三种硬质PVC给水管材性能①

滕谋勇 战艳虎 葛祥才 吴国强 李希彬 王全龙 潘福渠 王太雷

(1．聊城大学 材料科学与工程学院，山东 聊城 252059；2．山东东信塑胶有限公司，山东 聊城 252323)

三种硬质PVC给水管材性能①

滕谋勇1战艳虎1葛祥才1吴国强1李希彬1王全龙2潘福渠2王太雷2

(1．聊城大学 材料科学与工程学院，山东 聊城 252059；2．山东东信塑胶有限公司，山东 聊城 252323)

对比分析了三种PVC给水管材PVC-U、PVC-M、PVC-UH的物理性能、力学性能、液压性能、最小要求强度，连接方式，系统适应性能.可以看出：PVC-UH管液压试验环应力要求最高，对原材料的最小要求强度有明确规定，而PVC-M对管材韧性要求高，PVC-M设计应力最高，PVC-U与PVC-UH设计应力相同明显低于PVC-M，PVC-UH管采用一体式钢骨架胶圈方便施工.

给水管材，PVC-U，PVC-M，PVC-UH，性能

1 研究前言

塑料给水管材主要包括PVC类、PE、PPR、PE-X、PB及PE钢塑复合管、钢丝增强聚乙烯管等，由于塑料管材具有质轻、卫生性能好，水流阻力小，耐腐蚀克服了其它传统给水管易出现“红水”、“黑水”等现象，随着建设部的大力推广，得到了广泛的应用.因PVC树脂价格较低，在各类给水塑料管材中PVC给水管材具有较高的性价比，实际应用量较大[1].

随着国内PVC树脂生产、助剂品种及加工设备的技术进步，用户对产品的卫生性能、连接安全、力学性能的要求也逐渐提高.为适应用户要求，国内PVC管材生产厂家进行大量的研发工作[2-4]，给水管材产品类型逐渐丰富，相关产品标准颁布实施.目前硬质PVC给水管材主要分为三类即PVC-U、 PVC-M、PVC-UH，这些产品执行的标准分别为GB/T10002.1-2006《给水用硬聚氯乙烯(PVC-U)管材》、GB/T10002.2-2006《给水用硬聚氯乙烯(PVC-U)管件》、GB/T32018.1-2015《给水用抗冲改性聚氯乙烯(PVC-M)管道系统 第1部分：管材》、CJ/T493-2016《给水用高性能硬聚氯乙烯管材及连接件》，上述标准的实施对硬质PVC给水管材质量的提高起到了明显的促进作用[5-8].

2 三种管材的性能对比

虽然三种硬质PVC管材的基材均为PVC，但从标准上看在物理性能、力学性能、液压性能、最小要求强度、设计应力、连接方式等方面有一定的区别.

2.1 物理性能

管材的物理性能主要包括密度、维卡软化点、纵向回缩率、二氯甲烷浸泡、丙酮浸泡等，其物理性能对比见表1.

表1 物理性能

密度是试样质量与其在一定温度下的之比，影响PVC管材密度的主要因素是填料的加入量；维卡软化点是评价热塑性塑料高温变形趋势的一种试验方法.该法是在等速升温条件下，用一根带有规定负荷，截面积为1 mm2的标准压针刺入热塑性塑料试样表面1 mm深时的温度.通过控制维卡软化点可以控制硬质PVC管材中增塑剂的加入；纵向回缩率表征管材生产工艺中挤出-牵伸-冷却工艺的合理性与匹配性，通过控制该项指标可以完善挤出生产工艺.其测试方法是将规定标线长度的试样置于给定温度的恒温介质中保持规定的时间，测定加热前后标线之间的距离，以相对原始标线长度变化百分率表示.PVC管材的塑化质量(凝胶化)及均匀性与管材的强度及韧性密切相关，二氯甲烷溶解度参数为19.80 (J/cm3)1/2，聚氯乙烯溶解度参数19.40-20.50 (J/cm3)1/2，前者在后者范围之内，对于塑化不良的PVC颗粒二氯甲烷的溶解能力明显高于塑化良好的塑料，所以利用该试验方法可以评价PVC管材的塑化情况及均匀性[9].

以上四项性能密度、维卡软化点、纵向回缩率、二氯甲烷浸泡三种硬质PVC管材均有要求且指标相同.

除了以上四项指标外PVC-UH管还规定采用丙酮浸泡，丙酮的溶解度参数20.50 (J/cm3)1/2，与PVC的溶解度参数最大值相等.但相比二氯甲烷，丙酮与聚氯乙烯相容性略差，因此一般情况下二氯甲烷浸泡试验通过的样品丙酮浸泡试验一般都合格.

2.2 力学性能

三种管材的力学性能包括落锤冲击、压扁试验、表观环向拉伸强度、高速冲击、C-环韧度、切口管材液压试验、管材静液压强度6项，要求及指标如表2所示.

表2 力学性能

落锤冲击(0℃)是以规定质量和尺寸的落锤从规定高度冲击样品规定的部位，用肉眼观察试样经冲击后产生裂纹、裂缝或试样破碎的样品为破坏样品，再用冲击破坏总数除以冲击总数即得真实冲击率(TIR)，三种管材对该项性能要求相同；压扁试验，选取规定长度的样品150 mm，将其水平放置于两个平板之间，在平板垂直方向匀速对试样施加压力，指导两个平板之间的距离达到管材外径的40%停止加压，该压缩过程在2-5 min内完成，然后，将加载的压力移除，检查试样有无破裂，该项性能只有PVC-UH有要求；表观环向拉伸强度，该试验按照ASTM D2290的规定进行.具体测试方法如下，按图1制作试样，样品宽度为12.7-50.8 mm，将样品安装在图2所示的工装上，按12.7 mm/min的速度在拉伸试验机上进行拉伸，记录屈服拉力(最大拉力)，按式计算表观环向拉伸强度.该项性能只有PVC-UH有要求.

(1)

式中σ：表观环向拉伸强度，单位为MPa；P：屈服拉力(最大拉力)，单位为N；D1，D2：测试位置的实际管材壁厚，单位为mm；B1，B2：测试位置的实际管材宽度，单位为mm.

图1 试样示意图

图2 拉伸工装示意图

图3 重锤形式

图4 C-环韧度测试装置示意图

C-环测试是在试样上加一定负载，使其在几分钟内发生破坏，检查试样表面是否发生脆性破坏.试验装置如图4所示.该项性能只有PVC-M有要求.

液压试验条件如下表所示.

表3 液压试验

由表3可以看出：对于20℃，1 h液压试验 PVC-UH的环应力明显高于PVC-U 、PVC-M；而20℃，100 h条件下地液压试验，PVC-U 、PVC-M试验环应力相同，PVC-UH未规定该项指标；对于60℃，1 000 h 试验条件PVC-UH、 PVC-M环应力高于PVC-U.

表4切口液压试验条件

温度/℃环应力/MPa试验时间/h2038120301006012．51000

切口管材液压试验具体实验步骤为，查找试样的最小壁厚，在此点上沿管材试样轴向在其外壁上铣削第一个切口，切口应平行于试样的轴线，长度至少达到100 mm，切口深度至少达到管材壁厚的10%；沿圆周旋转到与第一个切口成180°的管材出，测量其壁厚并做第二个切口.然后对试样分别作20℃、1 h，60℃、1 000 h液压试验，环应力符合表4要求，用于计算压力值的壁厚取切口处剩余壁厚.该项性能只有PVC-M有要求.

2.3 σLPL、最小要求强度(MRS)、安全系数C、设计应力σs、管材标准尺寸比SDR、管材最大工作压力MOP

σLPL是配混料以管材的形式进行检测得到的与20℃、50年、概率预测97.5%相应的静液压强度，单位为MPa；最小要求强度σLPL(MRS)是圆整到优先数R10或R20系列的下一个较小的值；安全系数C是一个数值大于1的总系数，它考虑了未在预测下限中体现出的使用条件和管道系统中配件等组成部分的性质.设计应力σs是在规定应用条件下的允许应力，MRS除以系数C，圆整到优先数R20系列中的下一个较小的值，即

σs=[MRS]/C,

(2)

SDR=dn/en,

(3)

MOP=2×σs/(SDR-1).

(4)

三个标准中对PVC-U、 PVC-M、PVC-UH以上参数的规定如表5所示.

表5 PVC-U、 PVC-M、PVC-UH的MRS 、C及σs

由表5可以看出，PVC-U、PVC-UH的σs按管径定为10 MPa和 12.5 MPa，而PVC-M不分管径所有规格均为16 MPa.设计应力高意味着，相同管径相同公称压力下管材的壁厚越薄.应该指出的是，PVC-UH还对所使用原材料的MRS进行了规定，这对规范硬质PVC管材的生产将起到促进作用.

2.4 连接方式

PVC-U、PVC-M的连接方式主要采用胶粘及胶圈连接.连接方式如图5所示.

图5 PVC-U、PVC-M连接方式

PVC-UH则采用一体成型的钢骨架密封圈城口结构，管材的承口与插口结构如图6所示.

图6 PVC-UH连接方式注：1-承口；2-插入深度标口；3-插口.

该标准还规定了与PE材质连接件的连接方式如图7所示.

图7 PVC-UH与PE材质连接方式说明:1-加固层；m-配合深度.加固层可采用纤维增强或钢塑复合增强等加固措施。

PVC-U、PVC-M管的连接方式比较有利于生产，但在施工过程中易出现粘结不牢和胶圈顶翻造成漏水的缺点，PVC-UH管材的一体式连接方式可以有效避免胶圈顶翻的问题.

2.5 系统适应性试验

系统适应性是评价管材连接可靠性的重要手段，由连接密封性、偏角试验及负压试验3部分组成.PVC-U、PVC-M、PVC-UH连接密封性试验条件如表6所示.由表6可以看出三种管材偏角及负压试验条件相同，但在连接密封性上PVC-UH与PVC-U、PVC-M试验条件不同：一是温度为20℃试验时，压力和时间均不同，PVC-U、PVC-M试验压力为2倍公称压力，时间为1 h，而PVC-UH管试验压力为1.7倍公称压力，时间为1 000 h；二是PVC-UH管还规定了试验温度为40℃的试验，试验压力为1.45倍公称压力，时间为1 000 h.

表6 PVC-U、PVC-M、PVC-UH连接密封性试验条件

3 小结

(1) PVC-UH管材的各项性能要求明显高于PVC-U、PVC-M管材，主要体现在力学性能的液压试验上，其20℃、1小时液压试验环应力为42 MPa，明显高于PVC-U的36-38 MPa的环应力，也高于PVC-M管材的38 MPa.(2) 从对管材韧性及耐应力开裂性能要求看，PVC-M管材要求高于PVC-U、PVC-UH,其力学性能规定了高速冲击、C-环韧度、切口管材液压试验，而PVC-U、PVC-UH对上述指标均未规定.(3) 从设计应力上看PVC-M为16 MPa，远高于PVC-U、PVC-UH的10-12.5 MPa.(4) 连接方式PVC-UH采用一体式钢骨架胶圈连接方式，且预置在管材中可有效避免施工过程中出现胶圈顶翻问题.(5) PVC-UH对管材所使用原材料的MRS进行了规定，这对提高硬质PVC管材的质量稳定性将起到促进作用.应该说，PVC-UH是PVC-U管材的升级版.

[1] 王占杰，赵艳，郭晶. 中国塑料管道行业“十二·五” 期间发展状况及“十三·五”期间发展建议[J].中国塑料，2016，30(5)：1-7.

[2] 张玉川. PVC管道行业要走技术创新的路[J]. 中国塑料，2010，24(11)：1-5.

[3] 滕谋勇，王艳芳，邵鑫.PVC管材抗冲改性及高抗冲PVC管材的评价方法[J].工程塑料应用，2009，37(10)：43-47.

[4] 杨成德.大口径给水用抗冲改性PVC-M管材生产配方工艺研究[J].塑料制造，2016(1/2)：77-84.

[5] 全国塑料制品标准化委员会塑料管材、管件及阀门分技术委员会.GB/T10002.1-2006[S] :北京，北京：中国标准出版社，2006.

[6] 全国塑料制品标准化委员会塑料管材、管件及阀门分技术委员会.GB/T10002.2-2006[S] :北京，北京：中国标准出版社，2006.

[7] 全国塑料制品标准化委员会塑料管材、管件及阀门分技术委员会.GB/T32018.1-2015[S] :北京，北京：中国标准出版社，2015.

[8] 住房与城乡建设部给水排水产品标准化技术委员会.CJ/T493-2016[S] :北京，北京：中国标准出版社，2016.

[9] 金日光，华幼卿.高分子物理[M].北京：化学工业出版社，2013．

PropertiesofThreeKindsPVC-UPipes

TENG Mou-yong1ZHAN Yan-hu1GE Xiang-cai1WU Guo-qiang1LI Xi-bin1WANG Quan-long2PAN Fu-qu2WANG Tai-lei2

(1．School of Materials Science and Engineering，Liaocheng University，Liaocheng 252059，China； 2．Shandong Dongxin Plastics Company，Liaocheng 252323，China)

sThe physical property, mechanical property，resistance to internal pressure，minimum required strength，join way and seat and packing test of three kinds PVC-U pipes PVC-U、PVC-M、PVC-UH were analysed. This is showed that: resistance of pipes to hydrostatic pressure of PVC-UH pipe is higher than PVC-U and PVC-M pipes，test of resistance to internal pressure Pipe of PVC-UH, minimum required strength of material for PVC-UH pipe is 25MPa，but the toughness and design stress of PVC-M pipe are higher than PVC-U and PVC-UH pipes，The built-in steel skeleton rubber ring of PVC-UH pipes is convenient construction.

pipes for water supply，PVC-U，PVC-M，PVC-UH，properties

2017-05-12

国家自然科学基金项目(51407087)资助

滕谋勇，E-mail：tengmouyogn@lcu.edu.cn.

TQ325

A

1672-6634(2017)03-0069-06