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PVC-O新技术（三）

6 取向技术的历史与发展阶段

双轴取向是一种拉伸薄膜的工艺，1972年由Petzetakis应用于管材生产。该工艺最初被称为“模具抽取法”，因为一个拉伸管材的芯棒与机头模具连接在一起。芯棒被安装于两个牵引之间。这是一个连续的在线生产工艺。

Yorkshire Imperial Plastics（1987年被Uponor收购）于20世纪70年代开发了间歇式生产工艺，PVC-0的取向是将预先切制的管段径向扩大制成。预制管段被放置在管状模具中，大部分是在管材一端制造一个承口。这是一个不连续的间歇式的分批离线生产工艺。1982年，Yorkshire Imperial Plastics成为第一个生产和销售PVC-0管获得巨大成功的公司。1984年 Vinidex开始在澳大利亚以同样的方法生产PVC-0管。相同生产方式的第3个大型生产基地是在1991年由Extrusions Technologies在美国建立的，该公司在2003年被Uponor 收购（见Eckstein^[7]）。

20世纪90年代，重要发展来自1998年Uponor的描述（见Chapman^[8]）。Uponor的离线生产技术遇到了3个重大问题：

a. 速度慢，高循环次数，为保持精准均匀的温度，间歇式生产产能低。

b. 超重引起的壁厚变化导致成本过高和PVC取向未达到最小壁厚。

c. 在线工艺的发展，对控制最终产品的质量更可靠。

Uponor介绍的双轴在线工艺有30%的轴向拉伸。在线测试在阿德雷德进行，被命名为 “Cornet-process”。在同一个报告中，Uponor详细描述了为什么要从离线模制型生产PVC-0管转变到在线模具抽取（die-drawn）法。Chapman从大量的测试和测量中总结出，“在线”和“离线”生产PVC-0都可称为双轴拉伸管材。

Uponor不仅描述了主要问题：什么时间测试在线工艺。还讲述了如何处理并解决这些问题。在线生产的长度似乎更长，但它证明了这也是产能所必需的。在线工艺的启动过程可能是最复杂的。Uponor通过使用一个可扩展的塞子作为芯轴解决了这个问题。

在此之前，1994年Wavin介绍了一种在线生产PVC-0的全新系统，命名为Apollo（见Wavin^[9]）。根据专利申请书可以了解到，他们用一个固定芯棒连接到机头上，并采用了不同温度的水，甚至设法大大缩短了在线工艺生产线的长度。在最近的报告中（见Wavin^[10]），总结了Wavin有在线解决方案的最大的组装基地。随后Uponor和vinidex共同组成研发团队，研发离线式和在线式的解决方案。到目前为止，所有PVC-0管生产商都试图从离线式生产向Uponor（及其分公司）、Vinidex的在线式生产转变，此外还有Alpha和Pipelife。2006年前在线式或离线式生产的PVC-0管应用的扩充介质都是流体（主要是水）。2006年Molecor开发了一种新技术投放市场，即离线干法PVC-O生产系统。Nuñez^[11]评论这种“干空气管模”法的解决方案是很重要的：

a. Nuñez评论，在“稳定”状态下，厚度的变化是不重要的。这与Chapman（Uponor）在1998年的评论完全相反（见上文）。

b. 整体的负面影响使得在线工艺“更加的敏感、缺乏稳定和运行复杂化”。Nuñez没有证明这一点，也没有和Chapman（Uponor）在1998年的评论相矛盾。

c.“其他方面……”例如需要好的挤出机、模具、均匀的PVC材料、最终性能都是非常重要的。

e. 这个空气法系统加工窗口没有规定温度。

2009年Rollepaal推出Rblue设备，并在2010年K展上作为新产品展出。Rblue在线过程是以空气为介质来扩张管材生产PVC-0管。对于从PVC-U到PVC-0的加工过程，Rollepaal做了很多关于温度窗口的研究。到目前为止（调查仍在进行中）Rollepaal发现，加工窗口从较低端94℃开始到较高端，这个工艺还是稳定的,并且PVC-0管仍在限定的103ºC范围内。同时Rollepaal测试了107℃和113℃，条件成熟时将会发表测试结果。在加工工艺的取向挤出阶段的温度可以使用热空气介质达到。在以水为介质的取向过程中不可能有更广泛的加工窗口,甚至存在更多的问题，在提高等级的情况下,以水为介质生产产品,较低温度的水会沸腾。

目前，只有3种类型的解决方案可用于商业化生产PVC-0管：以水为介质的Wavin Apollo系统在线生产技术，以空气为介质的Molecor系统离线生产技术和以空气为介质的Rollepaal Rblue系统在线生产技术。目前Vinidex（原Uponor）以水为介质的在线生产系统不再商业化生产。

所有这些系统都是为了相同的目标：生产出更好的PVC-0。3种技术生产的PVC-0管材直径都能达到63～630mm，MRS等级值500，因此在节约材料方面是相同的。

假设在某一拉伸工艺温度，将PVC-U管拉制成PVC-0管前，我们就相同项目来讨论以上3种生产系统（Wavin、Molecor和Rollepaal）的主要差异：

a. 预制管材，最终要生产为PVC-0管的管坯必须要有优异的超重控制性（最低波动和尽可能小的最小直径）和最低偏心率。

1998年Uponor的Chapman曾提到，管材壁厚分布均匀是很重要的，主要问题在于壁厚波动和偏心率。当管材壁厚不均匀时，在拉伸过程中（与在线或离线方式无关）就会影响到分布管材的强度。即使是最强的管材，最薄点材料会也被拉伸更多，导致壁厚更薄。保持壁厚厚的部分有一个较低的MRS值，因此是最薄弱的地方。所以要想得到最好的结果，保持管材的光滑是非常必要的。Wavin和Rollepaal在线解决方案都是采用特殊的挤出机、模具和循环控制系统以检测PVC-0管材的实际尺寸。这不仅仅是为了使取向工艺成为可能，主要也是为了避免出现壁厚不均和偏心现象，实现控制超重指标最低，并达到最节省材料的目的。按照这些要求可以制造非常光滑的圆管（低偏心率）。最终结果是，由于PVC-0对壁厚有最低要求，上述在线工艺总体上所生产的管材的超重率非常低。测量管材时超重15%才被记录。使用较少的材料生产PVC-0如在线解决方案，是检测质量的一个重要指标。

在线工艺生产的PVC-0管材的质量还在不断检查和完善。这在离线工艺生产时是不可能的，由于这种工艺的离线特性,上述Wavin和Rollepaal在线系统都测量拉伸成的最终PVC-0产品壁厚和偏心率。Wavin有自己的解决方案（见Wavin^[12]）。Rollepaal是使用质量控制和反馈系统自动进行预制的方法，预制的管材非常光滑和圆润（低偏心率）。

b. 管段的拉伸加工温度分布要均匀。拉伸前，Rollepaal唯一解决方案可以准确测量拉伸前PVC-U温度。通过测量，该系统可以改变温度（在拉伸前）以达到需要的温度，当管材里分布的温度达到拉伸温度时将被拉伸，拉伸尽可能保持平稳。Rollepaal通过在线测量得知拉伸温度。

除了这2项重大问题外，还有一些其他差异:
c. 每个生产PVC-O管材的工艺都能够用于生产传统PVC-U管材。当讨论离线方式生产PVC-O时，投资预制PVC-U管材生产线的成本也要增加到总投资成本中再进行比较。此外，在离线生产方式的设备中，扩口设备不是必要的，因为它已经并入生产工艺当中可以算作投资。而在线生产时，这部分投资必须要增加到总投资成本中。
d. 根据ISO 16422（见ISO[13]），PVC-O管材的标准长度是6m、10m或12m。ISO 16422中还规定，可以生产管端平直的PVC-O管。这是任何一种离线生产方式都需要高投入才能解决的重大问题。而在线生产方式能够用一种简单的方法变化长度，同时也解决了生产平直管和带承口管的问题。

参考文献

[1] International Organization for Standardisation, ISO 16422 Pipes and joints made of oriented unplasticized poly vinyl chloride for the conveyance of water under pressure, 2006, 6-9.

[2] Deutsche Vereinigung de Gas- und Wasserfaches, Technische regel Prüfgrundlage VP 654, Rohre aus PVC-O für die Wasserverteilung, 2007, 9.

[3] Richard W.Bonds, DIPRA investigation: Ductile Iron Pipe versus PVCO Pipe, 2001, 4-9.

[4] Steven Folkman, Utah State University: Water Main Brake Rates In the USA and Canada, 2012, 10-17.

[5] Z. Davidovski, Uni-Bell presentation: The environmental performance of Plastic Pipe systems, 23-04-2012, slides 8-23.

[6] International Organization for Standardisation, ISO 16422 Pipes and joints made of oriented unplasticized poly vinyl chloride for the conveyance of water under pressure, 2006, vi.

[7] Dennis E. Bauer: Oriented PVC Pipe (PVCO): Experience and Research part of Dave Eckstein ASTM International, Buried Plastic Pipe Technology, 2nd Volume, ASTM STP 1222, 1994, 74-75.

[8] P. G. Chapman and L. Ågren A new Technology for In-line manufacturing of Bi-axially Oriented PVC Pipes, Proceedings of Plastic Pipes X, Gothenburg 1998, 145-154.

[9] Wavin, International Patents G94.5035, G95.5128, PCT procedure’s, 1994/5.

[10] Wavin, Vinyl India presentation: PVC-O success stories throughout the world, 12-04-2012, slide 10.

[11] I. Muñoz de Juan New full dry system developed for Bi-orientated pipes brings excellent opportunities for PVC-O, Proceedings of Plastic Pipes XIV, Budapest 2008, 2.

[12] Wavin, International Patents G94.5031, PCT procedure, 1994.

[13] International Organization for Standardisation, ISO 16422 Pipes and joints made of oriented unplasticized poly vinyl chloride for the conveyance of water under pressure, 2006, 10-11.

（本文系第十六届国际塑料管道会议发布文章）

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时间：2014-11-4 17:37:17 | 阅读共10163次 | 打印本文 | 关闭窗口