DE10163576A1

DE10163576A1 - Isolations-Material

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Publication number: DE10163576A1
Application number: DE10163576A
Authority: DE
Original assignee: Sandler AG
Current assignee: Sandler AG
Priority date: 2001-12-21
Filing date: 2001-12-21
Publication date: 2003-07-17
Anticipated expiration: 2021-12-22
Also published as: DE10163576B4; EP1321554B1; ATE514808T1; EP1321554A1

Abstract

Isolations-Material zur Absorption von Schallwellen und zur themischen Isolierung aus thermoplastische Stapelfasern enthaltendem mechanisch und thermisch verfestigtem Vliesstoff. DOLLAR A Der Vliesstoff des Isolations-Materials hat ein Volumen-Verhältnis von größer 40 : 1 zwischen Luft und Faserstoff, besitzt ein gewichtsbezogenes Biegesteifigkeitsverhältnis von kleiner 0,5 und hat eine Trennfestigkeit von mindestens 3 N/5 cm.

Description

Stand der Technik

Isolations-Materialien zur Absorption von Schallwellen und zur thermischen Isolierung, insbesondere für die Verwendung in der Automobilindustrie, sind im Stand der Technik bereits bekannt.
WO 97/45581 offenbart ein mittels Meltblown-Technologie erzeugtes Isolier- Feinfaservlies zur Dämpfung von Schallwellen für den Einsatz im Fahrzeugbau, welches aus homo- und copolymerem Polypropylen besteht und dem ein phenolisches Stabilisierungsmittel zur Erhöhung der thermischen Resistenz beigemischt ist.
Nachteilig wirkt sich allerdings aus, dass die mechanische Stabilität aufgrund niedriger Innenverfestigung nicht allzu hoch ist, somit ist ein derartiges Feinfaservlies nicht einfach zu konfektionieren, zu handeln und zu montieren.
Der Anteil des Stabilisierungsmittels muss hoch sein, damit eine bestmögliche Innverfestigung erzielt wird. Dadurch ist die Sortenreinheit nicht mehr gegeben.
Ferner sind schallabsorbierende und wärmeisolierende Bauteile aus dem EP 0683280 bekannt, die aus einem Verbund von einem Vlies aus vorwiegend Kunststoffasern - PET und PBT - mit einer aufkaschierten Polyesterfolie bestehen.
Beim Produktionsprozess ist somit ein zusätzlicher Arbeitsgang für das Aufbringen der Folie auf das Vlies erforderlich, wodurch sich das Herstellungsverfahren aufwendiger gestaltet und die Ausgangsstoffe für diese Bauteile höhere Kosten verursachen, außerdem ist die gewünschte Sortenreinheit nicht gegeben.
DE 198 21 532 beschreibt wärme- und schalldämmende Verkleidungen für die Abdeckung der Stirnwand von Motorräumen oder im Bereich des Getriebetunnels von Kraftfahrzeugen.
Diese sind zusammengesetzt aus einer motorseitigen Deckschicht, die von einem Vlies aus PES- oder Glas- oder Kohlenstoff- oder Keramik- oder Mineralfasern gebildet wird, einer duroplastischen Schaumstoffschicht aus Melaminharz, und einer akustisch isolierenden Schicht aus Kunststoffschaum, Partikelverbundschaum oder Faservlies aus nativen oder synthetischen Fasern.
Die unterschiedliche Materialzusammensetzung solcher Verkleidungen ermöglicht keine wirtschaftliche Trennung der Rohstoffe und bietet keine umweltfreundliche Entsorgung nach dem Gebrauch.
Zudem ist ein relativ aufwendiges Herstellungsverfahren zur Erzeugung von mehrschichtigen Verbundstoffen notwendig, welches außerdem gesundheitsbeeinträchtigend für das Produktionspersonal ist aufgrund der Verarbeitung karzinogener Stoffe, zum Beispiel Aminoxide oder Isocyanate.
DE 42 06 411 handelt von einem schalldämmendem Formteil für Verkleidungen an Kraftfahrzeugen mit einer Trägerschicht aus offenzelligem Polyurethan- Weichschaum, auf welche eine offene Deckschicht aus Polyestervliesstoff kaschiert ist, wobei der Polyurethan-Weichschaum mit einer duroplastischen Dispersion imprägniert ist.
Nachteilig ist die für die Insassen unangenehme Geruchsbelästigung durch Fogging bei Einsatz der Teile im Innenbereich der Fahrgastzelle bedingt durch die in den Produkten enthaltenen Chemikalien, z. B. durch die enthaltenen Schwerentflammbarkeitshilfsmittel.
Aus DE 197 08 188 geht ein Schallschutzmaterial hervor, das aus Vliesstoffen aus thermoplastischen Fasern, beispielsweise aus Polyesterfasern hergestellt und in zwei Stufen durch einen mechanischen Verfestigungsprozess sowie einer anschliessenden Druck-/Wärmebehandlung verdichtet wird. Durch diese Verfestigung wird ein definierter Strömungswiderstandsbereich erreicht.
Die so hergestellten Schallschutzmaterialien besitzen eine Dicke von nur 0,3 bis 3 mm und besitzen neben einem steifen Warencharakter deshalb ein entsprechend geringes thermisches Isolationsvermögen.
Der Erfinder hat hier nicht erkannt, dass eine leichte, bauschige Vliesstruktur Vorteile sowohl in Bezug auf Schallabsorption, als auch bezüglich der thermischen Isolation bringt.
Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, weg von den bekannten, steifen Isolations-Materialien zur Absorption von Schallwellen und zur thermischen Isolierung hin zu einem biegefähigen, weichen Schall- und Wärmeisolationsmaterial zu gelangen.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Anhand eines Ausführungsbeispiels wird die Erfindung nachstehend im Detail dargestellt.
Die verwendete Rohstoff-Mischung besteht zum Beispiel aus PET-Stapelfasern und bikomponenten CoPET/PET-Schmelzklebefasern in folgendem Verhältnis
10% Schmelzklebefaser 2,2 dtex mit 40 mm Länge,
40% Matrixfaser 1,7 dtex mit 40 mm Länge und
50% Matrixfaser 0,8 dtex mit 40 mm Länge.
Die 2,2 dtex-Faser, die bei der später stattfindenden thermischen Verfestigung als Bindefaser fungiert, besitzt im Mantelbereich einen deutlich niedrigeren Schmelzpunkt als die beiden anderen Mischungskomponenten, die als Matrixfasern vorgesehen sind.
Die homogen aufbereitete Mischung wird in Form einer Fasermatte einer Krempel zugeführt, um daraus ein Vlies zu bilden, welches mit Hilfe eines Horizontal-Legers auf das gewünschte Flächengewicht von beispielsweise 300 g/m² getäfelt wird.
Im Anschluss daran wird von einem rechtwinklig zum Legerband angeordneten Abzugsband abgenommen, es entsteht ein Vlies mit Kreuzlagen.
Zur mechanischen Verfestigung passiert das Vlies eine Nadelmaschine.
Hierbei erfolgt eine beidseitige Vernadelung. Mit Hilfe des angewandten Verfahrens und durch die spezielle Auswahl der eingesetzten Nadeln, die jeweils nur eine Kerbe aufweisen, erhält das Vlies eine ausreichend hohe Innenverfestigung, wobei die Weichheit und Dicke des erfindungsgemäßen Materials nicht nachteilig beeinträchtigt wird.
Der mechanischen Verfestigung direkt nachgeschaltet ist eine thermische Behandlung in einem Trockner, sodaß das so erhaltene, erfindungsgemäße Endprodukt die Eigenschaften Weichheit, Wärmeisolation und Schallabsorption aufweist.
Dazu läuft das Vlies über ein der Nadelmaschine nachgeschaltetes Transportband in einen Siebtrommeltrockner ein, der zwei am Umfang perforierte und beheizte Siebtrommeln besitzt. Während der Trocknerpassage durchströmt heisse Luft mittels eines im Inneren der Siebtrommeln aufgebauten Unterdrucks das Vlies.
Bei einer Siebtrommel-Temperatur von 160°C erweicht die 2,2 dtex-Faser oberflächlich, wird binde- und klebefähig und bildet Bindungsstellen an den Kreuzungsstellen zwischen Binde- und Matrixfasern.
Entscheidend für das Herstellen des erfindungsgemäßen Isolationsmaterial ist die Tatsache, dass weder vor noch während des Kühlvorgangs kein zusätzliches Verdichten oder Verpressen des Vliesstoffes erfolgt. Die Fixierung des Vlieses geschieht also nur an den Bindungsstellen, die sich bereits während der Trocknerpassage ausgebildet haben.
Aufgrund des geringen Anteils an Schmelzklebefasern besitzt der auf diese Art und Weise hergestellte Vliesstoff eine ausgeprägte Weichheit.
Diese Weichheit wirkt sich erfindungsgemäß zum einen positiv auf die akustischen Eigenschaften, zum anderen auf die thermische Isolationswirkung aus.
Darüberhinaus passt sich das Material hervorragend an dreidimensionale Konturen, beispielsweise an Werkzeuge zur Herstellung von Fahrzeugwandungen oder -abdeckungen an.
Die messtechnische Beschreibung dieser Eigenschaft ist am Besten über die sogenannte Biegesteifigkeit machbar. Für die nachstehenden Vergleichswerte wurde eine Apparatur ähnlich der Prüfmethode ISO 9073-7 ("Determination of bending length") verwendet. Abweichend von den dort genannten Vorgaben wurde mit einer Teststreifenbreite von 50 mm gearbeitet und die überhängende Vlieslänge in mm bestimmt. Diese wurde dann ins Verhältnis mit dem Flächengewicht des Prüflings gesetzt, sodaß die gewichtsbezogene Biegesteifigkeit sich als Quotient nach der unten stehenden Formel ergibt.
Zur messtechnischen Vereinfachung werden bei den obigen Größen, der überhängenden Vlieslänge und dem IST-Flächengewicht in der obigen Formel keine Einheiten verwendet.
Die Messwerte für die gewichtsbezogene Biegesteifigkeit in Längs- und Querrichtung aus der Tabelle 1 zeigen den deutlichen Unterschied beim Vergleich des erfindungsgemäßen Isolations-Materials mit einem konventionellem Isolations- Material. So ist es mit dem erfindungsgemäßen Vliesstoff wesentlich einfacher, eine Konturenanpassung zu erreichen, da der Vliesstoff im Vergleich zum Stand der Technik eine kleinere gewichtsbezogene Biegesteifigkeit aufweist, in sich weniger steif ist.
Die nachstehende Tabelle 1 zeigt die sich ergebenden gewichtsbezogenen Biegesteifigkeiten für verschiedene Flächengewichte, Muster 1 bis 3 eines erfindungsgemäß hergestellten Vliesstoffs und dem nach dem Stand der Technik hergestellten Muster 4, welches einen thermisch verfestigten, ungenadelten Vliesstoff aus 0,7 dtex PES Matrixfaser zu 55% und 2,2 dtex CoPES/PES Bikomponenten- Schmelzfaser zu 45% beschreibt. Tabelle 1
Es zeigt sich eine deutlich geringere gewichtsbezogene Biegesteifigkeit gegenüber den bekannten Materialien nach dem Stand der Technik.
Für die Weiterverarbeitung des erfindungsgemäßen Vlieses ist es von Bedeutung, dass, neben der Weichheit, im Vlies auch eine Strukturfestigkeit gegeben ist. Diese Eigenschaft ist besonders entscheidend bei Einwirkung von mechanischer Beanspruchung, z. B. beim Handling, bei der Konfektion und bei der Montage. Erreicht wird dies im erfindungsgemäßen Vliesstoff durch die Kombination der beidseitigen Vernadelung und der anschließenden thermischen Verfestigung durch die Schmelzklebefasern.
Um eine Messgröße für die Strukturfestigkeit zu bekommen wurde die Festigkeit gemessen, welche ein in seiner Dicke mittig gespaltener Vliesstoff einer weiteren Trennbewegung entgegensetzt.
Dazu werden die beiden Enden des Prüflings in die Probenhalter einer Reißprüfmaschine, beispielsweise einer Zwick 1425, eingespannt. Der obere Probenhalter ist mittels einer Kraftmessdose an der beweglichen Traverse angebracht. Nach Testbeginn setzt sich die Traverse mit konstanter Geschwindigkeit nach oben in Bewegung, der Vliesstoff wird auseinandergetrennt, die an der Kraftmessdose anliegende Kraft steigt an. Für die Auswertung wird gemäß DIN 54310 die mittlere gemessene Kraft während eines Messweges von 200 mm in N/5 cm angegeben.
Die Ergebnisse der Messwerte für die Trennfestigkeit des erfindungsgemäßen Isolations-Materials aus Tabelle 2 bestätigen, dass der Vliesstoff trotz seiner ausgeprägten Weichheit eine intensive Innenverfestigung aufweist. Dieses positive Merkmal ist auf die Kombination der mechanischen mit der thermischen Verfestigung zurückzuführen. Tabelle 2
Ein wesentlicher Faktor für die Fähigkeit der thermischen Isolierung des erfindungsgemäßen Isolations-Materials ist das Vorhandensein von zahlreichen Hohlräumen zwischen den Fasern.
Die in den Hohlräumen befindliche Luft reduziert entscheidend den Transport von Wärmeenergie von der Seite mit der höheren Temperatur hin zur Seite mit der niederen Temperatur. Von ausschlaggebender Bedeutung dafür sind dabei das Volumen-Verhältnis zwischen Luft und Faserstoff im Vliesstoff einerseits und die Anzahl von vorhandenen Poren andererseits, um eine Hohlraumbildung zu ermöglichen.
Um möglichst zahlreiche Hohlräume zu bekommen, ist es bei einer gegebenen Vliesdicke sinnvoll den Titer der eingesetzten Fasern zu verringern. Hintergrund ist dabei die Überlegung, bei gleichem Flächengewicht und gegebener Dicke mittels feinerer Fasern mehr Strukturen innerhalb des Vlieses zu erzeugen, daher Hohlräume zu bilden.
Um nun eine Messgröße für die Faserfeinheit innerhalb des Vliesstoffes zu bekommen, wurde der mittlere Fasertiter nach folgender Formel errechnet:

wobei A, B, C = der Prozentanteil einer Faserkompenente in der Mischung ist. Die Summe aus A, B und C ist 100.
Titer 1, 2, 3 = Titer der jeweiligen Faserkomponente in dtex
Für das vorgenannte Ausführungsbeispiel ergibt sich daher ein mittlerer Fasertiter von 1,3 dtex.
Neben dem mittleren Fasertiter ist auch der Luftanteil innerhalb des Vliesstoffes für die Isolationswirkung wichtig, denn je mehr Luft auf die Hohlräume, ausgedrückt in Volumen-Verhältnis Luft zu Faserstoff verteilt ist, um so besser ist die thermische Isolationswirkung.
Ermittelt wird das Volumen-Verhältnis Luft zu Faserstoff, indem man das Volumen eines Prüfkörpers aus dem erfindungsgemäßen Vlies nach der Formel

V_Prüfkörper = Länge.Breite.Höhe

errechnet. Die Länge und Breite betragen dabei jeweils 100 mm, die Höhe ist gleichzusetzen mit der Dicke des Prüfkörpers. Wichtig ist dabei, dass die Dicke ohne Kompression des Prüfkörpers gemessen wird. Dies geschieht, je nach Dicke, gemäß den Verfahren B oder C der EDANA 30.5-99.
Im nächsten Schritt wird das Volumen der in dem Prüfkörper enthaltenen Fasern nach der Formel

bestimmt. Dazu wird der Probenkörper bis zur Gewichtskonstanz getrocknet und gewogen. Im vorliegenden Beispiel wurden zu 100% Polyethylenterephthalat-Fasern verwendet, sodaß als Dichte 1.38 g/cm³ angenommen werden konnte.
Mit dem so errechneten Faservolumen kann nunmehr das Luftvolumen innerhalb des Prüfkörpers nach der Formel

V_Luft = V_Prüfkörper - V_Faser

bestimmt werden.
Für das beschriebene Ausführungsbeispiel ist in Tabelle 3 die Ermittlung des Verhältnisses von V_Luft zu V_Faser aufgeführt. Tabelle 3
Für das Erreichen einer optimalen akustischen Absorptionswirkung war nun die Kombination der vorgenannten Eigenschaften, nämlich gewichtsbezogene Biegesteifigkeit, mittlerer Fasertiter und Verhältnis von V_Luft zu V_Faser die Ausgangsbasis.
Es zeigte sich, dass nur in der anspruchsgemäßen Kombination eine verbesserte, dem Stand der Technik deutlich überlegene Absorption erzielt wird.
Die akustische Wirksamkeit des erfindungsgemäßen Isolations-Materials im Vergleich zu einem konventionellen Isolations-Material ist in Fig. 1 in Form eines Diagramms dargestellt.
Aus dem Verlauf der Kurven für den Absorptionskoeffizienten in Abhängigkeit von der Frequenz ist klar zu erkennen, dass das erfindungsgemäße Isolations-Material mit der Bezeichnung "Sawasorb VP 14/01/65-300 g/m²", gegenüber dem konventionellen Isolations-Material mit der Bezeichnung "Sawasorb 4225-300 g/m²" für jede angegebene Frequenz einen höheren Absorbtionskoeffizienten aufweist.
Die in Fig. 1 graphisch dargestellten Werte, die aus Tabelle 4 detailiert ersichtlich sind, wurden im Rahmen einer Absorptionsmessung in der Alpha-Kabine ermittelt. Tabelle 4
Diese Mess-Methode funktioniert nach folgendem Prinzip:
Die Luftschallabsorption ist abhängig vom Schalleinfallswinkel. In der Praxis ist meist ein Schalleinfall von allen Seiten gegeben. Dies wird auch als statistischer Schalleinfall bezeichnet.
In der Praxis wird die Absorption über die Nachhallzeit bzw. Bestimmung der äquivalenten Absorptionsflächen mit und ohne dem eingebrachten Dämmstoffen ermittelt. Hieraus ergibt sich der Absorptionsgrad "Alpha".
Die Messung erfolgt in kleinvolumigen Kammern. (kleiner Hallraum Volumen ca. 6 m³) => Alpha-Kabine
Durch die ausgeprägte Weichheit des erfindungsgemäß hergestellten Vliesstoffes, welche durch Verwendung nur geringer Anteile an Schmelzfasern erst ermöglicht wird, ist die Oberfläche dergestalt verfestigt, dass auftreffende Schallwellen nur einem geringen Anteil reflektiert werden, der Großteil kann in die Vliesstruktur eindringen.
Entgegen den Materialien des Stands der Technik sind bei dem erfindungsgemäßen Vliesstoff viele Hohlräume enthalten, welche Reflektion der Schallwellen innerhalb des erfindungsgemäßen Vliesstoffes begünstigen. Der Schall wird gebrochen und innerhalb des erfindungsgemäßen Vliesstoffes optimal absorbiert.

Claims

1. Isolations-Material zur Absorption von Schallwellen und zur thermischen Isolierung, bestehend aus thermoplastische Stapelfasern als Matrixfasern und thermoplastische Schmelzklebefasern enthaltendem mechanisch und thermisch verfestigtem Vliesstoff, dadurch gekennzeichnet,
dass der Vliesstoff ein Verhältnis von V_Luft zu V_Faser von größer 40 : 1 aufweist,
dass der Vliesstoff ein gewichtsbezogenes Biegesteifigkeitsverhältnis von kleiner 0,5 aufweist und
dass der Vliesstoff eine Trennfestigkeit von mindestens 3 N/5 cm aufweist.

2. Isolations-Material nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mittlere Fasertiter der den Vliesstoff bildenden Fasern zwischen 0,3 und 1,5 dtex liegt.

3. Isolations-Material nach einem der Ansprüche 1, dadurch gekennzeichnet, dass die den Vliesstoff bildenden Stapelfasern und Schmelzklebefasern polymereinheitlich zusammengesetzt sind.

4. Isolations-Material nach einem der Ansprüche 1, dadurch gekennzeichnet, dass die den Vliesstoff bildenden Stapelfasern und Schmelzklebefasern aus der Gruppe der Polyethylenterephthalate bestehen.

5. Isolations-Material nach einem der Ansprüche 1, dadurch gekennzeichnet, dass die den Vliesstoff bildenden Stapelfasern und Schmelzklebefasern aus der Gruppe der Polyolefine bestehen.

6. Isolations-Material nach einem der Ansprüche 1, dadurch gekennzeichnet, dass die den Vliesstoff bildenden Stapelfasern als Mischung aus mindestens einer ersten und einer zweiten polymereinheitlichen Komponente vorliegen.

7. Isolations-Material nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehalt an thermoplastischen bikomponenten Schmelzklebefasern 15 Gewichtsprozent nicht übersteigt.

8. Isolations-Material nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Vliesstoff ein Flächengewicht von 200 g/m² bis 800 g/m² aufweist.

9. Isolations-Material zur Absorption von Schallwellen und zur thermischen Isolierung, bestehend aus thermoplastische Stapelfasern als Matrixfasern und thermoplastische Schmelzklebefasern enthaltendem mechanisch und thermisch verfestigtem Vliesstoff, dadurch gekennzeichnet, dass der Vliesstoff mechanisch und thermisch ohne wesentliche Veränderung des Querschnitts verfestigt ist.