纯水的输送管材概论

2024年2月20日发(作者：)

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18.2 MΩ纯水的输送管材概论

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一、纯水的等级与规

˙AAMI Hemodialysis Grade Water

˙ASTM Reagent Grade Water

˙ASTM Electronics Grade Water

˙CAP Reagent Grade Water

˙Cell Culture Water

˙USP Grade Water

工业上使用的纯水，以电子级纯水的纯度要求最高。4”晶圆厂对纯水的纯度要求为12MΩ，6”晶圆厂提升至16 MΩ。到了8”晶圆厂，它对纯水的纯度要求骤然提升到18.2 MΩ。今日的12”晶圆厂，LCD － TFT 厂等均使用18.2 MΩ的纯水。

用来标示纯水纯度等级的导电度与电阻的关系如表一所示。

电子厂ASTM D 5127-99 规的电子级纯水标准如表二所示。

由超纯水设备制造出来的纯水，需要通过管道(pipeline)输送到工厂的任一用户点(POU)。所以如何让制造完成的纯水不受任何污染而可以有效输送到需求的使用端，是一件很重要的工作。

所有的管材都会将其所含的物质释放出来，以金属管最严重，再加上腐蚀因素，完全不适合作为纯水管道的管材。即使所谓的SUS304，SUS304L，或SUS316L…等，都不能用来输送高纯度的纯水。因为不锈钢材质与纯水之间的过氧化( rouge ) 作用会产生锈蚀的针孔腐蚀( pitting )效应，除了污染水质外，也会造成管道的泄漏。所以，严格来说水的导电度在1 MΩ以下，不锈钢材质的管材是可以被接受的；而水的导电度在1 MΩ以上时，不锈钢材质的管材是不可以被接受的。

塑料管与纯水之间没有过氧化( rouge ) 作用产生锈蚀的问题，只有管材本身释放( leaching )重金属离子等不纯物质污染水质的问题。

下面的图一可以说明各种材质塑料管本身从管壁释放( leaching )不纯物质的比较，当然管壁释放( leaching )不纯物质的量愈少，愈符合我们的需求。需要特别注意的是：相同管材，因制造供应厂商的差异不同，管壁释放( leaching )不纯物质的量也不同。

所以，以下本文所提及的ABS管需要AS规的ABS管；PVDF管需要Solvay的PVDF树脂生产的PVDF管。非AS规的ABS管及Solvay的PVDF树脂生产的PVDF管，都不是本文所探讨与使用的对象。

图一、各种材质塑料管本身从管壁释放( leaching )不纯物质的比较

<图一> 各种塑料管壁TOC值的比较

图二、水在PVDF管及ABS管(AS规)之TOC有机成分物质与运转时间的关系

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可以确保管18.2 MΩ的水质稳定之管材仅有Solvay的PVDF与AS规的ABS两种，而PVDF的树脂原料必须由Solvay供应才会有表二的条件；至于ABS，则需要符合AS(Australia Standard)规的ABS塑钢管，才有上述性质。

图二为依照PVDF纯水管材树脂原料主要供货商比利时Solvay公司的论文报告，AS规的ABS管跟其生产的PVDF管在输送18.2 MΩ超纯水系统上是同等级且可以相互比较的。

从这个图可以得出以下的结论：

(1) ABS管与PVDF管的壁释放物极少。可以维持管流体的TOC值稳定，符合标准及规定。

(2)ABS管的初次消毒杀菌时间是PVDF管的2倍至2.5倍。此点需要注意的是ABS管的制造生产，如果在洁净的无尘室生产制造，然后予以密封包装，则该图的曲线只有PVDF的曲线一条。换言之，ABS的曲线与PVDF的曲线相似，无法分出彼此。

(3)在很严格的用户点(POU)，因为无法允许较长的消毒杀菌时间，所以无法选用一般未包装的ABS管。如果用户点(POU)，可以允许较长的消毒杀菌时间时，当然ABS管的选用是最正确的，最符合经济效益价值的一种18.2MΩ超纯水管材。

(4) 如果用户点(POU)无法允许较长的消毒杀菌时间时，一次侧用PVDF管；二次侧则使用ABS管。如果用户点(POU)允许较长的消毒杀菌时间时，一次侧、二次侧全部都可以使用ABS管输送18.2 MΩ的超纯水。

当然，在洁净的无尘室生产制造ABS管的成本增加不少，不论ABS管生产成本如何增加，都比PVDF低廉。因为ABS管应用围广、价格低廉，不像PVDF管的用途受限与价格昂贵；所以一般而言，ABS管的生产制造不会在洁净的无尘室生产制造。这是ABS管使用在18.2MΩ超纯水输送时，初期的杀菌消毒时间比PVDF管要长2 至 3 倍的原因。

(5)ABS管与PVDF管的材质都是纯度很高的材料，当管的水经过一段时间的循环之后，管水质TOC值下降到一定值之后，即保持稳定的TOC值，无须受温度及流速的影响而改变TOC值。至于PVC管，UPVC管或Clean PVC管都无法让管的水质长期维持稳定的TOC值。

(6)PVC管材的加工，受金属稳定剂或重金属稳定剂添加种类而影响。虽然 Clean PVC号称洁净PVC，整体观之，Clean PVC的金属释放物质仍然存在，只是量微小而矣！需知道PVC的材质特性并不因PVC制程改变而改变其释放不纯物的性质。因为水中的细菌类以重金属离子为食物链( foodchain )，只要管材释放金属离子到水中，水中的细菌就会快速滋生( growth)。

所以，当纯水条件超过10MΩ以上 ～ 16MΩ，如果继续使用PVC材质的管材输送时，水质的TOC值逐渐升高，当纯水送到用户点，TOC值会超过需求标准值很多。虽然在16MΩ条件下，有人称PVC可以做到该条件，可是运质TOC的影响很大，管需要适时的清洁杀菌，水温与流速的管理等等，这在ABS与转成本( operational cost ) 提升甚多，因为水温与循环的流速对水PVDF是不需要的。

(7)管材的透光性，让水中的细菌容易滋生。所以输送水的管材是以灰色(medium gray )为基本色( pipecolour)，管子以灰色、黑色或其它深颜色作为产品的外观颜色的原因就在此。

话说回来，为何PVDF的管子系浅白色而可以用来输送18.2 MΩ超纯水呢？这个原因就涉及塑料管的一项重要应用数据 [ dielectric value ]，称之为「介电值」或「介电系数」。对塑料管而言，介电值越大，表示该材质的纯度越高，没有二次污染的问题。

各塑料管的介电值如下表三所示：

Characteristics

PVDF

ABS

PVC

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Dielectric Constant 无单位

> 5.6

Volume Resistivity Ohm / m

> 1015

> 3.2

> 3.5 × 1030 － 45

16> 2.3

1015

Surface Resistivity KV / mm

> 100

17

从表三 的管材「介电值」或「介电系数」而言，PVC的条件远低于PVDF与ABS。这样的数据很明显说明了PVC材质的管子不适合高纯度的纯水输送应用。

二 、18.2 MΩ 纯水输送管材的发展历程

18.2 MΩ纯水的基本水质标准

电导度

NaCl

TOC

细菌

18.2 MΩ – cm , 25℃

< 0.004 ppm

< 30 ppb

< 1 colony

Per 10 millilitres

ABS管与PVDF管都是行之多年的超纯水管材，16 MΩ以下两者都是在市场上可靠使用的管材。自从18.2 MΩ的纯水开发出来之后，ABS管与PVDF管在系统的杀菌消毒时间上有些许差异，即 ABS管的消毒杀菌时间比PVDF管略长。

这个原因说明如下：

(1) PVDF材质昂贵，用途受限极为狭窄。所以PVDF用于纯水的应用时，管材在「无尘室」生产制造。出厂时把PVDF管子两端给予密封，所以现场施工再以氮气密封施工保持管之洁净度，这是PVDF管消毒杀菌时间短的主因。

(2) ABS管的应用围广泛，本身的洁净度极高，应用于超纯水的管材无须如此大费周章。只要在运转前做妥清洁、杀菌及消毒的工作，纯水系统没有二次污染，水中的细菌很厌恶ABS材质，永不附着管壁。所以，只要ABS管在工厂生产时，将管材在「无尘室」生产制造。出厂时把ABS管子两端给予密封，如此来，ABS管的消毒杀菌时间与PVDF管 的消毒杀菌时间是不相上下，不分轩轾的。

近年来，有厂商改善PVC管制程用的铅系稳定剂、钙系稳定剂等重金属稳定剂的使用。改以低溶出的锡金属做安定剂，虽然没有大量重金属离子释放，但仍有小量金属离子不断释出。其中有厂商将该制程的PVC管冠以耀眼的商业名「Clean PVC」，特别强调可以输送18.2MΩ的纯水。需知PVC就是PVC，绝对没有「无毒」、「洁净」的PVC。就长时间的运转效应，Clean PVC 微量的金属释放，将造成运转费用额外庞大的负担，使用者均不查。

由于PVC材质之天性，细菌和微生物嗜食PVC，并以PVC为食物链的状况，并非Clean

PVC所能解决或避免，只是徒增处理与管理系统的运转成本而矣！

又杀菌消毒过程使用的H 2 O 2 媒介，对PVC管壁之腐蚀，PVC材料组织之伤害等无人检讨。兹以日本积水公司Clean PVC 重金属的溶出与ABS，PVDF之条件比较如下：

注1.单线框的数据，根据日本积水公司 ( Sekisui ) 超纯水用" Eslon pipe"技术数据( 4

/ e )，Page 10 之表为基础。

注2. 粗黑线框的数据，根据单线框的数据做基础，将AS3518-1的ABS管，Solvay PVDF页脚

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管以及 Natural PP管并入一起讨论比较。

注3. 管路入口的纯水导电度 0.8μ s / cm。

注 4. 管壁的光滑度比较，如表五所示。

(1)线框的数据，根据日本积水公司 ( Sekisui ) 超纯水用" Eslon pipe"技术数据( 4 / e )，Page 20 之表为基础。

(2)粗黑线框的数据，根据单线框的数据做基础，将AS3518-1的ABS管，Solvay PVDF管以及 Natural PP管并入一起讨论比较。

参考文献：

(1)ABS塑钢管路系统的设计及应用，蓉台 著，前程2002年

(2)超纯水用" Eslon pipe"技术Data集( 4 / e )”， 日本积水公司 ( Sekisui ) 著

(3)不锈钢管(SUS304,SUS316)输送超纯水的Rouge腐蚀效应，固展公司

(4)PVDF 管输送超纯水的相关报告文件，Solvay Co

(5)High Purity Technology，Asahi– American Co

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