DE2835329A1

DE2835329A1 - Polyurethanschaumstoff fuer die anwendung zur geraeuschminderung

Info

Publication number: DE2835329A1
Application number: DE19782835329
Authority: DE
Inventors: Alois Dipl Chem Dr Stankiewicz
Original assignee: STANKIEWICZ SCHALLSCHLUCK
Current assignee: STANKIEWICZ SCHALLSCHLUCK
Priority date: 1978-08-11
Filing date: 1978-08-11
Publication date: 1980-03-06
Also published as: GB2028353B; GB2028353A; SE7906682L

Description

31o1 Adelheidsdorf b. Celle

Polyurethanschaumstoff für die Anwendung zur Ge raus chminde rung

Die Erfindung betrifft einen Polyurethanschaumstoff für die Anwendung zur Geräuschminderung, der hohe innere Verluste aufweist und aus Isocyanat, Polyol und Treibmitteln besteht, wobei das Polyol gefüllt ist.

Schaumstoffe dieser Art sind z.B. durch die DE-AS 19 23 161 bekannt, die eine Matte zum Verkleiden von Wänden von Kraftfahrzeugkarosserien betrifft, wobei die Matte insbesondere der Form des zu verkleidenden Karosseriebleches angepaßt und aus Polyurethanschaumstoff hergestellt ist. Dieser Polyurethanschaumstoff weist zum Erzielen einer wesentlichen Schalldämmung mindestens 60 % eines Füllstoffes und ein Raumgewicht von 0,5 bis 1,25 kg/1 auf und wird mit einem Flächengewicht von 5 bis 10 kg/qm angewendet. Da dieser Schaumstoff lediglich zum Erzielen einer wesentlichen Schalldämmung vorgesehen ist, wird eine auf eine mit einer solchen Matte aus gefülltem Polyurethanschaumstoff verkleidete Wand auftreffende Schall-

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welle von dieser Wand stärker reflektiert, als wenn die Wand unverkleidet ist.

Der Wirkung dieser Matte liegt die Tatsache zugrunde, daß hohe Schalldämmung stets mit einer starken Reflexion der Schallwellen von Wänden verbunden ist.

Im Gegensatz zur Schalldämmung ist die Schallschluckung mit einem hohen Durchlaßgrad, also mit einem niedrigen Reflexionsgrad verbunden, wie insbesondere aus Skudrzyk, "Grundlagen der Akustik", Wien 195o, Seite 121/122, hervorgeht. Hiernach setzt sich bei der Reflexion einer Schallwelle von einer Trennwand die Schallenergie wie folgt zusammen:

(D

Hieraus errechnet sich der Zusammenhang von Reflexionsgrad und Schluckgrad nach der Formel:

1 - =~ = =2 = 1 - R² = D² =oC (2)

^EE ^EE

In diesen Gleichungen bedeuten: E_ die Intensität der aufreffenden Schallwelle, E_R die Intensität der reflektierten Schallwelle, E die durchgelassene Schallintensität, R den Reflexionsgrad, D den Durchlaßgrad und cC den Schluckgrad.

In dem Aufsatz von H. Oberst "Werkstoffe mit extrem hoher innerer Dämpfung" aus Acustica, 1955, Seite 144 bis 151, ist die Wirkungsweise eines Schaumstoffes mit geschlossenen Zellen beschrieben, der durch eine bestimmte molekulare Zusammenset·'

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zung auf hohe innere Dämpfung, d.h. hohe innere Verluste ein-

ι gestellt ist. Verlustfaktor und Ε-Modul wurden nicht nur aus Messungen an Biegestreifen ermittelt, sondern auch aus Mes- ; sungen im Impedanzrohr berechnet.

j Einen Schaumstoff dieser Art hat die Firma Grünzweig + Hartmann unter der Bezeichnung "Vibrophon" auf den Markt gebracht. Dieser Schaumstoff bestand aus aufgeschäumtem Polyvinylchlorid (PVC), welches durch geeignete Weichmacherzugabe nach den Regeln von H. Oberst auf hohe innere Dämpfung eingestellt war. Dieses geschäumte PVC hatte geschlossene Zellen, erreichte einen Schluckgrad von ca. 70 %, war ungefüllt und nur bis Temperaturen von höchstens 60 ° C (338 K) einsetzbar.

Die schallabsorbierende Wirkung solcher geschlossenzelliger Schäume beruht darauf, daß die auftreffende Schallwelle das Schaumstoffgerüst in Schwingungen versetzt. Durch die Relaxation der Kunststoffe, insbesondere weichgemachter Thermoplaste, wird diese Schwingungsenergie in andere Energieformen, vor allem in Wärme, umgewandelt. Aus den Arbeiten von Oberst ist bekannt, daß die Relaxationsvorgänge in Kunststoffen durch dosierten Weichmachergehalt in gewünschte Frequenz- und Temperaturbereiche gelegt werden können. Da sogenannte Hartschäume im technisch interessierenden Fr^uenz- und Temperaturbereich nicht auf große Relaxation eingestellt sind , haben sie in ι diesem Bereich keine für die Praxis wirksame Schallabsorption. Dies gilt z.B. für geschäumtes Polystyrol und auch für geschlossenzellige Hartschäume auf der Basis von Polyurethan.

Allgemein bekannt ist auch die oftmals gute Schallabsorption ; von offenporigem Polyurethanschaum. Bei solchen offenporigen . Schäumen wird die Umwandlung der Schwingungsenergie der Luft

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in andere Energieformen durch mechanische Reibung an den Porenwänden bewirkt, also durch einen anderen Mechanismus als bei dem weichen geschlossenzelligen PVC-Schaum, der nach den Oberst'sehen Gesichtspunkten eingestellt wurde. Soweit solche weichen Schäume auch geschlossene Zellen enthalten, sind diese an den Vorgängen der Energieumwandlung nur unmaßgeblich beteiligt.

Aus Gründen der Kostenersparnis, der Gewichtsersparnis, Arbeitseinsparung usw. ist das Bedürfnis entstanden, eine einzige Verkleidungsschicht zu verwenden, die möglichst mehrere technische Funktionen gleichseitig erfüllt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Schaumstoff zu schaffen, der infolge hoher innerer Verluste Schallenergie mit Hilfe von Relaxationsmechanismen in andere Energieformen umwandelt und auf diese Weise sowohl schalldämmend als auch schallschluckend wirkt. In die Gleichung (1) ist also auch noch die Verlustenergie E_v einzuführen, so daß sie zu

^EE "*R ^{+ E}D ^+EV

zu erweitern ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird gemäß der Erfindung bei einem Polyurethanschaumstoff der eingangs genannten Art vorgeshlagen, daß sein Polyol eine OH-Zahl unter 150 hat und daß er einen Gehalt an schweren Füllstoffen von 10 bis 55 Gewichts-%, ein Raumgewicht zwischen 100 und 500 kg/m , mehr als 25 Volumen-% geschlossene Zellen, einen Verlustfaktor bis 0,4 und einen

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dynamischen Ε-Modul von >" 10 N/m (Newton pro Quadratmeter) bei 200 Hz und 20° C aufweist.

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; Hergestellt werden kann der erfindungsgemäße Schaum nach dem

j gleichen Verfahren, das in der DE-AS 1923 161 beschrieben ist.

[ Beispielhafte Mischungen, mit denen man erfindungsgemäße Polyurethanschaumstoffe erhält, sind folgende:

Beispiele	I	Gew.%	,6	Gew.T.	II	Gew.%	Gew. T	III
Komponente A	Gew.T.	38	,8	15,8	38,6	15,8	. Gew.%
Polyol	15,8	8		3,6	8,8	3,6	39,7
Treibmittel	3,6		,7				9,ο
Reaktionsbe		O	,9	o,29	o,7	o,42
schleuniger	o,29	51		21 ,3	51,9	2o,o	1,15
Füllstoffe	21,3	1oo		4o,99	1oo,o	39,82	5o,2
	4o,99						1oo,o5
Komponente B				6,12		5,69
Isocyanat	6,83			6,7 :	1	7:1
Verhältnis A:B	6:1

Beispiele für die Bestandteile der Komponente A:

Als Polyole kommen in Frage z.B. Dipropylenglykol unterschiedlicher Kettenlänge im Molekül mit OH-Zahlen zwischen 40 und 120, Trimethylpropan mit OH-Zahlen zwischen 25 und 40 und Trimethylolpropan. Diese verschiedenen Arten von Polyolen können jeweils allein oder in Mischung von zwei oder mehreren als Polyolkomponente für die Herstellung der erfindungsgemäßen Schäume verwendet werden.

Als Treibmittel sind wie üblich sowohl Wasser als auch Halogenalkane, z.B. Mono-Fluordichlormethan oder Trichloräthylen einzeln oder gemeinsam verwendbar.

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Als Reaktionsbeschleuniger, mit denen vor allem die Geschwin- ]

digkeit der Polyaddition in Bezug auf die Schaumbildung abge- j

stimmt werden kann, sind wie üblich z.B. Triathanolamin, '

Dimethyläthanolamin, Triäthylendiamin und/oder Dibutylzinn- ;

dilaurat verwendbar. I

Die verwendeten Füllstoffe sind gemahlene bzw. gepulverte ^! Mineralien mit einem spezifischen Gewicht von mehr als 2 g/cm ,; z.B. Schwerspat, Schiefermehl, Quarzmehl gegebenenfalls in Ver-j mischung miteinander bzw. mit Kreide, Talkum und/oder Ruß. j

Beispiel für die Komponente B:

Als Isocyanat kommt in Frage Toluylen - 2,4 - Diisocyanat
Naphthylen - 1,5 - Diisocyanat»

In der Reihenfolge von Beispiel I nach Beispiel III werden die
erhaltenen Schaumstoffe weicher. Das bedeutet aber, daß bei
gleicher Schalldämmung - also bei gleicher Masse pro Flächeneinheit- der aus den erfindungsgemäßen Schäumen hergestellten
Matten, die Schallabsorption zunimmt. In der umgekehrten Reihen folge, also in Richtung zum steiferen Schaum hin, nimmt infolge der höheren Steifigkeit die Dämpfung des Körperschalles zu.

Erfindungsgemäße Schäume erhält man auch nach einer weiteren
Ausführungsform dadurch, daß in irgendeinem der Beispiele das
Mischungsverhältnis zwischen der Mischung der Komponente A und
der Komponente B zugunsten der Komponente A, z.B. auf 8:1,
erhöht ist. In diesem Falle entstehen durch nichtstöchiometrische Mischungen untervernetzte Polyurethanschäume, die
weicher sind als voll- oder übervernetzte Schäume. Im Rahmen
der Erfindung kann das genannte Mischungsverhältnis vorzugs-

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weise 5:1 bis 8:1 betragen. j

Die akustische Wirkung dieser Schaumstoffe wird anhand der ! Zeichnungen und folgender Untersuchungen erläutert. i

Es zeigen: '

Fig. 1 offene Poren und geschlossene Zellen des erfindungs- ^: gemäßen Polyurethanschaumstoffes in schematischer Dar- ; stellung, |

Fig. 2 die Schalldämmung nach DIN 52 210, die mit einer 3 cm

und 6 cm dicken Schicht eines erfindungsgemäßen Schaumstoffes, der nach Beispiel II hergestellt wurde, erreicht wird,

Fig. 3 den Frequenzgang des Schluckgrades, der im Hallraum

nach DIN 52 212 mit dem gleichen Schaumstoff ermittelt
wurde,

Fig. 4 Kurven des Schluckgrades, die im Kundt¹sehen Rohr nach
DIN 52 215 bei senkrechtem Schalleinfall mit Schaumstoffen ermittelt wurden, die den Beispielen I bis IH entsprechen und

Fig. 5 den Frequenzgang des Schluckgrades eines erfindungsgemäßen Schaumstoffes, der nach Beispiel II hergestellt ist, wobei jedoch das Verhältnis A:B = 8:1 ist.

Aus Fig. 1 geht hervor, was unter den Begriffen Poren und
Zellen zu verstehen ist. 11 bedeutet die Oberfläche des Schaum-¹ stoffes, 12 sind Poren, die durch die Kanäle 13 mit der

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j Oberfläche verbunden sind. Schwingende Luft wird durch Reibung j an den Wänden dieser Mikrokanäle 13 und der Poren 12 sowie I

■ an den Querschnittssprüngen gedämpft. Mit 14 ist eine geschlos-i ! sene Zelle bezeichnet, deren Wände 15 Bestandteile des Schaum- "ι ί stoffgerüstes sind. Führt der Schaumstoff durch auftreffende j

Schallwellen Schwingungen aus, werden die Zellen 14 und ihre j j Wände 15 im Rhytmus der Schallschwingung deformiert. Ist das Schaumstoffgerüst, also der Kunststoff, auf große Relaxation eingestellt, wird diese Schwingungsenergie durch Relaxationsvorgänge in andere Energieformen umgewandelt.

In Fig. 2 zeigt Kurve 1 den Frequenzgang der Schalldämmung eines 1 mm dicken Bleches, Kurve 2 den Frequenzgang der Schalldämmung einer Trennwand, bestehend aus einem 1 mm dicken Blech gemäß Kurve 1 und einer aufgeklebten erfindungsgemäßen Schaumstoff schicht nach Beispiel II von 3 cm Dicke und Kurve 3 die Schalldämmung, wenn die Dicke der Schaumstoffschicht auf 6 cm erhöht wird. Auffallend an den Kurven 2 und 3 ist der Frequenzgang der Schalldämmung. Wenn man nämlich auf das T mm dicke Blech eine durch die eingangs genannte DE-AS 19 23 161 bekannte Schalldämmatte klebt, so steigt die Schalldämmung parallel zu der des reinen Bleches um einen Betrag, der der Gewichtserhöhung entspricht. Die erfindungsgemäßen Schäume bewirken dagegen einen Frequenzgang der Schalldämmung, der von Doppelwänden her bekannt ist. Doppelwände sind Wände, die aus zwei schweren Wandteilen bestehen, die mit einem federnden Werkstoff miteinander verbunden sind. Die hier angewendeten erfindungsgemäßen Schäume erzeugen aber den für die aufwendigen Doppelwände charakteristischen Frequenzgang, ohne daß das sonst notwendige abdeckende zweite schwere Wandteil notwendig ist.

Mißt man im Hallraum nach DIN 52 212 die Schallabsorption, dann erhält man für den Schluckgrad der erfindungsgemäßen

- To - ■ '

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Schäume einen Frequenzgang, wie er in Fig. 3 dargestellt ist. Auch dieser Frequenzgang zeigt für die einfache Schicht den typischen Verlauf eines Resonanzabsorbers, der normalerweise aus einem weichen federnden porigen Untergrund besteht, der mit einer Deckschicht abgedeckt ist. In diesem Fall fehlt die sonst für Resonanzabsorber notwendige Deckschicht. Die Absorptionskurve der Fig. 3 wurde an dem Dämmstoff ermittelt, mit dem die Kurve 3 in Fig. 2 ermittelt wurde. Das bedeutet aber, daß der erfindungsgemäße Schaum sowohl dämmt als auch absorbiert, wobei Absorptionswerte von etwa 90 % erreicht wurden. Diese Versuchsergebnisse zeigen, daß mit dem erfindungs ■ gemäßen Schaumstoff die gestellte Aufgabe gelöst wurde.

Fig. 4 zeigt den Frequenzgang des Schluckgrades von zwei weiteren Proben des erfindungsgemäßen Schaumes, und zwar Kurve 1 für eine Probe mit dem Raumgewicht 160 kg/m und Kurve 2 für eine Probe mit dem Raumgewicht 22O kg/m . Auch diese Kurven zeigen einen typischen Frequenzverlauf von Resonanzabsorbern, wobei nochmals betont werden muß, daß die Proben nur einfache Schäume von in diesem Fall 30 mm Dicke waren und keine Deckschicht enthielten.

Durch geeignete Einstellung der Relaxationsvorgänge ist schließlich auch ein Frequenzgang der Absorption nach Fig. 5 eii|i stellbar, wobei in diesem Fall das Relaxationsmaximum in den Bereich tiefer Frequenzen verlegt wurde, wodurch hohe Absorption im Bereich unter 300 Hz erreicht wurde. Hierzu wären im Gegensatz zu der geringen Dicke der verwendeten Proben von nur 30 mm bei offenporigen Absorbern traditioneller Bauart Schichtdicken von über 20 cm notwendig gewesen. Die hohe Absorption im Bereich oberhalb 1000 Hz rührt von der Reibung der schwingenden Luft an den Wänden offener Poren her. Dieses Beispiel

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zeigt, daß durch geeignete Einstellung der Relaxationsvorgänge j die verschiedenen Absorptionsmechanismen in getrennten Frequenzibereichen durch die Erfindung gleichzeitig nebeneinander ausgenützt werden können, und zwar Energieumwandlung durch Relaxation Jn Bereich tiefer Frequenzen, Energieumwandlung durch Reibung im Bereich hoher Frequenzen, so daß es durch die Erfindung möglich wird, mit geringen Dicken hohe Absorption auch im Bereich tiefer Frequenzen zu erreichen.

Der Patentanwalt

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Claims

Dipl. Ing. H. MITSCHERLICH : " . i>-8000 MÜNCHEN 2 2 Dipl.-Ing. K. GUNSCHMANN ' Steinsdorfstraße 10 Dr. rer η al. W. KÖRBER & (089) ' 29 66 84 Dipl.-Ing. J. SCHMIDT-EVERS PATENTANWÄLTE 11. August 1978 Dr. Alois Stankiewicz Gu/ay Chemische Erzeugnisse 31o1 Adelheidsdorf b. Celle Ansprüche

1. Polyurethanschaumstoff für die Anwendung zur Geräuschminderung, der hohe innere Verluste aufweist und aus Isocyanat, Polyol und Treibmitteln besteht, wobei das Polyol gefüllt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Polyol eine OH-Zahl unter 150 hat und daß der Polyurethanschaumstoff einen Gehalt an schweren Füllstoffen von 10 bis 55 Gewichts-%, ein Raumgewicht zwischen 100 und 500 kg/m , mehr als 25 Volumen-% geschlossene Zellen, einen Verlustfaktor bis 0,4

6 2 und einen dynamischen Ε-Modul von ;>10 N/m (Newton pro Qudratmeter) bei 200 Hz und 20° C aufweist.

2. Polyurethanschaumstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Mischungsverhältnis zwischen der durch die Bestandteile Polyol, Treibmittel, Reaktionsbeschleuniger und Füllstoffe gebildeten Komponente A und der durch den Bestandteil Isocyanat gebildeten Komponente B 5:1 bis 8:1 beträgt. .

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