一种阻燃型汽车内饰吸音材料及其生产工艺
技术领域:
本发明涉及一种汽车内饰吸音材料,具体是指一种阻燃型汽车内饰吸音材料及其生产工艺。
背景技术:
汽车工业的发展是衡量一个国家工业发展水平的重要标志,它直接反映一个国家的发达程度,如美国、日本、德国等国家的汽车制造业不论在产量还是在质量方面都占明显优势。我国汽车生产虽然起步较晚,但发展速度很快,尤其是轿车的发展速度更是惊人。据中国汽车工业协会统计,2013年我国汽车产销分别为2211.68万辆和2198.41万辆,同比增长14.76%和13.87%。其中,乘用车产销分别为1808.52万辆和1792.89万辆,同比增长16.5%和15.71%,这是中国汽车连续五年产销量第一。随着汽车工业的迅速发展和人们对汽车乘座环境要求的不断提高,除金属、橡胶等主要材料外,纺织材料在汽车上的使用也日益增加,不仅作为汽车内饰性、功能性材料,作为增强型材料的应用发展也很迅速,像轮胎帘子布、安全气囊、安全带、顶篷等,而且纺织品在汽车吸音、降噪等方面也有一定的优势。全世界用于汽车内饰的纺织品每年为3.7亿平方米,而吸音非织造布产品作为汽车内饰应用量较大的一个产品大类,每年大约需要各种规格的吸音材料2.4万吨,且后期发展市场潜力极大。
汽车工业的快速发展,极大地提高了汽车内饰材料的生产规模和生产技术。在汽车内形成的小环境中,内饰材料与人们有着最直接的接触,除部分高档汽车使用皮革作为坐椅面料外,大部分汽车内饰材料均使用纺织品作为原料及面料。汽车内饰材料主要包括:衬垫材料、覆盖材料、过滤材料。品种包括:座椅面料、顶棚、车门衬里、地毯、安全带等。
随着近年对汽车安全、舒适问题的关注,人类越来越注意到汽车噪声对环境的污染,对人体的损害,近年来人们已经投入了大量的人力、物力、财力从事汽车噪音控制方面的研究,并获得了一定成果。主要表现在以下五个方面:
目前,针对汽车内饰的吸音材料的开发研究。比如,美国通用公司,在0.44~0.666tex聚酯纤维网中加入低熔点聚酯纤维,经针刺加固而成的材料,就有着成本低、重量轻、可回收等特点,并且吸音效果良好。日本尼桑公司采用内含异形截面纤维的混合原料经热粘合法制成了纤维细度不超过0.555tex的材料,制成品平均密度为0.02~0.2Kg/m3,具有良好的吸音效果,可用于汽车内部衬垫材料。瑞士EMS-CHEMIE采用70%专用聚酯短纤维与低收缩再生纤维混合成网,经针刺形成高蓬松材料,再经复合、模压成形的材料,具有合适的硬挺度,适合用于汽车底部。德国Wcrke采用亚麻纤维与聚丙烯纤维混合,经针刺固结后模压成形的材料,具有优良的硬挺度、抗拉强度和吸音效果,而且价格低廉,适用于车门板衬垫、坐垫、行李厢衬里。此外,拜耳材料科技公司研制出新型吸音地板垫,这种聚氨酯材料地板垫可以改变传统地板层的厚度,改善驾驶室的舒适性,减少噪音和震动。陕西科技大学对胶原纤维进行研究后,证明其具有微孔和共振吸音的双重功效,建立了吸音减振数学模型,为该类材料的广泛运用奠定了基础。道康宁公司(DowCorning)推出了低摩擦涂层新品MolykoteD-9610,该产品可以有效的降低汽车内饰塑料零部件之间的摩擦,为驾乘者提供一个更加安静的驾乘环境。德国科德宝无纺布公司生产的SoundTex吸声无纺布是用纤维素及玻璃纤维制成,具有良好的吸音性能。而且重量轻、体积小,方便运输、包装和剪裁。近年来国内公司也已相继生产类似的吸声无纺布。Owenscoming公司的专利产品VersaMat吸音材料成功地用作通用汽车车门的吸音材料。与传统的汽车车门吸音材料相比,在性能相同的情况下,VersaMat吸音材料重量较轻,厚度较薄。通用汽车公司Saturn分公司应用VersaMat代替以前所用的材料后,在满足吸音性能要求的前提下,降低了车门吸音材料的成本。美国密歇根州的Rhodia工程塑料公司新推出了两种尼龙材料,TechnylStarS218dBlM50和S218dB2MV60都是尼龙6注射类品级。在噪声衰减方面,明显优于玻璃增强型尼龙或聚丙烯材料,会比它们多4分贝的衰减。而且具有良好的热稳定性,可用于汽车引擎盖的制作使用。首诺公司首孚信事业部推出了一种用于生产夹层玻璃的高性能吸音胶片,能为NVH(振动噪声)工程师带来出色的吸音效果。
目前,常规吸音材料多基于吸声原理,以特种被动式材料来改变声波的方向,常用吸声材料有尼龙、人造丝、聚酯、丙纶等多孔性材料,其中丙纶熔喷无纺布材料应用最为广泛,但现有的丙纶熔喷无纺布材料,由于工艺限制,吸音效果差(吸音系数≥20%),且该材料存在阻燃性差、耐热性不好等问题,严重阻碍了其应用。
发明内容:
本发明的第一方面目的是提供一种阻燃性好,且具有良好吸音效果的一种阻燃型汽车内饰吸音材料及其生产工艺
本发明采取的技术方案如下:一种阻燃型汽车内饰吸音材料,主要由三层结构构成,其特征在于:内层为多孔状硅酸铝纤维针刺布,中间层为丙纶熔喷无纺布,外层为硅酸铝纤维针刺布,三层材料之间采用超声波热复合方式复合。
进一步的设置在于:
内层材料表面凹凸不平,在内层的表面分布有多个微孔。
所述的微孔选择三角形、圆形或正方形,微孔的外切圆直径在0.2mm-1mm之间,微孔之间的纵、横向距离控制在外切圆直径的3-10倍之间。
所述丙纶熔喷无纺布的孔隙率为80%以上。
本发明的阻燃型汽车内饰吸音材料,其特点和性能如下:
1、内层采用多孔状硅酸铝纤维针刺布,在内层的表面分布有多个微孔,使得内层材料表面凹凸不平,可以减少声音反射率,避免车内声音混响发生;微孔选择三角形、圆形、正方形等不同形状,微孔的外切圆直径在0.2mm-1mm之间,微孔之间的纵、横向距离控制在外切圆直径的3-10倍之间。通过控制多孔状硅酸铝纤维针刺布上的微孔的直径与间距设置,可以保障阻燃型汽车内饰吸音材料具有良好的强度同时,有效提高其吸音效果。
2、中间层选择丙纶熔喷无纺布,通过无纺布加工工艺的改进,丙纶熔喷无纺布材料的孔隙率为80%以上,具有良好的吸音效果;
3、外层选择硅酸铝纤维针刺布,通过对于针刺工艺的改进,所制备的硅酸铝纤维具有容重轻、耐高温、热稳定性好,热传导率低、热容小、抗机械振动好、受热膨胀小、隔热性能好等优点,同时具有较好的机加工性能。
本发明的第二方面目的是提供一种前述阻燃型汽车内饰吸音材料的生产工艺,其特征在于,包括以下步骤:
(1)、制备丙纶熔喷无纺布:
选择熔融指数15-20g/10min的丙纶切片,加入质量含量5-8%的PP专用环保阻燃母粒,在螺杆注塑机中进行注塑,计量泵流量控制在45-65rpm,加工温度选择170℃-220℃;
所述阻燃母粒的质量百分含量是指相对于丙纶切片和阻燃母粒的总质量,即阻燃母粒质量与总质量之比。
所述螺杆注塑机采用三段超长螺杆、螺杆长度为20d、螺杆直径d在50mm的单螺纹注塑机;
(2)制备硅酸铝纤维针刺布:
通过气流成网机,将硅酸铝纤维以一定密度均匀地铺成纤维网,经过针刺加工,制成硅酸铝纤维针刺布;
所述气流成网机选择SW-63型气流成网机,所述针刺机选择DI-LOOMOD-ⅡSC双针板针刺机;
针刺工艺参数为:工作幅宽为1-3m,厚度0.1-0.3mm,植针密度6000枚/m,针刺频率400-600次/min,加工速度0.6-6m/min;
(3)打孔:
选择激光打孔机对高强硅酸铝纤维针刺布进行激光打孔,微孔选择三角形、圆形或正方形等不同形状,微孔的外切圆直径在0.2mm-1mm之间,微孔之间的纵、横向距离控制在外切圆直径的3-10倍之间;
(4)复合加工工艺:
三层材料复合方式采用超声波热复合,复合加工工艺参数为:轧辊压力:250N/m;超生波频率:20KHZ;花型:菱形点状;布样复合速度:20m/min;复合温度:130℃。
进一步的设置在于:
步骤(1)中的单螺纹注塑机,采用高精密热敏电阻控温,保证螺筒的精确温度控制,其中,螺筒不同位置温度设置为:喂入区185-200℃、压缩区195-210℃、熔融区210-220℃、顶端喷嘴205-220℃。
步骤(2)具体工艺流程如下:往复抓棉机→桥式吸铁→输棉风机→二路气配→凝棉器→自动称量机→喂棉称量机→混棉帘子开松机→多仓混棉机→输棉风机→中间喂棉机→锯齿辊筒开棉机→输棉风机→气流棉箱喂棉机→梳理机→SW-63型气流成网机→169DF型双滚筒预针刺机→DI-LOOMOD-ⅡSC双针板针刺机。
步骤(3)的激光打孔器选择CO2RF金属激光器或玻璃管封离CO2激光器。
步骤(4)的复合加工设备为TJ-2205型超声波复合压花机。
本发明阻燃型汽车内饰吸音材料的生产工艺,其特点和性能如下:
1、制备丙纶熔喷无纺布:通过对原料、螺杆挤压机特性及加工温度、计量泵流量控制等工艺参数的优化和改进,可以有效提高材料吸音性能,同时降低对材料强力性能的损失,通过实施例可以确定,最优工艺为:熔融指数15-20g/10min,阻燃母粒含量5-8%,计量泵流量控制在45-65rpm,加工温度选择170℃-220℃。
2、制备硅酸铝纤维针刺布:通过对于针刺工艺的改进,所制备的硅酸铝纤维具有容重轻、耐高温、热稳定性好,热传导率低、热容小、抗机械振动好、受热膨胀小、隔热性能好等优点,同时具有较好的机加工性能,最优针刺工艺为:工作幅宽为1-3m,厚度0.1-0.3mm,植针密度6000枚/m,针刺频率400-600次/min,加工速度0.6-6m/min。
3、打孔:选择激光打孔机对高强硅酸铝纤维针刺布进行激光打孔,通过控制多孔状硅酸铝纤维针刺布上的微孔的直径与间距设置,可以保障阻燃型汽车内饰吸音材料具有良好的强度同时,有效提高其吸音效果。最优打孔工艺为:微孔的外切圆直径在0.2mm-1mm之间,微孔之间的纵、横向距离控制在外切圆直径的3-10倍之间。
4、复合:通过优化复合工艺,缩短了复合时间,复合粘固力强,压纹清晰,表面更加具有立体浮雕效果,加工后成品无针孔不渗水,更具防水保暧效果。最优复合加工工艺参数为:轧辊压力:250N/m;超生波频率:20KHZ;花型:菱形点状;布样复合速度:20m/min;复合温度:130℃。
以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
附图说明:
图1为本发明实施例的结构示意图;
图2为本发明所述多孔状硅酸铝纤维针刺布上的微孔分布图。
具体实施方式:
如图1所示,本发明的一种阻燃型汽车内饰吸音材料,主要由三层结构构成,其中:内层2为多孔状硅酸铝纤维针刺布,中间层3为丙纶熔喷无纺布,外层4为硅酸铝纤维针刺布,三层材料之间采用超声波热复合方式复合。
结合图2所示,内层2为多孔状硅酸铝纤维针刺布,在内层2的表面分布有多个微孔1,使得内层2材料表面凹凸不平,可以减少声音反射率,避免车内声音混响发生;
所述的多孔状硅酸铝纤维针刺布上的微孔1选择三角形、圆形或正方形等不同形状(图2为三角形),微孔1由激光打孔机完成,微孔1的外切圆直径在0.2mm-1mm之间,微孔1之间的纵、横向距离控制在外切圆直径的3-10倍之间。通过控制多孔状硅酸铝纤维针刺布上的微孔1的直径与间距设置,可以保障阻燃型汽车内饰吸音材料具有良好的强度同时,有效提高其吸音效果。
中间层3为丙纶熔喷无纺布,选择丙纶熔喷无纺布材料的孔隙率为80%以上,具有良好的吸音效果;
外层4为硅酸铝纤维针刺布,硅酸铝纤维具有一种新型轻质耐火材料,该材料具有容重轻、耐高温、热稳定性好,热传导率低、热容小、抗机械振动好、受热膨胀小、隔热性能好等优点,同时具有较好的机加工性能。
一种前述阻燃型汽车内饰吸音材料的生产工艺,包括以下步骤:
(1)、制备丙纶熔喷无纺布:
丙纶熔喷无纺布在本发明的复合材料中具有良好的吸音作用,申请人通过实验发现,影响丙纶熔喷无纺布吸音性能最主要因素有原料、螺杆挤压机特性及加工温度、计量泵流量控制等。
制备工艺如下:丙纶切片原料采用低熔融指数,选择15-20g/10min,加入质量含量5-8%的PP专用环保阻燃母粒(MH-FR4802),为获得塑化均匀的丙纶熔融物,螺杆注塑机采用三段超长螺杆(螺杆长度为20d、螺杆直径d在50mm)单螺纹注塑机;为保证螺筒的精确温度控制,采用高精密热敏电阻控温,加工温度选择170℃-220℃,以防在通路上熔料局部过热和可能受冷。
1.2、不同工艺条件对丙纶熔喷无纺布性能的影响:
试验方法:
为了说明原料、螺杆挤压机特性及加工温度、计量泵流量控制等对材料吸音性能影响,进行对比实验,即在其他因素相同情况下,针对各工艺参数作对比实验,具体工艺设定值如表1所示,各参数交叉进行试验。
表1.对比实验工艺参数设定
初定工艺为:丙纶原料熔融指数20g/10min,阻燃母粒含量5%,计量泵流量45rpm,加工温度喂入区185℃,压缩区195℃,熔融区210℃,顶端喷嘴205℃,射频频率统一设置1000HZ。然后改变其中一个工艺参数,其他工艺参数不变,分别测试不同工艺参数对于丙纶熔喷无纺布材料隔音性能及纵向强力的影响,见表3-6。
性能测试方法与标准:材料吸声性能测试设备HP8757D射频/微波网络分析仪,HP835lB射频/微波信号源。雷达吸波材料的吸波性能主要用其反射率来表示,它表示了吸波材料相对于金属平板反射的大小,反射率越小,吸波性能越好。本实验吸波材料的反射率测试在无回波暗室中进行。微波暗室为电磁仿真和电磁兼容试验提供了一个无外界干扰、无向外泄漏、无反射回波的电磁波自由传播空间。它不仅能代替外场的大量试验内容,而且更大程度地完善和弥补了外场试验的不足。微波暗室内采用锥形吸波材料以防止回波干扰。由于锥形吸波材料的形状使材料的性能渐变,从锥体顶端到锥底形成逐渐变化的阻抗匹配,因此,它的表面具有较小的反射,而且具有很宽的频带,它在典型带宽内的反射性能可以低于50dB吸波材料的吸波性能根据国标GJB2038-94要求采用弓形法测量。
1.2.1:原料熔融指数对于丙纶熔喷无纺布材料的性能影响:
如表2所示,原料对于丙纶熔喷无纺布材料的性能,尤其是反射率和纵向强力有较大影响:随着原料的熔融指数增大,反射率会逐渐升高,当原料的熔融指数大于25g/10min时,其反射率达到1.83%,因此,控制在较小的熔融指数,可以降低材料的反射率,但是熔融指数过小,材料的强力有所下降,经申请人试验发现,原料的熔融指数大于15-20g/10min时,材料反射率较低,且强力亦符合要求。
表2.原料熔融指数对材料性能影响
原料熔融指数(g/10min) |
反射率(%) |
纵向强力(N/5cm) |
15 |
0.15 |
30.5 |
20 |
0.59 |
34.2 |
25 |
1.83 |
48.6 |
。
1.2.2:阻燃母粒含量对于丙纶熔喷无纺布材料的性能影响:
如表3所示,阻燃母粒含量对于丙纶熔喷无纺布材料的性能影响,除了对于材料的阻燃性能有影响外,其对于反射率和纵向强力亦有较大影响:当阻燃母粒含量为3%时,其阻燃效果较差,达不到应用要求,随着阻燃母粒含量增加,其阻燃性能会逐渐升高,当阻燃母粒含量≥5%时,其阻燃性能较好,符合应用要求,当阻燃母粒含量进一步提高,阻燃性能的提升有限,而反射率和材料的强力性能均有不同范围的损失,当阻燃母粒含量达到8%时,其反射率达到1.7%,隔音效果较差。
最佳阻燃母粒含量控制在5%。
表3.阻燃母粒对材料性能影响
1.2.3:计量泵流量对于丙纶熔喷无纺布材料的性能影响:
如表4所示,计量泵流量对于丙纶熔喷无纺布材料的性能影响,主要是对于反射率和纵向强力亦有较大影响:当计量泵流量为25rpm时,其反射率为4.5%,达不到应用要求,随着计量泵流量增加,其反射率会逐渐降低,纵向强力则逐步升高,当计量泵流量为45rpm时,其反射率为0.59%,纵向强力达到34.2N/5cm,隔音性能和材料强度均符合应用要求,随着计量泵流量进一步提高,当计量泵流量≥65rpm时,隔音性能虽然有一定提升,但强力性能会明显下降。
综上,最佳计量泵流量控制在45-65rpm。
表4.计量泵流量对材料性能影响
计量泵流量(rpm) |
反射率(%) |
纵向强力(N/5cm) |
25 |
4.50 |
32.1 |
45 |
0.59 |
34.2 |
65 |
0.19 |
30.0 |
。
1.2.4:温度对于丙纶熔喷无纺布材料的性能影响:
如表5、表6所示,螺筒温度的控制,主要是喂入区、压缩区、熔融区、顶端喷嘴的温度控制,对于丙纶熔喷无纺布材料的隔音性能和强力性能有较大影响,螺筒不同位置的温度设定如表5所示。
表5.螺筒不同位置温度指标设定值范围
喂入区 |
压缩区 |
熔融区 |
顶端喷嘴 |
170℃-200℃ |
180℃-210℃ |
200℃-220℃ |
190℃-220℃ |
。
表6.温度对材料性能影响
如表6所示,螺筒温度对于材料的反射率和纵向强力亦有较大影响:随着工艺温度的升高,材料反射率呈现降低的趋势,而强力性能则得到显著提升,最佳的温度设置为:喂入区185-200℃、压缩区195-210℃、熔融区210-220℃、顶端喷嘴205-220℃。
(2)制备硅酸铝纤维针刺布:
通过气流成网机,将硅酸铝纤维以一定密度均匀地铺成的纤维网,经过针刺加工,制成一定定量的针刺无纺布面料。
具体工艺流程如下:往复抓棉机(FA006A)→桥式吸铁(TF27)→输棉风机(FT202)→二路气配(FA133)→凝棉器(A045B)→自动称量机(ZBG012)→喂棉称量机(ZBG011)→混棉帘子开松机(ZBG021)→多仓混棉机(FA022-6)→输棉风机(FT202)→中间喂棉机(FA031-W)→锯齿辊筒开棉机(FA108E-W)→输棉风机(FT202)→气流棉箱喂棉机(W1061)→梳理机(A186型)→SW-63型气流成网机→169DF型双滚筒预针刺机→DI-LOOMOD-ⅡSC双针板针刺机。
对DI-LOOMOD-ⅡSC双针板针刺机,工作幅宽、植针密度、针刺频率、针刺动程等工艺参数进行优化设计,制成薄型高强硅酸铝纤维针刺布。
针刺工艺参数如表7所示:
表7.针刺工艺参数
(3)打孔:
选择专用激光打孔机对高强硅酸铝纤维针刺布进行激光打孔操作,激光打孔器的激光类型包括CO2RF金属激光器和玻璃管封离CO2激光器。孔分布如图2所示。
(4)复合加工工艺:
三层材料复合方式采用超声波热复合,设备TJ-2205型超声波复合压花机;轧辊压力:250N/m;超生波频率:20KHZ;花型:菱形点状;布样复合速度:20m/min;复合温度:130℃。
该方法复合时间短,缝合速度是达针车绗缝的5到10倍,复合粘固力强,压纹清晰,表面更加具有立体浮雕效果,加工后成品无针孔不渗水,更具防水保暧效果;外观利用滚轮模具,换模容易,可复合出多种复杂的非连续性及对称性图案。
本发明实施例制备获得的复合产品,对其各性能指标进行测试,测试结果范围如表8所示:
表8.产品性能表
如表8所示,本发明制备的阻燃型汽车内饰吸音材料,其材料总质量小,安装方便,兼具有优异的隔热、阻燃、吸音性能。