具备隔音隔热性能的PVC复合材料的制备及其性能研究

Preparation and Properties of PVC Composites with Sound Insulation and Thermal Insulation Properties

摘要

以回收废弃聚氯乙烯（PVC）管材料粉末为原料，利用三烯丙基异氰脲酸酯（TAIC）对其进行扩链改性，再添加硅烷偶联剂KH-550改性的SiO₂空心微珠，制备了具有隔音隔热功能的PVC板材，实现对废弃PVC材料的回收利用。结果表明：TAIC能够有效提高PVC熔体黏度，并通过扩大PVC分子链长度改善PVC板的力学性能。改性SiO₂微珠能够对PVC起增刚作用，从而提高PVC板的力学性能。改性SiO₂微珠能够提高PVC板疏水性和隔音、隔热性能。当改性SiO₂微珠含量为3份时，PVC板的导热系数从0.35 W/（m·K）降至0.14 W/（m·K）。当改性SiO₂微珠含量为15份时，PVC板在800~1 400 Hz段的最大声波阻隔率从50%左右提高到97%左右。

关键词

聚氯乙烯 / 三烯丙基异氰脲酸酯 / SiO₂空心微珠 / 隔音性能 / 隔热性能 / 力学性能

Key words

PVC / TAIC / SiO₂ hollow microspheres / Sound insulation performance / Thermal insulation performance / Mechanical properties

建筑保温板是重要建筑一体化材料，具备保温隔热功能，能够达到减少建筑热量流失、节能减排的作用^[1-2]。建筑保温板主要材料有挤塑聚苯板、岩棉板、泡水泥保温板和硬质聚氨酯泡沫板等^[3]。对建筑保温板进行进一步功能化改性，使其成为具备隔音隔热能力的多功能复合材料，是现阶段研究重点^[4-5]。

聚氯乙烯(PVC)是由氯乙烯(CH₂=CHCl)单体聚合而成的塑料，其加工性能良好，是制备隔音隔热墙板的良好材料^[4]。随着材料更新，大量PVC回收料面临处理问题。PVC中C—C键、C—H键易被自由基、HCl、紫外线攻击导致老化^[6]，使其在土壤中降解^[7]，导致废弃PVC材料力学性能损失明显^[8]，难以达到回收要求^[9-11]。利用扩链剂可以在PVC内部构建化学交联点，从而改善PVC强度和刚性。孙春英等^[12]通过加入引发剂和助交联剂，发现三烯丙基异氰脲酸酯(TAIC)提高了聚氯乙烯/热塑性聚氨酯弹性体(PVC/TPU)体系硬度、力学性能，但会降低热延伸。李爽等^[13]研究了TAIC含量对聚氯乙烯/丙烯酸酯类共聚物(PVC/ACR)共混物力学性能与形态结构的影响。结果表明：随着交联剂含量的增加，共混物的冲击强度先变大后减小，当交联剂的含量为4%，ACR的添加量为8份时，共混物的冲击强度达到1 196.70 J/m。郑华等^[14]采用过氧化二异丙苯(DCP)作主交联剂、TAIC作助交联剂硫化丁腈橡胶/聚氯乙烯(NBR/PVC)。结果表明：当DCP用量为3.5份、TAIC用量为3份时，NBR/PVC共混硫化胶的综合性能最好。

在隔热板内部构建空心结构，可以明确改善材料隔音隔热性能^[15-17]。空心玻璃微珠是直径在微米级的空心微珠，具有较低的密度，能够赋予塑料材料轻量化、隔音隔热改性。但表面改性对玻璃微珠与塑料基体相容性关系密切，杨文才等^[18]发现改性空心玻璃微珠能够在PVC中均匀分散，PVC复合材料具有较好的隔热效果。裴涛等^[19]研究表明，未经表面处理和用硅烷偶联剂进行表面处理的玻璃微珠，使PVC/ABS合金材料的拉伸强度和缺口冲击强度降低。马秀颖^[20]发现，改性玻璃微珠明显提高了高密度聚乙烯(HDPE)材料的抗压强度和拉伸强度，并进一步提高其隔音性能和降低其导热系数。

本实验以回收PVC管材料为原料，利用TAIC对PVC进行扩链反应，改善材料力学性能，再加入改性SiO₂空心微珠，利用熔融共挤的方法制备具有隔音、隔热效果的功能化改性PVC复合材料。

1 实验部分

1.1 主要原料

聚氯乙烯(PVC)回收料，自制；SiO₂空心微珠5020，平均粒径50 μm，温州市维真新材料有限公司；三烯丙基异氰脲酸酯(TAIC)，分析纯，湖北臻博化工有限公司；γ-氨丙基三乙氧基硅烷(KH-550)，分析纯，上海麦克林生化科技股份有限公司；硬脂酸钙、硬脂酸镁、抗氧剂1010、抗氧剂168，工业级，市售。

1.2 仪器与设备

双螺杆片材板材膜挤出机组，SHJ-40，南京翰易机械电子有限公司；微机控制电液伺服万能试验机，WAWL1000D，济南中路昌试验机制造有限公司；视频光学接触角测量仪，OCA25，北京奥德利诺仪器有限公司；触摸屏黏度计，Mars60，德国HAAKE公司；傅里叶红外光谱仪(FTIR)，Nolay10，天津诺雷信达科技有限公司；热线法通用型导热系数仪，TC3000，西安夏溪电子科技有限公司；数字超声波传感器，FW-H10R，基恩士（中国）有限公司。

1.3 样品制备

表1为PVC复合材料配方。将SiO₂空心微珠与1% KH-550混合，升温至110 ℃下处理10 min，得到改性SiO₂空心微珠。以PVC为100份计，将PVC、SiO₂空心微珠和TAIC按表1配方混合后，加入硬脂酸钙、硬脂酸镁各0.2份，抗氧剂1010、168各0.1份，混匀投入双螺杆片材板材膜挤出机中，在220~230 ℃下挤出厚度为4 mm的片材。

1.4 性能测试与表征

FTIR测试：测试范围为600~4 000 cm^-1。

流变性能测试：将样品置于旋转流变仪中，在230 ℃下熔融后，在120 r/min下测试样品熔体表观黏度-时间曲线，测试时间为180 s。

力学性能测试：弯曲性能按GB/T 9341—2008进行测试，将片材裁剪成尺寸为80 mm×10 mm×4 mm的样条。拉伸性能按GB/T 1040.1—2018进行测试，将片材裁剪成尺寸为150 mm×10 mm×4 mm的哑铃形样条。

隔音性能测试：声波发生器发出0~6 000 Hz声波，记录空白声纹曲线(V ₀)，将PVC板材置于声波发生器和传感器之间，再次测试声形曲线(V ₁)，声波阻隔率的计算公式为：

声波阻隔率=(V ₀-V ₁)/V ₀ (1)

隔热性能测试：将样品置于热线法通用型导热系数仪测试导热系数。

2 结果和讨论

2.1 FTIR分析

图1为SiO₂和改性SiO₂空心微珠FTIR谱图。从图1可以看出，改性SiO₂空心微珠在2 977 cm^-1处和2 852 cm^-1处的弱峰，是硅烷偶联剂KH-550中C—H键伸缩振动峰，说明SiO₂空心微珠表面引入了新的C—H键结构，说明KH-550被成功负载在SiO₂空心微珠表面；在773 cm^-1处出现新吸收峰，对应N—H键面内弯曲振动峰，表明改性SiO₂空心微珠产生C—N键结构和N—H键结构^[21-22]，证明KH-550被负载改性至SiO₂表面。

2.2 流变性能分析

图2为TAIC含量对PVC黏度的影响。从图2可以看出，未添加TAIC时，PVC熔体黏度为15 Pa‧s左右。当TAIC含量在0~0.15份时黏度变化明显。当TAIC含量为0.25份时，PVC熔体黏度为32.5 Pa‧s左右，PVC熔体黏度达到最大值，说明TAIC能够明显提高PVC熔体黏度，起到扩链作用。由于相对分子质量的增加，PVC分子链移动能力降低，因此链松弛时间增加，过高的松弛时间下PVC难塑化。因此，TAIC最佳含量为0.20份左右。

2.3 力学性能分析

图3为TAIC含量与PVC板力学性能的关系。

从图3可以看出，随着TAIC含量的增加，PVC板的拉伸强度、弯曲强度和弯曲模量逐渐提高。未添加TAIC时，PVC板的拉伸强度为51.5 MPa。TAIC含量为0.15份时，PVC板的拉伸强度为55.6 MPa。未添加TAIC时，PVC板的弯曲强度为75.6 MPa。TAIC含量为0.20份时，PVC板的弯曲强度为78.9 MPa。未添加TAIC时，PVC板的弯曲模量为2 515 MPa。TAIC含量为0.20份时，PVC板的弯曲模量为2 552 MPa。TAIC对PVC性能提升的原因是通过扩链反应，使PVC分子链间产生更多化学连接，从而提高其力学性能。因此，选取TAIC含量为0.20份，继续加入改性SiO₂微珠，进行实验。

图4为改性SiO₂微珠含量与PVC板力学性能的关系。从图4可以看出，随着改性SiO₂微珠含量的增加，PVC板力学性能进一步提高。拉伸强度从未添加改性SiO₂微珠时的54.7 MPa提高到改性SiO₂微珠为9份时的62.7 MPa；弯曲强度从未添加改性SiO₂微珠时的78.9 MPa提高至改性SiO₂微珠为15份时的82.0 MPa；弯曲模量从未添加改性SiO₂微珠时2 552 MPa提高至改性SiO₂微珠为15份时的2 804 MPa，说明改性SiO₂微珠能够对PVC基体起增刚作用，改性SiO₂微珠含量为12份时，复合材料性能最佳。因为刚性的颗粒能够通过填充PVC分子间隙，在塑料形变过程中起支撑作用，起到限制分子间链活动的效果，达到提高复合材料模量的目的。

2.4 隔音性能分析

SiO₂微珠内部含有中空结构，能够起到吸收声波振动的目的。通过研究不同频率声音谱图可以测试材料隔音性能^[23-24]。图5为改性SiO₂微珠含量与PVC板声波阻隔率的关系。从图5可以看出，PVC板对不同频率的声波阻隔率不同，其中大于3 000 Hz的声波吸收率较低，只有不超过15%，而对800~1 400 Hz的声波吸收率较高，达到50%左右，这是PVC固有共振频率决定的。加入改性SiO₂微珠后，在0~2 600 Hz的低频段声波吸收频率得到明显提高。当填充15 份改性SiO₂微珠时，对1 163 Hz下的吸波率达到近97%，低频吸波效果改善明显。

2.5 隔热性能分析

图6为改性SiO₂微珠含量与PVC板隔热性能的关系。从图6可以看出，随着改性SiO₂微珠含量的增加，PVC板导热系数降低，从未添加改性SiO₂时的0.35 W/(m·K)降至改性SiO₂为3份时的0.14 W/(m·K)，说明改性SiO₂微珠能够提高PVC板的隔热能力。因为微珠呈真空结构，能够赋予复合材料空心结构，使其具备良好的隔热性能^[25-26]。

3 结论

TAIC能够有效提高PVC熔体黏度，当TAIC含量为0.25份时，PVC熔体黏度提升至32.5 Pa‧s左右。通过扩大PVC分子链长度改善PVC板的力学性能。在考虑性价比的情况下，TAIC最佳添加量为0.20份。改性SiO₂微珠能够对PVC板起到增刚作用，从而进一步提高PVC板的力学性能。当改性SiO₂微珠含量为15份时，PVC板的弯曲强度提高至82.0 MPa。当改性SiO₂微珠含量为15份时，PVC板的弯曲模量提高至2 804 MPa。改性SiO₂微珠能够提高PVC板疏水性和隔音、隔热性能。当改性SiO₂含量为3份时，PVC板的导热系数降至0.14 W/(m·K)。当改性SiO₂含量为15份时，PVC板在800~1 400 Hz段的最大声波阻隔率提高到近97%。

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基金资助

山西省教育科学“十四五”规划2021年度专项课题(PJ-21033)