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硬聚氯乙烯管道的技术进步 |
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PVC-U管道行业的整体情况
中国的PVC管材加工产业始于20世纪50年代，开始产品主要应用于化工防腐等领域。在20世纪80年代以来，随着原料性能和加工设备水平的提高，制品性能也得到提高，产品的应用领域越来越多。
目前PVC-U管材在结构上有实壁管；单壁波纹管、双壁波纹管、加筋管等结构壁管；多孔管；多层管等。在材料上有PVC、PVC-C、PVC-M、复合材料等。加工方式有挤出、缠绕、内螺旋、发泡、复合挤出等。PVC-U管材的连接方式主要为刚性的粘接和柔性的承插接口。产品一般公称口径为16-1000mm，结构壁管公称直径达到1.2m以上。
目前PVC-U管材主要应用领域为建筑物内的排水管、常温的供水管、电工护套管、消防用管、户外建筑落雨管；市政供水管、排水管、电力和通讯等设施护套管；给水、灌排等农业用管；化工防腐、矿山及输送其他介质等工业用管道。按重量来区分，其中约45%用于各种排水用途，并以建筑物内为大部分；30%用于供水领域；20%用于各种护套；5%左右用于其他领域。主要应用领域见图1。PVC管道中硬制品为绝大部分，此外还有极小比例用于医用、介质输送等方面的软管和复合软管。
图1 PVC-U管材主要应用领域
在中国目前较大规模PVC-U管材生产企业约有1000家，行业年生产能力约为1000万吨左右。2010年各种塑料管道应用量约在840万吨以上,分析其中PVC-U管道460万吨左右；2011年各种塑料管道应用量约在1000万吨左右,分析其中PVC-U管道500万吨左右。2012年各种塑料管道应用量约在1100万吨左右,分析其中PVC-U管道550万吨左右。可见在所有的塑料管道中，PVC-U是最大材料种类，生产、应用量还在增加，并将在今后的几年中仍占主导地位。主要的原因是：PVC-U管道以其相对低廉的价格和良好的性能，具有较高的性价比。其高模量、高强度、耐腐蚀和安装相对容易使用户愿意接受。
在中国，PVC-U塑料管道生产和应用技术已基本完善。在产品的开发、生产、工程应用等方面，均积累了许多成功的经验。相关产品、设计、施工、验收等国家及行业标准、规程、规范均已制定，并在实践中不断完善，在中国PVC管道产业的发展已经进入了成熟期，仍具有十分广阔的市场前景，还有很大的发展空间。
PVC树脂及加工助剂
作为PVC-U管道的基础材料，中国的PVC树脂行业近年有较快发展，满足市场需求的供给量和相对低廉的价格，为PVC-U管道生产创造了条件。原料性能稳定提高，和价格相对较低也使得PVC-U管道的市场价格与其他管道相比有一定的优势。表1为近年中国聚氯乙烯树脂产能和实际产量统计。表1 2007-2012年中国聚氯乙烯产能和实际产量统计 （单位：万吨/年）
 在树脂产量不断增加的同时，原料的技术进步也在进行中，在中国改性PVC专用料的研发相对较晚，尽管已经有较多的理论研究成果，但工业化批量生产只是近期才实现。该技术采用接枝共聚方法，向PVC中添加高分子弹性体，以核-壳结构的聚丙烯酸酯弹性体为基质，与VC单体进行原位聚合后形成具有互穿网络结构的改性聚氯乙烯树脂。共混体系既可保持硬质PVC高模量，高刚性的特点，又可提高其缺口冲击强度，明显改善其低温冲击性能，用来生产高抗冲击、耐热与耐候性优良的PVC管材。
PVC-U管道生产中需要添加的热稳定剂、润滑剂、抗冲击改性剂、加工助剂等，中国均有稳定生产，一些国外的生产商也在中国有较大市场。近年一些改性、增韧等功能性助剂有较大的进步，促进了管道制品性能提高。
随着人们生活水平、健康要求的提高，环保意识增强，铅污染日益受到人们的关注，因此PVC加工业逐渐禁铅是大势所趋。近年热稳定剂在绿色环保、可持续发展等方面取得较大进步，锌基类、有机锡类、有机基类等无铅热稳定剂的研发、应用水平有较大提高。在2006年中国发布的国家标准中提出了给水用PVC-U管材卫生性能要符合相关的卫生标准和法规要求,并要求饮水用PVC-U管材、管件必须采用非铅盐热稳定剂，还严格控制了PVC树脂中VCM(氯乙烯单体)含量。CPPA还在2012年发布的行业发展建议中提出，希望在2015年末尽可能实现所有PVC管材含铅盐热稳定剂的替代工作。
建筑用排水管道的进步
建筑排水是目前PVC-U管道的最大应用领域，由于耐腐蚀、重量轻、容易安装而受到好评，在目前中国建筑排水领域占有80%以上的市场份额。
由于室内排水噪音给应用者生活带来影响，因此生产企业做了大量的工作，采取增加密度、使用多层材料、发泡等方法加大隔声量，增加管内内螺旋结构改变水流状态，从隔声、降噪等多角度出发，改善建筑排水用PVC-U管材的消音性能，并且在管件的设计和施工技术的改进、采用同层排水技术等方面，充分考虑了降低噪音的要求。图2列出了芯层发泡管（PSP）、实壁内螺旋管、芯层发泡内螺旋管、中空壁管、中空壁内螺旋管的剖面图，我们不难发现其进步过程。
图2 不同结构PVC-U排水管材剖面图
压力管道的进步
PVC-U管道强度较高，但其韧性较差，为克服其缺陷，行业一直以来重视高强度、高韧性的产品研发。经过共混改性、接枝改性生产的改性聚氯乙烯（PVC-M）管材和通过拉伸方法使分子结构取向排列的双向拉伸聚氯乙烯（PVC-O）管材等产品在中国也在不断进步中，并分别有不同程度的生产和应用。
PVC-M管材
聚氯乙烯的改性方法一般为物理改性和化学改性两种方法。
物理改性是在PVC基体中加入其他的无机、有机材料或一些有特殊功能的助剂等，经过混合混炼而制得具有优异性能的PVC复合材料，分为填充改性、共混改性和功能性改性等。
共混是指采用其它高聚物与聚氯乙烯树脂充分混合，改进PVC的加工性能，提高管材制品的物理机械性能，达到改性目的。这是目前在中国普遍采用的方法。
PVC压力管道要解决脆性问题，主要方法之一就是将适量的增韧改性剂，在合适的工艺条件下，采用共混改性的方法，使各组分相容或形成相界面（phase interface），受到外力冲击时，界面处吸收冲击动能，从而提高复合材料的抗冲击、抗开裂及抗点载荷性能。在中国已经有几十家企业能够生产PVC-M管材，且已经有大量成功应用的经验，产品标准是参考澳大利亚/新西兰、南非和英国的相关标准在2008年制定的。
除增韧要求外，还可以通过选择不同的改性聚合物达到不同的改性目的，如提高管材热变形温度、阻燃性、耐油性等。
化学改性是通过化学反应使聚氯乙烯结构发生变化，分子内部化学键破裂与重组，通过分子链的变化使PVC内部结构发生改变，达到改性目的。化学改性方式有共聚合、氯化改性和交联等。
共聚合是指VCM与其它单体或高聚物进行的聚合反应，是PVC改性的主要方法之一，一般只能在树脂厂完成。按聚合原理，共聚合的方法主要有无规共聚、接枝共聚等。在中国目前只有接枝共聚PVC生产。
PVC-O管材
近年来PVC-O管材生产技术日趋成熟，已在多个国家生产和应用。在中国则是起步不久，尽管有一些科研院校和加工企业一直关注该产品，并有科研成果的报道，但到目前止只有一家生产企业有批量生产，口径也限制在250mm以下。
PVC-O管材是通过取向加工工艺生产的管材。是把挤出的PVC-U管材在线或离线进行轴向和径向拉伸，使PVC分子链在轴向和径向规整排列，获得高强度、高韧性，由于技术已经成熟，产品标准ISO 16422在2006年正式发布。
PVC-O管材对树脂稳定性、配方设计、生产设备与模具的要求较高，拉伸温度、拉伸倍率、拉伸速率等取向工艺条件都要控制好，才可能生产出合格的PVC-O管材。
国内有工厂开发了可实现在线双向取向拉伸的模具，进行了配方和挤出生产工艺设计，生产的管材的强度、韧性大幅度提升。但在配方研究、分子链取向的表征、配套技术等方面还有待研究，管材规格偏小。
存在的主要问题和差距
PVC-U管道行业发展的同时也存在着一些问题和差距，主要有以下几个方面：
a．由于中国目前小的生产企业较多，技术水平、产品更新速度等方面有待提高，市场上一般产品多，高技术产品少，因此希望加强与先进国家的交流，合作研发PVC-O等技术先进的产品。
b．由于竞争的压力，有部分小的生产企业生产的PVC-U管材中过量添加碳酸钙和回收料，以此来降低成本，造成有的产品质量不符合标准要求，使用户担心PVC-U管材的质量不符合标准要求。
c．PVC-U管材产品、应用等标准、规程、规范还相对滞后，目前中国给水用PVC-U管材产品标准还是2006年参照ISO 4422:1996制定的，我们要加快向ISO 1452:2009转换的速度。
d．原料、助剂尚不能满足需求。牌号不全，高性能、高效、高附加值类产品不多等问题限制了PVC-U管材性能的进一步提高。材料长期性能的评价还基本属于空白。
e．用户对环保、饮用水安全、长期使用的可靠性更关注，担心PVC管道的卫生安全，已经影响到实际应用。
由于以上的问题和其他原因，尽管PVC-U管材仍是最大的塑料管道材料，但目前在中国聚烯烃管材的增长速度确实是已超过了PVC-U管道的增长速度。 因此我们更要加快技术进步，发挥PVC材料优势，以促进PVC-U管道的稳步增长。
PVC-U管道技术发展建议
a．充分发挥中国PVC树脂产能的优势，大力推进PVC管道生产的技术进步。加强通过各种改性方式提高PVC管材综合性能的技术研究，如接枝改性复合材料（PVC-M等）和定向改性（取向）材料（PVC-O等）等，以进一步扩展PVC管道应用领域，扩大市场份额。
b．进一步提高建筑物同层排水塑料管道系统、中水雨水回收利用塑料管道系统、室内通风、建筑消防用PVC-C塑料管道系统等建筑领域应用产品的技术水平和配套水平。
c．加强特种介质输送、矿山用阻燃和抗静电双抗管道、非开挖技术用管道等PVC管道品种的开发、应用技术研究。
d．完善塑料管道系统的配套技术，在管件、阀门、检查井等产品上加强研发、推广力度，以提高管道系统的安全性和可靠性。
e．继续推进完成PVC-U管道中采用环保型热稳定剂替代铅盐稳定剂的禁铅工作。
f. 加强超高聚合度（分子量）聚氯乙烯树脂、（交联）耐热聚氯乙烯树脂、高表观密度大口径管材用聚氯乙烯树脂等专用料的研发、应用。
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(4/21/2015) |
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