氯化聚氯乙烯与硬聚氯乙烯管材产品的鉴别

张兵

（福建省产品质量检验研究院 国家塑料制品质量检验检测中心，福建 福州 350002）

0 前言

氯化聚氯乙烯（CPVC）是将聚氯乙烯（PVC）进一步氯化的产物，最早由德国法本公司以溶液法制得，后来美国诺誉化工公司在20世纪60年代初期开发研制成功并投入商业化生产。一般将聚氯乙烯树脂粉碎后，经氯化、过滤、水洗、中和、干燥几个步骤即可得到氯化聚氯乙烯，是聚氯乙烯树脂的重要改性品种之一，目前主要有溶液法、悬浮法、气固相法三种方法生产，其中悬浮法和气固相法生产得到的CPVC分子量较高，常用于制造管材、板材[1]。氯化聚氯乙烯分子结构中含氯量明显高于聚氯乙烯树脂，一般生产的氯化聚氯乙烯含氯量在61%～68%。由于氯化聚氯乙烯具有较强的内聚能，使得其物理机械性能大幅提高，特别是耐高温性能、耐老化、耐腐蚀和阻燃性能比聚氯乙烯有较大的提高。因此在输送冷热水工程、化工耐腐蚀管道、电力等耐高温管道以及民用排污管道领域有大量的应用[2]。

目前我国氯化聚氯乙烯产品质量档次不高，用于管材、型材等硬制品的氯化聚氯乙烯仍依赖进口，市场上氯化聚氯乙烯的价格要比聚氯乙烯价格高出近2倍。正是由于2种材料价格存在较大的差异，促使一些不法生产企业为牟取不正当利益，使用硬质聚氯乙烯冒充氯化聚氯乙烯产品推向市场。笔者在日常检验工作中发现，2种产品在外观上看难以区分，但从产品的物理性能上差异还是比较明显，因此，本文从结构和性能的角度出发，以红外、拉伸性能、维卡软化温度、环段热压缩及密度等测试为手段，详细讨论了2种产品的区别，希望为消费者和监管部门提供鉴别2种产品提供数据支撑，为净化氯化聚氯乙烯市场提供技术支撑。

1 实验部分

1.1 试样

1.2 主要仪器设备

⑴红外光谱仪，NICOLET 5700，美国尼高力公司；⑵固体密度测试仪，AGH-120E，日本岛津公司；⑶维卡热变形试验机 IC6，德国考斯菲尔德公司；⑷高温试验箱，SEG-041，上海埃斯佩克环境仪器有限公司；⑸电子拉力试验机，ETM104C，深圳万测试验设备有限公司。

1.3 实验方法

1.3.1 红外光谱分析

依据GB/T 6040—2019规定的方法，采用全反射ATR法采集样品的红外光谱图，分辨率为4 cm-1，扫描次数为32次，波数范围为500～4000 cm-1，测试时首先扣除背景空白。

1.3.2 拉伸强度

依据GB/T 8804.2—2003规定的方法，从管材上沿着长度方向切取样条，再通过机械加工的方法制取哑铃试样，拉伸速度为5 mm/min。

1.3.3 维卡软化温度

依据GB/T 8802—2001规定的方法，从管材上切取长约50 mm，宽约10 mm试样，升温速度为50 ℃/h，样品负荷50 N。

1.3.4 密度

依据GB/T 1033.1—2008规定的方法，从管材上切取长约30 mm，宽约10 mm试样，在标准环境下，采用浸渍法测试。

1.3.5 环段热压缩力

依据QB/T 2479—2005规定的方法，从管材上切取长约300 mm的管段，在温度为80 ℃的电热鼓风干燥箱里处理1 h后，快速取出试样，在万能试验机上，进行压缩试验，压缩量为管材外径3%，从样品取出到压缩试验完成应在2 min内完成。

2 结果与讨论

2.1 红外光谱

将2种试样进行红外测试，其结果谱图见图1，由图可见在波数为685 cm-1和616 cm-1处强吸收峰对应为C-Cl键伸缩振动产生[3]，氯化聚氯乙烯样品的吸收强度相对较强，特别是在685 cm-1处较为明显；位于1250 cm-1处强吸收谱带为-CHCl中C-H弯曲振动吸收[4]，氯化聚氯乙烯试样在1250 cm-1处的C-H弯曲振动吸收强度明显低于硬质聚氯乙烯试样在此处吸收强度，其原因是氯化聚氯乙烯分子链中C-H中的大量氢原子发生氯代反应，致使分子链中-CHCl中C-H减少，吸收强度降低。

图1 氯化聚氯乙烯（CPVC）和硬质聚氯乙烯（UPVC）试样红外光谱图

2.2 物理力学性能

将2种试样按照1.3中所述的方法，对各物理力学性能进行试验，各项目的试验结果见表1。

表1 氯化聚氯乙烯（CPVC）和硬质聚氯乙烯（UPVC）产品物理力学性能的测试结果比较

表1 试样

2.2.1 拉伸强度

拉伸强度是管材物理力学性能的综合指标，反映管材产品配方和生产工艺的合理性。它与材料的分子结构、生产配方、加工工艺有着密切的关系。氯化聚氯乙烯（CPVC）分子结构中Cl含量高于聚氯乙烯，氯化聚氯乙烯（CPVC）分子链中的Cl原子取代了PVC大分子链上的H原子，而取代后的C-Cl键能大于被取代的C-H的键能，随着-CHCl-CHCl-结构的增加，氯化聚氯乙烯（CPVC）分子链的刚性逐步增大，导致氯化聚氯乙烯（CPVC）管材的拉伸强度要高于PVC管材拉伸强度，2#试样的拉伸强度高于1#试样拉伸强度近22 MPa。

2.3 维卡软化温度

维卡软化温度是评价管材耐热性能的重要的指标。作为埋地用高压电力电缆用氯化聚氯乙烯管道，由于高压输电过程中电缆导体产生的热量，需要外护管道具有一定的耐热性能，此外，有些用于输送厨房用水和洗浴用水也要求所用管道产品具有较好的耐热性。按标准QB/T 2479—2005要求，埋地式高压电力电缆用氯化聚氯乙烯(PVC-C)套管的维卡软化温度必须不低于93 ℃，冷热水用氯化聚氯乙烯（PVCC）管道标准GB/T 18993.1—2020要求不低于110 ℃，但由于聚氯乙烯的玻璃化温度大约为80 ℃，与氯化聚氯乙烯的耐热性能差别较大。

造成性能差异的原因是由于氯化聚氯乙烯（CPVC）分子结构中含有较多的氯原子，分子链的极性增大，使得氯化聚氯乙烯（CPVC）树脂的玻璃化转变温度和热变形温度均较高，文献报道氯化聚氯乙烯（CPVC）最高耐热温度可达130 ℃[5]，材料的使用温度比PVC树脂高35～40℃，从表1中对2种试样的维卡软化温度试验结果可见，其结果可以直观地辨别试样的品种。

此外，有文献报道[6]为了提高氯化聚氯乙烯产品的成型加工性能和适量地降低成本，在生产CPVC管材产品时，可添加一定比例的PVC树脂，而CPVC树脂在配方中质量分数的多少与产品的维卡软化温度大致呈线性关系[2]。

2.4 环段热压缩力

由于管道产品安装时大多为埋地铺设，因此需要产品在需要一定的抗载荷能力，特别承受热环境中服役的工况，如用作高压电力电缆管材、输送热流体管材等，此类产品需同时受热和外在填埋覆土的能力，因此在相关标准[7]中要求在80 ℃下产品环段热压缩力须达标。

由于氯化聚氯乙烯的耐热性远优于硬质聚氯乙烯，测试2种试样的环段热压缩力，其结果见表1，可知对于壁厚相近的2种管材，CPVC管材的结果远高于PVC管材，因此，这个项目也可以用来区分产品的真伪。

2.5 密度

由于氯化聚氯乙烯是通过Cl原子取代了原分子链上的H原子，故氯化后的分子量有所提高，树脂的密度也有所提高。一般而言，聚氯乙烯的树脂密度约1.4 g/cm3，氯化聚氯乙烯的密度为1.5～1.6 g/cm3。对于管材产品由于均会添加必要的加工助剂，对1#和2#试样，通过马弗炉煅烧测试2者的灰分，1#试样的灰分约10%，2#试样的灰分不到2%。

3 结论

从以上试验结果和分析可见：管材的红外光谱在波数为616 cm-1、685 cm-1和1250 cm-1处存在强吸收峰、高于90 ℃的维卡软化温度、高于50 MPa的拉伸强度可作为鉴别氯化聚氯乙烯（CPVC）管材的重要依据，如果将红外光谱、拉伸强度、维卡软化温度、环段热压缩力等几种测试方法联用，分析结果更为准确、鉴别结果更为可靠。