PVC/CaCO3復合材料的隔聲及應用特性

張立平

（佛山科學技術學院 機電工程學院，廣東 佛山 528225）

近年來，以聚氯乙烯為基體，添加不同填充劑的聚氯乙烯(PVC)復合材料得到廣泛應用。在空調行業，軟質的聚氯乙烯(PVC)復合材料主要用于壓縮機隔音降噪，為了降低成本并提高制品的密度、硬度、耐磨性和防老化性等，CaCO3和BaSO4被添加到PVC基體中[1]，其中CaCO3比BaSO4價格低廉，原材料供應充足，因此被廣泛采用。添加CaCO3后形成的PVC復合材料的一些特性發生變化，Banovac I等[2]研究了CaSO4和CaCO3對PVC材料熱降解動力學特性的影響。Guermazi N等[3]研究發現填充劑和氣候條件會影響PVC/CaCO3復合材料的力學性能。Kong X等[4]研究發現添加兩種碳酸鈣，當用量較大時，明顯影響PVC-U材料配方的塑化性能，對熱穩定性、拉伸性能和抗沖性能影響較大。國內學者近些年也對PVC復合材料的特性展開了相關的研究，何杰等[5]研究發現改性的微米重質CaCO3能明顯提高PVC基復合材料的缺口沖擊強度，當填充質量分數20%后，該復合材料的沖擊強度比純PVC材料的提高了49.9%，且在一定程度上抑制了復合材料的分解。楊炳訓等[6]指出棒狀CaSO3和球狀重質CaCO3的質量比為2:1時，PVC復合材料的沖擊強度比純PVC材料提高了64%。劉慧[7]將氯化聚乙烯(CPE)、BaSO4、云母、舊橡膠等分別加入PVC基隔聲復合材料中，研究結果表明，各填充物的含量增加時，材料的加工性能、斷裂伸長率和剛柔性都變差，并指出添加云母和舊橡膠對復合材料的隔聲性能有一定的影響。劉忠科[8]僅對當前PVC材料的物理性能、電性能、加工性能進行了評述，指出該材料可應用于制造日常用品、管材、薄膜、墊子等。

當前的研究主要集中于CaCO3的含量或類型對PVC復合材料機械性能的影響。但將PVC復合材料用于空調壓縮機隔音降噪，其隔音特性是衡量材料優劣的最關鍵指標，因此在應用過程中要將壓縮機底角包住并避開配管和壓縮機接線，通常要在材料上開槽口、孔或者割縫，應用中發現此時PVC復合材料易撕裂或折斷，由此說明這些特殊結構會影響材料的性能，但與其機械性能關系不大，為此，本文針對含CaCO3的PVC復合材料在空調應用中的隔音特性、撕裂強度、割縫類型和折彎性能等展開研究，從而為制定空調壓縮機隔音材料的性能指標提供依據。

1 試驗部分

1.1 原材料

試驗材料是直接從生產廠家購買的工業原料，試驗中采用傅立葉紅外譜分析儀和熱分析儀對材料成份進行測試。以PVC的質量為計量標準，測得實驗中PVC復合材料的主要成分如表1所示。

1.2 PVC復合材料試樣

隔聲量測試中，將PVC復合材料和氯丁橡膠剪裁為150 mm×150 mm×2 mm的膠片。為了研究PVC復合材料抗撕裂性能，選用褲形試樣和直角形試樣進行撕裂實驗，試樣結構與尺寸如圖1所示，厚度均為1 mm。兩個試驗中每種試樣取5個。

折彎特性測試實驗過程中兩種材料的試樣尺寸均為50 mm×50 mm×1 mm。

表1 PVC復合材料主要成分/(%)

1.3 試驗過程

在空調壓縮機中隔聲量大小是衡量隔聲材料的關鍵因素，隔聲量可表示為NR=L1-L2，其中L1為隔聲前噪聲，L2為隔聲后噪聲。為了排除壓縮機穩定性、裝配誤差等對隔聲效果的影響，對隔聲材料單體進行隔聲特性測試，為了模擬實際壓縮機噪聲下隔聲材料的綜合隔聲效果，選擇變頻機83 Hz運行的錄音作為聲源，放置在半消聲室內，聲源通過聲管道傳入全消聲室。為防止聲音在管道內產生共振而影響最終隔聲效果，在管道內增加了一層阻尼材料。將PVC復合材料或氯丁橡膠制成膠皮安置在全消聲室內，用防震膠粘貼密封在聲管道的另外一端，拾音器距被測膠皮100 mm。

開有過管孔或者割縫的隔聲材料在應用中易發生撕裂破壞，因此在CMT6104型萬能拉伸試驗臺上對兩種材料的試樣進行撕裂強度測試，拉伸速率為500 mm/min。分別測試不同方向的撕裂強度，其中延展方向定義為縱向，垂直延展方向定義為橫向。

撕裂強度試驗參照GBT 528-2009標準進行，褲形試樣不同方向的撕裂斷面，用VMS-3020型顯微測量儀和Olympus BX51M型光學顯微鏡觀察斷面的微觀形貌。

選擇成分不同的試樣進行折彎試驗，模擬PVC復合材料應用中包裹壓縮機時的折彎，試驗中人工用手沿同一對折線往復180°對折10次，肉眼觀察折痕狀態。

圖1 撕裂實驗中試樣的形狀及尺寸(mm)

2 試驗結果及討論

2.1 CaCO3含量對PVC復合材料隔聲特性的影響

2mm厚的PVC復合材料和氯丁橡膠對于壓縮機噪聲的隔聲測試結果如表2所示。從表2可以看出，幾種CaCO3含量的PVC復合材料對壓縮機噪聲的隔聲量均高于氯丁橡膠的，隨著CaCO3含量的增加，PVC復合材料的隔聲量先增大后減小，存在一個隔音最佳值，即CaCO3含量為50%，但隔聲量相差一般不超過2 dB。

2.2 CaCO3含量對PVC復合材料撕裂性能的影響

2.2.1 不同試樣的撕裂強度

對不同材料直角形和褲形試樣的縱橫向撕裂強度進行了測試，結果如表3所示。

由此看出CaCO3含量較低的PVC復合材料直角形試樣的撕裂強度比氯丁橡膠的高，褲形試樣的強度略均低于氯丁橡膠，這說明從抗撕裂性能方面來看PVC復合材料可以代替氯丁橡膠作為空調隔聲材料。對于兩種隔聲材料，直角形試樣的撕裂強度遠大于褲形試樣，主要是褲形試樣中間割縫頂部存在裂紋尖端，易產生應力集中，從而大大降低撕裂強度。PVC復合材料的橫向撕裂強度均高于縱向撕裂強度，這說明PVC復合材料是各向異性材料，受力時分子鏈會沿外力發生取向，使得各個方向的力學性能不同。氯丁橡膠兩個方向的撕裂強度相當，是各向同性材料，與相關研究結論一致[9]。

由表3可知，CaCO3含量從45%增加到60%，PVC復合材料兩個方向的撕裂強度均降低，且縱向撕裂強度的降幅較大，所以CaCO3含量為60%的PVC復合材料容易撕裂，這與實際應用的現象一致。主要是因為CaCO3含量增加時，剛性粒子產生的空穴會削弱外力場的作用，材料受力時會形成應力不連續區，越來越多的空穴和銀紋使PVC復合材料的韌性達到峰值，但CaCO3填充劑周圍的應力集中較嚴重，繼續增加填料，銀紋會相連形成較大的裂隙，過多的空穴相連變成多條空腔，使材料無法恢復形變，從而撕裂強度降低[9]。

2.2.2 不同試樣的撕裂強度曲線

為了研究PVC復合材料的撕裂機理，繪制了2mm厚CaCO3含量為60%PVC復合材料的撕裂曲線，如圖2所示，上部分5條曲線為橫向撕裂強度，下部分5條曲線為縱向撕裂強度。

由圖2可知，對于褲形試樣，縱、橫向的撕裂曲線相差很大。縱向撕裂時，當拉力到達一定值時，曲線斜率幾乎不變，裂紋沿開縫方向擴展，最后曲線迅速下降，裂紋貫穿，試樣被撕斷，撕裂形狀見圖3(a)。主要是因為開縫沿延展方向，隨著拉力的增加，破壞方向尖端的應力連續和基材本身結構都會發生變化，從而抑制了裂紋擴展的自選擇性[9]，因此在相對小的拉力下便沿著縱向開縫方向快速撕裂。橫向撕裂曲線斜率變化很大、撕裂曲線較短，在較大的拉力作用下試樣來不及變形即被撕斷，如圖3(b)所示，是沿側邊撕裂的。

對于直角形試樣，縱、橫向撕裂曲線的規律相似，說明不同方向試樣的撕裂方式相似。該結構的試樣在拉力作用下首先發生彈性變形，此后其尖端應力逐漸向四周擴展，隨拉力增大，割縫尖端處的應力首先超過強度極限，此時在開始阻力的影響下[9]，撕裂曲線的曲率迅速增大，曲線出現鼓肚，拉力繼續增大，試樣產生裂紋，裂紋不斷擴展直至試樣被撕斷。

表2 PVC復合材料和氯丁橡膠隔音前后的壓縮機噪聲

表3 不同試樣的撕裂強度

圖2 CaCO3含量為60%時不同試樣的撕裂曲線

圖3 撕裂后褲形試樣的形貌

2.2.3 褲形試樣撕裂斷口形貌

撕裂強度測試結果表明褲形試樣的抗撕裂性能較差，在實際應用中需要開縫的隔聲材料結構與褲形試樣類似，為了進一步研究其撕裂機理，觀察撕裂斷面的微觀形貌，如圖4、圖5所示。

試樣沿縱向撕裂時，如圖4所示，CaCO3顆粒抱團和排列有序，與延展方向趨于平行，裂紋擴展方向與延展方向一致，在外力作用下空穴和銀紋得到了放大和擴展，所以在較小且恒定的外力下試樣沿開縫方向被撕裂。橫向撕裂時(如圖5)，CaCO3顆粒無規則排列，抱團大顆粒的長度方向與外力接近垂直，尖端裂紋遇到剛性CaCO3顆粒后受阻，無法繼續延伸，而是沿著顆粒與基材的邊界繞行，這樣裂紋擴展所需動力增加，因此橫向撕裂強度較大。對比圖4和圖5可以看出，CaCO3含量越高，顆粒抱團和有序排列更明顯，空穴和微裂紋增多，甚至呈連續狀，材料容易被撕裂，因此隨CaCO3含量的增加撕裂強度降低。

2.2.4 PVC復合材料的開縫設計

圖4 不同CaCO3含量的試樣的縱向撕裂斷口形貌

圖5 不同CaCO3含量的試樣的橫向撕裂斷口形貌

對于空調隔聲材料，為了獲得良好的隔聲效果，應用過程中需要在材料上開過管孔或者割縫。對于PVC復合材料，由撕裂強度的測試結果可知，開縫后形成褲形結構，其撕裂強度大大降低，因此，在設計中，為了減少撕裂破壞，過管孔和割縫不能設置在PVC復合材料的延展方向(縱向)，尤其是當CaCO3含量超過55%時，割縫和過管孔要放置在垂直于延展的方向(橫向)；另一方面若須開縫，應在縫的末端開圓孔，以避免尖端應力集中，如圖6。

圖6 PVC復合材料割縫和過管孔設計示意圖

2.3 PVC復合材料的折彎性能

由圖7可以看出，CaCO3含量為60%的PVC復合材料出現4處明顯龜裂，55%的只出現一個，50%和45%無明顯龜裂，而氯丁橡膠的龜裂連續，出現斷開現象。由此說明與氯丁橡膠相比，PVC復合材料具有非常優越的抗折彎能力，但當CaCO3含量增多，尤其是存在大顆粒時，填料會與基體聚氯乙烯在結合處形成裂紋而發生折彎斷裂，因此為確保隔聲材料的裝配質量和外觀，CaCO3的含量不能超過60%，最好不要超過55%。

圖7 PVC復合材料和氯丁橡膠試樣折彎后的外觀

3 結語

(1)PVC復合材料的隔音量與同密度的氯丁橡膠接近，其撕裂強度高，折彎特性好，易加工，成本低，因此軟質的PVC復合材料完全可以代替價格昂貴的氯丁橡膠作為空調的隔聲材料，但CaCO3含量最好控制在50%左右。

(2)PVC復合材料對裂紋極為敏感，尤其是CaCO3含量超過55%時，應用中盡量避免線性割縫，若必須開縫，要在縫的末端開圓孔，并且保證過管孔和割縫設置在垂直材料延展方向的橫向。

(3)PVC復合材料的褲形結構抗撕裂能力較低，但能真實反映隔聲材料的應用特性，因此建議將褲形試樣作為衡量空調隔聲材料抗撕裂性能的判定試樣。

[1]于文杰，李杰，鄭德.塑料助劑與配方設計技術[M].北京：化學工業出版社，2010.21-40.

[2]BANOVAC I,STIPANELOV VRANDE?I? N,?URKOVI?,LUKA.The influence of CaSO4and CaCO3on thermaldegradation kinetics of PVC[J].Wcc Publication,2014,156(2):149-153.

[3]GUERMAZI N,HADDAR N,ELLEUCH K,et al.Effect of filler addition and weathering conditions on the performance of PVC/CaCO3composites[J].Polymer Composites,2015,37(7):2171-2183.

[4]KONG X,ZHANG X,LI C,et al.Effect of two kinds of CaCO3on propertiesofPVC-U material[J].Qilu Petrochemical Technology,2015.

[5]何杰，吳香發，賈仁廣.PVC/CaCO3復合材料的結構和性能研究[J]. 現代塑料加工應用，2007，19(4)：5-8.

[6]楊炳訓，宋汝鴻，曾子恒，等.CaSO3晶須和重質CaCO3復合改性PVC的研究[J].塑料科技，2010，38(11)：31-33.

[7]劉慧.填充物對聚氯乙烯基柔性隔音復合材料性能影響的研究[D].杭州：浙江理工大學，2012.

[8]劉忠科，雍奎剛，武文，等.PVC塑料的性能與應用研究進展[J]. 塑料科技，2014，42(5)：128-131.

[9]張留成.高分子材料基礎[M].2版.北京：化學工業出版社，2011：76-123.