用连续工艺制造的比轴取向PVC管材的属性与性能

用连续工艺制造的比轴取向PVC管材的属性与性能

1.概述

本文描述了一种生产分子取向PVC管材的挤出工艺。和材同时在环向的轴向受到拉伸，因此也被称为双轴取向（BiAxial）PVC管。本文说明了这种工艺如何提高了管材的强度和韧度，从而在较低的成本下达到较高的管材标准。管材的设计过程表明对于这种高强度材料环刚度成为关键的指标。

2.介绍

用拉伸技术提高材料性能是一项成熟的技术。这项技术适用于大多数材料，对热塑性聚合物特别有益。如果关注强度问题的话这是很容易理解的。因为我们在关注受负载下的伸展性、聚合材料的强度，或更确切讲弹性模量是比较低的。

初始负载是由分子链的解缠（disentangling the molecular chains）承受的，不同于金属。典型的金属伸展是通过单个原子被拉分实现的。因为种种原因原子间的力是极大的，和其相比，分子内和分子外的力是比较弱的，所以聚合材料和金属在伸展需要的负载之间有很大差别。

纤维是实现显著增加强度的最好的实例之一。但最为人熟知的实例是在包装领域，“运载包带”一直在努力降低材料的成本。但是对于塑料管道这样的工程材料可能认为不一样。无论如何，简易的“运载包带”是创造性的一个重要例证，这些产品结合提高材料的强度和韧度，表现在其抗撕裂性能上。 分子拉伸的管材也是可以做到的，但是没有象所期待的那样发展起来。主要原因是通过连续的工艺制造取向管材有因难。这就是现在讨论的情况。

3.工艺

此工艺建立在连续挤出的基础上。采用标准的PVC-U压力管配方，制造一预成型管材，然后在一个芯轴（mandrel）上同时进行环向和轴向的拉伸。环向取向与预成型管材和取向管材的尺寸相关： （（DO-to）/(Dp-tp)-1）100

式中：DO——取向管材外径

DP——预成型管材外径

To——取向管材壁厚

Tp——预成型管材壁厚

因为不可能在生产时对预成型管取样，把一个取向管材样品放入一个1500C的烘箱，取向管材就回复到预成型管材状态，测量变化前后的尺寸。复原的样品管同样可以用二氯甲烷来检测凝胶化（gelation）的水平。

轴向的拉伸是通过提高经过芯轴的线速度来完成的。轴向拉伸可以简单地计算：

（Lo/Lp-1）100

式中：Lo——取向管材度样长度

Lp——预成型管材长度

管材通过管端成型做出承口，在英国及其他一些国家，习惯于通过放慢生产线挤出速度使承口附近的管壁增厚，但这在双轴取向生产线上行不通。取代的是：依靠在成型过程中松弛轴向取向来增厚管壁。

4.特性

取向工艺的主要好处是提高了材料的强度和韧度。

a.强度

取向PVC强度的提高实质上是和拉伸系数（stretching factor）的提高一致。对于管材来说，环向强度更重要。典型PVC-U的长期强度不低于25MPa。所以我们寻求在150%-200%间提高取向来实现强度有用的增加。

因为管材的环向应力是轴向应力的两倍，管材在轴向的拉伸与取向不那么重要。然而如果环向强度能提高100%，则容易发生轴向破坏。

此外，我们必须意识到，如果只在一个方向上拉伸分子，那么在没有拉伸的正常方向上就会出现性能下降。可以这样解释：在第一个方向上，负载是由分子链直接承受；同时在第二方向上，负载更多的是由分子链间的引吸力来承受。这些吸引力通常都弱于拉伸分子所需要的力，尤其对已经拉伸的分子。

PVC管通常是采用不抗拉的密封圈接头连接。但是存在对于抗管端负载系统的需要。这只有通过在轴向确定的取向来实现。

轴向强度对抵抗受到梁形式负载下的弯曲应力（beam loaded bending stress）也是重要的。

基于这些原因，为确保提高的环向强度不被减低，轴向强度需要提高10-30%。

b.韧度

并不总是能同时提高强度和提高抗脆性破坏。韧度作为衡量材料抗脆性破坏的指标，是材料一个固有的性能。但是脆性取决于韧度和屈服强度两者。在低屈服强度时，一个扩展中的裂纹容易被钝化。因此常认为强固的材料韧性较差。

这种误解不会发生在双轴取向（BiAx）管材上，因为它又强固，又坚韧，又抗脆性破坏。尽管双轴取向管材通常是在韧性膨胀（ductile swelling）后破坏，其韧度的机理更多地是依赖于取向材料的多层结构（layered structure）。

一种塑料材料在冲击下破坏是发生在局部应力没有被分子链的松驰所解除的时候，这时候应力增大并发生分子的断裂。在材料具有多层结构下，当应力经过每层时就会衰减。因此，双轴取向管材显示了极强的抗冲击性能。

脆性破坏的另一方面就是慢速裂纹增长。裂纹增长起自有缺陷处，如深的刮伤。在承受应力的材料中，在缺陷尖端总是有一个应力的局部提高。随着裂纹增长，应力集中增加到一个值，这时裂纹就会沿着材料结构不可控制地延伸。然而对于具备多层结构的材料，应力集中在每一离散的层际界面（interface of each discrete layer）都会被减弱，则裂纹停止扩展。这里同样需要轴向取向来加强环向取向。如果分子链仅仅是互相排列齐，裂纹比较容易平行于取向分子链扩展。

5.设计

一种新型号压力管材料的发展通常会引发新的设计理念，双轴取向PVC管材也不例外。

应用更高强度材料的主要好处在于只需要更少的材料，用减薄的壁厚达到规定的压力等级。还可以和低安全系数节省材料。

双轴取向PVC管材的高韧性允许降低安全系数，当然，这需要评估。但是由于已经达到的高强度，没有必要为使产品价格低廉需去追求更低的安全系数。象PVC-U一样，安全系数2是双轴取向PVC管材的起点。一旦取得有试验数据支持的充分的现场经验，安全系数可能的目标是1.6。

高强度双轴取向PVC材料的新特征是使得刚度成了设计的关键。在理论上强度可以达到提高100%或更高时，如果管材刚度降低到低于可接受的最小值，强度的提高就价值不大了。取向可以提高材料的刚度，但程度并不象提高强度一样。而且即使强度削弱和刚度取得相应的提高，壁厚减薄对刚度有大得多的影响。因为壁厚减薄使截面积经惯性矩的减小。

初始环刚度可以通过以下公式计算：

S=EI/D3

式中：E——管壁材料的短期弯曲模量

I——管壁单位长度上的截面积惯性矩

D——管材平均直径

假设弯曲刚度没有变化，则SDR41的管材（的初始环刚度）超过最小要求的4kpa（实际上的环刚度至少要比这个数高50%）。这样，对于10bar管材来说，安全系数为2时，最小要求强度MRS需要达到40MPa。如果采用同样的安全系数，50MPa的最小要求强度时可以达到12.5bar的等级。如果安全系数取1.6，SDR41的管材对应于MRS值为40MPa和50MPa时压力等级为12.5bar和16bar。这个双轴取向工艺的潜能还在发展，但MRS值在40MPa和50MPa范围内已经肯定可达到。

在管材规格方面，90mm实际上是能从双轴取向工艺得益的最小规格。由于需要从一个预成型管开始的原因，提高较小规格管材的强度是比较困难的。此外某些标准对最小壁厚有要求意味着提高强度不能充分利用。管材直径越大，双轴取向工艺的得益越容易实现。最大直径很可能由其他因素决定，例如市场需求和奖金费用。在双轴取向工艺和管道市场发展以后，最大外径可能从315mm提高到630mm，甚至超过。

如前所述，双轴取向管材可能做承口，通过轴向松驰使整个承口的部分壁厚增加。材料的固有韧度

允许沿着密封圈使用一个卡紧环（grip ring），从而提供一个完全抗拉拨的系统，这样可以充分利用材料的双轴 …… 此处隐藏：4460字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……