OPVC管材的卓越性能
眾所周知，塑料管道的抗腐蝕性能遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)管道。但是，塑料管道的機(jī)械性能相對處于弱勢。至今應(yīng)用量最大的兩類塑料管：硬聚氯乙烯管（UPVC）和高密度聚乙烯（HDPE）管在機(jī)械性能上都是既有優(yōu)點(diǎn)又有缺點(diǎn)。硬聚氯乙烯管強(qiáng)度和剛度比較高，但是其抗沖擊抗開裂性能差；高密度聚乙烯管的柔韌性很好，但是強(qiáng)度比較低。能不能開發(fā)出強(qiáng)度很高、抗沖擊抗開裂性能也很好，同時(shí)成本又比較低的塑料管昵？現(xiàn)在看來，塑料管業(yè)的這個(gè)愿望可以藉由取向聚氯乙烯管實(shí)現(xiàn)。取向聚氯乙烯管的基本原材料和硬聚氯乙烯管一樣，只是通過分子取向工藝后，取向聚氯乙烯管才具有了非常顯著和突出的性能：
短期和長期靜液壓強(qiáng)度成倍提高
國際標(biāo)準(zhǔn)體系ISO 中，塑料管強(qiáng)度的最重要的性能指標(biāo)是最小要求強(qiáng)度(MRS)。和硬聚氯乙烯管相比，取向聚氯乙烯管最小要求強(qiáng)度(MRS)大幅度增加，最高等級(jí)的可以增加一倍。和高密度聚乙烯管比，這一差值就更大了。圖1比較了幾種管材的長期靜液壓強(qiáng)度回歸曲線。圖2比較了幾種管材的短期應(yīng)力-應(yīng)變曲線。
非凡的韌度
取向聚氯乙烯(PVC-O)管具有非常突出的韌度(抗開裂抗沖擊性能)(圖3)， 因此被稱為“打不破的管材”。這是因?yàn)榻?jīng)分子取向加工后，形成薄片分層結(jié)構(gòu)(圖4)。如果管材由于缺陷和點(diǎn)負(fù)載產(chǎn)生了徑向裂紋，則分層結(jié)構(gòu)會(huì)阻礙裂紋在管壁中通過。同時(shí)取向聚氯乙烯管具有非常良好的抗疲勞損壞性能，特別適用于預(yù)計(jì)有壓力周期變化的場合。取向聚氯乙烯管材還具有非常良好的抗水錘性能。
兩步加工法，又稱離線(off-line)工藝或分批(In batch)工藝，其特點(diǎn)是將擠出厚料胚和雙向拉伸取向分兩步進(jìn)行。取向是將擠出成型并已經(jīng)冷卻的PVC-U 管材段(厚料胚)放在模具內(nèi)，通過加熱和加壓膨脹到要求尺寸來實(shí)現(xiàn)的。
一步加工法，又稱在線(in-line)工藝。是在管材擠出生產(chǎn)線上，把已經(jīng)擠出成型的PVC-U管材(厚料胚)連續(xù)地通過徑向的擴(kuò)張和軸向的拉伸實(shí)現(xiàn)雙軸取向， 然后冷卻定型成為PVC-O管材。
實(shí)踐證明這兩種制造方法各有優(yōu)點(diǎn)或缺點(diǎn)，所以至今都在使用。
兩步加工法開發(fā)較早，設(shè)備和工藝比較簡單，可以達(dá)到較大的取向效果，產(chǎn)品性能優(yōu)良，可生產(chǎn)的產(chǎn)品范圍較寬。但是傳統(tǒng)的兩步加工法生產(chǎn)效率較低，耗費(fèi)勞動(dòng)和能源較多。以315mm管材為例，生產(chǎn)一根6米的管材需要1小時(shí)左右。
一步加工法是后來開發(fā)的，具有生產(chǎn)效率較高、耗費(fèi)勞動(dòng)和能源較少等優(yōu)點(diǎn)。但缺點(diǎn)是設(shè)備或工藝比較復(fù)雜，且產(chǎn)品范圍有一定限制。例如：WAVIN 公司生產(chǎn)的Apello壓力到PN16，管材直徑才到315mm；Vinidex 公司生產(chǎn)的Supermain壓力到PN16，管材直徑才到300mm。一步法在線生產(chǎn)時(shí)管坯出現(xiàn)壁厚變化時(shí)，無法在線測量和調(diào)整，因管坯壁厚出現(xiàn)偏差后，將會(huì)直接影響雙向拉伸時(shí)管材的壁厚控制難度，壁厚偏差過大會(huì)影響管材圓周取向的均一性，這對管材的性能非常不利。早期對管坯的預(yù)熱都是在熱水中進(jìn)行，管壁厚出現(xiàn)偏差時(shí)無法進(jìn)行單點(diǎn)溫度控制調(diào)整，同時(shí)使用熱水預(yù)熱安全風(fēng)險(xiǎn)和操作難度較大。
兩步加工法與一步加工法的比較
| ? | 設(shè)備工藝 | 取向效果 | 生產(chǎn)范圍 | 生產(chǎn)效率 | 耗費(fèi)勞動(dòng) |
兩步加工法 | 較簡單 | 范圍較大 | 范圍較大 | 較低 | 較高 |
一步加工法 | 較復(fù)雜 | 范圍較小 | 范圍較小 | 較高 | 較低 |
西班牙Molecor公司在2007年7月開發(fā)出新的PVC-O兩步加工法工藝 – 完全干法系統(tǒng)(“full dry systerm”)，其特點(diǎn)是利用空氣，而不是水，進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)和膨脹拉伸取向。Molecor公司用這一新工藝生產(chǎn)PVC-O管材 (商品名為TOM PVC-O)，并出售技術(shù)和設(shè)備。該公司已向很多國家銷售了PVC-O管材生產(chǎn)于系統(tǒng)。完全干法系統(tǒng)是一種具有技術(shù)創(chuàng)新性的PVC-O兩步加工法工藝，和過去的PVC-O兩步加工法工藝比較起來，技術(shù)改進(jìn)非常顯著，在保持了兩步加工法工藝優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，基本克服了原有的缺點(diǎn)。主要表現(xiàn)為以下幾方面：
1. 制造效率明顯提高：制造效率比過去的兩步加工法工藝提高了5-6倍。
2. 尺寸和壓力范圍更寬：可以生產(chǎn)直徑90-1200mm的PVC-O管材。而過去用水進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)和膨脹拉伸取向的PVC-O 管材，其直徑最大只能達(dá)到12英寸(315mm)左右。
3. 取向效果更好：直徑拉伸比可以超過2：1，能夠制造最高等級(jí)的PVC-O管(500級(jí)，ISO 16422)。
4. 能耗降低：和傳統(tǒng)的兩步加工法比較，能耗節(jié)約顯著(報(bào)告介紹是92％)。
5. 減少占用場地：生產(chǎn)線緊湊，大到400mm 管材的取向占地僅為4×15米，因此可以和擠出料胚管的生產(chǎn)線協(xié)調(diào)連接。傳統(tǒng)的兩步加工法因?yàn)樾实?，需要安排中間庫存。
6. 勞動(dòng)節(jié)約：系統(tǒng)全自動(dòng)，操作也容易掌握。 現(xiàn)有的離線法（兩步法）的優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)啟動(dòng)操作比較簡單，管坯生產(chǎn)時(shí)可以實(shí)時(shí)測量控制壁厚，橫向拉伸值可以取的更高，取向是可以同步制造出帶R-R承插口（無需二次擴(kuò)口）。在大口徑（≥630mm）領(lǐng)域，兩步法的優(yōu)勢就會(huì)凸顯出來。缺點(diǎn)是生產(chǎn)時(shí)每根管材的兩端作為工裝加緊密封段，后必須切除兩端無效管材（約5％左右）
取向聚氯乙烯管制造技術(shù)（一步法）的創(chuàng)新性突破
2010年Rollepaal在K展上推出Rblue設(shè)備用于生產(chǎn)PVC-O管材，在線過程是以空氣為介質(zhì)來擴(kuò)張管材生產(chǎn)PVC-O管。此工藝生產(chǎn)的PVC-O管材速度非常之高，已經(jīng)接近PVC-U的生產(chǎn)水平。因一步法生產(chǎn)大口徑PVC-O管材時(shí)存在太多難題，所以到目前為止一步法生產(chǎn)的PVC-O管材的最大口徑只達(dá)到630mm，最小口徑為90mm。
現(xiàn)有的在線法（一步法）的優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)小管徑（≤400mm)速度快，生產(chǎn)管材長度可以任意調(diào)整，可以在線生產(chǎn)帶擴(kuò)口的PVC-O管材和不帶擴(kuò)口的PVC-O管材（不需要調(diào)整設(shè)備）。除了開機(jī)時(shí)產(chǎn)生的廢料，無原料損耗。缺點(diǎn)是目前一步法做到630口徑時(shí)開機(jī)啟動(dòng)難度太大，包括在生產(chǎn)過程中對產(chǎn)品的尺寸控制非常困難，廢品率比較高。
取向聚氯乙烯管的未來前景
由于之前PVC-O管材生產(chǎn)效率低，消耗大，使得管材成本居高不下，而且不能大面積生產(chǎn)。在這種情況下，PVC-O管材適用于耐壓特別高、抗沖擊性特別強(qiáng)的應(yīng)用領(lǐng)域，如環(huán)境惡劣的礦山和工業(yè)場所。換句話說，PVC-O管的目標(biāo)市場應(yīng)該設(shè)定在PVC—U管、PVC-M管，以及HDPE管難以勝任的地方。
如今，PVC-O管材生產(chǎn)的難點(diǎn)已經(jīng)被克服，已經(jīng)完全具備了大規(guī)模生產(chǎn)和使用的條件。與其他種類的管材相比，PVC-O管材具有性能好、成本低、管材質(zhì)量輕、搬運(yùn)和鋪設(shè)容易等優(yōu)點(diǎn)：
材料強(qiáng)度高
最高等級(jí)下的PVC-O最小要求強(qiáng)度(MRS)達(dá)到50Mpa，PVC-U的最小要求強(qiáng)度達(dá)到25Mpa，PE100的最小要求強(qiáng)度是10Mpa。PVC-O的強(qiáng)度是PVC-U的2倍，是PE100的5倍。
成本低
由于PVC-O管材通過PVC-U管材進(jìn)行雙向取向而來，原料成本和密度與PVC-U基本一致。同時(shí)，PVC-O的最小要求強(qiáng)度(MRS)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于PVC-U，在相同管徑，同等壓力下，PVC-O管材厚度大大小于PVC-U和PE100，成本大大低于其他種類的塑料管材。
而且，相同管徑、同等壓力，僅管壁粗糙度不同的條件下，PVC-O管材輸送流體量約比PE管材大34%，即可假設(shè)多輸送約34%的水。而在輸水量相等的條件下，與PE管材比較，PVC-O管材可選擇更小的直徑，成本進(jìn)一步降低。
能耗低，碳排放少，環(huán)境友好
PVC-O相對于非聚合物管材具有明顯的優(yōu)勢，不僅碳排放量遠(yuǎn)低于像球墨鑄鐵管這樣的傳統(tǒng)產(chǎn)品，還不存在腐蝕問題。PE比球墨鑄鐵管碳排放量低很多。PVC-O/PVC-U材料僅使用43%不可再生的石油燃料，而PE材料接近100%。PVC-U相比PE進(jìn)一步減少碳排放。同時(shí)，生產(chǎn)相同公稱外徑的PVC-O管道使用材料比PVC-U更少，碳排放更一步減少。
優(yōu)異的抗沖擊性能
PVC-O比PVC-U具有更好的抗沖擊性。特別是在較低溫度下，傳統(tǒng)PVC-U在5℃以下易脆，PVC-O則未顯示出這個(gè)問題。在較低溫度下，PVC-O的抗沖擊性甚至高于正常工作條件（溫度> 20oC）下的PVC-U。
PVC-O與PE之間也有不同，“時(shí)間”是這種差異的一個(gè)至關(guān)重要的因素：如何“長期”抵抗裂紋擴(kuò)展的影響。由于PVC-O具有層狀結(jié)構(gòu)，因此出現(xiàn)的裂紋幾乎不能通過管壁擴(kuò)展，能夠阻止裂紋開裂。雖然市場上出現(xiàn)了一些“昂貴”的專門抗開裂的PE產(chǎn)品，但PE材料依然遭受慢速裂紋擴(kuò)展的困擾。所以，PVC-O耐沖擊性更高，對回填材料的要求更少。
質(zhì)量輕，安裝方便
由于PVC-O管材壁厚薄，質(zhì)量比PVC-U管減輕超過50%，安裝工人可以輕易搬運(yùn)PVC-O管材，提高施工效率。同時(shí)，PVC-O的安裝方法與PVC-U一致，可以通過擴(kuò)口和膠圈密封連接，安裝方便。
較低的抗彎曲性
PVC-U材料是較不易彎曲的。因?yàn)镻VC-O壁厚薄，因此抗彎曲性較低。PE本身更加柔韌，但是其抗彎曲性較高，因?yàn)橥葔毫Φ燃?jí)的PE管道需要更厚的壁厚。由于較低的抗彎曲性，PVC-O管材在彎曲≤15°時(shí)不必或完全不需要管材與配件連接時(shí)做簡單的彎曲。
以上優(yōu)點(diǎn)反映出PVC-O管材不僅可以在環(huán)境惡劣的場所進(jìn)行使用，同時(shí)，也可以替代PVC-U管材，PE管材，球墨鑄鐵管等這樣的傳統(tǒng)產(chǎn)品在給水管網(wǎng)，農(nóng)業(yè)灌溉，排水系統(tǒng)，工業(yè)管道等領(lǐng)域進(jìn)行大面積使用。