PVC復合材料應用研究進展

徐 偉，陳媛媛，楊建中，歐陽司晨，龐 磊

(宜賓天億新材料科技有限公司，四川 宜賓 644600)

聚氯乙烯塑料具有良好的物理性能、耐化學性能和電絕緣性能，而且隔音、防震，原料來源豐富，是目前產量僅次于聚乙烯的第二大通用塑料[1]。聚氯乙烯塑料分為硬質和軟質兩種。硬質塑料可用作絕緣、隔音、保暖、防震、包裝材料和水上救生用品等；軟質塑料可作精密儀器的包裝襯墊、火車汽車的坐墊以及日常人民生活用品等。

然而硬質聚氯乙烯塑料的沖擊性能差、耐熱性不佳和可加工性不良，因此，如何發揮其不同方面的優勢使其應用于不同領域，是PVC塑料工程化的熱門[2]。經過改良的PVC復合材料根據其不同的特性和應用領域主要分為以下幾種：高強高模PVC復合材料、隔音減震PVC復合材料、阻燃抑煙PVC復合材料。本文主要介紹這幾種PVC復合材料的研究進展。

1 高強高模PVC復合材料應用于抗洪搶險領域

防洪搶險用的材料應具備高強度、高模量、防滲性能好、穩定等特點，才能在防洪搶險中能發揮操作便捷、施工速度快等作用。

高強度塑鋼板樁[3]采用強化聚氯乙烯復合材料經特殊工藝一次擠壓成型，具有材質輕、隔水性能好、抗老化、耐腐蝕、使用壽命長、可重復使用和可回收利用等特點，是一種環保、便捷的樁基，并且具有施工占地面積小，便于搬運堆放，綠色環保及無污染等優勢，在縮短施工工期、減小施工作業面，符合國家倡導“以塑帶鋼”、“以塑代木”的新材料應用和節能環保政策；塑鋼板樁對周邊環境影響小，利于保護生態環境。水利部將塑鋼板樁列入《2016年水利先進實用技術重點推廣指導目錄》，已廣泛應用于防洪、排澇、防塌方及防泥石流等自然災害搶險救災及工程建設。

圖1 聚氯乙烯復合材料制成的塑鋼板樁

魏剛等[4]研究了基體韌性、納米CaCO3直接填充于用CPE包覆后填充PVC對復合材料力學性能的影響，并對其微觀結構進行了探討。結果表明，選擇合適的樹脂有助于獲得較高的沖擊強度；CPE處理填充體系沖擊強度均比未使用CPE處理填充體系的低，但是拉伸強度則恰好相反，包覆2份CaCO3時，所制得復合材料的沖擊強度比8份PVC/CPE復合材料的低12%，而拉伸強度比基體的高約8.9%[4]。

武德珍等[5]將納米CaCO3與CPE等制成母粒，再將母粒與PVC及助劑進行共混，制備了高強超韌的PVC合金，結果表明：納米CaCO3和CPE是以軟殼-硬核的結構分散在PVC基體中，使用較少量的CPE即可達到顯著的增韌效果，說明納米CaCO3和CPE對PVC起到了協同增韌的作用，同時納米CaCO3的加人還具有補強作用。

李雪健[6]采用球磨法對聚氯乙烯(PVC)和氯化聚乙烯(CPE)進行固相力化學處理，制備得到復合粒子MGC。與PVC/CPE相比，PVC/MGC復合材料的拉伸強度、斷裂伸長率和沖擊強度分別提高了1.39%、92.11%和472.91%。

黃宸等[7]采用PVC糊樹脂為基料，固定增塑劑與熱穩定劑的添加量，制備了一系列不同CaCO3含量的PVC涂料，研究了CaCO3含量及粒徑大小對PVC涂料流變性能和力學性能的影響。結果表明當涂料中CaCO3粒徑為6000目、含量為20%時，PVC涂料的黏度最高，塑化后樣品的拉伸強度最大，斷裂伸長率最大，綜合性能最優。

騰業方[8]選用硬脂酸(HSt)與鈦酸酯偶聯劑分別對芳香酸鈣(CaT)表面進行處理；結果表明，CaT表面未處理，當其含量為4份時，PVC的缺口沖擊強度由2.9 kJ/m2提高至3.6 kJ/m2，拉伸強度略有上升；CaT表面經3%HSt理后，分散性能變好，具有明顯改善效果。當其含量為4份時，PVC的綜合性能最好，其拉伸強度由53.5 MPa提高至56.0 MPa，缺口沖擊強度由2.9 kJ/m2上升至3.7 kJ/m2。CaT表面經2%鈦酸酯偶聯劑131處理后，界面結合性能明顯變好，當其含量為6份時，PVC的綜合性能最好，其拉伸強度由53.5 MPa上升至57.5 MPa左右，缺口沖擊強度由2.9 kJ/m2上升至4.05 kJ/m2；掃描電子顯微鏡發現CaT表面處理后，在PVC中分散更加均勻，界面結合得更好，更大程度發揮了剛性粒子增韌效果。

葛鐵軍[9]采用乳液聚合法合成具有超韌性能的丙烯酸酯類沖擊改性劑AIM，為進一步提高反應效率及產品性能，利用就地增韌原理將AIM、馬來酸酐(MAH)、聚氯乙烯(PVC)以及引發劑同時加入密煉機共混，再經平板機壓片，制備AIM、MAH與PVC三元共聚物，得到一種新型超韌PVC。其沖擊強度為304 kJ/m2，比純PVC樹脂提高5倍左右，大大縮短了塑化時間，提高了加工效率。

朱勇平[10]用合成的三元乙丙橡膠和甲基丙烯酸甲酯及丙烯接枝制得共聚物EPDM-g-MAN，并增韌聚氯乙烯樹脂，實驗結果表明：三元乙丙橡膠含量為17.5%時，聚氯乙烯與三元乙丙橡膠復合材料的缺口沖擊強度可達到92 kJ/m2，而氯化聚乙烯含量為25%時，PVC/CPE復合材料的缺口沖擊強度可達到85 kJ/m2。

無機填料改性聚氯乙烯提高材料剛性和韌性，并使得PVC復合材料具有良好的力學性能，是通用塑料工程化應用的方式。因此，研究出一種高效穩定的改性聚氯乙烯材料的方法并進行推廣不可或缺。無機填料改性聚氯乙烯制備復合材料，具有降本、提高性能作用。

2 隔音減震聚氯乙烯復合材料應用于高鐵、石油化工

聚氯乙烯樹脂可通過與其他材料共混制成隔音減震材料，也可以通過發泡制得發泡材料，具有良好的隔音減震效果。

目前市場上防止噪聲污染的材料主要分為三類：隔音材料、吸音材料和阻尼降噪材料。目前市場較普遍的是阻尼材料，其功能是防止機械振動，降低機械零件之間相互摩擦磨損，降低噪音?？紤]到粘彈性阻尼層厚度可控及其性價比，用于普通減振和中等減振區域更能體現其價值。粘彈性阻尼材料減振降噪技術的大面積推廣應用不僅會大大降低減振降噪成本，且符合我國綠色發展的理念，是鐵路系統減振降噪最有潛力的技術[11]。

目前阻尼材料多以高分子復合材料為主，因其界面效應、結構效應等在隔音材料領域具有十分重要的地位。通常為了增加材料面密度，常用方式為添加金屬粉末，使其達到隔音效果。為了使隔音材料同時具備阻燃性、抗沖性，還向復合材料加入添加劑，滿足消防方面的需求。

圖2 隔音減震PVC工作原理

臧克南等[12]以聚氯乙烯(PVC)作為塑料組分，以環保丁基再生膠作為橡膠組分，采用動態硫化的方法制備了PVC/丁基再生膠熱塑性彈性體阻尼材料。結果表明，使用氯化聚乙烯、氯化聚氯乙烯改性PVC時，氯化聚乙烯的綜合改性效果優于氯化聚氯乙烯。當氯化聚乙烯用量為20份，制得的熱塑性彈性體綜合性能最優。當磁粉等填料用量為120份時，熱塑性彈性體的綜合性能最佳；動態熱機械分析結果表明，在-55～100 ℃時，熱塑性彈性體的阻尼因子(tanδ)≥0.3，阻尼溫域范圍達到155 ℃，阻尼性能良好，尤其是在-9 ℃左右tanδ達到了0.66，阻尼性能最佳。

秦巖等[13]采用聚氯乙烯樹脂共混改性制備氯化丁基橡膠，制備了在60～120 ℃溫度范圍內阻尼性能優良的橡膠。結果表明，在80～120 ℃溫度范圍內，隨著聚氯乙烯含量的增加，橡膠的損耗因子正切值tanδ升高，當PVC含量為90份時，阻尼效果達到最佳值。

鄭詩建等[14]在丙烯酸酯中加入聚氯乙烯改性，共混物的損耗因子-溫度曲線由一個峰變成了共混物的二個峰，增加了聚合物的阻尼溫度范圍，使得聚合物從-10～110 ℃溫度區間具有良好的阻尼效果。但是，加入過量的聚氯乙烯會導致共混物的機械性能下降，從而導致材料密封性降低，因此聚氯乙烯含量在40～80份時，材料有較好的綜合性能。

楊小兵[15]將聚氯乙烯樹脂加入PIB橡膠中進行硫化，結果表明：阻尼溫度控制在-40～90 ℃的范圍內，共混物的阻尼損耗因子都在0.4以上，具有良好機械性能，對聚氯乙烯進行改性拓寬了阻尼材料使用溫度范圍。

綜上可知，恰當運用聚氯乙烯改性制成阻尼材料能夠提高產品的綜合性能，在制備阻尼材料時，技術人員可以將聚氯乙烯作為優良的改性劑添加到阻尼材料中，制備得到性能優異的產品。

3 阻燃抑煙PVC復合材料應用于建筑結構與船舶

PVC具有耐腐蝕、力學性能好等優點，廣泛應用于建材、電線電纜等領域，然而增塑PVC易燃，同時硬質PVC和軟質PVC在燃燒過程中會產生大量煙霧。國家相關部門在1995年發布《建筑材料燃燒性能的分級方法》，在標準內規定各種等級材料允許的發煙量，硬質聚氯乙烯化學建材燃燒等級應達到《建筑材料燃燒性能的分級方法》阻燃等級B1。聚氯乙烯在加工過程中添加了大量的增塑劑和其他有害助劑，使其在燃燒過程中產生大量的氯化氫、芳香族揮發物、一氧化碳等有毒煙霧和氣體，危害到人們的生命健康及環境。因此，PVC阻燃抑煙是當前行業內待解決的一大難題。

圖3 阻燃抑煙地板簡介

Han等[16]比較了ZnFe2O4、BiFeO3、LaFO3三種材料分別對PVC的阻燃抑煙性能的影響。研究表明：當BiFeO3的添加量為20份時，材料的阻燃效果最佳，極限氧指數值為31.1%，煙密度等級從91%下降到71.6%，峰值熱釋放速率值降低到44.8%，生煙總量值降低到54.8%。

Jia等[17]將大豆油與三氯氧磷合成得到含氯磷酸酯，并且用于PVC阻燃劑。大部分聚氯乙烯材料是一種易燃材料，因為在生產過程中加入了大量的塑化劑鄰苯二甲酸二辛酯，由于阻燃劑含氯磷酸酯也可以作為塑化劑使用，在PVC中的分散性良好，在加工過程中可以減少塑化劑的使用量，當含氯磷酸酯和鄰苯二甲酸二辛酯添加量都為20份時，聚氯乙烯的極限氧指數值為30.1%，并且材料的拉伸強度達到最大值。

Zhang等[18]通過水熱法制備硼酸鋅與氧化還原石墨烯的復合物，并將制備的復合物與氫氧化鎂一起使用，使得聚氯乙烯體系的極限氧指數值達到29.4%，發煙量降低了34%，殘炭率相比沒有改性的有大幅度提高。結果表明：氧化還原石墨烯能顯著增強硼酸鋅/石墨烯復合物與氫氧化鎂的協同效應，對聚氯乙烯起到良好的阻燃抑煙作用。

近年來隨著經濟社會發展，高分子材料的需求得到迅猛增長，安全防火標準越來越嚴格，加上社會及人們的環保意識日趨增強，阻燃抑煙材料正朝著、低毒性、無鹵、低發煙量、低成本、高效、多功能化的方向發展[19-20]。目前，聚氯乙烯阻燃抑煙劑的種類繁多，任何品種的阻燃抑煙劑都有自身缺陷，不能達到良好的阻燃抑煙作用。所以深入研究聚氯乙烯阻燃抑煙機理，合成新的化學物質，采取改性、復配、納米細化等技術手段，增加阻燃劑之間的協同阻燃抑煙作用，并且合成新阻燃抑煙劑，尋找新的阻燃抑煙方法是未來研究的重點，并有很好的前景。

4 結 語

本文對聚氯乙烯復合材料在高強度高模量、隔音減震和阻燃抑煙等方面應用及研究進展進行總結，綜上得出以下結論：

(1)目前，PVC復合材料用于防洪抗災的產品還未廣泛使用，國內生產廠家也較少，然而中國防洪抗災產品的市場需求量較大，經過改性具有高強高模的PVC復合材料具有廣泛的市場前景。

(2)在隔音降噪方面，目前市面上大多數的隔音材料是PVC隔音氈、吸音毯/板等，多用于室內，對于軌道交通應用較少。

(3)在阻燃抑煙方向，聚氯乙烯阻燃劑很多，但單獨使用不能滿足要求，單一阻燃劑存在各種各樣的缺陷。因此研究合成新的阻燃抑煙劑，尋找新的阻燃抑煙方法將是未來研究的站點。