塑料供水管系统的设计与环境.doc

塑料供水管系统的设计与环境王建民* 史贞（齐鲁石化公司树脂研究所 淄博255400）摘要 从环境科学的角度讨论了塑料管材供水系统，对在供水系统中使用交联高密度聚乙烯管材及铝塑复合管材提出异议。关键词 塑料 供水管 环境System Design of Plastic Pipes for Water Supply and Environment Abstract Plastic pipes for water supply was discussed from the point of environmental science, and the objection of the HDPE-X pipes and Plastics-Aluminum-Plastics pipes used in water supply was raised.1 前言 1998年以来，各地在贯彻落实国家化学建材推广应用“九五”计划和2010年发展规划纲要及关于加速推广应用化学建材和限制、淘汰落后产品的规定的工作中，结合本地区的实际情况，积极推广各种塑料管及塑料复合管以替代影响居民饮用水质量的镀锌给水钢管，取得了长足的进展。许多文章也都从不同的角度对塑料管及塑料复合管进行了分析。但笔者认为，在引入一种新的供水系统时，也应从“系统与环境”的角度加以分析。2 环境对塑料工业的基本要求废弃原始资源被利用阶段 人类的加工活动 多次利用 自然环境 受人类影响后的环境图1 人类对自然资源的利用 图1给出的过程可以包括迄今为止人类对自然的所有索取过程。例如人类对动植物资源、矿石资源、石油及天然气资源的利用等。从现有的情况看,人类的活动除了加速了自然资源的消耗外, 许多活动（主要是工业活动）还改变了人类赖以生存的地球生态环境并造成了不可逆转的影响。这就对现代工业提出了新的要求：重视“系统与环境”的关系。 新兴的工业项目,在产品的设计阶段就必须考虑最大限度地利用地球上的现有资源,使原始资源在被人类利用的过程中, 尽可能被多次使用, 尽可能延长每一个使用阶段的使用周期, 尽可能延缓从地球的原始资源到被人类最终遗弃返还自然的过程, 并且尽可能使这种“遗弃”、“返还”对自然界的生态平衡影响减少到最低水平。在国际聚合物加工学会第14界年会(PPS-14)上,日本Toyota汽车公司的A.Morita在大会报告上提出:“在聚合物设计阶段就应考虑使用后的回收利用问题”,即“为回收利用而设计”, 尽可能的研制使用易于回收利用的材料。天然的或有机合成的高分子材料与无机及金属材料不同, 它具有双重使用价值, 既可以作为工业材料又可以作为燃料, 因此塑料的回收应从这两个领域考虑。 从“系统与环境”考虑, 可以将人类对塑料的开发利用过程, 进一步设计为图2所示的过程。从图2可见, 塑料制品从产生到最终被废弃, 可以被多次多级利用。首先，在产品设计时应尽可能地考虑如何增加制品的使用寿命以及一级再利用的可能性。例如某些容器的反复使用；其次应考虑作为制品的原材料树脂的再生利用，而且再生利用的次数越多越好。当然，二级利用的过程不一定是同一层次的重复使用，可能伴随材料性能的下降而“降挡”使用；第三，由于反复使用的结果, 树脂的物性终究会老化变质, 直到最终不能作为材料使用时, 可以在分拣后进行裂解，转变成单体或其他化学品进入第三级再利用阶段。 当产品进入废弃阶段时, 随用随弃方式已造成自然界的白色污染而引起人们的严重关注；简单的焚烧处理虽然可以减少白色污染, 但焚烧所产生的大气污染及能量的浪费也被视为应被废止的遗弃手段；掩埋实质上可能是一种污染延缓及转移。相当多的塑料由于极高的分子量以及其良好的化学稳定性, 实质上长时间内很难分解。因此, 一方面由于将继续污染环境，另一方面由于其密度低体积大, 掩埋时要占有大块的土地, 造成掩埋成本的增加而逐渐被人们淘汰。 目前，塑料的回收利用形势不容乐观。据APME1993年对西欧的统计, 全年共消耗塑料2240万吨, 产生1620万吨废物, 共回收330万吨,回收率21%, 在这21%的比例中, 15%作为能量回收, 6%作为再生利用, 0%裂解循环使用，可见水平之低。为保护环境，充分利用资源，中华人民共和国固体废物污染环境防治法已于1996年开始实施, 其遵循的主要原则是：“对固体废物污染防治实行减量化、资源化和无害化, 使固体废物不产生、少产生, 产生的固体废物, 在生产过程中尽可能地回收、循环再利用或作为另一种生产原料；通过各种处理、处置方式使暂时不能利用的固体废物完全没有污染的进入环境”。因此，塑料供水管系统的选择应充分考虑将来的回收及利用。随用随弃 焚烧 三级再利用 二级再利用 一级再利用 制品掩埋树脂单体资源受控焚烧能量利用 多次多级应用阶段 废弃阶段图2 从“系统与环境”考虑人类对塑料的开发3 对可用于塑料供水管系统的分析目前在供水系统中可以考虑的塑料管材及塑料复合管材主要有硬聚氯乙烯管（PVC-U管）、高密度聚乙烯管（HDPE管）、交联高密度聚乙烯管（HDPE-X管）、铝塑复合管、聚丙烯管（PP管）、骨架增强塑料管等, 以下分别对这些管材加以分析。3.1 PVC-U管 PVC-U管作为上水管具有很好的优势, 它以优良的机械性能及化学稳定性可作为供排水塑料管系统的首选材料。在一些发达国家PVC-U管材的消费已占塑料管材市场的80%。而PVC-U管材的消费结构如表1所示。从表1可见，PVC-U供水管占有很高的比例。从 “系统与环境”考虑, 对PVC-U管材来说，氯乙烯单体（VCM）的毒害，一直是人们关注的问题。目前国内外均有“卫生级”PVC供应, 它的基本要求是要求VCM的含量小于某一定量, 满足此要求的PVC树脂应可用来加工供水管。加工成管材后, 其VCM含量更会大大下降（按照GB/T10002.1-1996 “供水用硬聚氯乙烯管材”规定, 管材中VCM含量应不大于1.0mg/kg）。因此只要选择VCM含量低, 达到“卫生级”的树脂, 便可不必考虑VCM对水质的污染。 对PVC管材的助剂体系应慎重选择, 含铅的稳定体系不仅在上水管应坚决禁用(因其可对饮用水造成污染), 即使在排水管也应杜绝使用。主要原因是在管材的加工、回收再利用以及最终废弃过程, 无论是重新裂解还是作为能量再利用的焚烧过程,“铅”污染仍旧是严重的。尽管含铅的助剂具有无与伦比的热稳定效果及最低的成本, 但是考虑从管材的加工到最终被废弃的整个过程, 含“铅”助剂应被禁用。某些有机锡稳定剂也存在质疑。许多加工厂家为改善加工性能, 喜欢在配方中加入少量增塑剂。这种“习惯”应予以纠正。目前市售的PVC树脂, 无论是进口的还是国产的, 只要你选应该使用的牌号, 其加工性能绝大多数是十分优良的。若辅以某些加工助剂(例如丙烯酸酯类), 完全可以加工出外观、性能均十分优秀的管材。少量的增塑剂存在, 由于可能存在的“反增塑”效应, 将会大大降低管材的使用寿命, 也会给树脂的回收以及以后的重复使用带来问题。 由于PVC树脂耐温性不佳,所以PVC管材不能做热水管, 这是PVC管材作为供水管的缺陷。 表1 国外PVC-U管材的消费结构消费结构供水管下水管排污管灌溉管煤气管其它比例 %3322.315.75.20.8233.2 HDPE管材 在塑料管材领域, PE管材是继PVC管材之后的另一大类。HDPE以其优良的机械性能获得广泛的应用。其最成功的领域莫过于在燃气传输领域的应用。PE管材无毒、使用寿命很长,在稳定体系得当的前提下,可以多次反复加工使用,当其达到最终寿命时还可以重新裂解成单体或其他化学品,因此从“系统与环境”角度考虑，PE管应是很好的选择。但由于其强度较低,在传输介质的压力较高时（使用压力大于1.0MPa时*）, 其应用要特别慎重。在PE材料家族中, 综合性能较好的当属具有较高分子量(其MI0.1为佳)的HDPE树脂。 当前应用HDPE制造管材时值得重视的问题是加工厂对其稳定体系的忽略，笔者在研究其稳定性能时发现，热稳定剂的用量对HDPE管材的使用性能及寿命影响很大。由于它不象PVC材料那样更多地依赖助剂，所以很多加工厂在用市面购得树脂加工管材时，往往为了降低成本而减少甚至不加入热稳定助剂，其结果是不但影响其产品的寿命，而且影响PE材料的再利用。因此从“系统与环境”考虑，管材加工厂不应仅顾“小利”而失“大义”,应加入足量的热稳定剂。 PE材料耐温性能不好，不能作为热水管而使用，这也是PE管材应用的局限性。为改善PE材料的耐温性能，人们通过交联技术使其改性。交联对PE材料的力学强度贡献不大, 但可大大提高其耐温性能及抗应力开裂性能。所以在镀锌铁管在供水管系统中受到限制之后，近来对交联PE管的应用呼声骤起。笔者认为，对此有关部门应慎重考虑。从现有交联技术看, 在生产过程中产生的废品因已形成“不溶不熔”的网状结构，因此很难再重新粉碎后加以使用，这就提高了生产成本。另外从“系统与环境”要求考虑, 交联聚乙烯管不可能重复利用，管材报废后除了有报道可以经粉碎充分细化后作为填料再加入聚乙烯使用外，只能送去裂解进入三级利用。所以，笔者认为不应该在上水管/热水管系统大力推广使用交联聚乙烯管。3.3 PP管材 尽管PP早已问世, 但是用PP管材加工输水管材,也不过十年时间。这主要是因为生产用做管材级的PP树脂有一定的难度。PP管材由于其优异的性能，特别是相对PVC、PE而言，不仅具有较高的强度，还具有一定的耐温性能。它同样具有PE材料的可多次利用性。所以它是目前在供水/热水管系统最有应用前景的材料。用做供水管的材料最好是PP-R树脂。目前随着PP管材供水系统逐渐被人们的认可, 市面上出现许多据说可以加工管材的聚丙烯树脂，并冠以PP-C、PP-Z等名称。笔者至今未能搞清这些厂家使用“C”、“Z”字母的真正含义。早期曾有厂家将PP分成PP-H （Polypropylene-homopolymer，均聚聚丙烯）与PP-C（Polypropylene -copolymer，共聚聚丙烯）。后来，随着聚合工业的发展，又出现了PP-R（Polypropylene random- copolymer，无规共聚聚丙烯）虽然PP-R也属于共聚聚丙烯，但当时还没有PP-R问世，因此那时所指的PP-C实际应是PP-B（Polypropylene block- copolymer，嵌段共聚聚丙烯）。目前市面上存在的PP-C可能为此物。商家混淆概念自有其用意，厂家购买时应进一步追问是否是PP-R。更糟糕的是，有些厂家仅从商业目的考虑并没有采用从反应装置出来的PP-R材料, 而是采取用均聚聚丙烯(PP-H)、嵌段共聚聚丙(PP-B)、三元共聚聚丙烯、聚乙烯共混得到一个复杂的PP管材料, 也将其称为PP-C (Polypropylene compound，聚丙烯共混物)。我们知道多相体系特别是相容性不好的多相体系,往往是不稳定体系,很难具有较长的使用寿命。采用PP与PE共混制得的管材其使用寿命不得而知, 管材应用厂家选材时应慎重考虑。另外,笔者认为针对PP供水管/热水管的标准还不够成熟, 特别是对PP材料的ESCR性能并未充分给予重视。这也会给PP管材的应用带来隐害。PP材料与PE相同, 在加工过程中人们往往易忽略其稳定体系。大多数PP在加工及存储过程中易发生降解反应, 因而导致其力学性能下降。与PE相比, 它对光降解更为敏感。所以用PP加工管材时, 必须加入足量的抗氧剂及抗紫外剂, 否则其使用寿命及重复利用的次数将大大下降。3.4铝/塑复合管 作为一种新型复合管材，铝/塑复合管无疑是一种颇具特点的优秀管材。它可以是内外壁都是PE(以HDPE居多),也可以是内壁是交联聚乙烯，外壁是未交联聚乙烯。当然，作为铝/塑复合管，原则上说塑料材料还可以是PP或其它材料。但从“系统与环境”考虑，铝塑复合管存在许多致命的弱点，应引起有关部门的重视。其弱点之一，回收困难。按照铝塑复合管的要求, 为保证铝层与塑料层之间具有足够的粘合力，需要加入粘合剂层。这就给人们对塑料与铝的分离造成困难。另外，即便将来开发出将塑料皮与铝皮分离的方法，由于粘合剂的混入也会对塑料层的二级利用带来困难。目前尚未见有可以良好回收再利用的报道。因此,笔者认为在取代镀锌铁管用于供水管/热水管系统的竞争中, 对目前一轰而起的铝/塑复合管应给予冷静的分析。3.5 金属骨架增强复合管由哈工大、航天工业部开发技术而制备的金属骨架增强塑料管是目前塑料管材中一种最新型的管材,笔者认为也是极具发展潜力的管材种类。尽管,目前已有的金属骨架增强管,金属骨架是由铁丝/或带孔铁皮制成,塑料是高密度聚乙烯, 但原则上讲还可以由其它材料复合而成。仅目前的铁丝/高密度聚乙烯复合管材而言,它已具备相当的优点:由聚乙烯材料提供的良好传输性能、抗垢防腐防霉性能；由铁丝提供的良好的力学性能、耐温性能及尺寸稳定性。已经设计开发了这种管材的回收利用工艺，使管材在二级阶段可以多次使用，符合“系统与环境”的要求。4 结论与建议从“系统与环境”要求，分析目前已有的塑料管材，认为在供水管体系中，若不考虑传输热水，不考虑更高的耐压，应以PVC-U、PE、PP为首选；若过于看重PVC-U可能产生的毒性