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                                陜西臺塑華亞PVC管材:高抗沖聚氯乙烯管(PVC-M)

                                發布時間:2020-04-12 10:35

                                陜西臺塑華亞PVC管材:高抗沖聚氯乙烯管(PVC-M)研究開發

                                一、概述

                                眾所周知,PVC-U管道的應用起始于上個世紀30年代,至今已有70余年的歷史,是一個生產技術、實驗測試、標準化、設計與施工規范都相對成熟的產品。由于其具有良好的性價比和優良的物理機械性能,在工程上得到了廣泛的應用。至今仍然是用量最大的塑料管道,約占整個塑料管道市場62%的份額。

                                 

                                1、我國聚氯乙烯管道的生產起步于上世紀50年代,但是80年代以前與國際上先進水平相比,無論是標準體系,還是加工技術都有不小的差距。
                                2、80年代以后開始引進國外先進技術,逐步建立起PVC-U管道系統的完整體系。在我國的各個塑料管道中聚氯乙烯管道系統,是最早形成規模生產和大量應用的。
                                3、目前我國聚氯乙烯管道系統已經普及到建筑給水、建筑排水、埋地給水、埋地排水、擴套管、農業用管等各個領域,年用量估計在130萬噸。
                                4、但與我國1300萬噸的PVC樹脂產能相比,僅為十分之一。因此,與國際水平相比還有很大的發展空間。

                                 

                                二、PVC-U管道的優勢與不足

                                 

                                PVC-U品受到廣泛的應用得益于它良好的機械性能,以及它的經濟性和環保性。

                                 

                                1、在各種熱塑性管道材料中,PVC的強度最大,價格最廉。PVC-U管材的短期強度高達50MPa,20℃、50年的長期靜液壓強度不低于25MPa(MRS達到了25MPa)。 而聚烯烴管材中,等級比較高的PE100的MRS值僅為10MPa,PVC-U是它的2.5倍。

                                 

                                2、PVC產品在和其他材料的競爭中,被選用的另一個原因,是因為它最經濟有效。大部分塑料(樹脂)是以石油為原材料。因此樹脂的價格依賴于石油的價格,特別是生產中消耗乙烯多的塑料品種(生產1KG聚乙烯需要消耗1KG乙烯,而生產1KG聚氯乙烯需要消耗0.43KG乙烯),隨著石油價格的不斷增長,其樹脂價格也在相當長時期內維持在高位。而以煤為原材料的聚氯乙烯則較少受到石油價格高的影響,持續維持在較低價格,因而增強了競爭力。

                                 

                                3、PVC產品能夠經久不衰的第三個原因,是因為它是一種環保型的產品。眾所周知,制堿業是化學工業的基礎,單就我國而言,每年的燒堿產量就有900萬噸。通過電解食鹽制造燒堿的過程中會產生大量的氯氣。氯氣是一種有毒、有害、有刺激性氣味的氣體,如果不慎泄漏到大氣中對空氣、對環境、對周圍的生物都會造成嚴重的危害。所以,必須把產生的氯氣消化掉。而生產制造聚氯乙烯樹脂則是大量消耗氯氣的最好的方式。因而,從國家的宏觀政策和大環保的角度而言,聚氯乙烯是國家著力發展和保護的環保型產品。

                                 

                                過去50年中,聚氯乙烯管道對于我國社會經濟發展做出了積極貢獻,發展成就是應該充分肯定的,但同時存在的差距和問題也是不容忽視的。

                                 

                                1、不規范的施工,導致PVC-U壓力管道在應用領域出現了一系列工程事故,在不少用戶的印象中PVC管就是容易碎的脆性管道。

                                2、聚氯乙烯管道因為高模量、高強度和較低價格,一直是全世界應用量最大的塑料管道系統的事實,也掩蓋了PVC-U低韌性的缺點。韌性不足即脆性大,抗沖擊和抗開裂性能就差。在受到外界大力沖擊時,就容易發生脆性破壞。在實際應用過程中,特別是在地質條件復雜的地區,墜落的石塊、溝底的亂石都可能造成PVC-U管道的破損。

                                 

                                因此保持PVC-U管道原有的高強度、高模量的優良性能,改善其韌性不足的缺點,提高其抗沖性和抗開裂性,就成了PVC管道創新發展的課題之一,也是突破聚氯乙烯管道局限性的關鍵。

                                 

                                三、PVC管材性能改進方式

                                 

                                目前,國際上PVC管道技術創新的主要方向是:通過材料和加工工藝的技術創新制造出比傳統PVC-U管道性能更好,兼有高強度和高韌度的管道系統。主要方式有以下三種:物理共混改性、化學共聚改性和雙軸取向改性。

                                 

                                眾所周知,由于PVC分子結構中含有高達56%的氯,分子間作力大,分子鏈剛硬,抗開裂性、抗沖擊性差,特別是低溫下抗沖性能更差。因此,國內外無論是樹脂生產商還是管道制造商,以及專業研究部門都做過大量的研究工作。其中,在硬制品生產方面,最成功的應屬高抗沖化學改性樹脂的應用和通過物理改性生產的PVC-M管材。

                                 

                                1、化學共聚改性

                                采用的改性劑是丙烯酸樹脂。通過化學聚合的方式,把丙烯酸分子接枝到聚氯乙烯分子鏈上,進行共聚改性。目的是使丙烯酸彈性體的微粒分布得非常均勻,呈”超微粒子分散”狀態。

                                 

                                這種方式因為生產廠家極少、價格較高,只有一兩個廠家在使用。

                                 

                                2、物理共混改性

                                由于國內盡管做過PVC樹脂抗沖改性的研究,但至今沒有抗沖改性的樹脂問世。因此,要開發抗沖型管材只能通過采用通用樹脂,經過物理方法進行改性。要通過物理的方式改性生產PVC管材必須解決四個問題:第一、改性劑選擇;第二、加工工藝;第三、標準設計;第四、測試與裝備。

                                 

                                加入抗沖擊改性劑改進PVC的基礎配方。通過加入適當品種和份量的改性劑以及采用適當的加工工藝,可以使得改性后的PVC韌性有較大的提高,極大地降低了脆性開裂的可能性。通常應用的改性劑是氯化聚乙烯(CPE)或者丙烯酸樹脂(acrylics)。改性劑在PVC的母體內起橡膠一樣的作用,使材料有良好的韌性,從而提高管材的韌度和減少對于切口的敏感性。其原理是,適度地降低材料的屈服強度,使得在可能引發開裂的危險點出現韌性形,避免裂紋引發和增長。結果是有較高的安全性。同時由于韌性的提高,可以采用更低的設計系數達到節材之目的。這種改性的管材通常稱為PVC-M或PVC-A。

                                這種方式目前在世界范圍內被廣泛采用。

                                3、雙軸取向改性

                                通過管材加工過程中的雙向拉伸,使分子取向,達到大幅度提高強度的同時提高韌度。通常稱為PVC-O或BO-PVC。

                                目前,世界領先企業已開發出"在線”生產方式,國內個別領先企業也在積極研發,預計不久的將來即能形成市場規模。

                                 

                                 

                                四、PVC-M的性能特點

                                在很多事例中,我們都可以看到:強度好的材料可能很脆。這一方面是因為材料本身不能很好的吸收和抵抗沖能,瞬間的沖擊能遠遠大于材料所能承受的能力,導致材料屈服、直接斷裂;另一方面,當材料有小的缺陷或缺口并受到沖擊或外加應力時,就有可能在缺口尖端形成高應力,從而導致不可預計的裂紋發展和最后破壞。在PVC-U材料的基礎上加入適當的改性劑,以共混改性的方式生產的PVC-M,可以在不降低強度或稍降低強度的前提下顯著地提高韌度,使材料具有優異的抗沖性、抗開裂性。

                                 

                                1、優異的抗沖性能

                                PVC-M在保持普通PVC-U管材的強度的同時,提高于管材的柔韌性。良好的韌性提高了管材的抗沖擊性能,能有效抵抗安裝和運輸過程對管材的外力沖擊,提高了管材抗外力破壞能力。

                                dn200mm管材為例,在O°C 下的落錘沖擊試驗,PVC-U管材和PVC-M的沖擊高度均為2米,但PVC-M的沖錘質量為I0kg, PVC-U的沖錘質量僅為2kg。顯然,PVC-M承受的沖擊能量遠遠高于PVC-U管材,說明PVC-M的韌性遠高于普通PVC-U管材。

                                PVC-M管材22°C、20m快速沖擊試驗更具說服力。標準要求在22℃下進行試驗,落錘質量為3 ~ 30kg(以dn200mm為例,沖錘質量達20kg),沖擊高度為20m, 試驗要求所有試樣不發生脆性破壞為合格,而PVC-U管材則沒有這項要求。經過系統的對比測試發現:  PVC-M管材受沖擊后均為韌性破壞,在管材外壁上沖出一個小坑,管材本體并未受到損害:但在同樣條件下做試驗,PVC-U管材受沖擊后則發生碎裂。

                                雖然在塑料管道施工技術規程中嚴禁對管材進行拋、 摔、滾、拖,但管材在實際裝卸運輸以及安裝過程中難免受到外力撞擊,PVC-M則能有效地抵抗外力沖擊保證管道安全。

                                 

                                2、優異的抗開裂性能和耐載荷的能力

                                在實際中管材難免受到損傷,或者因為鋪設不好產生應力集中,抗開裂性能差的管材就容易導致管道滲漏、破裂,并會因為裂紋擴展而發生脆性破壞。經驗證明,過去PVC-U管道的多數事故是"低應力脆斷”,也就是抗應力開裂性能差。

                                而PVC-M的耐點載荷和耐環境應力開裂的性能則顯著提高。如果不慎在管材表面造成劃傷、劃痕也不會對管材的使用造成影響。為驗證PVC- M的抗應力開裂性能,專門開發了切口管材液壓試驗。切口管材試驗是為了判定管材表面受到損傷后,其承壓能力及使用壽命受影響的程度。首先要在管材表面加工切口。切口深度為管材壁厚的10%。然后按照承受內壓標準進行試驗。試驗合格(不發生破裂)才能表明管材質量合格。此項試驗是抗沖型管材(PVC-M)所特有,與PE管材要求進行的IS013479 《慢速裂紋增長切口管材試驗》原理基本-致。PVC-U管材不要求做此試驗。

                                切口管材液壓試驗結果表明: PVC-M抗點載荷能力、抗應力開裂及抗裂紋增長能力很強。

                                 

                                3、模擬實驗

                                這些性能在實際應用中有什么意義呢?為此,我們設計了一些抗摔、抗砸、抗壓的模擬實驗來進行說明。但需要強調的是,這些模擬試驗只是為了方便對PVC-M性能的解釋而設計的,并不能作為產品質量評定的依據。

                                摔擊實驗:將管材垂直豎立于水泥地等硬質地面放開讓其自然摔倒, 取兩端承插口部分進行連接密封試驗,試驗結果表明管材的密封性能保持不變。

                                錘擊試驗。將管材置于水泥地面,用重5kg,柄長約1米的金屬鐵錘在水泥地面上猛砸管材,管材受力變形后很快恢復。在受破壞部位取樣進行20°C、38MPa水壓試驗,保壓1小時管材無破壞,無滲漏。

                                 

                                挖掘機試驗。經過挖掘機的碾壓,PVC-M管材不會碎裂,仍能保持完整性。

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                                由以上所述可知,PVC材料雖然本身強度高,但由于抗沖擊性能差,只能以犧牲強度、增加壁厚來保證安全,沒有充分發揮PVC材料高強度的優勢,造成了PVC材料的浪費。

                                 

                                而PVC-M通過加入抗沖改性劑提高了韌性,增強了PVC-M材料應用的安全性,就可以通過降低管道的設計系數即C值,采用較高的設計應力。 從而,達到減小壁厚,節約材料的目的。同時也充分發揮了PVC的強度優勢。

                                 

                                在同等公稱壓力下,PVC-M管材的壁厚比PVC-U管材的壁厚明顯減薄。一般可減少現PVC-U管材的25- 30%。

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