氯化聚氯乙烯CPVC材料及应用

2020-08-06 21:33

管材管件-1.png

氯化聚氯乙烯CPVC材料及应用

氯化聚氯乙烯,即CPVC,是一种由聚氯乙烯(PVC)后氯化处理所得的树脂,聚氯乙烯是一种独特的均聚树脂,其用量半个世纪以来增长非常可观,与此同时,人们也认识到了该产品的局限性,那就是其最终产品的最高使用温度较低,通常在70℃以下。B F Goodrich公司进行大量的研究工作,发现可以通过对聚氯乙烯树脂经过独特的后氯化工艺,来提高产品性能的改善。依据聚合反应的化学计量,可知PVC氯含量为57.4%,通过后氯化工艺,可以使氯含量增加到64%~67%,有时候甚至能达到70%,增加的氯含量,提高了材料的玻璃化转变温度,而且与普通PVC基材相比,在高温下的力学性能也得到改善。CPVC材料的这一优势,使其和普通PVC材料有所区别,而这也使其发现了新的并且独特的应用领域。在这之后,美国Noveon,Lubrizol,法国Arkema,日本Kaneka,Sekisui等公司继续对CPVC的应用加工做出研究,并提升CPVC材料的应用技术水平。2008年上海氯碱化工股份有限公司(股票代号:600618)成功将原有溶液氯化技术升级为水相氯化技术,开创了中国氯化聚氯乙烯在国内的新局面。2011年实现了CPVC树脂万吨级工业化生产,全面提升了CPVC氯化技术和加工技术,提高了国内CPVC树脂的质量,实现了国内树脂的高端化生产和加工。而后国内CPVC厂家开始了大爆发,目前中国国内使用水相氯化技术的公司或多或少借鉴了上海氯碱化工的CPVC生产技术。

目前CPVC树脂根据用途不同,主要分为挤出级和注塑级两类。对于CPVC挤出级和注塑级树脂来说,67%左右的含氯量使得CPVC材料的玻璃化转变温度范围大约为115~155℃,相对密度范围是1.54~1.62。而相对的PVC的玻璃化温度为82℃,相对密度为1.39。这两种不同的树脂的一些通用性能,如表1所示。

表1   CPVC挤出级和注塑级树脂特性

氯化聚氯乙烯材料的应用:

1.   高温下饮用水配水(CPVC民用冷热水管)

50多年前,CPVC就应用于冷热水管道市场,1959第一个安装使用CPVC冷热水管道和配件的设施,是家庭型的设施。从那以后,应用得越来越多,至今已经成为仅次于铜的,可以应用于单个家庭、多个家庭以及商务管道应用的材料。目前全世界生产的大部分CPVC混合料,都能达到独特的性能标准,这些性能标准主要是由最早应用于管道市场的CPVC管道和配件材料确定的,这种材料成为上述应用的基准要求,并由此确定了标准的使用规范,表2给出了CPVC材料早期应用过程中确定的性能最小值,即使在今天,这些值对于用于流体处理的所有CPVC混合料来说也都是必须遵守的。

表2用于压力管的CPVC混合料物理性能要求

在承压流体处理体系的应用上,另一个重要的性能是,CPVC管道混合料能够承受长期的蠕变,这说明管材材料在很长时间段内都具有良好的承压能力,尤其是在高使用温度下。对于应用于饮用冷热水体系的CPVC混合料的最后一个要求是CPVC混合料将能保证所输送的水的质量,也就是说CPVC水管和配件材料不会损害水的质量,国际NSF在这方面已经确定了特殊的性能要求,主要是关于CPVC管和水中允许提取的污染物的类型和数量。当然,这些要求也必须考虑混合料在高温条件下使用的情况,只有通过国际NSF严格的测试和分析,这些材料才能应用于这些领域。

2.   高温下腐蚀性流体的工业处理(CPVC工业管)

CPVC开发出来之后不久,就发现这种材料在高温下具有非常优异的耐化学性,这个独特性能,也是CPVC另外一个显著不同的优点,使得CPVC可用于腐蚀性流体的处理。CPVC可以替代传统的金属材料,也可以在高温下替代PVC的功能,CPVC工业管道混合料应用的领域是那些需要使用压力管的领域,因为这种应用不同于输送水而是赋予了压力管道体系在压力作用下可以输送化学流体。对于管道系统来说,这些材料还必须满足标准材料规范所确定的基本要求,同时还必须满足压力管对长期强度性能的要求,另外这些材料需要通过有关输送化学污染物的特殊测试。

用于腐蚀性流体处理的CPVC混合料,需要经过一些最严格的测试,从而更准确的确定它们所能应用的领域。例如,与酸浓度相关的,材料所能使用的最高温度有比较明确的规定如表3所示。

表3 酸性体系CPVC最高使用温度

当测试在某种化学环境下进行时,即将CPVC材料长期静止浸泡在一定的化学环境下,然后测量材料强度,结果表明CPVC材料没有受到环境的影响。在相同的化学反应下,如果CPVC材料是在一定的应力下进行测试的话,那么它的拉伸性能和承载性能会有明显的下降。研究人员已经发现,大部分的塑料材料都具有环境应力开裂等特性,并且已经发现含有表面活性剂以及一些油渍的化学混合物会导致环境应力开裂。

3.   氯化聚氯乙烯及自动喷水灭火系统(CPVC消防管)

由于CPVC材料具有承压能力和非常优异的燃烧和发烟特性,用于流体处理的CPVC技术应用的越来越多。CPVC材料的双重优点,使其不仅优于金属管道系统,而且也优于传统的热塑性管材和配件材料,这促进了CPVC管材和配件进入住宅区和危险低的自动喷水灭火系统工业市场。相对于PVC和其它热塑性管材,CPVC树脂中额外增加的氯使得用CPVC混合料生产出来的产品,在可燃烧特性上具有很强的优势,而其他的属性材料相比,CPVC一个显著的优点,是它的极限氧指数(LOI)为60。把这个值和环境中的氧气含量21%进行比较通常更有实际意义,这意味着,即使将其暴露在极其强烈的火焰或热量下,也不会持续燃烧,相反,CPVC只会形成一个膨胀的烧焦层。表4列出了与CPVC相比更常用的一些材料的极限氧指数。

表4 与CPVC相比常用材料的极限氧指数

4.   埋地式电力电缆护套管

现代化城市的发展,对电力电缆管道入地的要求越来越高,埋地敷设电力输送电缆可以净化空中环境,美化城市景观,这要求电缆护套管具有优良的耐热性、绝缘性、易敷设性及阻燃性能。如输送220KVA电压的电缆电芯温度传至套管时需要材料可以耐90℃以上的高温,对于普通的材料性能来说是很困难的,而CPVC管材恰恰具有这些性能。目前已被一些先进国家广泛应用于这一领域,我国也开始这一方面的尝试,且已被一些大中城市的改造选中采用。表5所列为CPVC电力电缆护套管。

表5 CPVC电力电缆护套管基本要求

5.   非管材其他高温热塑性塑料制品

CPVC作为比PVC耐温更高的阻燃型基材,近年的发展已经越来越往其他方面延伸,各种各样新的应用层出不穷。天生的阻燃性能,使得它和同类的阻燃ABS等工程塑料相比,价格上更具优势,从而可以取代价格昂贵的热塑性工程塑料。另外在强度,耐腐蚀性,耐热,阻燃性方面的综合优势,再加上其优越的加工性能,使得CPVC材料能广泛应用于各个行业,CPVC混合料可以专门定制,用于片材,挤塑型材以及注塑成型产品,这使得用CPVC混合料可以制造形状复杂的各种制品,具有它的部分或全部优点,这些材料可用于许多的公用事业和工业上,如公共交通、宇宙航空、窗户的设计和布置、加热通风空调、温泉、游泳池和温泉疗养、电子器件、灌溉和矿业等各个领域。

氯化聚氯乙烯技术距离现在已经近60年了,已经具有非常悠久的应用历史。但是在中国,它的生产和应用还处于开发阶段,早期由于CPVC原材料全部依赖进口,高昂的产品价格限制了该产品的推广应用,同时也限制了CPVC应用技术的提高。相对于传统的热塑性塑料,目前该产品还只是在一个独特的小范围领域内应用。综合利用它的耐温性、耐腐蚀、清洁性、阻燃性、低发烟性等特点,克服它相对难以加工的特性,通过与PVC、ABS等的共混可以使制品获得理想的应用性能,同时改进加工性能,这将使得材料能继续应用于新发现的更多领域中。

CPVC树脂可用于生产耐温管道和管件,如冷热水管,消防喷淋管,工业管等,产品质量优,价格实惠。