0 前言
建筑排水用硬聚氯乙烯(PVC-U)管材、管件具有强度高、安装方便、耐老化、热膨胀系数小、价格低廉等特点。但由于PVC-U管道的使用温度一般不超过45℃，如果长时间排放45℃以上的热水，会造成管道扭曲、变形，直至漏水和损坏。随着生活水平的不断提高，人们使用热水的场合越来越多，如厨房用水、洗浴用水等，在某些场合所排放废水的温度可达70℃以上，大大超过了普通PVC-U管道的温度承受能力，管道因此而遭到的破坏现象时有发生。欧洲发达国家在上世纪90年代末研制开发了建筑物内废水用(高、低温)氯化聚氯乙烯(PVC-C)管材、管件。在我国，由于尚未研制开发塑料热排水管道产品，因此，在热污水的排放方面，只能仍旧使用在建筑行业中已遭淘汰的铸铁管道。本公司为了满足国内建筑市场的实际需要，采用ISO标准，研制开发了建筑物内废水用(高、低温)PVC-C管材、管件。
1·产品标准
根据ISO 7675标准的要求，管材及管件的物理机械性能，如表1，2所示。
2·原材料的准备
ISO 7675标准中规定了产品的维卡温度≥90℃；而用氯的质量分数为64%~68%的CPVC树脂加工的管材的维卡温度可达110℃以上；用氯的质量分数为64%~65%的CPVC树脂加工的管件的维卡温度可达103℃以上。产品要求的维卡温度越高，意味着加工难度的增大。为了提高产品的加工性能，需要对CPVC树脂进行改性，选择合适的PVC树脂就成为关键。根据GB/T 5761-2006悬浮法通用型聚氯乙烯树脂的分类标准，SG-5型树脂的黏数范围为118~107 mL/g(平均聚合度为1 135~981)；SG-8型树脂的黏数范围为86~73mL/g(平均聚合度为740~650)。高聚物的聚合度(DP)和“链节分子量(S)”的乘积称为高聚物的相对分子质量。由于高聚物具有相对分子质量多分散性，故通常所称高聚物的相对分子质量或聚合度都是统计平均值。高聚物的相对分子质量多分散性，不仅需要用平均相对分子质量表示，而且还要用相对分子质量分布曲线来表示。
图1为聚合物的相对分子质量的分布曲线。由图1可见：聚合物A的平均相对分子质量低于聚合物B的，然而，B具有较宽的相对分子质量分布，两者的性能可能出现很大差异。聚合物中所含相对分子质量低的部分可能使强度降低，而高相对分子质量部分大多又可能造成加工的困难。因此，选用相对分子质量分布狭窄的PVC树脂，经氯化后生成的CPVC树脂来加工产品是首要的关键条件。目前，质量较稳定的CPVC树脂有日本的积水化学和钟渊化工的产品。
3·配方设计
3.1原材料的配合
在不考虑其它辅料的情况下，用氯的质量分数为67%~68%的CPVC树脂加工的管材，维卡温度可达110℃以上。由于本文讨论的管材的维卡温度≥90℃，因此，为了提高产品的成型加工性能，添加一定比例的PVC树脂是必要的。随着PVC树脂添加量的增加，维卡温度成线性下降的趋势，当PVC的质量分数超过50%时，出现拐点，维卡温度的下降趋势变得明显。因此，合理控制原材料中PVC树脂的质量分数是产品质量保证的关键。
3.2 热稳定剂
聚合物分子中化学键的强度依此为：C—H(键能414 kJ/mol)>C—C(键能98 kJ/mol)>C—C(键能339 kJ/mol)。由于CPVC树脂中氯的质量分数较高，在受热加工过程中较PVC树脂更易发生分解，因此，需选用合适的热稳定剂来防止降解的发生。传统的无尘复合铅稳定剂具有较好的稳定效果，但与有机锡相比，混和料加工成型时，需要较高的塑化温度。用无尘复合铅稳定剂生产的产品的机械强度要比选用有机锡稳定剂生产的产品的机械强度差。由于CPVC树脂中氯的质量分数较高，所得的制品比较脆硬，如果加工时塑化不理想的话，将直接影响产品的使用效果。根据美国和日本等先进国家的经验，CPVC制品的配方设计中都选用有机锡作为热稳定剂。而且，用有机锡热稳定剂生产的产品具有“无毒”的特点，对产品的推广应用具有明显的优势。至于近年来新开发的钙锌稳定剂、稀土稳定剂等，经试验，物料的塑化效果并不理想。笔者认为，目前它们还不具备CPVC加工时作为热稳定剂的条件。
3.3 润滑剂
与PVC树脂相比，CPVC树脂的融体黏度较大，塑化温度高，熔融树脂颗粒间的磨擦力大，因此，选用合适的内外润滑剂是CPVC树脂加工的关键。由于CPVC树脂的Tg可达115~135℃，为提高物料的塑化性能，同时为防止因剪切产生的磨擦热造成物料的分解，相对应于PVC-U物料，CPVC配方设计中，应同时增加内外润滑剂的用量。合理的润滑体系应使物料的初期、中期和后期润滑性都有明显的效果。在CPVC和PVC混合物料中，笔者推荐使用硬酯酸、硬酯酸钙、高温石蜡、氧化聚乙烯等润滑体系。
3.4 改性剂
由于CPVC树脂分子中氯的质量分数较高，加工塑化温度较高，另外，由于CPVC材料的刚性大，抗冲击性能较差。考虑到加工性能，以及产品在运输、安装过程中所受到的冲击影响，必须在配方中进行改性。目前，常用的改性剂有丙烯酸酯类共聚物(ACR)、氯化聚乙烯(CPE)、乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)、甲基丙烯酸甲酯-丁二烯-苯乙烯共聚物(MBS)和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)等。ACR分为加工型和抗冲型两大类，加工型ACR一般相对分子质量较低，对CPVC和PVC树脂有良好的塑化作用，能提高树脂的熔体流动性，从而改变制品的外观和力学性能。抗冲型ACR具有“壳/核”结构，核是低度交联的聚丙烯酸酯弹性体，壳是与CPVC及PVC相容性良好的甲基丙烯酸甲酯接枝共聚物。CPE是聚乙烯分子结构中仲碳原子上的氢原子被氯取代的一种高分子无规聚合物。由于PE分子链上的氢原子被氯原子取代，破坏了PE的结晶性，使其变得柔软而具有橡胶性质。由于氯原子的存在，使CPE成为极性基团，增加了与CPVC和PVC的相容性。用作CPVC和PVC抗冲击改性的CPE树脂的氯的质量分数为30%~50%。CPE作为抗冲击改性剂的最大特点是耐候性好，缺点是改性CPVC和PVC管材的拉伸强度降低，产品的维卡耐热温度也有所降低。EVA作为CPVC和PVC树脂的冲击改性剂，其效果随共聚体中VA的质量分数而异。VA的质量分数低时，与CPVC和PVC树脂的相容性差；随着VA的质量分数增加，共聚体与CPVC和PVC树脂的相容性变好，增强效果提高，一般VA的质量分数在35%~45%之间为佳。和CPE类似，EVA作为CPVC和PVC树脂的冲击改性剂，产品的耐候性好，但制品的拉伸强度和维卡耐热温度降低。MBS树脂属于典型的核/壳结构，丁二烯橡胶为核，外壳为甲基丙烯酸甲酯和苯乙烯。MBS作为CPVC和PVC树脂的改性剂不仅可提高产品的抗冲击强度，而且可促进CPVC和PVC树脂的凝胶化，改善其加工性能。ABS和MBS具有共同的特点，即：对抗冲击强度的增强效果大，而使拉伸强度、维卡温度下降不大。不过这两类冲击改性剂的耐候性差，ABS和MBS中丁二烯所含的双键易受紫外线及氧的作用而老化，影响产品的使用寿命。另外，ABS与CPVC和PVC树脂的相容性不及MBS的。作为建筑物内废水用(高、低温)PVC-C管材、管件来说，笔者推荐使用MBS/ACR改性剂。
3.5 填充剂
CaCO3是CPVC和PVC配方中常用的填充剂。CaCO3的制法分为机械粉碎法和化学沉淀法。前者制得的产品称重质CaCO3，后者称轻质CaCO3。CaCO3在塑料中被用作增量性填充剂。近年来，随着研究的深入，有人提出用刚性粒子增韧聚合物。通过对纳米CaCO3的表面活性处理，增加粒子对聚合物的亲合力，改善纳米CaCO3在聚合物中的分散性，从而提高产品的抗冲击性能。笔者经试验，在CPVC(PVC)/MBS(ACR)/活性纳米CaCO3体系中，活性纳米CaCO3为10份左右时，复合物的抗冲击强度达到峰值，而拉伸强度只有轻微的下降。同时，由于加入了纳米CaCO3，混合物的加工性能要比CPVC(PVC)/MBS(ACR)共混体系的好。
3.6 着色剂
建筑物内排污用(高、低温)PVC-C管材、管件产品中常用钛白粉作为着色剂。钛白粉有金红石型和锐钛型两种结晶形态。前者的抗粉化性能、耐候性能比后者的强。而且，金红石型钛白粉能有效阻止阳光中紫外线对管材、管件的破坏，提高产品的耐候性。
3.7 管材、管件物料的配方示例
建筑物内排污用(高、低温)PVC-C管材、管件配方，如表3所示。配方中各原料均以份数表示。
4·PVC-C管材、管件的特点及应用
建筑物内排污用(高、低温)PVC-C管材、管件与PVC-U排水管材、管件相比较：具有耐高温、热膨胀系数小、耐老化、热变形小、耐冲击性能好等优点。
本公司开发的建筑物内排污用(高、低温)PVC-C管材、管件产品经上海科学技术情报研究所检索，属于国内首创，填补了国内空白，达到国际先进水平。该产品的研究开发具有较好的推广应用价值，可广泛应用在建筑物内热排水领域，具有明显的社会效益和经济效益。
