PVDF热缩管为什么又硬又韧？材料学冷知识

　　接触过PVDF热缩管的人都会有一个直观的印象：它不像普通的热缩管一样“软塌塌”的，它的管壁很挺括，在手里捏着的时候会有一定的硬度感觉，但是真的去拉伸或者弯曲的时候，它又不会轻易地被撕裂和断裂。坚硬不脆、柔韧不变，这样的性格搭配，在表面上看去似乎有些不合常理，但是这正是它的最大优势所在。什么样的物质可以具有硬度的同时又保持韧性的特点呢?答案就隐藏于材料科学中的几个容易被人忽视的小地方。本文就将这些冷知识拆开来、凑合着说一遍。

　　首先要把“硬”与“韧”区分开来，“硬”是指一种物质或物体具有一定的硬度;而“韧”则是指一种材料或者物体在受到外力作用时能够保持其形状而不发生破裂的能力。

　　在日常生活用语中，“硬”与“韧”经常被混淆在一起，在材料科学上这两个词代表的是两种不同的力学性能指标。

　　硬度是指材料抵抗局部塑性变形的能力，在抗压痕、抗划伤、保持形态等方面起着重要的作用。韧性主要体现在抵抗撕裂和冲击的能力上，在受到外力作用时能够吸收能量而不会破坏。

　　有的材料虽然很坚硬但是也很脆弱，例如玻璃，在被敲打的时候很容易破碎;有的材料虽然很坚韧但是也很柔软，例如橡皮，在手心里一按就会变形。热缩管应用的时候要同时考虑这两点：如果太软就不能保证整齐的管状结构，在进行穿线作业时会遇到诸多不便，并且在包裹之后也不会显得十分美观;如果硬度太大，则抗拉强度低，在施工或者使用过程中稍微受到一点碰撞、刮擦就会出现裂缝和破损现象，防护效果也随之丧失。

　　因此，“又硬又好”的并不是一个词语堆积起来的结果，而是在实际工程中真实存在的需要。PVDF热缩管可以做到这两个方面的要求，并且是通过以下几个方面的“设计”来实现的。

　　二、冷知识一：半结晶结构就是硬朗的原因

　　PVDF分子链具有一个很有趣的特点：它的链段并不是杂乱无章地纠缠在一起，而是一小部分链段是排好队列、有条不紊地排列着的一种结晶结构;另外一部分仍然处于无序的状态中，形成了一个无定形区域。“晶区和无定形区并存”的情况就叫做半结晶状态。

　　晶区就是材料内部很多微小的“钢筋骨架”。这些规整排列的区域分子间的相互作用力很强，所以它们具有很高的硬度以及良好的挺性，在受到外界力量的作用时不容易发生形变。晶区比例越大，则结晶程度就高，该种材料就越坚硬挺拔。PVDF的结晶度一般都比较高，在这样的情况下，它管壁可以保持圆形的状态，在收缩之后服帖、挺括，并且不会像单纯的无定形材料一样柔软松弛。

　　更加有趣的是，在晶区内熔点比较高，所以PVDF热缩管能够在较高的温度下保持其形状和硬度，并且这种耐高温的表现也是由它的高熔点所决定的。

　　第三种冷知识是无定形区也起到了一定的韧性作用

　　只有晶区的话，材料就有可能变成另外一种情况——类似于一些高强度塑料一样虽然很硬但是也很脆。PVDF具有良好的韧性的原因是，在晶体内部存在着一些无定形区域。

　　无定形区中的分子链处于无规则卷曲的状态，就如许多小弹簧被埋藏于骨胳之中一样。在外力作用下，卷曲的链段会被拉伸、解卷，并且会吸收大量的冲击能来防止裂纹的发生和发展。裂纹想要从材料中逃出来，就必须一直“拆解”掉这些能量吸收点，损失很大。

　　晶区用来抗变形，无定形区则用来耗散能量，两者各司其职而又互相协作，这就是PVDF既硬又好用的原因所在。把晶区比作建筑物中的承重墙，而无定形区则相当于墙体内的减振层，缺少任何一个都会使房屋不安全居住。

　　第四种冷知识是关于碳氟键增加韧性的双重保障

　　除了两区结构之外，PVDF分子链本身的重量也起着韧性底下的作用。它的链上存在大量的碳氟键，这些碳氟键的键能很高，在外力的作用下不易被拉断。因此，在受到冲击或者拉伸的时候，材料中的分子链有足够的“耐心”，可以进行取向、滑移等过程来消耗掉这些能量，并不会像一些易碎材料一样直接破裂。

　　另外，氟原子形成的致密屏蔽层使得该材料几乎不会吸收水汽，并且不会被油脂以及各种化学物质所腐蚀。许多材料韧性的降低都是由于环境侵蚀造成的——水分渗透进去、油脂溶解膨胀、介质腐蚀都会使链间的相互作用力崩溃。PVDF从根本上阻断了上述侵蚀途径，使得材料具有长久的韧性和强度。这也可以解释一个工程建设的现象：用同一种管道，在有油污和酸雾等恶劣环境下使用时，普通的金属管道几月就会变得脆弱并出现裂缝，但是含有氟元素的管道却可以长期保持柔软韧性。

　　五、冷知识四：辐照交联就是性能的“定型师”

　　原料本身所具有的潜能需要一个重要的工艺环节去实现——即用电子束照射并进行交联处理。

　　高能电子束照射到管坯上，在分子链之间产生许多交联点，使原来各自独立的长链变成三维网络结构。该种工艺会得到两个明显的后果。

　　第一、形状记忆。交联网络使得分子链排列的状态被记录下来，在达到一定的温度之后，链段就会恢复其运动的能力，并且随着温度的变化而变化;当管道材料受到第二次加热的时候，它将会收缩回到原来的形状——这就是所谓的“热缩”现象所具有的基本特征。没有交联就不可能有热缩管。

　　第二、韧性提高。交联点就像绳子上的结一样把分子网络绑在一起，在受到加热的时候不会融化流淌出来，在被拉伸的时候也不会分开开来，在受到冲击的能量时能够沿着整个网络进行分散传递。当交联度处于合适的范围之内的时候，该材料的抗撕裂、抗开裂的能力会得到明显的增强;交联度过大就会变得很硬、很脆，因此工艺参数的把控就是各家技术水平的区别所在。

　　至此就可以完整的回答标题所提出的问题了：晶区给它硬度、无定形区给它韧性的缘故是由于碳氟键的缘故而使性能持久耐用，并且通过辐照交联来固定住所有的这些因素从而形成一个整体。缺少其中任何一个都会不能够得到“既坚硬又有韧性”的个性。

　　第六部分：和其它热缩管材料相比的特点

　　把PVDF放进去之后就属于热缩管大家庭了，它就会有自己独特的个性特点。

　　氟橡胶热缩管属于“软派”的典型代表。由于其具有良好的弹性和回弹能力，并且在长时间内可以承受200℃以上的温度以及含有大量的润滑油环境中的使用要求，所以它被广泛应用于各种需要高弹性和回弹性的场合之中。它的性格和PVDF不同，本质上就是弹性体和半结晶塑料的区别：一个是用柔来克制硬，另一个则是既要有韧性又要具备一定的硬度。

　　双壁热缩管的重点不在于它的柔软程度或者硬度大小上，在于它的构造设计。外层管和内层热熔胶组成的双层结构，在收缩之后，胶层会填补住空隙，并且形成一个密封效果很好的防水、防潮装置。有意思的是，双壁结构的外层也会用到交联聚乙烯这样的材料，虽然都是交联的方式，但是使用的材料等级却不同。

　　花纹热缩管在表面上做文章，在外表面上有规律地排列着纹理，防滑好抓握，主要用于工具的手柄和器材的握把等功能性场景中，选择的时候要和其他材料性能相关的方面一起考虑。

　　第七点是由于硬度和韧性的原因所带来的实际的好处

　　从应用的角度来看，“又硬又韧”这种性格特点就变成了四个方面切实可行的好处。

　　第一点就是机械防护更加安全可靠。挺括的管壁可以承受摩擦、碰撞以及挤压等作用力，在运动频繁的情况下不容易被磨损穿孔。

　　第二点就是施工起来更加方便了。管型比较稳定，在穿套的时候不会出现折断或者起皱的情况，收缩之后表面非常平滑、光滑。

　　第三点是长久地使用也不会变松弛。晶区结构非常稳定，在收缩之后几年内仍然能够保持良好的抱紧效果，并不会随着时间推移而慢慢变松。

　　第四点，在不良环境下的使用寿命更长。耐腐蚀性好，不容易吸收水分，在各种环境下都不会失去它的弹性和韧性。

　　结语

　　PVDF热缩管既坚硬又有韧性，在简单的感觉之下隐藏着复杂的晶体结构和各司其职的功能单元：晶区内支撑硬度、无定形区缓解冲击力、碳氟键保证持久性、辐照交联完成固化过程。在材料科学中很少有人提到的一些冷知识，就是造成不同产品的性能差别真正的根源。会分析结构的话就可以理解它的性能了;理解了性能之后，在众多型号的选择当中才有可能找到最符合自己需要的管道材料。所谓的专业就是，在微观的世界中再看一眼。

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