【加工与应用】
杨明华，刘廷华
Ξ
测量空间(四川大学高分子科学与工程学院，四川成都610065)
[关键词]PVC -U ；管材；双轴取向
[摘 要]介绍了PVC -U 双轴取向管材的生产技术概况和拉伸机理，对它们的特点进行了说明，对实现工业 应用具有一定的指导作用。
[中图分类号]TQ325.3 [文献标识码]A [文章编号]1009-7937(2003)02-0024-05
Current technical situ ation of producing biaxial orientation PVC -U tubing
尾气吸收塔>zigbee定位YA N G M i ng -hua ,L IU Ti ng -hua
(Institute of Polymer Science and Engineering ,Sichuan University ,Chengdu 610065,China )
K ey w ords :PVC -U ;tubing ;biaxial orientation
Abstract :The general situation of production technique and tensile mechanism of biaxial orienta 2tion PVC -U tubing are introduced ,and their characteristics are explained ,which have certain instruc 2tion to realize their commercial application.
PVC -U 管材在众多塑料管材中占有重要的地位[1]，其质量轻、耐酸碱腐蚀、输送流体时阻力小、绝缘性优良。PVC -U 饮用水管材由溶解试验证实不影响水质、不易形成水垢、管口连接方便、施工迅速容易、施工费用低廉、使用寿命长、二次加工方便、原材料来源充足、价格便宜，被广泛应用于化工生产、水产养殖业、矿山通风、人畜引水工程、城市排水设施及电缆穿线管等领域。在国内外PVC -U 管产量位于其他塑料管材的前列。据报道[2],1988年,Ward 等人生产的PVC 管材耐压环应力达到了80MPa 。另据报道，日本三菱公司生产的双向拉伸
管材，其外径63mm ，厚度为4mm ，与壁厚为6.15mm 普通管材的耐压强度相近；实验还表明，轴向与
周向应力最大可以分别达到18.9MPa 和29.1MPa 。管材破裂裂纹一般与轴向或周向平行，并且
经较短的长度后可以终止，其原因是管材破裂前膨胀很大。这说明管材上没有特别薄弱的环节，是取向阻止了裂纹发展的结果。目前，国内生产PVC -U 管材的厂家还很少，产量也很低，仍然处于
实验研究的水平，因此加强对PVC -U 双轴取向管材拉伸取向机理的研究及生产技术的开发具有十分
重要的意义。
1 塑料管材的拉伸取向机理
拉伸取向主要取决于拉伸温度、外力场强度、拉
伸速率和材料本身分子形态结构特点。1.1 拉伸温度
塑料材料拉伸取向过程是高分子借分子间作用力进行重排结晶的过程，由于只有在热运动能与内聚能之间有一定比值时，才可能重排，且结晶作用只有在玻璃化温度以上与熔融温度以下才能进行。因此，拉伸温度的选择必须适当。从理论上看，温度低些，取向程度会大些，但温度过低，取向速率减慢，不利于提高生产率，拉伸温度在工艺上一般选在软化点附近。1.2 外力场强度取向过程是材料在外力的作用下从无序向有序的转变过程。没有外力，就不能实现取向，但外力作用是有条件的，只有材料温度上升到玻璃化温度以上，处在外力场中的管材才能获得满意的取向。外力增加，会加大拉伸比，增大取向程度。但应考虑管材承受力的大小及均衡性，过大的外力，只能使材料因强迫拉伸而断
裂。
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2No.2Mar.,2003 聚氯乙烯Polyvinyl Chloride
第2期
2003年3月
Ξ[收稿日期]2002-07-03
1.3 拉伸速率
一般讲，增加拉伸速率，取向程度加大。但过分增大拉伸速率，可能导致超过材料的机械强度而引起材料破裂。另外，以低速拉伸热的管材，分子将会产生松弛，在未急冷之前，大多数分子的取向将会松弛。因此，为了获取合理程度的取向，拉伸速率应随着材料厚度的不同而不同。1.4 聚合物形态结构
聚合物的部分形态结构是加工条件的记录和反映，它的改变直接导致制品性能的变化。根据性能的要
求设计高聚物的高次结构，通过改变加工条件，在特定温度、应力场下改变其形态结构，从而达到理想的性能指标。材料性能内增强的方法很多，拉伸取向是一项有效的措施，基本思路为:①利用芯棒旋转[3]，使大分子链沿管周向取向并在适当的压力、温度条件下生成串晶结构，从而大大提高管材的周向强度及模量;②可以通过单轴或双轴拉伸加工来增大结晶度、取向度或者改善结晶和取向结构来达到这一目的。
新型广告媒介拉伸取向多采用构造刚性结构或伸展链晶体作为材料自身的增强相的尺寸，在微观和宏观上都增大了其“长径比”。从结构相的角度，这种工艺方法的目的是获得“均质复合材料”。这种方法有明显的优势，即：经济和加工方便，为当今高分子材料高性能化开拓了一种新的发展空间。同时，拉伸方法还将大大推动取向聚集态的研究，如Peterlin 模型，晶面倾斜等对拉伸取向增强的解释已经在一些情形下得到了证实。
2 双轴取向的工艺方法
2.1 模头拉伸法
目前世界上普遍应用的管材双向拉伸增强方法主要是模头拉伸法，简称模拉法。模拉法是一种获得大取向度的方法，适用于任意长度的塑料挤出制品的生产。它或者是对塑化挤出的熔体经适度冷却，直接施加外力使聚合物分子沿着拉伸方向有序排列；或者是利用挤出工艺，先制成适当几何尺寸的预制
料，再加热到适宜的温度后，最后施加外力产生取向，定型后得到具有特定性能的制品。前一类加工是连续的；后一类加工可以是连续的，也可以是不连续的。两者均可以进行单轴和双轴拉伸取向。模拉法通过促进生成取向组织结构和增大取向度，往往能够使材料在拉伸方向的拉伸强度、刚度、模量、玻璃化温度得以提高，而且还可以使一些材料的透明度、光洁度、阻透度、热收缩性等得到改善，使取向方向的光、热、声传导性增大。普通挤出制品的性能均匀性不易控制，而采用此法，可通过温度和拉伸比的控制来提高制品质量。模拉法有3个特点:(1)模头既可以与挤出装置连接，也可以在普通挤管装备上安装。(2)直线型的设置分布，有利于各个加工参数的控制。(3)可直接进行热拉伸，拉伸应力小，拉伸比大，拉伸速率高，从而有较高的生产率。2.2 锥形管扩张拉伸法
锥形管扩张拉伸法也是一种有效的双轴拉伸塑料管的生产方法。图1为资料报道的希腊A.G.PETZETA KIS S.A 的PVC -U 双轴取向管生产工艺流程
。
1,2热交换池;3冷却水池;4,5牵引辊;6管坯定形套筒;7扩张定形套筒;d 旋塞
图1 双轴取向管的锥形管扩张拉伸法示意图
图1中，管坯定型套筒6为薄壁金属筒，它的一
头与机头芯棒相连，外径与芯棒大小相同，套管内有螺旋盘管，当外界循环泵输入的热润滑油经机头芯棒中心孔进入套筒内盘管时，可维持和调节套筒壁温。套筒另一端有旋塞，旋塞上有间隙允许润滑油溢出到旋塞表面与管材内壁之间，旋塞的另一端与扩张套筒同心相连。扩张套筒的前端为锥形，后部为柱形。定型套筒内通过的润滑油约110℃，热交
换池的温度为100～110℃。管经过热交换池后，均匀冷却到110℃左右，在图1中牵引辊4的牵引下以V 1的速度前进，并进入扩张套筒；经扩张套筒扩口后的管材受到牵引辊5的牵引，以V 2的速度前进。通过选择V 2/V 1，可实现不同纵向拉伸比。通过选择适当的管机头和扩张套筒，可选择径向拉伸比D/d (d 为拉伸前的管内径,D 为扩张拉伸后的管内径)。经过双向拉伸后的管材在图1中的冷却
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No.2,2003 杨明华等:PVC -U 双轴取向管材生产技术现状 加工与应用
水池3中被迅速定型和定向。
2.3 压力扩张拉伸法
压力扩张拉伸法是一种新型的拉伸取向管生产方法，它是利用压力液体或气体对管坯进行横向拉伸。但是这种方法容易使管子产生局部膨胀而导致壁厚不均。
一般的套管扩张装置对管坯进行扩张后，管材经冷却后双向有收缩，从而使管材的直径与要求的有偏差。而利用压力气体或液体扩张管材时，可以避免管材的收缩，从而保证了管材尺寸满足要求。
(1)图2为一种专利[4]介绍的PVC -U 管压力扩张式双向拉伸装置
。
紫外线吸收剂329图2 一种专利介绍的PVC -U 管压力扩张式双轴取向装置示意图
图2中，挤出管模头2右边有定径套3和冷却水箱4，与挤出管模头连通的压力液体和气体空心
金属管5，装在压力液体和气体空心金属管5上的密封塞6，扩拉管11，装于扩拉管11外周的扩管定径套10、管冷却定径管13，压辊式牵引机14。液体输送管23一端装在挤出管模头上且与压力液体和气体空心金属管连通，而另一端则与压力液体和气体输送器22连通。
其生产过程为：挤出机1将塑料原料通过挤出管模头2挤出塑料管型坯21，管型坯进入抽真空的冷却水喷淋的冷却箱4，在冷却箱中因抽真空的作用，管型坯被定径套3在定径的情况下冷却，冷却水温度可以调整，以此调整管型坯的冷却速率，管型坯冷却定型但处于可被拉伸的温度，冷却定型后的管8内壁装有硅橡胶材料制成的密封塞6。该密封塞被装于与挤出管模头连通的压力液体或气体管5
上，该管是空心的金属管，通过挤出管模头与外界的压力液体或气体输送机构(输送器22和输送管23)连通，按照可以拉伸管坯的压力向管坯内壁送气体、液体(如水或油)或是气体和液体的混合物，因管内壁被压辊式牵引机14压紧起到密封堵塞作用，压力液体或气体对内壁产生压力而使管壁被径向扩拉。当密封塞准确起到堵塞作用之后，拉伸牵引机15开始起拉伸和牵引的作用，此时缓慢放开压辊式
牵引机14的一对压辊，使经过拉伸牵引机之后的扩拉管因内壁的压力液、压缩空气或气液混合物的作用，从而达到要求的尺寸。管坯在上述拉伸过程中，可以在扩拉管11的外径增加扩拉管定径套10和冷却定径套13，冷却定径套可以用风冷却，也可以淋水冷却。
(2)另一篇文献[2]介绍的采用内压径向扩张、轴向用差速法拉伸的装置如图3所示
。
1胀扩管;2第二堵头;3第二牵引辊;4扩管模头;5冷却装置;6密封平衡压力室;7加热装置;8调速带轮;9调速电箱;10第一堵头;11第一牵引辊;12管坯;13惰性轮
图3 内压扩张法生产装置示意图
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2加工与应用 聚氯乙烯Polyvinyl Chloride
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这种采用内压扩张法制备双轴拉伸管的核心部件由加热器、模头芯、模头外套和装有控制系统的拉伸装置组成。其特点为:
①采用了合理的芯模颈部均衡装置，通过提高管坯材料内壁和模头内壁间的同心度来保证管材圆周壁厚的均匀性。
②可选择适当的模头形状，通过调节管径与壁厚，达到预期的设计要求。
③在模头部为借助效率较高的冷却装置(可为水冷或气冷)，减小拉伸管的横向收缩，使直径和壁厚达到要求。
④通过直线型的布局，合理调节拉伸速度、拉伸力和拉伸温度来扩大适用材料范围和加工范围。
(3)另一种生产双轴取向PVC -U 塑料管的生产装置[5]如图4所示，其工艺过程为:①挤出PVC -U 塑料管;②对挤出的管子进行温度调节，使其达到适合双轴取向的温度;③通过向管坯内部送入压力液体和/或气体，对管子施加内部压力来使管子沿径向膨胀，该管子在其下游端用一个可充气的橡皮球或可以以其它方式膨胀的插塞来限制，以便将压力保持在膨胀区内;④冷却膨胀的管子，使管子在沿径向膨胀后硬化
。
图4 一种双轴取向PVC -U 塑料管的生产装置示意图
(4)有一种间歇式生产双轴取向管的生产装
置[6]如图5所示，其生产工艺过程为：在管子(T )刚被挤出而且其温度高于分子取向温度时，把管子(T )切成确定长度的元件(4)，每个元件构成一个毛坯(5)，每个毛坯被放在包围区中，以便在那儿被流体(7)冷却到接近分子取向的温度，毛坯在包围区中
的驻留时间比毛坯的挤出生产时间长，以便正确地设定温度。使管子达到高于环境温度的一个分子取向温度，然后把毛坯(5a )从包围区(E )中取出，以便进行双轴取向的加工，使其通过径向膨胀和纵向伸长而经受双轴拉伸，获得机械性能改善的双轴取向管
。
图5 阿尔法康公司的一种间歇式生产双轴取向管的方法示意图
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3 结论
开发应用PVC -U 双轴取向管的效益明显，这
充分体现在:(1)生产和使用PVC -U 双轴取向管的能耗仅为铸铁管的18.3%，比镀锌管节能62%～75%，且口径小的塑料管比口径大的塑料管节能更多;(2)同规格单位长度的PVC -U 双轴取向管价格只有镀锌管的1/2;(3)安装费用比镀锌管低70%;(4)应用1t PVC -U 管可以代替12t 的铸铁管[7]。目前国外对口模牵引拉伸工艺的研究也不多，但已有一些成功的技术应用于生产[8～12]，而国内对此作的研究
也只是停留于理论研究。因此，加快研究PVC -U 管双轴取向成型理论和如何转化为生产技术很有意义，并且具有重要的实用价值。
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[编辑：张然]
刮刀研磨机(上接第5页)添加这种增塑剂后能有效地提高壁纸
产品的外观和质量，不仅能提高墙纸的抗污性和耐久性，在同样的成本下，还能使墙纸表面更干爽、易印花，并能更好地体现表面的亚光效果。国外在PVC 地板、人造革、一次性医用手套等产品的生产中有广泛应用。
表9 国内工业壁纸产量
年份199920002010预测
产量/(×109)m 3
1.5
2
3
5 结语
(1)工业增塑剂市场前景广阔，国外大公司纷至
沓来，进军国内市场，增塑剂企业应加强新技术、新产品、新应用领域的开发研究，淘汰落后的生产方式与品种，以满足各类塑料制品对增塑剂品种与质量的需求。
(2)高效、持效、无毒或低毒、无公害化的增塑剂产品、清洁化工业生产方式是全球塑料助剂的发展趋势。
(3)至2010年，增塑剂仍将以年均10%的增长速度增加，特别是原料丁、辛醇基地扬(扬子石化)-巴(巴斯夫公司)工程2003年投产后，南方增塑剂装置生产能力将会进一步增加。
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[编辑：陈立春]
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