SG5树脂数量减少，落锤冲击强度变差，液压试验管材承受压力变差。综合分析，配方六落锤冲击强度和液压试验均较好。

（7）小结

a.从上述试验得出，随着ACR-g-VC树脂数量增加，SG5树脂数量减少，塑化时间变短，平衡转矩略增多，冲击强度增加，拉伸强度降低，弯曲强度增加，落锤冲击强度变好，液压试验管材承受压力增强。

b.随着低聚合度树脂数量增加，SG5树脂数量减少，塑化时间变短，平衡转矩减少，冲击强度减少，拉伸强度变化小，弯曲强度增加，落锤冲击强度变差，液压试验管材承受压力变差。综合分析，配方六效果最佳。

3 结语

PVC管材行业由于技术水平参差不齐，在给水管道领域使用较少。该高抗冲给水管材具有塑化时间短，塑化温度低，既提高劳动生产率，又节约能耗。高抗冲给水管材采用环保型助剂，强度高，低温韧性好，适用于市政输水、小区供水、农村输水工程等领域。