DE102013221693B4

DE102013221693B4 - Schallabsorbierendes Material für ein Fahrzeug, Verfahren zur Herstellung desselben und Laminat umfassend das schallabsorbierende Material

Info

Publication number: DE102013221693B4
Application number: DE102013221693.9A
Authority: DE
Inventors: Jung-Wook Lee
Original assignee: Hyundai Motor Co; Kia Motors Corp
Current assignee: Hyundai Motor Co; Kia Corp
Priority date: 2013-03-21
Filing date: 2013-10-25
Publication date: 2021-09-23
Anticipated expiration: 2033-10-26
Also published as: DE102013221693A1; US20140287644A1; KR101526655B1; CN104059213B; CN104059213A; KR20140115643A

Abstract

Schallabsorbierendes Material für ein Fahrzeug, bei welchem ein schäumender Urethanschaum verwendet wird, bei dem Kohlenstoff-Nanoröhrchen verwendet werden, enthaltend:100 Gewichtsteile eines auf Polypropylen basierenden Polyol-Bestandteils, wobei der Polyol-Bestandteil (i) 40 bis 60 Gewichts-% hochmolekulares Polyol und 20% bis 40 Gewichts-% niedermolekulares Polyol und (ii) 10 bis 30 Gew.-% wenigstens eines Additivs, das oder der einen Schaumbildner enthält, wobei sich die Gew.-% jeweils auf das Gesamtgewicht des Polyol-Bestandteils beziehen, enthält; undeinen Isocyanat-Bestandteil, der 120 bis 180 Gewichtsteile Isocyanat, 10 bis 20 Gewichtsteile eines flammhemmenden Füllmaterials und 0,1 bis 3 Gewichtsteile Kohlenstoff-Nanoröhrchen, wobei sich die Gewichtsteile jeweils auf 100 Gewichtsteile des Polyol-Bestandteils beziehen, enthält,wobei das hochmolekulare Polyol ein gewichtsgemitteltes Molekulargewicht in einem Bereich von 3.000 g/mol bis 6.000 g/mol, und das niedermolekulare Polyol ein gewichtsgemitteltes Molekulargewicht in einem Bereich von 1.500 g/mol oder weniger aufweist,wobei das wenigstens eine Additiv 5 Gew.-% bis 10 Gew.-% Wasser als Schaumbildner, 1 Gew.-% bis 5 Gew.-% eines Zellöffners oder eines Zellenöffnungsmittels, 2 Gew.-% bis 6 Gew.-% eines Kettenverlängerungsmittels, 3 Gew.-% bis 10 Gew.-% eines auf Phosphor basierenden Flammschutzmittels, 1 Gew.- % bis 3 Gew.-% eines Silikontensids und 0,1 Gew.-% bis 3 Gew.-% eines Aminkatalysators enthält, wobei sich die Gew.-% jeweils auf das Gesamtgewicht des Polyol-Bestandteils beziehen,wobei die Kohlenstoff-Nanoröhrchen eine einwandige oder mehrwandige Struktur mit einem Durchmesser von 10 nm bis 50 nm, einer Volumendichte von 0,02 g/ml bis 1,5 g/ml, einer Reinheit von 85 % bis 90 % und einem Kristallinitätsgrad (IΓ/IΔ) von 0,7 bis 1,1 aufweisen.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein schallabsorbierendes Material für ein Fahrzeug, welches einen schäumenden Urethanschaum enthält, bei dem Kohlenstoff-Nanoröhrchen verwendet werden, sowie ein Verfahren zur Herstellung desselben und ein Laminat, welches das schallabsorbierende Material für ein Fahrzeug umfasst. Genauer gesagt, betrifft die vorliegende Erfindung ein schallabsorbierendes Material für ein Fahrzeug, das ausgezeichnete schallabsorbierende oder schalldämpfende und schallisolierende Eigenschaften besitzt und gleichzeitig seine ausgezeichnete Flammbeständigkeit beibehält. Insbesondere ist das schallabsorbierende Material mit einem erhöhten Anteil an offenen Zellen versehen, wobei jedoch zugleich eine gleichmäßige Zellstruktur des Schaums erhalten bleibt, indem Kohlenstoff-Nanoröhrchen als Teil eines flammhemmenden Füllmaterials zu einem halbsteifen schäumenden Urethanschaum gegeben werden.
Stand der Technik
In einem Fahrzeug werden in einem Motor während seines Betriebs ständig Geräusche erzeugt und die erzeugten Geräusche gelangen durch das Armaturenbrett in den Innenraum des Fahrzeugs oder durch die Karosserie des Fahrzeugs nach außen. In einem Fahrzeug sind verschiedene schallabsorbierende und schallisolierende Elemente angebracht, um die Motorgeräusche zu reduzieren und Beispiele hierfür schließen eine Isolierung an der Motorhaube, eine Isolierung am Armaturenbrett und dergleichen ein.
Gewöhnlich wurden geharzter Filz, Glaswolle und dergleichen als Material für ein absorbierendes und isolierendes Element in einem Motorraum verwendet. Diese Materialien weisen jedoch den Nachteil auf, dass sie ziemlich schwer sein müssen, um in geeigneter Weise die schallabsorbierenden und schallisolierenden Eigenschaften zu verbessern. Daneben besitzen diese Materialien auch den Nachteil, dass mit der Zeit gefährliche Substanzen, wie beispielsweise Gerüche und dergleichen, aus nicht dispergierbaren Harzen in den Materialien freigesetzt werden.
Um diese Probleme zu lösen, wurde ein möglicher Ersatz der Materialien untersucht. Schäumender Polyurethanschaum wurde in Betracht gezogen, jedoch setzt dieser ähnlich den bekannten Materialien ebenfalls gefährliche Substanzen frei. Polyurethanschaum besitzt jedoch den Vorteil, dass seine Härte und seine physikalischen Eigenschaften in einfacher Weise angepasst werden können, indem man lediglich die Mischung des Schaums einstellt. Des Weiteren weist schäumender Polyurethanschaum bessere schallabsorbierende Eigenschaften auf und ist leichter als das bekannte geharzte Filz und Glas. Deshalb geht man davon aus, dass er die Geräusche eines Fahrzeugs reduzieren und die Kraftstoffeffizienz verbessern wird.
Während halbsteifer, schäumender Polyurethanschaum bessere Eigenschaften als die bekannten Materialien in Bereichen mittlerer und niedriger Frequenzen von 1.500 Hz oder weniger zeigt, sind seine Eigenschaften jedoch in Bereichen hoher Frequenzen ziemlich unzureichend.
Um diese Nachteile zu beheben, schlägt die koreanische Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer KR 1020110107675 A eine Technik vor, bei der Polyurethanschaum gebildet wird, indem Kohlenstoff-Nanoröhrchen oder Kohlenstoff-Nanoröhrchen und Kohlenstoff-Nanoplättchen zu einer unverdünnten Polyurethanlösung gegeben werden und in dieser dispergiert werden, so dass ein Schaum gebildet wird, der, wenn er als isolierendes Material eingesetzt wird, die Härte, die isolierenden Eigenschaften und die Wärmestabilität verbessert. Obwohl man bei dieser Technik mit einer verbesserten Leistung rechnen würde, besteht das Problem hier jedoch darin, dass die schallabsorbierenden Eigenschaften äußerst schwach sind, da anstelle der halbsteifen, schäumenden Produkte ein steifer Schaum verwendet wird. Ein fester, schäumender Urethanschaum weist eine unabhängig geschlossene Zellstruktur auf und liegt in einer Form vor, in der die wärmeisolierenden und Kühle bewahrenden Eigenschaften durch das Einsperren oder Eindämmen von Gas in der Struktur verstärkt werden. Ein solcher Schaum wird im Allgemeinen als Produkt im Bausektor verwendet. Daneben ist es so, dass ein einmal aufgeschäumter, steifer Polyurethanschaum nach dem Schäumen thermisch nicht mehr in eine andere Form gebracht werden kann, was jedoch bei dem Pressformen eines Elements zu einer bestimmten Form erforderlich wäre. Ein steifer Polyurethanschaum ist daher nicht zur Verwendung als schallabsorbierendes und schallisolierendes Material für ein Fahrzeug geeignet.
Der Grund, warum ein steifer, schäumender Polyurethanschaum eine geschlossene Zellstruktur aufweist, wie dies vorstehend beschrieben ist, ist, dass aufgrund der Struktur der den größten Teil bildenden, unverdünnten Lösung und der Zusammensetzung weiterer Additive die innere Zellstruktur ein siebartiges Netzwerk bildet. Um einen steifen, schäumenden Polyurethanschaum als schallabsorbierendes Material für den Motorraum eines Fahrzeugs verwenden zu können, muss der steife, schäumende Polyurethanschaum zudem flammhemmend sein, das heißt, er muss selbstlöschende Eigenschaften besitzen, die ein Feuer - selbst wenn ein Feuer entzündet wird - innerhalb eines vorgegebenen Zeitraums selbsttätig löschen. Dies lässt sich jedoch nur schwer durch das alleinige Beimischen von Kohlenstoff-Nanoröhrchen erreichen.
Des Weiteren schließen Techniken, bei denen Kohlenstoff-Nanoröhrchen verwendet werden, die koreanische Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer KR 1020080003843 A ein, in welcher eine polymerisierende Zellstruktur vorgeschlagen wird, die Kohlenstoff-Nanoröhrchen umfasst und in der die Zelle eine mittlere Größe von weniger als 150 µm aufweist und Kohlenstoff-Nanoröhrchen in einer Menge von weniger als 60 Gew.-%, bevorzugt von 10 Gew.-% bis 50 Gew.-% oder vorzugsweise von 0,1 Gew.-% bis 3 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Polymerstruktur, enthalten sind. Die japanische Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer JP 2008013802 A schlägt einen schäumenden Körper aus Polyurethan für ein Fahrzeug vor, welcher Blähgraphit enthält und dazu verwendet wird, die Geräusche abzuhalten, die durch die Trennwand eines Motorraums dringen. Das japanische Patent Nr. JP 3580011 B2 schlägt eine Anstrich- oder Farbform vor, um mit Hilfe eines Verfahrens zur Behandlung von Dämmmaterialien für den Motor eines Fahrzeugs einen Beschichtungsfilm zu bilden, wobei diese Farbe eine Emulsion eines Acrylharzes, Farbkörperchen und ein flockenförmiges Füllmaterial, wie beispielsweise Graphit und dergleichen, enthält. Die koreanische Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer KR 102011107838 A schlägt eine Technik vor, bei der Kohlenstoff-Nanoröhrchen und dergleichen in einem viskoelastischen Kern verwendet werden, der als Strukturverbund mit verbesserten schalldämmenden und staubbeständigen Eigenschaften verwendet wird und der auf eine außen liegende Platte eines Flugzeugrumpfes und dergleichen aufgebracht wird.
In diesen Techniken werden jedoch verschiedene Harzbestandteile, in welche die Kohlenstoff-Nanoröhrchen eingebracht werden, eingesetzt und die meisten dieser Harzbestandteile bestehen aus steifen, schäumenden Körpern. Es besteht daher das Problem, dass die physikalischen Eigenschaften, die dazu geeignet sind, ein leichtes Material zum Einbau in einem Fahrzeug bereitzustellen, nicht ausreichen und die schallabsorbierenden Eigenschaften zudem generell unzureichend sind.
US 2006/0135636 A1 beschreibt Isocyanat-basierte Polymerschäume, die funktionalisierte Nanomaterialien enthalten.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung stellt ein Material bereit, bei dem Kohlenstoff-Nanoröhrchen als nanogroße feine Teilchen gemeinsam mit einem flammhemmenden Füllmaterial zu einem halbsteifen Polyurethanschaum zugesetzt sind, um die Eigenschaften bei mittleren und hohen Frequenzen zu verbessern, wobei die schallabsorbierenden Eigenschaften sogar in Bereichen mittlerer und hoher Frequenzen von etwa 1.500 Hz oder mehr außerordentlich verbessert werden.
Gemäß einem Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein schallabsorbierendes Material für ein Fahrzeug gemäß Anspruch 1 bereit. Das schallabsorbierende Material der vorliegenden Erfindung verbessert aufgrund seines leichteren Gewichts die Kraftstoffeffizienz, verbessert die schallabsorbierenden und schallisolierenden Eigenschaften über den gesamten Frequenzbereich und weist eine ausgezeichnete Flammbeständigkeit auf.
Gemäß einem weiteren Aspekt stellt die Erfindung ein Laminat gemäß Anspruch 7 bereit.
Gemäß einem weiteren Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines schallabsorbierenden Materials für ein Fahrzeug gemäß Anspruch 8 bereit, wobei das Material gleichzeitig sowohl die geforderten guten schallisolierenden Eigenschaften als auch die geforderten guten flammhemmenden Eigenschaften erfüllt.
Die vorliegende Erfindung stellt ein schallabsorbierendes Material für ein Fahrzeug bereit, bei welchem ein schäumender Urethanschaum verwendet wird, bei dem Kohlenstoff-Nanoröhrchen verwendet werden, und welches enthält: einen auf Polypropylen basierenden Polyol-Bestandteil und einen Isocyanat-Bestandteil als Hauptbestandteile. Das schallabsorbierende Material wird aus einer schäumenden, unverdünnten Lösung gebildet, die 100 Gewichtsteile eines Polyol-Bestandteils, 120 bis 180 Gewichtsteile Isocyanat, 10 bis 20 Gewichtsteile eines flammhemmenden Füllmaterials und 0,1 bis 3 Gewichtsteile Kohlenstoff-Nanoröhrchen enthält, wobei sich die Gewichtsteile jeweils auf 100 Gewichtsteile des Polyol-Bestandteils beziehen. Der Polyol-Bestandteil enthält (i) 40 bis 60 Gew.-% hochmolekulares Polyol und 20% bis 40 Gewichts-% niedermolekulares Polyol und (ii) 10 bis 30 Gew.-% wenigstens eines Additivs, das oder der einen Schaumbildner einschließt, wobei sich die Gew.-% jeweils auf das Gesamtgewicht des Polyol-Bestandteils beziehen, wobei das hochmolekulare Polyol ein gewichtsgemitteltes Molekulargewicht in einem Bereich von 3.000 g/mol bis 6.000 g/mol, und das niedermolekulare Polyol ein gewichtsgemitteltes Molekulargewicht in einem Bereich von 1.500 g/mol oder weniger aufweist, wobei das wenigstens eine Additiv 5 Gew.-% bis 10 Gew.-% Wasser als Schaumbildner, 1 Gew.-% bis 5 Gew.-% eines Zellöffners oder eines Zellenöffnungsmittels, 2 Gew.-% bis 6 Gew.-% eines Kettenverlängerungsmittels, 3 Gew.-% bis 10 Gew.-% eines auf Phosphor basierenden Flammschutzmittels, 1 Gew.-% bis 3 Gew.-% eines Silikontensids und 0,1 Gew.-% bis 3 Gew.-% eines Aminkatalysators enthält, wobei sich die Gew.-% jeweils auf das Gesamtgewicht des Polyol-Bestandteils beziehen, wobei die Kohlenstoff-Nanoröhrchen eine einwandige oder mehrwandige Struktur mit einem Durchmesser von 10 nm bis 50 nm, einer Volumendichte von 0,02 g/ml bis 1,5 g/ml, einer Reinheit von 85 % bis 90 % und einem Kristallinitätsgrad (I_Γ/I_Δ) von 0,7 bis 1,1 aufweisen. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen enthält das schallabsorbierende Material einen geschnittenen, schäumenden Polyurethanschaum und insbesondere einen, der die vorstehend beschriebenen Bestandteile aufweist.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann zusätzlich ein Faservlies an beiden Seiten des schallabsorbierenden Materials für ein Fahrzeug pressgeformt sein.
Die vorliegenden Erfindung stellt ein Verfahren zum Herstellen eines schallabsorbierenden Materials für ein Fahrzeug bereit, bei welchem ein schäumender Urethanschaum verwendet wird, bei dem Kohlenstoff-Nanoröhrchen verwendet werden, wobei das Verfahren umfasst: Mischen von 40 bis 60 Gew.-% hochmolekularem Polyol und 20% bis 40 Gewichts-% niedermolekularem Polyol mit 10 bis 30 Gew.-% eines Additivs, das oder der einen Schaumbildner einschließt, um so 100 Gewichtsteile eines Polyol-Bestandteils herzustellen; Zusetzen einer Mischung von Ausgangsmaterialien zum Polyol-Bestandteil und Einsetzen einer Rühreinrichtung oder dergleichen zum Aufschäumen und Vermischen der resultierenden Mischung durch Verrühren, um so eine schäumende, unverdünnte Lösung herzustellen, wobei das Ausgangsmaterial hergestellt wird, indem 120 bis 180 Gewichtsteile Isocyanat, 10 bis 20 Gewichtsteile eines flammhemmenden Füllmaterials und 0,1 bis 3 Gewichtsteile Kohlenstoff-Nanoröhrchen, jeweils bezogen auf 100 Gewichtsteile des Polyol-Bestandteils, miteinander vermischt werden; Einspritzen der schäumenden, unverdünnten Lösung in eine Form, um so die Lösung zu einem Polyurethanschaum reifen zu lassen, der geschäumt ist; und Schneiden des schäumenden Polyurethanschaums, wobei das hochmolekulare Polyol ein gewichtsgemitteltes Molekulargewicht in einem Bereich von 3.000 g/mol bis 6.000 g/mol, und das niedermolekulare Polyol ein gewichtsgemitteltes Molekulargewicht in einem Bereich von 1.500 g/mol oder weniger aufweist, wobei das wenigstens eine Additiv 5 Gew.-% bis 10 Gew.-% Wasser als Schaumbildner, 1 Gew.-% bis 5 Gew.-% eines Zellöffners oder eines Zellenöffnungsmittels, 2 Gew.-% bis 6 Gew.-% eines Kettenverlängerungsmittels, 3 Gew.-% bis 10 Gew.-% eines auf Phosphor basierenden Flammschutzmittels, 1 Gew.-% bis 3 Gew.-% eines Silikontensids und 0,1 Gew.-% bis 3 Gew.-% eines Aminkatalysators enthält, wobei sich die Gew.-% jeweils auf das Gesamtgewicht des Polyol-Bestandteils beziehen, wobei die Kohlenstoff-Nanoröhrchen eine einwandige oder mehrwandige Struktur mit einem Durchmesser von 10 nm bis 50 nm, einer Volumendichte von 0,02 g/ml bis 1,5 g/ml, einer Reinheit von 85 % bis 90 % und einem Kristallinitätsgrad (I_Γ/I_Δ) von 0,7 bis 1,1 aufweisen.
Das Verfahren kann daneben ferner umfassen:

zusätzliches Anbringen eines Faservlieses an beiden Seiten des schallabsorbierenden Materials für ein Fahrzeug, wie es vorstehend hergestellt wurde; Pressformen des Laminats in einer Einrichtung zum thermischen Formen und anschließendes Abkühlen des Laminats unter Druck in einer Abkühleinrichtung, um so ein Halbfertigteil herzustellen; und Zuschneiden des Halbfertigteils zu einer gewünschten Ausgestaltungsform.

Bei dem schallabsorbierenden Material für ein Fahrzeug, bei welchem ein schäumender Urethanschaum verwendet wird, bei dem Kohlenstoff-Nanoröhrchen verwendet werden, kann ein zusammengesetzter bzw. ein Komposit- oder Verbund-Polyurethanschaum verwendet werden, bei dem Kohlenstoff-Nanoröhrchen verwendet werden und er kann thermisch zu einem Bauteil eines Motorraums, wie beispielsweise dem Außenrand eines Armaturenbretts, einer Isolierung an der Motorhaube, einer Isolierung am Armaturenbrett und dergleichen für den Motorraum eines Fahrzeugs ausgeformt werden. Ein solches Material erfüllt die Anforderungen an einen anwendbaren Flammenschutz oder eine anwendbare Flammbeständigkeit, um in einem Fahrzeug verwendet werden zu können.
Im Vergleich zu herkömmlichen Materialien kann das schallabsorbierende Material für ein Fahrzeug gemäß der vorliegenden Erfindung ferner über den gesamten Frequenzbereich verbesserte Akustik- oder NVH-Eigenschaften (Geräusch, Vibrationen und Härte; Noise, Vibration, Harshness = NVH) bereitstellen und verbessert die Qualität und die Kraftstoffeffizienz eines Fahrzeugs durch sein leichtes Gewicht und sein umweltfreundliches Material.
Daneben ermöglicht die vorliegende Erfindung flammhemmende und selbst löschende Eigenschaften zu erreichen, indem Kohlenstoff-Nanoröhrchen mit Graphit vermischt werden und die Mischung in einem Polyurethanschaum eingesetzt wird. Solche Eigenschaften wurden bislang mit den bekannten Techniken, bei denen einem Polyurethanschaum Kohlenstoff-Nanoröhrchen zugesetzt werden, nicht erreicht.
Daneben ermöglicht die vorliegende Erfindung, ausgezeichnete physikalische Eigenschaften beim Formen eines warmgewalzten Bauteils sicherzustellen, was mit herkömmlichen Polyurethanschäumen, denen Kohlenstoff-Nanoröhrchen zugesetzt wurden, nicht möglich war.
Weitere Aspekte und beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden erläutert.
Figurenliste
Die vorstehend angegebenen und weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der ausführlichen Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen derselben unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren ersichtlicher. In den Figuren gilt:

1 zeigt einen Graphen, der die Ergebnisse von Versuchen bezüglich der schallabsorbierenden Eigenschaften an einer Probe zeigt, wie sie in Beispiel 2 und in den Vergleichsbeispielen 1 und 3 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung durchgeführt wurden, zeigt.
2 zeigt einen Graphen, in dem die schallabsorbierenden Eigenschaften in den Beispielen 1 bis 3 gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung miteinander verglichen werden.
3 zeigt einen Graphen, in dem die schallabsorbierenden Eigenschaften in Beispiel 2 und in Vergleichsbeispiel 3 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einem Klangtest zur Durchschallung eines aktuellen Fahrzeugs miteinander verglichen werden.
4 zeigt eine Aufnahme einer Zellstruktur des Polyurethanschaums gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter einem Rasterelektronenmikroskop.

Es sollte verstanden werden, dass die beigefügten Figuren nicht notwendigerweise maßstabsgetreu sind, sondern eine etwas vereinfachte Darstellung verschiedener bevorzugter Merkmale zeigen, welche die zugrunde liegenden Prinzipien der Erfindung veranschaulichen. Spezielle Merkmale der Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung, wie sie hierin offenbart sind, einschließlich von zum Beispiel bestimmten Abmessungen, Ausrichtungen, Positionen und Formen, werden zum Teil durch die Bedingungen und Umstände der speziell angestrebten Anwendung und Verwendung bestimmt werden.
In den Figuren bezeichnen die Bezugszeichen jeweils gleiche oder äquivalente Teile der vorliegenden Erfindung.
Ausführliche Beschreibung
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung ausführlicher unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben, in denen beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung gezeigt sind. Wie ein Fachmann erkennen wird, können die beschriebenen Ausführungsformen auf verschiedene Weise modifiziert werden, ohne dabei von dem eigentlichen Sinn oder dem Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Die nicht mit der Beschreibung der beispielhaften Ausführungsformen in Verbindung stehenden Elemente sind nicht gezeigt, um die Beschreibung verständlicher zu machen, und in der gesamten Beschreibung sind gleiche Bauteile jeweils mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
Des Weiteren wurden die Größen- und Dickenangaben in den in den Figuren gezeigten Anordnungen lediglich zur Vereinfachung der Beschreibung ausgewählt, so dass die vorliegende Erfindung nicht auf die in den Figuren gezeigte Größe und Dicke beschränkt ist und die Dicke etwas übertrieben dargestellt ist, um manche Bauteile und Bereiche deutlicher darstellen zu können.
Soweit nicht ausdrücklich etwas anderes angegeben ist, sollen die Wörter „umfassend“ und dessen Variationen, wie beispielsweise „umfasst“ oder „umfassend“ in der gesamten Beschreibung so verstanden werden, als dass sie das Vorhandensein bestimmter Elemente implizieren, jedoch nicht das Vorhandensein beliebiger weiterer Elemente ausschließen.
Des Weiteren bezeichnen die hierin verwendeten Begriffe „...-einheit“, „...- mechanismus“, „...-teil“ oder „...-abschnitt“, „...-element“ usw. eine Einheit von enthaltenen oder vorhandenen Bauteilen oder Komponenten, die wenigstens eine oder mehrere Funktionen ausüben oder Arbeitsvorgänge durchführen.
Es soll verstanden werden, dass der Begriff „Fahrzeug“ oder „Fahrzeug-“ oder ein weiterer ähnlicher Begriff, wie er hierin verwendet wird, Kraftfahrzeuge allgemein, wie beispielsweise Personenkraftwagen, einschließlich Geländewagen (sports utility vehicles, SUV), Busse, Lastkraftwagen, verschiedene Nutzfahrzeuge, Wasserfahrzeuge, einschließlich einer Vielzahl von Booten und Schiffen, Flugzeuge und dergleichen sowie Hybridfahrzeuge, Elektrofahrzeuge, umsteckbare Hybrid-Elektro-Fahrzeuge, mit Wasserstoff betriebene Fahrzeuge und weitere Fahrzeuge, die mit alternativen Kraftstoffen betrieben werden (z.B. Kraftstoffen, die aus einer anderen Quelle als Erdöl stammen), einschließt. Wie es hierin bezeichnet wird, ist ein Hybridfahrzeug ein Fahrzeug, das über zwei oder mehr Antriebsquellen verfügt, zum Beispiel ein Fahrzeug, das sowohl mit Benzin als auch mit Strom betrieben wird.
Die hierin verwendete Terminologie dient lediglich dem Zweck, bestimmte Ausführungsformen zu beschreiben und soll die Erfindung daher in keiner Weise einschränken. Wie sie hierin verwendet werden, sollen die Singularformen „ein, eine, eines“ und „der, die das“ auch die Pluralformen umfassen, solange aus dem Kontext nicht klar etwas anderes ersichtlich ist. Weiter soll verstanden werden, dass die Begriffe „umfasst“ und/oder „umfassend“, wenn sie in der vorliegenden Beschreibung verwendet werden, das Vorhandensein der genannten Merkmale, Zahlen, Schritte, Arbeitsvorgänge, Elemente und/oder Komponenten/Bestandteile angeben, jedoch nicht das Vorhandensein oder die Hinzufügung eines oder mehrerer weiterer Merkmale, Zahlen, Schritte, Arbeitsvorgänge, Elemente, Komponenten/Bestandteile und/oder Gruppen derselben ausschließen. Wie er hierin verwendet wird, schließt der Begriff „und/oder“ jegliche und alle Kombinationen eines oder mehrerer der damit verbundenen aufgelisteten Punkte ein.
Soweit nicht ausdrücklich angegeben oder aus dem Kontext ersichtlich ist, soll der Begriff „etwa“, wie er hierin verwendet wird, als innerhalb eines Bereichs mit in der Wissenschaft normalen Toleranzgrenzen liegend verstanden werden, zum Beispiel als innerhalb von 2 Standardabweichungen vom Mittelwert liegend. „Etwa“ kann verstanden werden als innerhalb von 10 %, 9 %, 8 %, 7 %, 6 %, 5 %, 4 %, 3 %, 2 %, 1 %, 0,5 %, 0,1 %, 0,05 % oder 0,01 % vom angegebenen Wert liegend. Soweit es aus dem Kontext nicht anderweitig klar hervorgeht, gelten alle hierin angegebenen Zahlenwerte als um den Begriff „etwa“ erweitert.
Im Folgenden wird ausführlich eine beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Die vorliegende Erfindung stellt ein schallabsorbierendes Material für ein Fahrzeug bereit, welches aus einem Polyurethanschaum besteht, der einen auf Polypropylen basierenden Polyol-Bestandteil und einen Isocyanat-Bestandteil als Hauptbestandteile enthält. Das vorliegende Material weist ausgezeichnete physikalische Eigenschaften auf, da ein Teil des flammhemmenden Füllmaterials, welches dem Polyurethanschaum zugesetzt ist, durch Kohlenstoff-Nanoröhrchen ersetzt wird.
In der vorliegenden Erfindung enthält und vorzugsweise besteht der Polyol-Bestandteil des schallabsorbierenden Materials für ein Fahrzeug aus 40 bis 60 Gew.-% hochmolekulares Polyol und 20% bis 40 Gewichts-% niedermolekulares Polyol und 10 bis 30 Gew.-% eines oder mehrerer Additive, die einen Schaumbildner einschließen, wobei sich die Gew.-% jeweils auf das Gesamtgewicht des Polyol-Bestandteils beziehen. Als hochmolekulares Polyol, das hierin verwendet wird, wird ein Polyol mit einem gewichtsgemittelten Molekulargewicht in einem Bereich von etwa 3.000 g/mol bis etwa 6.000 g/mol verwendet und als niedermolekulares Polyol wird ein Polyol mit einem gewichtsgemittelten Molekulargewicht in einem Bereich von etwa 1.500 g/mol oder weniger (jedoch größer als 0) verwendet, zum Beispiel etwa 1.000 g/mol bis etwa 1.500 g/mol. Als Polyol wird vorzugsweise ein auf Polypropylen basierendes Polyol verwendet und besonders bevorzugt wird Polypropylenglykol (PPG) verwendet. Der Polyol-Bestandteil enthält ein Additiv, in dem ein Schaumbildner in dem hochmolekularen und niedermolekularen Polyol enthalten ist, und ein Zellöffner oder ein Zellenöffnungsmittel, ein Kettenverlängerungsmittel, ein Flammschutzmittel, ein oberflächenaktiver Stoff und ein Katalysator werden als Additiv zusammen mit dem Schaumbildner vermischt. In dem Polyol-Bestandteil werden hier ein hochmolekulares, auf Polypropylen basierendes Polyol und ein niedermolekulares, auf Polypropylen basierendes Polyol in einer Menge von entsprechend etwa 40 Gew.-% bis etwa 60 Gew.-% und von etwa 20 Gew.-% bis etwa 40 Gew.-% verwendet, wobei sich die Gew.-% jeweils auf das Gesamtgewicht des Polyol-Bestandteils beziehen. Bezüglich der Additive, die mit diesen vermischt werden, wird Wasser als Schaumbildner in einer Menge von etwa 5 Gew.-% bis etwa 10 Gew.-% verwendet. Als Zellöffner oder Zellenöffnungsmittel kann zum Beispiel ein Öffnungsmittel aus einem auf Polyether basierenden Schaum in einer Menge von etwa 1 Gew.-% bis etwa 5 Gew.-% verwendet werden. Als Kettenverlängerungsmittel kann zum Beispiel ein funktionales oder ein mit funktionellen Gruppen versehenes Material, wie beispielsweise Ethylenglykol, Butandiol, Triethanolamin, Glyzerin und dergleichen, in einer Menge von etwa 2 Gew.-% bis etwa 6 Gew.-% verwendet werden. Als Flammschutzmittel kann auf Phosphor basierendes Flammschutzmittel in einer Menge von etwa 3 Gew.-% bis etwa 10 Gew.-% verwendet werden. Als oberflächenaktiver Stoff kann zum Beispiel ein Silikontensid in einer Menge von etwa 1 Gew.-% bis etwa 3 Gew.-% verwendet werden. Als Katalysator kann zum Beispiel ein Aminkatalysator in einer Menge von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 3 Gew.-% verwendet werden. Die vorstehend angegebenen Gew.-% beziehen sich jeweils auf das Gesamtgewicht des Polyol-Bestandteils. Die Additive, welche den Schaumbildner einschließen, werden in einer Menge von etwa 10 Gewichtsteilen bis etwa 30 Gewichtsteilen, bezogen auf 100 Gewichtsteile des Polyol-Bestandteils, zugegeben. Wie er hierin verwendet wird, wird der Einfachheit halber der Begriff „Polyol-Bestandteil“ dazu verwendet, einen Bestandteil zu beschreiben, mit welchem - neben den reinen hochmolekularen und niedermolekularen Polyolen, wie sie vorstehend beschrieben sind, - ein Additiv, welches einen Schaumbildner einschließt, vermischt wurde.
Der Polyol-Bestandteil der vorliegenden Erfindung kann, indem man die vorstehend beschriebene Ausgestaltung desselben steuert, so eingestellt werden, dass er verschiedene Eigenschaften für ein Polyurethan-Material zeigt: eine weiche, halbsteife und steife Form. Insbesondere wenn der Polyol-Bestandteil die vorstehend beschriebene Zusammensetzung aufweist, ist es möglich, einen halbsteifen, schäumenden Polyurethanschaum, der für die Aufgabe der vorliegenden Erfindung am besten geeignet ist, sowie verschiedene weitere Bestandteile, die nachfolgend beschrieben sind, herzustellen.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden Isocyanat, ein Füllmaterial als Flammschutzmittel und Kohlenstoff-Nanoröhrchen zum Polyol-Bestandteil gegeben und mit diesem vermischt. Es wird insbesondere ein Polyurethanschaum bereitgestellt, der aus einer schäumenden, unverdünnten Lösung gebildet ist, die etwa 120 Gewichtsteile bis etwa 180 Gewichtsteile Isocyanat und besonders bevorzugt etwa 150 Gewichtsteile bis etwa 160 Gewichtsteile Isocyanat, etwa 10 Gewichtsteile bis etwa 20 Gewichtsteile des flammhemmenden Füllmaterials und weiter bevorzugt etwa 14 Gewichtsteile bis etwa 16 Gewichtsteile des flammhemmenden Füllmaterials und etwa 0,1 Gewichtsteile bis etwa 5 Gewichtsteile Kohlenstoff-Nanoröhrchen, jeweils bezogen auf 100 Gewichtsteile des Polyol-Bestandteils, enthält. Für die vorliegende Erfindung kann im Wesentlichen gesagt werden, dass das flammhemmende Füllmaterial teilweise durch Kohlenstoff-Nanoröhrchen ersetzt wurde. Insbesondere ist bevorzugt, dass etwa 1 Gew.-% bis etwa 20 Gew.-% des flammhemmenden Füllmaterials durch Kohlenstoff-Nanoröhrchen ersetzt werden. Das flammhemmende Füllmaterial wird durch Kohlenstoff-Nanoröhrchen ersetzt, um die Bildung einer Zellstruktur so einzustellen, dass eine Verbesserung der schallabsorbierenden Eigenschaften des Polyurethanschaums erreicht wird.
In der vorliegenden Erfindung kann das Isocyanat ein beliebiges, herkömmliches Isocyanat sein und ist vorzugsweise ein modifiziertes Methylendiphenyldiisocyanat (MDI) mit einem NCO-Gehalt von etwa 30 Gew.-% bis etwa 35 Gew.-%. Daneben können beliebige, herkömmliche flammhemmende Füllmaterialien verwendet werden, wobei Graphit nur ein bevorzugtes Beispiel für ein geeignetes, flammhemmendes Füllmaterial ist.
Die in der vorliegenden Erfindung verwendeten Kohlenstoff-Nanoröhrchen weisen eine einwandige oder mehrwandige Struktur mit einem Durchmesser von 10 nm bis 50 nm, einer Volumendichte von 0,02 g/ml bis 1,5 g/ml, einer Reinheit von 85 % bis 90 % und einem Kristallinitätsgrad (I_Γ/I_Δ) von 0,7 bis 1,1 auf. Die Kohlenstoff-Nanoröhrchen können in Form eines Pulvers, eines pulverförmigen Granulats und dergleichen in der Zusammensetzung enthalten sein.
Der Graphit und die Kohlenstoff-Nanoröhrchen, die bevorzugt als flammhemmende Füllmaterialien verwendet werden, stellen - wie ein gleiches Material des Kohlenstoff-Bestandteils - einen Brandschutz für den Polyurethanschaum sicher. Kohlenstoff-Nanoröhrchen sind jedoch ein Material mit einer sehr geringen spezifischen Dichte. Wenn die Kohlenstoff-Nanoröhrchen in einer sehr großen Menge in den Prozess eingebracht werden, wird das Volumen im Vergleich zur Masse jedoch zu groß. Eine Verwendung von Kohlenstoff-Nanoröhrchen im vorliegenden Prozess ist daher nicht bevorzugt und führt zu einer Abnahme der physikalischen Eigenschaften. Zudem nimmt, wenn die Kohlenstoff-Nanoröhrchen im Übermaß in die Zusammensetzung eingebracht werden, die Viskosität der unverdünnten Lösung, die den Polyurethanschaum bildet, auf einen extrem hohen Wert zu. Dies erschwert, die Kohlenstoff-Nanoröhrchen mit weiteren zugesetzten Bestandteilen zu vermischen, wodurch der schaumige Zustand extrem schlecht wird. Die Verwendung von Kohlenstoff-Nanoröhrchen in der vorliegenden Erfindung und die Menge, die zugesetzt wird, sind daher von äußerster technischer Wichtigkeit und entscheidender Relevanz. Es ist daher bevorzugt, dass die Kohlenstoff-Nanoröhrchen in dem vorstehend angegebenen Bereich zugegeben werden. Weiter bevorzugt ist, dass die Kohlenstoff-Nanoröhrchen in einer Menge von annähernd etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 1,1 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der schäumenden, unverdünnten Lösung, zugegeben werden.
Das schallabsorbierende Material für ein Fahrzeug gemäß der vorliegenden Erfindung ist aus einer schäumenden, unverdünnten Lösung gebildet, die die vorstehend beschriebenen Bestandteile enthält. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen liegt das schallabsorbierende Material in Form eines geschnittenen, schäumenden Polyurethanschaums vor.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das schallabsorbierende Material im Grunde aus einem halbsteifen, schäumenden Polyurethanschaum mit einer Dichte von etwa 18 k/m³ bis etwa 20 k/m³ gebildet sein.
Das schallabsorbierende Material für ein Fahrzeug gemäß der vorliegenden Erfindung enthält Kohlenstof-Nanoröhrchen (carbon nano-tubes, CNT) in dem Polyurethanschaum in einer Menge von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 3,0 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Polyol-Bestandteils, und von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 1,1 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der unverdünnten Lösung für die halbsteife, schäumende Polyurethanmischung. Das auf diese Weise gebildete Material zeigt beste schallabsorbierende Eigenschaften über den gesamten Frequenzbereich, insbesondere aufgrund einer Zunahme der Gaspermeabilität und einer Verbesserung der physikalischen Eigenschaften, die sich aus einer Änderung des Anteils an offenen Zellen in der Zellstruktur des schäumenden Polyurethanschaums und einer Änderung der Härte ergibt.
Wie vorstehend beschrieben ist, wird gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung der Anteil an offenen Zellen erhöht, während gleichzeitig eine gleichmäßige Zellstruktur des Schaums erhalten bleibt, indem Kohlenstoff-Nanoröhrchen als feine Teilchen zu einem schäumenden Polyurethanschaummaterial gegeben werden. Daneben nimmt die Härte des halbsteifen Polyurethanschaums ab. Hierdurch werden die NVH-Eigenschaften über den gesamten Frequenzbereich in ausgezeichneter Weise verbessert. Es wurde jedoch festgestellt, dass, wenn der Anteil an Kohlenstoff-Nanoröhrchen (CNT) erhöht wird, nicht unbedingt der Anteil an offenen Zellen zunimmt. Insbesondere wenn die Kohlenstoff-Nanoröhrchen in einer übermäßig großen Menge enthalten sind, nimmt die Viskosität aufgrund der Zugabe nanogroßer feiner Teilchen zu und daher kann der Anteil an offenen Zellen indessen abnehmen. Durch geeignetes Einstellen von ausschließlich der Zusammensetzung der Bestandteile der schäumenden, unverdünnten Lösung, die den halbsteifen, schäumenden Polyurethanschaum bildet, und des Anteils der zugegebenen Kohlenstoff-Nanoröhrchen (CNT), um so diejenigen physikalischen Eigenschaften bereitzustellen, die für ein Produkt in einem geeigneten Bereich gemäß der vorliegenden Erfindung erforderlich sind, kann daher die Zellstruktur desselben optimiert werden. Wie vorstehend beschrieben ist, ist es wichtig, das schallabsorbierende Material mit der beschriebenen Ausgestaltung so zu bilden, dass die NVH-Eigenschaften eines Fahrzeugs weiter verbessert werden.
Die Anwendung von Kohlenstoff-Nanoröhrchen (CNT) zur Verbesserung der schallabsorbierenden Eigenschaften des schäumenden Polyurethanschaums gemäß der vorliegenden Erfindung unterscheidet sich von der Technik, mit der im Stand der Technik bekannte, herkömmliche Kohlenstoff-Nanoröhrchen verwendet werden. Die schäumende, unverdünnte Lösung gemäß der vorliegenden Erfindung weist unterschiedliche Reihen oder Serien von Zusammensetzungen auf und es ist daher nur mit der vorliegenden Erfindung möglich, die Eigenschaften zu erhalten, die für ein ausgezeichnete schallabsorbierendes Material erforderlich sind.
Die Eigenschaften des schallabsorbierenden Materials für ein Fahrzeug gemäß der vorliegenden Erfindung können anhand der Zellstruktur bestätigt werden, die den größten Einfluss auf die Eigenschaften des schallabsorbierenden Materials hat. Mittels Rasterelektronenmikroskopie wurde bestätigt, dass die Zellstruktur des vorliegenden Materials homogenisiert wurde und dass eine Änderung des Anteils an offenen Zellen auftrat, wenn die Kohlenstoff-Nanoröhrchen in der Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung verwendet werde. Des Weiteren wurde der spezifische Strömungswiderstand gemessen, um so die Änderung des Anteils an offenen Zellen im Wesentlichen zu bestätigen. Die Messungen zeigten, dass der schäumende Urethanschaum, aus welchen gemäß der vorliegenden Erfindung Kohlenstoff-Nanoröhrchen verwendet werden, einen geringeren Widerstand besaß als ein Schaum, bei welchem die Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung nicht angewendet wurde, was zeigte, dass die Gaspermeabilität in dem Material der vorliegenden Erfindung verbessert wurde. Die vorliegende Erfindung verbesserte insbesondere in ausgezeichneter Weise die schallabsorbierenden Eigenschaften aufgrund einer Homogenisierung der Zellen und einer Zunahme des Gaspermeabilitätseffekts.
Um den Effekt des schallabsorbierenden Materials der vorliegenden Erfindung zu bestätigen, wurden zudem die schallabsorbierenden Eigenschaften anhand einer originalen Materialprobe der vorwiegend eines schallabsorbierenden Materialien für den Motorraum miteinander verglichen und geprüft. Als Ergebnis wurde bestätigt, dass das schallabsorbierende Material, das aus einem schäumenden Polyurethanschaum besteht, bei dem gemäß der vorliegenden Erfindung Kohlenstoff-Nanoröhrchen (CNT) verwendet werden, im Vergleich zum herkömmlichen schallabsorbierenden Material und einem schallabsorbierenden Material, das anders als in der vorliegenden Erfindung ausgestaltet war, die besten Eigenschaften zeigte. In diesen Versuchen wurden die schallabsorbierenden Eigenschaften mit Hilfe einer kleinen Echokammer gemessen, die von der Firma German Rieter Technologies AG hergestellt ist.
Indessen kann in der vorliegenden Erfindung zusätzlich ein Faservlies an beiden Seiten des vorstehend beschriebenen schallabsorbierenden Materials für ein Fahrzeug druckgeformt sein.
Im Folgenden wird eine beispielhafte Ausführungsform des Verfahrens zum Herstellen des schallabsorbierenden Materials für ein Fahrzeug, bei welchem schäumender Urethanschaum verwendet wird, bei dem gemäß der vorliegenden Erfindung Kohlenstoff-Nanoröhrchen verwendet werden, wie dies vorstehend beschrieben ist, beschrieben.
Um das schallabsorbierende Materials für ein Fahrzeug gemäß der vorliegenden Erfindung herzustellen, werden 100 Gewichtsteile eines Polyol-Bestandteils zubereitet, indem 40 Gew.-% bis 60 Gew.-% hochmolekulares Polyol und 20% bis 40 Gewichts-% niedermolekulares Polyol mit 10 Gew.-% bis 30 Gew.-% von wenigstens einem Additiv, das einen Schaumbildner einschließt, wobei sich die Gew.-% jeweils auf das Gesamtgewicht des Polyol-Bestandteils beziehen, gemischt.
Getrennt davon wird eine Mischung von Ausgangsmaterialien zubereitet, indem etwa 140 Gewichtsteile bis etwa 170 Gewichtsteile Isocyanat, etwa 13 Gewichtsteile bis etwa 18 Gewichtsteile eines Flammschutzmittels und etwa 0,1 Gewichtsteile bis etwa 3 Gewichtsteile Kohlenstoff-Nanoröhrchen insbesondere unter Verwenden einer Rühreinrichtung oder dergleichen zur Schaumbildung, wobei die Gewichtsteile jeweils auf 100 Gewichtsteile des Polyol-Bestandteils bezogen sind, miteinander vermischt werden. Das Mischen unter Verwenden der Rühreinrichtung oder dergleichen zur Schaumbildung dauert hierbei in geeigneter Weise etwa 20 bis 60 Sekunden und besonders bevorzugt etwa 25 bis 35 Sekunden.
Anschließend wird eine schäumende, unverdünnte Lösung erzeugt, indem die zubereitete Mischung der Ausgangsmaterialien in den Polyol-Bestandteil eingebracht wird und die Mischung unter Rühren vermischt wird. Das Mischen unter Rühren wird hierbei vorzugsweise etwa 5 bis etwa 20 Sekunden lang bei einer hohen Geschwindigkeit von etwa 1.000 rpm (Umdrehungen pro Minute) bis etwa 2.000 rpm durchgeführt und besonders bevorzugt bei der gleichen hohen Geschwindigkeit für etwa 8 bis etwa 12 Sekunden.
Die schäumende, unverdünnte Lösung wird dann in eine Form eingespritzt und zu einem Polyurethanschaum reifen gelassen, der aufgeschäumt ist. Der Polyurethanschaum wird hierbei vorzugsweise für etwa 2 Tage bis etwa 5 Tage und ganz besonders bevorzugt für annähernd 3 Tage reifen gelassen.
Ein schallabsorbierendes Material für ein Fahrzeug, bei welchem der schäumende Urethanschaum verwendet wird, bei dem Kohlenstoff-Nanoröhrchen verwendet werden, wird dann vorzugsweise hergestellt, indem der Polyurethanschaum dünn zu einer vorgegebenen Dicke geschnitten wird.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen umfasst das Verfahren zum Herstellen eines schallabsorbierenden Materials für ein Fahrzeug gemäß der vorliegenden Erfindung ferner: das zusätzliche Anbringen eines Faservlieses an beiden Seiten (Ober- und Unterseite) des schallabsorbierenden Materials für ein Fahrzeug (z.B. nachdem der Polyurethanschaum dünn geschnitten wurde), um so ein Laminat bereitzustellen; das Druckformen des Laminats in einer Wärmeformmaschine und das anschließende Abkühlen des Laminats unter Druck in einer Kühleinrichtung, um so ein Halbfertigteil herzustellen; und das Zuschneiden des Halbfertigteils zu einer gewünschten Ausgestaltungsform.
Wenn ein Faservlies an beiden Seiten des schallabsorbierenden Materials angebracht wird, wird das Laminat hierbei vorzugsweise bei einer vorgegebenen Temperatur, bevorzugt von etwa 170 °C bis etwa 190 °C bevorzugt etwa 30 Sekunden bis etwa 60 Sekunden lang in einer Wärmeformmaschine druckgeformt, um auf diese Weise das Faservlies an selbigem anzubringen. Dann, vorzugsweise unmittelbar nach dem Formen, wird ein Halbfertigteil erzeugt, indem das Laminat erneut für etwa 30 Sekunden bis etwa 60 Sekunden in einer Kühleinrichtung unter Druck abgekühlt wird, um so das Schrumpfen des Faservlieses und des schallabsorbierenden Materials zu kontrollieren. Anschließend kann ein schallabsorbierendes Material mit der Form des fertigen Produkts, die für den speziellen Anwendungsort geeignet ist, fertiggestellt werden, indem das Halbzeugnis zu einer gewünschten Ausgestaltungsform zugeschnitten wird.
Wie vorstehend beschrieben ist, kann ein Produkt, das aus dem schallabsorbierenden Material für ein Fahrzeug besteht, bei welchem der schäumende Polyurethanschaum verwendet wird, dem gemäß der vorliegenden Erfindung Kohlenstoff-Nanoröhrchen zugesetzt sind, hergestellt werden, indem ein herkömmliches Faservlies oder ein verstärktes/wasserabweisendes Faservlies, je nach Wunsch, selektiv dazu eingesetzt werden, um die Festigkeit des Produkts in geeigneter Weise für die physikalischen Eigenschaften, die vom entsprechenden Fahrzeughersteller gefordert werden, zu ändern.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wurde das schallabsorbierende Material dazu verwendet, den Außenrand eines Armaturenbretts (der Außenrand eines Armaturenbretts ist ein Bauteil, das in einem akustischen Bauteil eines Motorraums verwendet wird) für ein aktuelles Fahrzeug herzustellen und anschließend wurde die Durchgangsdämpfung (transmission loss, TL) gemessen. Auf Basis dieser Ergebnisse ergab sich eine Verbesserung um etwa 0,3 dB in einem Bereich von etwa 500 Hz bis etwa 2.500 Hz. Bei dem Außenrand des Armaturenbretts ist der Anteil der Fläche, den der Außenrand des Armaturenbretts in einem NVH-Produkt ausmacht, nicht so groß und daher ist die Verbesserung der Durchgangsdämpfung signifikant.
Die vorliegende Erfindung stellt im Wesentlichen eine Technik bereit, in der die schallabsorbierenden Eigenschaften verbessert werden, indem Kohlenstoff-Nanoröhrchen zu einem Material gegeben werden und die flammhemmenden und selbstlöschenden Eigenschaften weiter gewährleistet sind, weil Graphit zugesetzt wird. Die vorliegende Erfindung stellt ferner eine Technik bereit, in der das schallabsorbierende Material in einem Bauteil für den Motorraum eines aktuellen Fahrzeugs eingesetzt werden kann.
Im Allgemeinen weist ein Produkt, das aus einem schallabsorbierenden Material hergestellt ist, welches aus einem Polyurethanschaummaterial besteht, im Vergleich zu den bekannten schallabsorbierenden Materialien eine geringe Festigkeit auf und es ist daher erforderlich, diese geringe Festigkeit auszugleichen. Um diesen Nachteil zu verbessern, wird in der vorliegenden Erfindung daher ein sehr steifes, wasserabweisendes Faservlies an beiden Seiten des Urethanschaums laminiert und anschließend, falls erforderlich, einem thermischen Formen unterzogen. Das sehr steife, wasserabweisende Faservlies kann verwendet werden, indem die Menge der verwendeten niedrigschmelzenden Fasern erhöht wird, so dass dieses als eine Art Klebstoff dient, während jedoch gleichzeitig die Formbarkeit desselben im Vergleich zu einem bekannten Faservlies aufrecht erhalten bleibt. Um die Steifigkeit und die Beständigkeit gegen Feuchte auszugleichen, kann auf der Oberfläche des Vlieses des Weiteren ein wasserabweisendes oder hydrophobes Mittel aufgebracht werden und auf diese Weise kann das hochsteife Faservlies selektiv je nach den Bedingungen der gewünschten Verwendung ausgestaltet werden. Das Faservlies, das in der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, ist jedoch nicht auf ein solches hochsteifes, wasserabweisendes Faservlies eingeschränkt. Ein Produkt der vorliegenden Erfindung kann zum Beispiel fertig gestellt werden, indem ein herkömmliches Faservlies oder ein hochsteifes, wasserabweisendes Faservlies an beiden Seiten des Materials laminiert werden und das Laminat sodann einem thermischen Formen in einer Pressformeinrichtung unterzogen wird.
Die vorliegende Erfindung stellt daher ein schallabsorbierendes Material für ein Fahrzeug bereit, welches aus einem zusammengesetzten oder Komposit- oder Verbund-Polyurethanschaum besteht, welchem Kohlenstoff-Nanoröhrchen zugesetzt sind, wobei das Material unter Wärme und Druck zu einer beliebigen Form eines beliebiges Bauteils zur Anwendung für ein Bauteil eines Fahrzeugs geformt werden kann. Das Material der vorliegenden Erfindung erreicht gute schallabsorbierende Eigenschaften, die für eine Verwendung als schallabsorbierendes Material für ein Fahrzeug erforderlich sind und erfüllt gleichzeitig die Anforderungen an eine Flammbeständigkeit.
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden ausführlich unter Bezugnahme auf die folgenden Beispiele beschrieben, ist jedoch nicht auf diese Beispiele eingeschränkt.
Beispiele 1 bis 3
Es wurde ein schäumender Polyurethanschaum mit den in der folgenden Tabelle 1 (in der die Einheiten jeweils Gewichtsteile sind) angegebenen Anteilen in der Zusammensetzung zubereitet. Ein hochmolekulares Polyol und die entsprechenden Additive (Zellöffner, Kettenverlängerungsmittel, Flammschutzmittel, Katalysator und Wasser) wurden miteinander in dem schäumenden Polyurethanschaum vermischt und eine Mischung von Ausgangsmaterialien, in der ein niedermolekulares Polyol und Graphit und Kohlenstoff-Nanoröhrchen als flammhemmende Füllmaterialien miteinander vermischt wurden, wurde unter Verwenden einer Einrichtung zur Schaumbildung gemischt, so dass eine schäumende, unverdünnte Lösung erzeugt wurde. Hierbei wurden die Kohlenstoff-Nanoröhrchen in einer Menge von entsprechend 0,1 Gew.-% (Beispiel 1), 0,3 Gew.-% (Beispiel 2) und 0,5 Gew.-% (Beispiel 3) für die in der folgenden Tabelle 1 angegebenen Polyol-Bestandteilen zugesetzt. Die schäumende, unverdünnte Lösung wurde in eine Form gegeben, so dass sich ein Polyurethanschaum bildete und der Polyurethanschaum wurde 3 Tage lang reifen gelassen und anschließend in Teile mit einer Dicke von 1,5 mm geschnitten.
Ein auf chemischer Basis verstärktes, wasserabweisendes Faservlies, das mit einem Silikonharz imprägniert war, wurde an beiden Seiten des aufgeschnittenen Polyurethanschaums angebracht und das Laminat wurde mit Hilfe einer Kühleinrichtung in Form einer Metallform in einer Einrichtung zum thermischen Formen bei 180 °C unter Druck gekühlt, um so ein Schrumpfen aufgrund der Verbindung oder des Verklebens des Faservlieses und des Polyurethanschaummaterials zu verhindern. Hierbei wurde ein erstes Halbfertigteil hergestellt. Ein schallabsorbierendes Material für ein NVH-Bauteil für einen Motorraum wurde hergestellt, indem das auf diese Weise gebildete Halbfertigteil zu der Ausgestaltungsform eines Endprodukts zugeschnitten wurde.
Beispiele 4 bis 6
Es wurde ein schallabsorbierendes Material auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 hergestellt, außer dass die Kohlenstoff-Nanoröhrchen entsprechend den in der folgenden Tabelle 1 angegebenen Zusammensetzungen zugegeben wurden.
Vergleichsbeispiele 1 und 2
Wenn ein Faservlies und ein geharzter Filz 1200 verwendet wurden, wurde das schallabsorbierende Material unter Verwendung von 450 g Glaswolle zwischen den Faservliesen gebildet. Der geharzte Filz 1200 und/oder die Glaswolle 450 werden insbesondere zwischen die beiden Faservliese eingebracht.
Vergleichsbeispiel 3

Es wurde ein schallabsorbierendes Material auf die gleiche Weise wie in Beispiel 2 erzeugt, außer dass der Polyurethanschaum ohne Zusatz von Kohlenstoff-Nanoröhrchen erzeugt wurde und der Polyurethanschaum in dieser Form verwendet wurde. [Tabelle 1]

Einteilung		Vergleichs-beispiel 3	Beispiele 4, 5 und 6			Anmerkungen
Polyol-Bestandteil (PPG)	POLYOL A	48	48			Hochmolekulares PPG
	POLYOL B	29	29			Niedermolekulares PPG
	Zellöffner	3	3			Zellöffner Polyol
	Kettenverlängerungsmittel	4	4
	Flammschutzmittel	6	6
	Oberflächenaktiver Stoff	1,5	1,5
	Katalysator	1	1			AMIN
	Wasser	7,5	7,5			Schaumbildner
	Wasser	100	100			-
Isocyanat (ISO)	MODIFIZIERTES MDI	155	155			NCO : 32,1 %
Flammhemmendes Füllmaterial	GRAPHIT	15	14,85	14,25	13,65	Flammschutzmittel
Flammhemmendes Füllmaterial	Kohlenstoff-Nanoröhrchen	-	0,15	0,75	1,35	Kohlenstoff-Nanoröhrchen

Versuchsbeispiel 1

Die physikalischen Eigenschaften der schallabsorbierenden Materialien gemäß den Beispielen 1 bis 3 und dem Vergleichsbeispiel 3 wurden gemessen und sind in der folgenden Tabelle 2 gezeigt. [Tabelle 2]

Einteilung	Einheit	Vergleichsbeispiel3	Beispiele 1, 2 und 3
Dichte	kg/m³	17,83	18,33	18,36	18,25
Zugfestigkeit	kgf/cm²	0,91	0,82	0,79	0,80
Biegefestigkeit	kgf/cm²	0,38	0,62	0,60	0,56
Bruchdehnung	%	13,94	13,71	13,20	12,87
Druckfestigkeit	kgf/cm²	0,28	0,27	0,28	0,26
Spezifischer Strömungswiderstand	MKS Havl	539.518	507.921	321.599	294.452
NVH-Eigenschaften	-	○	○

In der Tabelle 2 bezeichnen ○ und
entsprechend ausgezeichnete und sehr gute Eigenschaften.
Versuchsbeispiel 2
Die physikalischen Eigenschaften der schallabsorbierenden Materialien gemäß dem Beispiel 2 und den Vergleichsbeispielen 1 bis 3 wurden gemessen und sind in der folgenden Tabelle 3 gezeigt. A, B, C und D bedeuten hier entsprechend sehr gut, ausgezeichnet, gut und schlecht. [Tabelle 3]

Einteilung Vergleichsbeispiel 1 Vergleichsbeispiel 2 Vergleichsbeispiel 3 Beispiel 2

Gewicht A B B A

NVH-Eigenschaften D C B A

Kosten C C B B
Versuchsbeispiel 3
Bei den Versuchen zu den schallabsorbierenden Eigenschaften der Probe aus Beispiel 2 und den Vergleichsbeispielen 1 bis 3, wie sie in dem Graphen der 1 gezeigt sind, zeigte Beispiel 2 die besten Ergebnisse.
Versuchsbeispiel 4
Bei einem Vergleich der schallabsorbierenden Eigenschaften bei den Beispielen 1 bis 3, wie sie in dem Graphen der 2 gezeigt sind, zeigten alle Beispiele ausgezeichnete schallabsorbierende Eigenschaften.
Versuchsbeispiel 5
Bei einem Vergleich der schallisolierenden Eigenschaften in einem Klangtest zur Durchschallung eines aktuellen Fahrzeugs bei Beispiel 2 und Vergleichsbeispiel 3, wie es im Graphen der 3 gezeigt ist, zeigte Beispiel 2 (Kurve, die mit -6 bezeichnet ist) selbst bei Frequenzen von 2.500 Hz oder höher ausgezeichnete schallisolierende Eigenschaften.
Anhand der Ergebnisse dieser Versuche wurde das Prinzip bestätigt, dass die schallabsorbierenden Eigenschaften des schäumenden Polyurethanschaums durch die Zugabe von Kohlenstoff-Nanoröhrchen (CNT), um so eine Zellstruktur bereitzustellen, die den größten Einfluss auf die Eigenschaften hat, verbessert werden. Das heißt, dass anhand der Ergebnisse aus den Versuchen mittels Rasterelektronenmikroskopie bestätigt werden konnte, dass die Zellstruktur homogeniert wurde und dass der Anteil an offenen Zellen durch das Einbringen von Kohlenstoff-Nanoröhrchen gemäß der vorliegenden Erfindung geändert wurde (sie Aufnahme in der 4) und dass aus der Verwendung einer Messung des spezifischen Strömungswiderstandes für eine tatsächliche Messung der Änderung des Anteils an offenen Zellen ergab sich, dass ein schäumender Urethanschaum, auf welchen Kohlenstoff-Nanoröhrchen aufgebracht sind, einen im Vergleich zu einem Schaum ohne Kohlenstoff-Nanoröhrchen geringeren Widerstandswert besitzt, was bedeutet, dass die Gaspermeabilität verbessert wurde. Das heißt, dass die schallabsorbierenden Eigenschaften infolge der Homogenisierung der Zellen und einer Zunahme des Gaspermeationseffekts, die durch die vorliegende Erfindung bereitgestellt werden, in hohem Maße verbessert wurden. Für das in einem Motorraum hauptsächlich verwendete, schallabsorbierende Material wurden die schallabsorbierenden Eigenschaften in den Vergleichsbeispielen miteinander verglichen und anhand einer Probe der bereits bekannten Materialien geprüft. Als Ergebnis wurde bestätigt, dass der schäumende Polyurethanschaum, bei dem gemäß der vorliegenden Erfindung Kohlenstoff-Nanoröhrchen (CNT) verwendet werden, die besten Eigenschaften zeigte (siehe 1). Die schallabsorbierenden Eigenschaften wurden unter Verwenden einer kleinen Echokammer, die von der Firma German Rieter Technologies AG hergestellt ist, gemessen.
Obwohl die Erfindung in Verbindung mit derzeit praktikabel erscheinenden beispielhaften Ausführungsformen beschrieben wurde, soll verstanden werden, dass die Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsformen eingeschränkt ist, sondern vielmehr auch verschiedene Modifikationen und äquivalente Anordnungen abdecken soll, die vom eigentlichen Sinn und Umfang der beigefügten Ansprüche eingeschlossen sind.

Claims

Schallabsorbierendes Material für ein Fahrzeug, bei welchem ein schäumender Urethanschaum verwendet wird, bei dem Kohlenstoff-Nanoröhrchen verwendet werden, enthaltend: 100 Gewichtsteile eines auf Polypropylen basierenden Polyol-Bestandteils, wobei der Polyol-Bestandteil (i) 40 bis 60 Gewichts-% hochmolekulares Polyol und 20% bis 40 Gewichts-% niedermolekulares Polyol und (ii) 10 bis 30 Gew.-% wenigstens eines Additivs, das oder der einen Schaumbildner enthält, wobei sich die Gew.-% jeweils auf das Gesamtgewicht des Polyol-Bestandteils beziehen, enthält; und einen Isocyanat-Bestandteil, der 120 bis 180 Gewichtsteile Isocyanat, 10 bis 20 Gewichtsteile eines flammhemmenden Füllmaterials und 0,1 bis 3 Gewichtsteile Kohlenstoff-Nanoröhrchen, wobei sich die Gewichtsteile jeweils auf 100 Gewichtsteile des Polyol-Bestandteils beziehen, enthält, wobei das hochmolekulare Polyol ein gewichtsgemitteltes Molekulargewicht in einem Bereich von 3.000 g/mol bis 6.000 g/mol, und das niedermolekulare Polyol ein gewichtsgemitteltes Molekulargewicht in einem Bereich von 1.500 g/mol oder weniger aufweist, wobei das wenigstens eine Additiv 5 Gew.-% bis 10 Gew.-% Wasser als Schaumbildner, 1 Gew.-% bis 5 Gew.-% eines Zellöffners oder eines Zellenöffnungsmittels, 2 Gew.-% bis 6 Gew.-% eines Kettenverlängerungsmittels, 3 Gew.-% bis 10 Gew.-% eines auf Phosphor basierenden Flammschutzmittels, 1 Gew.- % bis 3 Gew.-% eines Silikontensids und 0,1 Gew.-% bis 3 Gew.-% eines Aminkatalysators enthält, wobei sich die Gew.-% jeweils auf das Gesamtgewicht des Polyol-Bestandteils beziehen, wobei die Kohlenstoff-Nanoröhrchen eine einwandige oder mehrwandige Struktur mit einem Durchmesser von 10 nm bis 50 nm, einer Volumendichte von 0,02 g/ml bis 1,5 g/ml, einer Reinheit von 85 % bis 90 % und einem Kristallinitätsgrad (I_Γ/I_Δ) von 0,7 bis 1,1 aufweisen.
Schallabsorbierendes Material für ein Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei die Kohlenstoff-Nanoröhrchen in einer Menge von 1 Gew.-% bis 20 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht des flammhemmenden Füllmaterials, enthalten sind.
Schallabsorbierendes Material für ein Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei das Isocyanat ein modifiziertes Methylendiphenyldiisocyanat (MDI) mit einem NCO-Gehalt von 30 Gew.-% bis 35 Gew.-% ist.
Schallabsorbierendes Material für ein Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei die Kohlenstoff-Nanoröhrchen in Form eines Pulvers oder eines pulverförmigen Granulats vorliegen.
Schallabsorbierendes Material für ein Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei die Kohlenstoff-Nanoröhrchen (carbon nano-tubes, CNT) in einem Anteil von 0,1 Gew.- % bis 1,1 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Polyol-Bestandteils und des Isocyanat-Bestandteils, enthalten sind und wobei das schallabsorbierende Material einen halbsteifen, schäumenden Polyurethanschaum enthält, der eine Dichte von 18 kg/m³ bis 20 kg/m³ aufweist.
Schallabsorbierendes Material für ein Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei das flammhemmende Füllmaterial Graphit ist.
Laminat umfassend das schallabsorbierendes Material für ein Fahrzeug nach Anspruch 1 und ein Faservlies, wobei der schäumende Urethanschaum, bei dem Kohlenstoff-Nanoröhrchen verwendet werden, in Platten geschnitten ist und wobei das Faservlies an die einander gegenüberliegenden Seiten der Platten druckgeformt ist.
Verfahren zum Herstellen eines schallabsorbierenden Materials für ein Fahrzeug, bei welchem ein schäumender Urethanschaum eingesetzt wird, bei dem Kohlenstoff-Nanoröhrchen verwendet werden, wobei das Verfahren umfasst: Vermischen von 40 bis 60 Gew.-% hochmolekularem Polyol und 20% bis 40 Gewichts-% niedermolekularem Polyol mit 10 bis 30 Gew.-% wenigstens eines Additivs, das oder der einen Schaumbildner einschließt, um so 100 Gewichtsteile eines Polyol-Bestandteils herzustellen; Zubereiten einer Mischung von Ausgangsmaterialien durch Vermischen von 120 bis 180 Gewichtsteilen Isocyanat, 10 bis 20 Gewichtsteilen eines flammhemmenden Füllmaterials und 0,1 bis 3 Gewichtsteilen Kohlenstoff-Nanoröhrchen mit einer Rühreinrichtung, um selbige aufzuschäumen, wobei sich die Gewichtsteile jeweils auf 100 Gewichtsteile des Polyol-Bestandteils beziehen; und Zugeben der Mischung von Ausgangsmaterialien zu dem Polyol-Bestandteil und Vermischen der resultierenden Mischung unter Rühren, um so eine schäumende, unverdünnte Lösung zu erzeugen; Einspritzen der schäumenden, unverdünnten Lösung in eine Form, um die Lösung zu einem Polyurethanschaum reifen zu lassen, der geschäumt ist; und Schneiden des schäumenden Polyurethanschaums, wobei das hochmolekulare Polyol ein gewichtsgemitteltes Molekulargewicht in einem Bereich von 3.000 g/mol bis 6.000 g/mol, und das niedermolekulare Polyol ein gewichtsgemitteltes Molekulargewicht in einem Bereich von 1.500 g/mol oder weniger aufweist, wobei das wenigstens eine Additiv 5 Gew.-% bis 10 Gew.-% Wasser als Schaumbildner, 1 Gew.-% bis 5 Gew.-% eines Zellöffners oder eines Zellenöffnungsmittels, 2 Gew.-% bis 6 Gew.-% eines Kettenverlängerungsmittels, 3 Gew.-% bis 10 Gew.-% eines auf Phosphor basierenden Flammschutzmittels, 1 Gew.- % bis 3 Gew.-% eines Silikontensids und 0,1 Gew.-% bis 3 Gew.-% eines Aminkatalysators enthält, wobei sich die Gew.-% jeweils auf das Gesamtgewicht des Polyol-Bestandteils beziehen, wobei die Kohlenstoff-Nanoröhrchen eine einwandige oder mehrwandige Struktur mit einem Durchmesser von 10 nm bis 50 nm, einer Volumendichte von 0,02 g/ml bis 1,5 g/ml, einer Reinheit von 85 % bis 90 % und einem Kristallinitätsgrad (I_Γ/I_Δ) von 0,7 bis 1,1 aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die schäumende, unverdünnte Lösung erzeugt wird, indem die Mischung 20 bis 60 Sekunden lang mit einer Rühreinrichtung zur Schaumbildung gerührt wird, die Mischung von Ausgangsmaterialien dem Polyol-Bestandteil zugegeben wird und die Mischung unter Rühren bei hoher Geschwindigkeit 5 bis 20 Sekunden lang vermischt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, ferner umfassend: Anbringen eines Faservlieses an einander gegenüberliegenden Seiten des schallabsorbierenden Materials, um so ein Laminat zu bilden, Druckformen des Laminats in einer Einrichtung zum thermischen Formen und anschließendes Abkühlen des Laminats in einer Kühleinrichtung unter Druck, um so ein Halbfertigteil herzustellen; und Zuschneiden des Halbfertigteils zu einer gewünschten Ausgestaltungsform.