建筑材料应具有良好的隔音性和保温性以减少能量损耗，提供健康舒适的环境[1]。常用的隔音材料通常基于聚氨酯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚乙烯等发泡材料[2]，将聚合物制成夹芯层，应用于建筑材料，减少噪声污染和热量损耗。相比其他聚合物，聚氯乙烯(PVC)发泡材料具有无毒、耐磨性好、耐腐蚀和防霉的优点而被广泛应用[3-4]。然而未经改性的PVC发泡材料的力学性能差、隔音性和保温性能不佳，阻碍其应用范围[5]。在PVC的加工过程中通过掺杂一些无机或者有机填料可以提高材料的综合性能。常用的填料有蛭石、玻璃微珠、氧化石墨烯、石棉、碳纤维等，可以增强材料的隔音性能，但是对材料的保温性能提升效果不佳[6-7]。碳纳米管(CNTs)是一种力学强度高、热稳定性和可辐射吸收性好的无机纳米材料[8-9]，通常仅需较小的掺杂量，可显著改善材料的热稳定性、保温性和力学性能[10]。Hezma等[11]在聚氨酯/聚氯乙烯基体中掺杂少量的单壁碳纳米管，制备复合材料(PU/PVC-SWCNTs)，结果表明，拉伸强度和弹性模量明显提升。Mkhabela等[12]通过TG和DSC等测试，发现CNTs可以改善PVC复合材料的热稳定性。但目前，关于CNTs用于改善PVC发泡材料的隔音性和保温性的报道较少。本实验通过模压发泡法制备CNTs掺杂的PVC/CNTs复合材料，研究不同掺杂量的CNTs对PVC发泡材料的孔径和孔密度、力学性能、隔音性和保温性能的影响。1实验部分1.1主要原料聚氯乙烯(PVC)，K值72~71、羧基化多壁碳纳米管，平均长度50 µm，密度1.2~1.5 g/cm3，直径8~15 nm，纯度95%，阿拉丁试剂（上海）有限公司；增塑剂邻苯二甲酸二辛酯(DOP)、发泡剂偶氮二甲酰胺(AC)，纯度98%，成都科隆试剂有限公司。1.2仪器与设备场发射扫描电镜(SEM)，JSM-IT800SHL，日本电子株式会社；万能试验机，Model5560，美特斯工业系统有限公司；悬臂梁冲击试验机，XJUD-5.5，承德市金建检测仪器有限公司；真空捏合机，WH-1-10，如皋久宝真空捏合机械制造；集热式恒温加热磁力搅拌器，DF-101S，巩义市予华仪器有限公司；四通道阻抗管声学分析仪，BSWA，北京声望声电技术有限公司；智能导热系数测定仪，TSWL-DR3030，天津赛威朗仪器设备有限公司。1.3样品制备采用模压发泡法制备PVC/CNTs复合材料。表1为PVC/CNTs复合材料配方。将PVC母料、CNTs于60 ℃真空干燥箱内干燥6 h。称量PVC母料、DOP和AC，在150 ℃和25 r/min下捏合10 min；再掺杂适量的CNTs，继续捏合10 min，使CNTs在PVC基体中分散均匀。冷却后，室温下于开炼机中捏合5 min，并于160 ℃和15 MPa条件下模压发泡20 min，制得CNTs含量为0.5%、1.0%、2.0%和3.0%的PVC复合材料。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.02.013.T001表1PVC/CNTs复合材料配方Tab.1Formula of PVC/CNTs composites样品PVCDOPACCNTsPVC1003020PVC/CNTs（0.5%）1003020.66PVC/CNTs（1.0%）1003021.33PVC/CNTs（2.0%）1003022.69PVC/CNTs（3.0%）1003024.08gg1.4性能测试与表征SEM分析：将样品在液氮中冷冻脆断，表面镀金后，于25 kV的加速电压下，观察断面微孔形态。孔径长度、孔密度和面密度计算：根据SEM测试结果，截取泡孔数目不低于100的区域，计算材料的孔径、孔密度和面密度，计算公式为：D(平均孔径长度)=1n∑inDi （1）式（1）中：Di为第i个气泡的直径，μm；i为第i个气泡；n为选定区域的气孔数。N0(孔密度)=nM2A3211-vf, vf=1-ρfρ （2）式（2）中：vf为材料的发泡率，%；ρf为发泡材料的密度，g/cm3；ρ为未发泡材料的密度，g/cm3；A为材料表面积，cm2；M为照片的放大倍数，n为选定区域的气孔数。ρ0(面密度)=Mab （3）式（3）中：M为材料的质量，g；a为材料的长度，cm；b为材料宽度，cm。力学性能测试：拉伸性能按GB/T 1040.1—2018进行测试，拉伸速率为30 mm/min，样条尺寸150 mm×10 mm×4 mm；冲击强度按GB/T 1843—2018进行测试，样条尺寸80 mm×10 mm×4 mm。隔音性能测试：按GB/Z 27764—2011进行测试，室温下在40~4 000 Hz范围内，测试PVC/CNTs复合材料的隔声性能。30 mm的小管测试材料对高频(1 600~400 Hz)的阻隔性，100 mm的大管测试材料对低频(40~1 600 Hz)的阻隔性。隔热性能测试：按GB/T 17794—2008进行测试，样品直径13 mm，厚度2 mm，两面均匀喷涂石墨。导热系数的计算公式为：导热系数=α×cp×ρ （4）式（4）中：ρ为待测样品的密度，g/cm3；α为测试样品的热扩散系数，m2/s；cp为待测样品的比热，J/(kg·K)。2结果与讨论2.1SEM分析图1为不同含量的CNTs对PVC发泡材料微孔的影响。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.02.013.F001图1PVC和不同PVC/CNTs复合材料的SEM照片Fig.1SEM images of PVC and different PVC/CNTs composites从图1可以看出，相比纯PVC发泡材料，随着CNTs含量的增加，复合材料的孔径呈现先减小，再增大的趋势。当CNTs含量为2.0%，复合材料的孔径达到最小，因为在PVC发泡过程中，CNTs起异相成核剂的作用，通过降低聚合物熔体的势能，促进气泡成核。CNTs含量越多，异相成核点越多，气泡的融合和破裂越少，PVC复合材料的微孔尺寸越小。继续增大CNTs含量，复合材料的孔径增大，由于CNTs含量过多，在PVC基体中分散不均匀，在范德华作用力下团聚，导致异相成核点减少，微孔孔径增大。2.2孔径长度、孔密度和面密度分析图2为掺杂CNTs的PVC/CNTs复合材料的孔径、孔密度和面密度。从图2a可以看出，相同的温度和压强下，当CNTs含量增至3.0%，PVC复合材料的平均孔径尺寸呈现先减少再增大的趋势。纯PVC的平均孔径为97 µm，当CNTs含量为2.0%，复合材料孔径为52 µm，与纯PVC相比减少46.4%。复合材料的孔密度随着CNTs含量增加，呈现先增大后减小趋势。与纯PVC相比，CNTs含量为2.0%时，PVC复合材料的孔密度增大4.5倍。CNTs含量为3.0%时，PVC复合材料孔径增至61 µm，孔密度减至24×106 孔/cm3，因为当CNTs含量过多，分散不均匀产生团聚，异相成核位点减少，气孔产生破裂和融合，导致孔径增大，孔密度降低。从图2b可以看出，相比PVC，掺杂CNTs的PVC复合材料的面密度随着CNTs含量的增加缓慢增加。当CNTs含量为3.0%，复合材料的面密度最大，为0.49 g/cm3，与PVC相比增大96.0%。图2CNTs的含量对PVC/CNTs复合材料的孔径、孔密度和面密度的影响Fig.2The influence of CNTs contents on pore size， pore density and areal density of PVC/CNTs composites10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.02.013.F2a1（a）平均孔径和孔密度10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.02.013.F2a2（b）面密度2.3力学性能分析图3为PVC/CNTs复合材料的力学性能。从图3可以看出，复合材料的拉伸强度、弹性模量和抗冲击强度随着CNTs含量的增加，呈现先增加再减少的趋势。纯PVC的拉伸强度为17.5 MPa，弹性模量为3.5 MPa，抗冲击强度为3.2 kJ/m2，掺杂2.0%的CNTs的PVC复合材料的拉伸强度为30 MPa，弹性模量为6.5 MPa，抗冲击强度为5.1 kJ/m2，较未掺杂CNTs的PVC材料分别提高71.4%、85.7%和59.4%。由于在PVC发泡材料的加工过程中，CNTs分散在PVC的熔融体中，在冷却固化中，CNTs起桥连作用，界面间应力扩散提升PVC复合材料的力学性能。但是随CNTs含量的增加(2.0%)，材料的弹性模量、拉伸强度和抗冲击强度分别下降，过量的CNTs于PVC间相容性变差，CNTs在强范德华力作用下团聚，无法均匀分散在PVC基体间，导致应力集中，无法有效提升PVC复合材料的力学性能。图3CNTs的含量对PVC/CNTs复合材料力学性能影响Fig.3The influence of CNTs contents on mechanical properties of PVC/CNTs composites10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.02.013.F3a1（a）拉伸强度和弹性模量10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.02.013.F3a2（b）抗冲击强度2.4隔音性能分析图4为不同含量CNTs对PVC复合材料隔音性能的影响。从图4a可以看出，对于不同CNTs含量的PVC/CNTs复合材料，频谱曲线形状相似，从低频到中高频，声能损耗呈现先下降后上升的趋势。在低频段，当声波频率增大达到材料的固有频率，二者发生共振，声波在材料中的传播透过性最大，材料的隔音性能最差，频谱曲线出现谷底。低频段的材料声能损耗主要受弹性模量影响，随着CNTs的含量的增加(2.0%)，PVC复合材料的弹性模量逐渐增大。当CNTs含量为2.0%，PVC复合材料的弹性模量最大，声能损耗最高。在中高频段，材料的隔声性能主要受面密度影响，PVC材料面密度随着CNTs含量的增大而增大，当CNTs含量为3.0%，材料的面密度最大。从图4b可以看出，纯PVC的隔声指数为22.5 dB，掺杂2.0% CNTs的PVC/CNTs复合材料的隔声指数最高，为30 dB，与纯PVC相比提高33.3%，隔声性能最好。由于CNTs与PVC界面、CNTs与空气界面对声波产生散射和折射作用，增加声波在材料中的传播路径，使得声能透过材料时产生损耗。当CNTs含量为3.0%，由于CNTs团聚，CNTs与聚合物、空气间界面折射和散射减少，使PVC/CNTs复合材料的隔声指数下降。图4CNTs含量对PVC/CNTs复合材料隔音性能的影响Fig.4The influence of CNTs contents on sound insulation properties of PVC/CNTs composites10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.02.013.F4a1（a）声能损耗10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.02.013.F4a2（b）隔声指数2.5隔热性能分析图5为掺杂CNTs的PVC复合材料的导热系数变化。图5CNTs含量对PVC/CNTs复合材料的导热系数影响Fig.5The influence of CNTs contents on thermal conductivity of PVC/CNTs composites10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.02.013.F5a110.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.02.013.F5a2从图5a可以看出，随着CNTs含量的增加，PVC复合材料导热系数降低。纯PVC导热系数为88.5 mW/(m·K)，含有0.5%、1.0%和2.0% CNTs的PVC复合材料的导热系数分别为73.5、55.2和43.6 mW/(m·K)，与纯PVC相比分别降低16.9%、37.6%和50.7%。从图5b可以看出，随着CNTs含量的增加，材料的辐射吸收率显著增加。CNTs可以减小PVC发泡材料的孔径，增大孔密度。由于空气导热系数低(23 mW/(m·K))，PVC发泡材料气孔含量越多越有利于提升材料保温性能。CNTs过量，制备的PVC发泡材料出现气孔融合和破裂，无法有效发挥空气的保温性。当导热系数低于50 mW/(m·K)，材料具有良好的保温性能。因此，掺杂适量的CNTs可以提高PVC基体的保温性。3结论适量的CNTs可以提高PVC复合材料的综合性能。随着CNTs含量的增加，PVC/CNTs的孔径减少，CNTs作为异相成核剂可以提高PVC/CNTs复合材料的孔密度和面密度。相比纯PVC发泡材料，PVC/CNTs(2.0%)复合材料的拉伸强度提高71.4%，弹性模量提高85.7%，抗冲击强度提高59.4%；隔音指数提高33.3%；导热系数下降50.7%，具有较好的保温性。因此，经CNTs改性的PVC复合材料具有良好的隔音和保温性能，可用于建筑材料。