PVC-M和pvc-O管道

1、1北京化工大学材料科学与工程学院2名次解释3内 容41.PVC-M特性特性5PVC-M管的韧度可以与管的韧度可以与PE管相比管相比nPVC-M:完全克服脆完全克服脆性性-明显提高韧度明显提高韧度+提高设计应力提高设计应力20Kg20m高落速冲不裂高落速冲不裂!6PVC-U管长期静液试验曲线比较管长期静液试验曲线比较有切口有切口(缺陷缺陷)下长期强度明显降低下长期强度明显降低7为什么提高韧度后可以提高设计应力为什么提高韧度后可以提高设计应力?PVC-M有切口有切口(缺陷缺陷)不影响长期强度不影响长期强度PVC-M的的MRS略低略低, 有切口也不受影响有切口也不受影响,可靠性高可靠性高;PVC-U

2、的的MRS较高较高, 有切口就明显下降有切口就明显下降,可靠性低可靠性低.脆性脆性PVC-UPVC-M（切口和不切口的）（切口和不切口的） 81.1强度与设计安全系数强度与设计安全系数C91.2较低的设计安全系数较低的设计安全系数10表表2PVC-U和和PVC-M（PVC-A）用落锤冲击法测试抗冲击）用落锤冲击法测试抗冲击性能的比较（以性能的比较（以110mm管材为例）管材为例）111.3韧度（抗冲击抗开裂性能）韧度（抗冲击抗开裂性能）12PVC柔性管柔性管132.PVC-M的应用的应用 2.1给水用管道市场142.PVC-M的应用的应用 152.3矿山用管道矿山用管道 162.4非开挖铺设和

3、修复用管道市场非开挖铺设和修复用管道市场 173.1PVC-M管材的生产装备管材的生产装备183.2PVC-M的配方设计的配方设计19氯化聚乙烯改性制取PVC-M20丙烯酸树脂改性制取PVCM21PVC-M（PVC-A）的加工工艺223.1增韧剂改性方式增韧剂改性方式233.1增韧剂改性方式增韧剂改性方式24抗冲改性的方法25接枝共聚合法增韧聚氯乙烯263.2PVC-M增韧改性机理增韧改性机理27PVC-M物理共混增韧改性机理物理共混增韧改性机理28293.2.1网络增韧机理网络增韧机理 30PVC的抗冲改性- 网络型网络型31网络型抗冲改性剂对剪切的依赖性32氯化聚乙烯（CPE）抗冲改性剂3

4、3氯化聚乙烯抗冲改性剂的优缺点34共混改性聚氯乙烯PVC-M管材的配方PVC SG-4，5 （100）稳定剂 钙锌，有机锡（1.52.5）增韧剂 CPE135A（610）润滑剂 聚乙烯蜡，硬脂酸盐（ 2）加工助剂 ACR（ 2）填料：碳酸钙（8）颜色：微量353.2.2空穴化理论空穴化理论36空穴化理论空穴化理论37聚丙烯酸酯抗冲改性剂（ACR）38冲击脆裂机理39Fracture of polymersDuctile and brittle fracturesPVC-M PVC U CrazingFibrillar bridgesMircovoidsCrack40Stages of defo

5、rmation41产品检测42产品检测4344产品检测45PVC-M环应力与时间图引自日本积水化学（青岛） PVC-AGR46PVC-M管材的应用性能检测47PVC-M管材标准颜色颜色48PVC-M是成熟技术是成熟技术,已经大量应用已经大量应用 n英国、澳大利亚、南非等已经有国家标准，英国、澳大利亚、南非等已经有国家标准，大量使用于水工业和矿山等。不仅韧度高，大量使用于水工业和矿山等。不仅韧度高，抗冲击好，壁厚比抗冲击好，壁厚比PVC-U小小30%。n我国的开发已经起步：宝硕自主开发出我国的开发已经起步：宝硕自主开发出PVC-M产品和相应检测方法。产品和相应检测方法。n日本积水化学已在我国生产

6、的日本积水化学已在我国生产的丙烯酸共聚聚丙烯酸共聚聚氯乙烯管材氯乙烯管材，是化学接枝改性的，是化学接枝改性的PVC-M.比比PVC-U管提高了抗冲击性能，但在设计中没管提高了抗冲击性能，但在设计中没有提高设计应力。有提高设计应力。49PVC-O管材n双轴取向聚氯乙烯双轴取向聚氯乙烯PVC-O管材是通过在轴向和管材是通过在轴向和径向拉伸取向径向拉伸取向,获得的更高强度和更高韧性的获得的更高强度和更高韧性的管材管材.50PVC-O的历史和进展 nPVC-O最早是英国的York shire Imperial Plastics（现在的Uponor）在1970年代领先开发的，后来有澳大利亚Vinidex

7、（1986），美国Uponor-ETI（1990），荷兰Polva和法国Seperef生产10。n早期采用的都是离线（off-line）加工工艺（两步加工法），是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。但是离线加工工艺生产速度低，设备投资高（单位产出的）很难推广。 51取向聚氯乙烯取向聚氯乙烯PVC-O管材管材在线在线（in-line）进行取向，连续生产）进行取向，连续生产PVC-O的的生产工艺（一步加工法）生产工艺（一步加工法） nPVC-O管材已经在英管材已经在英,法法,荷荷,葡葡,美美,澳澳,南非等国家应用多年。南非等国家应用多年。

8、n美国美国,澳大利亚等国已有澳大利亚等国已有PVC-O的产品标准。的产品标准。n今年今年ISO标准也已经发布标准也已经发布ISO 16442:200652拉伸取向机理 通过分子取向形成薄片分通过分子取向形成薄片分层结构层结构,能阻止径向裂纹的能阻止径向裂纹的扩展扩展,具有优良的抗冲击具有优良的抗冲击,抗抗疲劳性能疲劳性能.53拉伸取向的温度n高分子材料的拉伸取向过程是材料在Tg与Tm之间（一般在软化点Tf附近）的温度条件下，在外力的作用下分子从无序排列到有序排列的过程。n高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，即材料沿分子取向的方向强度大大提高，而垂直于拉伸方向的强度大大减小

9、。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去了。54双轴拉伸取向的优点n增加了管材的轴向强度，同时也增加了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。管材的径向即环向强度。nMRS提高提高50MPa，管材级别由，管材级别由250级提级提高到高到500级，设计应力为级，设计应力为32MPa。在管。在管材材料强度大大增加的基础上，我们可材材料强度大大增加的基础上，我们可以用降低管材壁厚，仍保持管材原有液以用降低管材壁厚，仍保持管材原有液压爆破强度的方法，来节省材料，降低压爆破强度的方法，来节省材料，降低产品的成本。产品的成本。55拉伸比n拉伸取向，

10、就是将卷曲的分子链拉直并沿拉伸拉伸取向，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，就是材料的大拉伸比率，会导致材料的破坏，就是材料的分子链被拉断，材料受到了破坏。分子链被拉断，材料受到了破坏。n（Cornet工艺方法通常径向的扩张比在工艺方法通常径向的扩张比在2:1，轴向的拉伸比在轴向的拉伸比在20%到到30%） 56拉伸速率n如果拉伸温度偏高，拉伸速率过低，分如果拉伸温度偏高，拉伸速率过低，分子链在拉伸的过程中会产生

11、松弛，即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，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速率，并及时将拉伸后材料的温度降到其玻璃化温度以下。其玻璃化温度以下。 57管材加工过程中的取向n管材在挤出加工过程中的取向向单轴周取向n增加管材牵引速度n增加模具和定型模口径比值虽然通过这种轴向拉伸取向，增加了管材轴向的强度，但却降低了管材环向

12、强度，这对于塑料管材，尤其是给水管来说，是十分有害的，因为它会大大降低管材的液压爆破强度。58环应力的概念环应力的概念n管材受力分析管材受力分析n环应力tn轴向力an径向力r管内壁管内壁r=管内压力P管外壁管外壁r=管外压力P=059PVC-O给水管的双轴拉伸工艺 n荷兰瓦云公司的连续成型法n在线连续生产工艺在线连续生产工艺把挤出管胚在控制把挤出管胚在控制温度下径向扩张和轴向拉伸温度下径向扩张和轴向拉伸. n缺点是不能加工R-R承口，管材的连接必须依靠管件 60PVC-O生产工艺介绍n生产线的前部是通常的挤出线，连续挤出用做料胚的厚管，在料胚管中的固定位置有两个塞体；在前面的分隔塞和在后面的可

13、膨胀塞。在控制好的温度下，通过内操作管向两个塞体之间输入高压水实现料胚管径向的膨胀，同时通过生产线前后牵引速度差实现料胚管的轴向拉伸。在这个过程中可膨胀塞要相应地膨胀保持对两塞之间高压水的密封（塞面和管材内壁之间始终在滑动）。最后把经过径向的扩张和轴向的拉伸实现了双轴取向的管材冷却定型。显然，有不少技术上的难点。例如，膨胀塞即要求有可以膨胀近3倍的柔韧性又要求有能承受高压的强度，塞面即要保证密封又要在不断滑过内壁下耐磨损。61PVC-O管材生产技术和设备管材生产技术和设备n在线连续生产在线连续生产PVC-O的技术和设备比较复的技术和设备比较复杂杂,如果引进需要很高费用如果引进需要很高费用,国内

14、宝硕国内宝硕,四川大四川大学学,北京化工大学等的开发还在探索中北京化工大学等的开发还在探索中(涉及涉及专利专利).n在线连续生产在线连续生产PVC-O工艺工艺Cornet法法62PVC-O给水管的双轴拉伸工艺n法国阿尔法康公司的管材带R-R承口的成型法离线法n管坯由夹具固定在滑动罩体内，滑动罩体插入在成形筒内，管材靠近夹具一端的外面是R-R承口模。通过控制流体压力的通道，向管坯内压入温度略高于管材玻璃化温度的热的流体，管材开始膨胀，外壁贴住滑动罩体的内壁。驱动装置推动夹紧装置向管材的另一端移动，以保证管材在R-R承口模的一端扩胀后，能保持和管材相似的壁厚。管材R-R承口成型，外壁紧贴滑动罩体内

15、壁。驱动装置带动滑动罩体从成形筒内缓慢抽出，管材继续膨胀，外壁紧贴成形筒内壁，完成了管材的环向拉伸。随后用冷水置换管内的热水，进行管材的冷却定型。卸下嵌体，以便取出管材。管材成型后，锯掉被夹具夹紧的两端，就得到一根完整的带R-R承口的管材。 63PVC-O管材连接与配方n生产PVC-O管材的另一个难点是成型连体的承口，也已经有专利技术。n生产PVC-O管材的原材料是标准的PVC-U混配料。64PVC-O和PVC-UPVC-M强度数据的比较65PVC-O给水管的技术标准 n给水用PVC-O管材的尚未见有国家标准，国际标准化组织ISO/TC138/SC2 已与2002年制定了该产品的标准草案：IS

16、O/DIS 16422n其它国家标准nASTM F 1483nBritish Specifications WIS4-31-08（1991）nDutch Water Industry Specifications BRL-K565-01（1998）nDraft AZ/NZS 444166PVC-O与PVC-U给水管的规格尺寸与性能比较n管材壁厚比较67PVC-O与PVC-U给水管的性能比较n抗冲击强度比较（0）68PVC-U,PVC-M PVC-O性能对比性能对比252512.512.524.524.517.517.55050323220.720.712.512.510108 80 01010

17、2020303040405050PVC-UPVC-MPVC-OACRPE 100MRS设计应力设计应力 用料比用料比 100 0.71 0.39 100 1.56实践证明实践证明-技术创新可在改善质量的同时降低消耗提高效益技术创新可在改善质量的同时降低消耗提高效益!69PVC-M和和PVC-O扩大应用领域扩大应用领域n克服脆性的克服脆性的PVC-M和和PVC-O可以扩大应用可以扩大应用领域领域.例如应用于压缩空气管例如应用于压缩空气管(不爆裂不爆裂).n南非经验南非经验:PVC-M大量应用于工作条件恶劣大量应用于工作条件恶劣,要求高强度高韧度的矿山用管要求高强度高韧度的矿山用管.16bar 悬

18、挂铺设悬挂铺设机械连接机械连接70要加快开发要加快开发PVC-M和和PVC-O管管n近年国际上已经大量使用近年国际上已经大量使用PVC-M和和PVC-O，证明，证明技术已经成熟技术已经成熟,可以明显地提高性能，节约材料，可以明显地提高性能，节约材料，并扩展应用领域。并扩展应用领域。n中国的国情必然重视经济性中国的国情必然重视经济性.但停留在传统但停留在传统PVC-U的水平上不可能利用好发展的机遇。的水平上不可能利用好发展的机遇。n领先企业的实践已经证明我国有能力自主开发领先企业的实践已经证明我国有能力自主开发PVC-M,相信不久也可以突破相信不久也可以突破PVC-O。71PVC-M和和PVC-O扩大应用领域扩大应用领域北美经验北美经验:应用于非开挖铺设和修复应用于非开挖铺设和修复Omega-Liner PVC-MDuraliner PVC-OCerta-LokTM PVC-M72塑料管道的优点施工简单n柔韧塑料管的连接和挖沟可同步进行。塑料管铺设要求不高，可明显减少管沟的挖掘量，加快铺设工程的速度。在铺设塑料管时，可现在地面上将塑料管连接好，然后用挖土机挖出一条窄沟，同时完成把管铺入和覆盖土层