建筑给排水用低塑性聚氯乙烯管材的优化制备与工艺研究

刘丹莉

（长安大学，西安 710061）

0 引言

建筑材料研究与制备技术不断成熟完善，建筑给排水项目所用材料也在得到进一步强化。UPVC 材料耐腐蚀性强，不会出现生锈结垢现象，且UPVC管材内壁非常光滑，流动阻力很小。因此，从经济、安全、技术等角度出发，建筑给排水领域开始逐渐扩大UPVC 管材的应用范围。但是，UPVC 材料本身不具备较强的热稳定性与韧性，只有通过改性造粒，才能应用于实际项目中。所以，实现UPVC管材应用性能最优化，应结合实际建设项目，根据项目环境特征，对UPVC 管材制备进行不同助剂的添加，丰富UPVC管材应用途径。

1 UPVC塑料管材种类及特点分析

UPVC 管材类型丰富，能够满足多种功能需求。目前，市场中的主要UPVC 管材类型为普通UPVC 塑料管材、消音螺旋型管材以及芯层发泡型管材。其中，消音螺旋型管材与芯层发泡型管材都属于基础管材的升级品种。随着建筑给排水领域建设要求不断提高，UPVC 管材制备也在同步创新。消音螺旋型管材专门用于排水立管，通过螺旋结构，增强管道内部通气效果，使管道内排水水流速度有所提高，削弱整体排水系统产生的噪音，实现排水立管系统性能的全面提高；芯层发泡型管材同样具备良好的降噪性能，在芯层的作用下，能够降低管内5dB左右的噪音，因为发泡型管材中有许多微小气孔，所以具有一定的保温功能[1]。

2 UPVC管材应用问题及安装设计研究

2.1 噪音控制

目前UPVC 管材被广泛应用于建筑给排水领域中，考虑到建筑给排水系统本身就存在较大的噪音问题，所以在设计与制备UPVC管材的过程中，应重点优化管材排水噪音问题。根据环保部门调查数据显示，冲水产生的噪音一般在55dB 左右，此响度噪音已经对日常生活产生一定影响。因此，排水管道规划与建设时，就应与客厅卧室保持相对距离，且不与墙面直接接触；布施地下排水管道时，需要设置刚性预埋套管，以实现消音降噪的目的；处理管道节点问题，就需要提前安设好支墩、垫子等设备。结合上述内容可以得出，UPVC 管材展开性能优化与消音降噪，必须重点考量管线的设置、管型的选择以及结点的处理[2]。

2.2 防火控制

UPVC 管材本身不具备良好的耐火、耐高温性能，当周围温度趋向于90℃时，UPVC 管材就会产生变形。因此，应对用于建筑给排水项目中的UPVC管材进行防火保护。首先，在前期规划时，避免UPVC管道与烟道、防火墙等消防区域相交叉，应将其放置于安全的墙体角落；其次，当UPVC管道需要串通楼层时，同样要通过安置阻火圈、防火套等设置来进行防火保护；最后，在整体环境都偏向高温或火灾风险几率较大的地方，应尽量控制UPVC管道的使用数量或重点强化排水管道安全使用[3]。

2.3 管材特质选择

普通型UPVC管材实际承压能力约为0.5MPa，较小的承压能力存在一定的安全隐患。因此，在建筑给排水设计过程中，针对管材开裂问题进行事前预防。出现管材开裂的主要原因在于管材在冷热交替环境下产生的膨胀系数偏大，并形成伸缩变形。因此，为保证管材具备相应的伸缩量，需在特定位置加设伸缩节。首先，如楼层高度不超过4m，则每一层都需安设伸缩节；其次，每2m 排水管线就需设置专门的伸缩节，确保伸缩节均匀分布；最后，应重点考量伸缩节位置。根据排水立管穿过楼层的位置与水流交汇位置进行科学规划。结合上述内容可得：UPVC 管材应用性能存在缺陷与不足时，有必要科学规划伸缩节数量与位置，来支撑建筑排水管道的安全使用[3]。

2.4 机械强度及质量控制

在没有增强剂的共同制备时，UPVC 管材的机械强度较弱，仅为钢材的一半，且质脆，容易破损。因此，在建筑给排水的应用过程中，可以通过安装固定支架来分担PUVC管材的重量，以此保证配水管道的机械安全性。此外，当前建筑材料市场中，管材质量尚未得到有力管束，出现管材质量参差不齐的问题。建筑排水系统的基础是管道材料。因此，选择管材必须谨慎，确保管材壁厚合格、尺寸标准、填充良好。

3 UPVC材料优化制备研究

3.1 试验部分

3.1.1 原料及设备

UPVC 材料，辽宁锦化化工；活性钙材料，河北龙和建材有限公司；PVC酸酯类胶乳材料，景县华中橡塑化工有限公司；PVC复合稳定剂，江西宏远化工有限公司；氯化聚乙烯，135A，威海金泓化工有限公司；PVC加工助剂，南京联硅化工有效公司；高速混合器，上海德越粉体机械有限公司；SK-160 型双辊筒炼胶机，东莞市九通机械有限公司；XLB-D350×350×1型平板硫化机，青岛亚华机械；组合式冲击试验机，承德大华试验机有限公司；台式电子拉力实验机，东莞威邦仪器设备有限公司；哈尔滨哈普电气技术有限责任公司。

3.1.2 试样制备

将丙烯酸酯类胶乳与活性钙通过稀释后，保持在超低玻璃化温度，制备出复层核壳结构体。提前准备好10~25 份助剂，分别与UPVC 材料通过高混机进行混合，于112~125℃条件下，运行8~12min，以此得到干混料。之后将干混料温度控制在175℃以下，并在开炼机中进行6~8min 的塑练。最终在18℃以上的环境内，压成样片[4-5]。

3.2 结果与讨论

3.2.1 MCRA性能

MCRA与活性钙的性能技术指标如表1所示。

表1 MCRA增强剂的技术指标Tab.1 Technical indexes of MCRA enhancer

3.2.2 试样性能

在初始化配方中分别添加22 份活性钙与22 份MCRA增强剂，干混料的表观性能如表2所示。

表2 干混料表观性能Tab.2 Apparent properties of dry mixture

干混料通过混练、压板工序，得出1 号和2 号样品，2个样品的物理性能如表3所示。

表3 不同试验样品力学性能检测Tab.3 Mechanical properties of different test samples

根据力学检测实验中拉伸断面切口的形态可以判断出活性钙颗粒是游离在UPVC基体上的，两种材料没有产生融合，连接界面难以承担并传授应力；但是，MCRA 这种增强剂与UPVC 材料产生了较好的相容效果，在连接界面没有观测到空洞及缺陷，且MCRA 增强剂与UPVC 的复合材料的断口处表现为撕裂状，这表明此材料在拉伸断裂时，产生的应变阻力非常大，断口的撕裂状说明断裂性质为韧性断裂，宏观上显示UPVC 材料在MCRA 增强剂的作用下，有效提升自身的力学性能；而活性钙与UPVC的复合材料的断裂性质为脆性断裂，则表明适量添加MCRA增强剂能够对UPVC管材起到增韧补强的效果[6]。

在-10℃低温环境中，MCRA/UPVC断口处的撕裂岭数量远远超过活性钙UPVC复合材料，前者海岛状组织更加突显、密集，相界面变多，且MCRA/UPVC断口整体都被撕裂，使其断口表面不平整，这表明撕裂过程中，其应变阻力较大，而活性钙UPVC复合材料的断口表面则相对平整。

在23℃温环境中，MCRA/UPVC 复合材料撕裂时，整体均出现规律的塑性变形，断口处呈羽毛状，；但是，活性钙UPVC 复合材料断口处存在应力集中的现象，基体应变较不均匀，变形量不一致，且显微组织不平整。尤其是MCRA/UPVC 断口处，出现局部拉丝与网化现象，这样的断裂形态表明MCRA/UPVC复合材料基体界面具有较强的结合强度[7]。

3.3 MCRA应用效果

某厂家在初始配方中原有40 份活性钙中额外添加8 份MCRA 增强剂，根据表4 数据可知，添加MCRA增强剂后的复合材料所具备拉伸强度与伸长率与初始配方没有较大差异，在正常室温与低温环境下，均有所提升。同时，添加MCRA增强剂的复合材料白度比初始配方更好。

表4 引入MCRA增强剂的UPVC材料物理性能Tab.4 Physical properties of UPVC materials with MCRA enhancer introduced

结合以上数据及表5 信息可以得出：添加MCRA增强剂后，平衡扭矩变化较小，而在塑化扭矩方面有一定变化，这表明新配方所具备的表观粘度有一定程度的降低；熔融时间差距较小，塑化效果有所提升，热稳定时间变长，这些变化都为混合成型加工提供便利条件[8]。

表5 引入MCRA配方与初始配方的流变性能Tab.5 Rheological properties of the MCRA formula introduced and the initial formula

3.4 MCRA性能影响因素

首先，将甲基丙烯酸酯乳液的表面进行改性活性钙包裹，当疏水率超过98.5%时，粒径降低，没有再次出现团聚问题。其次，结点基元细微化改变同样是提升材料力学性能的关键要素。最后，基体本身韧性非常关键，合理的脆性与韧性都能给材料提供更好的利用效果[9]。

4 建筑给排水用UPVC管材的优化设计

4.1 基于承载负荷的排水优化设计

在建筑给排水系统中，水体是以膜流状态进行流通的，UPVC 管道内壁和水体的亲和度是管道优化设计的重要影响因素。因此，想要实现建筑给排水的优化设计，必须结合实际应用管材与水体的界面张力，明确不同UPVC管道的类别、型号以及负荷能力，不能仅凭经验与主观经验臆断。

4.2 基于内部压力的排水优化设计

从内部压力波动角度出发，分析建筑物排水设计方案。相关文献资料表明，立管流量的相关参数应根据高度进行重置。目前，某些高层排水系统中的压力波动会导致底部支管的水封失效。根据实际研究，膜流状态下降的污水将携带与速度成比例的气体量，并在排水立管中形成异常压力。为控制膜流的流速和立管的内部压力，可以将UPVC塑料管形状在规定高度处进行均匀变化来改善，例如UPVC管的弯曲效率处理及扩张内表面积处理。

4.3 基于高度的排水优化设计

结合多层与高层建筑的流水差异进行给排水优化设计分析，按照一致的流速，高层建筑给排水管道所承受的内部压力与气体溢流量更大。因此，UPVC 管道中的气体量、立管高度、流体速度直接相关。按照《建筑给排水规范》中明确指出的关于通气立管规定，用于建筑给排水的UPVC塑料排水管的最佳设计应根据相应的管径，去设计不同高度的流量临界值。通过重置临界值，实现更佳建筑排水管道的设计[10]。

5 结语

综上所述，UPVC 管材在建筑给排水领域的应用正处在了解、发展、普及的阶段。同时，UPVC 管材也在不断创新应用工艺与制备方法。基于建筑能源节约理念，应将环保型UPVC 管材的应用范围进行扩张。为保证UPVC 多种性能的进一步提升，将MCRA增强剂与UPVC 相结合，利用新型功能填料深入UP-VC 管材在建筑给排水项目中的应用程度。实验结果表明，添加MCRA不仅能够提升产品力学性能与表面亮度，还能实现显微组织与制备工艺的整体优化，有效延长制品的使用寿命。