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双轴取向聚氯乙烯(PVC-O)管道的发展

浏览次数: 日期:2011年8月24日 19:28

摘要:

1 PVC管道发展前景 近年来,国际形势的变化和发展为我国PVC管道系统的发展提供了一个空前的历史机遇。石油价格暴涨使得在很多应用领域和PVC管道系统竞争的聚烃烯管道系统受到了严重的影响,而以煤为原料的PVC因维持在较低价格而增强了竞争力。 PVC管道系统已经有近70年的发展历史,因其具有高模量、高强度和较低价格等优点,所以一直是全世界应用量最大的塑料管道系统,在现代社会的很多领域中得到了广泛的应用。我国塑料管道行业发展迅速,已经成为世界塑料管道生产和应用大国之一。目前,我国PVC管材生产能力在200万t/a以上,仅占塑料管总量的50%左右,而在发达国家,PVC管消费量一般占塑料管市场的70%-80%。 进入21世纪,PVC管材面对诸多竞争对手,尤其是由,于HDPE等树脂性能的明显改进(如从PE63到PE80和PE100),PE管材具有优异的韧性和抗水锤冲击能力。另外,各国环境保护组织对于氯元素的批评,使得PVC管道面临严峻形势,但是人们长期忽视的一点是,PVC管材相对于PE管材更能阻止一些有毒、有害物质的渗透。 在未来世界管材市场中占主导地位的还是PVC管材,其根本原因在于技术创新、技术进步。PVC树脂和PVC管道创新技术的应用,特别是PVC管道加工技术和工艺的创新,明显地改善了PVC管道的经济性,并开拓了新的应用领域。所以,必须在提高管材性能的同时节约材料,以提高PVC管材的竞争力。 2 双轴取向聚氯乙烯(PVC-O)管材及其发展 很多高分子聚合物通过取向加212(或称定向)使其分子规整排列,可以明显地提高其性能。事实上,有不少塑料制品在市场上的竞争优势就依靠取向加工带来的卓越性能,例如纤维、双向拉伸薄膜、容器等。取向加212212艺一方面可以提高管材性能,另一方面可以减少材料的消耗,是顺应可持续发展大方向的前沿技术。 双轴取向聚氯乙烯(PVC-O)管材是通过特殊的取向加22212艺制造的管材,这一加工工艺是把采用挤出方法生产的PVC-U管材进行轴向拉伸和径向拉伸,使管材中的PVC长链分子在双轴向规整排列,获得高强度、高韧性、高抗冲、抗疲劳的新型PVC管材,性能远优于普通PVC-U管材。 研究开发PVC-O管材,可以大大节约原材料资源,降低成本,提高产品性能,具有明显的经济效益和社会效益。PVC-O最早是英国YorkshirelmperialPlastics(现在的Uponor)在1970年领先开发的,后来澳大利亚Vinidex(1986)、美国Upomor-ETI(1990)、荷兰Polva和法国Seperef也相续生产。早期都是采用“离线”(off-line)加工工艺(两步加工法),把挤出成型和已经冷却的PVC-U管材段(厚料胚)在模具内通过加热和加压膨胀到要求尺寸来实现取向。试验研究和实际应用证明PVC-O具有非凡的性能,但是“离线”加22212艺生产速度低,设备投资高,很难推广。 后来研发出在挤出加工过程中“在线”(in-line)进行取向,连续生产PVC-O。其生产工艺为一步加工法,就是在管材挤出生产线上,把已经挤出成型的PVC-U管材(厚料胚)通过径向的扩张和轴向的拉伸实现双轴取向,然后冷却定型成为PVC-O管材。“在线”双轴取向生产工艺大大提高了生产效率,减少了制造成本,增强了PVC-O和其他管材的竞争力。目前,PVC-O管材已经在英国、法国、荷兰、葡萄牙、美国、澳大利亚、南非和日本等国家应用多年。美国、澳大利亚等国已经发布了PVC-O的产品标准,国际标准组织也发表了PVC-O标准-ISO/DIS 16422-2006。表2列出了国际市场上部分PVC-O管材和生产企业的资料。近年来,国内已经有一些科研院所和大企业集团在探索开发。 3 原理及理论 3.1 高分子材料的拉伸取向机理 高分子材料的拉伸取向过程是材料在玻璃化温度与熔融温度之间(一般在软化点附近)的温度条件下,在外力的作用下,分子从无序排列向有序排列的过程。高分子分子链由于实现了有序排列,材料由各向同性转变为各向异性,即材料沿分子取向方向的强度大大增加,而垂直于拉伸方向的强度大大减小,也就是说,材料通过拉伸取向,将垂直于拉伸方向的强度叠加到沿分子取向方向的强度上。双轴拉伸是材料通过双向拉伸,将垂直于双向拉伸这个拉伸面的强度叠加到拉伸面方向的强度上,由此增加了材料拉伸面方向的强度。 高分子材料的拉伸取向厂定要在玻璃化温度与熔融温度之间进行,如果低于玻璃化温度,分子链处于被冻结状态,在这个温度条件下进行拉伸,只会造成材料受强迫拉伸而破坏。如果高于熔融温度,分子链能自由运动,受拉伸的分子链不能实现取向作用。只有在玻璃化温度与熔融温度之间,最好在材料软化点附近,才能实现和保持最有效的分子取向。 3.2 比率和拉伸速率 拉伸取向,用通俗的话来讲,就是将卷曲的分子链拉直并沿拉伸的方向排列。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。但过分加大拉伸比率会导致材料的破坏,用通俗的话来讲,就是材料的分子链被拉断,材料受到了破坏。另外,如果拉伸温度偏高,拉伸速率过低,分子链在拉伸的过程中会产生松弛,即分子链在拉伸的过程中有足够的时间和能力回复到原来的卷曲状态,使取向程度降低。因此,要获得较为理想的取向度,应当制定合理的拉伸温度和较快的拉伸速率,并及时将拉伸后材料的温度降低到玻璃化温度以下。 3.3 PVC-U管材的双轴拉伸 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。 4 PVC-O管材的生产技术 在线连续生产PVC-O管材的生产技术比较复杂,目前都属于专利技术。生产PVC-O管材的另一个难点-成型连体的承口也已经有专利技术。PVC-U给水管的双轴拉伸工艺国内外都有报道,较为理想的加工方法有两种:荷兰瓦云公司的连续成型法和法国阿尔法康公司的管材带R-R承口的成型法。荷兰瓦云公司的双轴拉伸管材成型方法的特点是可以连续生产。法国阿尔法康公司成型方法的特点是可以生产R-R承口的管材,缺点是不能连续生产。 “离线”加工工艺的主要局限性是挤出速度低和单位产出的投资费用高。由于料胚管周围厚度和温度的差异,自由膨胀的公差难以控制。为了达到温度精确、均匀的条件,所需循环时间长。 首选的加工工艺是在挤出加工过程中“在线”进行取向,但是生产线设计时常有以下难题需要考虑: (1)在不知道受热经历、拉伸速率的情况下,拉伸比例会如何影响拉伸加工中PVC的力学特性或最终产品的特性。不知道要达到的温度允差,只能根据从“离线”加工工艺中得来的结果进行定性估计。 (2)需要在离挤出机一段距离处,将物料控制在要求的温度下进行受热处理,在生产线的某一点进行膨胀。不论是用机械方法还是用液压方法进行膨胀,均需要配放在管材内的装置。这样的装置很容易损坏,造成生产线事故,而且在管材内的装置和管材本身两者之间存在很大的反作用力,都需要由牵引设备和锚定系统来控制。 (3)考虑到轴向力的平衡和得到的盈利及轴向变化,设置一个稳定的膨胀。 5 PVC-O管材的规格尺寸和性能 5.1 PVC-O管材的壁厚 由于PVC-O管材是将原来成型的PVC-U管材进行轴向和径向拉伸,所以管材的壁厚较薄。表3是GB/T 10002.1-2006中规定的给水用PVC-U管材标准和国际标准ISO16422-2006规定的输水用PVC-O管枯部分规格产品壁厚的比较。 表3 PVC-O与PVC-U壁厚比较 mm 从表3可以看出,PVC-O给水管较PVC-U给水管可减少壁厚35%-40%,大大节约了材料,降低了成本。 5.2 强度和韧度性能 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。 由于突出的强度和韧度,MRS45和MRS50的PVC-O材料的50年安全系数可以用1.6或1.4143来表示,所以PVC-O管用的设计应力可高达28MPa和32MPa,结果比PVC-U管材和PVC-M管材节约大量材料。 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。 另外一种新型管材--增韧改性PVC-M管材,虽然其冲击强度提高了,但拉伸强度没有提高。 表4是PVC-O管材与PVC-U管材冲击强度比较。 表4 PVC--0管材与PVC--U管材冲击强度比较 从表4可以看出,PVC-U给水管材通过双轴拉伸后,其冲击强度提高了10倍多。 PVC-O管的另千个优点是由于较高的设计应力,增加了通水能力,方便了搬运和铺设。 6 PVC-O管材的主要市场 在国外,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。 一些国家的饮水管网中PVC-O的应用在逐步扩大,成为PVC-U的替代晶,据Wavin集团的调查报告,荷兰、法国、西班牙、北美、南美、澳大利亚等国家都在大量使用PVC-O管道。荷兰的饮水管网已经100%使用PVC-O管道,法国等国在近一二年内也将全部采用。矿山环境特别恶劣,安全要求特别严格,在有腐蚀性的地下环境中,强度大、韧性高、抗冲击、不腐蚀的PVC-O管道非常有竞争优势。采用非开挖技术铺设新管道和修复旧管道是一个有巨大需求的市场,DuralinerTM修复方法可以显著地节约费用。PVC-O管道应用在荷兰等国供燃气管网中,提供了良好的强度、刚度和韧度,材料和铺设费用比竞争材料低很多。 7 PVC-O管材的经济效益 荷兰Wavin集团已经生产并使用PVC-O管材多年,据Wavin集团统计,与PVC-U相比,PVC-O管材投入、支出情况如下。 (1)平均节省原料11.58%。 (2)PVC-O投资提高2.5-3倍(在欧洲情况)。 (3)产量300~650 kg/h,长度增加20%-40%。 (4)废品率增高2%-4%。 (5)能源损耗提高25%。 (6)人力运行费用增加10%-15%。 (7)生产线长度增加25%。 综合计算,1 m管材节省投入33%-44%,价格可提高10%-15%。可见,PVC-O管材是一次性投人,终身收益。 8 结论 由于PVC非凡的多功能性,突出的耐久性和经济性,将来还是管材的首选材料。而PVC-O作为一种新型韵管材,具有性能好、成本低、管材质量轻、搬运和铺设容易等优点,超强的性能使其可以应用到较高的压力和更恶劣的环境中。 降低产品成本的同时提高其性能是人们一直在追求但并不容易实现的课题。双轴取向PVC管不仅为这一课题提供了范例,更为一个新产品的未来发展奠定了基础。
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