TỔNG QUAN VỀ SẢN XUẤT ỐNG U-PVC

1.      Bột PVC

Sự tiến bộ về công nghệ trên thế giới hiện nay đã dẫn đến việc sử dụng polyvinyl clorua (PVC) hầu như trong tất cả các ngành công nghiệp và trong cuộc sống. Sự ra đời của polyvinyl clorua (PVC) trong sản xuất đường ống là một phát kiến vĩ đại trong vận chuyển nước mà không sợ bị ngộ độc chì gây ra bởi ống dẫn tráng chì được sử dụng trong vận chuyển nước uống trước đây. Polyvinyl clorua (PVC) cũng được sử dụng trong cáp điện và vỏ thiết bị điện. Các loại đồ chơi, ván lát sàn, giầy, vỏ điện thoại và một số loại quần áo đặc biệt đều được làm bằng các sản phẩm polyvinyl clorua (PVC).

Nhựa Polyvinyl clorua, thường được viết tắt bằng PVC, là một polymer nhiệt dẻo với cấu trúc mạch thẳng tương tự như polyethylene trong đó nguyên tử hydrogens của nó được thay thế bằng một nguyên tử clorua.

Nhựa PVC thường trong suốt và có màu xanh nhạt. Dễ bị tác động bởi dung môi hữu cơ nhưng có khả năng kháng dầu tốt và có tính thẩm thấu khí thấp. Nhựa Polyvinyl chloride (PVC) nguyên sinh không có khả năng gia công do độ ổn định nhiệt và độ nhớt cao.

Các vật liệu được gọi là chất phụ gia cần phải được thêm vào dưới các hình thức khác nhau để cải thiện tính chất vật liệu. Độ bền vật liệu phải được ưu tiên tối đa trong quá trình sản xuất, để kéo dài tuổi thọ dài trong quá trình áp dụng. Do hiệu quả về chi phí thấp, nên nhựa PVC là loại vật liệu được sử dụng nhiều thứ hai sau polyethylene (PE).

Trên thị thường có sẵn nhiều loại nhựa polyvinyl clorua (PVC) và chất lượng khác nhau. Chất lượng phụ thuộc vào chất phụ gia được pha trộn trong quá trình sản xuất, sử

dụng và lĩnh vực áp dụng. Thông thường có ba loại nhựa polyvinyl clorua theo đặc trưng vật liệu:

• Unplasticized polyvinyl chloride (UPVC): Polyvinyl clorua không hóa  dẻo (UPVC hay PVC-U) là loại nhựa PVC phổ biến nhất được sử dụng trong lĩnh vực xây dựng. Nó được sử dụng nhiều trong lĩnh vực sản xuất ống và phụ tùng, các sản phẩm xây dựng khác như khung cửa sổ, cửa đi, chai nhựa, bao gói thực phẩm và ván lát sàn. Đây là loại vật liệu có tính cứng và rắn tự nhiên, độ bền kéo đứt xấp xỉ khoảng 52MPa tại 20^oC (theo giới hạn yêu cầu trong tiêu chuẩn TCVN 8491 >45MPa) và không bị tấn công bởi hầu hết các loại hóa chất. PVC-U thông thường có thể sử dụng tại nhiệt độ 60^oC. Giới hạn nhiệt độ thực tế phụ thuộc vào ứng suất và điều kiện môi trường áp dụng.
• Chlorinated polyvinyl chloride (PVC-C): Nhựa PVC clo hóa, đây là loại nhựa nhiệt dẻo có tính năng cao nhờ vào việc clo hóa nhựa polyvinyl clorua (PVC) làm tăng hàm lượng clo từ 56,8% khối lượng lên đến 63-69% khối lượng. PVC-C có tính chất vượt trội so với PVC thông thường đặc biệt là đặc tính cơ học, khả năng chống cháy, chống ăn mòn cao. Nhựa PVC-C được sử dụng trong phạm vi rộng như sử dụng dẫn nước nóng và lạnh trong nhà và lợi ích kinh tế lớn từ PVC-C đã làm cho vật liệu này được sản xuất với quy mô lớn.
• Oriented polyvinyl chloride (PVC-O): là loại nhựa PVC định hướng lại mạch các phân tử polymer theo đường kính hoặc chu vi. Bởi vậy sẽ tạo ra tính chất vật liệu cao theo hướng chu vi cho nhựa PVC. Độ bền kéo của nhựa PVC-O sẽ tăng gấp đôi so với PVC-U.

Yêu cầu đối với bột PVC phụ thuộc vào bản chất và ứng dụng vật liệu, thông thường theo yêu cầu phân loại vật liệu thì bột PVC cần kiểm soát các tính chất sau:

+ Trọng lượng phân tử (Molecular Weight): Trọng lượng phân tử có thể được đánh giá thông qua độ nhớt của dung dịch (dung dịch 0,5% PVC trong cyclohexanon tại 25^oC) hay K-value. Khối lượng phân tử của bột PVC là thông số quan trọng liên quan tới tính chất vật lý và khả năng gia công của polymer, thông thường hệ số K-value cao thì đặc tính cơ học cao tuy nhiên khó gia công và ngược lại. Giá trị K-value để gia công ống chịu

Mối quan hệ giữa hệ số K và khối lượng phân tử M

+ Phân tích sàng (Sieve Analysis): Phân tích kích thước hạt để đảm bảo không tồn tại hạt quá lớn làm ảnh hưởng đáng kể đến khả năng gia công

+ Tỷ trọng khối (Bulk Density): Tỷ trọng khối là khối lượng trên một đơn vị thể tích bột PVC, tính chất này liên quan tới hình dạng và phân bố kích thước hạt của bột PVC. Tỷ trọng khối cao thì hiệu quả điền đầy cao và phù hợp với việc tối đa hóa đầu ra trong các thiết bị gia công;

+ Độ hấp thụ chất hóa dẻo: Lượng chất hóa dẻo được hấp thụ là một hàm của kích cỡ hạt, diện tích bề mặt và độ rỗng của hạt PVC. Khả năng hấp thụ chất hóa dẻo của nhựa PVC là một thông số quan trọng để đánh giá khả năng trộn khô với thành phần chất hóa dẻo. Độ rỗng của hạt PVC có thể được kiểm tra bằng kính hiển vi quang học hoặc độ thấm thủy ngân.

+ Độ chảy khô: khả năng chảy của bột PVC qua phuễ là một thông số quan trọng trong quá trình gia công và có thể đánh giá độ chảy của bột thông qua phễu tiêu chuẩn.

2.      Các loại phụ gia và vai trò của chúng

Nhựa PVC nguyên chất không thể sử dụng trong bất kỳ ứng dụng nào. Sự mở rộng và đa dạng hóa về khả năng ứng dụng loại nhựa này là do việc sử dụng các chất phụ gia khác ngoài nhựa polymer. Các cấp phối PVC được thiết kế dựa trên khối lượng các thành phần cho vào hỗn hợp so với 100 phần nhựa.

Thành phần phụ gia rất khác nhau phụ thuộc vào ứng dụng của PVC. Phụ gia có thể kiểm soát hoặc thay đổi tính chất cơ học, ổn định nhiệt, mầu sắc, độ trong và tính chất nhiệt của vật liệu PVC trước khi sử dụng theo những điều kiện yêu cầu.

Các loại phụ gia sử dụng trong công nghệ sản xuất PVC thường bao gồm: Chất hóa dẻo (Plasticizers); Chất ổn định (Stabilizers); Chất bôi trơn (Lubricants); Trợ gia công (Process Aids); và Bột độn (Fillers). Một số các chất phụ gia khác cho các ứng dụng đặc biệt như Chất cải thiện độ va đập (Impact modifiers); Bột mầu (Pigments); Chất gia cường (Reinforcement); Tác nhân chậm cháy (Flame retardant); và chất trợ tương hợp (Compatibilizers);

Tất cả các loại ứng dụng UPVC hay PVC cứng đều chứa tối thiểu hai loại phụ gia là chất ổn định và chất bôi trơn. Loại phụ gia và tác dụng của phụ gia như sau:

Phụ gia	Ảnh hưởng tới tính chất PVC
Chất ổn định	Ngăn ngừa sự phân hủy trong quá trình gia công, tác động của ánh sáng và bức xạ UV và kháng thời tiết
Bột màu	Tạo màu, kháng thời tiết
Chất hóa dẻo	Cải thiện tính chất vật liệu: khả năng thi công và độ mềm dẻo
Cải thiện va đập	Cải thiện độ bền va đập và tính chất cơ học khác

Chất bôi trơn	Cải thiện tính lưu biến của PVC chảy, độ trong, bóng, bề mặt hoàn thiện và khả năng in
Bột độn	Cải thiện tính chất điện và cơ học
Chất chậm cháy	Cải thiện đặc trưng cháy
Tác nhân chống tĩnh điện	Cải thiện tính chất điện

2.1  Chất hóa dẻo

Chất hóa dẻo là những chất mà khi thêm vào nhựa PVC làm cho vật liệu mềm dẻo, linh hoạt và dễ dàng hơn để xử lý phù hợp theo mục đích sử dụng. Ví dụ chất hóa dẻo phthalates và adipates, làm tăng khoảng cách giữa các phân tử polymer.

Nhựa Polyvinyl clorua (PVC) cứng ở nhiệt độ thường do khoảng cách giữa các phân tử ngắn và lực liên kết giữa các phân tử lớn. Khi nung nóng ở nhiệt độ cao, năng lượng chuyển động phân tử cao hơn lực liên kết phân tử và làm mở rộng khoảng cách phân tử, kết quả là làm mềm nhựa.

Còn khi cho thêm chất hóa dẻo vào polyvinyl clorua (PVC) trước khi gia công, các phân tử chất hóa dẻo sẽ đi vào mạch polyvinyl chloride (PVC) và điều này ngăn các phân tử polyvinyl clorua (PVC) tiến lại gần nhau hơn.

Các phân tử polyme được giữ xa nhau ngay cả ở nhiệt độ thường và độ mềm dẻo của vật liệu sẽ được duy trì. Quá trình trên được gọi là quá trình dẻo hóa vật liệu. Khi sử dụng chất hóa dẻo quá cao sẽ làm giảm cường độ kéo và độ giãn dài vật liệu. Độ bền kéo yêu cầu tối thiểu >45MPa và độ giãn dài khi đứt tối thiểu >80%, do đó cần sử dụng tỷ lệ chất hóa dẻo phù hợp.

Chất hóa dẻo phthalate được sử dụng phổ biến trong công nghệ sản xuất PVC, tuy nhiên đây là những hợp chất được biết đến như là một chất có tiềm năng gây ung thư cao và độc hại với sức khỏe con người. Do đó những năm gần đây chất hóa dẻo phthalate đang được quy định cấm sử dụng trong các sản phẩm PVC sử dụng trong xây dựng trong đó có lĩnh vực sản xuất ống nước.

2.2  Chất ổn định

Chất ổn định là thành phần ngăn cản phản ứng dây chuyền của quá trình phân hủy polyvinyl clorua (PVC). Nó cũng giúp chống lão hóa thời tiết, lão hóa nhiệt, bức xạ mặt trời và có ảnh hưởng mạnh đến các đặc tính vật lý của vật liệu polyvinyl clorua (PVC) khi gia nhiệt lên trên 80 °C.

Khi polyvinyl clorua (PVC) được gia nhiệt đến 170-180 °C, các phân tử clo và hydro bị khử hydrogen chloride được giải phóng và phân hủy. Quá trình phân hủy làm trúc không ổn định, dẫn đến đẩy nhanh quá trình khử và phân hủy hydrogen chloride (HCl).

Trong quá trình đùn và đúc khuôn, polyvinyl clorua (PVC) được gia nhiệt đến trạng thái nóng chảy. Cần ngăn chặn việc khử hydrogen chloride do nhiệt, do vậy chất ổn định (thường là các hợp chất kim loại) rất quan trọng để tránh phản ứng phân hủy dây chuyền. Chất ổn định thường ở dạng hỗn hợp với các thành phần chính là xà phòng kim loại (trialkyl-phosphites, BHT, pentaerythritol) , muối kim loại (calxi và kẽm stearat, chì sulphat và chì phosphate) và hợp chất hữu cơ kim loại (mono-, dioganno thiếc, thiếc thioglycolate).

Tác động phân hủy thường gồm: sự biến đổi màu do quá trình hình thành polyen, khí axit (HCl), bọt khí do các sản phẩm khí sinh ra, các vệt vật liệu bị phân hủy trong suốt quá trình gia công, giảm độ bền cơ học/điện và sự tấn công của các khí ăn mòn tới thiết  bị gia công và người vận hành. Cơ chế chất ổn định tác động đến quá trình phân hủy bao gồm các tác động dưới đây:

• Phản ứng với hydro clorit;
• Thay thế các cấu trúc yếu bằng các nhóm ổn định hơn;
• Giải phóng các chất dễ phân hủy vô hại;
• Làm gián đoạn cấu trúc polyen liên hợp;
• Vô hiệu hóa hoặc loại bỏ các phần nhựa không tinh khiết hoặc tạp chất;

Chất ổn định PVC có thể được phân thành ba loại chính: Ổn định nhiệt sơ cấp  (thường là muối chì, muối kim loại nặng và các hợp chất hữu cơ thiếc); Chất ổn định nhiệt thứ cấp (các hợp chất hữu cơ, phosphor hữu cơ và epoxy); Chất ổn định ánh sáng (các hợp chất cadimi, thiếc và phosphor hữu cơ,…)

Các chất ổn định sơ cấp có thể được kết hợp với một ít chất ổn định thứ cấp để tạo ra hiệu quả tương hỗ nhau, những chất ổn định sơ cấp thường có hiệu quả cao, chi phí thấp và linh hoạt và một số muối chì có thêm hiệu ứng như chất bôi trơn. Hệ chất ổn định chính  thường  sử  dụng   trong   công   nghệ   sản   xuất   ống   PVC   là   hệ   tribasic   chì sulphate (TBLS: 3PbO. PbSO₄. H₂O) thường được sử dụng trong công nghệ đùn hai trục, hệ muối chì stearate (NLSt: Pb(CH₃(CH₂)₁₆COO₂)) thường được sử dụng kết hợp với các muối chì khác áp dụng như một chất bôi trơn ngoại.

2.3  Chất bôi trơn

Chất bôi trơn đóng một vai trò quan trọng trong cách thức gia công polyvinyl clorua (PVC). Chất bôi trơn ngăn ngừa hư hại trong quá trình gia công nhựa polyvinyl clorua (PVC) và trong suốt quá trình đúc khuôn.

Nó luôn luôn được áp dụng cho vật liệu hoặc cho máy để cho phép gia công mà không gây ra bất kỳ hư hại nào và cải thiện tốc độ  chảy của vật liệu nhựa nóng chảy. Hầu hết các thông số như mức tiêu hao năng lượng của thiết bị, áp suất để vật liệu nóng chảy trong máy, tốc độ sản xuất, sự phân tán bột màu và chất độn của polyvinyl clorua (PVC) gel hóa vv, phải được lưu ý.

Tất cả những điều này trực tiếp đóng một vai trò quan trọng trong việc lựa chọn đúng loại, tạo ra sự kết hợp tốt nhất và tối ưu lượng chất bôi trơn. Việc sử dụng chất bôi trơn sẽ mang lại các hiệu quả trong quá trình gia công PVC như: tạo thuận lợi cho quá trình gia công PVC, sản lượng lớn hơn, hạ nhiệt độ và hiệu ứng cắt đồng thời cải thiện bề mặt sản phẩm.

Phối liệu không tốt có thể dẫn đến sản phẩm chưa đạt hoặc vượt quá điểm nóng chảy tạo ra tính chất vật lý kém và bề mặt hoàn thiện kém. Việc kết hợp các chất bôi trơn nên được điều chỉnh tùy theo cấp phối và thiết bị gia công. Chất bôi trơn thường chia thành hai nhóm chính: bôi trơn nội và bôi trơn ngoại

• Chất bôi trơn ngoại: Những hợp chất này sẽ cung cấp một lớp bôi trơn giữa lớp polymer nóng chảy với bề mặt kim loại nóng. Hiệu quả của loại chất bôi trơn này phụ thuộc vào khả năng bám dính thấp của chúng đặc biệt trong điều kiện vận hành và lớp màng tại biên mạnh. Cấp phối thiếu hoặc dư chất bôi trơn có thể dẫn tới dính khuôn, nóng chảy kém, giảm tính chất, giảm khả năng trượt và bề mặt xấu. Chất bôi trơn ngoại

như sáp paraffin (công thức cơ bản C₅₀H₁₀₂) hoặc Polyethylen. Chất bôi trơn ngoại ảnh hưởng của chiều dài mạch hydrocarbon, nhánh hoặc chóm chức. Sử dụng lượng chất bôi trơn ngoại quá nhiều sẽ làm đục nhựa và hiện tượng tách lỏng.

Một số loại chất bôi trơn

• Chất bôi trơn nội: Loại phụ gia này về cơ bản khác chất bôi trơn ngoại do hiệu ứng giảm ma sát nội trong quá trình nóng chảy tại nhiệt độ gia công. Đặc trưng của chất bôi trơn nội là tăng độ tương hợp với PVC và hạn chế ái lực với bề mặt kim loại nóng. Chúng có tác dụng giảm nhiệt thiết lập để đạt nhiệt độ chảy mềm và giảm độ nhớt nhựa chảy mềm. Trong khi chất bôi trơn ngoại thường kìm hãm sự nóng chảy dẫn đến ảnh hưởng đến thời gian trộn, thì những loại chất bôi trơn nội thường không ảnh hưởng đến tốc độ nóng chảy hay có tính xúc tiến nóng chảy nhẹ. Chất bôi trơn nội

Các chất bôi trơn thương mại có nhiều loại với công thức hóa học đa dạng, tuy nhiên chất bôi trơn có thể được phân thành các nhóm sau:

• Các chuỗi phân tử hydro cabon mạch thẳng: sáp paraffin hoặc hydrocacbon

• Các chuỗi phân tử hydro cabon mạch thẳng với đầu là nhón phân tự: ester của axit béo và axit béo
• Các chuổi phân tử hydro cabon với phân tử trung tâm phân cực: Sterat kim loại

Các chất bôi trơn mạch cacbon thẳng là các chất bôi trơn ngoại. Các mạch phân tử cacbon thẳng có đầu mạch là nhóm phân cực cho vào nhóm chất bôi trơn nội. Việc nghiên cứu cấp phối đưa ra được tỷ lệ tối ưu phụ thuộc nhiều vào kiến thức thực tế chứ không phải các lý thuyết khoa học

2.4  Bột độn

Bột độn là các vật liệu hoặc thành phần tự nhiên được sử dụng để cải thiện cường độ, tính chất làm việc, độ bền và giảm chi phí vật liệu trong sản xuất polyvinyl clorua (PVC). Nó làm tăng tỷ trọng khối vật liệu polyvinyl clorua (PVC) thường ở dạng khoáng. Nó cũng làm tăng độ dẫn nhiệt của nhựa polyvinyl clorua (PVC) để vật liệu nóng lên và nguội xuống nhanh chóng.

Có nhiều loại bột độn trong công nghệ sản xuất PVC: bột gỗ, bột cacbon, graphit, amiang, sợi thủy tinh, canxicacbonat, clay, bột talc, bột thạch anh, silicat,… Trong đó  bột canxi cacbonat được sử dụng phổ biến nhất trong công nghệ sản xuất PVC. Các đặc tính yêu cầu đối với bột độn PVC phụ thuộc vào mục đích sử dụng, tuy nhiên cần đáp ứng một số tiêu chí sau:

• Cải thiện tối đa hoặc không ảnh hưởng tới tính chất vật liệu;
• Độ ẩm thấp
• Khả năng thấm ướt với polymer nền tốt
• Không có tạp chất
• Tỷ trọng phù hợp
• Giá thành thấp có có sẵn
• Không cháy
• Không gây mùi và màu phù hợp
• Có thể kiểm soát được kích thước và phân bố kích thước hạt

• Đặc tính gia công và phân tán tốt
• Độ hòa tan trong nước thấp và hấp thụ chất hóa dẻo thấp.

Bột canxi cacbonat tráng phủ là loại bột độn được sử dụng rộng rãi do chi phí thấp, sự phong phú, tính chất không độc hại và sự linh hoạt trong việc kiểm soát phân bố kích thước hạt. Nhược điểm của loại bột độn này: dễ bị tấn công bởi axit, ở nhiệt độ cao canxi cacbonat phân hủy, ít hoặc không có tính chất gia cường, độ ẩm tương đối cao, độ cứng thấp. Để tăng cường các ưu điểm của bột độn canxicacbonat thì bột độn phải được tráng phủ điển hình là phủ axit stearic hoặc canxi stearat bằng máy trộn tốc độ cao. Lý do chính trong việc tráng phủ bột canxi cacbonat là:

• Giảm hấp thụ dầu và chất hóa dẻo;
• Giảm tính hút nước
• Tăng độ ổn định nhiệt
• Giảm sự kết khối bột độn
• Hỗ trợ gia công
• Tăng độ thấm ướt với nền PVC

Khi tăng lượng sử dụng bột độn chỉ làm tăng độ cứng của ống và làm giảm độ bền kéo và độ giãn dài khi đứt của vật liệu do đó không được sử dụng quá nhiều bột độn sẽ làm vật liệu giòn.

2.5  Phụ gia cải tiến va đập

Nó cho phép các vật liệu hoặc sản phẩm polyvinyl clorua (PVC) hấp thụ các cú đập và chống lại va đập mà không gây nứt hoặc vỡ của vật liệu hoặc sản phẩm khi ứng dụng. Nó cung cấp cho vật liệu hoặc sản phẩm đủ độ cứng để ngăn chặn sản phẩm chịu mỏi, chịu uốn và chịu võng khi sử dụng trong điều kiện bình thường.

Các chất cải tiến va đập thường bán tương thích với PVC và thường trên cơ sở vật liệu cao su bao gồm:

• Acrylonitrile/butadiene/styrene (ABS)
• Methyl methacrylate/butadiene/styrene (MBS)
• Acrylic và các chất biến tính Acrylic (ACR)
• Ethylene vinyl acetate (EVA)
• Chlorinated polyethylene (CPE)

2.6  Bột màu

Bột mầu sử dụng để tạo ra màu sắc cho vật liệu và sản phẩm nhựa khác nhau trong quá trình sản xuất. Chúng là các hạt rất nhỏ phải được trộn đều với hợp chất nóng chảy trong máy đùn để đạt được yêu cầu về màu sắc. Bột mầu có nhiều dạng và chủng loại khác nhau phụ thuộc vào sự lựa chọn của khách hàng. Các dạng chính: bột màu, hạt mầu, mầu lỏng hoặc rắn ở dạng bột. Bề mặt cũng có thể được phủ hoặc in sau khi tạo hình.

2.7  Trợ gia công

Loại phụ gia này được sử dụng để cải tiến vật liệu PVC trong quá trình gia công bằng cách tăng tốc độ chảy. Chất bôi trơn có thể được thêm vào , chất bôi trơn nội giúp cải thiện tốc độ chảy của vật liệu và làm giảm độ nhớt và tốc độ tiêu hao nhiệt

2.8  Gia cường

Được sử dụng để gia cường cải thiện tính chất cơ học của PVC như độ bền kéo, bền uốn và độ cứng của vật liệu.

2.9  Phụ gia chậm cháy

Những chất phụ gia này ngăn chặn khả năng bắt cháy và cháy lan của vật liệu chất dẻo trong quá trình cháy hoặc phát sinh tia lửa điện. Vật liệu PVC cơ bản có tính chậm cháy cao vì hàm lượng clo trong vật liệu. Chất chậm cháy thường được sử dụng trong PVC là Alumina trihydrate (Al (OH)₃).

2.10       Chất trợ tương hợp

Những chất trợ tương hợp cho phép PVC có thể trộn với các chất dẻo khác nhau. Nó mang lại sản phẩm đồng nhất, không phân tách thành các thành phần khác nhau. Chất trợ tương hợp làm giảm sức căng bề mặt tiếp giáp giữa các pha vật liệu.

3.      Cấp phối sản xuất ống cơ bản

Nguyên liệu (% theo PVC)	Ống cấp nước	Ống thoát nước thành đặc	Ống thoát nước thành kết cấu
Bột PVC	100	100	100
Phụ gia ổn định	0.69	2.26	0.57
Sáp parafin	1.38	1.65	1.12
Bột độn CaCO3	5.51	9.59	17.65
Canxi Stearate	0.72	0.70	0.84
Sáp Polyetylen	0.21	0.22	0.15
Bột TiO2	0.83	1.03	1.11
Trợ gia công	–	1.13	–
Phụ gia cải tiến va đập	–	5.30	–
Bột mầu	0.23	0.20	0.30
Tổng	109.75	122.06	121.74

• Thiết kế ống chịu áp bằng vật liệu PVC

Áp suất danh nghĩa được kí hiệu là PN (nominal pressure) là áp suất làm việc liên tục tính bằng bar ở 20^oC trong 50 năm. Áp suất này tương đương với áp suất vận hành cho phép (allowable operating pressure) (áp suất thủy tĩnh đối đa mà ống hoặc phụ tùng có thể chịu được liên tục trong khi vận hành). PN của ống nhựa sẽ được xác định trên cơ sở độ bền yêu cầu tối thiểu MRS (minimum required strength) của vật liệu chế tạo ống, hệ số thiết kế (hay hệ số an toàn) và tỷ số kích thước chuẩn SDR (standard dimension ratio)

Vật liệu PVC sử dụng để sản xuất ống có độ bền yêu cầu tối thiểu là MRS=25,0 MPa (TCVN 8491-1 (ISO 1452-1)), hệ số thiết kế đối với ống d_n≤90mm thì C=2,5 và d_n≥90mm thì C=2,0. Do đó cấp áp suất danh nghĩa của ống PN sẽ phụ thuộc vào thông số

tỷ lệ kích thước chuẩn của ống SDR (SDR là tỷ lệ giữa đường kính danh nghĩa và chiều dày thành danh nghĩa SDR=d_n/e_n). SDR càng nhỏ thì khả năng chịu áp suất danh nghĩa PN càng cao tức là đối với cùng một đường kính ống danh nghĩa thì chiều dày thành càng lớn thì khả năng chịu áp càng cao (vật liệu phải đáp ứng MRS tối thiểu 25,0 MPa). Chiều dày thành danh nghĩa được qui định trong tiêu chuẩn quốc gia, quốc tế là chiều dày thành nhỏ nhất tại vị trí bất kỳ đo xung quanh ống qui định tại Bảng 2-TCVN 8491-2:2011 như sau:

Ví dụ: Ống có đường kính ngoài danh nghĩa d_n là 110mm; chiều dày thành danh nghĩa e_n là 2,7mm (SDR được làm tròn từ tỷ lệ d_n/e_n ~ 41), hệ số vận hành (hệ số thiết kế) được qui định theo tiêu chuẩn TCVN 7305-1 (ISO 4427-1) cho ống PVC là 2,0 thì ống này có áp suất danh nghĩa được xác định theo công thức trên là PN=20*25,0/(2*(41- 1))=6,25 được làm tròn xuống là PN6. Có thể tính ngược lại chiều dày thành với tối thiểu khi biết đường kính ống và áp suất danh nghĩa của hệ thống ống cần ứng dụng. Ví dụ: Ống có đường kính danh nghĩa d_n=110mm, áp dụng cho hệ thống ống cấp chịu áp PN20 thì áp dụng công thức trên tính ra SDR

Do đó để có căn cứ công bố áp suất danh nghĩa của một loại ống nhựa nói chung thì cần có thông số MRS của vật liệu chế tạo ống. Giá trị MRS của vật liệu được xác định thông qua phương pháp ngoại suy độ bền áp suất thủy tĩnh dài hạn 50 năm theo tiêu chuẩn ISO 9080. Đây là phương pháp xây dựng một đường cong suy giảm ứng suất vòng (hoop stress) (hay ứng suất thủy tĩnh (hydrostatic stress) – là ứng suất tác động lên thành ống khi sử dụng nước làm môi trường tạo áp suất)) theo thời gian.

Phương pháp thử nghiệm này sẽ đánh giá khả năng chịu áp suất thủy tĩnh theo bộ tiêu chuẩn TCVN 6149 (ISO 1167) của một loạt mẫu ống có đường kính từ 25 đến 63mm được tạo ra từ loại nhựa cần đánh giá MRS. Số lượng mẫu tối thiểu thử nghiệm là 30 mẫu thử, thời gian đánh giá tối thiểu của phương pháp là 9000 giờ (~ 1 năm). Kết quả thu thập được từ dữ liệu ứng suất phá hủy của mẫu thử nghiệm theo thời gian duy trì sẽ xây dựng được đồ thị suy giảm ứng suất theo thời gian.

Giá trị ứng suất ngoại suy tại thời điểm 50 năm dựa  trên đường cong hồi qui được làm tròn xuống giá trị thấp hơn của dãy R10 hoặc R20 (Dãy số Renard theo ISO 3 và TCVN 7298 (ISO 497)) chính là giá trị độ bền yêu cầu tối thiểu MRS của vật liệu chế tạo ống. Khi thiết kế cấp phối để sản xuất ống chịu áp, thay đổi nguyên liệu, thay đổi cấp phối thì nhà sản xuất cần phải thực hiện phép thử này để đánh giá được giá trị MRS của hỗn hợp nguyên liệu sử dụng và phải chứng minh được

MRS ngoại suy tại thời điểm 50 năm >25MPa (thử nghiệm tại điều kiện 20^oC) thì mới được sử dụng cấp phối vật liệu đó trong thiết kế hệ thống ống chịu áp.

Ví dụ kết quả đánh giá ngoại suy 50 năm xác định MRS của vật liệu PVC

Để chứng minh ống sản xuất đáp ứng các yêu cầu quy định về khả năng chịu áp, nhà sản xuất ống sẽ phải tiến hành đánh giá thử nghiệm điển hình (type testing) đối với chỉ tiêu độ bền áp suất bên trong khi tiến hành thử nghiệm lần đầu đối với hệ thống mới, có sự thay đổi polymer hoặc thay đổi phụ gia hay thay đổi thiết kế sản phẩm. Ví dụ đối với ống PVC yêu cầu về độ bền áp suất bên trong được qui định trong phần 2 của bộ tiêu chuẩn là TCVN 8491-2 (ISO 1452-2). Tiêu chuẩn sẽ qui định thử nghiệm tại hai điều kiện 20^oC trong 1h; 60^oC trong 1000h được qui định tại Điều 8.2 – Bảng 7 – TCVN 8492- 2:2011 (ISO 1452-2:2009)

Ví dụ: Ống PVC có định danh như sau DN 110 x 8,1 mm; SDR 13,6; PN 20. Để đánh giá khả năng chịu áp suất thủy tĩnh của loại ống này. Phòng thử nghiệm sẽ tiến hành thử nghiệm tại các điều kiện 20^oC trong 1giờ; 60^oC trong 1000 giờ. Ứng suất vòng theo yêu cầu tiêu chuẩn đưa ra trong Bảng 7 như trên là căn cứ để phòng thử nghiệm tính toán áp suất thử tương ứng với mỗi điều kiện thử. Cụ thể tại các điều kiện 20^oC trong 1h ứng suất vòng là 42,0 MPa; và 60^oC trong 1000h là 12,5MPa. Áp suất thử nghiệm sẽ được tính toán theo công thức sau:

Điều kiện thử	20oC trong 1giờ	60oC trong 1000 giờ
Ứng suất vòng, s	42,0 MPa	12,5 MPa
Đường kính ngoài danh nghĩa, dn	110 mm
Chiều dành thành danh nghĩa, en	8,1 mm
Áp suất thử nghiệm, p	66,77 bar	19,87 bar

Sau khi điều hòa mẫu thử tại điều kiện thử (20^oC hoặc 60^oC) theo thời gian qui định của TCVN 6149-1 (ISO 1167-1). Mẫu ống thử nghiệm chịu một áp suất thủy tĩnh bên trong không đổi trong suốt khoảng thời gian qui định trong 1 giờ và 1000 giờ hoặc cho đến khi mẫu bị phá hủy. Trong suốt quá trình duy trì, mẫu thử được giữ trong môi trường ở nhiệt độ không đổi. Ống thử nghiệm phải không bị phá hủy bất kỳ mẫu thử nào trong toàn bộ quá trình thử nghiệm mới được chứng minh là đáp ứng khả năng chịu áp suất thủy tĩnh theo yêu cầu tiêu chuẩn đối với cấp áp suất PN20 và được sử dụng cho hệ thống cấp nước hoặc thoát nước thiết kế áp suất vận hành là 20 bar.

Kết thúc phép thử khi đạt thời gian quy định hoặc khi mẫu thử xuất hiện sự phá hủy hoặc rò rỉ. Có hai kiểu phá hủy cơ bản là phá hủy gẫy giòn (Brittle) và phá hủy chảy dẻo (Ductile) như hình trên vật liệu, ống thử nghiệm không đạt yêu cầu khả năng chịu áp theo áp suất thiết kế.

5.      Các tính chất yêu cầu theo tiêu chuẩn

Ống chất dẻo được sản xuất phải đáp ứng các yêu cầu về đặc tính hình học, đặc tính vật lý và đặc tính cơ học. Ngoài ra khi lắp ráp với các phụ tùng đấu nối thành hệ thống cũng phải đảm bảo tính năng yêu cầu của hệ thường quy định trong phần 5 của một hệ thống tiêu chuẩn. Ví dụ đối với ống U-PVC chịu áp dùng cho cấp và thoát nước phải tuân theo bộ tiêu chuẩn sau:

• TCVN 8491-1:2011 (ISO 1452-1:2009) – Phần 1 – Đưa ra các qui định chung về vật liệu
  • TCVN 8491-2:2011 (ISO 1452-2:2009) – Phần 2- Đưa ra các qui định cho ống
  • TCVN 8491-3:2011 (ISO 1452-3:2009) – Phần 3- Đưa ra các qui định cho phụ tùng
  • TCVN 8491-4:2011 (ISO 1452-4:2009) – Phần 4- Đưa ra các qui định cho van
  • TCVN 8491-5:2011 (ISO 1452-5:2009) – Phần 5- Đưa ra các qui định cho lắp ráp hệ thống và qui định các tính năng yêu cầu cho hệ thống

Các tính chất yêu cầu đối với ống UPVC gồm các yêu cầu cụ thể sau.

5.1.   Yêu cầu về vật liệu

• Vật liệu sử dụng phải phù hợp với TCVN 8491-1 (ISO 1452-1), không sử dụng vật liệu tái sử dụng từ nguồn bên ngoài và vật liệu tái sinh
• Khối lượng riêng: 1350 kg/m³ £ r £ 1460 kg/m³
• Vật liệu phải có MRS>25MPa.

5.2.   Yêu cầu về đặc tính chung

• Ngoại quan: bề mặt nhẵn, sạch, không có vết xước, nứt hoặc khuyết tật. Không chứa tạp chất nhìn thấy bằng mắt. Đầu ống phải cắt gọt sạch và vuông góc với trục ống.
• Mầu sắc: ống cấp có mầu xám, xanh hoặc kem; ống thoát có mầu xám hoặc nâu.

Mầu ống đồng đều trên toàn bộ thành ống;

• Độ đục: không truyền qua nhiều ơn 0,2% ánh sáng nhìn thấy

5.3.   Yêu cầu về đặc tính hình học

– Tiêu chuẩn qui định đường kính danh nghĩa: dung sai đường kính, độ ovan của ống

• Tiêu chuẩn qui định chiều dày thành nhỏ nhất, lớn nhất ứng với mỗi cấp chiều dày thành danh nghĩa:

• Tiêu chuẩn qui định chiều dài ống thường dùng là 6m. Và có thể thay đổi theo thỏa thuận

+ Loại đầu nong gắn keo: Qui định về đường kính trong min và max, độ ovan và chiều dài đầu nong

+ Loại đầu nong cho mối nối gioăng: Qui định về đường kính trong min và max, độ ovan và chiều dài đầu nong

5.4.   Yêu cầu về đặc tính cơ học

• Yêu cầu về độ bền va đập: Đánh giá khả năng kháng va đập tại điều kiện nhiệt độ 0^oC (PVC tại 0^oC sẽ giòn, dễ vỡ). Mức yêu cầu TIR<10% tức là số mẫu bị phá hỏng tối đa theo điều kiện thử nghiệm không quá 10% mới đạt

• Yêu cầu về khả năng chịu áp: Mẫu thử phải đáp ứng độ bền ngắn hạn (không bị phá hỏng) tại 20^oC trong 1 giờ và dài hạn tại 60^oC trong 1000 giờ.

Yêu cầu về đặc tính vật lý: Phải đáp ứng các chỉ tiêu liên quan tới một số tính chất vật lý: nhiệt độ hóa mềm vicat, sự thay đổi kích thước theo chiều dọc, độ bền diclometan, độ bền kéo và nhiệt độ gia công cực đại (xác định bằng phương pháp DSC) như sau:

5.6.   Yêu cầu về tính năng

Khi ống được liên kết với nhau hoặc liên kết với các phụ tùng thì phải đáp ứng các yêu cầu đưa ra trong TCVN 8491-5, bao gồm các yêu cầu về độ kín ở áp suất thủy tĩnh ngắn hạn, độ kín ở áp suất không khí âm ngắn hạn và độ kín ở áp suất thủy tĩnh dài hạn.