MATERIAL E PRODUTO DE AMORTECIMENTO DE CAMADA LIMITADA
Campo Técnico
A presente invenção é direcionada a um material de amortecimento de vibração para uso em um sistema de amortecimento limitado e a um produto de amortecimento de camada limitada para amortecer ruido em aplicações automotivas.
Fundamentos da técnica
Materiais de amortecimento de vibração são amplamente utilizados nas aplicações automoticas para amortecer a vibração e sons de ruído de estrada e do motor. Para amortecer materiais são preferenciais materiais viscoelásticos. O efeito de amortecimento, ligado à energia dissipada no material viscoelástico, aumenta com o aumento do módulo Young e do fator de perda do material viscoelástico. Evidentemente esse também aumenta em relação à deformação sujeitada do material. Há materiais com um fator de perda muito alto, mas um módulo Young inferior que provê amortecimento limitado para uma placa de metal, e outros materiais com um módulo Young alto, mas um fator de perda relativamente inferior (tipo borracha), que são também não muito bons como amortecedores. Materiais de amortecimento bons provêm um compromisso entre módulo Young e perda de fator.
Desde que em materiais viscoelásticos o módulo Young diminui com temperaturas e o fator de perda tem um pico em função da temperatura, há uma janela de temperatura onde o efeito de amortecimento em uma placa de metal (chamado o amortecimento de compósito) tem um pico. Amortecedores são projetados para ter esse pico adequando-se à temperatura da aplicação.
Há dois princípios principais de amortecimento: o amortecimento de camada livre (FLD) e o amortecimento de camada limitada (CLD).
No FLD, a deformação principal no material viscoelástico é estirada provocada pela curvatura da folha de metal, normalmente a parte estrutural que é propensa à vibração devido às ondas sonoras. A quantidade de energia dissipada aumenta com a espessura, para um dado material de amortecimento. Portanto esses materiais tendem a ser bastante espessos. O módulo Young também é tipicamente bastante alto.
No CLD, a deformação principal no material viscoelástico está no cisalhamento, porque o material é imprenssado entre duas placas duras (estrutura e camada de limitação de alumínio) que são deslocadas ao longo de seus planos durante a vibração. Uma camada fina de material viscoelástico pode ser utilizada porque a deformação de cisalhamento é muito maior do que a deformação tênsil do FLD. O material também é tipicamente mais mole do que no FLD para garantir que haja um grande salto entre a dureza das folhas de metal e o amortecimento, garantindo uma força de cisalhamento alta. O fato de que a deformação é muito grande compensa o módulo Young inferior. Se o material é muito duro, então a deformação por estiramento é muito inferior. Evidentemente, o efeito de amortecimento aumenta com aumento do fator de amortecimento do material viscoelástico.
Estruturas duras, tipo painéis de corpo de carro, exigem amortecimento de camada limitada. Amortecimento de camada limitada consiste de um material de amortecimento limitado (3) entre uma camada de base estrutural (4) e uma camada de limitação (2) (figura 1). Ambas, a camada de base estrutural e a camada de limitação, estão trabalhando efetivamente como camadas de limitação. Para amortecimento de camada limitada o método de anexação das camadas não importa desde que contato de superfície adequada e acoplamento ocorram. No entanto, adesivos (5), se necessários, deveriam ter dureza de cisalhamento alta, a medida que adesivos mais moles não transferirão adequadamente estiramento de cisalhamento para a camada de amortecimento mediana.
O material de amortecimento da camada limitada em combinação com uma folha de metal a medida que a camada de limitação é aplicada para as partes selecionadas ou áreas do veículo, formando a camada estrutural da base do sistema de amortecimento limitado, para evitar vibrações e ruídos de serem transmitidos dentro do veículo para o compartimento de passageiro. Um problema se forma pelo fato de que muitas das superfícies a serem tratadas com esse tipo de sistema de amortecimento não são horizontais, mas estão na direção vertical, inclinadas ou invertidas. Isso significa que a função de adesivo da parte ou da camada adesiva adicional deve trabalhar contra a gravidade. O adesivo deve, portanto, ter pouco ou nenhum deslize lento ou características de fluxo com idade.
Tipicamente, materiais para a camada limitada compreendem materiais termoplásticos ou de borracha, que são capazes de suprimir vibrações e sons.
Material de amortecimento a base de betume é mais barato do que material a base de borracha, mas tem a desvantagem que não é auto adesivo. Betumes são normalmente caracterizados por uma combinação de penetração, ponto de amolecimento e viscosidade e podem ser divididos nas seguintes classes de material:
- • Betume de grau de penetração é obtido da destilação fracionai de óleo bruto. As frações mais leves são vapores, ou seja, butano e propano, frações mais pesadas são tiradas da coluna para produção de gasolina, então querosene, então óleo de gás, as frações mais pesadas são hidrocarbonetos de alto peso molecular. Esses hidrocarbonetos pesados, que são chamados resíduos longos, são destilados adicionalmente em uma coluna de destilação à vácuo para produzir óleo de gás, destilados e resíduo curto. O resíduo curto é a matéria prima para produzir mais de 20 graus de betume, esses são classificados por seu índice de penetração normalmente valores de PEN de 10 a 330 dmm, essa é a distância em décimos de milímetros que uma agulha penetra o betume sob um método de teste padrão. Betume de grau de penetração são caracterizados pela penetração e ponto de amolecimento.
- • Betumes oxidados são caracterizados pelo ponto de amolecimento e penetração, por exemplo 85/40 é betume oxidado com um ponto de amolecimento de 85 e uma penetração de 40. Betume oxidado é obtido por processamento adicional dos resíduos curtos. Eles são semi soprados ou totalmente soprados com ar para aumentar seu peso molecular.
- • Betumes de grau duro são caracterizados por seus pontos de amolecimento e penetração, mas são apenas designados pela faixa de ponto de amolecimento, por exemplo, H80/90.
A experiência mostrou que para o uso em painéis de insonorização em veículos, graus de penetração ou de PEN dão melhores características de amortecimento do que graus oxidados. No entanto, é comum acreditar que PEN 15 é para fragilizar, enquanto que PEN 50 e graus de PEN maiores são muito moles, produzindo painéis que fluem durante armazenamento. O betume é posicionado nos painéis de corpo de veículo para ser amortecido, sujeito ao calor (cerca de 140°C), em que ele deve de conformar ao formato do painel de corpo sob seu próprio peso e aderir fortemente. Composição típica é (% de massa):
- • Betume (PEN 25) 25 -30%
- • Polímero (tipo APP, EVA etc) 0-5%
- • Fibra 3-5%
- • Preenchedor (tipo calcário, argila, mica etc) 60-70%. (MORGEN ET AL. Shell Bitumen Industrial Handbook. Thomas Telford, 1995.)
Um método comum de aplicação do material de amortecimento de vibração é provê-lo na forma de uma folha ou fita incluindo uma camada adesiva, que adere o material de amortecimento ao substrato desejado tal como um painel de corpo de automóvel ou painel interior. No entanto isso exige que o material de amortecimento de vibração seja laminado para pelo menos uma camada adesiva sensível a pressão, ou camadas adesivas ativadas por calor.
É bem conhecido que o tempo ótimo para instalar essas folhas de amortecimento é antes da curagem da pintura da superfície externa do veiculo, o que geralmente ocorre em um forno de cozer que pode atingir temperaturas em excesso de 190°C. Como tal, a capacidade do material aderente da folha deve ser capaz de suportar tais temperaturas temporárias intensas. Identificou-se que adesivos a base de resina termoplástica não provêm força adesiva adequada após o processo de cozimento a calor devido a perda de propriedades mecânicas a medida que as temperaturas aumentam.
Como tal é bem conhecido que adesivos ativados por calor, tal como adesivos termoajustáveis, são preferenciais em que o ponto de ativação do adesivo pode ser adequadamente modificado, com base na temperatura do processo de cozimento por calor. Tais adesivos, portanto, têm a capacidade de suportar as temperaturas normalmente encontradas no processo de cozimento por calor, embora mantendo a força adesiva de requisito. No entanto, o laminado deve de algum modo ser temporariamente anexado ao meio metálico no interim até que o adesivo seja ativado de modo adequado.
US 3243374 descreve o uso de um ferrito em pó dentro de uma folha de amortecimento de vibração e ruído a base de betume para permitir posicionamento preliminar da folha durante montagem junto com um adesivo ativado por calor. Na aplicação e antes do adesivo ser ativado por calor a folha é mantida em seu lugar magneticamente.
Uma alternativa é o uso de material de amortecimento auto-adesivo; atualmente há dois materiais principais no mercado, um compósito de material com base em betume e um com base em borracha. Material de camada de amortecedor limitada pode ser feito de uma combinação de betume e um taquificante, tipo resina de hidrocarbono, para obter um material de amortecedor auto-adesivo. Normalmente dois graus de betume, um betume de grau de PEN 20/30 que tem uma penetração entre 20-30 dmm e um amolecimento a partir do método anel e bola (Ring&Ball) de cerca de 55°C e um betume soprado com uma penetração entre 35-40 dmm e um amolecimento a partir do método anel e bola (Ring & bali) de cerca de 100°C são utilizados para produzir o material de amortecedor. Os fabricantes de amortecedores fazem essa mistura no lado, de modo que dois materiais de betume diferentes sejam armazenados em tanques separados e misturados durante a preparação do amortecedor, para aumentar a temperatura de fusão do amortecedor final. No entanto, o tipo soprado de betume se torna um produto de nicho para as grandes companhias de petróleo e é cada vez mais difícil de obter o material de betume para fazer os amortecedores.
Camada de betume com resina de hidrocarbono pode ser utilizada sem a necessidade de curagem a medida que a resina já está misturada no betume. Resina de hidrocarbono, o taquificante utilizado não é mais permitido dentro da área de passageiro do carro devido ao alto nível de VOC (compostos orgânicos voláteis).
US 6828020 descreve um exemplo de um tipo de borracha de butil do material de amortecimento. Material de camada limitada de borracha de butil foi desenvolvido para a indústria de construção e é utilizado comumente agora no amortecimento de painéis de corpo automotivo. A produção e os materiais brutos são caros. Particularmente, a mistura dos ingredientes precisa de um misturador de estresse de alto cisalhamento e é, portanto, um processo cosumidor de energia. Atualmente o material desenvolvido para a indústria de construção é utilizado também para aplicações em veículos. Nem todo material de amortecimento de butil auto-adesivo é capaz de suportar as temperaturas de curagem, a folha de alumínio tende a delaminar ou começar a deslizar durante a curagem. O material de amortecimento de butil atualmente no mercado para aplicações automotivas tem sido parcialmente modificado para suportar uma temperatura de curagem de 190°C.
Esses materiais de amortecimento auto-adesivos ou auto-adesivos são produzidos na forma de folhas com uma folha de alumínio como camada de limitação em um lado e um papel de liberação no lado oposto da folha. Após a liberação do papel, o material adesivo é aplicado diretamente ao painel para ser amortecido, sem a necessidade de camadas adesivas adicionais.
Resumo da Invenção
É o objetivo da presente invenção obter um material de amortecimento que pode ser utilizado como uma camada limitada em um amortecedor de camada limitado, que é comparável nas propriedades acústicas com os materiais atualmente no mercado e que está utilizando materiais brutos mais prontamente disponíveis. Preferencialmente o material de amortecimento é auto-adesivo, portanto não há necessidade por camadas adesivas adicionais. Portanto é um objetivo da invenção obter um material de amortecimento alternativo que pode ser utilizado como a camada limitada no amortecimento de camada limitado (CLD).
Constatou-se que um betume mole com uma penetração de pelo menos 150 dmm e um ponto de amolecimento a partir do método anel e bola (Ring & ball) de > 35°C como reivindicado, pode ser utilizado como uma camada limitada em um amortecimento de camada limitada (CLD).
O material de amortecimento de camada limitada, de acordo com a invenção, compreende pelo menos um material de betume e um material ligante caracterizado pelo fato de que o material de betume é um betume de grau mole com uma penetração de pelo menos 150 dmm e um ponto de amolecimento a partir do método anel e bola (Ring & ball) de > 35°C, preferencialmente o material de betume é um betume de grau de PEN 160/220. Como esse betume é comumente utilizado para estradas, está prontamente disponível no mercado em grandes quantidades. Outro betume com propriedades físicas comparáveis pode ser utilizado também. O betume leva cerca de 20 a 40% do peso total do material de amortecimento. Considerando que o ligante leva entre 45 e 70% do peso total. Se não estabelecido de outro modo, a dada % é sempre % do peso total do material de amortecimento final.
Pode ser utilizado como um material ligante pelo menos um do tipo giz, calcário em pó, mica, borracha ou látex de materiais, ou materiais fibrosos, tipo fibras de poliéster, fibras de celulose ou fibras de madeira. Vantajosamente, uma combinação de giz e um ligante coesivo, tipo fibras e/ou látex é utilizada. O ligante coesivo de pelo menos uma das fibras, um polímero, látex ou borracha sintética compreende entre 1,5 e 6% do peso total.
O material de amortecimento pode ser utilizado junto com camadas adesivas para obter o CLD ou em adição a um taquificante pode ser adicionado ao material de amortecimento, por exemplo, pelo menos um dos preenchedores de partícula magnética ou uma resina.
A resina da invenção pode incluir resina selecionada do grupo constituído por breu, goma de éster, azeite de pinho, ésteres de breu, breu hidrogenado, ésteres de breu hidrogenado, produtos de reação do breu e anidreto maleico e produtos de reação a partir de breu e fenol. Os ésteres de breu podem ser formados da reação de breu com álcool, em que o álcool é selecionado do grupo constituído por álcool de metil, dipropileno glicol, glicerina e pentaeritritol ou suas misturas.
Como uma resina de taquificante um derivado de breu é preferencialmente utilizado. Constatou-se que combinando um betume de grau de PEN 160/220 com uma pequena quantidade de breu ou colofon o betume manteve o amolecimento necessário para uma camada limitada, é auto-adesivo e estável ao longo do tempo e sobre uma faixa de temperatura normal para o uso desses tipos de produtos em carros. O comportamento do material é comparável com aquele do material de amortecimento a base de borracha de butil otimizado e pode substituir esse material mais caro nas mesmas aplicações. O breu é de até 8% do peso total do material de amortecimento, preferencialmente entre 0 e 6%. Pelo menos entre 2 e 8% em peso de um breu, é utilizado para obter um material de amortecimento auto-adesivo.
Preferencialmente, o derivado de breu é pelo menos um de metil éster de breu ou o metil éster de breu hidrogenado, ou o éster de trietileno glicol de breu do éster de trietileno de breu hidrogenado. Vantajosamente, um derivado de breu que é um líquido viscoso na temperatura de processamento e utilizado. As versões hidrogenadas de breu são mais preferenciais, a medida que eles têm viscosidade mais alta. 0% de resina pode ser utilizado naqueles casos onde um sistema adesivo alternativo é escolhido tipo partículas magnéticas ou camadas de cola adesiva.
Outros aditivos não diretamente relacionados com as propriedades como discutidas podem ser adicionados, por exemplo auxílios de mistura ou processamento tipo óxido de cálcio.
Para a camada de limitação, uma camada dura preferencialmente uma camada de metal preferencialmente alumínio ou aço podem ser utilizadas. Outras camadas de limitação, tipo esteiras de vidro, materiais de lã ou papelão também podem ser utilizados para aplicação específica. A espessura da camada é normalmente entre 0,05 e 0,2 mm. Em um caso especial a combinação do material de amortecimento junto com um painel sob o corpo como a camada de limitação e a placa traseira do veículo como a parte estrutural podem ser utilizados como um amortecedor de camada limitada de acordo com o material de amortecimento consequentemente obtido pode ser utilizado como uma camada limitada em um amortecedor de camada limitada CLD. No caso de uma mistura auto adesiva ser utilizada como um papel de liberação pode ser utilizado no lado oposto da camada de limitação, para evitar colar durante armazenamento e transporte, até que o produto seja aplicado à parte esturural a ser amortecida. O material de acordo com a invenção pode ser utilizado nas partes horizontal e vertical de um veículo. Devido à combinação de material o material de amortecimento de betume não está funcionando e estável sobre a faixa de temperatura para aplicação e durante uso. Além disso as propriedades de amortecimento estão acima de 0,1 na faixa de frequência de interesse. Ambora não haja necessidade por uma etapa de curagem por temperatura o material pode ser aplicado ao corpo de veículo antes da curagem da pintura sem qualquer efeito marcante na adesão ou as propriedades de amortecimento do material, em particular isso não diminui essas propriedades. No entanto este também pode ser aplicado mais tarde no processo de desmontagem do carro.
Métodos de medição
As propriedades adesivas foram medidas utilizando o método de teste FINAT FMT2 para adesão de casca (90°) em 100 mm/minuto. Este teste é realizado para comparar a resposta do adesivo dos laminados diferentes. Medição de adesão de casca a 90° normalmente fornece um valor inferior a 180° e permite valores serem medidos para materiais normalmente dando rasgo de papel. Adesão de casca é a força requerida para remover material revestido sensível à pressão aplicado a uma placa de teste padrão, a partir da placa em um ângulo e velocidade especificado. A adesão foi medida 24 horas após a aplicação ser considerada a última adesão. Tiras de teste utilizadas foram 25 mm de largura e tiveram um comprimento de 190 mm na direção da máquina. A máquina foi ajustada em taxa de separação de mandíbula de 100mm por minuto. A adesão de casca (90°) dada é o resultado médio para as tiras testadas em Newton's por 25mm de largura. O teste foi repetido em temperaturas de teste diferentes.
Para a medição da propriedades de perda de amortecimento das amostras de referência e o material de acordo com a invenção o ISO 6721-3 foi utilizado. As amostras foram medidas no equipamento Carrousel comercialmente disponível dos sistemas Automotivos Rieter.
Estado das amostras de referência da técnica
Como referência 1 um material de amortecimento de butil do estado da técnica T255 AL15 como vendido pela companhia Olina é utilizado. Isso é uma fita adesiva de alu-butil vendida com papel de liberação. De acordo com a descrição do produto esse material é um butil viscoelástico com um desempenho de amortecimento sobre a faixa de temperatura entre - 30 a 80°C, no entanto deve ser aplicado à parte estrutural básica entre 5 e 40°C. Tem uma largura de área total de 2.9 kg/m2, uma espessura total de 1,7mm e uma densidade entre 1,4 e 1,7. O alumínio tem uma espessura de 150 pm.
Referência 2 foi feita utilizando o betume de graduação duro 20/30 normalmente utilizado. O material foi feito com cerca de 27 % de Betume 20/30, Giz de cerca de 57% e fibras coesivas, fibras, CaO e látex até cerca de 6%.
No material de amortecimento de teste de aderência utilizado como uma referência, que não era auto adesivo, foi utilizado junto com uma camada de cola adesiva como indicado na figura 1. Uma ou ambas as camadas de cola foram utilizadas. Como uma camada de cola, um adesivo acrílico disponível comercial da companhia Adesia foi utilizado.
Material de amortecimento de exemplo de acordo com a invenção
O material de amortecedor de exemplo de acordo com a invenção (INV) foi feito com:
- • Grau de PEN 160/220 de betume aproximadamente entre 30% e 35% em peso
- • Ligante: CaC03 entre 55 e 60% em peso junto com fibras de celulose aproximadamente 2% em peso e látex sintético aproximadamente entre 2.4 e 2.6% em peso
- • Rosina foi utilizada como indicado; se nenhum é indicado aproximadamente 4% em peso total foi utilizado.
Como betume um betume de estrada 160/220 da Unipetrol foi utilizado com uma penetração de 160 a 220mm e um ponto de amolecimento a partir do método anel e bola (Ring and Ball) entre 35 e 43°C. Esse material tem um ponto de quebra de -15°C e um ponto de amolecimento de 12°C.
Como resina o éster de metil de rosina foi utilizado, por exemplo, Granolite.
A percentagem de peso específico foi otimizada para cada amostra para obter um produto estável. Foram necessários aditivos adicionais para processamento de razões tipo manuseio, secagem do betume e etc. Esses aditivos são conhecidos na técnica e não têm uma influência direta no desempenho de amortecimento do material.
Para a medição das propriedades de CLD ambos materiais de betume foram cozidos para evitar camadas de cola de interferirem com o dado obtido. A construção limitada foi em ambos os casos realizada com 0.2 mm de folha de alumínio. O amortecedor de butil foi medido sem cozinhar. A adesão sendo uma propriedade intrínseca desse material.
Breve descrição das figuras
Figura 1: representação esquemática de um amortecedor de camada limitada (CLD)
Figura 2: o fator de perda do material de amortecimento de acordo com a invenção de acordo com a invenção em comparação ao material de referência.
Figura 3: a espessura do material de amortecimento em relação à quantidade de rosina utilizada.
Figura 1 mostra um amortecimento de camada limitada básico (CLD) consistindo de material de amortecimento limitado (3) entre uma camada de base estrutural (4) e uma camada de limitação (2) (figura 1). Para o amortecimento de camada limitada o método de anexar as camadas não importa desde que contato de superfície adequado e acoplamento ocorram. No caso, o material contém partículas ou é auto-adesivo sem camadas de cola adicionais serem necessárias. No entanto camadas adesivas opcionais (5) se utilizadas deveriam ter dureza de alto compartilhamento, a medida que adesivos mais suaves não transferirão adequadamente estiramento de cisalhamento para a camada de amortecimento mediana. A camada de limitação (2), a camada limitada (3) e se necessário as camadas de cola (5) juntas formam o produto de amortecimento de camada limitada que pode ser vendido para a indústria de carros, por exemplo. Se camadas de cola são uitlizadas, a superfície da camada externa da camada de cola que será anexada à camada de base estrutural, portanto a parte do corpo do veículo, pode ter um papel de liberação para evitar o material de colar de modo indesejado durante transporte. Camadas de limitação auto-adesiva, como por exemplo o material de referência 1 não precisam camadas de cola adicionais.
Figura 2 mostra o fator de perda medido para sistemas de amortecimento de camada limitada com um material de referência (Ref 1, Olina e Ref 2 Betume de 20/30) ou o material de acordo com a invenção (INV) como o material de camada limitada neste caso com 0% de rosina.
O material de camada limitada novo, de acordo com a invenção, mostra em geral um desempenho melhor como os materiais de referência. Como um veículo é normalmente aquecido na maior parte das áres de até aproximadamente 30°C durante acionamento, o pico do fator de perda na faixa de 30-50°C é ótimo para esse tipo de aplicações, ainda melhor do que aqueles das amostras de referência.
A adesão de casca das amostras do amortecedor de betume de acordo com a invenção com 0 a 8 % de Rosina foram comparadas com a adesão de uma camada adesiva do estado da técnica (Ad) e referência 1 do material de amortecimento de butil do estado da técnica (StoA). Figura 3 mostra o resultado da medição após 24 horas na dada temperatura.
Em 23°C o material de amortecimento de betume já com 0% de rosina de acordo com a invenção mostram auto-adesividade suficiente em comparação com a referência de butil (StoA) e a referência de camada de cola adesiva reference. No entanto em temperaturas inferiores a adesividade a 0% é inferior a ambas. A adesividade da camada de cola é aceita na indústria para uso sobre a faixa temperatura total em um veículo e, portanto, uma percentagem de peso de rosina de pelo menos cerca de 4% seria comparável com a adesividade do material adesivo atualmente no mercado. No entanto, a adesividade preferencial real e, portanto, o peso de rosina necessário é dependente de exigências específicas do local no veículo e a especificação do produtor de veículo. Na posição horizontal a adesividade de 0% é suficiente para manter amortecedor colocado na posição.
O material de amortecimento de butil mostra uma falha adesiva, isso significa que o material de amortecimento tende a delaminar da camada de limitação de alumínio ou da parte de carro estrutural. É uma falha menos favorável como a falha coesiva onde a quebra ocorre dentro do material de amortecimento, como no caso para o material de amortecimento de acordo com a invenção. É, portanto, mais fácil de ajustar a adesividade necessária dependente das exigências específicas do produto.
O material de amortecimento limitado, na base de grau de PEN 160/220 de betume é contra o dogma da pessoa versada na técnica pen grade is uma alternativa verdadeira para as misturas de betume especiais mais caras atualmente utilizadas. Utilizando uma rosina ou resina de colofon é possível criar um material de camada limitado que não está apenas se comportando melhor do que os materiais utilizados atualmente, mas também é auto-adesivo. Como rosina não está afetando os valores de VOC, o material de amortecedor alternativo pode ser utilizado dentro do compartimento do passageiro sem riscos à saúde.