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塑料排水管材中的材料选择与研究
点击:360 日期:2018/12/27 10:06:03

        摘要: 塑料管材具有环保节能、寿命长、质量轻等优点,在众多领域得到了广泛的使用。随着技术的发展,各种材质的塑料管材种类繁多。在不同的使用条件下,选择合适的塑料管材对于充分发挥材料的功能具有重要的意义。对塑料管材的发展、塑料管材的种类和选择进行了介绍。
        塑料管材自问世以来已经历了60 多年的发展,以其质量轻、化学稳定性好、使用方便、环保和寿命长等特点,广泛应用于工农业、建筑和日用等领域。相比于传统的材料,塑料管材具有更好的经济效益和社会效益,其优异性能越来越受到人们的认可。
1 塑料管材的发展
        塑料管材的最初推广是在欧美等国家,塑料管材的推广使用取得了巨大的社会和经济效益。在1980 ~ 1990 年的十年间,塑料管材使用量以每年8%的速度递增,是其他材质管材增长速度的4 倍,其中美国在1985 年塑料管材占据管材实际45%的市场份额[1]。目前国外塑料管材的发展呈现出以下几个特点[2]:
        ( 1) 原材料的分类详细,品种较多,可以根据不同的市场需求设计专用料,产品的质量和生产效率高。
        ( 2) 塑料管材种类齐全,生产的自动化高,而且具有完善的检测技术,产品具有很高的生产速率和合格率,可以保证管材的质量。
        ( 3) 在工程领域可以根据不同的使用条件,对管材的材质和种类进行选择。目前需求量最大的管材种类是聚氯乙烯( PVC) 和聚乙烯( PE) 类管材产品[3]。
        对塑料管材的研究和使用我国起步较晚,在20世纪50 年代开始生产PVC 软管,60 年代初期开始生产硬质PVC 管材[4],80 年代开始将硬质PVC 管材用于建筑排水[5]。80 年代和90 年代初期,开始引入无规共聚聚丙烯管材,90 年代末期,各种类型的塑料管材开始在我国陆续的发展起来,包括聚氯乙烯管、聚乙烯管、交联聚乙烯管和无规聚丙烯管等。
        目前,随着建筑、市政、水利和工农业对于塑料管材的需求急剧加大,中国的塑料管材领域表现出了高速发展的状态。表1 为2011 ~ 2015 年全国塑料管道生产量和增长率。PVC 管材是目前我国塑料管材的主要产品,占到我国管材总量的55%,其次为聚乙烯管材,占到25%左右。


        虽然,我国在塑料管材领域取得了不错的成绩,但是与发达国家仍然存在差距。主要表现为追求速度,忽视效益; 追求产量,忽视质量; 追求传统,忽视创新等现象。而且对于原材料方面,一些原材料树脂满足不了国内的需求,部分依靠大量的进口,导致产品价格较高,阻碍了应用和推广。此外产品的创新性不足也是主要的问题,高端的产品较少,主要集中在中低端产品,主要是由研发方面投入的资金不足造成。
2 常见管材的性质和应用
2.1 聚乙烯( PE) 管材


        聚乙烯管材种类较多,根据其材料的密度不同可以分为低密度聚乙烯管、中密度聚乙烯管和高密度聚乙烯管三类。此外,还可以根据其结构形式分为单层实壁管、双壁波纹管和缠绕管三类[6]。单层实壁管是通过挤出成型得到的一种管材,可用作输水管材使用,常用的连接方式有热熔连接、电熔连接和法兰连接等方式。单层实壁管材具有良好的机械性能和抗压性能,而且具有优异的耐化学品性和不渗透性,在给水排水管道中得到了广泛的应用。双壁波纹管材是一种新型的轻质管材,其独特的设计大大降低了生产成本,而且由于其质量轻、韧性好等特点,大大降低了施工难度,如图1 所示。相比于传统的管材,双壁波纹管具有良好的抗压能力和韧性,可以有效抵抗外界的压力[7]。作为排水管材,双壁波纹管具有较小的流体阻力,保证了水流的通畅,输水量比传统的混凝土材料提高40%左右[8]。此外,还具有质量轻、密封性好、稳定性好等特点,这些优异的性能使得双壁波纹管在排水管道中得到了广泛的应用。
        高密度聚乙烯( HDPE) 缠绕管是以HDPE 为基材,通过材料的辅助支撑利用缠绕成型的方法得到的新型管材,该种类型的管材具有强度高、耐腐蚀、耐老化等优点,同样适用于排水管道中,如图2 所示。


        HDPE 双壁波纹管和缠绕管的性能有着诸多的相似之处,在实际使用中以具体的施工要求进行选择,表2 为HDPE 双壁波纹管和缠绕管性能之间的对比。
表2 HDPE 双壁波纹管和HDPE 缠绕管的比较


2. 2 硬聚氯乙烯( UPVC) 管


        在排水管道中主要使用的是不加增塑剂的硬质聚氯乙烯( UPVC) 管,特别是在冷水管道中。UPVC
管的分类可以分为双壁波纹管、缠绕管、直壁管和加筋管等类别,如图3 所示,在排水管道中的使用最为广泛[9]。
        UPVC 管材相比于传统管材具有一系列的优势:
        ( 1) 良好的排水性能。UPVC 管的内壁较为光滑,摩擦阻力小,输送能力是普通铁管的1. 4 倍。
        ( 2) 管材质量轻。UPVC 管的密度较低,是普通铸铁管材的1 /5,安装方便。
        ( 3) 优异的耐化学腐蚀性。UPVC 管材具有良好的耐腐蚀性和抗老化性,而且还具有阻燃的性能,提高了管材的使用寿命。
2. 3 无规共聚聚丙烯( PPR) 管
        聚丙烯管材主要用于室内的排水管,但是单纯的聚丙烯管材的抗冲击性能差,往往需要对其改性得到改性聚丙烯管材,通过共聚合的改性方式可以得到无规共聚聚丙烯( PPR) 管材,提高了管材的抗冲击性能。PPR 管材属于第三代改性聚丙烯,通过共聚合的方式使得PE 在PP 分子链中随机的聚合,该方式可以有效地改善材料的抗冲击性和抗蠕变性能,发展前景十分广阔。表3 为PPR 管材的性能特征,存在优点的同时也存在一定程度的缺陷。


2. 4 聚丁烯( PB) 管
        PB 管是1-丁烯单体通过等规立构聚合得到的产物,管材的强度更高,具有良好的抗蠕变性能,而且保温性能较好,可以持续在较高压力下工作,输送水温可达到95 ℃。与其他类型的塑料管材相比PB 管属于高性能的绿色环保管材,主要是由于原料中不含卤素,而且无毒无害可以重复利用。
        PB 管材最为突出的性能是其耐热蠕变性能,在塑料管材中PB 管的耐高温性能优异,而且具有良好的抵抗应力开裂的能力,使用寿命可以达到50 a 以上。与PE 管相比,PB 管材的使用温度区间更广,可达到30 ~ 100 ℃。PB 还具有一定的韧性,可以满足工程建筑中弧形设计的要求。PB 管按照颜色分类可以分为米黄色和灰色两种,米黄色PB 管主要用于采暖系统,灰色PB 管主要用于生活冷热水系统[11]。
        目前PB 管的应用领域主要包括了生活冷热水管、采暖用管材、太阳能住宅温水管、农业用管和工业用管等领域。
2. 5 丙烯腈/丁二烯/苯乙烯嵌段共聚物( ABS)管材
        ABS 管材具有良好的冲击强度、抗蠕变性能和耐腐蚀性等特点,使用温度范围也为广,在-40 ~ 95℃。与传统的镀锌管相比,ABS 管的密度较低,只有镀锌管的1 /6,因此便于运输,管材的保温性能好,热导率仅仅只有镀锌管材的1 /200。而且ABS 管的流体阻力小,比传统的镀锌管流量可提高30%左右,而且材料可以回收利用。
        ABS 管材的连接方式有多种,包括螺纹连接、冷溶连接、法兰连接等连接方式。ABS 管的主要应用领域包括给排水管、纯净水管、空调配管、海水输送管和排污管等领域。
塑料管材的种类繁多,不同的管材本身具有独特的性能,实际使用过程中往往通过应用环境,以及对管材的特殊要求进行选择,表4 为不同塑料管材的性能比较。


3 塑料管材的选择
3. 1 塑料管材的选择原则
        塑料管材在选择中需要满足以下几点原则:
        ( 1) 质量第一。在管材的选择中首先要保证材料的质量过关,满足具体使用条件下的要求。
        ( 2) 经济性原则。在满足质量要求的前提下,管材选择尽量遵循经济性原则,降低费用开支。
        ( 3) 循环性原则。在管材选择还需要考虑循环性原则,根据具体的管材使用寿命和建筑设施的使用年限,选择合适的管材以便未来的回收利用。
        ( 4) 环保型原则。在排水系统中对于不同的水质对于管材的要求也不同,针对具体接触的水质不同,需要选择合适的管材,要求遵循环保型原则。
        ( 5) 施工方便原则。不同的管道工程的结构不同,对于管材的要求也不同,在管材选择中需要考虑具体的使用条件和环境,根据不同管材的性质确定选择合适的管材,方便使用,同时节省施工费用。
3. 2 塑料排水管道的选择和比较
        首先,根据具体的使用要求,选择不同的管道口径。实际应用中涉及到水流量和压力的不同,对于管材的口径选择也不同,其中HDPE 管材的口径范围最广,其产品可覆盖各种类型的口径要求,因此其应用范围较为广泛。不同口径管道的选择中,DN100-400 的管道最佳选择是HDPE 管或者UPVC 管;DN50- 100 最先考虑PE 管和PPR 管,其次可考虑UPVC 管; DN50 以下的管材建议选用PE 管。
        根据不同的使用环境,可根据以下几点对管材进行选择:
        ( 1) 引水和市政工程中,可选择800 mm 以下的UPVC 和钢塑复合管,或者采用1 600 mm 以下的HDPE 管材。
        ( 2) 城市供水管道的支线中,可采用HDPE 管材,UPVC 管材和钢塑复合管材。
        ( 3) 室内冷水管道,宜使用UPVC 管、PP 管、铝塑复合管和HDPE 管。
        ( 4) 纯净水的输送可采用卫生性能好的ABS 管,在对管材柔韧性要求较高的工程中可采用PB 管。
        ( 5) 在温度较低的地区,管材最好选择PPR 管或者成本较高的PB 管,这样后续的维护费用较低。
        ( 6) 环境中的紫外线较强或者长时间暴露于阳光下时需使用耐紫外线较好的UPVC 管材。
        ( 7) 由于PPR 管和PB 管的耐高温性能较好,因此在地暖用管中,主要考虑PPR 管和PB 管。
4 结论和展望
        塑料管材的应用领域在未来将得到进一步的扩展,其种类也会得到不断的增加,随着科技的进步,新型塑料管材的研发会得到进一步加强,有望应用于一些极端环境中。本文对塑料管材的种类和选择进行了研究分析,对于不同的环境和使用条件下的管材选择给出了明确的方法。

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