双轴取向聚氯乙烯管的应用和研究现状

袁 帅，庞 磊，徐 伟，刘 强，李胜虎

（宜宾天亿新材料科技有限公司，四川 宜宾 644000）

PVC在管材的应用很长时间都只有PVC-U一个品类。采用常规的拉伸挤出PVC-U管材，PVC分子沿着轴向排布，而在环向上，分子的排列并未存在规整性。在流体输送中，PVC-U管道受到内压力时，其环向强度正是最薄弱点。故管材在压力流体的输送过程中，需要提高管材的壁厚来提升管材的环向强度，但是采取此种增强方法，无疑会造成材料的巨大浪费。

20世纪后期，PVC-O管材的出现很好地改变了管材环向强度低的状况。PVC-O管道是通过对挤出成型后获得的PVC-U管材进行环向和轴向拉伸取向后得到的管材。在微观结构下，经过双轴取向后，分子链呈现有序规整结构，这种结构对裂纹在管材中延展有良好的抑制作用，能延长材料的使用寿命。另一方面，PVC-O管材经过环向取向后，在环向上提升了管材的强度和韧性，在压力流体的输送中，在同等规格下，PVC-O与PVC-U管材相比，可以节省大量原材料[1]。

1 PVC-O研究状况

取向加工技术[2]在薄膜、纤维和中空吹塑等行业是较为成熟的技术。该类产品具有很高的取向程度、壁厚薄、强度高等特点。聚氯乙烯作为非结晶型的无定型塑料，分子中氯原子有较大的极性，玻璃化温度较高，无明确的熔点，和聚烯烃类管材相比，较适合双轴拉伸取向。

1.1 国外研究状况

20世纪60年代，英国利兹大学的I.M.Ward教授等[3，4]对高分子材料拉伸自增强进行了深入研究，深入了解了PP、PE、PVC等在内的多种高分子的拉伸强度，并探索了相应管材的加工方法。早期研究中，拉伸自增强局限于小型制品的制备，在大型制品制备过程中易产生永久性变形，无法获得完整产品。在1979年，Coates等[5]开发了间歇式口模拉伸技术，拉伸口模技术能够解决大型制品生产过程中的塑性变形问题，展现出了极大的商业化潜力。目前，国外发达国家所采用的最新技术为连续口模双轴取向技术，该技术由英国Frances Shaw公司于1986年率先开始研究，不仅可以用于管材的生产，亦可用于片材、棒材的生产。1993年，连续口模技术正式投入使用。

20世纪70年代，英国Yorkshire Imperial Plastics公司[6]（现Uponor）率先开发出PVC-O产品，当时按照其传统命名称为“Superpolyoprc”。1974年英国约克郡水务局[6]率先安装使用Yorkshire Imperial Plastics公司生产的DN100的PVC-O管材。20世纪80年代，PVC-O管材开始在欧洲各地出现。1982年，澳大利亚的Vinidex公司建设了第一条PVC-O试验线，1986年，澳大利亚正式安装了第一条PVC-O生产线[7]。1990年美国Uponor公司收购了美国Extrusion Technologies Inc（ETI）公司，并授权其进行PVC-O管材的生产[8]。PVC-O的生产，大大增强了Uponor公司的PVC产品在美国市场的影响力。21世纪初期，西班牙Molecor公司开发出干法+离线系统，在提高管材生产效率的同时，将PVC-O管材的加工范围扩大了一倍[9]。2013年Molecor推出M-OR-P 3180系统，该系统可以制得DN 800 mm，承压25 bar的PVC-O管材[10]。2016年Molecor推出M-ORP 5012系统，该系统可以制备得到DN 1200 mm，承压25 bar的PVC-O管材。虽然PVC-O管材经历40多年的发展，但是研究人员对PVC-O的研究依旧没有停止。

Zhouxin等[11]采用瑞利波测量PVC-O的环向取向强度，结果表明瑞利波对取向结构十分敏感，可以用于PVC-O管材的环向强度检测，且能实时在线检测。

M.Ferrante等[12]通过对PN 16 DN 110 mm的PVC-O管材瞬态研究，表明了PVC-O管的波速与聚乙烯等其他高分子材料管的波速接近，但其粘弹性特性不明显。

D.B.West等[13]通过建立RFL模型获得PVC-O管材的疲劳寿命数据，从而分析预测PVC-O管材在规定时间内和应力作用下的失效概率，该模型有助于优化PVC-O管材的使用。

1.2 国内研究状况

国内对双轴取向的关注较晚，在20世纪90年代，国内科研机构开始关注取向技术的研究。北京化工大学、四川大学、国家化学建材检测中心等单位做了大量的基础研究。

申开智等[14]设计了一种自增强塑料管材挤出装置，在挤出过程中，通过芯棒和口模产生相对旋转发生剪切作用，从而使塑料的大分子链沿着管材环向取向，冷却定型后获得自增强塑料管材。

王克俭等[15]设计了通过在坯管和扩胀管之间设置两个封闭堵头，造成内部为软性介质的密封空间，通过外模具进行定径，两个牵引轮采用同轴不同径的方式对管材进行模头拉胀，获得了较好效果。

杨明华等[16]设计了一种旁侧进料式机头，可以减轻合模线对管材强度带来的负面影响。在对自增强机理研究中发现，在径向拉伸比大于轴向拉伸比的情况下，可以获得环向强度大于轴向强度的管材，且该类管材更加符合使用中的受力情况。

吴大鸣等[17]等通过将密闭布袋置入需要成型的坯管中，在布袋中充入软性介质，采用外定径的方式，最终获得双轴取向的管材，该方式可以进行连续扩展生产。

1.2.2 RACE实验 5'-Full RACE：根据从cDNA文库中已得到的MLAA-22基因(AY288965)的cDNA序列，使用引物设计专用软件分别设计其下游特异性引物GSP2(外侧引物)：5'-ACTGAGCTTTGGCAGCCGATACAAT-3'，以及下游特异性引物GSP3(内侧引物)： 5'-CTCAATAAGGCAGTTTCGGTGGTAT-3'；此引物由Takara公司合成。按厂家提供的试剂盒说明书进行MLAA-22基因的5'-Full RACE实验，以扩增其cDNA的5'端未知序列。

2012年以来，国内PVC-O管材开启了商业化应用道路，国内PVC-O管材生产都采用连续扩胀方式进行。天原集团子公司宜宾天亿新材料科技有限公司推出PVC-O管道[18]，目前已经做到了8万t/a。此外，河北建投宝塑推出了PVC-O管道（太极蓝管）[19]、河北万利泰欧勒管业推出了PVC-O管道（欧勒蓝管）[20]。

2 PVC-O管材介绍

高聚物的C-C键具有很高的键能，但是在微观结构下，材料内的大分子处于无序排列状态，起主要作用的是结合能较低的范德华力和偶极力。根据H.Staudinger教授的理论，高分子链刚直取向，则可以获得高强度和高模量的高聚物。高分子的拉伸取向过程一般是介于玻璃化转变温度和熔融温度的条件下，分子链段在外力的作用下由无序排列转变为轴向和环向的有序排列，材料由各向同性状态转变为各向异性状态，材料沿分子取向方向的强度加强，而垂直于取向方向的强度有所降低。也就是说，经过取向工艺后，材料垂直方向的强度被叠加在了取向方向，由此增强了取向方向的强度。双向取向只能在玻璃化转变温度以上进行，当材料的温度低于玻璃化转变温度时，分子链处于“冻结”状态，此状态下拉伸材料，只会使得材料的分子链段被强行破坏。此外当材料温度高于熔融温度时，分子能够自由移动，此时拉伸无法达到取向效果。

聚合物通过取向加工使得加工制品中的分子链规整排列，可以明显提升制品的性能。目前大部分塑料制品依靠取向获得的卓越性能提升自身的竞争优势，如双向拉伸薄膜、纤维[21]、容器等。一方面采用双轴取向工艺可以提升管材的综合性能，另一方面采用双轴取向技术，可以在同等规格条件下，减少材料的消耗。

PVC-O管材是采用双轴取向技术制备得到的管材[22]。经过双向拉伸后，PVC-O管材在拉伸强度、韧性和抗冲性能等方面远优于PVC-U管材。不同品类的PVC给水管对比见表1。在执行标准中发现，PVC-O管材具有更高的公称压力以及更小的公称外径，故其水力容量相较于其他管道系统和同外径管道系统高15%～40%。通过对PVC-O和PVC-U落锤指标对比见表2，由表2可见相较于传统的PVC-U管道，经过双轴取向后的PVC-O管道具有更加优良的抗冲性能。

表1 三种PVC给水管执行标准情况

表2 PVC-O和PVC-U落锤指标对比

3 PVC-O管材的生产工艺

目前PVC-O管材的生产方法主要有两种，一种为Off-line（两步法），另一种为In-line（一步法）[23]。

3.1 两步法生产工艺

早期PVC-O的生产都采用两步法（Off-line）加工方式。两步法[24]是将经过挤出切割后的PVC-U管材进行二次加热，达到一定温度后，再使管材在定径套中进行自由扩张，最后通过牵引设备进行轴向的拉伸，最终获得双轴取向的PVC-O管材。在对管材进行加热过程中，因加热介质不同，又分为“干法”和“湿法”。早期的两步法大都采用液体作为加热介质，直到2007年西班牙Molecor[25]开发了一种全新的生产技术，新式离线+干法PVC-O生产系统。该系统采用红外线加热，通过空气导热对管材加热。加热时，管材连续转动保证管材的受热均匀性，预热完成后的管坯被送入到拉伸模具中，通过向管坯中通入软性介质（压缩空气）进行拉伸获得PVC-O管。相较于传统的湿法离线加工方式，Molecor的新型离线系统对生产效率有极大的提升。

采用两步法加工工艺，管坯生产时可以实时测量管材的壁厚，横向拉伸值可以取得更高，且可以同步制造出带有R-R承插口的管材。但是采用离线生产时，管坯的两端需要作为密封段，在生产完成后需要做切除处理，且相较于一步法来说，无法连续生产，生产效率较低。此外，采用离线法生产，设备投资造价高昂。相比于一步法在大口径管材生产过程中，管材尺寸的控制难度较大，两步法生产工艺则能降低产品的废品率。

3.2 一步法生产工艺

早 期Petzetakis、Upo-vinidex、Wavin、Alphacan等都采用湿法（液体作为加热介质）进行PVC-O管道的生产[27]。为解决传统湿法中热水耗能、复杂的水温控制和水泄露的可能性等问题，在2009年Rollepaal推出新型PVC-O一步法生产系统。该系统采用气体对PVC-O管材加热，通过两个独立牵引机，采用气压和在线拉伸对管材进行环向和轴向的取向。在DN 63～160 mm管材的生产中，产量由以前的300 kg/h提升至500 kg/h。

一步法工艺大幅度提升了生产效率，降低了制造成本，增强了管材的竞争力。但是在大口径管材的生产中，一步法对管材的壁厚控制能力要求较高。另一方面，一步法生产后的管材需要经过扩口工序获得R口，在扩口过程中，R口位置会出现解取向现象，会降低管材性能。

4 PVC-O管材市场应用情况

PVC管材是全球范围内应用最为广泛、需求量最大的塑料管材。在过去的80多年中，PVC-U充当给水管的角色，其应用历史表明了PVC材质管道的安全性。PVC-O管道经过双轴取向后，分子形成网状结构，赋予了材料优良的抗冲性能。此外，在输水能力上，在相同压力、口径的条件下，PVC-O管道的壁厚更薄，输水能力更高。在国外，PVC-O管材主要应用于给水管道、非开挖铺设、矿山管道等。在一些国家中，PVC-O管材已经大幅应用于饮水管网，其中荷兰饮用水管网已经完全采用了PVC-O管道。根据Wavin的调查报告显示，法国、西班牙、北美、南美等地都开始大规模采用PVC-O管道。矿山环境恶劣，在具有强烈腐蚀环境的地下，强度大、抗冲性强、耐腐蚀的PVC-O管道有非常大的竞争优势。且其非开挖铺设管道技术及R口简易安装设计，在铺设费用上与同等聚烯烃管道对比有巨大的建设优势。

在国内市场下，大众对PVC-O的认知度较低，现阶段市场规模较小。但是随着中国城市化进程不断推进，城镇化率上升，在给水领域管材的需求量将会持续上升，而PVC-O作为性能优势突出产品，更会获得大众的青睐。自2000年以来，中国城市化进程不断加快，在城市化建设早期球墨铸铁管被大量用于给水工程管道。而球墨铸铁管的使用寿命为30年左右，在未来的一段时间，将会逐渐出现给水工程管道更换，届时将会迎来PVC-O的消费市场快速增长期。

5 结语

PVC-O作为一种新型管材，在国内目前处于起步阶段，具有性能良好、质量轻、成本低、安装运输方便等优点，可以在较高压力和恶劣腐蚀环境下使用。相较于其他PVC管材，其所需要材料更少，在生产中更加节能环保，且性能优越，得到了国家的大力支持，市场前景广阔。《中共中央国务院关于深入打好污染防治攻坚战的意见》提出要深入打好碧水保卫战，巩固提升饮用水安全保障水平，PVC-O作为性能突出的给水管道，将迎来发展契机。在2021年的《“十四五”节水型社会建设规划》中明确，农田灌溉有效利用系数要达到0.58，城市供水管网漏损率低于9.0%。在《关于推动城乡建设绿色发展的意见》一文中指出，打造绿色生态宜居的美丽乡村，完善水、电、气、厕配套附属设施。《关于国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要的决议》指出城镇污水垃圾处理设施需要新增和改造污水收集管网8万km，预估污水管网的资金缺口达到1万亿元，加上雨水管网共超过2万亿元，性能卓越的PVC-O管材市场潜力巨大。

PVC-O管材因其节能环保及优越性能被越来越多的国家所接受。2018年，塑料管材产量达到1 567万t，其中PVC管材产量为55%，国内PVC-O的产能约为25.5万t，不足PVC管材产量的3%。相较于PVC-U和PVC-M的管材，性能更优、成本更低的PVC-O管材应用空间十分巨大。

在PVC-O发展中仍有较多问题需要解决。目前国内企业使用PVC-O管材，普遍选择法兰件进行连接，而铸铁制备的法兰件使用寿命远低于PVC-O的使用寿命。法兰件锈蚀后，锈蚀物质进入水中，对水质造成一定的影响。故急需制备采用同等技术条件的PVC-O管件，以便于PVC-O管道的安装和使用。在特殊加压给水、排水等领域，需要承受压力等级更高的管道，对PVC-O管道的管材等级提出更高要求。在大型管道领域，目前世界上仅有Molecor可以制备得到DN 1 200 mm的PVC-O管材，而国内口径DN 630 mm以上管材仍处于“开荒”阶段，需要不断的推进产品提升。

经过四十多年的发展，PVC-O管材目前仍旧是一个需要不断开发和完善的产品，而其卓越的性能、节能环保的特点值得进行深入研究。