双轴取向硬聚氯乙烯管材的加工技术
唐克能
(上海汤臣塑胶实业有限公司，上海210003)
摘要：简要地介绍了双轴取向硬聚氯乙烯(PVC-O)管材的成型原理、相关加工技术以及产品的技术标准。
关键词：聚氯乙烯；管材；双轴取向
中图分类号：TQ 320·66 文献标识码：A 文章编号：1009-5993(2009)02-0031-05
作者简介:唐克能(1949—)，男，上海汤臣塑胶实业有限公司总工程师，教授级高级工程师。
0 前言
PVC-U管材的使用已有几十年的历史，在塑料管材中占有重要的地位。尤其是近年来石油资源日趋紧张，PVC以其原料中58%来自海水的优势而受到关注。
如何进一步提高PVC管材的强度，包括机械强度和抗冲击强度，对于节约资源，降低产品成本，扩大管材的应用范围，具有重要意义。
以往对PVC管材的改性，一般采取共混改性。这种方法可大大提高管材的抗冲击性能，但会使产品成本上升，还会降低管材的机械强度。近年来，国内外相继报道了用于给水的双轴取向PVC-U管材(称为PVC-O管材)。这种管材在加工过程中通过特定的双轴取向工艺，大大增强了管材的机械强度和抗冲击强度，在承受相等液压的条件下，大大降低了管材的壁厚，减轻了管材的质量，达到了节约资源，降低产品成本等效果。
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)条件下，在外力的作用下，分子链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。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，因此，增加了材料拉伸面方向的强度。
高分子材料的拉伸取向一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。
2 拉伸比率与拉伸速率
拉伸取向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，材料的强度也同时增强。但过分加大拉伸比率，材料的分子链被拉断，导致材料的破坏。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至原来的卷曲状态，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到其玻璃化温度以下。
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，没有固定的熔点。这种性能的管材，与其它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(即轴向)拉伸取向。只要增加管材牵引和挤出的速比即可以实现这种取向。但这种轴向拉伸取向对管材的性能是毫无意义的，因为它虽然通过拉伸取向增加了管材轴向的强度，但却降低了管材径向，即环向的强度。这对于塑料管材，尤其是给水管来说是十分有害的。因为它会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或等于5%的原因。理想的拉伸取向应当是双向的。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。在管材材料强度大大增加的基础上，可以用降低管材壁厚，但仍保持管材原有液压爆破强度的方法，来节省材料，降低产品的成本。
4 双轴拉伸PVC-U给水管的成型工艺
PVC-U给水管的双轴拉伸工艺国内外都有报道，但大多数都集中在欧洲。荷兰瓦云公司的连续成型法、法国韦文公司的管材扩口成型工艺及法国阿尔法康公司的管材带R-R承口的成型法等均为较理想的加工方法。
4.1 荷兰瓦云公司的连续成型法荷兰公司的连续成型法，如图1所示。双向拉伸管材是在适宜的取向温度下，通过挤出机1和拉杆构件5，把管材向扩展芯模6推进施力而形成的。
图1中管材2通过挤出机1进入定径套3，随后进入冷却装置4。牵引装置由12(速控装置)，14，15(履带)，16，17(橡胶块)等组成，控制管材的运行速度。
扩展芯模6是由圆柱体7、扩展部分的圆锥体8(7，8内有加热热流体加热，并与管材之间形成一层水膜，以减少摩擦阻力)以及与圆锥体连续的平直圆柱体9(内有冷却流体，同样与管材之间形成一层水膜)三段组成，由拉杆5连接机头固定。40为加热装置，控制管材的取向温度。20为管材经过扩展芯模扩展后的牵引装置，并有一个轴向牵引力作用于管材上。28，31为防止冷热水水流流出的塞子，以便水的回收。
具体的成型过程如下:
管材由挤出机1挤出管坯，经真空定径套3和冷却喷淋箱4冷却定型，经牵引装置进入加热区40加热至玻璃化温度以上，并强行塞入扩展芯模6。管材经扩展芯模圆锥体段8后被径向拉伸，同时由于牵引机20的强力牵引而被轴向拉伸，后经扩展芯模圆锥体连续的平直圆柱体9冷却定型。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，管材的连接可以应用管件或进行扩口后加工。
4.2 双轴取向PVC-O管材的扩口成型工艺PVC-O管材也可以通过R-R扩口加橡胶密封圈进行连接。通过R-R扩口连接，不仅可以减少管件的应用，降低施工成本，也可以补偿管材因热胀冷缩引起的尺寸变化。
PVC-O管材不能用普通PVC-U管材的扩口成型工艺进行扩口。因为经过双轴拉伸后的管材在进行扩口前的加热过程中，被拉伸取向的分子会重新回复至原来的无规卷曲状态，造成管材加热端回缩，使扩口成型无法进行。因此，必须采取特定的成型工艺。
法国韦文有限公司的双轴拉伸塑料管材扩口的生产方法及装置，笔者认为是十分可行的。其原理是:将管材被扩口部分的两个轴向末端固定，对两个固定点之间的管段进行加热，使之达到扩口成型的温度，然后借助加热段内部的流体压力或外则真空或内部模块进行扩张，最后进行冷却定型，即完成管材的扩口成型。
典型的扩口装置，如图2所示。
图2中100为被扩口的管材；121，122为可将管材外部压紧的两个半模块；114，111和116为插入管内的芯轴，具有可在退缩位置与扩张位置之间移位的功能。其中111为内部扩张定型模块；115为两个橡胶密封圈，起到固定和密封作用。125，126分别为两个半模块加热、冷却流体的出入口；123，124为两个半模块内控温流体的通道；117，118为内部扩张定型模块与被扩口管材内壁之间通入控温流体的出入口。
具体的成型过程如下:
(1)由111，114，116组成的芯轴插入管内。
(2)由121，122组成的两个半模合紧，由于两个密封圈115的作用，两密封圈之间的管段被牢牢固定。
(3)向125，126，117，118通入热流体。
(4)由于流体的压力，使管材加热段紧贴两个半模的内壁。
(5)向125，126，117，118输入冷却水，内部扩张定型模块111扩张，冷却定型。
(6)插入芯轴退缩抽出，扩口完成。
4.3 笔者设计的PVC-O管材成型工艺
笔者经多年PVC-O管材成型工艺的研究，查阅了国内外有关PVC-O管材成型工艺的资料，并经过一系列试验，设计出一种简单易行的PVC-O管材成型工艺，如图3所示。
具体实施过程如下：
从挤出机A模头B挤出管坯C，管坯进入真空喷淋冷却定型箱D冷却定型，然后通过前置牵引机F的牵引，将被冷却定型的管材送入一个水槽G内。水槽分为三个区域，即:Ⅰ区，Ⅱ区，Ⅲ区。Ⅰ区水的温度为60~70℃；Ⅱ区水的温度为95~98℃；Ⅲ区水的温度为15~20℃；每个区域之间由隔热板隔离。水槽内有一个圆轴H，圆轴的内部是空心的。圆轴分为:前段平直部分、中段锥形部分的前段、中段锥形部分的后段、后段平直部分等4个部分。4个部分通过隔热板隔离，内部互不相通。在前段平直部分处于水槽Ⅰ、Ⅱ区交界处及中段锥形部分处于水槽Ⅱ、Ⅲ区交界处的外表面嵌有O型密封圈。中段锥形部分的外表面有纵向分布的沟槽，沟槽内开有贯通圆轴锥形部分内外壁的小孔。圆轴的前段平直部分、中段锥形部分与后段平直部分分别置于水槽3个不同温度的水中:前段平直部分置于水温为60~70℃区；中段锥形部分置于水温为95~98℃区；后段平直部分置于水温为15~20℃区。圆轴通过每块隔离板上的圆孔进行固定；通过圆轴与隔离板之间的橡胶密封圈密封，使水槽3个区域不同温度的水互相隔离。圆轴通过空心连杆E与挤出机模头B连接，连杆内设有两根管材与圆轴锥形部分内部相通，一根管道的开口位于圆轴锥形部分的前段，用于输出95~98℃的热水；另一根管道的开口位于圆轴椎形部分的后段，用于回流95~98℃的热水，连杆穿过模头分流梭加以固定，并与外界95~98℃的热水源连通。热水可以通过连杆内的一根管道输送到圆轴锥形部分内，并通过位于圆轴锥形部分前段表面的孔流出；再通过圆轴锥形部分后段表面的孔流入，由位于圆轴椎形部分的后段内的管道回流。圆轴外表面的两个O型密封圈J，K，保证了热水只能在这两个O型密封圈之间的区域流出和回流，如此循环。管材被牵引机强行推至圆轴，使圆轴的前段平直部分先进入管材的内部(圆轴前段平直部分的外径略小于管材的内径，使得圆轴的前段平直部分能顺利进入管径)，同时进入圆轴的前段平直部分的管材被水槽内60~70℃的水加热。随后管材被继续推入圆轴的锥形部分管材的外部被水槽内95~98℃的水加热。内部被从锥形圆轴表面孔隙内流出的95~98℃的热水加热。随着管材继续强行推入，管材径向被扩张，实现径向拉伸取向。管材同时被安置在水槽后面的另一台后置牵引机I牵引，实现轴向拉伸取向；被双轴拉伸取向的管材继续被牵引机牵引，进入圆轴后段平直部分，被水槽内15~20℃的水冷却定型。随后冷却定型后的管材，被切割机切割，完成管材的双轴取向成型。
5 双轴取向PVC-O管材的强度和韧度
上述特殊的加工方法，将通常挤出的PVC-U管材的长链分子进行双轴拉伸取向。在加工过程中，管材被拉长，直径被增大，分子链的双轴取向带来了强度的提高；同时分子取向使材料产生薄片分层结构。分层结构可以阻止裂纹在材料中通过，使裂纹在各层中通过时，由于应力集中的减少而被有效的抑制，从而韧度增加。
普通PVC-U管材的最小要求强度MRS为25MPa；而PVC-O管材的MRS最高可达50 MPa。普通PVC-U管材的50年使用设计系数为2.0~2.5；而PVC-O管材的50年总体使用(设计)系数可取1.6或1.4。由此可以得出PVC-O管材在50年安全使用的条件下，可以比PVC-U管材节约30%~50%的材料。
6 双轴取向PVC-O管材的壁厚计算
(1)最小要求强度MRS，总体使用(设计)系数C和设计应力σs
根据ISO 16422:2006，PVC-O管材的分级、最小要求强度MRS和总体使用(设计)系数C，如表1所示。MRS除以总体使用(设计)系数C，就可以得到设计应力σs。
(2)壁厚计算
ISO 4065中规定了公称壁厚en和公称外径dn之间的关系。可以通过设计应力σs、设计压力PD、管系列S和管材的标准尺寸比(SDR)来进行计算：
2σs/PD+1=SDR S=σs/PD
SDR=2S+1 en=dn/ SDR
例:材料的MRS为50 MPa，C值取1.6，设计应力σs=MRS/C=50/1.6=31.25 MPa，取32 MPa。设:管材的设计压力PD为1.6 MPa，
管系列S=σs/PD=32/1.6=20 管材的标准尺寸比
SDR=2S+1=2×20+1=41
管材壁厚en=dn/SDR，由此可以列出各种规格管材的壁厚尺寸。
表2给出了PVC-O与PVC-U给水管的壁厚。
7 双轴取向PVC-O管材的技术标准
7.1 技术标准
给水用双轴取向PVC-O管材目前没有国家标准，国际标准化组织ISO/TC 138/SC 2已制订了该产品的标准:ISO 16422:2006《输水用取向硬聚氯乙烯(PVC-O)管材和接头》。此外，美国、澳大利亚、南非等国家也制订了该产品的国家标准:美国ASTM F 1483-05取向聚氯乙烯(PVC-O)压力管材标准；澳大利亚AS 441(int)-2003取向聚氯乙烯PVC-O承压管材；南非SANS 966-2:2006改性聚氯乙烯压力管道系统。
7.2 PVC-O与PVC-U给水管的壁厚
从表2可以看出:PVC-O给水管较PVC-U给水管可减少壁厚50%以上，大大节约了材料，降低了成本。
7.3 PVC-O与PVC-U给水管的抗冲击强度
表3给出了PVC-O与PVC-U给水管的抗冲击强度。
从表3可以看出:PVC-U给水管材通过双轴拉伸后，其抗冲击强度提高了10多倍。
8 结束语
研制开发的PVC-O管材可以大大节约原材料，降低成本，提高产品性能，具有明显的经济效益和社会效益。目前国外对塑料管材双轴拉伸工艺的研究和应用也不多；而我国则还停留在理论研究阶段。一些国内知名的塑料管道企业也有这方面开发愿望，希望双轴拉伸塑料管材在我国早日研发成功，并应用于工程，为我国的现代化建设作出贡献。
