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雙軸取向聚氯乙烯（PVC-O）管道的發展
雙軸取向聚氯乙烯（PVC-O）管道的發展
1 PVC管道發展前景
近年來，形勢的變化和發展為我國PVC管道系統的發展提供了一個的歷史機遇。石油價格暴漲使得在很多應用領域和PVC管道系統競爭的聚烴烯管道系統受到了嚴重的影響，而以煤為原料的PVC因維持在較低價格而增強了競爭力。
PVC管道系統已經有近70年的發展歷史，因其具有高模量、高強度和較低價格等優點，所以一直是*應用量zui大的塑料管道系統，在現代社會的很多領域中得到了廣泛的應用。我國塑料管道行業發展迅速，已經成為世界塑料管道生產和應用大國之一。目前，我國PVC管材生產能力在200萬t/a以上，僅占塑料管總量的50%左右，而在發達國家，PVC管消費量一般占塑料管市場的70%-80%。
進入21世紀，PVC管材面對諸多競爭對手，尤其是由，于HDPE等樹脂性能的明顯改進（如從PE63到PE80和PE100），PE管材具有優異的韌性和抗水錘沖擊能力。另外，各國環境保護組織對于氯元素的批評，使得PVC管道面臨嚴峻形勢，但是人們長期忽視的一點是，PVC管材相對于PE管材更能阻止一些有毒、有害物質的滲透。PE管材和PVC管材在水及土壤中對某些污染物質的阻止情況見表1。
從表1數據及PE管材和PVC管材的性價比可以看出，在未來世界管材市場中占主導地位的還是PVC管材，其根本原因在于技術創新、技術進步。PVC樹脂和PVC管道創新技術的應用，特別是PVC管道加工技術和工藝的創新，明顯地改善了PVC管道的經濟性，并開拓了新的應用領域。所以，必須在提高管材性能的同時節約材料，以提高PVC管材的競爭力。
表1 PE管材和PVC管材對污染物質的阻止能力對比。
| 名稱 | PE管材 | PVC管材 | ||
| 水 | 土壤 | 水 | 土壤 | |
| 芳烴化合物 | 弱 | 弱 | 強 | 強 |
| 氯化烴 | 弱 | 弱 | 強 | 強 |
| 油 | 弱 | 弱 | 中 | 強 |
| 殺蟲劑 | 中 | 中 | 強 | 強 |
| PCA'S | 中 | 中 | 強 | 強 |
| 酚類 | 中 | 中 | 強 | 強 |
2 雙軸取向聚氯乙烯（PVC-O）管材及其發展
很多高分子聚合物通過取向加212（或稱定向）使其分子規整排列，可以明顯地提高其性能。事實上，有不少塑料制品在市場上的競爭優勢就依靠取向加工帶來的性能，例如纖維、雙向拉伸薄膜、容器等。取向加212212藝一方面可以提高管材性能，另一方面可以減少材料的消耗，是順應可持續發展大方向的前沿技術。
雙軸取向聚氯乙烯（PVC-O）管材是通過特殊的取向加22212藝制造的管材，這一加工工藝是把采用擠出方法生產的PVC-U管材進行軸向拉伸和徑向拉伸，使管材中的PVC長鏈分子在雙軸向規整排列，獲得高強度、高韌性、高抗沖、抗疲勞的新型PVC管材，性能遠優于普通PVC-U管材。
研究開發PVC-O管材，可以大大節約原材料資源，降低成本，提高產品性能，具有明顯的經濟效益和社會效益。PVC-Ozui早是英國YorkshirelmperialPlastics（現在的Uponor）在1970年開發的，后來澳大利亞Vinidex（1986）、美國Upomor-ETI（1990）、荷蘭Polva和法國Seperef也相續生產。早期都是采用“離線”（off-line）加工工藝（兩步加工法），把擠出成型和已經冷卻的PVC-U管材段（厚料胚）在模具內通過加熱和加壓膨脹到要求尺寸來實現取向。試驗研究和實際應用證明PVC-O具有非凡的性能，但是“離線”加22212藝生產速度低，設備投資高，很難推廣。
后來研發出在擠出加工過程中“在線”（in-line）進行取向，連續生產PVC-O。其生產工藝為一步加工法，就是在管材擠出生產線上，把已經擠出成型的PVC-U管材（厚料胚）通過徑向的擴張和軸向的拉伸實現雙軸取向，然后冷卻定型成為PVC-O管材。“在線”雙軸取向生產工藝大大提高了生產效率，減少了制造成本，增強了PVC-O和其他管材的競爭力。目前，PVC-O管材已經在英國、法國、荷蘭、葡萄牙、美國、澳大利亞、南非和日本等國家應用多年。美國、澳大利亞等國已經發布了PVC-O的產品標準，標準組織也發表了PVC-O標準-ISO/DIS 16422-2006。表2列出了市場上部分PVC-O管材和生產企業的資料。近年來，國內已經有一些科研院所和大企業集團在探索開發。如北京化工大學和四川大學等相繼發表了PVC-O研究報告，亞通集團和寶碩管材開展了試驗研究，但是目前還沒有進入商品化生產。
表2 市場上部分PVC-O管材和生產企業的資料
| 國家 | 企業名稱 | 商品名稱 | 規格 | 企業 |
| 荷蘭 | Wavin | Apollo | 110-315mm1.0,1.25,1.6MP3 | |
| 美國 | UndOgroudSohtiom，Inc | DuralinerTM | | |
| 澳大利亞 | Vinidex | Supermain | 100-300mm | / |
| 南非 | DPIPlastics（Pry）Ltd. | Genimi-Biax | 160-250mm，1.2,1.6MPa | |
| 比利時 | SOTRASEPEREF | BI-OROC | 100-00mm,1.6,2.5MPa | / |
3 原理及理論
3.1 高分子材料的拉伸取向機理
高分子材料的拉伸取向過程是材料在玻璃化溫度與熔融溫度之間（一般在軟化點附近）的溫度條件下，在外力的作用下，分子從無序排列向有序排列的過程。高分子分子鏈由于實現了有序排列，材料由各向同性轉變為各向異性，即材料沿分子取向方向的強度大大增加，而垂直于拉伸方向的強度大大減小，也就是說，材料通過拉伸取向，將垂直于拉伸方向的強度疊加到沿分子取向方向的強度上。雙軸拉伸是材料通過雙向拉伸，將垂直于雙向拉伸這個拉伸面的強度疊加到拉伸面方向的強度上，由此增加了材料拉伸面方向的強度。
高分子材料的拉伸取向廠定要在玻璃化溫度與熔融溫度之間進行，如果低于玻璃化溫度，分子鏈處于被凍結狀態，在這個溫度條件下進行拉伸，只會造成材料受強迫拉伸而破壞。如果高于熔融溫度，分子鏈能自由運動，受拉伸的分子鏈不能實現取向作用。只有在玻璃化溫度與熔融溫度之間，在材料軟化點附近，才能實現和保持zui有效的分子取向。
3.2 比率和拉伸速率
拉伸取向，用通俗的話來講，就是將卷曲的分子鏈拉直并沿拉伸的方向排列。適當增加拉伸比率，則分子取向程度加大，材料的強度也同時加大。但過分加大拉伸比率會導致材料的破壞，用通俗的話來講，就是材料的分子鏈被拉斷，材料受到了破壞。另外，如果拉伸溫度偏高，拉伸速率過低，分子鏈在拉伸的過程中會產生松弛，即分子鏈在拉伸的過程中有足夠的時間和能力回復到原來的卷曲狀態，使取向程度降低。因此，要獲得較為理想的取向度，應當制定合理的拉伸溫度和較快的拉伸速率，并及時將拉伸后材料的溫度降低到玻璃化溫度以下。
3.3 PVC-U管材的雙軸拉伸
PVC屬于非結晶型的無定型塑料，由于分子中的氯具有較大的極性，因此呈剛性，玻璃化溫度較高，沒有明確的熔點。這種性能的管材，與其他結晶型的聚烯烴管材相比，較適合于進行雙軸拉伸取向。PVC管材在成型過程中很容易進行單軸拉伸取向。
PVC管材在成型過程中很容易進行單軸拉伸取向，即軸向拉伸取向，只要增加管材牽引和擠出的速比即可實現這種取向。但這種軸向拉伸取向對管材的性能來講是毫無意義的，因為它雖然通過拉伸取向增加了管材取向的強度，但卻降低了管材徑向（即環向）的強度，這對于塑料管材，尤其是給水管材來說，是十分有害的，因為它會大大降低管材的液壓爆破強度，這也是管材的質量標準中要規定管材的縱向回縮率一定要小于等于5%的原因。
理想的拉伸取向應當是雙向的，即雙軸拉伸取向，通過雙軸拉伸取向，既增加了管材的軸向強度，同時也增加了管材的徑向（即環向）強度。也就是說，通過雙軸拉伸取向，提高了管材的整體性能。在管材材料強度大大增加、管材原有液壓爆破強度基礎上，通過降低壁厚的方法節省原料，降低產品的成本。
4 PVC-O管材的生產技術
在線連續生產PVC-O管材的生產技術比較復雜，目前都屬于技術。生產PVC-O管材的另一個難點-成型連體的承口也已經有技術。PVC-U給水管的雙軸拉伸工藝國內外都有報道，較為理想的加工方法有兩種：荷蘭瓦云公司的連續成型法和法國阿爾法康公司的管材帶R-R承口的成型法。荷蘭瓦云公司的雙軸拉伸管材成型方法的特點是可以連續生產。法國阿爾法康公司成型方法的特點是可以生產R-R承口的管材，缺點是不能連續生產。
“離線”加工工藝的主要局限性是擠出速度低和單位產出的投資費用高。由于料胚管周圍厚度和溫度的差異，自由膨脹的公差難以控制。為了達到溫度、均勻的條件，所需循環時間長。
的加工工藝是在擠出加工過程中“在線”進行取向，但是生產線設計時常有以下難題需要考慮：
（1）在不知道受熱經歷、拉伸速率的情況下，拉伸比例會如何影響拉伸加工中PVC的力學特性或zui終產品的特性。不知道要達到的溫度允差，只能根據從“離線”加工工藝中得來的結果進行定性估計。
（2）需要在離擠出機一段距離處，將物料控制在要求的溫度下進行受熱處理，在生產線的某一點進行膨脹。不論是用機械方法還是用液壓方法進行膨脹，均需要配放在管材內的裝置。這樣的裝置很容易損壞，造成生產線事故，而且在管材內的裝置和管材本身兩者之間存在很大的反作用力，都需要由牽引設備和錨定系統來控制。
（3）考慮到軸向力的平衡和得到的盈利及軸向變化，設置一個穩定的膨脹。
5 PVC-O管材的規格尺寸和性能
5.1 PVC-O管材的壁厚
由于PVC-O管材是將原來成型的PVC-U管材進行軸向和徑向拉伸，所以管材的壁厚較薄。表3是GB/T 10002.1-2006中規定的給水用PVC-U管材標準和標準ISO16422-2006規定的輸水用PVC-O管枯部分規格產品壁厚的比較。
表3 PVC-O與PVC-U壁厚比較 mm
| 管材外徑 | PVC-U（1.0MPa） | PVC-O（1.0MPa） | PVC-U（1.6MPa） | PVC-O（1.6MPa） |
| 63 | 3.0 | 1.6 | 4.7 | 2.5 |
| 75 | 3.6 | 1.9 | 5.6 | 2.9 |
| 90 | 4.3 | 2.2 | 6.7 | 3.5 |
| 110 | 4.8 | 2.7 | 7.2 | 4.2 |
| 125 | 5.4 | 3.1 | 7.4 | 4.6 |
| 140 | 6.1 | 3.5 | 8.3 | 5.4 |
| 160 | 7.0 | 4.0 | 9.5 | 6.2 |
| 200 | 8.7 | 4.9 | 11.9 | 7.7 |
| 225 | 9.8 | 5.5 | 13.4 | 9.6 |
| 250 | 10.9 | 6.2 | 14.8 | 9，6 |
| 315 | 13.7 | 7.7 | 18.7 | 12，1 |
| 355 | 14.8 | 8.， | 21.1 | 13.6 |
| 400 | 15.8 | 9.8 | 23.7 | 15.3 |
| 450 | 17.2 | 11.0 | 26.7 | 17.2 |
| 500 | 19.1 | 12.3 | 29.7 | 19.1 |
| 560 | 21.4 | 13.7 | 21.4 | |
| 630 | 24.1 | 15.4 | 24.1 | |
從表3可以看出，PVC-O給水管較PVC-U給水管可減少壁厚35%-40%，大大節約了材料，降低了成本。
5.2 強度和韌度性能
PVC-O加工工藝是把由常用擠出方法生產的PVC-U管材的長鏈分子進行取向。在加工中管材的直徑增大，使分子在環向取向并帶來強度和韌度兩個物理性能的實質性改善。分子的取向大大地增加了材料的短期和長期強度。
由于突出的強度和韌度，MRS45和MRS50的PVC-O材料的50年安全系數可以用1.6或1.4143來表示，所以PVC-O管用的設計應力可高達28MPa和32MPa，結果比PVC-U管材和PVC-M管材節約大量材料。
分子取向加工產生薄片分層結構，是PVC-O韌度高的關鍵。如果由于缺陷和點負載產生了裂紋，分層結構會阻礙裂紋在材料中通過，裂紋在各層通過時由于應力集中的減少，裂紋擴展被有效地抑制。
另外一種新型管材--增韌改性PVC-M管材，雖然其沖擊強度提高了，但拉伸強度沒有提高。
表4是PVC-O管材與PVC-U管材沖擊強度比較。
表4 PVC--0管材與PVC--U管材沖擊強度比較
| 管材外徑/mm | PVC-U | PVC-O | ||
| 落錘質量/kg | 沖擊高度/mm | 落錘質量/kg | 沖擊高度/mm | |
| 63 | 0.25 | 2000 | 4.0 | 2000 |
| 75 | 0.25 | 2000 | 5.0 | 2000 |
| 90 | 0.50 | 2000 | 5.0 | 2000 |
| 110 | 0.50 | 2000 | 6.3 | 2000 |
| 125 | 1.00 | 2000 | 6.3 | 2000 |
| 140 | 1.00 | 2000 | 8.0 | 2000 |
| 160 | 1.00 | 2000 | 8.0 | 2000 |
| 200 | 1.00 | 2000 | 10.0 | 2000 |
| ≥225 | 1.00 | 2000 | 11.5 | 2000 |
從表4可以看出，PVC-U給水管材通過雙軸拉伸后，其沖擊強度提高了10倍多。
PVC-O管的另千個優點是由于較高的設計應力，增加了通水能力，方便了搬運和鋪設。
6 PVC-O管材的主要市場
在國外，PVC-O主要應用在給水管道、礦山管道、非開挖鋪設和修復用管道、燃氣管網等領域。
一些國家的飲水管網中PVC-O的應用在逐步擴大，成為PVC-U的替代晶，據Wavin集團的調查報告，荷蘭、法國、西班牙、北美、南美、澳大利亞等國家都在大量使用PVC-O管道。荷蘭的飲水管網已經100%使用PVC-O管道，法國等國在近一二年內也將全部采用。礦山環境特別惡劣，安全要求特別嚴格，在有腐蝕性的地下環境中，強度大、韌性高、抗沖擊、不腐蝕的PVC-O管道非常有競爭優勢。采用非開挖技術鋪設新管道和修復舊管道是一個有巨大需求的市場，DuralinerTM修復方法可以顯著地節約費用。PVC-O管道應用在荷蘭等國供燃氣管網中，提供了良好的強度、剛度和韌度，材料和鋪設費用比競爭材料低很多。
7 PVC-O管材的經濟效益
荷蘭Wavin集團已經生產并使用PVC-O管材多年，據Wavin集團統計，與PVC-U相比，PVC-O管材投入、支出情況如下。
（1）平均節省原料11.58%。
（2）PVC-O投資提高2.5-3倍（在歐洲情況）。
（3）產量300～650 kg/h，長度增加20%-40%。
（4）廢品率增高2%-4%。
（5）能源損耗提高25%。
（6）人力運行費用增加10%-15%。
（7）生產線長度增加25%。
綜合計算，1 m管材節省投入33%-44%，價格可提高10%-15%。可見，PVC-O管材是一次性投人，終身收益。
8 結論
由于PVC非凡的多功能性，突出的耐久性和經濟性，將來還是管材的材料。而PVC-O作為一種新型韻管材，具有性能好、成本低、管材質量輕、搬運和鋪設容易等優點，*的性能使其可以應用到較高的壓力和更惡劣的環境中。
降低產品成本的同時提高其性能是人們一直在追求但并不容易實現的課題。雙軸取向PVC管不僅為這一課題提供了范例，更為一個新產品的未來發展奠定了基礎。
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