CN101448638A - 声学层状玻璃、声学夹层以及用于最佳声学阻尼的夹层的选择方法 - Google Patents
声学层状玻璃、声学夹层以及用于最佳声学阻尼的夹层的选择方法 Download PDFInfo
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Abstract
层状玻璃(2)包括粘弹性塑料夹层(3),该夹层(3)包括至少两个阻尼膜(30,31),各个膜在两个分开的温度范围tA和tB内具有大于0.6的损耗因数tanδ和小于2×107Pa的剪切模量G′,其特征在于,在包含在温度范围tA或tB的给定温度范围内,在200Hz的频率下,具有最高的损耗因数tanδ的膜具有等效剪切模量G′eq,该等效剪切模量G′eq小于其它膜的等效剪切模量,使得G′eq=G′(etot/e);其中,G′是构成膜的材料的剪切模量,e是膜的厚度,etot为夹层的总厚度。
Description
本发明涉及一种用于加入到层状玻璃中的具有声学阻尼特性的夹层,其特别用于运输机械(engine de locomotion),尤其是机动车辆。
在所有有助于现代运输工具(例如火车和机动车辆)中舒适性的品质中,安静已成为决定性因素。
过去若干年来,通过对噪声(例如发动机、轴承和悬架的噪声),以及在这些噪声的源头或这些噪声通过空气或固体传播期间,借助于例如吸收层、弹性连接部件等装置而进行处理,已提高了声学舒适性。
为了改善在空气中的穿透性以及减少本身也是噪声源的湍流,对车辆的外形也进行了修改。
若干年来,人们感兴趣的是玻璃,尤其是包括弹性夹层膜的层状玻璃,在改善声学舒适性方面能起的作用。层状玻璃还具有别的优点,例如消除突然破裂时的碎片飞溅,从而形成破裂延迟。
已经证明,在层状玻璃中使用标准的弹性膜并不适合改善声学舒适性。因而,开发了具有阻尼特性的特殊弹性膜,该弹性膜使得能够改善声学舒适性。
在下面的描述中,提及阻尼膜是指粘弹性塑料膜,该塑料膜确保了对振动的改善的阻尼,使得玻璃具有减噪功能。
已经表明,玻璃的声学性能依赖于构成夹层膜的材料的损耗因数tan δ的值。该损耗因数为热卡形式的耗散的能和弹性变形能之间的比,其表征了材料耗散能量的能力。损耗因数越高,耗散的能量越多,因此更多的材料起阻尼作用。
损耗因数根据温度和频率而变化。对于给定的频率,损耗因数在称为玻璃态转变温度的温度下达到最大值。
用作层状玻璃夹层的材料为粘弹性塑料膜,其类型为例如丙烯聚合体或聚甲醛树脂。该粘弹性塑料膜具有高损耗因数,例如对于给定的温度范围和给定的频率范围,其至少大于0.6。
为了提高使声学舒适性得以改善的阻尼特性,一些专利已经揭示除了具有大于阈值的损耗因数外,有必要避免损耗因数在层状玻璃组合物的固有相干频率(典型地在大约200Hz)处突然下降。为了达到此目的,美国专利5 190 826描述了将至少两个夹层膜结合或将两种材料组合来构成夹层膜,例如各膜或各材料由混合有增塑剂的不同的聚乙烯乙酰基树脂组成:这两种特定类型树脂的结合将使在更宽的温度范围上确保阻尼成为可能。
美国专利US5 796 055还描述了将具有高阻尼特性(高损耗因数tanδ)的两个膜在两个不同的温度范围内进行结合,以便得到在更宽温度范围上提供声学性能的层状玻璃。
当把在两个不同的温度范围内呈现出改良的阻尼特性的两个膜组合在一起时,尽管与两个膜分别做到的相比,最终获得的夹层能够有效地在更广的温度范围内给层状玻璃提供高阻尼,但相反地这种组合一方面并不会必然导致在更广的温度范围具有最佳的阻尼,而另一方面这种组合并不总是性能良好。
应该能够容易地想到,将两个各自在不同温度范围内呈现高阻尼的膜进行组合,总会得到至少和各膜在各自的温度范围内所呈现的最大阻尼一样高的夹层。
然而,本发明人经证明所获得的夹层并不必然呈现如此性能良好的阻尼,并且所获得的夹层甚至可能接近呈现最小阻尼的膜,这就不会引起阻尼特性的改善。
实际上已经证明,将两种对于两个不同的温度范围仅满足其损耗因数大于0.6的材料,例如现有技术所描述的材料进行组合,并不一定适合得到在整个两个温度范围内性能良好的夹层。
例如已经考虑了由两种阻尼膜通过层压形成的组合物所组成的夹层:一种阻尼膜是Sekisui公司的、商标名为S-Lec声学膜HI-RZN12的、厚度为0.76mm的聚乙烯基丁缩醛膜,其在200Hz呈现大约为10℃的玻璃态转变峰值;以及Solutia公司的、商标名为Saflex RC41的、厚度为0.76mm的聚乙烯基丁缩醛膜,其在200Hz呈现大约为40℃的玻璃态转变峰值。
已经证实,由向玻璃插入夹层获得的允许改善声学舒适性的阻尼特性并不总是与各个膜在两个各自的玻璃态转变温度下(分别为大约10℃和大约40℃)分别获得的阻尼一样大,对于该温度这些膜的阻尼最大。为此,对通过将两个膜层压而组合形成的夹层的损耗因数,以及这些膜单独所具有的损耗因数,均通过粘弹分析仪进行测量。
粘弹分析仪是这样一种装置,其允许样本材料在精确的温度和频率条件下遭受变形压力,并如此得到和处理所有的表征该材料的流变量。在各个温度下,根据频率对力和位移测量的原始数据进行处理,使得能够根据频率并对于不同的温度跟踪损耗因数tan δ的曲线。Metravib牌粘弹分析仪仅在5Hz-400Hz的频率范围内提供值。同样,当有必要在400Hz以上的频率、或在已做过测量的频率之外的其它频率下,或者对已做过测量的温度之外的其它温度跟踪曲线时,以已知的方式使用由WLF(William-Landel-Ferry)方法所建立的频率/温度等价定律。
因而对于200Hz的频率,在10℃和40℃的温度下,已经用Metravib牌粘弹分析仪估计了各个膜以及两个膜的组合物的损耗因数tan δ。这些值在如下的表格中给出:
tan δ | 10℃ | 40℃ |
Sekisui S-Lec声学膜HIRZN12 0.76mm | 1.00 | 0.34 |
Solutia Saflex RC41 0.76mm | 0.14 | 1.01 |
由两个膜组成的夹层 | 0.88 | 0.43 |
单独考虑,发现Sekisui膜在10℃(1.00)而不是在40℃(0.34)起阻尼作用,而Solutia膜在40℃(1.01)而不是在10℃(0.14)起阻尼作用。
尽管在10℃时,由两个膜组成的夹层的损耗因数非常高(0.88),这都是因为该夹层的Sekisui膜(1.00),该Sekisui膜具有两个膜分别具有的损耗因数中较高的损耗因数;但相反地在40℃下,尽管Solutia膜具有非常高的损耗因数(1.01),但由两个膜组成的夹层却呈现出低得多的损耗因数(0.43),相对接近Sekisui膜在该相同温度下所具有的损耗因数,因而并不起阻尼作用。
因此,如果两个膜中的各个膜能在两个不同的温度范围起阻尼作用,这两个膜的组合并不必然意味着获得了在这两个温度中的各个温度上起阻尼作用的夹层,预期的效果并非如此。
另外,这种并不必然确保所希望的声学性能的组合却意味着增加夹层厚度、使用两种不同的材料以及实施获得这种组合物的方法,这在不增加成品费用的情况下就不能继续组合。
同样,可优选地使用仅一个阻尼膜,其的确仅会在有限的温度范围具有可操作性,但仍将提供非常好的性能,然而,选择多种材料或多个膜会增加材料量和夹层的厚度,而并非同样地导致在更广的温度范围内的有效性。
实际上,如果在获得各材料阻尼性能的所有温度范围内均能达到该性能,也将仅仅实际上证明增加夹层的材料量的合理性
另外,关于将阻尼夹层加入到层状玻璃中,已经介绍了不应只考虑损耗因数tan δ,而剪切模量G′构成了在夹层阻尼特性中考虑的另一个特征。专利EP844075已经证明,对于缓和振动,尤其是固体源(典型地频率低于300Hz)的振动,层状玻璃的夹层应满足关于剪切模量G′和损耗因数tan δ的特定值。可回忆起,剪切模量G′表征材料的硬度。G′越高,材料越硬,而G′越低,材料越软。剪切模量取决于温度和频率。也可借助于粘弹分析仪估计剪切模量G′。
因此,本发明的目标是提供包括夹层的层状玻璃,该夹层包括至少两个结合的膜或两种联合的材料,每一个膜构成一个阻尼膜或每一种材料构成一种阻尼材料,使得所得到的夹层不仅在宽的温度范围内是有效的,而且在所有这些温度范围内都具有最佳阻尼性能。
根据本发明,该玻璃包括至少两个玻璃片和布置在玻璃片之间的一个夹层,该夹层包括至少两个阻尼膜,这两个阻尼膜由两种各自的材料A、B组成,使得这两种材料在两个分别的温度范围tA和tB内具有大于0.6的损耗因数tanδ和小于2×107Pa的剪切模量G′,并且其特征在于,该夹层提供对由玻璃在至少两个不同温度范围t1和t2内所获得的声学舒适性的最优改进,该温度范围t1和t2分别包括在两个温度范围tA和tB内,并且其特征在于,在200Hz的频率下并且对于两个温度范围t1和t2的各个温度范围,具有最高损耗因数tan δ的膜具有等效剪切模量使得 其中,G′是构成膜的材料的剪切模量,e是膜的厚度,etot为夹层的总厚度,该等效剪切模量小于其它膜的等效剪切模量。
不同的温度范围可理解为在两个温度值之间不同延伸的范围,这些范围不重叠。
因而,不仅各膜在其相应的度范围(tan δ大于0.6)起阻尼作用并且其材料的剪切模量小于2×107Pa是必要的,而且对于在相应的温度范围内阻尼最大的膜,其具有低于其它膜的等效剪切模量也是必要的。通过这种方式,该夹层将和在各温度范围具有最大阻尼的膜具有类似的性能。这样一来,该夹层会在构成夹层的各个膜起最佳阻尼作用的各温度范围内提供最佳阻尼。
根据一个特征,在将非重叠范围t1和t2隔开的温度范围t3内,膜的等效剪切模量之间的比包括在0.2和5之间,从而在此温度范围内也提供最佳的声学舒适性。
优选地是,在200Hz的频率下以及至少在两个不同的温度范围t1和t2内,并且还有利地在公共的温度范围t3内,玻璃夹层具有小于2×107Pa的剪切模量G′和大于0.6的损耗因数tan δ。
根据一个实施例,材料被共同挤压以形成夹层。作为一种变型,将它们进行层压。
和在建筑中的应用一样,这种类型的玻璃还可在例如是运输机械的汽车、飞机、船舶或火车中得到很好的应用。
本发明也涉及一种粘弹性塑料夹层,由于该夹层包括至少由两种材料A、B分别制成的两个阻尼膜,以致各材料在两个分别的温度范围tA和tB内具有大于0.6的损耗因数tan δ和小于2×107Pa的剪切模量G′,其特征在于,对于包含在两个温度范围tA或tB中的给定温度范围以及200Hz的频率,具有最高损耗因数tan δ的膜具有等效剪切模量使得 其中,G′是构成膜的材料的剪切模量,e是膜的厚度,etot为夹层的总厚度,对于所述温度范围,该等效剪切模量小于其它膜的等效剪切模量。
优选地是,在将非重叠范围t1和t2隔开的温度范围t3内,膜的等效剪切模量之间的比包括在0.2和5之间。
优选地是,在两个温度范围tA和tB内,该夹层具有小于2×107Pa的剪切模量G′和大于0.6的损耗因数tan δ。该夹层对于使用该夹层的产品的声学舒适性有利地具有最优阻尼特性。
根据一个特征,这些膜是层压的,或者这些膜的组件通过材料的共同挤压而获得。
本发明最后涉及一种用于选择夹层的方法,其目的在于将该夹层加入到层状玻璃中以确保该层状玻璃具有声学阻尼特性。该夹层包括多个由不同材料分别制成的阻尼膜,使得这些材料分别在至少两个温度范围tA和tB内具有大于0.6的损耗因数tan δ和小于2×107Pa的剪切模量G′,其特征在于,选择各个膜,使得在包含在两个温度范围tA和tB的不同温度范围t1和t2内以及200Hz的频率下,对于各个给定的温度范围t1和t2,具有最高损耗因数tan δ的膜具有等效剪切模量使得 其中,G′是构成膜的材料的剪切模量,e是膜的厚度,etot为夹层的总厚度,对于所述温度范围,该等效剪切模量小于其它膜的等效剪切模量。
根据一个特征,在将两个不同范围t1和t2隔开的整个温度范围t3内,膜的等效剪切模数之间的比位于0.2和5之间,使得在此温度范围内,声学舒适性最佳。
优选地,在两个温度范围tA和tB内,尤其是在两个不同范围t1和t2内,以及分离范围t3内,夹层具有小于2×107Pa的剪切模量G′和大于0.6的损耗因数tan δ。
根据另一特征,在选择好膜后,将膜组合在一起形成夹层,并将该夹层并入到层状玻璃中,该层状玻璃尤其是打算用于建筑物或运输机械。
本发明的其它特征和优点将参考附图得到描述,其中:
图1为根据本发明的玻璃的局部截面图;
图2为图1的详细视图;
图3描绘了各膜的损耗因数tan δ的测量曲线,该损耗因数为温度的函数且在200Hz之下;
图4描绘了各膜的剪切模量的测量曲线,该剪切模量为温度的函数且在200Hz之下;
图1示出了层状玻璃2,该层状玻璃2包括至少两个玻璃片20、21以及阻尼夹层3,该阻尼夹层为玻璃提供改善声学舒适性的阻尼特性。加入到例如车辆中的玻璃使得能够减少源于固体和/或空气的振动在传输通过该玻璃时所引起的噪声。
图2为图1的详细视图,描绘了若干膜的组合,这里指构成了夹层3的两个膜30、31。各个膜分别具有厚度eA和eB,并分别由不同的粘弹性材料A和B组成。
夹层可通过对膜层压或对材料共同挤压得到。
夹层与玻璃片的结合可通过熟知的方式例如将玻璃片和夹层堆积以及通过将组件送入高压釜而获得。
在200Hz的频率下,材料A在温度范围tA内具有大于0.6的损耗因数tan δ和小于2×107Pa的剪切模量G′。然而,材料B在另一温度范围tB内具有大于0.6的损耗因数tan δ和小于2×107Pa的剪切模量G′,温度范围tA、tB可能重叠或不重叠。
因此,可针对阻尼(tan δ>0.6)和弹性(各材料的剪切模量小于2×107Pa)分别在温度范围tA和tB选择这两种材料。
然而,根据夹层的厚度及因此根据各膜的厚度,夹层吸收振动能量的功率将会更大或更小。因而,本发明已经表明,为了保证玻璃必然提供声学舒适性,就不应仅考虑材料的损耗因数tan δ和剪切模量,而应将各温度范围内各膜之间的等效剪切模量的比纳入考虑。
根据本发明,在温度范围tA和tB内,考虑分别包含在温度范围tA和tB内的至少两个不同温度t1和t2,以及对应于将两个不同温度范围t1和t2隔开的温度范围的温度范围t3。
根据本发明,有必要认识到,在200Hz下,膜在所考虑的各个温度范围t1和t2内具有最高的损耗因数tan δ(最具有阻尼性的材料),另外,具有等效剪切模量该等效剪切模量小于构成夹层的其它膜的等效剪切模量。
损耗因数、构成膜的材料的剪切模量以及膜的等效剪切模量所形成的组合特征使夹层在所有的温度范围t1、t2和t3内为玻璃提供最佳的声学阻尼;该夹层在各个温度范围均具有声学效应。
以下考虑了膜30和膜31的两个示例分别是由Solutia公司的称为Vanceva Quiet QC41的材料A制成的膜30,以及由Solutia公司的称为Saflex AC1.2的材料B制成的膜31。膜30的厚度为1.6mm,膜31的厚度为3.3mm。通过层压这些膜而得到夹层。
在200Hz下,膜30在温度6℃和温度29℃之间(范围tA)具有大于0.6的损耗因数tan δ以及小于2×107Pa的剪切模量G′,以及14℃的玻璃态转变温度(图3和图4)。
在200Hz下,膜31在温度16℃和温度58℃之间(范围tB)具有大于0.6的损耗因数tan δ以及小于2×107Pa的剪切模量G′,以及38℃的玻璃态转变温度(图3和图4)。
注意本文所给出的所有测量结果均是通过Metravib牌粘弹分析仪所获得的。
根据本发明,考虑了如下方面:
-范围t1(自6℃到23℃)包含在范围tA内,对于该温度范围,膜30比膜31的阻尼作用更大;
-范围t2(自32℃到58℃)包含在范围tB内,对于该温度范围内,膜31比膜30的阻尼作用更大;
-范围t3(自23℃到32℃)将范围t1和t2分开。
根据本发明,使得夹层在不同温度范围t1和t2内必然确保声学阻尼,并以最优方式对玻璃确保声学阻尼。膜30在范围t1(自6℃到23℃)内具有等效剪切模量该等效剪切模量在此相同范围内保持小于膜31的等效剪切模量而在温度范围t2(自32℃到58℃)内,膜31具有等效剪切模量该等效剪切模量在此相同范围内保持小于膜30的等效剪切模量图5示出了这些膜的等效剪切模量曲线。
仍然根据本发明,对于分离范围t3,各个膜30、膜31之间的等效剪切模量比包含在0.2至5之间,使得夹层必然确保声学阻尼,并以最佳的方式对玻璃确保声学阻尼。例如,在25℃,
因此,夹层的声学特性在范围t1、范围t2以及范围t3内均存在。
夹层在范围t1、t2和t3内的损耗因数大于0.6。下面的表示出了在200Hz下和在10℃、20℃、30℃、40℃和50℃的温度下所测得的损耗因数tan δ。
tan δ | 10℃ | 20℃ | 30℃ | 40℃ | 50℃ |
夹层 | 0.7 | 0.9 | 0.7 | 0.7 | 0.7 |
而且,在这些范围t1、t2和t3内,夹层的剪切模量G′优选地小于2×107Pa。关于损耗因数和剪切模量的这些特征确保夹层为玻璃提供的最佳声学阻尼特性。下面的表示出了夹层在200Hz下和在10℃、20℃、30℃、40℃和50℃的温度下所测得的剪切模量G′。
G′(Pa) | 10℃ | 20℃ | 30℃ | 40℃ | 50℃ |
夹层 | 1.9×107 | 5.9×106 | 2.6×106 | 1.3×106 | 6.2×105 |
Claims (17)
1.一种玻璃(2),包括至少两个玻璃片(20,21)和布置在该玻璃片之间的粘弹性塑料夹层(3),所述夹层包括由两种各自的材料A、材料B组成的至少两个阻尼膜(30,31),使得这两种材料在两个分别的温度范围tA和tB内具有大于0.6的损耗因数tanδ和小于2×107Pa的剪切模量G′,其特征在于,所述夹层在至少两个不同的温度范围t1和t2内使得由玻璃所提供的声学舒适性改善最优,所述温度范围t1和t2分别包含在两个温度范围tA和tB内;并且其中,在200Hz的频率下和对于各个温度范围t1和t2,具有最高损耗因数tanδ的膜具有等效剪切模量使得 其中,G′是构成所述膜的材料的剪切模量,e为所述膜的厚度,etot为所述夹层的总厚度,所述等效剪切模量小于其它膜的等效剪切模量。
2.根据权利要求1所述的玻璃,其特征在于,在将两个不同范围t1和t2隔开的温度范围t3内,膜的等效剪切模量之间的比包括在0.2至5之间,使得在该温度范围内,声学舒适性最佳。
3.根据权利要求1或2所述的玻璃,其特征在于,在至少两个不同的温度范围t1和t2内,所述夹层的剪切模量G′小于2×107Pa,而所述夹层的损耗因数tanδ大于0.6。
4.根据权利要求2或3所述的玻璃,其特征在于,在将不同的范围t1和t2隔开的温度范围t3内,所述夹层的剪切模量G′小于2×107Pa,而所述夹层的损耗因数tanδ大于0.6。
5.根据前述权利要求中任一项所述的玻璃,其特征在于,所述膜(30,31)经层压以形成所述夹层。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的玻璃,其特征在于,通过对所述材料的共同挤压形成所述膜(30,31)。
7.根据前述权利要求中任一项所述的玻璃,其特征在于,所述玻璃用在运输机械中,尤其是汽车中。
8.根据权利要求1至6中任一项所述的玻璃,其特征在于,所述玻璃用于建筑物中。
10.根据权利要求9所述的夹层,其特征在于,在将两个不同范围t1和t2隔开的温度范围t3内,膜的等效剪切模数之间的比包括在0.2和5之间。
11.根据权利要求9或10所述的夹层,其特征在于,在两个温度范围tA和tB内,所述夹层具有小于2×107Pa的剪切模量G′和大于0.6的损耗因数tanδ。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的夹层,其特征在于,所述膜被层压。
13.根据权利要求9至11中任一项所述的夹层,其特征在于,膜的组合通过材料的共同挤压而获得。
14.一种用于选择夹层的方法,其目的在于将该夹层加入层状玻璃以使该玻璃具有声学阻尼特性,所述夹层包括分别由不同材料制成的至少两个阻尼膜(30,31),使得这些材料分别在至少两个温度范围tA和tB内具有大于0.6的损耗因数tanδ和小于2×107Pa的剪切模量G′,其特征在于,选择各个膜,使得在分别包含在两个温度范围tA和tB的至少两个不同的温度范围t1和t2内,以及在200Hz的频率下,对于各个给定的温度范围t1和t2具有最高损耗因数tanδ的膜具有等效剪切模量使得 其中,G′是构成所述膜的材料的剪切模量,e是所述膜的厚度,etot为所述夹层的总厚度,对于所述温度范围,该等效剪切模量小于其它膜的等效剪切模量。
15.根据权利要求14所述的方法,其特征在于,在将两个不同范围t1和t2隔开的温度范围t3内,膜的等效剪切模数之间的比包括在0.2和5之间。
16.根据权利要求14或15所述的方法,其特征在于,在选择所述膜后,将所述膜组合在一起以形成结合到层状玻璃中的夹层。
17.根据权利要求16所述的方法,其应用于建筑物的玻璃或应用于运输机械。
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