市政排水用硬PVC排水管材自然老化行為研究

王 夏

（同濟大學建筑設計研究院（集團）有限公司，上海 200092）

城市化迅速發展，政府建設計劃腳步也逐漸加快，加快了市政建設的進程。市政工程中較為重要的一個環節就是作為城市基礎設施的排水管與排污管等排水系統［1］。最初城市建設中市政排水系統使用明溝，該種排水手段具有美觀性差、污染高等缺點。此后人類文明取得進步，排水管道逐漸轉為地下暗渠，隨著科學技術的發展，市政排水系統使用鋼混材料的排水管道，但是成本過高、腐蝕性大，使用年限較短。近幾年各學者不斷研究，逐漸推廣使用化工材料作為地下排水管道的主要材料［2］。這種化工材料作為原材料的市政工程排水管具有強大性能與環保效果，成本較低，后續維護簡便，受到越來越多建設工程項目的青睞。眾多化工材料之中，PVC管材由于其優質的抗壓強度、簡便的安裝工序以及較輕的自身重量成為排水工程中使用頻率最高的化工材料。

PVC實質上是一種合成樹脂，主要組成成分是經過單體均聚以后的VC原料，在增強劑、穩定劑等添加劑的作用下成為合成高分子材料。原料選取存在的差異導致PVC管材成為軟、硬不同、用處不同的高分子材料。PVC屬于無定型聚合物，在氧化作用以及自然光照條件下會發生緩慢分解產生氯化氫，共軛雙鍵與碳基都會發生變色，出現老化現象［3］。PVC管材使用聚合工藝制備而成，工藝步驟包含懸浮、聚合等步驟。其中最為主要的工藝就是懸浮聚合工藝，該工藝能夠實現較高產品轉化率，能夠加快硬PVC管材適應市場發展。實際生產時，硬PVC管材的生產工藝較為簡單，但是聚合體系具有較大黏度，所以生產時導出難度大，容易出現聚合失敗的情況，為解決這種情況，眾多廠家和研究者都做出改進研究并且取得客觀成效［4］。目前PVC材料應用廣泛，已經深入到社會生活的方方面面，提升硬PVC管材的性能有利于今后相關產業的發展。

本文綜合研究市政排水用硬PVC排水管材自然老化行為，從理論性的角度綜合分析，為今后市政排水管建設規劃提供有效參考。

1 硬PVC排水管材自然老化行為

1.1 硬PVC管概念與應用性能

（1）硬PVC管道概念

硬PVC也就是硬聚氯乙烯，硬PVC排水管的制作工藝較為簡單，僅需要添加適量的輔助劑壓鑄成形以后經過冷卻固化就成為直接應用于市政排水工程的排水管材。國外早在上世界中葉就在各排水系統中推廣使用硬PVC管材，也就是說硬PVC是高分子材料中，應用于工業化領域內最早的塑料制品之一，相比于國外排水工程較為成熟的PVC技術，我國在上世紀末期才逐漸推廣應用于市政工程以及排水相關領域之中，經過多年研究以及不斷推廣，硬PVC管材已經在市政排水領域得到普遍使用，但是相比于歐美發達國家對于硬PVC材料的使用，我國在硬PVC方面研究技術仍舊需要進步。

（2）硬PVC管應用特性

應用于市政工程的硬PVC管材主要起排水作用。對于這種使用需求，要求排水管具有較強的剛度和抗變形能力，同時還需要具有較強的防滲密封性與水體輸送能力，由于污水中成分不能確定，所以要求排水管還具有較強的耐腐蝕性［5］。市政工程由于資金有限所以要求排水管在安裝時具有高效便捷、成本低廉的特點。硬PVC管材能夠滿足以上各種要求，所以在目前市政排水工程中應用廣泛［6］。

硬PVC管材的耐腐蝕性較強，無論是強酸性還是強堿性環境下都不會發生腐蝕現象，但是無法適應芳香類化合物。在市政排水工程中，使用硬PVC管材不需要考慮水質問題，該管材能夠適用于大部分水質。硬PVC管材自身所具備良好的耐腐蝕性能，即使被鹽堿類土壤掩埋較長時間也仍舊能夠保持較好狀態。與混凝土管材相比，硬PVC管材的內壁粗糙度更低，所有硬PVC管材在排水過程中水流量更大，所以能夠優先將水力的坡降有效降低，這樣就能幫助降低排水泵站的使用，降低水流運轉費用［7-8］。硬PVC管材屬于柔性管材，即使面對土層的不均勻沉降也不會發生斷裂、堵塞、滲漏的情況，且修復更換方便，密封性能良好。相比于鋼管或者混凝土管材，硬PVC管的抗壓性能較差，但是硬PVC管的剛度較高，符合市政工程中土體掩埋需求，能夠抵抗土體帶來的壓力［9］。硬PVC管材還有易于運輸的特點，安裝工序較為簡單，盡管單價高于混凝土管材，但是綜合費用與混凝土相比有所降低，實際市政施工時能夠提升施工效率。

1.2 硬PVC排水管材自然老化影響因素

應用于市政排水工程的硬PVC管材出現自然老化實質上是一個涵蓋物理及化學學科的慢性變化效果，從化學成分上來看，硬PVC較為復雜，制備過程中共混合大于10種的添加劑，不同環境影響下混合后生成的硬PVC活性也存在差異，呈現出一種物理或者化學的變化效果［10］。對于目前硬PVC排水管材的自然老化情況國內外學者都做出大量研究，本文從以下幾點分析硬PVC排水管材自然老化的影響因素。

（1）分子結構缺陷導致的自然老化

高分子材料研究領域中大多數學者都認為硬PVC排水管材出現自然老化主要是由于內部分子結構存在缺陷的原因，分子結構之中，大多數分子鏈是呈現首尾相連接形式的氯乙烯單體。該分析中存在的氫原子與氯原子只與仲碳原子相關反應，具有結構穩定性。但是分子鏈結構如果出現頭與頭相連或者尾與尾直接相連的形式時就會使分子結構發生異常，如不飽和支鏈與不飽和雙鍵等形式影響硬PVC的熱穩定性能，導致硬PVC發生反應脫出HCl，形成多烯結構，該結構極易生成使硬PVC管材發生著色的多烯結構［11］。不飽和雙鍵形成于分子鏈的末端，導致出現氧化斷鏈，脫出穩定性較差的丙烯基氯。由于分子結構具有支鏈，出現老化現象時，各叔原子都容易遭受攻擊，這些原子聚合比較差的鏈能，極易出現活化反應。部分原子在聚合階段就直接脫出HCl，造成雙鍵結構發生在分子鏈上。

（2）紫外光線導致的自然老化

氧化反應疊加光降解直接導致硬PVC材料發生降解情況。紫外光是太陽光中較大能量和較短波長的一部分光線，硬PVC管材發生自然老化的影響因素之一就是由于紫外線照射影響導致的。太陽光的波長最短為150nm，最長波長達到10000nm，大氣層能夠把一部分波長過長的光線消除，所以能夠到達地面的光線主要為波長較短的紫外光（占全部光線的5%）、波長較長的紅外光（占全部光線的55%）以及波長比較適中的可見光（占全部光線的40%），盡管紫外光在總體光線中占比較少［12］，但是該部分光線具有較大能量，所以會嚴重影響硬PVC管材的穩定性能。高分子材料各個分子鏈需要一定規格的能量才會發生斷裂，但是紫外光自身具備的能量遠遠高于這個所需能量，直接導致化學鍵遭受破壞，由于紫外光的影響，加快硬PVC管材的光氧化速度，自然老化效果明顯［13］。大量研究表明，長時間暴露在紫外光之下的硬PVC管材最開始會先由白色轉變為黃色，隨著暴露時間上升，管材由黃色向深紅或者深棕色轉變，轉變過程如圖1所示。

圖1 紫外光導致的管材老化Fig. 1 Pipe aging caused by ultraviolet light

硬PVC排水管發生圖1這種老化現象主要是由于PVC管材中的聚合物出現交聯情況，導致聚合物產生共軛多烯，PVC管材本身具備的吸光譜被改變，紫外線光照過程中也會使PVC管材釋放大量鹽酸，這一情況也是由于上文中研究的PVC管材分子結構存在缺陷，吸收更多的紫外光線，出現嚴重降解［14］。已有研究數據表明，PVC管材長時間暴露在紫外光照之下從尺寸到外觀都會導致PVC管材發生嚴重變化，相關數據見表1。

表1 紫外光照下PVC管材的尺寸變化Table 1 Size change of PVC pipe under ultraviolet light

從表1中的數據能夠看出，隨紫外光照射管材的時間變長，PVC管材的壁厚逐漸增加，照射時間越長，管材變形越嚴重，光照中期管材的不圓度已經達到2以上，說明由于紫外光照老化造成管材嚴重變形。

（3）顏色導致的自然老化

硬PVC管材發生老化的另一個重要影響因素是管材自身的顏色。硬PVC排水管除了我們常見的白色以外還存在黑色、灰色、綠色、黃色等多種顏色。國際排水管標準中規定，應用于市政工程的硬PVC排水管最好選用顏色為灰色的管材，使用這種顏色的管材主要是由于，這類管材中適量使用炭黑元素，這種添加劑是屏蔽光線最有效的添加劑，在天然室外環境中能夠有效降低紫外光對于管材的傷害，具有較強耐候性［15］。

我國在硬PVC管材研究之初就是選擇適當添加炭黑添加劑的灰色硬PVC管材，但是近年來對于硬PVC排水管的使用環境以及使用需求發生改變，仍舊使用灰色PVC管材無法直接區分管材是全新管材還是回收再利用的舊管材，所以各行各業對于灰色硬PVC管材的需求越來越少，而白色管材的需求量則逐漸增加，但是白色管材的耐老化性能遠不如灰色管材，因此目前應用于市政排水工程的硬PVC管材耐老化性能遠不如以前灰色硬PVC管材好［16］。

（4）自身質量不佳導致的自然老化

我國最初生產的硬PVC管材耐久性強、具有較為優異的抗老化性能，其中最為主要的一個原因是我國最初生產的硬PVC管材依照國家標準以及國際標準嚴格生產，生產過程中不會過量使用外加劑，對于已經投入使用的硬PVC管材也不會反復回收再利用，投入使用的硬PVC管材都是最高質量的材料。曾有學者針對上世紀末最初生產并且已經投入使用19年的硬PVC管材做出耐老化性能測定，測定結果表明，該管材表面老化程度較高，但是內部只發生輕微老化，這也說明當時正產的高質量硬PVC管材具有強大的耐老化性能［17］。

但是近年來，由于市場需求增大，各廠家加快競爭步伐，為降低成本同時提高產量，在生產過程中過量添加如三氧化鈣等外加劑，導致管材的質量嚴重降低。國家相關規定中要求，用于市政排水的硬PVC管材需要使用至少80%以上的聚氯乙烯樹脂，但是目前市場上銷售的硬PVC管材外加劑的用量嚴重超標，嚴重降低管材的力學性能和抗老化性能，嚴重時會出現破裂、損壞等情況。

2 硬PVC排水管材自然老化性能改善策略

2.1 添加熱穩定劑

適量添加熱穩定劑能夠極大程度改善PVC管的老化性能，最常使用的熱穩定劑包含鉛鹽類熱穩定劑與金屬皂類的熱穩定劑。

（1）鉛鹽類熱穩定劑

目前市面上生產的硬PVC管材為提升抗耐老化性能，最常使用的穩定劑都是鉛鹽類熱穩定劑，這種穩定劑購買成本較低能，同時能夠將PVC釋放的HCl有效捕捉，防止管材發生催化反應，極大程度提升硬PVC管材的穩定性和耐老化性能。但是鹽鉛屬于重金屬，使用過程中會釋放毒素，雖然硬PVC管材被應用于市政排水工程，但是隨著近年來我國越來越重視環保事業，所以該類穩定劑的使用逐漸降低。

（2）金屬皂類穩定劑

該類穩定劑的主要原料是復合金屬鹽，一般需要復配增效劑才能實現管材穩定性的提升，所使用的增效劑包含多元醇、硬脂酸鹽等，該類穩定劑在穩定效果上略遜于鉛鹽類熱穩定劑但是不會釋放毒素，具有良好的環保效果，已經成為市面上使用最廣闊的穩定劑。

2.2 添加光穩定劑

光穩定劑的使用主要就是為了解決硬PVC管受到紫外光影響而出現的老化現象，考慮到應對的紫外光存在機理差異，所以光穩定劑主要包括光屏蔽劑和紫外光吸收劑等。

（1）光屏蔽劑

光屏蔽劑又可以分為鈦白粉和炭黑元素等，在PVC原材料中添加這種穩定劑主要是由于這類穩定劑具有強大的光反射功能，可降低紫外光的輻射，降低硬PVC管材的老化速度。大量研究表明，適當使用光屏蔽劑能夠顯著提升硬PVC管對于自身外觀的敏感性，同時能夠抑制紫外光對于管材的傷害，提升管材的光穩定效果。

（2）紫外光吸收劑

紫外光吸收劑在自身結構上具有較強特點，主要針對紫外光的高輻射性發揮吸收作用，把光能向熱能轉化，延緩硬PVC管材的老化速度，最常使用的紫外光吸收劑為苯并三唑類吸收劑。已有研究表明，在聚乙烯樹脂原料中適當添加該光穩定劑能夠使得硬PVC管材不易出現顏色改變，降低管材表面由于紫外光出現的老化現象。各種光吸收劑由于結構存在差異，吸收紫外光的效果也存在差異，所以在使用過程中需要選用性能更加優越的吸收劑才能獲得較好的耐老化性能，該部分還需要今后通過試驗進一步研究。

3 結語

市政排水工程中已經廣泛使用硬PVC排水管，該類排水管材具有良好的耐腐蝕性和防滲性能，在地下排水工作中展現出良好的性能，近年在各學者的努力研究之下不斷改進技術，硬PVC管材的性能得到質的提升，但是由于一些外部影響因素以及內部自身原因導致管材易于出現老化現象，主要包含分析結構缺陷、紫外光照、顏色影響以及質量問題導致的老化問題，諸多研究者都為改善硬PVC管材老化情況作出相關研究，根本目的都是提升硬PVC管的性能，在市政排水工程中發揮更加強大的工作效果，同時提升管材的使用壽命，從根本上降低管材的消耗，節約成本，為城市化綜合發展奠定良好的基礎。