PVC/CaCO3复合材料的隔声及应用特性

张立平

（佛山科学技术学院 机电工程学院，广东 佛山 528225）

近年来，以聚氯乙烯为基体，添加不同填充剂的聚氯乙烯(PVC)复合材料得到广泛应用。在空调行业，软质的聚氯乙烯(PVC)复合材料主要用于压缩机隔音降噪，为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基体中[1]，其中CaCO3比BaSO4价格低廉，原材料供应充足，因此被广泛采用。添加CaCO3后形成的PVC复合材料的一些特性发生变化，Banovac I等[2]研究了CaSO4和CaCO3对PVC材料热降解动力学特性的影响。Guermazi N等[3]研究发现填充剂和气候条件会影响PVC/CaCO3复合材料的力学性能。Kong X等[4]研究发现添加两种碳酸钙，当用量较大时，明显影响PVC-U材料配方的塑化性能，对热稳定性、拉伸性能和抗冲性能影响较大。国内学者近些年也对PVC复合材料的特性展开了相关的研究，何杰等[5]研究发现改性的微米重质CaCO3能明显提高PVC基复合材料的缺口冲击强度，当填充质量分数20%后，该复合材料的冲击强度比纯PVC材料的提高了49.9%，且在一定程度上抑制了复合材料的分解。杨炳训等[6]指出棒状CaSO3和球状重质CaCO3的质量比为2:1时，PVC复合材料的冲击强度比纯PVC材料提高了64%。刘慧[7]将氯化聚乙烯(CPE)、BaSO4、云母、旧橡胶等分别加入PVC基隔声复合材料中，研究结果表明，各填充物的含量增加时，材料的加工性能、断裂伸长率和刚柔性都变差，并指出添加云母和旧橡胶对复合材料的隔声性能有一定的影响。刘忠科[8]仅对当前PVC材料的物理性能、电性能、加工性能进行了评述，指出该材料可应用于制造日常用品、管材、薄膜、垫子等。

当前的研究主要集中于CaCO3的含量或类型对PVC复合材料机械性能的影响。但将PVC复合材料用于空调压缩机隔音降噪，其隔音特性是衡量材料优劣的最关键指标，因此在应用过程中要将压缩机底角包住并避开配管和压缩机接线，通常要在材料上开槽口、孔或者割缝，应用中发现此时PVC复合材料易撕裂或折断，由此说明这些特殊结构会影响材料的性能，但与其机械性能关系不大，为此，本文针对含CaCO3的PVC复合材料在空调应用中的隔音特性、撕裂强度、割缝类型和折弯性能等展开研究，从而为制定空调压缩机隔音材料的性能指标提供依据。

1 试验部分

1.1 原材料

试验材料是直接从生产厂家购买的工业原料，试验中采用傅立叶红外谱分析仪和热分析仪对材料成份进行测试。以PVC的质量为计量标准，测得实验中PVC复合材料的主要成分如表1所示。

1.2 PVC复合材料试样

隔声量测试中，将PVC复合材料和氯丁橡胶剪裁为150 mm×150 mm×2 mm的胶片。为了研究PVC复合材料抗撕裂性能，选用裤形试样和直角形试样进行撕裂实验，试样结构与尺寸如图1所示，厚度均为1 mm。两个试验中每种试样取5个。

折弯特性测试实验过程中两种材料的试样尺寸均为50 mm×50 mm×1 mm。

表1 PVC复合材料主要成分/(%)

1.3 试验过程

在空调压缩机中隔声量大小是衡量隔声材料的关键因素，隔声量可表示为NR=L1-L2，其中L1为隔声前噪声，L2为隔声后噪声。为了排除压缩机稳定性、装配误差等对隔声效果的影响，对隔声材料单体进行隔声特性测试，为了模拟实际压缩机噪声下隔声材料的综合隔声效果，选择变频机83 Hz运行的录音作为声源，放置在半消声室内，声源通过声管道传入全消声室。为防止声音在管道内产生共振而影响最终隔声效果，在管道内增加了一层阻尼材料。将PVC复合材料或氯丁橡胶制成胶皮安置在全消声室内，用防震胶粘贴密封在声管道的另外一端，拾音器距被测胶皮100 mm。

开有过管孔或者割缝的隔声材料在应用中易发生撕裂破坏，因此在CMT6104型万能拉伸试验台上对两种材料的试样进行撕裂强度测试，拉伸速率为500 mm/min。分别测试不同方向的撕裂强度，其中延展方向定义为纵向，垂直延展方向定义为横向。

撕裂强度试验参照GBT 528-2009标准进行，裤形试样不同方向的撕裂断面，用VMS-3020型显微测量仪和Olympus BX51M型光学显微镜观察断面的微观形貌。

选择成分不同的试样进行折弯试验，模拟PVC复合材料应用中包裹压缩机时的折弯，试验中人工用手沿同一对折线往复180°对折10次，肉眼观察折痕状态。

图1 撕裂实验中试样的形状及尺寸(mm)

2 试验结果及讨论

2.1 CaCO3含量对PVC复合材料隔声特性的影响

2mm厚的PVC复合材料和氯丁橡胶对于压缩机噪声的隔声测试结果如表2所示。从表2可以看出，几种CaCO3含量的PVC复合材料对压缩机噪声的隔声量均高于氯丁橡胶的，随着CaCO3含量的增加，PVC复合材料的隔声量先增大后减小，存在一个隔音最佳值，即CaCO3含量为50%，但隔声量相差一般不超过2 dB。

2.2 CaCO3含量对PVC复合材料撕裂性能的影响

2.2.1 不同试样的撕裂强度

对不同材料直角形和裤形试样的纵横向撕裂强度进行了测试，结果如表3所示。

由此看出CaCO3含量较低的PVC复合材料直角形试样的撕裂强度比氯丁橡胶的高，裤形试样的强度略均低于氯丁橡胶，这说明从抗撕裂性能方面来看PVC复合材料可以代替氯丁橡胶作为空调隔声材料。对于两种隔声材料，直角形试样的撕裂强度远大于裤形试样，主要是裤形试样中间割缝顶部存在裂纹尖端，易产生应力集中，从而大大降低撕裂强度。PVC复合材料的横向撕裂强度均高于纵向撕裂强度，这说明PVC复合材料是各向异性材料，受力时分子链会沿外力发生取向，使得各个方向的力学性能不同。氯丁橡胶两个方向的撕裂强度相当，是各向同性材料，与相关研究结论一致[9]。

由表3可知，CaCO3含量从45%增加到60%，PVC复合材料两个方向的撕裂强度均降低，且纵向撕裂强度的降幅较大，所以CaCO3含量为60%的PVC复合材料容易撕裂，这与实际应用的现象一致。主要是因为CaCO3含量增加时，刚性粒子产生的空穴会削弱外力场的作用，材料受力时会形成应力不连续区，越来越多的空穴和银纹使PVC复合材料的韧性达到峰值，但CaCO3填充剂周围的应力集中较严重，继续增加填料，银纹会相连形成较大的裂隙，过多的空穴相连变成多条空腔，使材料无法恢复形变，从而撕裂强度降低[9]。

2.2.2 不同试样的撕裂强度曲线

为了研究PVC复合材料的撕裂机理，绘制了2mm厚CaCO3含量为60%PVC复合材料的撕裂曲线，如图2所示，上部分5条曲线为横向撕裂强度，下部分5条曲线为纵向撕裂强度。

由图2可知，对于裤形试样，纵、横向的撕裂曲线相差很大。纵向撕裂时，当拉力到达一定值时，曲线斜率几乎不变，裂纹沿开缝方向扩展，最后曲线迅速下降，裂纹贯穿，试样被撕断，撕裂形状见图3(a)。主要是因为开缝沿延展方向，随着拉力的增加，破坏方向尖端的应力连续和基材本身结构都会发生变化，从而抑制了裂纹扩展的自选择性[9]，因此在相对小的拉力下便沿着纵向开缝方向快速撕裂。横向撕裂曲线斜率变化很大、撕裂曲线较短，在较大的拉力作用下试样来不及变形即被撕断，如图3(b)所示，是沿侧边撕裂的。

对于直角形试样，纵、横向撕裂曲线的规律相似，说明不同方向试样的撕裂方式相似。该结构的试样在拉力作用下首先发生弹性变形，此后其尖端应力逐渐向四周扩展，随拉力增大，割缝尖端处的应力首先超过强度极限，此时在开始阻力的影响下[9]，撕裂曲线的曲率迅速增大，曲线出现鼓肚，拉力继续增大，试样产生裂纹，裂纹不断扩展直至试样被撕断。

表2 PVC复合材料和氯丁橡胶隔音前后的压缩机噪声

表3 不同试样的撕裂强度

图2 CaCO3含量为60%时不同试样的撕裂曲线

图3 撕裂后裤形试样的形貌

2.2.3 裤形试样撕裂断口形貌

撕裂强度测试结果表明裤形试样的抗撕裂性能较差，在实际应用中需要开缝的隔声材料结构与裤形试样类似，为了进一步研究其撕裂机理，观察撕裂断面的微观形貌，如图4、图5所示。

试样沿纵向撕裂时，如图4所示，CaCO3颗粒抱团和排列有序，与延展方向趋于平行，裂纹扩展方向与延展方向一致，在外力作用下空穴和银纹得到了放大和扩展，所以在较小且恒定的外力下试样沿开缝方向被撕裂。横向撕裂时(如图5)，CaCO3颗粒无规则排列，抱团大颗粒的长度方向与外力接近垂直，尖端裂纹遇到刚性CaCO3颗粒后受阻，无法继续延伸，而是沿着颗粒与基材的边界绕行，这样裂纹扩展所需动力增加，因此横向撕裂强度较大。对比图4和图5可以看出，CaCO3含量越高，颗粒抱团和有序排列更明显，空穴和微裂纹增多，甚至呈连续状，材料容易被撕裂，因此随CaCO3含量的增加撕裂强度降低。

2.2.4 PVC复合材料的开缝设计

图4 不同CaCO3含量的试样的纵向撕裂断口形貌

图5 不同CaCO3含量的试样的横向撕裂断口形貌

对于空调隔声材料，为了获得良好的隔声效果，应用过程中需要在材料上开过管孔或者割缝。对于PVC复合材料，由撕裂强度的测试结果可知，开缝后形成裤形结构，其撕裂强度大大降低，因此，在设计中，为了减少撕裂破坏，过管孔和割缝不能设置在PVC复合材料的延展方向(纵向)，尤其是当CaCO3含量超过55%时，割缝和过管孔要放置在垂直于延展的方向(横向)；另一方面若须开缝，应在缝的末端开圆孔，以避免尖端应力集中，如图6。

图6 PVC复合材料割缝和过管孔设计示意图

2.3 PVC复合材料的折弯性能

由图7可以看出，CaCO3含量为60%的PVC复合材料出现4处明显龟裂，55%的只出现一个，50%和45%无明显龟裂，而氯丁橡胶的龟裂连续，出现断开现象。由此说明与氯丁橡胶相比，PVC复合材料具有非常优越的抗折弯能力，但当CaCO3含量增多，尤其是存在大颗粒时，填料会与基体聚氯乙烯在结合处形成裂纹而发生折弯断裂，因此为确保隔声材料的装配质量和外观，CaCO3的含量不能超过60%，最好不要超过55%。

图7 PVC复合材料和氯丁橡胶试样折弯后的外观

3 结语

(1)PVC复合材料的隔音量与同密度的氯丁橡胶接近，其撕裂强度高，折弯特性好，易加工，成本低，因此软质的PVC复合材料完全可以代替价格昂贵的氯丁橡胶作为空调的隔声材料，但CaCO3含量最好控制在50%左右。

(2)PVC复合材料对裂纹极为敏感，尤其是CaCO3含量超过55%时，应用中尽量避免线性割缝，若必须开缝，要在缝的末端开圆孔，并且保证过管孔和割缝设置在垂直材料延展方向的横向。

(3)PVC复合材料的裤形结构抗撕裂能力较低，但能真实反映隔声材料的应用特性，因此建议将裤形试样作为衡量空调隔声材料抗撕裂性能的判定试样。

[1]于文杰，李杰，郑德.塑料助剂与配方设计技术[M].北京：化学工业出版社，2010.21-40.

[2]BANOVAC I,STIPANELOV VRANDEČIĆ N,ČURKOVIĆ,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，吴香发，贾仁广.PVC/CaCO3复合材料的结构和性能研究[J]. 现代塑料加工应用，2007，19(4)：5-8.

[6]杨炳训，宋汝鸿，曾子恒，等.CaSO3晶须和重质CaCO3复合改性PVC的研究[J].塑料科技，2010，38(11)：31-33.

[7]刘慧.填充物对聚氯乙烯基柔性隔音复合材料性能影响的研究[D].杭州：浙江理工大学，2012.

[8]刘忠科，雍奎刚，武文，等.PVC塑料的性能与应用研究进展[J]. 塑料科技，2014，42(5)：128-131.

[9]张留成.高分子材料基础[M].2版.北京：化学工业出版社，2011：76-123.