市政排水用硬PVC排水管材自然老化行为研究

王 夏

（同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司，上海 200092）

城市化迅速发展，政府建设计划脚步也逐渐加快，加快了市政建设的进程。市政工程中较为重要的一个环节就是作为城市基础设施的排水管与排污管等排水系统［1］。最初城市建设中市政排水系统使用明沟，该种排水手段具有美观性差、污染高等缺点。此后人类文明取得进步，排水管道逐渐转为地下暗渠，随着科学技术的发展，市政排水系统使用钢混材料的排水管道，但是成本过高、腐蚀性大，使用年限较短。近几年各学者不断研究，逐渐推广使用化工材料作为地下排水管道的主要材料［2］。这种化工材料作为原材料的市政工程排水管具有强大性能与环保效果，成本较低，后续维护简便，受到越来越多建设工程项目的青睐。众多化工材料之中，PVC管材由于其优质的抗压强度、简便的安装工序以及较轻的自身重量成为排水工程中使用频率最高的化工材料。

PVC实质上是一种合成树脂，主要组成成分是经过单体均聚以后的VC原料，在增强剂、稳定剂等添加剂的作用下成为合成高分子材料。原料选取存在的差异导致PVC管材成为软、硬不同、用处不同的高分子材料。PVC属于无定型聚合物，在氧化作用以及自然光照条件下会发生缓慢分解产生氯化氢，共轭双键与碳基都会发生变色，出现老化现象［3］。PVC管材使用聚合工艺制备而成，工艺步骤包含悬浮、聚合等步骤。其中最为主要的工艺就是悬浮聚合工艺，该工艺能够实现较高产品转化率，能够加快硬PVC管材适应市场发展。实际生产时，硬PVC管材的生产工艺较为简单，但是聚合体系具有较大黏度，所以生产时导出难度大，容易出现聚合失败的情况，为解决这种情况，众多厂家和研究者都做出改进研究并且取得客观成效［4］。目前PVC材料应用广泛，已经深入到社会生活的方方面面，提升硬PVC管材的性能有利于今后相关产业的发展。

本文综合研究市政排水用硬PVC排水管材自然老化行为，从理论性的角度综合分析，为今后市政排水管建设规划提供有效参考。

1 硬PVC排水管材自然老化行为

1.1 硬PVC管概念与应用性能

（1）硬PVC管道概念

硬PVC也就是硬聚氯乙烯，硬PVC排水管的制作工艺较为简单，仅需要添加适量的辅助剂压铸成形以后经过冷却固化就成为直接应用于市政排水工程的排水管材。国外早在上世界中叶就在各排水系统中推广使用硬PVC管材，也就是说硬PVC是高分子材料中，应用于工业化领域内最早的塑料制品之一，相比于国外排水工程较为成熟的PVC技术，我国在上世纪末期才逐渐推广应用于市政工程以及排水相关领域之中，经过多年研究以及不断推广，硬PVC管材已经在市政排水领域得到普遍使用，但是相比于欧美发达国家对于硬PVC材料的使用，我国在硬PVC方面研究技术仍旧需要进步。

（2）硬PVC管应用特性

应用于市政工程的硬PVC管材主要起排水作用。对于这种使用需求，要求排水管具有较强的刚度和抗变形能力，同时还需要具有较强的防渗密封性与水体输送能力，由于污水中成分不能确定，所以要求排水管还具有较强的耐腐蚀性［5］。市政工程由于资金有限所以要求排水管在安装时具有高效便捷、成本低廉的特点。硬PVC管材能够满足以上各种要求，所以在目前市政排水工程中应用广泛［6］。

硬PVC管材的耐腐蚀性较强，无论是强酸性还是强碱性环境下都不会发生腐蚀现象，但是无法适应芳香类化合物。在市政排水工程中，使用硬PVC管材不需要考虑水质问题，该管材能够适用于大部分水质。硬PVC管材自身所具备良好的耐腐蚀性能，即使被盐碱类土壤掩埋较长时间也仍旧能够保持较好状态。与混凝土管材相比，硬PVC管材的内壁粗糙度更低，所有硬PVC管材在排水过程中水流量更大，所以能够优先将水力的坡降有效降低，这样就能帮助降低排水泵站的使用，降低水流运转费用［7-8］。硬PVC管材属于柔性管材，即使面对土层的不均匀沉降也不会发生断裂、堵塞、渗漏的情况，且修复更换方便，密封性能良好。相比于钢管或者混凝土管材，硬PVC管的抗压性能较差，但是硬PVC管的刚度较高，符合市政工程中土体掩埋需求，能够抵抗土体带来的压力［9］。硬PVC管材还有易于运输的特点，安装工序较为简单，尽管单价高于混凝土管材，但是综合费用与混凝土相比有所降低，实际市政施工时能够提升施工效率。

1.2 硬PVC排水管材自然老化影响因素

应用于市政排水工程的硬PVC管材出现自然老化实质上是一个涵盖物理及化学学科的慢性变化效果，从化学成分上来看，硬PVC较为复杂，制备过程中共混合大于10种的添加剂，不同环境影响下混合后生成的硬PVC活性也存在差异，呈现出一种物理或者化学的变化效果［10］。对于目前硬PVC排水管材的自然老化情况国内外学者都做出大量研究，本文从以下几点分析硬PVC排水管材自然老化的影响因素。

（1）分子结构缺陷导致的自然老化

高分子材料研究领域中大多数学者都认为硬PVC排水管材出现自然老化主要是由于内部分子结构存在缺陷的原因，分子结构之中，大多数分子链是呈现首尾相连接形式的氯乙烯单体。该分析中存在的氢原子与氯原子只与仲碳原子相关反应，具有结构稳定性。但是分子链结构如果出现头与头相连或者尾与尾直接相连的形式时就会使分子结构发生异常，如不饱和支链与不饱和双键等形式影响硬PVC的热稳定性能，导致硬PVC发生反应脱出HCl，形成多烯结构，该结构极易生成使硬PVC管材发生着色的多烯结构［11］。不饱和双键形成于分子链的末端，导致出现氧化断链，脱出稳定性较差的丙烯基氯。由于分子结构具有支链，出现老化现象时，各叔原子都容易遭受攻击，这些原子聚合比较差的链能，极易出现活化反应。部分原子在聚合阶段就直接脱出HCl，造成双键结构发生在分子链上。

（2）紫外光线导致的自然老化

氧化反应叠加光降解直接导致硬PVC材料发生降解情况。紫外光是太阳光中较大能量和较短波长的一部分光线，硬PVC管材发生自然老化的影响因素之一就是由于紫外线照射影响导致的。太阳光的波长最短为150nm，最长波长达到10000nm，大气层能够把一部分波长过长的光线消除，所以能够到达地面的光线主要为波长较短的紫外光（占全部光线的5%）、波长较长的红外光（占全部光线的55%）以及波长比较适中的可见光（占全部光线的40%），尽管紫外光在总体光线中占比较少［12］，但是该部分光线具有较大能量，所以会严重影响硬PVC管材的稳定性能。高分子材料各个分子链需要一定规格的能量才会发生断裂，但是紫外光自身具备的能量远远高于这个所需能量，直接导致化学键遭受破坏，由于紫外光的影响，加快硬PVC管材的光氧化速度，自然老化效果明显［13］。大量研究表明，长时间暴露在紫外光之下的硬PVC管材最开始会先由白色转变为黄色，随着暴露时间上升，管材由黄色向深红或者深棕色转变，转变过程如图1所示。

图1 紫外光导致的管材老化Fig. 1 Pipe aging caused by ultraviolet light

硬PVC排水管发生图1这种老化现象主要是由于PVC管材中的聚合物出现交联情况，导致聚合物产生共轭多烯，PVC管材本身具备的吸光谱被改变，紫外线光照过程中也会使PVC管材释放大量盐酸，这一情况也是由于上文中研究的PVC管材分子结构存在缺陷，吸收更多的紫外光线，出现严重降解［14］。已有研究数据表明，PVC管材长时间暴露在紫外光照之下从尺寸到外观都会导致PVC管材发生严重变化，相关数据见表1。

表1 紫外光照下PVC管材的尺寸变化Table 1 Size change of PVC pipe under ultraviolet light

从表1中的数据能够看出，随紫外光照射管材的时间变长，PVC管材的壁厚逐渐增加，照射时间越长，管材变形越严重，光照中期管材的不圆度已经达到2以上，说明由于紫外光照老化造成管材严重变形。

（3）颜色导致的自然老化

硬PVC管材发生老化的另一个重要影响因素是管材自身的颜色。硬PVC排水管除了我们常见的白色以外还存在黑色、灰色、绿色、黄色等多种颜色。国际排水管标准中规定，应用于市政工程的硬PVC排水管最好选用颜色为灰色的管材，使用这种颜色的管材主要是由于，这类管材中适量使用炭黑元素，这种添加剂是屏蔽光线最有效的添加剂，在天然室外环境中能够有效降低紫外光对于管材的伤害，具有较强耐候性［15］。

我国在硬PVC管材研究之初就是选择适当添加炭黑添加剂的灰色硬PVC管材，但是近年来对于硬PVC排水管的使用环境以及使用需求发生改变，仍旧使用灰色PVC管材无法直接区分管材是全新管材还是回收再利用的旧管材，所以各行各业对于灰色硬PVC管材的需求越来越少，而白色管材的需求量则逐渐增加，但是白色管材的耐老化性能远不如灰色管材，因此目前应用于市政排水工程的硬PVC管材耐老化性能远不如以前灰色硬PVC管材好［16］。

（4）自身质量不佳导致的自然老化

我国最初生产的硬PVC管材耐久性强、具有较为优异的抗老化性能，其中最为主要的一个原因是我国最初生产的硬PVC管材依照国家标准以及国际标准严格生产，生产过程中不会过量使用外加剂，对于已经投入使用的硬PVC管材也不会反复回收再利用，投入使用的硬PVC管材都是最高质量的材料。曾有学者针对上世纪末最初生产并且已经投入使用19年的硬PVC管材做出耐老化性能测定，测定结果表明，该管材表面老化程度较高，但是内部只发生轻微老化，这也说明当时正产的高质量硬PVC管材具有强大的耐老化性能［17］。

但是近年来，由于市场需求增大，各厂家加快竞争步伐，为降低成本同时提高产量，在生产过程中过量添加如三氧化钙等外加剂，导致管材的质量严重降低。国家相关规定中要求，用于市政排水的硬PVC管材需要使用至少80%以上的聚氯乙烯树脂，但是目前市场上销售的硬PVC管材外加剂的用量严重超标，严重降低管材的力学性能和抗老化性能，严重时会出现破裂、损坏等情况。

2 硬PVC排水管材自然老化性能改善策略

2.1 添加热稳定剂

适量添加热稳定剂能够极大程度改善PVC管的老化性能，最常使用的热稳定剂包含铅盐类热稳定剂与金属皂类的热稳定剂。

（1）铅盐类热稳定剂

目前市面上生产的硬PVC管材为提升抗耐老化性能，最常使用的稳定剂都是铅盐类热稳定剂，这种稳定剂购买成本较低能，同时能够将PVC释放的HCl有效捕捉，防止管材发生催化反应，极大程度提升硬PVC管材的稳定性和耐老化性能。但是盐铅属于重金属，使用过程中会释放毒素，虽然硬PVC管材被应用于市政排水工程，但是随着近年来我国越来越重视环保事业，所以该类稳定剂的使用逐渐降低。

（2）金属皂类稳定剂

该类稳定剂的主要原料是复合金属盐，一般需要复配增效剂才能实现管材稳定性的提升，所使用的增效剂包含多元醇、硬脂酸盐等，该类稳定剂在稳定效果上略逊于铅盐类热稳定剂但是不会释放毒素，具有良好的环保效果，已经成为市面上使用最广阔的稳定剂。

2.2 添加光稳定剂

光稳定剂的使用主要就是为了解决硬PVC管受到紫外光影响而出现的老化现象，考虑到应对的紫外光存在机理差异，所以光稳定剂主要包括光屏蔽剂和紫外光吸收剂等。

（1）光屏蔽剂

光屏蔽剂又可以分为钛白粉和炭黑元素等，在PVC原材料中添加这种稳定剂主要是由于这类稳定剂具有强大的光反射功能，可降低紫外光的辐射，降低硬PVC管材的老化速度。大量研究表明，适当使用光屏蔽剂能够显著提升硬PVC管对于自身外观的敏感性，同时能够抑制紫外光对于管材的伤害，提升管材的光稳定效果。

（2）紫外光吸收剂

紫外光吸收剂在自身结构上具有较强特点，主要针对紫外光的高辐射性发挥吸收作用，把光能向热能转化，延缓硬PVC管材的老化速度，最常使用的紫外光吸收剂为苯并三唑类吸收剂。已有研究表明，在聚乙烯树脂原料中适当添加该光稳定剂能够使得硬PVC管材不易出现颜色改变，降低管材表面由于紫外光出现的老化现象。各种光吸收剂由于结构存在差异，吸收紫外光的效果也存在差异，所以在使用过程中需要选用性能更加优越的吸收剂才能获得较好的耐老化性能，该部分还需要今后通过试验进一步研究。

3 结语

市政排水工程中已经广泛使用硬PVC排水管，该类排水管材具有良好的耐腐蚀性和防渗性能，在地下排水工作中展现出良好的性能，近年在各学者的努力研究之下不断改进技术，硬PVC管材的性能得到质的提升，但是由于一些外部影响因素以及内部自身原因导致管材易于出现老化现象，主要包含分析结构缺陷、紫外光照、颜色影响以及质量问题导致的老化问题，诸多研究者都为改善硬PVC管材老化情况作出相关研究，根本目的都是提升硬PVC管的性能，在市政排水工程中发挥更加强大的工作效果，同时提升管材的使用寿命，从根本上降低管材的消耗，节约成本，为城市化综合发展奠定良好的基础。