PVC/CaCO3復(fù)合材料的隔聲及應(yīng)用特性

張立平

（佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)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(fù)合材料得到廣泛應(yīng)用。在空調(diào)行業(yè)，軟質(zhì)的聚氯乙烯(PVC)復(fù)合材料主要用于壓縮機(jī)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(yīng)充足，因此被廣泛采用。添加CaCO3后形成的PVC復(fù)合材料的一些特性發(fā)生變化，Banovac I等[2]研究了CaSO4和CaCO3對PVC材料熱降解動力學(xué)特性的影響。Guermazi N等[3]研究發(fā)現(xiàn)填充劑和氣候條件會影響PVC/CaCO3復(fù)合材料的力學(xué)性能。Kong X等[4]研究發(fā)現(xiàn)添加兩種碳酸鈣，當(dāng)用量較大時，明顯影響PVC-U材料配方的塑化性能，對熱穩(wěn)定性、拉伸性能和抗沖性能影響較大。國內(nèi)學(xué)者近些年也對PVC復(fù)合材料的特性展開了相關(guān)的研究，何杰等[5]研究發(fā)現(xiàn)改性的微米重質(zhì)CaCO3能明顯提高PVC基復(fù)合材料的缺口沖擊強(qiáng)度，當(dāng)填充質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%后，該復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度比純PVC材料的提高了49.9%，且在一定程度上抑制了復(fù)合材料的分解。楊炳訓(xùn)等[6]指出棒狀CaSO3和球狀重質(zhì)CaCO3的質(zhì)量比為2:1時，PVC復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)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(fù)合材料中，研究結(jié)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?cè)嵝远甲儾?，并指出添加云母和舊橡膠對復(fù)合材料的隔聲性能有一定的影響。劉忠科[8]僅對當(dāng)前PVC材料的物理性能、電性能、加工性能進(jìn)行了評述，指出該材料可應(yīng)用于制造日常用品、管材、薄膜、墊子等。

當(dāng)前的研究主要集中于CaCO3的含量或類型對PVC復(fù)合材料機(jī)械性能的影響。但將PVC復(fù)合材料用于空調(diào)壓縮機(jī)隔音降噪，其隔音特性是衡量材料優(yōu)劣的最關(guān)鍵指標(biāo)，因此在應(yīng)用過程中要將壓縮機(jī)底角包住并避開配管和壓縮機(jī)接線，通常要在材料上開槽口、孔或者割縫，應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)此時PVC復(fù)合材料易撕裂或折斷，由此說明這些特殊結(jié)構(gòu)會影響材料的性能，但與其機(jī)械性能關(guān)系不大，為此，本文針對含CaCO3的PVC復(fù)合材料在空調(diào)應(yīng)用中的隔音特性、撕裂強(qiáng)度、割縫類型和折彎性能等展開研究，從而為制定空調(diào)壓縮機(jī)隔音材料的性能指標(biāo)提供依據(jù)。

1 試驗部分

1.1 原材料

試驗材料是直接從生產(chǎn)廠家購買的工業(yè)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(jìn)行測試。以PVC的質(zhì)量為計量標(biāo)準(zhǔn)，測得實驗中PVC復(fù)合材料的主要成分如表1所示。

1.2 PVC復(fù)合材料試樣

隔聲量測試中，將PVC復(fù)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(fù)合材料抗撕裂性能，選用褲形試樣和直角形試樣進(jìn)行撕裂實驗，試樣結(jié)構(gòu)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(fù)合材料主要成分/(%)

1.3 試驗過程

在空調(diào)壓縮機(jī)中隔聲量大小是衡量隔聲材料的關(guān)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(jī)穩(wěn)定性、裝配誤差等對隔聲效果的影響，對隔聲材料單體進(jìn)行隔聲特性測試，為了模擬實際壓縮機(jī)噪聲下隔聲材料的綜合隔聲效果，選擇變頻機(jī)83 Hz運(yùn)行的錄音作為聲源，放置在半消聲室內(nèi)，聲源通過聲管道傳入全消聲室。為防止聲音在管道內(nèi)產(chǎn)生共振而影響最終隔聲效果，在管道內(nèi)增加了一層阻尼材料。將PVC復(fù)合材料或氯丁橡膠制成膠皮安置在全消聲室內(nèi)，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(yīng)用中易發(fā)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(jìn)行撕裂強(qiáng)度測試，拉伸速率為500 mm/min。分別測試不同方向的撕裂強(qiáng)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(qiáng)度試驗參照GBT 528-2009標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)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(xué)顯微鏡觀察斷面的微觀形貌。

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

圖1 撕裂實驗中試樣的形狀及尺寸(mm)

2 試驗結(jié)果及討論

2.1 CaCO3含量對PVC復(fù)合材料隔聲特性的影響

2mm厚的PVC復(fù)合材料和氯丁橡膠對于壓縮機(jī)噪聲的隔聲測試結(jié)果如表2所示。從表2可以看出，幾種CaCO3含量的PVC復(fù)合材料對壓縮機(jī)噪聲的隔聲量均高于氯丁橡膠的，隨著CaCO3含量的增加，PVC復(fù)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(fù)合材料撕裂性能的影響

2.2.1 不同試樣的撕裂強(qiáng)度

對不同材料直角形和褲形試樣的縱橫向撕裂強(qiáng)度進(jìn)行了測試，結(jié)果如表3所示。

由此看出CaCO3含量較低的PVC復(fù)合材料直角形試樣的撕裂強(qiáng)度比氯丁橡膠的高，褲形試樣的強(qiáng)度略均低于氯丁橡膠，這說明從抗撕裂性能方面來看PVC復(fù)合材料可以代替氯丁橡膠作為空調(diào)隔聲材料。對于兩種隔聲材料，直角形試樣的撕裂強(qiáng)度遠(yuǎn)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(chǎn)生應(yīng)力集中，從而大大降低撕裂強(qiáng)度。PVC復(fù)合材料的橫向撕裂強(qiáng)度均高于縱向撕裂強(qiáng)度，這說明PVC復(fù)合材料是各向異性材料，受力時分子鏈會沿外力發(fā)生取向，使得各個方向的力學(xué)性能不同。氯丁橡膠兩個方向的撕裂強(qiáng)度相當(dāng)，是各向同性材料，與相關(guān)研究結(jié)論一致[9]。

由表3可知，CaCO3含量從45%增加到60%，PVC復(fù)合材料兩個方向的撕裂強(qiáng)度均降低，且縱向撕裂強(qiáng)度的降幅較大，所以CaCO3含量為60%的PVC復(fù)合材料容易撕裂，這與實際應(yīng)用的現(xiàn)象一致。主要是因為CaCO3含量增加時，剛性粒子產(chǎn)生的空穴會削弱外力場的作用，材料受力時會形成應(yīng)力不連續(xù)區(qū)，越來越多的空穴和銀紋使PVC復(fù)合材料的韌性達(dá)到峰值，但CaCO3填充劑周圍的應(yīng)力集中較嚴(yán)重，繼續(xù)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(fù)形變，從而撕裂強(qiáng)度降低[9]。

2.2.2 不同試樣的撕裂強(qiáng)度曲線

為了研究PVC復(fù)合材料的撕裂機(jī)理，繪制了2mm厚CaCO3含量為60%PVC復(fù)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(qiáng)度，下部分5條曲線為縱向撕裂強(qiáng)度。

由圖2可知，對于褲形試樣，縱、橫向的撕裂曲線相差很大?？v向撕裂時，當(dāng)拉力到達(dá)一定值時，曲線斜率幾乎不變，裂紋沿開縫方向擴(kuò)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(yīng)力連續(xù)和基材本身結(jié)構(gòu)都會發(fā)生變化，從而抑制了裂紋擴(kuò)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(cè)邊撕裂的。

對于直角形試樣，縱、橫向撕裂曲線的規(guī)律相似，說明不同方向試樣的撕裂方式相似。該結(jié)構(gòu)的試樣在拉力作用下首先發(fā)生彈性變形，此后其尖端應(yīng)力逐漸向四周擴(kuò)展，隨拉力增大，割縫尖端處的應(yīng)力首先超過強(qiáng)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(xiàn)鼓肚，拉力繼續(xù)增大，試樣產(chǎn)生裂紋，裂紋不斷擴(kuò)展直至試樣被撕斷。

表2 PVC復(fù)合材料和氯丁橡膠隔音前后的壓縮機(jī)噪聲

表3 不同試樣的撕裂強(qiáng)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(qiáng)度測試結(jié)果表明褲形試樣的抗撕裂性能較差，在實際應(yīng)用中需要開縫的隔聲材料結(jié)構(gòu)與褲形試樣類似，為了進(jìn)一步研究其撕裂機(jī)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(tuán)和排列有序，與延展方向趨于平行，裂紋擴(kuò)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(kuò)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(guī)則排列，抱團(tuán)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(xù)延伸，而是沿著顆粒與基材的邊界繞行，這樣裂紋擴(kuò)展所需動力增加，因此橫向撕裂強(qiáng)度較大。對比圖4和圖5可以看出，CaCO3含量越高，顆粒抱團(tuán)和有序排列更明顯，空穴和微裂紋增多，甚至呈連續(xù)狀，材料容易被撕裂，因此隨CaCO3含量的增加撕裂強(qiáng)度降低。

2.2.4 PVC復(fù)合材料的開縫設(shè)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(diào)隔聲材料，為了獲得良好的隔聲效果，應(yīng)用過程中需要在材料上開過管孔或者割縫。對于PVC復(fù)合材料，由撕裂強(qiáng)度的測試結(jié)果可知，開縫后形成褲形結(jié)構(gòu)，其撕裂強(qiáng)度大大降低，因此，在設(shè)計中，為了減少撕裂破壞，過管孔和割縫不能設(shè)置在PVC復(fù)合材料的延展方向(縱向)，尤其是當(dāng)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(yīng)在縫的末端開圓孔，以避免尖端應(yīng)力集中，如圖6。

圖6 PVC復(fù)合材料割縫和過管孔設(shè)計示意圖

2.3 PVC復(fù)合材料的折彎性能

由圖7可以看出，CaCO3含量為60%的PVC復(fù)合材料出現(xiàn)4處明顯龜裂，55%的只出現(xiàn)一個，50%和45%無明顯龜裂，而氯丁橡膠的龜裂連續(xù)，出現(xiàn)斷開現(xiàn)象。由此說明與氯丁橡膠相比，PVC復(fù)合材料具有非常優(yōu)越的抗折彎能力，但當(dāng)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(jié)合處形成裂紋而發(fā)生折彎斷裂，因此為確保隔聲材料的裝配質(zhì)量和外觀，CaCO3的含量不能超過60%，最好不要超過55%。

圖7 PVC復(fù)合材料和氯丁橡膠試樣折彎后的外觀

3 結(jié)語

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

(2)PVC復(fù)合材料對裂紋極為敏感，尤其是CaCO3含量超過55%時，應(yīng)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(shè)置在垂直材料延展方向的橫向。

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

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