氯化聚氯乙烯與硬聚氯乙烯管材產品的鑒別

張兵

（福建省產品質量檢驗研究院 國家塑料制品質量檢驗檢測中心，福建 福州 350002）

0 前言

氯化聚氯乙烯（CPVC）是將聚氯乙烯（PVC）進一步氯化的產物，最早由德國法本公司以溶液法制得，后來美國諾譽化工公司在20世紀60年代初期開發研制成功并投入商業化生產。一般將聚氯乙烯樹脂粉碎后，經氯化、過濾、水洗、中和、干燥幾個步驟即可得到氯化聚氯乙烯，是聚氯乙烯樹脂的重要改性品種之一，目前主要有溶液法、懸浮法、氣固相法三種方法生產，其中懸浮法和氣固相法生產得到的CPVC分子量較高，常用于制造管材、板材[1]。氯化聚氯乙烯分子結構中含氯量明顯高于聚氯乙烯樹脂，一般生產的氯化聚氯乙烯含氯量在61%～68%。由于氯化聚氯乙烯具有較強的內聚能，使得其物理機械性能大幅提高，特別是耐高溫性能、耐老化、耐腐蝕和阻燃性能比聚氯乙烯有較大的提高。因此在輸送冷熱水工程、化工耐腐蝕管道、電力等耐高溫管道以及民用排污管道領域有大量的應用[2]。

目前我國氯化聚氯乙烯產品質量檔次不高，用于管材、型材等硬制品的氯化聚氯乙烯仍依賴進口，市場上氯化聚氯乙烯的價格要比聚氯乙烯價格高出近2倍。正是由于2種材料價格存在較大的差異，促使一些不法生產企業為牟取不正當利益，使用硬質聚氯乙烯冒充氯化聚氯乙烯產品推向市場。筆者在日常檢驗工作中發現，2種產品在外觀上看難以區分，但從產品的物理性能上差異還是比較明顯，因此，本文從結構和性能的角度出發，以紅外、拉伸性能、維卡軟化溫度、環段熱壓縮及密度等測試為手段，詳細討論了2種產品的區別，希望為消費者和監管部門提供鑒別2種產品提供數據支撐，為凈化氯化聚氯乙烯市場提供技術支撐。

1 實驗部分

1.1 試樣

1.2 主要儀器設備

⑴紅外光譜儀，NICOLET 5700，美國尼高力公司；⑵固體密度測試儀，AGH-120E，日本島津公司；⑶維卡熱變形試驗機 IC6，德國考斯菲爾德公司；⑷高溫試驗箱，SEG-041，上海埃斯佩克環境儀器有限公司；⑸電子拉力試驗機，ETM104C，深圳萬測試驗設備有限公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 紅外光譜分析

依據GB/T 6040—2019規定的方法，采用全反射ATR法采集樣品的紅外光譜圖，分辨率為4 cm-1，掃描次數為32次，波數范圍為500～4000 cm-1，測試時首先扣除背景空白。

1.3.2 拉伸強度

依據GB/T 8804.2—2003規定的方法，從管材上沿著長度方向切取樣條，再通過機械加工的方法制取啞鈴試樣，拉伸速度為5 mm/min。

1.3.3 維卡軟化溫度

依據GB/T 8802—2001規定的方法，從管材上切取長約50 mm，寬約10 mm試樣，升溫速度為50 ℃/h，樣品負荷50 N。

1.3.4 密度

依據GB/T 1033.1—2008規定的方法，從管材上切取長約30 mm，寬約10 mm試樣，在標準環境下，采用浸漬法測試。

1.3.5 環段熱壓縮力

依據QB/T 2479—2005規定的方法，從管材上切取長約300 mm的管段，在溫度為80 ℃的電熱鼓風干燥箱里處理1 h后，快速取出試樣，在萬能試驗機上，進行壓縮試驗，壓縮量為管材外徑3%，從樣品取出到壓縮試驗完成應在2 min內完成。

2 結果與討論

2.1 紅外光譜

將2種試樣進行紅外測試，其結果譜圖見圖1，由圖可見在波數為685 cm-1和616 cm-1處強吸收峰對應為C-Cl鍵伸縮振動產生[3]，氯化聚氯乙烯樣品的吸收強度相對較強，特別是在685 cm-1處較為明顯；位于1250 cm-1處強吸收譜帶為-CHCl中C-H彎曲振動吸收[4]，氯化聚氯乙烯試樣在1250 cm-1處的C-H彎曲振動吸收強度明顯低于硬質聚氯乙烯試樣在此處吸收強度，其原因是氯化聚氯乙烯分子鏈中C-H中的大量氫原子發生氯代反應，致使分子鏈中-CHCl中C-H減少，吸收強度降低。

圖1 氯化聚氯乙烯（CPVC）和硬質聚氯乙烯（UPVC）試樣紅外光譜圖

2.2 物理力學性能

將2種試樣按照1.3中所述的方法，對各物理力學性能進行試驗，各項目的試驗結果見表1。

表1 氯化聚氯乙烯（CPVC）和硬質聚氯乙烯（UPVC）產品物理力學性能的測試結果比較

表1 試樣

2.2.1 拉伸強度

拉伸強度是管材物理力學性能的綜合指標，反映管材產品配方和生產工藝的合理性。它與材料的分子結構、生產配方、加工工藝有著密切的關系。氯化聚氯乙烯（CPVC）分子結構中Cl含量高于聚氯乙烯，氯化聚氯乙烯（CPVC）分子鏈中的Cl原子取代了PVC大分子鏈上的H原子，而取代后的C-Cl鍵能大于被取代的C-H的鍵能，隨著-CHCl-CHCl-結構的增加，氯化聚氯乙烯（CPVC）分子鏈的剛性逐步增大，導致氯化聚氯乙烯（CPVC）管材的拉伸強度要高于PVC管材拉伸強度，2#試樣的拉伸強度高于1#試樣拉伸強度近22 MPa。

2.3 維卡軟化溫度

維卡軟化溫度是評價管材耐熱性能的重要的指標。作為埋地用高壓電力電纜用氯化聚氯乙烯管道，由于高壓輸電過程中電纜導體產生的熱量，需要外護管道具有一定的耐熱性能，此外，有些用于輸送廚房用水和洗浴用水也要求所用管道產品具有較好的耐熱性。按標準QB/T 2479—2005要求，埋地式高壓電力電纜用氯化聚氯乙烯(PVC-C)套管的維卡軟化溫度必須不低于93 ℃，冷熱水用氯化聚氯乙烯（PVCC）管道標準GB/T 18993.1—2020要求不低于110 ℃，但由于聚氯乙烯的玻璃化溫度大約為80 ℃，與氯化聚氯乙烯的耐熱性能差別較大。

造成性能差異的原因是由于氯化聚氯乙烯（CPVC）分子結構中含有較多的氯原子，分子鏈的極性增大，使得氯化聚氯乙烯（CPVC）樹脂的玻璃化轉變溫度和熱變形溫度均較高，文獻報道氯化聚氯乙烯（CPVC）最高耐熱溫度可達130 ℃[5]，材料的使用溫度比PVC樹脂高35～40℃，從表1中對2種試樣的維卡軟化溫度試驗結果可見，其結果可以直觀地辨別試樣的品種。

此外，有文獻報道[6]為了提高氯化聚氯乙烯產品的成型加工性能和適量地降低成本，在生產CPVC管材產品時，可添加一定比例的PVC樹脂，而CPVC樹脂在配方中質量分數的多少與產品的維卡軟化溫度大致呈線性關系[2]。

2.4 環段熱壓縮力

由于管道產品安裝時大多為埋地鋪設，因此需要產品在需要一定的抗載荷能力，特別承受熱環境中服役的工況，如用作高壓電力電纜管材、輸送熱流體管材等，此類產品需同時受熱和外在填埋覆土的能力，因此在相關標準[7]中要求在80 ℃下產品環段熱壓縮力須達標。

由于氯化聚氯乙烯的耐熱性遠優于硬質聚氯乙烯，測試2種試樣的環段熱壓縮力，其結果見表1，可知對于壁厚相近的2種管材，CPVC管材的結果遠高于PVC管材，因此，這個項目也可以用來區分產品的真偽。

2.5 密度

由于氯化聚氯乙烯是通過Cl原子取代了原分子鏈上的H原子，故氯化后的分子量有所提高，樹脂的密度也有所提高。一般而言，聚氯乙烯的樹脂密度約1.4 g/cm3，氯化聚氯乙烯的密度為1.5～1.6 g/cm3。對于管材產品由于均會添加必要的加工助劑，對1#和2#試樣，通過馬弗爐煅燒測試2者的灰分，1#試樣的灰分約10%，2#試樣的灰分不到2%。

3 結論

從以上試驗結果和分析可見：管材的紅外光譜在波數為616 cm-1、685 cm-1和1250 cm-1處存在強吸收峰、高于90 ℃的維卡軟化溫度、高于50 MPa的拉伸強度可作為鑒別氯化聚氯乙烯（CPVC）管材的重要依據，如果將紅外光譜、拉伸強度、維卡軟化溫度、環段熱壓縮力等幾種測試方法聯用，分析結果更為準確、鑒別結果更為可靠。