PVC-O管材生产加工及其特性评价

刘俊

(江西省建筑材料工业科学研究设计院, 江西 南昌 330001)

增韧改性虽然是提高管材力学性能的有效途径，但其局限性是改 PVC树脂价格较高，提高了管材成本。普通塑料管材在极限环向应力作用下，初期出现轴向裂纹，并沿管道轴向迅速增长，形成长距离开裂，造成大量液体泄漏。因此，如何既能提高塑料管的周向强度，有效地防止塑料管道发生快速开裂，又能低成本生产，是塑料管业一直思考的问题。

研究发现，用硬质 PVC塑料生产 PVC管过程中，将管材在其软化点附近进行周向和轴向拉伸使聚氯乙烯分子在管子的周向和轴向取向，使管材周向和轴向的力学性能均得以增强。通过双向取向得到的PVC管简称为PVC-O管。PVC-O管因强度高、韧性大、抗冲击、耐疲劳，各种机械性能不但远优于普通 PVC-U管，而且更好于PVC-M管，故有“打不破的管材”的美称。

1 PVC-O管材的特性

1.1 PVC-O管材具有优良的抗水锤能力

PVC-O管材的波速远低于传统管材，比铸铁管低4倍，这意味着减少了因水压和水量变化而形成的水锤，从而减少乃至消除了打开和关闭水网时爆管的可能性；同时，在水网运行时，也对水网的各个部件形成了保护。

1.2 PVC-O管材具有便捷的连接性

PVC-O管材采用柔性连接，不仅施工安装简单快速，而且确保管线安装完毕后接头不会移位，管线水密性好，漏失少，珍贵的水资源得到有效输送。

1.3 PVC-O管材具有环保节能性

PVC-O管材管壁仅为传统塑料管材的一半，增大了内径和输水断面面积；同时PVC-O管材卓越的生产设备和工艺使其内壁要远比金属管材光滑，这不仅减少了水头损失，而且管线中沉积物亦难于附着于内壁。这意味着同样外径的PVC-O管材，要比传统管材输水流量提高15%～40%。

1.4 PVC-O管材具有优良的卫生性能

PVC-O管材分子双轴取向技术的实现是基于优质原料，无法掺假。PVC-O管材耐受腐蚀，管材内外亦无需涂层，输水过程中不存在其他物质向水体的迁移，使得水体在输送时水质保持不变。

1.5 PVC-O管材具有无与伦比的抗冲击性能

PVC-O管材比PVC-U具有更好的抗冲击性。特别是在较低温度下，传统PVC-U在5℃以下易脆，PVC-O则未显示出这个问题。在较低温度下，PVC-O的抗冲击性甚至高于正常工作条件(温度＞20℃)下的PVC-U。PVC-O与PE之间也有不同，“时间”是这种差异的一个至关重要的因素：如何“长期”抵抗裂纹扩展的影响。

1.6 PVC-O管材超高的强度

管材壁厚仅为普通PVC-U管材的一半，但强度达到4倍。

1.7 PVC-O管材拥有卓越的弹性

在管材直径方向上可以承受的变形达到管材内径的100%。当管材受到挤压后，管材可以迅速恢复原形，从而使得施工过程中因砂石挤压或机械冲撞而造成的破坏风险降至最低。同时，卓越的韧性使得PVC-O管材极为适合于S形管线的铺设。

1.8 PVC-O管材卓具有良好的耐低温脆性

即使在-25℃的寒冷环境下，其吸收冲击的能力也没有明显变化，从而扩大了PVC-O管材的使用地区，延长了管线施工的窗口。

1.9 PVC-O管材具备优良的抗开裂能力。

PVC-O管材对缺口不敏感，网状的管壁结构可以有效阻止裂纹和划痕的延伸，外界对管材本体造成的破坏点不会扩展。消除了管线快速开裂及慢速开裂的现象，从而极大地保证了管网的安全，并延长了产品的使用寿命。

2 高分子材料的拉伸取向机理和温度控制区间

高分子聚合物有个特性，就是在外力的作用下对产品进行拉伸时，分子能够有序的重新规整和排列，并可以明显地提高它的物理性能，如：拉伸强度、落锤冲击强度和承压能力。高分子材料制品的拉伸取向会给产品带来优良的性能，双轴取向聚氯乙烯(PVC-O)管材就是通过双向拉伸工艺生产的管材，这一加工工艺是采用高分子物理原理，拉伸取向机理的方法完成的，对PVC管材进行纵向拉伸和横向拉伸扩张，使管材中的PVC分子在外力的作用下重新有序的排列，使PVC分子能够均一的承受一定的力，从而形成合力，使强度、韧性、抗冲击性和抗疲劳性得到加强，避免了分子单一受力的现象[2]。PVC-O管材就是通过这一原理生产而成的，由于PVC-O管的产品性能要优于PVC-U管材，所以扩大了它的使用范围，具有明显的经济效益和社会效益。

高分子材料的拉伸取向过程是在Tg与Tf之间，一般是在高弹态区间的温度条件下，温度控制在80～160℃之间，对管材进行拉伸和扩张，使高分子材料在外力的作用下分子从无序排列到有序排列的过程。

由图可知高分子材料有三种物理状态，即：玻璃态、高弹态和黏流态，其转变温度分别为：Tg=80℃ (玻 璃 化 温 度 )、Tf=160℃ (黏 流 温 度 )、Td=200℃(分解温度)，根据配方中稳定体系、稳定剂用量与搭配，分解温度有所提高或降低，所以从理论上讲成型硬质PVC管材时机筒各段温度的控制应有所不同，为获得高质量、高产量，各段温度需反复调节，准确控制。

在拉伸过程中，由于高分子实现了有序的排列、PVC-O管材的高分子沿分子取向力的方向，强度得到了极大提高，而垂直于拉伸方向的强度大大减小[3]。也就是说材料通过拉伸取向，将垂直于拉伸方向的强度，通过外力的拉伸取向，移动到了沿分子取向方向的强度上去了。双轴拉伸取向的优点，就是通过纵向拉伸和横向拉伸，将卷曲的分子链拉直并沿拉伸力的方向排列。适当增加拉伸比率，则分子取向程度加大，材料的强度也同时加大。但不能过分加大拉伸比率，拉伸比太大会导致高分子材料的破坏，将高分子材料的分子链被拉断，管材局部会出现白化现象，壁厚减小，此时应力会阶梯式的下降，高分子材料已受到了永久的破坏。

如果在拉伸过程中物料温度控制过高，在黏流态160～200℃时，拉伸速度又过低，冷却太慢，分子链在拉伸的过程中会产生松弛现象，即在拉伸的过程中分子链产生蠕动，由于温度过高PVC分子有足够的时间和能力，使分子逐渐回复至原来的卷曲状态，使取向程度降低。拉伸没有起到相应的效果，因此要获得较为理想的拉伸取向，应当制定合理的拉伸温度、拉伸速率、一定的冷却时间。及时的将拉伸后的管材温度降到其玻璃化温度以下。使高分子链及时的冷却定型。

在拉伸过程中温度控制过低，在玻璃态Tg80℃，分子链处于冻结状态，在这个温度条件下进行拉伸，会造成材料受强迫拉伸而破坏了它原有的应力。拉伸的不均匀现象增加。机械受力严重。

在拉伸过程中温度最好控制在高弹态Tf=120～160℃左右，因为在此时PVC的温度高于玻璃态区间，有利于拉伸和扩张。但温度又低于黏流态区间，PVC分子相对固定，不会产生分子间的蠕变和移动，PVC分子没有足够的时间和能力回复至原来的卷曲状态，物料也不会产生局部过热现象，在此区间拉伸和扩张较为理想。

3 PVC-O管材的生产加工方法

PVC属于非结晶型的无定型塑料，由于分子中的氯具有较大的极性，因此呈刚性，玻璃化温度较高，没有明确的熔点。这种性能的管材，与其他结晶型的聚烯烃管材相比，较适合于进行双轴拉伸取向。PVC管材在成型过程中很容易进行单轴拉伸取向。 PVC管材在成型过程中很容易进行单轴拉伸取向，即轴向拉伸取向，只要增加管材牵引和挤出的速比即可实现这种取向。但这种轴向拉伸取向对管材的性能来讲是毫无意义的，因为它虽然通过拉伸取向增加了管材取向的强度，但却降低了管材径向(即环向)的强度，这对于塑料管材，尤其是给水管材来说，是十分有害的，因为它会大大降低管材的液压爆破强度，这也是管材的质量标准中要规定管材的纵向回缩率一定要小于等于5%的原因。 理想的拉伸取向应当是双向的，即双轴拉伸取向，通过双轴拉伸取向，既增加了管材的轴向强度，同时也增加了管材的径向(即环向)强度。也就是说，通过双轴拉伸取向，提高了管材的整体性能。在管材材料强度大大增加、管材原有液压爆破强度基础上，通过降低壁厚的方法节省原料，降低产品的成本。

PVC-O加工工艺是把由常用挤出方法生产的PVC-U管材的长链分子进行取向。在加工中管材的直径增大，使分子在环向取向并带来强度和韧度两个物理性能的实质性改善。分子的取向大大地增加了材料的短期和长期强度。分子取向加工产生薄片分层结构，是PVC-O韧度高的关键。如果由于缺陷和点负载产生了裂纹，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，裂纹扩展被有效地抑制。 PVC-O管材的生产分为一步法和二步法。二步法分为布袋法和高压水扩张法。

3.1 PVC-O管一步法生产流程图

如图1在一步法生产中，当管坯从挤出机中挤出时，在管坯中有二个固定的橡胶塞，分为一级和二级，二级塞为可膨胀塞。并且在一、二级管坯中的型体内要能够充入一定量的气压。一级橡胶塞和二级可膨胀橡胶塞相互用钢丝绳牵引连接，难点就是要控制好二次加热温度和加热时间，并且与主机挤出速度和温度之间的工艺配合。它的主要流程生产工艺为，先拉伸、后扩张。

在一步法生产PVC-O管时，当管胚从挤出机中挤出时，只要适当的调节牵引速度就可以实现管材的拉伸取向，但这种拉伸太大时就破坏了环向取向应力，当在对管材进行扩张时就会出现管材破裂的现象。

一步法的生产速度和效率都高、耗能和耗劳动力少，但设备和工艺复杂，产品径向尺寸有一定限制。如，荷兰WAVIN公司生产的 Apelo管，压力达 PN16，而管材直径才315 mm；又如，澳大利亚Vinidex公 司生产的 Supermain管，压力达 PNI6时，管材直径却只有300 mm 。

图1 高分子材料物理状态

3.2 PVC-O管二步法生产流程图

利用布管法对管材进行扩张，先将布管引入在预热好的管坯内，经牵引，通过充气装置向布管内通入一定压力的气体布管被快速并充分胀开，外面的管坯同时受内压被扩胀，冷却后就得到拉伸取向管。

由图2二步法也称为离线工艺法，就是将生产好的PVC-O管坯料进行二次加热、扩张、拉伸。此种生产方法生产速度很慢效率很低，废品率较高。它的主要生产流程工艺为，先扩张、同时拉伸。

图2 PVC-O管一步法生产流程图

二步法生产PVC-O管材生产效率比较低，管胚加热装置及加热的均匀度很难控制。在膨胀过程中壁厚的均匀程度及公差也很难控制。废品率较高。生产出的PVC-O管材其取向度很难保证。

PVC-O管在生产中如若只扩张，不拉伸，或者只拉伸，不扩张，只能算是扩张管或拉伸管材，这种生产的管材根本达不到应有的标准，只会给以后的安装和使用留下很多的隐患。PVC-O管它不仅要有纵向的取向度，还有横向的取向度。取向度是衡量PVC-O管材的一个特定的标准。当高分材料在拉伸时，高分子才会呈现出大分子链沿着作用力方向有序的排列。从而使得高分子材料在力的取向方向上获得较高的力学强度性能。

有关PVC-O给水管的生产工艺，国内外都有报道，其中得到较好评价的加工工艺有两个：一是荷兰WAVIN公司的连续成型法，另一个是法国阿尔法康公司的带 R-R承口的成型法。

荷兰 WAVIN公司的技术是，挤出机挤出管坯先后连续地通过生产线上的冷却区、加热区、扩胀和拉伸区。从挤出机出来的管坯先在冷却区冷却，当管坯前进到加热区再被加热，随后被强行塞入扩展芯模实现周向扩胀。扩胀同时，用牵引机强力牵引管材而使管轴向拉伸。

法国阿尔法康公司的技术是，挤出机挤出的管坯用夹具固定在滑动罩体内，滑动罩体安装在成形筒内，管材前端夹具的外面是 R-R承口模；温度略高于管材玻璃化温度的流体通过管道，压入成型装置内，管材受热受压而开始膨胀，直至管外壁紧贴滑动罩体的内壁；滑动罩体在驱动装置作用下缓慢地从成形筒内抽出，管材膨胀继续，直至管外壁紧贴成形筒内壁，实现了管材的周向扩胀，与此同时，夹紧装置在牵引装置拉动下缓慢从成形筒内抽出，对管材进行轴向拉伸。随后，用冷流体置换掉管材内的热流体，对管材冷却定型。成型后，锯掉两端夹具夹紧处，就得到一根完整的带 R-R承口的管材。

图3 PVC-O管二步法生产流程图

4 PVC-O管材的优点和缺点

现在生产PVC管材的厂家都在开发研究PVC-O管材，认为这是代表了一个厂的实力和技术水平，其实PVC-O管也有很多缺点和不足，但是很多报道只说好的一方面，实质性的问题很多消费者都无从知晓。希望厂家在生产和研究过程中能加以克服。

由于PVC的多功能性和配方的多变性，而PVC-O作为一种新型管材，具备了以上有的特点，它的拉伸强度、抗冲击性、抗疲劳性，综合性能强，运输、安装、维护、维修方便，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之中。

PVC-O管材在没有扩张和拉伸前，高分子物呈杂乱无序化状态，（如图4），当对PVC-O管进行加热并施加以外力，将其拉伸，高分子材料通过力的取向、将卷曲的分子链拉直并沿拉伸的方向排列、形成统一合力的方向。适当增加拉伸，则分子取向程度加大，材料的强度也同时加大，它能够极大的提高拉伸强度、提高抗冲击性能和抗疲劳性能。

如若PVC-O管在生产中首先扩张，然后再进行拉伸。高分子会向着环方向扩张的方向，（如图5），高分子就会沿着环方向的应力取向，使PVC-O管材的承压能力增强，可有效的提高抗冲击性、抗疲劳性。所以PVC-O管材的扩张倍率是一个十分重要的参数。

但扩张倍率、拉伸倍率过高，会带来材料柔性变差，拉伸倍率和扩张倍率越大，管材的刚性则越强。耐压强度越大，管材的性能会逐渐由韧性变为脆性。断裂伸长率会逐渐变小，拉伸强度会逐渐加强。

图4 未取向示意图

图5 扩张取向示意图

PVC-O管材在成型过程中很容易进行单向拉伸，即轴向拉伸取向，只要增加管材牵引和挤出的速比即可实现这种取向。但这种轴向拉伸取向对管材的综合性能来讲是毫无意义的，有时还会起到反作用，因为它虽然通过拉伸取向增强了管材轴向取向的强度，但却降低了管材径向(即环向)的分子力的强度，这对于塑料管材，尤其是给水管材来说，是十分有害的，因为它会大大降低管材的液压强度。这只是一种拉伸管材，这种管材在轴向的强度很好，但在环方向强度却不是太好。当它在受力或承压时容易产生爆管 （如图 6）。

我们要求的PVC-O管材，即要有在拉伸方向的分子取向，又要有扩张方向的分子取向，这样会使高分子沿着轴向有着一定的分子排向，又有着环方向排列的分子取向（如图7），这样的管材既有拉伸强度，又有扩张强度，使管材的承压能力得到极大的增强。

5 高分子材料的应力松弛功能

图6 只拉伸未扩张示意图

图7 扩张后拉伸取向示意图

高分子材料有应力取向性，相反的它也有应力松弛性（即高分子材料的应力回复记意功能），当已生产好的PVC-O管材处于一定温度的时候，由于大分子链内摩擦力较小，较容易自由运动，当受到一定应力产生形变后，很快就松弛掉了。那么PVC-O管材的内应力就会随着时间的增加而逐渐减少。管材的强度、承压能力也会随着下降，管材的外径和长度也会随之产生形变，因为这是高分子材料无法改变的一个特性。

所以生产PVC-O管材应严把质量关，因为任何产品都有使用区间，PVC-O主要应用在给水管道、矿山管道、非开挖铺设和修复用管道、燃气管网等领域。饮水管网中PVC-O的应用在逐步扩大，成为PVC-U的替代品。

但PVC-O管不能用于热源管道，不能在户外存放和户外使用。它不能在日光下暴晒，不能离热源太近的地方使用。因为这是它的分子结构和分子性能决定的。这也是它的一大缺点。温度的升高会使PVC-O管材产生蠕变，高分子材料回复原有记意功能，产生形变。

但在生产PVC-O的时，我要在此反复提醒要慎重、要稳妥。如果没有严密的生产标准和完善的工艺生产检测手段，盲目草率地生产所谓的PVC-O管，可能给用户、给社会带来重大损害，同时给生产企业造成重大损失。PVC-O管材并非是完美无暇，十分完善的一种管材。也并非是所有生产PVC的厂家都可以生产PVC-O管材。由于PVC-O管材的生产工艺和生产过程都存在着很多有待完善的过程，在生产过程中，合格率太低，造成生产成本较高，管材壁厚难以控制。拉伸倍率和扩张倍率要求较高。二次扩张和拉伸中管材预热均匀性的问题和扩张时偏心造成壁厚误差的问题，都需要认真的解决，所以在生产和研发过程中要慎重。

在高分子这个大家庭中，综合性能指标能够达到PVC-O管材的生产材料有很多。在不增加生产设备的情况下，其生产工艺和生产方法比生产PVC-O管材要简单、方便、快捷的多，这种管材就是高强度PVC-SG3型管材。

6 总结

PVC-O产品在和其他材料的竞争中被选用的原因，是因为它最经济有效。大部分塑料(树脂)是以石油为原材料，因此树脂的价格依赖于石油的价格，特别是生产中消耗乙烯多的塑料品种，随着石油价格的不断增长，其树脂价格也在相当长时期内维持在高位。而以煤为原材料的聚氯乙烯则较少受到石油价格高的影响，持续维持在较低价格，因而增强了竞争力。

PVC-O产品能够经久不衰的另一个原因，是因为它是一种环保型的产品。众所周知，制碱业是化学工业的基础，单就我国而言近几年每年的烧碱产量就有3 000多万t。通过电解食盐制造烧碱的过程中会产生大量的氯气，氯气是一种有毒、有害、刺激性气味的气体，如果不慎泄漏到大气中对空气、对环境、对周围的生物都会造成严重的危害，所以必须把产生的氯气消化掉。

而生产制造聚氯乙烯树脂则是大量消耗氯气的最好的方式。因而从国家的宏观政策和大环保的角度来看，聚氯乙烯是国家着力发展和保护的环保型产品。