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。
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。
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/(%)
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)
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。
2.2.1 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
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
(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。
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