氯化聚氯乙烯樹脂在各類管道中的應用

蘇峰 張文學 姚文琴 張海燕 屈智財

(金川集團化工新材料有限責任公司,甘肅 金昌, 737100)

氯化聚氯乙烯(PVC-C)是在氯化專用聚氯乙烯(PVC)的基礎上,進一步氯化得到的高氯含量的PVC。PVC-C樹脂可應用于化工、建材、造船、電力等領域,制品應用最廣泛的是管道領域,包含管道、彎頭、法蘭、直通、三通、異徑管、閥門等。PVC-C管道的應用領域仍在不斷擴展中,是金屬防腐管道的理想替代品。

以下綜述了PVC-C樹脂的性能、PVC-C管道的應用領域、管道生產與安裝,并對PVC-C的發展提出了建議。

1 PVC-C樹脂的性能

PVC-C樹脂為無臭無味的白色粉末,其中氯質量分數為61%～75%[1],表觀密度為0.50～0.70 g/cm3。隨著氯含量增加,PVC-C樹脂分子鏈極性增加,其熱變形溫度、維卡軟化溫度、玻璃化轉變溫度等升高,耐腐蝕性、阻燃性、耐熱性等也大幅提高[2]。氯含量的提高,對PVC-C樹脂的加工技術提出了更高要求。為了滿足下游制品廠家的加工需求,市場上以銷售已經添加了穩定劑、潤滑劑、改性劑、著色劑和其他填料的PVC-C混配料為主。

2 PVC-C樹脂在各類管道中的應用

2.1 冷熱水系統

2003年國家質量監督檢驗檢疫總局發布了GB/T 18993—2003《冷熱水用氯化聚氯乙烯(PVC-C)管道系統》,明確了PVC-C樹脂可以用于生產冷熱水用管材、管件和閥門,對冷熱水用PVC-C管道系統進行了規范。國家市場監督管理總局和國家標準化委員會在2020年對上述標準進行了重新修訂。國外應用于冷熱水系統已較為普遍。

飲用水管道系統為微生物繁殖提供了獨特的生態環境,使得飲用水中存在多種致病菌,如嗜肺軍團菌、鳥分枝桿菌等[3]。Cheryl D N等[4]研究了不同管道對飲用水中微生物的影響。在11周時間的監測中發現,銅管道、鍍鋅管道、鐵管道、PVC-C管道對飲用水中懸浮的鳥分枝桿菌數量沒有影響,但對各管道內表面的鳥分枝桿菌數量卻有較大的影響。鍍鋅鋼管道和鐵管道內表面上,鳥分枝桿菌數量明顯多于銅管道和PVC-C管道。

Timothy H H等[5]研究了PVC-C管道和高密度聚乙烯(HDPE)管道在常溫下對飲用水水質的影響。結果顯示:HDPE管道里的水具有由弱到強的不同氣味,而PVC-C管道內的水沒有類似氣味;在規定時間內,HDPE管道內水中總有機碳(TOC)增加到0.14 μg/cm2,而PVC-C 管道內水中TOC僅增加到0.08 μg/cm2。HDPE管道內的水對氯氣或對單氯胺的消耗均高于PVC-C管道內的水,尤其是對單氯胺的消耗高出約5倍。

Kristofer P I等[6]274-277對常用的各種飲用水用塑料管道的燃燒性能和燃燒后釋放的污染物進行了研究。試驗表明:在1 000 ℃馬弗爐中灼燒30 min后,PVC-C管道殘留物質量分數為26.00%,HDPE管道殘留物質量分數為4.80%,聚丙烯(PP)管道殘留物質量分數為2.00%,各類交聯聚乙烯(PEX)管道殘留物質量分數為0.59%～2.00%。PVC-C管道殘留物最多,原因是PVC-C飲用水管道填充更多的無機物。Kristofer P I等[6]278-279將上述塑料管道在400 ℃灼燒后用水萃取7 d,對萃取液進行檢測。PVC-C管道灼燒后的萃取液中,苯、甲苯、乙苯、二甲苯均未檢測出。但在各類PEX、HDPE管道的萃取液中均檢測出了上述4種化合物,在PP管道的萃取液中僅檢測出了甲苯。綜合比較,PVC-C管道燃燒后對環境污染較少。表1為PVC-C管道和常見冷熱水管道性能對比,其中PP-R為無規共聚PP。

表1 PVC-C管道和常見冷熱水管道性能對比

從表1可知,從透氧率、極限氧指數、導熱系數、游離氯敏感性等方面綜合考慮,PVC-C管道適合于飲用水管道系統。

2.2 消防系統

PVC-C極限氧指數高達60%,具有良好的阻燃性和離火自熄性,驟燃溫度高達482 ℃,且高于此溫度時只是燒焦,不會滴落引起火災擴大[7]。PVC-C管道系統承壓1.2 MPa下,使用壽命長達50 a[8]。PVC-C消防管道比較適用于輕危險級或中危險級I級的建筑[9]。Soonil N[10]測試結果表明:明敷的PVC-C管道自動噴淋系統在如賓館、辦公樓等輕危險級建筑中可安全穩定運行,具備滅火保護能力。尼華等[11]重點對比了PVC-C管道在明敷條件下,自動噴水系統正常啟動和無法正常啟動情況下的阻燃性能。在自動噴水系統無法正常啟動時,即使管道內部充滿水,在較短時間內PVC-C管道很快發生斷裂。這說明雖然PVC-C管道具有較好的阻燃性,但在明敷時必須確保系統在發生火災時能夠正常啟動噴水,才能起到滅火防護作用。

我國目前應用較廣的消防管道是以鍍鋅管道為代表的金屬管道。長時間使用時,在微生物作用下金屬管道易腐蝕[12],存在堵塞消防系統噴頭的風險,另一方面,鍍鋅管道設計使用壽命較短。2017年我國發布的GB 50084—2017《自動噴水滅火系統設計規范》中增加了PVC-C管道應用于消防噴淋系統的規定。雄安新區設計中心、成都網絡理政中心、山東腫瘤醫院等已應用了PVC-C消防噴淋系統。

表2為PVC-C管道和鍍鋅管道的對比。

表2 PVC-C管道和鍍鋅管道的對比

2.3 氯堿行業

PVC-C管道在氯堿行業已經有較多實際應用案例[13-15]。董錦萍等[16]發現堿液管道、鹽水管道、氫氣管道、電解槽放液管道等采用PVC-C管道與閥門完全可以滿足使用要求。和一般塑料及金屬管道相比,PVC-C管道耐腐蝕性好、不導電、無外防腐要求,采用膠黏安裝,簡易方便,在-40～95 ℃完全可以替代聚偏氟乙烯(PVDF)管道,且安裝費僅為PVDF管道的十一分之一。湖北宜化化工股份有限公司氯氣總管和氯化氫總管使用玻璃鋼管道過程中出現多處漏點、裂紋等情形,更換為PVC-C管道后使用效果良好[17]。巴陵石化公司高純鹽酸和次氯酸鈉輸送管道以及鹽酸泵、水流循環泵等進出口管道采用了PVC-C管道,在使用中表現出黏結牢固可靠、無漏點、機械強度高(0.5 MPa壓力下長期使用無破裂)、耐熱性好(長期輸送85 ℃淡鹽水)等優點;另外,將PVC-C管道應用于電解槽加酸管道時,PVC-C管道不引入鈣、鎂、鐵等雜質,有效延長了離子膜使用壽命[18]。

2.4 海洋平臺

PVC-C管道應用于海上船舶時可以減輕船舶質量和減少維護工作量,良好的阻燃性也可以減少船舶火災的發生[19]。PVC-C管道具有良好的耐海水腐蝕、防垢、阻燃和低播焰性能,已被成功應用于海洋平臺電解海水制次氯酸鈉系統。王瑞英等[20]244-245對比了在海洋平臺中應用的PVC-C管道和HDPE管道的各項技術要求。因為PVC-C管道主要被應用于含次氯酸鈉場景,且操作壓力大于HDPE管道,故其外徑50 mm管道被列入壓力管道管理。表3為HDPE和PVC-C管道在海洋平臺的使用情況[20]245。

表3 HDPE和PVC-C管道在海洋平臺的使用情況

2.5 電纜保護管

目前我國應用的電纜保護管類型較多,有PVC-C管、改性聚丙烯(MPP)管[21]、鋼塑復合管、金屬管道等。2020年,國家電網對電力電纜保護管的需求量中,MPP管需求量約為48%,PVC-C管需求量約為45%。

PVC-C電纜保護管具有良好的耐熱性、耐腐蝕性、電氣絕緣性和密封性,尤其適合高壓電力電纜保護使用[22-24]。張為民[25]對PVC-C電纜保護管的穩定劑體系進行了研究,發現有機錫穩定劑的穩定效果最好,復合鈣鋅穩定劑效果最差。蔡銘[26]對PVC-C電纜保護管進行了穩定潤滑體系、加工抗沖改性體系等研究,發現含鉛量較低的漢高S-2855穩定劑可以滿足穩定性要求,同時由于穩定劑自帶潤滑劑,添加量過多反而造成體系塑化困難、管道內壁不光滑。連錦杰等[27]研究了內徑和壁厚對PVC-C電纜保護管的縱向回縮率的影響,發現壁厚對縱向回縮率的影響更大,壁厚越厚則回縮率越小。

2022年4月,我國《“十四五”現代能源體系規劃》發布,提出要推動電力系統向適應大規模、高比例新能源方向演進。加快發展風電、太陽能發電。風電、太陽能發電的快速發展,將帶動形成PVC-C電纜保護管新的市場增長點。

2.6 其他方面的應用

PVC-C管道在冷媒循環系統方面、電鍍行業等領域均有成功應用的案例。楊慎東[28]研究發現PVC-C管道的導熱系數約為PP-R管道的50%。在外界保溫材料性能相同的情況下,PVC-C管道對冷媒的熱損失較小,同時可有效降低外界保溫材料的厚度,節約成本。美國Goodrich公司已成功將PVC-C管道用于處理含鉻廢氣的除塵系統[29]。

3 PVC-C管道生產與安裝

李曉軒[30]發現,PVC-C樹脂黏度高,導致在管材加工時與設備摩擦熱很高,加速其分解,嚴重時被迫停產。普通PVC管材擠出機螺桿形式與擠出模具無法適應PVC-C管道的擠出加工。以擠出模具為例,需要對模具進行電鍍處理且拋光鏡面光亮,流道必須圓潤無死角,各部件必須無縫連接。汪鵬躍等[31]通過優化擠出模連接體的內部結構、調整口模間隙和模具壓縮比、縮短模具內部定徑部分平直段長度、改進分流篩板與塑化增強板等,設計了新的加工模具,其生產的PVC-C管道耐沖擊性能、縱向回縮率以及生產效率等大幅提升?？傊?PVC-C管道生產受到混配料組成、設備、加工工藝(加工溫度、冷卻水溫、定徑套內徑、真空壓力)、操作水平等多方面的綜合影響。

PVC-C管道連接方式可采用黏合劑黏結、法蘭連接、焊接等。采用黏合劑黏結安裝時,首先將連接面清洗干凈,然后將黏合劑均勻地涂抹在管材連接面,放置適當時間后將連接面插入結合。黏合劑主要成分為氯含量介于普通PVC樹脂和PVC-C樹脂之間的過氯乙烯樹脂,通過添加功能助劑制得。

4 結語

相比其他聚烯烴,PVC-C管道在定制化、差異化方面尚有差距,需研發新的專用混配料,拓展PVC-C管道的應用領域。