PVC-O，中文名雙軸取向聚氯乙烯，是PVC管的最新進(jìn)化形式，通過特殊的取向加工工藝制造的管材，將采用擠出方法生產(chǎn)的PVC-U管材進(jìn)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(guī)整排列，獲得高強(qiáng)度、高韌性、高抗沖、抗疲勞的新型PVC管材。

產(chǎn)品簡介

很多高分子聚合物通過取向加工(或稱定向)使其分子規(guī)整排列，可以明顯地提高其性能。事實(shí)上，有不少塑料制品在市場上的競爭優(yōu)勢就依靠取向加工帶來的卓越性能，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(yīng)可持續(xù)發(fā)展大方向的前沿技術(shù)。 雙軸取向聚氯乙烯(PVC-O)管材是通過特殊的取向加工工藝制造的管材，這一加工工藝是把采用擠出方法生產(chǎn)的PVC-U管材進(jìn)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(guī)整排列，獲得高強(qiáng)度、高韌性、高抗沖、抗疲勞的新型PVC管材，性能遠(yuǎn)優(yōu)于普通PVC-U管材。 研究開發(fā)PVC-O管材，可以大大節(jié)約原材料資源，降低成本，提高產(chǎn)品性能，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

發(fā)展歷程

PVC-O最早是英國YorkshirelmperialPlastics(Uponor)在1970年領(lǐng)先開發(fā)的，后來澳大利亞Vinidex(1986)、美國Upomor-ETI(1990)、荷蘭Polva和法國Seperef也相續(xù)生產(chǎn)。  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(jīng)冷卻的PVC-U管材段(厚料胚)在模具內(nèi)通過加熱和加壓膨脹到要求尺寸來實(shí)現(xiàn)取向。試驗(yàn)研究和實(shí)際應(yīng)用證明PVC-O具有非凡的性能，但是“離線”加工工藝生產(chǎn)速度低，設(shè)備投資高，很難推廣。 后來研發(fā)出在擠出加工過程中“在線”(in-line)進(jìn)行取向，連續(xù)生產(chǎn)PVC-O。其生產(chǎn)工藝為一步加工法，就是在管材擠出生產(chǎn)線上，把已經(jīng)擠出成型的PVC-U管材(厚料胚)通過徑向的擴(kuò)張和軸向的拉伸實(shí)現(xiàn)雙軸取向，然后冷卻定型成為PVC-O管材。“在線”雙軸取向生產(chǎn)工藝大大提高了生產(chǎn)效率，減少了制造成本，增強(qiáng)了PVC-O和其他管材的競爭力。 

PVC-O管材已經(jīng)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(yīng)用多年。美國、澳大利亞等國已經(jīng)發(fā)布了PVC-O的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，國際標(biāo)準(zhǔn)組織也發(fā)表了PVC-O標(biāo)準(zhǔn)-ISO/DIS 16422-2006。表2列出了國際市場上部分PVC-O管材和生產(chǎn)企業(yè)的資料。國內(nèi)已經(jīng)有一些科研院所和大企業(yè)集團(tuán)在探索開發(fā)。

生產(chǎn)原理

高分子材料的拉伸取向機(jī)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(diǎn)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(shí)現(xiàn)了有序排列，材料由各向同性轉(zhuǎn)變?yōu)楦飨虍愋?，即材料沿分子取向方向的?qiáng)度大大增加，而垂直于拉伸方向的強(qiáng)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(qiáng)度疊加到沿分子取向方向的強(qiáng)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(gè)拉伸面的強(qiáng)度疊加到拉伸面方向的強(qiáng)度上，由此增加了材料拉伸面方向的強(qiáng)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(jìn)行，如果低于玻璃化溫度，分子鏈處于被凍結(jié)狀態(tài)，在這個(gè)溫度條件下進(jìn)行拉伸，只會(huì)造成材料受強(qiáng)迫拉伸而破壞。如果高于熔融溫度，分子鏈能自由運(yùn)動(dòng)，受拉伸的分子鏈不能實(shí)現(xiàn)取向作用。只有在玻璃化溫度與熔融溫度之間，最好在材料軟化點(diǎn)附近，才能實(shí)現(xiàn)和保持最有效的分子取向。

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(dāng)增加拉伸比率，則分子取向程度加大，材料的強(qiáng)度也同時(shí)加大。但過分加大拉伸比率會(huì)導(dǎo)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(huì)產(chǎn)生松弛，即分子鏈在拉伸的過程中有足夠的時(shí)間和能力回復(fù)到原來的卷曲狀態(tài)，使取向程度降低。因此，要獲得較為理想的取向度，應(yīng)當(dāng)制定合理的拉伸溫度和較快的拉伸速率，并及時(shí)將拉伸后材料的溫度降低到玻璃化溫度以下。

PVC-U管材的雙軸拉伸

PVC屬于非結(jié)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(diǎn)。這種性能的管材，與其他結(jié)晶型的聚烯烴管材相比，較適合于進(jìn)行雙軸拉伸取向。PVC管材在成型過程中很容易進(jìn)行單軸拉伸取向。 PVC管材在成型過程中很容易進(jìn)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(shí)現(xiàn)這種取向。但這種軸向拉伸取向?qū)懿牡男阅軄碇v是毫無意義的，因?yàn)樗m然通過拉伸取向增加了管材取向的強(qiáng)度，但卻降低了管材徑向(即環(huán)向)的強(qiáng)度，這對(duì)于塑料管材，尤其是給水管材來說，是十分有害的，因?yàn)樗鼤?huì)大大降低管材的液壓爆破強(qiáng)度，這也是管材的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中要規(guī)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(yīng)當(dāng)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(qiáng)度，同時(shí)也增加了管材的徑向(即環(huán)向)強(qiáng)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(qiáng)度大大增加、管材原有液壓爆破強(qiáng)度基礎(chǔ)上，通過降低壁厚的方法節(jié)省原料，降低產(chǎn)品的成本。

生產(chǎn)技術(shù)

加工工藝

在線連續(xù)生產(chǎn)PVC-O管材的生產(chǎn)技術(shù)比較復(fù)雜，都屬于專利技術(shù)。生產(chǎn)PVC-O管材的另一個(gè)難點(diǎn)-成型連體的承口也已經(jīng)有專利技術(shù)。PVC-U給水管的雙軸拉伸工藝國內(nèi)外都有報(bào)道，較為理想的加工方法有兩種：荷蘭瓦云公司的連續(xù)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(diǎn)是可以連續(xù)生產(chǎn)。法國阿爾法康公司成型方法的特點(diǎn)是可以生產(chǎn)R-R承口的管材，缺點(diǎn)是不能連續(xù)生產(chǎn)。 “離線”加工工藝的主要局限性是擠出速度低和單位產(chǎn)出的投資費(fèi)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(dá)到溫度精確、均勻的條件，所需循環(huán)時(shí)間長。 

注意事項(xiàng)

首選的加工工藝是在擠出加工過程中“在線”進(jìn)行取向，但是生產(chǎn)線設(shè)計(jì)時(shí)常有以下難題需要考慮： (1)在不知道受熱經(jīng)歷、拉伸速率的情況下，拉伸比例會(huì)如何影響拉伸加工中PVC的力學(xué)特性或最終產(chǎn)品的特性。不知道要達(dá)到的溫度允差，只能根據(jù)從“離線”加工工藝中得來的結(jié)果進(jìn)行定性估計(jì)。 (2)需要在離擠出機(jī)一段距離處，將物料控制在要求的溫度下進(jìn)行受熱處理，在生產(chǎn)線的某一點(diǎn)進(jìn)行膨脹。不論是用機(jī)械方法還是用液壓方法進(jìn)行膨脹，均需要配放在管材內(nèi)的裝置。這樣的裝置很容易損壞，造成生產(chǎn)線事故，而且在管材內(nèi)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(shè)備和錨定系統(tǒng)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(shè)置一個(gè)穩(wěn)定的膨脹。

產(chǎn)品規(guī)格性能

管材壁厚

由于PVC-O管材是將原來成型的PVC-U管材進(jìn)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(guī)定的給水用PVC-U管材標(biāo)準(zhǔn)和國際標(biāo)準(zhǔn)ISO16422-2006規(guī)定的輸水用PVC-O管枯部分規(guī)格產(chǎn)品壁厚的比較。 PVC-O與PVC-U壁厚比較，PVC-O給水管較PVC-U給水管可減少壁厚35%-40%，大大節(jié)約了材料，降低了成本。

強(qiáng)度韌度性能

PVC-O加工工藝是把由常用擠出方法生產(chǎn)的PVC-U管材的長鏈分子進(jìn)行取向。在加工中管材的直徑增大，使分子在環(huán)向取向并帶來強(qiáng)度和韌度兩個(gè)物理性能的實(shí)質(zhì)性改善。分子的取向大大地增加了材料的短期和長期強(qiáng)度。 由于突出的強(qiáng)度和韌度，MRS45和MRS50的PVC-O材料的50年安全系數(shù)可以用1.6或1.4143來表示，所以PVC-O管用的設(shè)計(jì)應(yīng)力可高達(dá)28MPa和32MPa，結(jié)果比PVC-U管材和PVC-M管材節(jié)約大量材料。 分子取向加工產(chǎn)生薄片分層結(jié)構(gòu)，是PVC-O韌度高的關(guān)鍵。如果由于缺陷和點(diǎn)負(fù)載產(chǎn)生了裂紋，分層結(jié)構(gòu)會(huì)阻礙裂紋在材料中通過，裂紋在各層通過時(shí)由于應(yīng)力集中的減少，裂紋擴(kuò)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(qiáng)度提高了，但拉伸強(qiáng)度沒有提高。

PVC-U給水管材通過雙軸拉伸后，其沖擊強(qiáng)度提高了10倍多。 PVC-O管的另千個(gè)優(yōu)點(diǎn)是由于較高的設(shè)計(jì)應(yīng)力，增加了通水能力，方便了搬運(yùn)和鋪設(shè)。

應(yīng)用領(lǐng)域

在國外，PVC-O主要應(yīng)用在給水管道、礦山管道、非開挖鋪設(shè)和修復(fù)用管道、燃?xì)夤芫W(wǎng)等領(lǐng)域。 一些國家的飲水管網(wǎng)中PVC-O的應(yīng)用在逐步擴(kuò)大，成為PVC-U的替代晶，據(jù)Wavin集團(tuán)的調(diào)查報(bào)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(wǎng)已經(jīng)100%使用PVC-O管道，法國等國在近一二年內(nèi)也將全部采用。礦山環(huán)境特別惡劣，安全要求特別嚴(yán)格，在有腐蝕性的地下環(huán)境中，強(qiáng)度大、韌性高、抗沖擊、不腐蝕的PVC-O管道非常有競爭優(yōu)勢。采用非開挖技術(shù)鋪設(shè)新管道和修復(fù)舊管道是一個(gè)有巨大需求的市場，DuralinerTM修復(fù)方法可以顯著地節(jié)約費(fèi)用。PVC-O管道應(yīng)用在荷蘭等國供燃?xì)夤芫W(wǎng)中，提供了良好的強(qiáng)度、剛度和韌度，材料和鋪設(shè)費(fèi)用比競爭材料低很多。 ^[5]

經(jīng)濟(jì)效益

荷蘭Wavin集團(tuán)已經(jīng)生產(chǎn)并使用PVC-O管材多年，據(jù)Wavin集團(tuán)統(tǒng)計(jì)，與PVC-U相比，PVC-O管材投入、支出情況如下。 (1)平均節(jié)省原料11.58%。 (2)PVC-O投資提高2.5-3倍(在歐洲情況)。 (3)產(chǎn)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(yùn)行費(fèi)用增加10%-15%。 (7)生產(chǎn)線長度增加25%。 綜合計(jì)算，1 m管材節(jié)省投入33%-44%，價(jià)格可提高10%-15%?？梢姡琍VC-O管材是一次性投人，終身收益。

發(fā)展前景

國際形勢的變化和發(fā)展為我國PVC管道系統(tǒng)的發(fā)展提供了一個(gè)空前的歷史機(jī)遇。石油價(jià)格暴漲使得在很多應(yīng)用領(lǐng)域和PVC管道系統(tǒng)競爭的聚烴烯管道系統(tǒng)受到了嚴(yán)重的影響，而以煤為原料的PVC因維持在較低價(jià)格而增強(qiáng)了競爭力。 PVC管道系統(tǒng)已經(jīng)有近70年的發(fā)展歷史，因其具有高模量、高強(qiáng)度和較低價(jià)格等優(yōu)點(diǎn)，所以一直是全世界應(yīng)用量最大的塑料管道系統(tǒng)，在現(xiàn)代社會(huì)的很多領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。我國塑料管道行業(yè)發(fā)展迅速，已經(jīng)成為世界塑料管道生產(chǎn)和應(yīng)用大國之一。我國PVC管材生產(chǎn)能力在200萬t/a以上，僅占塑料管總量的50%左右，而在發(fā)達(dá)國家，PVC管消費(fèi)量一般占塑料管市場的70%-80%。 進(jìn)入21世紀(jì)，PVC管材面對(duì)諸多競爭對(duì)手，尤其是由，于HDPE等樹脂性能的明顯改進(jìn)(如從PE63到PE80和PE100)，PE管材具有優(yōu)異的韌性和抗水錘沖擊能力。另外，各國環(huán)境保護(hù)組織對(duì)于氯元素的批評(píng)，使得PVC管道面臨嚴(yán)峻形勢，但是人們長期忽視的一點(diǎn)是，PVC管材相對(duì)于PE管材更能阻止一些有毒、有害物質(zhì)的滲透。 在未來世界管材市場中占主導(dǎo)地位的還是PVC管材，其根本原因在于技術(shù)創(chuàng)新、技術(shù)進(jìn)步。PVC樹脂和PVC管道創(chuàng)新技術(shù)的應(yīng)用，特別是PVC管道加工技術(shù)和工藝的創(chuàng)新，明顯地改善了PVC管道的經(jīng)濟(jì)性，并開拓了新的應(yīng)用領(lǐng)域。所以，必須在提高管材性能的同時(shí)節(jié)約材料，以提高PVC管材的競爭力。

8 結(jié)論 由于PVC非凡的多功能性，突出的耐久性和經(jīng)濟(jì)性，將來還是管材的首選材料。而PVC-O作為一種新型韻管材，具有性能好、成本低、管材質(zhì)量輕、搬運(yùn)和鋪設(shè)容易等優(yōu)點(diǎn)，超強(qiáng)的性能使其可以應(yīng)用到較高的壓力和更惡劣的環(huán)境中。 降低產(chǎn)品成本的同時(shí)提高其性能是人們一直在追求但并不容易實(shí)現(xiàn)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(gè)新產(chǎn)品的未來發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。