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高抗冲聚氯乙烯管(PVC-M)研究开发

文章出处:http://www.yamaxunsy.com发布时间:2018-9-21 16:16:16

一、概述

    众所周知,PVC-U管道的应用起始于上个世纪30年代,至今已有70余年的历史,是一个生产技术、实验测试、标准化、设计与施工规范都相对成熟的产品。由于其具有良好的性价比和优良的物理机械性能,在工程上得到了广泛的应用。至今仍然是用量最大的塑料管道,约占整个塑料管道市场62%的份额。

    我国聚氯乙烯管道的生产起步于上世纪50年代,但是80年代以前与国际上先进水平相比,无论是标准体系,还是加工技术都有不小的差距。80年代以后开始引进国外先进技术,逐步建立起PVC-U管道系统的完整体系。在我国的各个塑料管道系统中聚氯乙烯管道系统,是最早形成规模生产和大量应用的。目前我国聚氯乙烯管道系统已经普及到建筑给水、建筑排水、埋地给水、埋地排水、扩套管、 农业用管等各个领域,年用量估计在130万吨。但与我国1300万吨的PVC树脂产能相比,仅为十分之一。因此,与国际水平相比还有很大的发展空间。

PVC-U管道的优势与不足

    PVC-U品受到广泛的应用得益于它良好的机械性能,以及它的经济性和环保性。

    在各种热塑性管道材料中,PVC的强度最大,价格最廉。PVC-U管材的短期强度高达50MPa,20°C、50年的长期静液压强度不低于25MPa(MRS达到了25MPa)。而聚烯烃管材中,等级比较高的PEl00的MRS值仅为10MPa,PVC-U是它的2.5倍。

    PVC产品在和其他材料的竞争中,被选用的另一个原因,是因为它最经济有效。大部分塑料(树脂)是以石油为原材料。因此树脂的价格依赖于石油的价格,特别是生产中消耗乙烯多的塑料品种(生产lkg聚乙烯需要消耗lkg乙烯,而生产lkg聚氯乙烯需要消耗0.43kg乙烯),随着石油价格的不断增长,其树脂价格也在相当长时期内维持在高位。而以煤为原材料的聚氯乙烯则较少受到石油价格高的影响,持续维持在较低价格,因而增强了竞争力。

    PVC产品能够经久不衰的第三个原因,是因为它是一种环保型的产品。众所周知,制碱业是化学工业的基础,单就我国而言,每年的烧碱产量就有900万吨。通过电解食盐制造烧碱的过程中会产生大量的氯气。氯气是一种有毒、有害、有刺激性气味的气体,如果不慎泄漏到大气中对空气、对环境、对周围的生物都会造成严重的危害。所以,必须把产生的氯气消化掉。而生产制造聚氯乙烯树脂则是大量消耗氯气的最好的方式。因而,从国家的宏观政策和大环保的角度而言,聚氯乙烯是国家着力发展和保护的环保型产品。

    过去50年中,聚氯乙烯管道对于我国社会经济发展做出了积极贡献,发展成就是应该充分肯定的,但同时存在的差距和问题也是不容忽视的。

    一方面不规范的施工,导致PVC-U压力管道在应用领域出现了一系列工程事故,在不少用户的印象中PVC管就是容易碎的脆性管道。

    另一方面,聚氯乙烯管道因为高模量、高强度和较低价格,一直是全世界应用量最大的塑料管道系统的事实,也掩盖了PVC-U低韧性的缺点。韧性不足即脆性大,抗冲击和抗开裂性能就差。在受到外界大力冲击时,就容易发生脆性破坏。在实际应用过程中,特别是在地质条件复杂的地区,坠落的石块、沟底的乱石都可能造成PVC-U管道的破损。

    因此保持PVC-U管道原有的高强度、高模量的优良性能,改善其韧性不足的缺点,提高其抗冲性和抗开裂性,就成了PVC管道创新发展的课题之一,也是突破聚氯乙烯管道局限性的关键。

三、PVC管材性能改进方式 

    目前,国际上PVC管道技术创新的主要方向是:通过材料和加工工艺的技术创新制造出比传统PVC-U管道性能更好,兼有高强度和高韧度的管道系统。主要方式有以下三种:物理共混改性、化学共聚改性和双轴取向改性。

    众所周知,  由于PVC分子结构中含有高达5 6%的氯,分子间作用力大,分子链刚硬,抗开裂性、抗冲击性差,特别是低温下抗冲性能更差。因此,国内外无论是树脂生产商还是管道制造商,以及专业研究部门都做过大量的研究工作。其中,在硬制品生产方面,最成功的应属高抗冲化学改性树脂的应用和通过物理改性生产的PVC-M管材。

1、化学共聚改性

    采用的改性剂是丙烯酸树脂。通过化学聚合的方式,把丙烯酸分子接枝到聚氯乙烯分子链上,进行共聚改性。目的是使丙烯酸弹性体的微粒分布得非常均匀,呈“超微粒子分散”状态。

    这种方式因为生产厂家极少、价格较高,只有一两个厂家在使用。

2、物理共混改性

    由于国内尽管做过PVC树脂抗冲改性的研究,但至今没有抗冲改性的树脂问世。因此,要开发抗冲型管材只能通过采用通用树脂,经过物理方法进行改性。要通过物理的方式改性生产PVC管材必须解决四个问题:第一、改性剂选择,第二、加工工艺,第三、标准设计,第四、测试与装备。

    加入抗冲击改性剂改进PVC的基础配方。通过加入适当品种和份量的改性剂以及采用适当的加工工艺,可以使得改性后的PVC韧性有较大的提高,极大地降低了脆性开裂的可能性。通常应用的改性剂是氯化聚乙烯(CPE)或者丙烯酸树脂(acrylics)。改性剂在PVC的母体内起橡胶一样的作用,使材料有良好的韧性,从而提高管材的韧度和减少对于切口的敏感性。其原理是,适度地降低材料的屈服强度,使得在可能引发开裂的危险点出现韧性变形,避免裂纹引发和增长。结果是有较高的安全性。同时由于韧性的提高,可以采用更低的设计系数达到节材之目的。这种改性的管材通常称为PVC-M或PVC-A。

    这种方式目前在世界范围内被广泛采用。

3、双轴取向改性

    通过管材加工过程中的双向拉伸,使分子取向,达到大幅度提高强度的同时提高韧度。通常称为PVC-O或BO-PVC。

    目前,世界领先企业已开发出“在线”生产方式,国内个别领先企业也在积极研发,预计不久的将来即能形成市场规模。

四、PVC-M的性能特点

    在很多事例中,我们都可以看到:强度好的材料可能很脆。这一方面是因为材料本身不能很好的吸收和抵抗冲能,瞬间的冲击能远远大于材料所能承受的能力,导致材料屈服、直接断裂;另一方面,当材料有小的缺陷或缺口并受到冲击或外加应力时,就有可能在缺口尖端形成高应力,从而导致不可预计的裂纹发展和最后破坏。在PVC-U材料的基础上加入适当的改性剂,以共混改性的方式生产的PVC-M,可以在不降低强度或稍降低强度的前提下显著地提高韧度,使材料具有优异的抗冲性、抗开裂性。PVC-M管材、管件的物理及力学性能如表1-表3所示。


1、优异的抗冲性能

    PVC-M在保持普通PVC-U管材的强度的同时,提高于管材的柔韧性。良好的韧性提高丁管材的抗冲击性能,能有效抵抗安装和运输过程对管材的外力冲击,提高了管材抗外力破坏能力。

    以dn200mm管材为例,在O°C下的落锤冲击试验,PVC-U管材和PVC-M的冲击高度均为2米,但PVC-M的冲锤质量为l0kg,PVC-U的冲锤质量仅为2kg。显然,PVC-M承受的冲击能量远远高于PVC-U管材,说明PVC-M的韧性远高于普通PVC-U管材。

    PVC-M管材22°C、20m快速冲击试验更具说服力。标准要求在22°C下进行试验,落锤质量为3~30kg(以dn200mm为例,冲锤质量达20kg),冲击高度为20m,试验要求所有试样不发生脆性破坏为合格,而PVC-U管材则没有这项要求。经过系统的对比测试发现:  PVC-M管材受冲击后均为韧性破坏,在管材外壁上冲出一个小坑,管材本体并未受到损害:但在同样条件下做试验,PVC-U管材受冲击后则发生碎裂,如图1~图2:

    虽然在塑料管道施工技术规程中严禁对管材进行抛、摔、滚、拖,但管材在实际装卸运输以及安装过程中难免受到外力撞击,PVC-M则能有效地抵抗外力冲击保证管道安全。

2、优异的抗开裂性能和耐点载荷的能力

    在实际中管材难免受到损伤,或者因为铺设不好产生应力集中,抗开裂性能差的管材就容易导致管道渗漏、破裂,并会因为裂纹扩展而发生脆性破坏。经验证明,过去PVC-U管道的多数事故是“低应力脆断”,也就是抗应力开裂性能差。

    而PVC-M的耐点载荷和耐环境应力开裂的性能则显著提高。如果不慎在管材表面造成划伤、划痕也不会对管材的使用造成影响。为验证PVC-M的抗应力开裂性能,专门开发了切口管材液压试验。切口管材试验是为了判定管材表面受到损伤后,其承压能力及使用寿命受影响的程度。首先要在管材表面加工切口。切口深度为管材壁厚的10%。然后按照承受内压标准进行试验。试验合格(不发生破裂)才能表明管材质量合格。此项试验是抗冲型管材(PVC-M)所特有,与PE管材要求进行的IS013479《慢速裂纹增长切口管材试验》原理基本一致。PVC-U管材不要求做此试验。

    切口管材液压试验结果表明:PVC-M抗点载荷能力、抗应力开裂及抗裂纹增长能力很强。图3是PVC-M、PVC-U管材切口试验的静液压曲线图。从图3中可以看到:PVC-M(切口)长期强度也不受影响,可靠性高;PVC-U(有切口)长期强度就明显下降,可靠性低。由于PVC-M管对切口的敏感性降低,消除了安全隐患,从而保障了管线长期、安全、可靠地运行

3、模拟实验

    这些性能在实际应用中有什么意义呢?为此,我们设计了一些抗摔、抗砸、抗压的模拟实验来进行说明。但需要强调的是,这些模拟试验只是为了方便对PVC-M性能的解释而设计的,并不能作为产品质量评定的依据。

    摔击实验:将管材垂直竖立于水泥地等硬质地面——放开让其自然摔倒,取两端承插口部分进行连接密封试验,试验结果表明管材的密封性能保持不变。

    锤击试验。将管材置于水泥地面,用重5kg,柄长约1米的金属铁锤在水泥地面上猛砸管材,如图4。管材受力变形后很快恢复。在受破坏部位取样进行20°C、38MPa水压试验,保压1小时管材无破坏,无渗漏。

    挖掘机试验。经过挖掘机的碾压,PVC-M管材不会碎裂,仍能保持完整性,如图5。

4、节省材料

    由以上所述可知,PVC材料虽然本身强度高,但由于抗冲击性能差,只能以牺牲强度、增加壁厚来保证安全,没有充分发挥PVC材料高强度的优势,造成了PVC材料的浪费。

    而PVC-M通过加入抗冲改性剂提高了韧性,增强了PVC-M材料应用的安全性,就可以通过降低管道的设计系数即C值,采用较高的设计应力。从而,达到减小壁厚,节约材料的目的。同时也充分发挥了PVC的强度优势。

    表4和表5中列出了PVC-M和PVC-U相关参数。从两表比较中不难看出,在同等公称压力下,PVC-M管材的壁厚比PVC-U管材的壁厚明显减薄。一般可减少现PVC-U管材的25—30%。



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