CN105189657A - 声阻尼复合物 - Google Patents

Abstract

一种声阻尼合成物，其用作在汽车应用中的烘烤自由层覆层，特别是用来基于薄片云母填充的沥青来抑制来自于车辆的3D形状金属体面板的声学振动。

Description

声阻尼复合物

技术领域

本发明涉及一种声阻尼材料合成物，其用作汽车应用中的烘烤自由层覆层(bake-onfreelayercladding)，特别是用来基于无机薄片填充的沥青来抑制来自于车辆的3D形状金属体面板的声学振动。

背景技术

特别是衬垫形式的声阻尼复合物被用来抑制车辆中的振动噪声，特别是与发动机相关的噪声。高温易熔衬垫可应用到诸如门板和地板等不同金属车辆组件，然后进行热处理将衬垫熔合到金属上。

用于汽车应用作为烘烤阻尼材料的声阻尼或隔音复合物一般由沥青或树脂基质、填充剂和一些加工添加剂制成。用于隔音面板的典型复合物为：

·按质量为25-30％的沥青；

·按质量为0-5％的聚合物；

·按质量为3-5％的纤维；以及

·按质量为60-70％的填充剂(MORGAN等，壳牌沥青工业手册，ThomasTelford，1995，ISBN0951662511)。

由于在粘弹性材料中，杨氏模量随着温度减小，并且损耗因数根据温度具有峰值，所以在金属板的阻尼效应(称作复合物阻尼)具有峰值处存在温度窗口。阻尼器被设计成使该峰值适合于应用温度。车辆中使用的用来抑制例如金属体板的振动的自由层阻尼器具有适合使用区域的最佳温度分布曲线。例如，诸如外仪表板、通道区域或排气上方的尾箱区域等车辆的较热区域，需要最佳温度分布曲线在60-80℃的范围内。其它略微较热的区域需要最佳温度分布曲线在10-40℃的范围内。

为了获得良好的阻尼性能，重要的是阻尼材料符合并粘附待抑制的下伏表面(underlyingsurface)。这在汽车工业中使用一致性(conformability)测试(见图1)来进行测试，由此在固化过程中符合下伏表面的能力通过预定表面来测试。

无机填充材料特别是矿物填充剂被广泛用于汽车阻尼板，特别是使用精细研磨的粉状材料，例如石灰岩、板岩或碳酸钙。这些材料填充剂的结构是圆细颗粒。并且，纤维状或薄片状无机填充剂的使用是已知的，并用在振动阻尼材料中。使用这些填充剂材料的原因是为了增加材料的硬度，提高整体性能，特别是材料的阻尼损耗因数。因为人们认为云母的薄片形状提高了振动阻尼性能，所以诸如云母薄片等薄片无机填充剂被认为是用于声阻尼材料的优选材料。尽管这种薄片填充剂的增加量将提高阻尼性能，但是在较高浓度，材料可能变得太硬而不易操作，并容易破裂或断开。而且，材料在烘烤或固化过程中在较高3D形状区域缺少一致性。因此，现今使用的实际浓度低于为了获得良好阻尼性能所希望的浓度。

对于具有高程度3D形状的区域，例如由于车体面板内的整体肋板，填充剂成分被减少，以将一致性提高到令人满意的等级，但是牺牲了整体的阻尼性能。因此，目前市场上可获得的阻尼器是一种折中，而不能令人满意。

在非常凸出或弯曲的区域，仅高达15-20％的薄片填充剂能够用来满足一致性要求。更高的量仅在车体的平坦区域是可行的。替换地，非薄片填充剂被用来获得一致性，但是具有降低的阻尼性能。

发明内容

本发明的目的是获得一种粘弹性材料，其能够用作烘烤自由层阻尼，消除目前可获得的现有材料的缺点，特别地，本发明的目的是获得一种具有增强的阻尼性能、在烘烤固化过程中能够符合3D形状表面的阻尼材料。

出人意料地，已发现权利要求1中所述的仅使用少量松弛剂和大量云母填充剂的材料复合物将制成满足汽车工业中一般使用的一致性测试并且具有增强的阻尼性能的自由层阻尼器。

根据本发明，用于车辆表面的阻尼的自由层阻尼材料包括：

·按质量为40％至60％的沥青；

·作为唯一的填充剂：薄片无机填充剂，按质量浓度为40％至52％，优选按质量为45％至50％；以及

·使用松弛剂。

松弛剂被定义为这样一种试剂，其在固化过程中松弛材料来足够获得良好的一致性，而不会在大于固化之前的原复合物密度的60％的固化过程中减小复合物材料的密度，优选材料中不具有与在固化过程中发泡作用相关的气隙。

已发现低数量使用通常用作可膨胀的约束层阻尼材料的发泡剂的试剂将会松弛材料，足够允许在固化过程中的形状一致性。另外，使用低量的松弛剂将避免过分发泡，并因此阻尼性能被保持在优选的等级。

出人意料地，已发现吸热剂甚至比放热剂表现更好。至今，仅放热发泡剂是已知的，并通常用来制作用于约束层阻尼的可膨胀的沥青阻尼器。已发现由于较低的发泡能力，吸热发泡剂是较好的松弛剂，其在固化中引起密度较少的减小，因此保持了较高的杨氏模量以及较高的阻尼特性。

由于松弛剂，材料将在固化过程中适应下伏形状，由此优化阻尼性能。由于阻尼材料仅存在最小的膨胀，所以高度填充的材料的最初粘弹性能很难改变，就获得了增加的云母浓度，并因此在车辆的成形或弯曲区域中获得更好的阻尼生能。

松弛剂

作为松弛剂，吸热或放热化学发泡剂都可以使用。由于车辆白车身的固化温度在大约150-200℃，所以优选化学发泡剂的反应温度也在这个范围内。

由于不需要真实的发泡作用，相反地，这样发泡不是优选的，因而范围是可以实现的，而不需要附加的反应剂来优化发泡反应。特别地，用来增强例如更多气体产品形式的泡沫产品的增强剂的使用也不是优选的，因为这会使整体的自由阻尼性能变坏。

放热化学发泡剂在分解过程中释放能量并广泛地用于可膨胀的约束层阻尼器。一旦分解已经开始，它在能量供给已经停止之后自发地继续进行。放热化学发泡剂包括酰肼和偶氮化合物。能够按照本发明使用的该种放热发泡剂的例子包括偶氮二甲酰胺(H2N-CO-N＝N-CO-NH2)，例如Porofor(Lanxess公司)，或者苯磺酰肼(C2H14N4O5S2)，例如CelogenOT(GalataChemicals公司)。

放热剂倾向于具有较高的发泡作用，按质量在0.5-2％的较低浓度是优选的。按质量3％等级及以上对于一致性具有负作用，这是因为阻尼材料倾向于较少有结合力并且太流体化，这增加了车辆在固化过程中材料可能流动的风险。

吸热化学发泡剂是在分解过程中消耗能量的化学剂，在全部反应时间内需要连续的能量输入。它们大多数是基于碳酸氢盐和柠檬酸。尽管它们是用于塑料工业的已知的发泡剂，但是吸热发泡剂难以用于沥青阻尼工业。根据本发明能够用作松弛剂的化学发泡剂的例子是碳酸氢钙，例如Hydrocerol(Clariant公司)。已发现按质量在0.3和3％之间的浓度提供了一致性的良好结果。5％将获得令人满意的一致性并且同时发泡是最少的，表现了非常好的阻尼性能。尽管使用的百分数还取决于填充剂的百分数，作为一般的原则，可以说接近0.3的松弛剂浓度将会更优选，并且在大多情形下足以获得一致性，而不会降低阻尼性能。

松弛剂的优选量是阻尼材料符合金属底板的下伏3D形状而不会在固化过程中破裂所需的最小量。使用大于该步骤所需的量将减低阻尼性能，并将是不利的。在通常显示用于约束层阻尼器的阻尼材料的合适发泡或膨胀的范围内使用发泡剂将引起该层的显著增加，以及为了获得良好的自由层阻尼性能所需值的必须硬度的减小。另外，在复合物的固化烘烤过程中流动的风险将增加。

出人意料地，很少量的松弛剂能够用来在固化中松弛材料，足以让它符合形状并且同时允许使用较高浓度的薄片无机填充剂。由此，为了获得符合3D形状区域的良好自由层阻尼的阻尼特性被保持或者甚至被增强。在低浓度，化学发泡剂似乎作为松弛剂，而不会在沥青中形成正常的泡沫。已发现如果使用低于3％浓度的化学发泡剂结合所要求的高等级的无机薄片填充剂，材料在固化中不会形成裂缝。

填充剂

作为唯一的填充剂，薄片无机填充剂使用例如云母薄片或石墨薄片。优选地，由于石墨比较重并且涂黑，所以优选使用云母。

除了该形式以外，颗粒尺寸对于自由层阻尼器的整体阻尼性能也有影响。具有至少60％的颗粒在200和850μ之间的颗粒分布的粗糙薄片云母是优选的。因此，可使用在16和24之间的网目(mesh)尺寸、优选20网目尺寸的云母薄片。

云母在整体阻尼材料中的百分数对于使用中材料的阻尼特性具有重大影响。云母的增加对于硬度和杨氏模量具有有利作用，但是同时对于破裂的延伸以及拉伸强度是不利的。由于对于自由层阻尼器使用松弛剂，更多的云母可结合到阻尼材料中，而不会产生破裂的负面效应或者太易碎的产品。同时，整体阻尼特性通过使用这些更高的量得到增强。优选使用的云母的量为按质量为40％至52％，更优选按质量为45％至50％。

沥青

该阻尼器能够由15pen到50pen的软沥青制成，优选使用20/30pen等级。

可选地，使用粘合添加剂，例如橡胶或合成橡胶等聚合物，和/或纤维，优选按质量为整体的5％。

定义和测量

所有％为基于材料100％的最终配方的质量％。

一致性测试通过使用图1中给出的3D形状按照用于固化材料的一般工序根据本领域技术人员熟知的雷诺(Renault)技术参数来进行。

损耗因数基于DINENISO6721-3通过Carrousel系统(AutoneumManagement公司)来进行测量。

附图说明

本发明的这些和其它特征将通过下面结合附图作为非限制实施例给出的优选形式变得明显，其中：

图1是一致性测试的示意图。

图2是根据本发明的阻尼材料和可比较的现有材料的阻尼特性的图表。

图3是根据本发明的阻尼材料和可比较的现有材料的阻尼特性的图表。

图4是根据本发明的配方的密度依据松弛剂的浓度的变化的图表。

具体实施方式

图1示意性地示出了在固化(烘烤)后如何测量阻尼材料的一致性。阻尼材料1放置在具有肋的3D形状金属件2上，肋的宽度逐渐变小A。在固化B之后，评估多少材料将要陷入下面的空间。能够陷入具有标记2、3的肋中而不是陷入较高标记的肋中的材料将通过一致性测试。能够陷入具有例如5、6较高标记的肋中的材料被认为是太流体化的，当应用到汽车上时可能在固化/烘烤过程中产生流动的问题。

图2、图3和图4示出了2个不同的具有令人满意的一致性的现有烘烤自由层阻尼材料——对比样品1、对比样品2与根据本发明的具有吸热松弛剂或放热松弛剂的阻尼材料的对比。对于损耗因数，仅显示了通过一致性测试的这些产品。

对比样品1由按质量为25％的沥青与按质量为72％的白垩、按质量3％的其它加工相关添加剂制成。没有添加松弛剂，并且白垩是唯一的填充剂。这种现有阻尼器材料一般用于车辆中由于其应用的汽车表面的下伏表面的复杂3D形状而需要高一致性的区域中，一般地，是不同的肋或者急剧弯曲区域。该样品的面积重量为2kg/m²。

对比样品2由按质量为27％的沥青与按质量为58％的白垩、按质量为10％的云母和按质量为5％的其它加工相关添加剂的组合制成。面积重量为大约2.7kg/m²，该样品比所有的其它样品和实例都要重。

使用松弛剂的样品是基于相同的基本配方，20/30pen等级沥青按质量为43.5％以及其它的加工相关的添加剂按质量为大约4.5％。根据所使用的松弛剂的量，按质量在48％和50.5％之间的云母薄片用作填充剂。配方合计按质量为100％。所有样品的面积重量为大约2kg/m²。

作为松弛剂，或使用吸热剂HydrocerolBIH或使用放热剂CelogenOT。按松弛剂的质量为0％、0.5％、1.5％或3％进行对比，分析一致性、阻尼损耗因数以及密度减小。

对于Celogen样品，已经发现仅仅具有0.5和1.5的样品的一致性是可接受的。图2显示了Celogen样品的损耗因数与现有样品的对比。在10℃到40℃的正常温度区域以及在60℃到80℃的区域中，所有Celogen样品胜过现有样品。

Hydrocerol样品(图3)显示了整体较佳的性能。使用Hydrocerol的所有样品，包括3％Hydrocerol浓度，显示出令人满意的一致性以及在正常和热温度区域中的良好的阻尼特性。尽管具有更低的密度，但是3％Hydrocerol样品可比得上对比样品2。

图4示出了相对于用于Celogen样品和Hydrocerol样品的松弛剂％样品的密度的变化。清楚可见的是，Celogen样品是更好的发泡剂，并且因而密度减小更高。3％Celogen样品已经显示出密度减小60％，然而该样品在一致性测试中不再表现。

因为密度减小是阻尼材料的硬度的象征，因而是用作自由层阻尼器时的阻尼特性的象征，所以不高于50％的密度减小是优选的。

有趣的是，材料横截面的显微镜照片显示这种低浓度的特定吸热发泡剂的特定使用没有在材料中形成任何气泡类型的间隙，这表示与用作在材料中形成任何类型气孔的实际发泡剂相比，该试剂更多地用作云母薄片周围的基质的松弛剂。仅使用最高浓度的吸热剂，才能够在显微镜中看到气泡类型的气孔。然而，使用发热剂的样品已经显示出在最低浓度的表面上的气泡。

由于吸热剂工作更缓慢并且能够更多被控制，所以用作松弛剂是较佳的方案。

Claims (11)

1.一种用于汽车面板的烘烤自由层阻尼的复合材料，其能够符合包含沥青、填充剂和添加剂的3D形状表面，其特征在于，所述沥青按质量为40％至60％，按质量至少40％的薄片无机填充剂被用作唯一的填充剂材料，以及使用的松弛剂为0.5％至2.5％。

2.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述松弛剂为吸热发泡剂或放热发泡剂。

3.根据权利要求2所述的复合材料，其特征在于，放热发泡剂以0.3-2.0％的范围使用。

4.根据权利要求2或3所述的复合材料，其特征在于，所述放热发泡剂为选自偶氮或酰肼化合物的一种，优选为偶氮二甲酰胺或磺酰基酰肼。

5.根据权利要求2所述的复合材料，其特征在于，吸热发泡剂以0.3-3％的范围使用。

6.根据权利要求2或5所述的复合材料，其特征在于，所述吸热发泡剂为碳酸氢盐的一种，优选为碳酸氢钙。

7.根据前述权利要求中任一项所述的复合材料，其特征在于，所述无机薄片填充剂为云母薄片或石墨薄片。

8.根据前述权利要求中任一项所述的复合材料，其特征在于，所述无机薄片填充剂为尺寸为16至24网目的薄片，优选为20网目的薄片。

9.根据前述权利要求中任一项所述的复合材料，其特征在于，所述无机薄片填充剂按质量为40-52％，优选为45-50％。

10.根据前述权利要求中任一项所述的复合材料，其特征在于，所述复合材料还包括按质量高达5％的粘合剂材料，其选自聚合物，例如橡胶、合成橡胶和/或纤维。

11.根据前述权利要求中任一项所述的复合材料，其特征在于，所述复合材料还包括按质量高达3％的加工相关添加剂，例如技术油的一种。