硬聚氯乙烯塑料管材濕熱老化性能研究

李松 馬燁紅

（廣東省建筑科學(xué)研究院集團(tuán)股份有限公司）

硬聚氯乙烯塑料管材濕熱老化性能研究

李松 馬燁紅

（廣東省建筑科學(xué)研究院集團(tuán)股份有限公司）

本文對PVC-U塑料管材進(jìn)行濕熱老化測試，得到其拉伸屈服強度、拉伸斷裂伸長率及維卡軟化溫度的數(shù)據(jù)，通過分析，研究濕熱老化對材料性能的影響。

聚氯乙烯；濕熱老化；拉伸性能

1 前言

我國塑料管道生產(chǎn)量超過了1000萬噸，居世界第一，建立了聚氯乙烯（PVC）、聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）材料為主的塑料管道加工產(chǎn)業(yè)。據(jù)統(tǒng)計，2011年，塑料管道中 PVC材料占總量的55%。硬聚氯乙烯（PVC-U）管材因其優(yōu)異的性能和低廉的成本，已逐步取代了鑄鐵管等傳統(tǒng)管材，大量用作建筑物排水管道。2011年底，在新建住宅里使用率超過90%［1］。

PVC-U管材的自然氣候老化是復(fù)雜的物理化學(xué)變化過程，PVC-U是成分最復(fù)雜的塑料之一，是由基材PVC與超過10種其他物質(zhì)組成的混合物，各組分對上述一種或者多種環(huán)境因素呈現(xiàn)不同活性，發(fā)生化學(xué)和物理變化。由于PVC分子結(jié)構(gòu)的特點，使其在加工和使用過程中光氧、熱氧穩(wěn)定性差。PVC-U排水管材，長期暴露于自然氣候環(huán)境中，由于受到各種大氣因素如光、熱、氧、水汽、灰塵，以及工業(yè)大氣污染物的綜合作用，如酸雨、酸霧、霾等，不可避免會發(fā)生老化破壞，外觀上出現(xiàn)變色、粉化，物理性能逐漸降低，甚至不能繼續(xù)使用即失效。

本文通過在測定嚴(yán)酷的濕熱條件下，研究其性能的變化，確定老化對其影響，能夠為以后材料的使用提出意見與參考。

2 試驗方案設(shè)計

2.1 試驗樣品

選取市面上三個廠家的PVC-U塑料管材，按照規(guī)范要求制成待檢樣品，命名為試樣1、試樣2和試樣3，再進(jìn)行老化試驗。

2.2 試驗方案

⑴拉伸性能：采用國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 8804.2-2003《熱塑性塑料管材 拉伸性能測定 第2部分:硬聚氯乙烯（PVC-U）、氯化聚氯乙烯 （PVC-C）和高抗沖聚氯乙烯（PVC-HI）管材》，拉伸試樣為類型2試樣［2］，如圖1。

圖1 拉伸試驗試樣

⑵維卡軟化溫度：采用標(biāo)準(zhǔn)為國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 8802-2001《熱塑性塑料管材、管件維卡軟化溫度的測定》，升溫速率為50℃/h，試驗力為50N的試驗，測定探針深入1mm時的溫度［3］，如圖2。

圖2 維卡軟化溫度試樣

2.3 濕熱老化條件

本試驗采用的溫度為：（60±2）℃，相對濕度為：（95±5）%。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 濕熱老化試驗結(jié)果

性能測試前，試樣1、試樣2和試驗3在（23± 2）℃、（50±10）%RH的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下進(jìn)行調(diào)節(jié)24h，然后測定其性能。測定的時間分別為：初始狀態(tài)、10d和20d時，對其拉伸屈服強度、拉伸斷裂伸長率和維卡軟化溫度進(jìn)行測試，其結(jié)果如圖3～圖8所示。

3.2 結(jié)果分析

⑴從圖3和圖4可知，試樣2、試樣3的20d老化以后拉伸性能、拉伸屈服強度，都表現(xiàn)出增加的趨勢；試樣1則減小，拉伸斷裂伸長率，總的來說都在減小。這可能是因為試樣2和試樣3在這個老化周期內(nèi)PVC分子鏈在高溫環(huán)境下出現(xiàn)重排，試樣配方中部分小分子助劑與分子鏈的相互作用發(fā)生改變，使得分子鏈剛性增大，宏觀表現(xiàn)為試樣的強度增大，伸長率下降。試樣1在這個老化周期內(nèi)性能已經(jīng)發(fā)生老化，即表現(xiàn)為強度和伸長率都下降，這可能是因為部分助劑，如填料，與PVC基體相容性不佳，高溫條件下發(fā)生相分離所致。

圖3 三種試樣拉伸屈服強度老化對比圖

圖4 三種材料拉伸斷裂伸長率老化對比圖

⑵從圖5和圖6和圖7可知，試樣2和3的拉伸斷裂伸長率的單值依舊比較均勻，但試樣1在以后的老化過程中，拉伸斷裂伸長率變得離散比較嚴(yán)重。這也證明了在這個老化周期內(nèi)，試樣2和試樣3內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，導(dǎo)致部分性能變優(yōu)，而試樣1在這個老化周期內(nèi)性能已經(jīng)發(fā)生老化現(xiàn)象。綜合以上分析可以判斷，試樣2和試樣3的機械性能耐老化性要優(yōu)于試樣3。

圖5 試樣1濕熱老化拉伸斷裂伸長率

圖6 試樣2濕熱老化拉伸斷裂伸長率

圖7 試樣3濕熱老化拉伸斷裂伸長率

⑶從圖8可知，在20d的老化中，維卡軟化溫度都有所增加。維卡軟化溫度的增大可能是濕熱環(huán)境下，試樣分子出現(xiàn)不同程度的重排，使得分子鏈在高溫下的流動性下降，從而維卡軟化溫度上升。

圖8 三種試樣老化維卡軟化溫度對比圖

4 結(jié)論

本文通過選擇3種市售PVC-U管進(jìn)行濕熱老化試驗，試驗結(jié)果表明，試樣2和試樣3在老化周期內(nèi)未發(fā)現(xiàn)明顯的性能老化現(xiàn)象，試樣1則出現(xiàn)性能老化現(xiàn)象。產(chǎn)品性能差異多由配方差異所致，不同牌號的PVC，不同的助劑以及不同生產(chǎn)工藝條件對PVC-U管的性能有較大影響。這也在一定程度上體現(xiàn)了市場上的PVC-U管性能參差不齊。盡管材料在初期性能差別不大，但從老化結(jié)果看來，在以后使用過程必然出現(xiàn)不同程度的老化結(jié)果，為材料質(zhì)量的判定提供一定的數(shù)據(jù)支持。●

［1］朱生高，林文，等.PVC-U排水管材戶外老化影響因素綜述

［J］.中國建材科技，2013，（02）：1-3.

［2］全國塑料制品標(biāo)準(zhǔn)化委員會.GB/T 8804.2-2003熱塑性塑料管材 拉伸性能測定 第2部分:硬聚氯乙烯（PVC-U）、氯化聚氯乙烯（PVC-C）和高抗沖聚氯乙烯（PVC-HI）管材［S］.中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2003.

［3］全國塑料制品標(biāo)準(zhǔn)化委員會.GB/T 8802-2001熱塑性塑料管材、管件維卡軟化溫度的測定［S］.中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2002.