高抗沖PVC給水管材研究

文仕敏

（四川宜賓天原集團股份有限公司，四川 宜賓 644004）

聚氯乙烯（PVC）是五大通用塑料之一，較易加工，具有良好的綜合力學性能，主要用于生產(chǎn)管材、型材、薄膜、電線電纜、地板革等。在PVC下游消費領(lǐng)域中，管材是使用量最大的產(chǎn)品，以2017年為例，管材產(chǎn)量1 525萬t。近年管材用于供水領(lǐng)域逐漸增多，但總體比例并不高，2006-2014年塑料管材在供水領(lǐng)域的應用比例及2015年塑料管材主要應用領(lǐng)域分別見表1和圖1[1]。

表1 2006-2014年塑料管材在供水領(lǐng)域的應用比例

供水管材對質(zhì)量要求高，主要是由于供水管要承受壓力，所以對強度要求比較高。隨著社會進步，產(chǎn)業(yè)集中度進一步提高，技術(shù)力量差的小企業(yè)已經(jīng)兼、停、并、轉(zhuǎn)、破，市場上低端產(chǎn)品逐步減少，更多的加工企業(yè)重視高水平、高性能產(chǎn)品的研發(fā)。

圖1 2015年塑料管材主要應用領(lǐng)域

PVC供水管材主要原料為PVC樹脂，由于加工時溫度較高（通常達到160℃），而PVC熱穩(wěn)定性較差，當溫度高于150℃時易發(fā)生分解，釋放出HCl，使產(chǎn)品變色，同時抗沖強度變差，在低溫環(huán)境時管道發(fā)脆。要解決供水管材質(zhì)量問題，需開發(fā)出高品質(zhì)高抗沖給水管材。本文通過深入研究管材配方和工藝，開發(fā)出了塑化快，加工溫度低，管材強度高，低溫韌性好的高抗沖聚氯乙烯給水管材。

1 檢測標準

給水管材按《CJ/T 272-2008給水用抗沖改性聚氯乙烯（PVC-M）管材及管件》標準進行測試。

2 試驗部分

2.1 高抗沖給水管材主要原輔料

（1）聚氯乙烯樹脂

聚氯乙烯樹脂選用SG5型PVC樹脂、聚合度與SG5相當?shù)谋┧狨ヅc氯乙烯接枝聚合樹脂（以下簡稱“ACR-g-VC樹脂”）、低聚合度細顆粒PVC樹脂（聚合度600左右，粒徑小于20 μm）。研究不同樹脂組合對塑化、沖擊強度、拉伸強度的影響。

（2）穩(wěn)定劑

穩(wěn)定劑種類多，但由于給水管的衛(wèi)生指標要求，能用于給水管材的主要為有機錫類和鈣鋅類，比較兩種穩(wěn)定劑對管材熱穩(wěn)定性、塑化、沖擊強度、拉伸性能的影響。

（3）改性劑

改性劑通常有丙烯酸酯類（ACR）、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物（ABS）、甲基丙烯酸甲酯-丁二烯-苯乙烯三元共聚物（MBS）、氯化聚氯乙烯（CPE）等，但CPE對提高產(chǎn)品耐寒性、耐候性以及抗紫外照射方面更有優(yōu)勢，故選用CPE，型號135A。

（4）填料

填料選用納米碳酸鈣，可以提高管材的硬度，表面光澤和表面平整性。

2.2 試驗主要設(shè)備和儀器

試驗主要設(shè)備和儀器一覽表見表2。

2.3 配方研究

2.3.1 穩(wěn)定劑選用研究

穩(wěn)定劑種類多，適用于給水管材的主要有鈣鋅復合穩(wěn)定劑、有機錫穩(wěn)定劑，需要通過做試驗了解不同穩(wěn)定劑對制品性能的影響，再確定選用何種穩(wěn)定劑。

（1）穩(wěn)定劑試驗配方

鈣鋅復合穩(wěn)定劑選用市售通用級、有機錫穩(wěn)定劑選用市售C-102，其配方見表3。

（2）混料

分別按照配方一、配方二稱量的ACR-g-VC樹脂、穩(wěn)定劑、納米碳酸鈣、外潤滑劑、內(nèi)潤滑劑在高速混和機中混和，待混和溫度達到110℃，轉(zhuǎn)至低速攪拌冷卻到50℃。

（3）流變試驗

表2 主要設(shè)備和儀器一覽表

表3 基礎(chǔ)配方表 份

分別取配方一、配方二混合好的物料75 g做流變試驗，所得流變曲線對比圖見圖2，流變性能數(shù)據(jù)表見表4。

從圖2流變曲線和表4流變性能數(shù)據(jù)來看，鈣鋅復合穩(wěn)定體系下平衡轉(zhuǎn)矩為20.87 Nm，塑化時間1.867 min；有機錫穩(wěn)定體系下平衡轉(zhuǎn)矩20.40 Nm，塑化時間1.833 min，兩種體系下塑化時間相近，平衡轉(zhuǎn)矩相近。從10 min流變曲線看比較接近，動態(tài)熱穩(wěn)定性相近。

（4）試樣制備

取混合物料約200 g采用雙輥塑煉機開煉加工成約0.50 mm厚的片材，溫度控制在180℃，混煉6 min。然后將片材放入平板硫化機壓片，溫度控制在175℃，在100 mm×200 mm×1 mm模具上壓制成型用于靜態(tài)熱穩(wěn)定性試驗；在100 mm×200 mm×4 mm模具上壓制成型，切割成80 mm×10 mm×4 mm樣條用于沖擊試驗和彎曲試驗；切割成150 mm×10 mm×4 mm樣條用于拉伸試驗。

圖2 流變曲線對比圖

表4 流變性能數(shù)據(jù)表

（5）靜態(tài)熱穩(wěn)定性試驗

對鈣鋅復合穩(wěn)定體系和有機錫穩(wěn)定體系在180℃的靜態(tài)熱穩(wěn)定性對比，主要比較0 min、5 min、10min、15 min、20 min、25 min、30 min 樣片變色情況。A 組為鈣鋅復合穩(wěn)定劑體系，B組為有機錫穩(wěn)定劑體系。

A組顏色總體呈微黃色，B組顏色比A組深，但兩組樣片從0 min到30 min的顏色變化均不明顯，說明靜態(tài)熱穩(wěn)定性均較好，而A組圖片顏色變化更小，說明鈣鋅復合穩(wěn)定劑效果更好。

（6）力學性能測試

力學性能測試結(jié)果一覽表見表5。

表5 力學性能測試結(jié)果一覽表

從表5得知，配方一常溫沖擊強度86.3 kJ/m2，低溫（-25℃）沖擊強度 8.8 kJ/m2，拉伸強度45.24 MPa，彎曲強度64.7 MPa；配方二常溫沖擊強度79.5 kJ/m2，低溫（-25℃）沖擊強度8.4kJ/m2，拉伸強度45.62MPa，彎曲強度63.52 MPa。從力學性能來看，配方一略優(yōu)于配方二，說明鈣鋅復合穩(wěn)定體系較好。

（7）擠出試驗

將混合后的物料放入雙螺桿擠出機擠出，擠出溫度控制在165～180℃，即制得管徑為110 mm的高抗沖PVC管材。取樣進行落錘沖擊試驗和液壓試驗，測試標準為《CJ/T 272-2008給水用抗沖改性聚氯乙烯（PVC-M）管材及管件》，擠出試驗結(jié)果一覽表見表6。

表6 擠出試驗結(jié)果一覽表

從表6可以看出，在0℃條件下落錘沖擊試驗配方一和配方二相同。低溫（-25℃）條件下落錘沖擊配方一20根破2根，而配方二20根破3根，配方一略好于配方二。另外，從液壓試驗結(jié)果來看，配方一和配方二均較好，但配方一略優(yōu)于配方二。因此，從擠出測試結(jié)果來看，鈣鋅復合穩(wěn)定體系較好。

（8）小結(jié)

從上述測試結(jié)果來看，開發(fā)給水管材，選用鈣鋅復合穩(wěn)定劑較好。因為鈣鋅復合穩(wěn)定劑主體成分硬脂酸鈣、硬脂酸鋅、環(huán)氧大豆油酸酯均無毒，價格也較低。鋅皂穩(wěn)定劑的離子化勢能高，與PVC分子上的不穩(wěn)定雙鍵結(jié)構(gòu)反應，能使PVC穩(wěn)定，抑制初期著色效果良好。而鈣皂不僅與HCl反應，而且能與ZnCl2反應生成CaCl2，并重新生成鋅皂。CaCl2對脫HCl無催化作用，而且鈣的衍生物絡合ZnCl2能降低其脫HCl的催化能力。環(huán)氧化合物與鈣、鋅皂類復用有較好的協(xié)同效應。

2.3.2 樹脂選用配方研究

（1）試驗配方

樹脂選用配方研究的配方表見表7。

表7 樹脂選用配方研究的配方表 份

（2）混料

分別按照表7配方稱量的SG5樹脂、ACR-g-VC樹脂、低聚合度樹脂細粉、鈣鋅復合穩(wěn)定劑、納米碳酸鈣、內(nèi)潤滑劑等在高速混和機中混和，待混和溫度達到110℃，轉(zhuǎn)至低速攪拌冷卻到50℃。

（3）流變試驗

分別取混合好的配方一、配方二、配方三、配方四、配方五混合物料各75 g做流變試驗，流變曲線對比圖見圖3，流變性能數(shù)據(jù)對比見表8。

圖3 流變曲線對比圖

表8 流變性能數(shù)據(jù)對比表

分別取配方六、配方七、配方八混合好的物料各75 g做流變試驗，流變性能數(shù)據(jù)表見表9，流變曲線對比圖見圖4。

表9 流變性能數(shù)據(jù)表

從流變曲線圖3和表8數(shù)據(jù)可知，隨著ACR-g-VC樹脂數(shù)量增加，SG5樹脂數(shù)量減少，塑化時間變短，平衡轉(zhuǎn)矩略增大，說明ACR-g-VC樹脂塑化快；從流變曲線圖4和表9數(shù)據(jù)可知，隨著低聚合度樹脂數(shù)量增加，SG5樹脂數(shù)量減少，塑化時間變短，平衡轉(zhuǎn)矩減小。綜合分析，配方六塑化時間短，扭矩低。這歸結(jié)于低聚合度PVC樹脂、氯乙烯-丙烯酸正丁酯接枝共聚物兩者都具有較好的內(nèi)增塑作用，協(xié)同提高塑化性能，降低塑化時間。

（4）試樣制備

圖4 流變曲線對比圖

取混合物料約200 g采用雙輥塑煉機開煉加工成約0.50 mm厚的片材，溫度控制在180℃，混煉6 min。然后將片材放入平板硫化機壓片，溫度控制在175℃，在100 mm×200 mm×4 mm模具上壓制成型，切割成80 mm×10 mm×4 mm樣條用于沖擊試驗和彎曲試驗；切割成150 mm×10 mm×4 mm樣條用于拉伸試驗。

（5）力學性能測試

力學性能測試結(jié)果一覽表分別見表10和表11。

表10 力學性能測試結(jié)果一覽表

表11 力學性能測試結(jié)果一覽表

從表10看出，隨著ACR-g-VC樹脂數(shù)量增加，SG5樹脂數(shù)量減少，沖擊強度增加，拉伸強度降低，彎曲強度增加；從表11看出，隨著低聚合度樹脂數(shù)量增加，SG5樹脂數(shù)量減少，沖擊強度減小，拉伸強度變化小，彎曲強度增加。綜合分析，配方六沖擊強度、拉伸強度和彎曲強度均較好。

（6）擠出試驗

將混合后的物料放入雙螺桿擠出機擠出，擠出溫度控制在165～180℃，即得高抗沖高流動性PVC管材。取樣做落錘沖擊、液壓試驗。擠出試驗結(jié)果一覽表分別見表12和表13。

從表12看出，隨著ACR-g-VC樹脂數(shù)量增加，SG5樹脂數(shù)量減少，落錘沖擊強度變好，液壓試驗管材承受能力增強；從表13看出，隨著低聚合度樹脂數(shù)量增加，SG5樹脂數(shù)量減少，落錘沖擊強度變差，液壓試驗管材承受壓力變差。綜合分析，配方六落錘沖擊強度和液壓試驗均較好。

（7）小結(jié)

a.從上述試驗得出，隨著ACR-g-VC樹脂數(shù)量增加，SG5樹脂數(shù)量減少，塑化時間變短，平衡轉(zhuǎn)矩略增多，沖擊強度增加，拉伸強度降低，彎曲強度增加，落錘沖擊強度變好，液壓試驗管材承受壓力增強。

b.隨著低聚合度樹脂數(shù)量增加，SG5樹脂數(shù)量減少，塑化時間變短，平衡轉(zhuǎn)矩減少，沖擊強度減少，拉伸強度變化小，彎曲強度增加，落錘沖擊強度變差，液壓試驗管材承受壓力變差。綜合分析，配方六效果最佳。

3 結(jié)語

PVC管材行業(yè)由于技術(shù)水平參差不齊，在給水管道領(lǐng)域使用較少。該高抗沖給水管材具有塑化時間短，塑化溫度低，既提高勞動生產(chǎn)率，又節(jié)約能耗。高抗沖給水管材采用環(huán)保型助劑，強度高，低溫韌性好，適用于市政輸水、小區(qū)供水、農(nóng)村輸水工程等領(lǐng)域。