DE2938182C2

DE2938182C2 - Verfahren zur Herstellung einer akustischen Membran

Info

Publication number: DE2938182C2
Application number: DE2938182A
Authority: DE
Inventors: Yasuyuki Arai; Tsunehiro Tsukagoshi; Shinichi Yokozeki; Toshikazu Tokio/Tokyo Yoshino
Original assignee: Pioneer Electronic Corp
Current assignee: Pioneer Corp
Priority date: 1978-09-29
Filing date: 1979-09-21
Publication date: 1985-09-12
Also published as: JPS5546661A; US4352407A; GB2032222B; DE2938182A1; JPS5718397B2; GB2032222A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer akustischen Membran.

Akustische Membranen, insbesondere Membranen für Lautsprecher und Mikrofone, sollen ein geringes Gewicht haben, eine hohe Festigkeit bzw. Steifigkeit und einen hohen, spezifischen Elastizitätsmodul EIp, wobei fder Youngsche Elastizitätsmodul ist und ρ die Dichte. Eine solche Membran kann wirksam akustische Signale über einen breiten Frquenzbereich mit hoher Wiedergabetreue reproduzieren.

Zu diesem Zweck werden üblicherweise Holzpulpe, Kunststoffe, Aluminium, Titan und andere Materialien verwendet Diese Materialien erfüllen aber nicht alle Anforderungen.

Es wurde auch bereits vorgeschlagen!, Kunstharz für die Herstellung von Membranen zu verwenden. Beispielsweise wurden zusammengesetzte Materialien aus Kohlefasern und einem Kunstharz vorgeschlagen. Diese zusammengesetzten Materialien ergeben jedoch nicht die ausreichende Steifigkeit, wenn sie in eine Membranform geformt sind, insbesondere wegen der nicht ausreichenden Integrierung des Kunstharzmaterials, die auf die Schmiereigenschaften der Oberfläche der Kohlefasern zurückzuführen ist.

Es ist bekannt, daß Bor, Beryllium und Kohlenstoff einen hohen spezifischen Ε-Modul haben. Diese Materialien haben aber schlechte Verarbeitungseigenschaften, wobei die Kosten zum Formen der Materialien in eine Membran ansteigen.

Die nachveröffentlichte DE-OS 28 53 022 mit älterer Priorität beschreibt bereits ein Verfahren zur Herstellung einer akustischen Membran, wobei ein thermoplastisches Kunstharz mit Graphitpulver bei einer Temperatür über dem Erweichungspunkt des Harzes gemischt und geknetet wird, worauf man die Mischung blattförmig auswalzt, bis die Graphitteilchen im wesentlichen ausgerichtet sind. Anschließend wird das Blatt gebrannt und carbonisiert. Schließlich wird es dann in eine Form gebracht, die als Membran geeignet ist. Die dort zwingend vorgeschlagenen Verfahrensschritte des Brennens und Carbonisierens bedingen aber ebenfalls einen zusätzlichen Aufwand. Diese Verfahrensschritte ergeben eine akustische Membran mit einem sehr hohen Elastizitätsmodul, was bei Membranen im allgemeinen erwünscht ist. Es ist. aber der innere Verlustfaktor der nach diesem Verfahren hergestellten Membran verhältnismäßig gering. Dies kann dazu führen, daß unerwünschte Resonanzspritzen auftreten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer akustischen Membran vorzuschlagen, die aus einen, zusammengesetzten Material besteht, welches leicht in die gewünschte Form gebracht werden kann, und welches den Anforderungen an eine akustische Membran genügt, einschließlich eines leichten Gewichtes, einer hohen Festigkeit bzw. Steifigkeit, eines hohen spezifischen Ε-Moduls und guter innerer Verluste. Außerdem soll die Membran kostengünstig hergestellt werden können.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist das erfindungsgemäße Verfahren dadurch gekennzeichnet, daß ein thermoplastisches Kunstharz mit Graphitpulver bei einer Temperatur über dem Erweichungspunkt des Harzes gemischt _s 65 und geknetet wird, daß die Mischung blattförmig ausgewalzt wird, bis die Graphitteilchen im wesentlichen

ausgerichtet sind und daß das Blatt in eine Form gebracht wird, die als Membran geeignet ist.

Γ«' Bevorzugt wird das Blatt unter Druck in die Membranform gebracht. Das Blatt kann aber auch mit Unter-

druck in die Membranform gebracht werden.

Die Patentansprüche 4 und 5 geben bevorzugte thermoplastische Kunstharze für 4as erfindungsgemäße Verfahren an und die Patentansprüche 6 und 7 bevorzugte Teilchengröße für das verwendete Graphitpulver.

In den Patentansprüchen 8 und 9 sind bevorzugte Mischungszusammensetzungen für die verwendete Mischung des thermoplastischen Kunstharzes mit dem Graphitpulver angegeben.

Nach Anspruch 10 kann das Blatt konusförmig geformt werden und nach Anspruch 11 haubenförmig.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 schematisch in einer Seitenansicht eine Vorrichtung zur Herstellung eines Blattes, aus dem eine akustische Membran hergestellt werden kann;

F i g. 2 ein Diagramm, wobei der Elastizitätsmodul über dem prozentualen Anteil des Graphits in der Mischung in Gew.-% aufgetragen ist und zwar bei nach unterschiedlichen Verfahren bzw. Zusammensetzungen hergestellten Blättern.

Es wurde Polyvinylchlorid mit Graphitpulver bei unterschiedlichen Mischungsverhältnissen gemischt und geknetet

Die Mischungen wurden zu Blättern mit einer Dicke von 0,8 mm komprimiert Der Ε-Modul dieser Blätter wurde gemessen. Die erhaltenen Meßwerte wurden über dem Mischungsverhältnis aufgetragen und ergaben die Kurve a in F i g. 2. Darin ist der Ε-Modul als Abszisse aufgetragen und der Betrag des beigemischten Graphitpulvers im zusammengesetzten Material als Ordinate und zwaf in Gew.-°/o des gesamten, zusammgesetzten Materials. Die Kurve a zeigt, daß das Maximum des Ε-Moduls von etwa 3000 kg/mm² erreicht wird, wenn eine Mischung von Polyvinylchlorid und Graphit blattförmig geformt wird, und zwar ohne Ausrichtung. Die Kurve b zeigt den Ε-Modul ähnlicher Blätter, nachdem diese bei einer Temperatur von 1200⁰C carbonisiert wurden. In diesem Fall erreicht der Ε-Modul ein Maximum von etwa 6000 kg/mm². Dieser erhöhte Ε-Modul entspricht einem spezifischen Ε-Modul von 5,7 χ 10³ m/sec, der also größer ist als derjenige von Aluminium. Dies reicht aber für viele Anwendungsfälle immer noch nicht aus, obgleich verschiedene akustische Eigenschaften des carbonisierten Materials gleichwertig sind mit denjenigen bekannter Materialien, oder auch besser sind als bei den bekannten Materialien.

Es wurde nun gefunden, daß eine Ausrichtung der Graphtitteilchen in einem zusammengesetzten Material aus Graphit und einem Kunststoffharz die physikalischen Eigenschaften verbessert, insbesondere den Ε-Modul des Materials.

Das hierbei verwendete thermoplastische Kunstharz wird aus der Gruppe ausgewählt, die aus Polyvinylchlorid-Harz besteht, einschließlich Polyvinylchlorid-Homopolymere und Mischpolymere, beispielsweise Vinylchlorid-Acrylnitril und Vinylchlorid-Vinylacetat Mischpolymere. Andere Beispiele sind Polyvinylidenchloridharze einschließlich Polyvinylidenchlorid Homopolymers.- und Mischpolymerisate, beispielsweise Vinylidenchlorid-Acrylnitril Mischpolymerisate, Polycarbonatharze und Mischungen dieser Bestandteile.

Es werden etwa 10 bis 90 Gew.-% Graphitpulver zugemischt, vorzugsweise 30 bis 80 Gew.-%, berechnet von der Gesamtmischung. Bessere Ergebnisse werden bei kleineren Graphitteilchen erreicht Die Größe der Graphitteilchen liegt zwischen 0,1 und 50 μιη, vorzugsweise zwischen 0,1 und 5 μπι. Als Graphitpulver kann man ein Pulver verwenden, wie es in der japanischen Patentanmeldung 52-154 315vom23.12.1977 beschrieben wird.

F i g. 1 zeigt schematisch ein Verfahren zur Herstellung eines Blattes, aus dem eine akustische Membran hergestellt werden kann. Die Anordnung besteht aus einer Mischmühle 1 und einer Reihe von Walzen 2. Ein Kunstharz, beirpielsweise Polyvinylchlorid, wird mit Graphitpulver in einem Mischverhältnis (—) von 1:2 gemischt (Gewichtsverhältnis). Die Mischung 3 wird mittels der Mühle 1 sorgfältig geknetet. Dabei wird die Mischung auf eine erhöhte Temperatur erwärmt, die über dem Erweichungspunkt des Polyvinylchloridharzes liegt, vorzugsweise auf eine Temperatur von 120 bis 250⁰C.

Die geknetete Mischung 3 wird dann über Walzen 2 in ein Blatt ausgewalzt, welches eine gleichförmige Dicke hat. Das Auswalzen erfolgt ebenfalls bei einer Temperatur oberhalb des Erweichungspunktes des Kunstharzes, vorzugsweise bei einer Temperatur von 120 bis 250° C. Durch das Auswalzen des gekneteten Materials in eine Blattform werden die Graphitteilchen parallel zur Oberfläche des Blattes ausgerichtet. Dadurch wird der E-Modul in Längsrichtung des Blattes 4 verbessert.

Beim gezeigten Ausführungsbeispiel wird zum Mischen und Kneten der Komponenten eine Mühle mit nachgeschalteten Walzen verwendet. Dies Kann aber auch durch Extrusionsformen erreicht werden. In diesem Fall wird das Harz mit Graphit in einen Extruder bei einer erhöhten Temperatur eingegeben, wodurch die Komponenten gemischt und geknetet werden. Das Extrudat wird dann blattförmig ausgewalzt, um die Graphitteilchen auszurichten.

Damit die Graphitteilchen im wesentlichen ausgerichtet werden, und um das geknetete Material blattförmig zu formen, wird das Material ausgewalzt. Das Auswalzen wird vorzugsweise wiederholt, weil dadurch die Ausrichtung der Graphitteilchen parallel zur Oberfläche des Blattes verbessert wird. Die Dicke des ausgewalzten Blattes hängt von den jeweiligen Anforderungen an die Membran ab, beispielsweise an die Dicke, die Größe und die Konfiguration der jeweiligen Membran.

Das Blatt mit den ausgerichteten Graphitteilchen wird dann haubenförmig oder konusförmig geformt, je nach dem jeweiligen Verwendungszweck der Membran. Hierfür wird ein Vakuumverformen, ein thermisches Kornprimieren oder ein Druckformen oder auch andere herkömmliche Verformungsverfahren bevorzugt.

Das ausgewalzte Blatt hat einen hohen Ε-Modul in Längsrichtung, weil die Graphitteilchen parallel zur Oberfläche des Blatts ausgerichtet sind, zumindest zu einem wesentlichen Anteil. Aus einem solchen Blatt können steife Membranen hergestellt werden.

Der Ε-Modul der ausgewalzten Blätter ist als Kurve A in F i ?. 2 gezeigt. Es ergibt sich ein verdoppelter oder noch stärker verbesserter Ε-Modul, verglichen mit der Kurve a, gemessen bei Blättern mit nicht ausgerichtetem Graphitpulver.

Wenn die ausgewalzten Plätter weiterhin bei einer Temperatur von 500 bis 1200°C carbonisiert werden oder

bei einer Temperatur von 2000 bis 3000⁰C graphitiert werden, so wird der Ε-Modul weiter verbessert, wie dies die Kurve B in F i g. 2 zeigt. Es wird dadurch aber der innere Verlust der Blätter verringert.

Es wurde gefunden, daß die aus nur ausgewalzten Blättern hergestellte Membranen bei der kommerziellen Herstellung von Membranen gleichwertig denjenigen Membranen aus carbonisierten oder graphitierten Blättern sind oder noch besser als diese sind. Der E-Modul ausgewalzter bzw. ausgerichteter Blätter erreicht etwa 7000 bis 8000 kg/mm². Der spezifische Ε-Modul ist also ausreichend hoch. Der innere Verlust, ausgedrückt in tan ö, liegt in der Größenordnung von 0,05, so daß unerwünschte Resonanzspitzen unterdrückt werden können (Kurve Λ).

Bei carbonisierten oder graphitierten Blättern dagegen wird der Ε-Modul auf ein extrem hohes Niveau von etwa 15 000 kg/mm² angehoben (Kurve S)₁ während der innere Verlust auf etwa 0,015 gedrückt wird.

Wird eine Kombination des Ε-Moduls mit dem inneren Verlust betrachtet, so sind die nur ausgewalzten Blätter mit den carbonisierten oder graphitierten Blättern vergleichbar.

Eine Probe wurde dadurch hergestellt, daß ein Mischpolymerisat aus Polyvinylchlorid-Polyvinylacetat, gemischt mit Graphitpulver in einem Mischverhältnis von 3 :7 gemischt und geknetet wurde. Die sich ergebende, innige Mischung wurde blattförmig ausgewalzt, um einen wesentlichen Ausrichtungsgrad des Graphits zu erhalten. Der Ε-Modul, die Dichte und der innere Verlust des ausgewalzten Blatts wurden gemessen. Zu Vergleichszwecken wurde das Blatt dann durch Erwärmung oxidiert, und zwar in einer oxidierenden Atmosphäre unter Erwärmung auf eine Temperatur von etwa 259° C mit einer Erwärmungsrate von 1 —10° C pro Stunde. Anschließend wurde das Blatt dadurch carbonisiert, daß es in einer nicht oxidierenden Atmosphäre auf eine Temperatur von 1200°C erwärmt wurde, und zwar mit einer Erwärmungsrate von 10—20°C pro Stunde. Der Ε-Modul, die Dichte und der innere Verlust des carbonisierten Blattes wurden gemessen. Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle wiedergegeben.

Tabelle

	Dichte	E-Modul	Spezif. E-Modul	Innerer
	P	E	EIp	Verlust
	(g/cm³)	(kg/mm²)	(m/sec)	tan δ
nur ausgewalztes Blatt	1,8	8000	6,6OxIO³	0,05
carbonisiertes Blatt	1,8	16000	933 XlO³	0,015
Aluminium	2,7	7 400	5,18 XlO³	0,003
Titan	4,4	12000	5,17 xlO³	0,003
Beryllium	1,8	28 000	12,35 xlO³	0,003

In der Tabelle wurden die physikalischen Eigenschaften von Aluminium, Titan und Beryllium ebenfalls aufgeführt Bezüglich des spezifischen Ε-Moduls ist das nur ausgewalzte und ausgerichtete Blatt Aluminium und Titan überlegen. Es ist aber schlechter als das carbonisierte Blatt und als Beryllium. Der innere Verlust des nur ausgewalzten Blattes ist vergleichsweise am größten. Das nur ausgewalzte Blatt ergibt daher eine wünschenswerte Kombination eines spezifischen Ε-Moduls mit dem inneren Verlust wie dies für akustische Membranen gewünscht wird. Weiterhin sind die Kosten zur Herstellung einer derartigen akustischen Membran verhältnismäßig gering, weil das Herstellungsverfahren sehr einfach ist

Es wurde fernerhin gefunden, daß die neuartige Membran einen verbesserten Frequenzgang hat insbesondere bei hohen Frequenzen. Der Frequenzgang der neuartigen Membran ist in den unteren mittleren Frequenzbereichen mit demjenigen einer Membran aus Beryllium im wesentlichen gleichwertig. Im oberen Frequenzbereich ist der Frequenzgang sogar flachen

Es ist somit ersichtlich, daß die nach diesem Verfahren hergestellte akustische Membrane, die beispielsweise bei Lautsprechern und Mikrofonen eingesetzt werden kann eine verbesserte Kombination von Dichte, Elastizität und inneren Verluste hat

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

29 38 ί82 Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung einer akustischen Membran, dadurch gekennzeichnet, daß ein thermoplastisches Kunstharz mit Graphitpulver bei einer Temperatur über dem Erweichungspunkt des Harzes gemischt und geknetet wird, daß die Mischung blattförmig ausgewalzt wird, bis die Graphitteilchen im wesentlichen ausgerichtet sind und daß das Blatt in eine Form gebracht wird, die als Membran geeignet ist

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Blatt unter Druck in die Membranform gebracht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Blatt unter Unterdruck in die Membranform gebracht wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein thermoplastisches Kunstharz aus Polyvinylchlorid, Pol> vinylidenchlorid, Polycarbonat oder Mischungen dieser Bestandteile verwendet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als thermoplastisches Kunstharz ein Mischpolymerisat von Vinylchlorid und Vinylacetat verwendet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Graphit mit einer Teilchengröße von 0,1 bis 50 μιτι verwendet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß Graphit mit einer Teilchengröße von 0,1 bis 5 pm verwendet wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß für das Ausgangsmaterial 10 bis 90 Gew.-°/o Graphitpulver und 90 bis 10 Gew.-% thermoplastisches Kunstharz verwendet werden.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß für das Ausgangsmateriai 30 bis 80 Gew.-°/o Graphitpulver und 70 bis 20 Gew.-% Kunstharz verwendet Werden.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Blatt konusförmig geformt wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Blatt haubenförmig geformt wird.