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TECHNISCHES
GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein thermoakustisches Dämmungsmaterial,
das Kohlefasern verwendet, und genauer ein thermoakustisches Dämmungsmaterial,
das extradünne
Kohlefasern mit nicht galvanischer Korrosivität verwendet.
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Das
thermoakustische Dämmungsmaterial
der vorliegenden Erfindung ist nicht auf das Material beschränkt, das
sowohl zur Dämmung
von Schall als auch von Wärme
verwendet wird, sondern kann ausschließlich für den Zweck des Absorbierens
von Schall wie auch ausschließlich
für den
Zweck des Dämmens
von Wärme
verwendet werden.
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ALLGEMEINER
STAND DER TECHNIK
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Thermoakustische
Dämmungsmaterialien
wurden verbreitet als ein wichtiges Element zum Bauen komfortabler
und energiesparender Behausungen oder zum Schutz von Menschen und/oder
Einrichtungen vor einer rauen äußeren Umwelt
erkannt. Obwohl herkömmlich
natürliche
Fasern und synthetische Harze für
thermoakustische Dämmungsmaterialien
verwendet wurden, weisen diese Materialien hinsichtlich der Sicherheit ein
Problem auf, da sie im Allgemeinen brennbar sind und im Fall eines
Feuers giftige Dämpfe
erzeugen.
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Aus
diesem Grund wurden in jüngster
Zeit anorganische Materialien als eine Alternative zu natürlichen Fasern
und synthetischen Harzen verwendet. Insbesondere wurden Glasfasern
verbreitet als ein Rohmaterial für
thermoakustische Dämmungsmaterialien
verwendet, da sie günstige
Eigenschaften wie Nichtentflammbarkeit, Formbarkeit und Montierbarkeit
aufweisen.
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Da
Glasfasern jedoch eine spezifische Dichte von etwa 2,4 bis 2,6 g/cm3 aufweisen, was ziemlich hoch ist, zeigt
das aus Glasfasern hergestellte thermoakustische Dämmungsmaterial
keine ausreichende Qualität der
Schall- und Wärmedämmung pro
Einheitsmasse. Da Glasfasern durch Absorption von Feuchtigkeit allmählich an
Qualität
verlieren und keine ausreichende mechanische Stärke aufweisen, bewahrt das
aus Glasfasern hergestellte thermoakustische Dämmungsmaterial zudem keine
ausreichende Haltbarkeit.
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Mittlerweile
ist die Nachfrage nach thermoakustischen Dämmungsmaterialien, die umfassende
Sicherheit und hohe Qualität
aufweisen, stark gestiegen. Bei Hochgeschwindigkeitstransportmitteln
wie etwa Hochgeschwindigkeitsbahnwagen, Flugzeugen, Raumfahrzeugen
u. ä. beispielsweise
bringen die Hochgeschwindigkeit und die Bequemlichkeit, die für derartige
Transportmittel erforderlich sind, unvermeidlich die Nachfrage nach
thermoakustischen Dämmungsmaterialien
mit sich, die Eigenschaften wie hohe Sicherheit, Zähigkeit
und Leichtgewichtigkeit aufweisen. Im Wesentlichen sind die Anforderungen
neben einer hervorragenden Schall- und Wärmedämmungsqualität 1) Leichtgewichtigkeit,
2) hervorragende Feuerbeständigkeit,
3) keine Erzeugung giftiger Dämpfe
im Fall eines Feuers, 4) keine Korrosivität gegenüber strukturellen Materialien,
5) hervorragende mechanische Stärke
und Kompressionselastizität,
6) hervorragende Abriebbeständigkeit,
7) geringe Hygroskopizität,
und 8) gute Montierbarkeit usw.
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Wie
im Vorhergehenden erwähnt
sind herkömmliche
thermoakustische Dämmungsmaterialien
einschließlich
der aus Glasfasern hergestellten Materialien für die oben erwähnten Verwendungen
nicht verlässlich
genug. Daher wurde die Entwicklung eines hochverlässlichen
thermoakustischen Dämmungsmaterials, das
für die
obigen Zwecke verwendbar ist, erwartet.
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OFFENBARUNG
DER ERFINDUNG
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Angesichts
der oben erwähnten
Probleme ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, durch Verwendung
von Kohlefasern ein thermoakustisches Dämmungsmaterial bereitzustellen,
das sich nicht nur hinsichtlich der Schall- und Wärmedämmungsqualität, sondern
auch hinsichtlich der Haltbarkeit, der mechanischen Stärke, der
Kompressionselastizität,
der Leichtigkeit, der chemischen Stabilität, der Nichtentflammbarkeit,
der Nichthygroskopizität
und solcher Eigenschaften, dass das Material im Fall eines Feuers
keine giftigen Dämpfe
abgibt, wie auch der nicht galvanischen Korrosivität und der
nichtelektrischen Leitfähigkeit
auszeichnet.
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Kohlefasern
weisen im Allgemeinen eine hohe elektrische Leitfähigkeit,
eine hervorragende Antistatikeigenschaft und eine verhältnismäßig große elektromotorische
Kraft auf. Diese Eigenschaften der Kohlefasern wurden zu Antistatikzwecken
u. ä. eingesetzt,
aber für
ein Material für
thermoakustische Dämmungsmaterialien
als unerwünscht
betrachtet.
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Die
Gründe
dafür sind
wie folgt: Wenn ein thermoakustisches Dämmungsmaterial aus einem Material besteht,
das eine hohe elektrische Leitfähigkeit
aufweist, wird das Material selbst wahrscheinlich zu einem Grund
für Kurzschlüsse werden.
Wenn Bruchstücke
des Materials vom Material abfallen und dann in der Luft schweben,
können
die Bruchstücke
in elektrische Schaltkreise u. ä.
gelangen und dadurch zu einem Grund für Kurzschlüsse werden. Wenn das Material
eine elektromotorische Kraft aufweist, besteht darüber hinaus
eine Möglichkeit,
dass das Material elektrochemische Reaktionen bei anderen Elementen,
die das Material umgeben, hervorruft und als Folge eine galvanische
Korrosion bei den anderen Elementen verursacht.
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Eine
der Aufgaben der vorliegenden Erfindung ist, wie oben erwähnt, die
Bereitstellung eines thermoakustischen Dämmungsmaterials, das praktisch
an Hochgeschwindigkeitsbahnwagen, Flugzeugen u. ä. montierbar ist. Diese Transportmittel
weisen im Allgemeinen Metalle als ihre Hauptaufbaumaterialien auf
und verfügen über eine
große
Menge an elektrischen Verdrahtungen. Die Zwecke der vorliegenden
Erfindung können daher
nicht durch bloßes
Einsetzen von Kohlefasern anstelle von Glasfasern als Hauptaufbaumaterial
bei der Herstellung von thermoakustischen Dämmungsmaterialien erreicht
werden.
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Die
Erfinder der vorliegenden Erfindung haben unter Verwendung von Kohlefasern
intensive Untersuchungen hinsichtlich der Verfahren angestellt,
die die oben erwähnten
Probleme lösen
können.
Als Ergebnis haben die Erfinder herausgefunden, dass die Stärke eines
thermoakustischen Dämmungsmaterials
und seine Schall- und
Wärmedämmungsqualität wie auch
seine galvanische Korrosivität
durch passendes Festlegen der Verkohlungstemperatur für die Kohlefasern
verbessert wird. Zusätzlich
haben die Erfinder herausgefunden, dass die galvanische Korrosion,
die durch ein thermoakustisches Dämmungsmaterial verursacht wird,
welches Kohlefasern als ein Material umfasst, praktisch verhindert
werden kann, wenn ein galvanischer Stromwert des thermoakustischen
Dämmungsmaterials
auf 10 μA
oder weniger gesteuert wird. Auf Grundlage dieses Wissens haben
die Erfinder die vorliegende Erfindung mit einer Gruppe der nachstehend
beschriebenen Erfindungen abgeschlossen.
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Es
versteht sich, dass die elektrische Leitfähigkeit eines Materials nicht
direkt in einer Beziehung mit der galvanischen Korrosivität des Materials
steht. Der hierin spezifizierte galvanische Stromwert weist daher eine
große
Bedeutung auf, da er eine wichtige Bedingung darstellt, die für ein thermoakustisches Dämmungsmaterial,
das nicht galvanische Korrosivität
aufweist, erforderlich ist.
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Die
vorliegende Erfindung umfasst die folgenden Erfindungen.
- (1) Erfindung 1 ist ein thermoakustisches
Dämmungsmaterial,
das eine wollartige Kohlefaseranhäufung umfasst, die aus Kohlefasern
besteht, welche einen durchschnittlichen Faserdurchmesser von 0,5 μm bis 5 μm und eine
durchschnittliche Faserlänge
von 1 mm bis 15 mm aufweisen, und wobei die Fasern durch ein hitzehärtbares
Harz aneinandergeklebt sind.
- (2) Erfindung 2 ist ein thermoakustisches Dämmungsmaterial
wie in Erfindung 1, wobei ein galvanischer Strom in einer
galvanischen Zelle, aufweisend eine Elektrode, die aus dem thermoakustischen
Dämmungsmaterial
besteht, eine andere Elektrode, die aus einer Aluminiumplatte besteht,
und eine Elektrolytlösung, die
aus einer 0,45 gew.%igen wässrigen
Natriumchloridlösung
besteht, 10 μA
oder weniger beträgt.
- (3) Erfindung 3 ist ein thermoakustisches Dämmungsmaterial
wie in Erfindung 1 oder 2, das eine Rohdichte von
3 kg/m3 bis 10 kg/m3 aufweist.
- (4) Erfindung 4 ist ein thermoakustisches Dämmungsmaterial
wie in einer der Erfindungen 1 bis 3, das eine maximale
Zugfestigkeit von 1,0 g/mm2 oder höher aufweist.
- (5) Erfindung 5 ist ein thermoakustisches Dämmungsmaterial
wie in einer der Erfindungen 1 bis 4, das eine Kompressionsregenerationsrate
von 70% oder höher
aufweist.
- (6) Erfindung 6 ist ein thermoakustisches Dämmungsmaterial
wie in einer der Erfindungen 1 bis 5, wobei eine
minimale Zugfestigkeit der senkrechten Richtung zur Richtung der
maximalen Zugfestigkeit das 0,04fache oder mehr der maximalen Zugfestigkeit
beträgt,
und gleichzeitig eine Zugfestigkeit der senkrechten Richtung zu
sowohl der Richtung der maximalen Zugfestigkeit als auch der Richtung
der minimalen Zugfestigkeit das 0,76fache oder mehr der maximalen
Zugfestigkeit beträgt.
- (7) Erfindung 7 ist ein thermoakustisches Dämmungsmaterial
wie in einer der Erfindungen 1 bis 6, das eine Wärmeleitfähigkeit
von 0,039 W/m·°C oder weniger
aufweist.
- (8) Erfindung 8 ist ein thermoakustisches Dämmungsmaterial
wie in einer der Erfindungen 1 bis 7, wobei ein
akustisches Senkrechteinfalls-Absorptionsvermögen des
Materials, das eine Dicke von 25 mm aufweist, bei einer Frequenz
von 1000 Hz 48% oder mehr beträgt.
- (9) Erfindung 9 ist ein thermoakustisches Dämmungsmaterial
wie in einer der Erfindungen 1 bis 8, wobei die
Kohlefasern aus anisotropem Pech erhalten werden, das durch Polymerisieren
von kondensiertem polyzyklischem Kohlenwasserstoff erhalten wird.
- (10) Erfindung 10 ist ein Verfahren zur Herstellung
eines thermoakustischen Dämmungsmaterials,
das folgende Schritte umfasst:
einen Spinnschritt zum Schmelzen
des anisotropen Pechs, das durch Polymerisieren von kondensiertem polyzyklischem
Kohlenwasserstoff erhalten wird, und zum anschließenden Ausstoßen des
geschmolzenen Materials aus einer Spinndüse unter Blasen eines erhitzten
Gases vom Umfang der Spinndüse
in die gleiche Richtung, in die das geschmolzene Material ausgestoßen wird;
einen
Kohlefaserherstellungsschritt zum Herstellen nicht galvanisch korrosiver
Kohlefasern durch Unschmelzbarmachen der gesponnenen Fasern und
danach Verkohlen der Fasern bei nicht weniger als 550°C aber weniger
als 500°C;
einen
Sprüh-
und Sammelschritt zum Ansammeln der nicht galvanisch korrosiven
Kohlefasern auf einer Ebene zu einem wollartigen Material unter
Sprühen
einer hitzehärtbaren
Harzlösung
auf die Fasern; und
einen Hitzeformungsschritt zum Formen des
angesammelten Materials unter Ausübung von Hitze.
- (11) Erfindung 11 ist ein Verfahren zur Herstellung
des thermoakustischen Dämmungsmaterials
wie in Erfindung 10, umfassend einen Sammelschritt, wobei
die nicht galvanisch korrosiven Kohlefasern zu einem wollartigen
Material angesammelt werden, und einen Sprühschritt, wobei eine hitzehärtbare Harzlösung auf das
wollartige Material aus angesammelten Kohlefasern gesprüht wird.
- (12) Erfindung 12 ist ein Verfahren zur Herstellung
des thermoakustischen Dämmungsmaterials
wie in Erfindung 10 oder 11, wobei der Sprüh- und Sammelschritt
oder der Sammelschritt ein Verfahren des Ansammelns der Fasern durch
ein Fallenlassen der durch die Luft geöffneten Kohlefasern aus einer
Höhe von
zumindest 100 cm oder mehr umfasst.
- (13) Erfindung 13 ist ein Verfahren zur Herstellung
des thermoakustischen Dämmungsmaterials
wie in Erfindung 11 oder 12, wobei die wollartige
Kohlefaseransammlung eine Rohdichte von 1,3 kg/m3 oder
weniger aufweist.
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Weitere
Gesichtspunkte der Erfindung werden in Anspruch 14 bis 24 gezeigt.
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Die
Zugfestigkeit wurde mit einer Konstantquergeschwindigkeits-Zugversuchsvorrichtung
bei einer Zugversuchsgeschwindigkeit von 20 mm/min gemessen. Die
Länge der
Probe betrug 50 mm und die Größe der Probe
50 mm × 50
mm × 25
mm Dicke (Siehe 15 und 16). Einzelheiten zum Verfahren
des Zugversuchs finden sich im Abschnitt "Die Bedingungen bei der Messung der
Zugfestigkeiten",
der nachstehend beschrieben werden wird.
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Die
Wärmeleitfähigkeit
wurde bei 22°C
nach ASTM C-518 (American Society for Testing and Material: Wärmeflussmesserverfahren)
gemessen.
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Das
akustische Senkrechteinfalls-Absorptionsvermögen wurde nach JIS (Japanese
Industrial Standards) A-1405 gemessen.
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Die
Kompressionsregenerationsrate wurde wie folgt gemessen: Die Dicke
einer thermoakustischen Dämmungsmaterialprobe
mit einer Größe von 100
mm × 100
mm × 25
mm Dicke wurde nach einer vierundzwanzigmaligen Wiederholung einer
Folge aus einer dreißigminütigen Ausübung eines
Drucks von 0,7 kg/cm3 auf die Probe unter
Verwendung von Druckelementen mit einem Durchmesser von 76 mm aus
den Richtungen ihrer Dicke und einer anschließenden Aufhebung des Drucks
gemessen. Die Werte sind in einem Prozentsatz zur ursprünglichen
Dicke (25 mm) angegeben.
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Der
hierin erwähnte
galvanische Strom ist ein Wert des elektrischen Stroms, der in einer
galvanischen Zelle gemessen wurde, die durch ein Zellendiagrammbild
aus einer Kohlefaserelektrode/einer 0,45 gew.%igen wässrigen
Natriumchloridlösung/einer
Aluminiumelektrode ausgedrückt
ist. Die Einzelheiten werden nachstehend beschrieben werden.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist ein Kurvenbild, das
die Beziehung der Verkohlungstemperaturen für Kohlefasern zu galvanischen
Strömen
und der galvanischen Korrosion zeigt.
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2 ist ein Kurvenbild, das
die Beziehung zwischen den Verkohlungstemperaturen für Kohlefasern und
den Zugfestigkeiten der Einzelfasern zeigt.
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3 ist ein Kurvenbild, das
die Beziehung zwischen den Verkohlungstemperaturen für Kohlefasern und
den Zugfestigkeiten eines thermoakustischen Dämmungsmaterials, das die Kohlefasern
umfasst, zeigt.
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4 ist ein Kurvenbild, das
die Beziehung zwischen den Verkohlungstemperaturen für Kohlefasern (anisotropes
Pech und isotropes Pech) und den Zugfestigkeiten der Einzelfasern
zeigt.
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5 ist ein Kurvenbild, das
die Beziehung zwischen den Verkohlungstemperaturen für Kohlefasern (anisotropes
Pech und isotropes Pech) und den Zugfestigkeiten von thermoakustischen
Dämmungsmaterialien,
die die Kohlefasern umfassen, zeigt.
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6 ist ein Kurvenbild, das
die Beziehung zwischen den Durchmessern von Kohlefasern und der Wärmeleitfähigkeit
von thermoakustischen Dämmungsmaterialien
zeigt.
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7 ist ein Kurvenbild, das
die Beziehung zwischen den Durchmessern von Kohlefasern und dem akustischen
Senkrechteinfalls-Absorptionsvermögen von thermoakustischen Dämmungsmaterialien
bei einer Frequenz von 1000 Hz zeigt.
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8 ist ein Kurvenbild, das
die Schallabsorptionseigenschaften von thermoakustischen Dämmungsmaterialien,
die Kohlefasern als ihren Hauptbestandteil aufweisen, zeigt.
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9 ist ein Kurvenbild, das
die Beziehung zwischen den Rohdichten von thermoakustischen Dämmungsmaterialien,
die Kohlefasern als ihren Hauptbestandteil aufweisen, und ihren
Wärmedämmungsqualitäten (1/λ) zeigt.
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10 ist ein Kurvenbild, das
die Beziehung zwischen den Rohdichten von thermoakustischen Dämmungsmaterialien,
die Kohlefasern als ihren Hauptbestandteil aufweisen, und ihren
Wärmedämmungsqualitäten pro
Einheitsrohdichte ((1/λ)/ρ) zeigt.
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11 ist ein Histogramm, das
die Verteilung der Durchmesser der in Beispiel 1 bis 6 und Vergleichsbeispiel
1 und 2, die nachstehend beschrieben sind, verwendeten Vorläuferfasern
zeigt.
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12 ist ein schematisches
Diagramm einer galvanischen Zelle.
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13 ist ein erklärendes Diagramm
zur Veranschaulichung eines galvanischen Korrosionsversuchs.
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14 ist ein Konzeptdiagramm,
das den Zustand der Kontaktpunkte der Kohlefasern zeigt, die ein thermoakustisches
Kohlefaserdämmungsmaterial
bilden (Kontaktpunkte: •).
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15 ist ein Diagramm zur
Erklärung
des Verfahrens des Zugfestigkeitsversuchs (Längsrichtung und Breitenrichtung).
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16 ist ein Diagramm zur
Erklärung
des Zugfestigkeitsversuchs (Dickenrichtung).
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DIE BESTE
ART ZUR AUSFÜHRUNG
DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf Versuche
und 1 bis 13, die die Ergebnisse der
Versuche zeigen, ausführlich
besprochen. Die nachstehende Beschreibung wird die Wirkungen der
vorliegenden Erfindung klarmachen.
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Wenn
nicht anders angegeben, umfassten die Kohlefasern, die in den nachstehenden
Versuchen verwendet wurden, anisotropes Pech als ein Material, und
wiesen die Fasern einen durchschnittlichen Faserdurchmesser von
1,3 μm (Faserdurchmesser:
0,5 μm bis
3,5 μm)
und eine durchschnittliche Faserlänge von 5 mm (Faserlänge: 1 mm
bis 15 mm) auf. Die in den Versuchen verwendeten thermoakustischen
Dämmungsmaterialien
(es wurde nur ein dreidimensionaler Aufbau der Kohlefasern verwendet)
wurden aus den oben erwähnten
Kohlefasern hergestellt, die durch ein hitzehärtbares Harz aneinandergeklebt
wurden, und die sich ergebenden Materialien wiesen eine Rohdichte
von 4,8 kg/m3 auf. Die Einzelheiten des
Herstellungsverfahrens usw. der thermoakustischen Dämmungsmaterialien
werden später
beschrieben werden. Das thermoakustische Dämmungsmaterial, das aus den
Kohlefasern hergestellt ist, deren Kontaktpunkte durch ein hitzehärtbares
Harz aneinandergeklebt sind, wird nachstehend als "ein thermoakustisches
KF-Dämmungsmaterial" bezeichnet. Das
herkömmliche
thermoakustische Dämmungsmaterial,
das aus Glasfasern hergestellt ist, wird nachstehend als "ein aus Glasfasern
hergestelltes thermoakustisches Dämmungsmaterial" bezeichnet (in den Figuren
wird es als "GF" dargestellt).
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Als
erstes werden nachstehend die Verfahren der Versuche angegeben werden.
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Das Verfahren
zum Messen galvanischer Ströme
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12 zeigt eine Vorrichtung
zum Messen galvanischer Ströme.
In 12 bezeichnet 1 eine
Kohlefaserelektrode (eine Seite der Elektroden). Zum Messen eines
galvanischen Stroms der Kohlefasern selbst wurden 100 mg der Kohlefasern
als Anhäufung
mit einer Dicke von 1 mm, einer Breite von 40 mm und einer Höhe von 50
mm angefertigt, und die sich ergebende Anhäufung wurde als die Kohlefaserelektrode
verwendet. Zum Messen eines galvanischen Stroms eines thermoakustischen
KF-Dämmungsmaterials
wurde das in der gleichen Größe wie die
oben erwähnte
Anhäufung
angefertigte thermoakustische KF-Dämmungsmaterial als eine Kohlefaserelektrode
verwendet.
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In 12 bezeichnet 2 eine
aus der Aluminiumlegierung 2024 bestehende Aluminiumelektrode (die andere
Seite der Elektroden) mit den folgenden Abmessungen, einer Dicke
von 1 mm, einer Breite von 40 mm und einer Höhe von etwa 50 mm. Ein Glasfasertuch 3a weist
eine Dicke von 0,2 mm auf und ist zwischen der Kohlefaserelektrode 1 und
der Aluminiumelektrode 2 angeordnet, um den Abstand zwischen
den beiden Elektroden zu beschränken.
Eine Glasplatte 4 trägt
eine Seite der Kohlefaserelektrode 1 zusammen mit einem Glasfasertuch 3b,
das zwischen der Kohlefaserelektrode 1 und der Glasplatte 4 angeordnet
ist, damit sich die Kohlefasern, die die Elektrode 1 bilden,
nicht ablösen.
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Ein
Elektrolyt 5 besteht aus einer 0,45 gew.%igen wässrigen
Natriumchloridlösung
(200 ml). In 12 bezeichnet 7 einen
Nullnebenschluss-Strommesser (HM- 104,
hergestellt von Hokuto Denko Co., Ltd., Japan) und 8 einen
Becher aus Glas (300 ml). Eine Elektrodengruppe 9, die
aus der Kohlefaserelektrode 1, der Aluminiumelektrode 2,
dem Glasfasertuch 3a, dem Glasfasertuch 3b und
der Glasplatte 4 besteht, wird in den Elektrolyt 5 eingetaucht,
und die Elektrode 1 und die Elektrode 2 werden
durch Zuleitungsdrähte 6 mit
dem Nullnebenschluss-Strommesser 7 verbunden.
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Unter
Verwendung der oben beschriebenen Vorrichtung wurden galvanische
Ströme
mit dem Strommesser 7 gemessen, nachdem die Elektrodengruppe 9 für eine Stunde
in den Elektrolyt 5 eingetaucht wurde. Die so gemessenen
Werte wurden hierin als galvanische Ströme verwendet.
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Das Verfahren
des Bewertens der galvanischen Korrosivität
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Die
Bewertung, ob eine Probe galvanische Korrosivität aufweist, oder nicht, erfolgte
unter Verwendung eines in 13 gezeigten
Versuchsstücks.
In 13 bezeichnet 10
entweder eine wollartige Kohlefaseranhäufungsprobe, die mit Abmessungen
von 40 × 40
mm im Quadrat und einer Dicke von 20 mm angefertigt wurde, oder
ein thermoakustisches KF-Dämmungsmaterial,
das mit den gleichen Abmessungen wie die oben erwähnte Anhäufung angefertigt
wurde. In der gleichen Figur bezeichnet 11 eine aus der
Aluminiumlegierung 2024 hergestellte Platte mit Abmessungen von
40 × 40
mm im Quadrat und einer Dicke von 1 mm, deren Oberfläche poliert
ist, um eine spiegelnde Oberfläche
zu bilden, und dann mit einer Lösung
behandelt ist, die 2% CrO3 und 2% H3PO4 enthielt. Ein
Versuchsstück 12 besteht
aus der Probe 10, die zwischen die Aluminiumlegierungsplatten 11 gefügt ist.
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Das
Versuchsstück 12 wurde
zuerst für
24 Stunden in einem Raum belassen, in dem die relative Feuchtigkeit 90%
und die Temperatur 40°C
betrug, und dann in einem Raum angeordnet, in dem die Bedingungen
normal waren (eine Temperatur von 18 bis 27°C und eine relative Feuchtigkeit
von 40 bis 70%) und dort für
weitere 24 Stunden belassen. Dann wurde das Versuchsstück 12 in
den Raum zurückgebracht,
in dem die relative Feuchtigkeit 90% und die Temperatur 40°C betrug.
Diese Folge wurde 15 mal (30 Tage lang) wiederholt. Nach dem Abschluss
dieser Folgen (nach 30 Tagen) wurde die spiegelnde Oberfläche des
Aluminiums durch den Augenschein untersucht. Wenn die Oberfläche den
gleichen Zustand wie ihren ursprünglichen
Zustand zeigte, wurde sie als "keine
galvanische Korrosion beobachtet (–)" definiert. Wenn ein geringfügiges Anlaufen
an der Oberfläche
erkannt wurde, wurde sie als "geringe
galvanische Korrosion beobachtet (±)" definiert. Wenn die Oberfläche deutlich
korrodiert war, wurde sie als "galvanische
Korrosion beobachtet (+)" definiert.
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Für die thermoakustischen
Dämmungsmaterialien
wurden die Zugfestigkeit, die Wärmeleitfähigkeit, das
akustische Senkrechteinfalls-Absorptionsvermögen und die Kompressionsregenerationsrate
nach den oben beschriebenen Verfahren gemessen. Für Einzelfasern
wurde die Zugfestigkeit nach JIS R-7601 gemessen. Die Einzelheiten
der Messverfahren sind hierin in den entsprechenden Abschnitten
beschrieben.
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Zweitens
werden die Ergebnisse der Versuche nachstehend unter Bezugnahme
auf die Figuren ausführlich
besprochen.
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Die Beziehung
zwischen galvanischen Strömen
und der galvanischen Korrosion
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1 zeigt die Beziehung zwischen
den Verkohlungstemperaturen für
die Kohlefaservorläufer,
den galvanischen Strömen
der Kohlefasern nach einer Verkohlungsbehandlung und der thermoakustischen KF-Dämmungsmaterialien, die die
Kohlefasern verwenden, und dem Auftreten einer galvanischen Korrosion (↑). Die Kohlefaservorläufer wurden
aus anisotropem Pech hergestellt, das durch Polymerisieren von kondensiertem
polyzyklischem Kohlenwasserstoff erhalten wurde, zu einem durchschnittlichen
Faserdurchmesser von 1,3 μm
und einer durchschnittlichen Faserlänge von 5 mm gesponnen, und
dann einer Unschmelzbarmachungsbehandlung unterzogen.
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In 1 zeigt λ–λ die galvanischen Ströme der Kohlefasern,
und x–x
die galvanischen Ströme
der thermoakustischen KF-Dämmungsmaterialien.
Die X-Achse (galvanische Ströme)
in der Figur ist durch einen logarithmischen Maßstab angezeigt.
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Wie
in 1 ersichtlich ist,
wurden die galvanischen Ströme
mit dem Ansteigen der Verkohlungstemperaturen exponentiell größer. Was
das Auftreten einer galvanischen Korrosion betrifft, wurde bei einem
galvanischen Strom von 20 μA
eine geringe Korrosion beobachtet, während bei 10 μA oder weniger
keine Korrosion beobachtet wurde.
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Aus
den obigen Ergebnissen lässt
sich beurteilen, dass das Auftreten einer galvanischen Korrosion durch
Steuern eines galvanischen Stroms von Kohlefasern auf 20 μA oder weniger
und vorzugsweise auf 10 μA
oder weniger praktisch verhindert werden kann. Die Entsprechung
zwischen der X-Achse und dem Auftreten einer galvanischen Korrosion
zeigt an, dass die Verkohlungstemperatur auf 800°C oder weniger oder vorzugsweise
auf 750°C
oder weniger gesteuert werden sollte, um die Kohlefasern, die keine
galvanische Korrosion verursachen, herzustellen.
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Um
die Kohlefaservorläufer
ausreichend zu verkohlen, muss die Verkohlungstemperatur jedoch
550°C oder
mehr betragen. Wenn die Temperatur weniger als 550°C beträgt, ist
es möglich,
dass die Verkohlungsbehandlung unzureichend ist. Aus diesen Gründen sollte
die Verkohlungstemperatur innerhalb des Bereichs von 550°C bis 800°C oder vorzugsweise
550°C bis
750°C gesteuert
werden.
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Im
Versuch, der 1 betrifft,
wurde eine geringe galvanische Korrosion beobachtet, wenn der galvanische
Strom der Kohlefasern 20 μA
betrug. Die oben beschriebenen Versuchsergebnisse hinsichtlich der
galvanischen Korrosivität
wurden jedoch unter derart strengen Bedingungen erhalten, dass die
Probe wiederholt einer Temperatur von 40°C und einer relativen Feuchtigkeit
von 90% ausgesetzt wurde. Verglichen damit sind die Bedingungen,
unter denen thermoakustische Dämmungsmaterialien
normalerweise verwendet werden, nicht so streng. Es wird daher angenommen,
dass das Auftreten einer galvanischen Korrosion verhindert werden
kann, wenn der galvanische Strom auf weniger als 20 μA gesteuert
wird.
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Es
gab einen geringfügigen
Unterschied zwischen den galvanischen Strömen der Kohlefasern selbst (λ–λ) und den
galvanischen Strömen
der thermoakustischen KF-Dämmungsmaterialien,
die die Kohlefasern verwenden (x–x). Dieser Unterschied wird
als die Auswirkung des in den thermoakustischen KF-Dämmungsmaterialien
enthaltenen hitzehärtbaren
Harzes betrachtet. Das heißt,
das hitzehärtbare
Harz war zur Verringerung der galvanischen Ströme tätig. Aus diesem Grund wird
angenommen, dass ein thermoakustisches KF-Dämmungsmaterial,
das praktisch keine galvanische Korrosion verursacht, erhalten wird,
wenn das Material aus den Kohlefasern hergestellt wird, die einen
galvanischen Strom von 20 μA
oder weniger aufweisen. Nichtsdestotrotz wird wie oben erwähnt stärker bevorzugt,
den galvanischen Strom auf 10 μA
oder weniger zu steuern.
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Die Beziehung
der Verkohlungstemperaturen zu den Zugfestigkeiten und den Dehnungen
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2 zeigt die Beziehung der
Verkohlungstemperaturen zu den Zugfestigkeiten (kg/mm2)
und den Dehnungen der Einzelfasern. Das obere Kurvenbild von 3 zeigt die Beziehung zwischen
den Zugfestigkeiten in der Längsrichtung
der thermoakustischen KF-Dämmungsmaterialien
(g/mm2) und den Verkohlungstemperaturen
für die
Kohlefasern, die die Materialien bilden. Das untere Kurvenbild von 3 zeigt die Beziehung zwischen
den Kompressionsregenerationsraten (%) der thermoakustischen KF-Dämmungsmaterialien und
den Verkohlungstemperaturen.
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Was
die Einzelfasern betrifft, wurden die Zugfestigkeitswerte hierin
nach JIS R-7061 gemessen. Da es jedoch schwierig ist, die Zugfestigkeiten
von extradünnen
Fasern mit Durchmessern von 0,5 μm
bis 3,5 μm (einem
durchschnittlichen Faserdurchmesser von 1,3 μm) zu messen, wurden die in 2 gezeigten Ergebnisse nach
dem folgenden Verfahren erhalten. Zuerst wurden Kohlefasern mit
Durchmessern von 10 um bis 13 μm
unter den gleichen Bedingungen mit Ausnahme ihres Durchmessers angefertigt
und die Zugfestigkeiten der angefertigten Fasern gemessen. Dann
wurden die gemessenen Ergebnisse in die Werte pro Einheitsquerschnittsfläche umgewandelt,
und die umgewandelten Werte sind in den Figuren gezeigt. Was die
thermoakustischen KF-Dämmungsmaterialien
betrifft, bestanden die in diesem Versuch eingesetzten Materialien
nur aus den dreidimensionalen Aufbauten (Rohdichte: 4,8 kg/m3) von Kohlefasern, und wurden die Zugfestigkeitswerte nach
den später
im Abschnitt "Die
Bedingungen beim Messen der Zugfestigkeit" beschriebenen Bedingungen gemessen.
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Wie
in 2 ersichtlich ist,
wurden die Zugfestigkeiten der Kohlefasern selbst mit dem Höherwerden der
Verkohlungstemperaturen größer und
bildeten eine Kurve wie eine lineare Funktion. Was die Dehnungen betrifft,
wurde der größte Wert
bei etwa 650°C
beobachtet, wurden die großen
Dehnungswerte von 625°C
bis 800°C
erhalten, und blieben die Werte über
800°C unverändert.
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Wie
in 3 ersichtlich ist,
fand sich der größte Wert
hinsichtlich der Zugfestigkeiten der thermoakustischen KF-Dämmungsmaterialien
bei etwa 700°C
und der kleinste Wert bei etwa 800°C (das obere Kurvenbild in 3).
-
Die
Beziehung zwischen den Kompressionsregenerationsraten und den Verkohlungstemperaturen
für die
thermoakustischen KF-Dämmungsmaterialien
zeigte ähnliche
Ergebnisse wie die oben erwähnte
Beziehung zwischen den Zugfestigkeiten und den Verkohlungstemperaturen
(das untere Kurvenbild in 3).
-
Aus
diesen Ergebnissen versteht man, dass durch die Verkohlungsbehandlung
bei etwa 625°C
bis 800°C
Kohlefasern hergestellt werden können,
die einen hohen Dehnungswert aufweisen. Man versteht ebenfalls,
dass es dann, wenn die auf diese Weise hergestellten Kohlefasern
beim Herstellen eines thermoakustischen KF-Dämmungsmaterials
eingesetzt werden, möglich
ist, ein thermoakustisches KF-Dämmungsmaterial herzustellen,
das eine Zugfestigkeit von 1,0 g/mm2 oder
höher aufweist,
und dass das sich ergebende Material dadurch eine hervorragende
Kompressionsregenerationsrate aufweist.
-
In 2 und 3 führte
sowohl die Beziehung zwischen den Zugfestigkeiten und den Verkohlungstemperaturen
als auch die Beziehung zwischen den Kompressionsregenerationsraten
und den Verkohlungstemperaturen zu Kurven zweiter Ordnung, die unerwarteter
Weise Maximalwerte und Minimalwerte aufwiesen, während die Beziehung zwischen
den Zugfestigkeiten der Kohlefasern (Einzelfasern) und den Verkohlungstemperaturen
zu einem Kurvenbild wie eine lineare Funktion führten. Als Grund dafür wird angenommen,
dass die Dehnungen der Kohlefasern die Zugfestigkeiten und die Kompressionsregenerationsraten
der thermoakustischen KF-Dämmungsmaterialien
deutlich beeinflussen. Die Überlegung
hinsichtlich dieses Umstands wird nachstehend geboten.
-
14 ist ein Konzeptdiagramm,
das den Kontaktzustand der Kohlefasern zeigt, die ein thermoakustisches
KF-Dämmungsmaterial
bilden (Kontaktpunkte: •).
-
Unter
Bezugnahme auf 14 verändert sich
die Form der Maschen und wendet sich jedes Liniensegment, das die
Maschen bildet, in die Dehnungsrichtung, wenn ein thermoakustisches
KF-Dämmungsmaterial
in die durch die Pfeile angegebene Richtung gedehnt wird. Da die
Länge jedes
Liniensegments jedoch unterschiedlich ist, erhalten die Liniensegmente,
die bestimmte Seiten der Maschen bilden, eine größere Spannung als jene der
anderen Seiten. Als Ergebnis davon werden die Liniensegmente abgetrennt
oder die Kontaktpunkte (•),
die die Segmente aneinander binden, gelöst.
-
Falls
die Maschen aus Liniensegmenten (z. B. Kohlefasern) bestehen, die
eine große
Dehnbarkeit aufweisen, befähigt
die Dehnung in der spezifischen Seite die Maschen, die Spannung
aufgrund der resultierenden Kraft mit den anderen Seiten zu ertragen,
auch wenn spezifische Seiten (Liniensegmente) mit einer größeren Dehnung
als der Rest der Seiten gedehnt werden. Mit anderen Worten werden
die Trennungen der Liniensegmente und die Lösungen der verbundenen Punkte
(•) als
Ergebnis davon, dass die Maschen der Spannung durch ein Wirken als
ein Netzwerk widerstehen, verringert und wird dadurch die größere Zugfestigkeit des
gesamten Materials erhalten. Es wird angenommen, dass die Zugfestigkeit
als ein Netzwerk am größten wird,
wenn die Dehnung und die Zugfestigkeit der Einzelfasern am besten
ausgewogen sind.
-
Die
in 2 und 3 gezeigten Ergebnisse zeigen an, dass
die Zugfestigkeit und die Dehnung der Einzelfasern dann, wenn die
Verkohlungsbehandlung bei 700°C
durchgeführt
wird, am besten ausgewogen sind und somit die Zugfestigkeit des
gesamten Materials (die Zugfestigkeit des thermoakustischen KF-Dämmungsmaterials) wie auch die
Kompressionsregenerationsrate des thermoakustischen KF-Dämmungsmaterials groß wird.
-
Der Unterschied
zwischen isotropem Pech und anisotropem Pech
-
4 zeigt die Beziehung zwischen
den Verkohlungstemperaturen für
Kohlefasern und den Zugfestigkeiten der Fasern. Die in diesem Versuch
verwendeten Fasern waren die Kohlefasern, die aus anisotropem Pech
hergestellt waren, das durch Polymerisieren von kondensiertem polyzyklischem
Kohlenwasserstoff erhalten wurde, und jene, die aus isotropem Pech
hergestellt waren, das aus Kohlenteer hergestellt war. 5 zeigt die Beziehung zwischen
den Verkohlungstemperaturen für
diese Kohlefasern und den Zugfestigkeiten (in der Längsrichtung)
der thermoakustischen KF-Dämmungsmaterialien
(Rohdichte: 4,8 kg/m3). Die in diesem Versuch
verwendeten thermoakustischen KF-Dämmungsmaterialien wurden aus
den oben erwähnten
Kohlefasern hergestellt.
-
Wie
in 4 ersichtlich ist,
wiesen die Kohlefasern, die aus anisotropem Pech hergestellt waren,
viel größere Zugfestigkeiten
als die Kohlefasern auf, die aus isotropem Pech hergestellt waren.
Und wie aus 5 ersichtlich
ist, gab es bei den thermoakustischen KF-Dämmungsmaterialien,
die die aus isotropem Pech hergestellten Kohlefasern umfassten,
im Gegensatz zum Kurvenbild der thermoakustischen KF-Dämmungsmaterialien, die die
aus anisotropem Pech hergestellten Kohlefasern umfassten, keinen
Maximalwert und keinen Minimalwert bei den Zugfestigkeiten. Aus
den Ergebnissen dieses Versuchs wird geschlossen, dass das Vorhandensein
des maximalen und des minimalen Zugfestigkeitswerts eine Eigenschaft
ist, die den Kohlefasern, welche aus anisotropem Pech hergestellt
sind, das durch Polymerisieren von kondensiertem polyzyklischem Kohlenwasserstoff
erhalten wird, eigentümlich
ist. Das Vorhandensein des maximalen und des minimalen Werts weist
daher eine große
Bedeutung beim Verbessern der Qualität und der Herstellungseffizienz
des thermoakustischen KF-Dämmungsmaterials
der vorliegenden Erfindung auf.
-
Das
Folgende wird aus den Ergebnissen der in 1 bis 5 gezeigten
Versuche geschlossen: Angesichts der Dehnung (Zähigkeit) der Kohlefasern und
der Zugfestigkeit des thermoakustischen KF-Dämmungsmaterials,
die aus den Vorläufern
hergestellt werden, sollte anisotropes Pech, das durch Polymerisieren
von kondensiertem polyzyklischem Kohlenwasserstoff erhalten wird,
als ein Material der Kohlefaservorläufer eingesetzt werden. Die
Verkohlungstemperatur für
die Kohlefaservorläufer
sollte 550°C
oder mehr, aber weniger als 800°C,
bevorzugter 550°C
bis 750°C,
oder vorzugsweise 650°C
bis 750°C
betragen. Wenn aus den Kohlefasern, die der Verkohlungsbehandlung
bei 650°C
bis 750°C
unterzogen wurden, ein thermoakustisches KF-Dämmungsmaterial hergestellt
wird, wird das sich ergebende Material eine Zugfestigkeit von 1,0
g/mm3 oder höher und einen galvanischen
Strom von 10 μA
oder weniger aufweisen.
-
Das
so erhaltene thermoakustische KF-Dämmungsmaterial verursacht praktisch
keine galvanische Korrosion.
-
Die Beziehung
der Faserdurchmesser zur Wärmeleitfähigkeit
und zum akustischen Senkrechteinfalls-Absorptionsvermögen
-
6 zeigt die Beziehung zwischen
der Wärmeleitfähigkeit λ (W/m·°C) des thermoakustischen KF-Dämmungsmaterials (Rohdichte:
4,8 kg/m3, Dicke: 25 mm) und den durchschnittlichen
Durchmessern der Kohlefasern, die das Material bilden. 7 zeigt die Beziehung zwischen
den durchschnittlichen Durchmessern der Kohlefasern, die das Material
bilden, und dem akustischen Senkrechteinfalls-Absorptionsvermögen des
Materials bei 1000 Hz. Die Wärmeleitfähigkeit
und das akustische Senkrechteinfalls-Absorptionsvermögen eines
aus Glasfasern hergestellten herkömmlichen thermoakustischen
Dämmungsmaterials
(GF, Rohdichte: 4,8 kg/m3, durchschnittlicher
Faserdurchmesser: 1 μm,
durchschnittliche Faserlänge:
10 mm) sind zum Vergleich (durch x dargestellt) ebenfalls in 6 und 7 gezeigt.
-
Die
Werte in 6 und 7 wurden nach einem empirischen
Verfahren erhalten. Der Grund dafür ist, dass aufgrund der wie
in 11 gezeigten Verteilung
der Durchmesser der hergestellten Kohlefasern beim Anfertigen eines
thermoakustischen KF-Dämmungsmaterials,
das einen bestimmten durchschnittlichen Faserdurchmesser aufweist,
eine große
Menge an Einfallsreichtum im Herstellungsprozess und an Mühe im Messprozess
erforderlich ist.
-
6 zeigt, dass die Wärmeleitfähigkeit
umso größer ist,
je größer der
Durchmesser der Kohlefasern ist. 6 zeigt
auch, dass das thermoakustische KF-Dämmungsmaterial,
das die Kohlefasern umfasst, welche einen durchschnittlichen Durchmesser
von 5 μm
oder weniger aufweisen, einen Grad der Wärmedämmungsqualität erreichen
kann, der gleich wie oder höher
als jener des aus Glasfasern mit einem durchschnittlichen Durchmesser
von 1 μm
(Wärmeleitfähigkeit:
0,039 W/m·°C) hergestellten
thermoakustischen Dämmungsmaterials
ist. Mit anderen Worten bestimmt der Umstand, ob der durchschnittliche
Durchmesser innerhalb der Wertbeschränkung von 5 μm bleibt,
oder nicht, ob der Grad der Wärmedämmungsqualität eines
thermoakustischen KF-Dämmungsmaterials
gleich wie oder höher
als jener des aus Glasfasern mit einem durchschnittlichen Durchmesser
von 1 μm
hergestellten Materials ist, oder nicht. In 6 war der Grad der Wärmedämmungsqualität sogar
dann, wenn die Kohlefasern eingesetzt wurden, die größere durchschnittliche
Durchmesser als den durchschnittlichen Durchmesser der Glasfasern
aufwiesen, immer noch höher
als jener des Materials, das die Glasfasern umfasste. Dies ist erstaunlicherweise
wünschenswert,
da Kohlefasern, die größere Durchmesser
aufweisen, leichter herzustellen sind.
-
7 zeigt, dass das akustische
Senkrechteinfalls-Absorptionsvermögen umso
geringer ist, je größer der
durchschnittliche Durchmesser von Kohlefasern ist. 7 zeigt auch, dass das thermoakustische KF-Dämmungsmaterial, das die Kohlefasern
umfasst, die einen durchschnittlichen Durchmesser von ungefähr 2 μm oder weniger
aufweisen, ein akustisches Absorptionsvermögen erreichen kann, das gleich
wie oder höher
als jenes des aus Glasfasern hergestellten herkömmlichen Materials ist (48%
oder mehr bei einer Dicke von 25 mm). Mit anderen Worten bestimmt
der Umstand, ob der durchschnittliche Durchmesser innerhalb der Wertbeschränkung von
2 μm bleibt,
oder nicht, ob die Schallabsorptionsqualität eines thermoakustischen KF-Dämmungsmaterials
gleich wie oder höher
als jene des aus Glasfasern mit einem durchschnittlichen Durchmesser
von 1 μm
hergestellten thermoakustischen Dämmungsmaterials ist. In 7 waren die akustischen
Absorptionsvermögen
sogar dann, wenn die Kohlefasern eingesetzt wurden, die größere durchschnittliche
Durchmesser als den durchschnittlichen Durchmesser der Glasfasern
aufwiesen, höher
als jene des aus Glasfasern hergestellten Materials. Dies ist erneut
erstaunlicherweise wünschenswert,
da Kohlefasern, die größere Durchmesser
aufweisen, leichter herzustellen sind.
-
Die
obigen Ergebnisse zeigen, dass es vorzuziehen ist, einen durchschnittlichen
Durchmesser der Kohlefasern mit 5 μm oder kleiner oder bevorzugter
2 μm oder
kleiner festzulegen. Beim gegenwärtigen
Stand der Technik ist es jedoch äußerst schwierig,
Kohlefasern mit einem durchschnittlichen Durchmesser von weniger
als 0,5 μm
herzustellen. Ein bevorzugter durchschnittlicher Durchmesser von
Kohlefasern ist daher 0,5 μm
bis 5 μm
und bevorzugter 0,5 μm
bis 2 μm.
-
Was
die Länge
der Kohlefasern (die Faserlänge)
betrifft, ist es schwierig, Kohlefasern mit einer durchschnittlichen
Faserlänge
von mehr als 15 mm herzustellen, wenn die Fasern extradünne Kohlefasern
mit einem durchschnittlichen Faserdurchmesser von 0,5 μm bis 5 μm sind. Darüber hinaus
sind die Fasern, die länger
als 15 mm sind, nicht vorzuziehen, da die Fasern beim Herstellen
der Kohlefaseranhäufung
dazu neigen, zweidimensional ausgerichtet zu werden. In gleicher
Weise ist es unmöglich,
wünschenswerte
dreidimensionale Strukturen zu bilden, wenn die durchschnittliche
Faserlänge
kürzer
als 1 mm ist, da sich die Verflechtung der Fasern nicht leicht entwickeln
kann. Ferner werden die Fasern mit einem durchschnittlichen Faserdurchmesser
von 1 mm wahrscheinlich dahingehend Probleme erzeugen, dass die
Fasern leicht aus den Strukturen gelöst werden, wodurch durch das
Eindringen der Faserbruchstücke
in die elektrischen Schaltkreise Störungen in elektrischen Vorrichtungen,
die die Strukturen umgeben, verursacht werden. Andererseits sind
Fasern, die eine durchschnittliche Länge von 3 mm bis 8 mm aufweisen,
leicht herzustellen und dreidimensional auszurichten.
-
Aus
den obigen Gründen
wird bevorzugt, eine durchschnittliche Faserlänge mit 1 mm bis 15 mm und vorzugsweise
mit 3 mm bis 8 mm festzulegen.
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In 8 zeigt das Kurvenbild die
akustischen Senkrechteinfalls-Absorptionsvermögen gegenüber Frequenzen hinsichtlich
des thermoakustischen KF-Dämmungsmaterials,
das die Kohlefasern mit einem durchschnittlichen Durchmesser von
1,3 μm umfasst,
und des Materials, das die Kohlefasern mit einem durchschnittlichen
Durchmesser von 13 μm
umfasst.
-
Aus
dem Vergleich der obigen Materialien versteht man, dass das thermoakustische
KF-Dämmungsmaterial,
das extradünne
Kohlefasern mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 1,3 μm umfasst,
insbesondere in einem Hochfrequenzbereich eine ausgezeichnete Schallabsorptionsqualität aufweist.
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Rohdichte
und Wärmedämmungseigenschaft
-
Eine
Anzahl von thermoakustischen KF-Dämmungsmaterialien,
die sich nur in ihren Rohdichten unterschieden, wurde angefertigt,
um ihre Wärmeleitfähigkeit λ (λ = W/m·°C, W steht
für "Watt") zu messen. Die Ergebnisse
der Messungen sind in 9 als
die Beziehung zwischen den Rohdichten und 1/λ (der Wärmedämmungseigenschaft) gezeigt.
Unter Bezugnahme auf 9 wird
nachstehend die Beziehung zwischen der Rohdichte und der Wärmedämmungseigenschaft
(1/λ) des
thermoakustischen KF-Dämmungsmaterials
erklärt. 9 zeigt sowohl die Ergebnisse
der thermoakustischen KF-Dämmungsmaterialien
(Dicke: 25 mm, durch λ–λ dargestellt)
als auch des herkömmlichen thermoakustischen
Dämmungsmaterials,
das einen durchschnittlichen Faserdurchmesser von 1,0 μm oder 2,5 μm und eine
durchschnittliche Faserlänge
von 5 bis 15 mm aufweist (durch x dargestellt).
-
9 veranschaulicht, dass
die Wärmedämmungseigenschaft
umso besser ist, je größer die
Rohdichte ist. Es wird jedoch bemerkt, dass der Grad der Verbesserung
mit der Zunahme der Rohdichte abnimmt. Es wird auch bemerkt, dass
die Wärmedämmungseigenschaft
eines thermoakustischen KF-Dämmungsmaterials
jener des aus Glasfasern hergestellten Materials bei einem Vergleich
bei der gleichen Rohdichte weit überlegen
ist. Dies zeigt an, dass ein thermoakustisches KF-Dämmungsmaterial sogar mit einem
geringeren Gewicht den gleichen Grad der Wärmedämmungseigenschaft wie jenen
des aus Glasfasern hergestellten thermoakustischen Dämmungsmaterials
erzielen kann. Ferner wird bemerkt, dass die Wirkung der Wärmedämmung gleich
wie oder höher
als jene des Glasfasern mit einem durchschnittlichen Faserdurchmesser
von 1 μm
umfassenden Materials ist, wenn das thermoakustische KF-Dämmungsmaterial
eine Rohdichte von 3 kg/m3 oder höher aufweist.
-
10 ist ein Kurvenbild, in
dem die X-Achse die Rohdichte und die Y-Achse die Werte, die durch
Teilung der Wärmedämmungseigenschaft
(1/λ) durch
die Rohdichte ρ erhalten
werden ((1/λ)/ρ), zeigt.
Dieses Kurvenbild veranschaulicht die Wärmedämmungseigenschaft eines thermoakustischen
Dämmungsmaterials pro
Einheitsrohdichte (die Wärmedämmungsqualität pro Gewicht).
In 10 nimmt die Wärmedämmungseigenschaft
pro Einheitsrohdichte mit der Zunahme der Rohdichte ab und bildet
beinahe eine gerade Linie. Dies zeigt an, dass die Wärmedämmungsqualität pro Gewicht
umso besser ist, je geringer die Rohdichte ist, und dass ein thermoakustisches
KF-Dämmungsmaterial
eine bessere Wärmedämmungsqualität pro Gewicht ((1/λ)/ρ) als das
aus Glasfasern (x) hergestellte Material aufweist.
-
Ferner
ist die Wärmedämmungsqualität pro Gewicht
des thermoakustischen KF-Dämmungsmaterials mit
einer Rohdichte von 10 kg/m3 beinahe jener
des aus Glasfasern hergestellten Materials mit einer Rohdichte von
6,3 kg/m3 (x) gleich. Dieses Ergebnis zeigt,
dass garantiert werden kann, dass die Wärmedämmungsqualität gleich
wie oder höher
als jene des aus Glasfasern hergestellten Materials (Rohdichte:
6,7 kg/m3) ist, bei dem es sich um ein typisches
herkömmlich
verwendetes thermoakustisches Dämmungsmaterial
handelt, wenn die Rohdichte eines thermoakustischen KF-Dämmungsmaterials
10 kg/m3 oder weniger beträgt.
-
Aus
den oben erwähnten
Ergebnissen wird geschlossen, dass eine Rohdichte eines thermoakustischen
KF-Dämmungsmaterials
vorzugsweise 3 kg/m3 bis 10 kg/m3 betragen sollte.
-
Kompressionsregeneration
-
Die
Kompressionsregenerationsrate ist eine der Eigenschaften, die die
mechanische Stärke
eines thermoakustischen KF-Dämmungsmaterials
widerspiegelt. Wenn ein thermoakustisches Dämmungsmaterial mit einer kleinen
Kompressionsregenerationsrate unter derartigen Bedingungen verwendet
wird, dass das Material durch eine Schwingung und eine Kompressionskraft,
die sich aus der Schwingung ergibt, angegriffen wird, wird die anfängliche
Schall- und Wärmedämmungsqualität innerhalb
eines kurzen Zeitraums verschwinden. Einer der Gründe dafür ist, dass
die Fülle
des Materials aufgrund der Schwingung und der Kompression allmählich abnimmt,
wenn die Kompressionsregenerationsrate gering ist, was das Schrumpfen
der inneren Zwischenräume
des Materials verursacht und dadurch zur Verschlechterung der Qualität des Materials
führt. Ein
anderer Grund dafür ist,
dass die Abnahme der Fülle
einen Zwischenraum im Raum, in den das Material eingesetzt wurde,
verursacht.
-
Eine
der Aufgaben der vorliegenden Erfindung ist, ein thermoakustisches
KF-Dämmungsmaterial
bereitzustellen, das eine Qualität
aufweist, die gleich wie oder höher
als jene des herkömmlichen,
aus Glasfasern hergestellten Materials ist. Das Material der vorliegenden
Erfindung muss daher den gleichen Grad der Kompressionsregenerationsrate
wie jenen des aus Glasfasern hergestellten Materials sicherstellen.
Das typische herkömmlich
verwendete, aus Glasfasern hergestellte Material (Rohdichte: 6,7
kg/m3) weist eine Kompressionsregenerationsrate
von 70% auf (siehe das Vergleichsbeispiel 4 in Tabelle 4, das später beschrieben
werden wird).
-
Deswegen
sollte eine Kompressionsregenerationsrate eines thermoakustischen
KF-Dämmungsmaterials
zumindest 70% oder höher
oder bevorzugter 85% oder höher
sein. Der Grund dafür
ist, dass das Material dann, wenn die Kompressionsregenerationsrate
eines thermoakustischen KF-Dämmungsmaterials
85% oder höher
ist, die äußeren Kräfte beim
Anbringen und Herstellen ertragen kann und das Material auch unter
derartigen Bedingungen verwendbar sein kann, dass das Material ständig durch
eine Schwingung und eine Kompressionskraft angegriffen wird.
-
Die Zugfestigkeitsverhältnisse
in den dreidimensionalen Richtungen
-
Ein
weiterer beschränkender
Faktor hinsichtlich eines thermoakustischen KF-Dämmungsmaterials der vorliegenden
Erfindung wird nachstehend beschrieben werden. Eine der Aufgaben
der vorliegenden Erfindung ist, unter Verwendung extradünner Kohlefasern
ein leichtgewichtiges und qualitativ hochwertiges thermoakustisches
KF-Dämmungsmaterial
bereitzustellen.
-
Eine
andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein Material bereitzustellen,
das unter derartigen Bedingungen verwendbar ist, dass das Material
ständig
durch eine Schwingung und eine Kompressionskraft angegriffen wird,
wie beispielsweise an Hochgeschwindigkeitsbahnwagen und Flugzeugen.
Wenn beim Herstellen eines thermoakustischen KF-Dämmungsmaterials
mit einer geringen Rohdichte jedoch extradünne Kohlefasern eingesetzt
werden, führt
ihre mechanische Stärke
zu einem geringeren Wert als jenem des Materials, das aus mitteldünnen Fasern
mit einer großen
Rohdichte hergestellt ist, weshalb das aus extradünnen Fasern
hergestellte Material wahrscheinlich hinsichtlich seiner Handhabbarkeit,
seiner Montierbarkeit und seiner Haltbarkeit minderwertiger ist.
-
Insbesondere
bricht das sich ergebende Material leicht von der schwächsten Richtung
her, wenn die Stärken
in den dreidimensionalen Richtungen in jeder Richtung äußerst unterschiedlich
sind. Nichtsdestotrotz ist es schwierig, die absolute Stärke in jeder
Richtung sehr groß zu
gestalten, sofern extradünne
Fasern eingesetzt werden und eine geringe Rohdichte benötigt wird.
Der Unterschied zwischen den Zugfestigkeiten in jeder Richtung der
X-Achse, der Y-Achse und der Z-Achse in dreidimensionalen Koordinaten
(in der Folge als "drei
Achsen" bezeichnet)
sollte daher klein gestaltet werden, so dass das thermoakustische
KF-Dämmungsmaterial
ein geringes Gewicht und eine geringe Rohdichte wie auch eine hervorragende
Handhabbarkeit, Montierbarkeit, Haltbarkeit und Kompressionsregenerationsrate
bewahren kann.
-
Angesichts
der obigen Gründe
sollte die minimale Zugfestigkeit in der senkrechten Richtung zur
Richtung der maximalen Zugfestigkeit eines thermoakustischen Dämmungsmaterials
für eine
bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung gleich wie oder größer als 4% der maximalen Zugfestigkeit
sein. Die Zugfestigkeit in der Richtung, die senkrecht zu sowohl
der Richtung der maximalen Zugfestigkeit als auch jener der minimalen
Zugfestigkeit verläuft,
sollte gleich wie oder größer als
35% der maximalen Zugfestigkeit sein.
-
Die
Gründe
für diese
Werte werden nachstehend unter Bezugnahme auf Tabelle 1 und Tabelle
2 beschrieben werden. Tabelle 1 zeigt die Messergebnisse der Zugfestigkeiten
der thermoakustischen Dämmungsmaterialien,
die sich nur in ihrer Rohdichte unterschieden. Die Werte wurden
in den Richtungen von drei Achsen, d. h., ihrer Längs-, Breiten-
und Dickenrichtung gemessen.
-
Tabelle
2 zeigt die Prozentsätze
der Zugfestigkeiten in der Richtung der minimalen Zugfestigkeit
zu den Zugfestigkeiten in der Richtung der maximalen Zugfestigkeit
und zu den Zugfestigkeiten in der Richtung der mittleren Zugfestigkeit.
Sie zeigt auch die Prozentsätze
der Zugfestigkeiten in der Richtung der minimalen Zugfestigkeit
zu den Zugfestigkeiten in der Richtung der mittleren Zugfestigkeit.
-
Normalerweise
ist die Richtung der minimalen Zugfestigkeit die Dickenrichtung
des Materials und die Richtung der maximalen Zugfestigkeit die Längsrichtung
oder die Breitenrichtung. Die Richtung der mittleren Zugfestigkeit
ist die Richtung, die eine Zugfestigkeit zwischen der maximalen
Zugfestigkeit und der minimalen Zugfestigkeit zeigt, und ist normalerweise
die Breitenrichtung.
-
Die Bedingungen
beim Messen der Zugfestigkeit
-
Die
Zugfestigkeiten hierin wurden gemäß den folgenden Bedingungen
mit einer Konstantquergeschwindigkeits-Zugversuchsvorrichtung gemessen.
-
(1)
Die Zugfestigkeiten in der Längs-
und der Breitenrichtung
Zugfestigkeitsversuchsgeschwindigkeit: | 20
mm/min |
Probenlänge: | 50
mm |
Probengröße: | 50
mm × 50
mm und eine Dicke von 25 mm (siehe FIGUR 15) |
-
(2)
Die Zugfestigkeiten in der Dickenrichtung
Zugfestigkeitsversuchsgeschwindigkeit: | 20
mm/min |
Probendicke: | 25
mm |
Probengröße: | 60
mm × 60
mm und eine Dicke von 25 mm (siehe FIGUR 16) |
-
Die
Zugfestigkeiten in der Dickenrichtung wurden durch Ziehen der Platten,
die an beiden Seiten eines thermoakustischen KF-Dämmungsmaterials
angebracht waren, (der Ränder
in 16) in die durch
die Pfeile angegebenen Richtungen gemessen. Die aus Glasfasern hergestellten
thermoakustischen Dämmungsmaterialien,
die hierin als Vergleichsgegenstand eingesetzt wurden, waren aus
Glasfasern mit einem durchschnittlichen Faserdurchmesser von 1 μm und einer
durchschnittlichen Faserlänge
von 10 mm hergestellt.
-
-
-
Wie
in Tabelle 1 ersichtlich ist, weisen die thermoakustischen KF-Dämmungsmaterialien
bei einem Vergleich bei gleicher Rohdichte größere Zugfestigkeiten als die
aus Glasfasern hergestellten Materialien auf. Insbesondere wird
bei den Zugfestigkeiten in der Breiten- und in der Dickenrichtung
ein bemerkenswerter Unterschied zwischen diesen beiden Materialien
bemerkt. Genauer beträgt
die Zugfestigkeit des thermoakustischen KF-Dämmungsmaterials
in der Dickenrichtung das 8,5fache derjenigen des aus Glasfasern
hergestellten Materials, wenn die Rohdichte 5 kg/m3 beträgt, und
das 15fache derjenigen des aus Glasfasern hergestellten Materials,
wenn die Rohdichte 10 kg/m3 beträgt.
-
Unter
Bezugnahme auf Tabelle 2 weisen die thermoakustischen KF-Dämmungsmaterialien
bei einem Vergleich jedes Zugfestigkeitsverhältnisses (Prozentsatzes) von
Minimum zu Maximum, Mitte zu Maximum und Minimum zu Mitte bei der
gleichen Rohdichte höhere
Werte als die aus Glasfasern hergestellten Materialien (herkömmliches
Material) auf. Das heißt,
der Unterschied zwischen den Zugfestigkeiten in jeder Achse war bei
den thermoakustischen KF-Dämmungsmaterialien
kleiner. Insbesondere wird bemerkt, dass der Unterschied zwischen
der Längsrichtung
und der Breitenrichtung bei den thermoakustischen KF-Dämmungsmaterialien bemerkenswert
klein war. Noch genauer war das Zugfestigkeitsverhältnis der
Richtung der mittleren Zugfestigkeit zur Richtung der maximalen
Zugfestigkeit bei den thermoakustischen KF-Dämmungsmaterialien mit
einer Rohdichte von 3 kg /m3 bis 10 kg/m3 gleich oder größer als 86%. Das Verhältnis der
Richtung der minimalen Zugfestigkeit zur Richtung der maximalen
Zugfestigkeit war gleich oder größer als
5,4%.
-
In
Anbetracht der Haltbarkeit und der Handhabbarkeit beim Herstellen
oder Anbringen thermoakustischer Dämmungsmaterialien sollte der
Unterschied der Zugfestigkeit zwischen den einzelnen Richtungen
in drei Achsen so klein wie möglich
gemacht werden. Aufgrund bestimmter Faktoren beim Herstellen ist
es jedoch äußerst schwierig,
den Unterschied der Zugfestigkeiten zu beseitigen. Der Grund dafür ist, dass
dann, wenn bei der Herstellung ein Verfahren zum Herstellen einer
wollartigen Kohlefaseranhäufung
durch Ansammeln von Kohlefasern eingesetzt wird, viele der Fasern,
die das angesammelte Material bilden, in einer Richtung ausgerichtet
sind, die senkrecht zur Schwerkraftrichtung verläuft, da die Fasern dazu neigen,
den Ausrichtungszustand stabiler gegen die Schwerkraft zu bewahren.
Mit anderen Worten neigen die Fasern dazu, in der Längs- oder
Breitenrichtung ausgerichtet zu werden. Daher sind die Zugfestigkeiten
des sich ergebenden thermoakustischen Dämmungsmaterials, das durch
Aneinanderkleben der Fasern mit dem oben erwähnten Ausrichtungszustand hergestellt
wird, in der Längs-
und in der Breitenrichtung wahrscheinlich zu groß, während die Zugfestigkeit in
der Dickenrichtung wahrscheinlich zu klein ist.
-
Wenn
der Unterschied der Zugfestigkeit eines thermoakustischen KF-Dämmungsmaterials
gleich wie oder geringer als jener eines herkömmlichen Materials ist, ist
jedoch gewährleistet,
dass seine Handhabbarkeit und seine Haltbarkeit jenen des herkömmlichen
Materials zumindest gleich oder überlegen
sind. Mit anderen Worten kann das sich ergebende Material von Tabelle
2 her beurteilt eine Handhabbarkeit, Montierbarkeit und Haltbarkeit
erreichen, die dem herkömmlichen
Material gleich oder überlegen
ist, wenn der Prozentsatz des Minimums zum Maximum auf 4% oder mehr
und der Prozentsatz der Mitte zum Maximum auf 35% oder mehr gesteuert
wird. Aus den Ergebnissen in Tabelle 2 versteht man, dass das thermoakustische
KF-Dämmungsmaterial
mit einer Rohdichte von 3 kg/m3 bis 7 kg/m3 diese Bedingungen erfüllen kann.
-
Die
nachstehende Beschreibung wird nun Einzelheiten eines Herstellungsverfahrens
eines thermoakustischen KF-Dämmungsmaterials,
das die wie in den vorhergehenden Abschnitten beschriebenen physikalischen
Eigenschaften aufweist, ausführen.
-
Zuerst
wird anisotropes Pech, das durch Polymerisieren von kondensiertem
polyzyklischem Kohlenwasserstoff erhalten wird, nach einer allgemein
bekannten Technik (ungeprüfte
japanische Patentveröffentlichung
Nr. 63-146920) angefertigt.
Zweitens werden durch Schmelzen des Pechs und sein anschließendes Ausstoßen aus
einer Spinndüse
unter gleichzeitigem Blasen eines erhitzten Gases vom Umfang der
Spinndüse
in die gleiche Richtung, in die das geschmolzene Pech ausgestoßen wird
(vorzugsweise in die parallel zur Ausstoßrichtung verlaufende Richtung),
gesponnene Fasern hergestellt. Das erhitzte Gas spielt eine Rolle beim
Verhindern, dass das ausgestoßene
Pech unmittelbar abgekühlt
wird, und beim Erhalten von Fasern, die eine passende Länge aufweisen.
-
Die
oben erwähnten
gesponnenen Fasern werden beispielsweise mit einem Netz gesammelt
und dann einer Unschmelzbarmachungsbehandlung (Oxidationsbehandlung)
unterzogen. Dadurch werden Kohlefaservorläufer hergestellt. Die Kohlefaservorläufer werden
dann in einem reaktionsträgen
Gas bei 650°C
oder mehr einer Verkohlungsbehandlung unterzogen, und die sich ergebenden
Fasern werden als Kohlefasern eingesetzt.
-
Beim
obigen Verfahren ist es möglich,
einen durchschnittlichen Durchmesser und eine durchschnittliche
Faserlänge
der gesponnenen Fasern durch Verändern
eines Ausstoßauslassdurchmessers
der Spinndüse
innerhalb des Bereichs von 0,5 mm bis 0,2 mm und durch Regulieren
der Schmelzbehandlungstemperatur und der Ausstoßgeschwindigkeit des Pechs
wie auch der Temperatur und der Ausstoßgeschwindigkeit des erhitzten
Gases auf einen gewünschten
Wert zu steuern.
-
Obwohl
sich die Durchmesser und die Längen
der Fasern nach der Unschmelzbarmachungsbehandlung und der Verkohlungsbehandlung
geringfügig
verändern,
besteht praktisch kein Unterschied zwischen den Größen der
gesponnenen Fasern und jenen der sich ergebenden Kohlefasern, wenn
der Fehlerspielraum bei den Messungen in Betracht gezogen wird.
In gleicher Weise besteht praktisch kein Unterschied bei ihren durchschnittlichen
Faserdurchmessern und ihren durchschnittlichen Faserlängen.
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Unter
Verwendung der oben erwähnten
Kohlefasern wird gemäß der folgenden
Weise ein thermoakustisches KF-Dämmungsmaterial
angefertigt.
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Zuerst
wird nach einem der folgenden Verfahren eine Kohlefaseranhäufung (ein
gesprühtes
und angesammeltes Material) angefertigt, wobei eine hitzehärtbare Harzlösung gesprüht wird.
Beim ersten Verfahren werden die Kohlefasern, die durch ein Netz
u. ä. gesammelt
wurden, durch, beispielsweise, Blasen von Luft geöffnet und
die geöffneten
Fasern dann fallengelassen und angesammelt, wobei eine hitzehärtbare Harzlösung gesprüht wird
(Sprüh-
und Sammelverfahren). Beim zweiten Verfahren werden die geöffneten
Fasern nach dem Öffnen
der Kohlefasern wie beim obigen Verfahren fallengelassen und auf
einer Ebene angesammelt, um eine grobe wollartige Anhäufung zu
bilden, und wird danach eine hitzehärtbare Harzlösung auf
die Anhäufung
gesprüht
(Sammel-Sprühverfahren).
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Zweitens
wird durch zwei Pressplatten normalerweise von der Dickenrichtung
her ein leichter Druck auf das oben erwähnte gesprühte und angesammelte Material
ausgeübt,
und wird das Material dann erhitzt, während es im gepressten Zustand
gehalten wird, um das hitzehärtbare
Harz zu härten.
Auf diese Weise wird ein dreidimensionaler Kohlefaseraufbau gebildet,
worin die Faserkontaktpunkte durch ein hitzehärtbares Harz aneinandergeklebt
sind. Es sollte beachtet werden, dass die Pressplatten von den Richtungen
her angelegt werden können,
die senkrecht zur Dickenrichtung verlaufen.
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Es
versteht sich, dass die thermoakustischen KF-Dämmungsmaterialien
der vorliegenden Erfindung nur die oben erwähnten Kohlefasern und das hitzehärtbare Harz
umfassen können,
oder die oben erwähnten Kohlefasern
als ein Hauptaufbaumaterial umfassen und andere Fasern beinhalten
können,
sofern die anderen Fasern die Schall- und Wärmedämmungseigenschaften des sich
ergebenden Materials nicht beeinträchtigen. Einige Beispiele für derartige
Fasern sind Glasfasern, Polyesterfasern, Keramikfasern u. ä.
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Genauer
gesagt wird das sich ergebende thermoakustische KF-Dämmungsmaterial
bei einem Ausdruck der Menge des hinzuzufügenden hitzehärtbaren
Harzes durch beispielsweise b kg/m3 eine
Rohdichte im Bereich von 3 kg/m3 bis weniger
als 10 kg/m3 aufweisen, wenn eine Rohdichte
einer Kohlefaseranhäufung
zumindest auf den Bereich von (3 – b) kg/m3 bis
weniger als (10 – b)
kg/m3 beschränkt wird.
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In
diesem Fall wird bevorzugt, eine Rohdichte einer Kohlefaseranhäufung (die
Rohdichte nach dem Weglassen von b) durch Regulieren des Zwischenraums
zwischen den oben erwähnten
Pressplatten im Erhitzungs- und Formungsschritt auf weniger als
1,3 kg/m3 zu beschränken, um ein geformtes Material
(einen dreidimensionalen Aufbau von Kohlefasern) mit einer gewünschten
Rohdichte zu erhalten. Wenn die Anhäufung eine Rohdichte von weniger
als 1,3 kg/m3 aufweist, was ziemlich grob
ist, sind die Fasern darin ausreichend ungleichmäßig ausgerichtet. Folglich
wird der sich ergebende dreidimensionale Kohlefaseraufbau voluminös (d. h.,
weist er eine geringe Rohdichte auf), und sind darüber hinaus
nur die Kontaktpunkte der Fasern darin im Aufbau verklebt. Der so
erhaltene Aufbau weist in den Richtungen der drei Achsen gleich
bleibendere Zugfestigkeiten auf.
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Beim
Anfertigen des oben erwähnten
gesprühten
und angesammelten Materials wird bevorzugt, die geöffneten
Kohlefasern aus der Höhe
von 100 cm auf eine Ebene fallen zu lassen. Die Fasern werden dadurch ohne
Verwendung besonderer Einrichtungen ungleichmäßig ausgerichtet. Der Grund
dafür ist,
dass einige Fasern in der Schwerkraftrichtung ausgerichtet werden,
aber einige in der senkrecht dazu verlaufenden Richtung ausgerichtet
werden, wenn die Fasern leichtgewichtige Kohlefasern mit einem durchschnittlichen
Faserdurchmesser von 0,5 μm
bis 2 μm
und einer durchschnittlichen Faserlänge von 3 mm bis 8 mm sind,
und die Fasern aus der Höhe
von 100 cm fallen gelassen werden. Dadurch kann eine voluminöse Kohlefaseransammlung (wollartige
Kohlefaseranhäufung)
mit einer zufälligen
Faserausrichtung erhalten werden. Demgemäß kann durch Sprühen einer
hitzehärtbaren
Harzlösung
auf dieses angesammelte Material ein dreidimensionaler Kohlefaseraufbau
mit einer zufälligen
Faserausrichtung erhalten werden.
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Was
das Verfahren zum Fallenlassen der Kohlefasern betrifft, können die
Kohlenfasern durch freien Fall fallengelassen werden oder kann ein
Luftstrom in die Aufwärtsrichtung
(in die Richtung, in der die Fallgeschwindigkeit verringert wird)
oder in die Abwärtsrichtung
(in die Richtung, in der die Fallgeschwindigkeit erhöht wird)
ausgeübt
werden. Wenn der Luftstrom ausgeübt
wird, ist es leichter, eine Faseranhäufung zu erhalten, die eine
gewünschte Rohdichte
aufweist, da die Faserausrichtung gesteuert werden kann.
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In
dem Fall, in dem die Fasern wie bei Schneefall durch freien Fall
allmählich
auf eine Ebene fallen gelassen werden, werden die Einzelfasern ziemlich
ungleichmäßig in jeder
Richtung in drei Achsen ausgerichtet. Selbst dann neigen jedoch
viele Fasern dazu, sich in der Richtung parallel zur Schwerkraft
(der Längs-
oder Breitenrichtung) auszurichten, was dazu führt, dass die Zugfestigkeit
in der Dickenrichtung kleiner als die Zugfestigkeiten in der Längs- oder
Breitenrichtung wird. Wenn eine besonders große Zugfestigkeit in der Dickenrichtung
benötigt
wird, kann im Pressschritt ein Verfahren eingesetzt werden, bei
dem mit einer Pressmaschine Druck aus der Längs- und/oder der Breitenrichtung
ausgeübt
wird. Wenn aus diesen Richtungen Druck ausgeübt wird, kann ein Material
mit geringem Unterschied zwischen den Zugfestigkeiten in den Richtungen
der drei Achsen erhalten werden.
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Unter
den hitzehärtbaren
Harzen, die beim oben erwähnten
Schritt eingesetzt werden können,
finden sich beispielsweise Phenolharze, Melaminharze und Silikonharze.
Die verwendete Menge beträgt
normalerweise 10 Gew.-% bis 40 Gew.-% oder bevorzugter 20 Gew.-%
bis 30 Gew.-% in Bezug auf das thermoakustische KF-Dämmungsmaterial.
Es ist nicht günstig,
wenn der Wert 40 Gew.-% übersteigt,
da die Abschnitte der Fasern außer
den Kontaktpunkten aufgrund der übermäßigen Menge
des Bindemittels verklebt werden. Wenn der Wert andererseits weniger
als 10 Gew.-% beträgt,
werden die Kontaktpunkte unzureichend verklebt, was zu geringe Zugfestigkeiten
und Kompressionsregenerationsraten ergibt.
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Was
Phenolharze betrifft, sollte eine Hitzebehandlungstemperatur im
oben erwähnten Erhitzungs-
und Formungsschritt 150°C
bis 250°C
und normalerweise 180°C
bis 220°C
betragen.
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Nach
dem bis jetzt beschriebenen Herstellungsverfahren kann das thermoakustische
KF-Dämmungsmaterial
der vorliegenden Erfindung, das die in den vorhergehenden Abschnitten
beschriebenen Eigenschaften aufweist, erhalten werden.
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Auf
Basis der Beispiele wird nachstehend die weitere ausführliche
Beschreibung der vorliegenden Erfindung gegeben.
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Beispiele 1 bis 4
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Pech
mit einem Erweichungspunkt von 280°C wurde durch Polymerisieren
von kondensiertem polyzyklischem Kohlenwasserstoff erhalten, und
das Pech wurde bei 320°C
geschmolzen. Das geschmolzene Pech wurde aus einer Spinndüse ausgestoßen, die
eine Ausstoßöffnung mit
einem Durchmesser von 0,25 mm aufwies, und gleichzeitig wurde ein
erhitztes Gas mit einer Temperatur von 320°C in die gleiche Richtung wie die
Pechausstoßrichtung
und parallel dazu geblasen. Das Pech wurde gesponnen und dadurch
zu Fasern geformt, und dann mit einem Netz gesammelt. Die so erhaltenen
Kohlefaservorläufer
wiesen einen Durchmesser von 0,5 bis 3,5 μm (einen durchschnittlichen
Faserdurchmesser von 1,3 μm)
und eine Faserlänge
von 1 bis 15 mm (eine durchschnittliche Faserlänge von 5 mm) auf. 1 zeigt eine Durchmesserverteilung
der nach den obigen Bedingungen hergestellten Kohlefasern.
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Anschließend wurden
die sich ergebenden Fasern durch Erhitzen in der Luft für 30 Minuten
bei 300°C unschmelzbar
gemacht und dann durch Erhitzen in einem reaktionsträgen Gas
für 30
Minuten bei einer vorherbestimmten Temperatur (650°C, 700°C, 750°C oder 800°C) verkohlt.
Auf diese Weise wurden vier Arten von Kohlefasern, die jeweils bei
einer unterschiedlichen Temperatur verkohlt waren, erhalten. Die
Durchmesser und Faserlängen
dieser Kohlefasern waren den oben erwähnten Kohlefaservorläufern annähernd gleich.
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Aus
den oben erwähnten
vier Arten von Kohlefasern wurden vier Arten von thermoakustischen KF-Dämmungsmaterialien angefertigt.
Genauer wurden die Kohlefasern durch Blasen der Luft geöffnet und die
geöffneten
Fasern dann nach und nach so, wie Schnee fällt, durch freien Fall aus
einer Höhe
von 100 cm auf eine Ebene fallen gelassen, wodurch eine wollartige
Anhäufung
(unverklebter Zustand) mit einer Dicke von 120 mm und einer Rohdichte
von 0,7 kg/m3 erhalten wurde.
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Anschließend wurde
eine 20 gew.%ige Phenolharzlösung,
deren Menge 150 Gew.-% auf Basis des Gewichts dieser Kohlefaseranhäufung betrug,
auf die Anhäufung
gesprüht
und die Anhäufung
dann mit einer Pressmaschine, die mit zwei Pressplatten ausgerüstet war,
gepresst, bis die Dicke der Anhäufung
etwa 25 mm erreichte (in der Längs- und der Breitenrichtung
wurde kein Druck ausgeübt).
Die Anhäufung
wurde auf 200°C erhitzt,
während
sie im gepressten Zustand gehalten wurde, und das Phenolharz wurde
dadurch vollständig gehärtet. Demgemäß wurden
dreidimensionale Kohlefaseraufbauten (vier unterschiedliche Arten)
hergestellt, die eine Rohdichte von 4,8 kg/m3 und
eine Größe mit einer
Länge von
1,5 m, einer Breite von 0,5 m und einer Dicke von 25 mm aufwiesen,
und die sich ergebenden Aufbauten wurden als thermoakustische KF-Dämmungsmaterialien
eingesetzt.
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Beispiel 5
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Ein
thermoakustisches KF-Dämmungsmaterial
von Beispiel 5 mit einer Rohdichte von 4,0 kg/m3 wurde in
der gleichen Weise wie die Beispiele 1 bis 4 angefertigt, außer dass
die Verkohlungstemperatur 700°C
und die Dicke der Kohlefaseranhäufung
100 mm betrug. Die Größe und die
Dicke des so hergestellten Materials waren die gleichen wie jene
der nach Beispiel 1 bis 4 hergestellten Materialien.
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Beispiel 6
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Das
thermoakustische KF-Dämmungsmaterial
von Beispiel 6, das eine Rohdichte von 7,0 kg/m3 aufwies,
wurde in der gleichen Weise wie die Beispiele 1 bis 4 angefertigt,
außer
dass die Verkohlungstemperatur 700°C und die Dicke der Kohlefaseranhäufung 175
mm betrug. Die Größe und die
Dicke des so hergestellten Materials waren die gleichen wie jene
der nach Beispiel 1 bis 4 hergestellten Materialien.
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Vergleichsbeispiel 1
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Das
thermoakustische KF-Dämmungsmaterial
von Vergleichsbeispiel 1 wurde in der gleichen Weise wie die Beispiele
1 bis 4 angefertigt, außer
dass die Verkohlungstemperatur 850°C betrug. Die Größe, die
Dicke und die Rohdichte des so hergestellten Materials waren die
gleichen wie jene der nach Beispiel 1 bis 4 hergestellten Materialien.
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Vergleichsbeispiel 2
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Das
thermoakustische KF-Dämmungsmaterial
von Vergleichsbeispiel 2 wurde in der gleichen Weise wie die Beispiele
1 bis 4 angefertigt, außer
dass die Verkohlungstemperatur 900°C betrug. Die Größe, die
Dicke und die Rohdichte des so hergestellten Materials waren die
gleichen wie jene der nach Beispiel 1 bis 4 hergestellten Materialien.
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Vergleichsbeispiel 3
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Das
thermoakustische KF-Dämmungsmaterial
von Vergleichsbeispiel 3 wurde in der gleichen Weise wie die Beispiele
1 bis 4 angefertigt, außer
dass die für
dieses Beispiel eingesetzten Kohlefasern aus isotropem Pech hergestellt
waren, das aus Kohlenteer hergestellt war, und bei 950°C verkohlt
wurden, und die Kohlefasern einen Faserdurchmesser von 13 μm und eine
durchschnittliche Faserlänge
von 25 mm aufwiesen.
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Vergleichsbeispiel 4
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Das
thermoakustische Glasfaser-Dämmungsmaterial
von Vergleichsbeispiel 4 (Dicke: 25 mm, Rohdichte: 6,7 kg/m3) wurde aus Glasfasern mit einem durchschnittlichen
Faserdurchmesser von 1,0 μm
und einer durchschnittlichen Faserlänge von 10 mm und durch Verkleben
der Fasern mit Phenolharz angefertigt.
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Jede
Art der thermoakustischen Dämmungsmaterialien
der Beispiele 1 bis 6 und der Vergleichsbeispiele 1 bis 4 wurde
nach den gleichen Verfahren geprüft,
wie sie im Vorhergehenden im Abschnitt "DIE BESTE ART ZUR AUSFÜHRUNG DER
VORLIEGENDEN ERFINDUNG" beschrieben
sind. Die Versuchsergebnisse sind begleitet von den Herstellungsbedingungen
der Kohlefasern in Tabelle 3 und 4 angeführt. Tabelle
3
Tabelle
4
- P1:
- Zugfestigkeit in der
Längsrichtung
(maximale Zugfestigkeit)
- P2:
- Zugfestigkeit in der
Breitenrichtung
- P3:
- Zugfestigkeit in der
Dickenrichtung (minimale Zugfestigkeit)
- *:
- nicht gemessen
-
Wie
in Tabelle 3 ersichtlich ist, betragen die galvanischen Ströme bei den
Beispielen 1 bis 5 0,2 μA
bis 17 μA
und wurde bei den Beispielen 2 bis 6 keine galvanische Korrosion
beobachtet, während
bei Beispiel 1 eine sehr geringe galvanische Korrosion erkannt wurde.
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Im
Gegensatz dazu wurde bei Vergleichsbeispiel 1 (Verkohlungsbehandlung:
850°C, galvanischer Strom: 56 μA), Vergleichsbeispiel
2 (Verkohlungsbehandlung: 900°C,
galvanischer Strom: 110 μA)
und Vergleichsbeispiel 3 (Verkohlungsbehandlung: 950°C, galvanischer
Strom: 36 μA)
eine deutliche galvanische Korrosion beobachtet. Der Grund dafür, dass
bei Vergleichsbeispiel 4 keine galvanische Korrosion erkannt wurde, ist,
dass Glasfasern keinen galvanischen Strom erzeugen.
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Wie
in Tabelle 4 gezeigt ist, betrugen die Zugfestigkeitsverhältnisse
(Prozentsätze)
der Beispiele 1 bis 6 P2/P1 = 82 bis 100 und P3/P1 = 5,6 bis 6,3.
Verglichen damit betrugen die Verhältnisse in Vergleichsbeispiel 4
P2/P1 = 33 und P3/P1 = 2,5, was anzeigt, dass das Material von Vergleichsbeispiel
4 einen weit größeren Unterschied
bei den Zugfestigkeiten in den drei Achsen als jenen des thermoakustischen
KF-Dämmungsmaterials
der vorliegenden Erfindung aufweist.
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Was
die Wärmeleitfähigkeit
(W/m·°C) betrifft,
betrugen die Wärmeleitfähigkeiten
bei den Beispielen 1 bis 4, bei denen die Materialien eingesetzt
wurden, die eine Rohdichte von 4,8 kg/m3 aufwiesen,
0,035 bis 0,037. Bei Beispiel 5, bei dem das Material eingesetzt
wurde, das eine Rohdichte von 4,0 kg/m3 aufwies,
betrug der Wert 0,037, und bei Beispiel 6, bei dem das Material
eingesetzt wurde, das eine Rohdichte von 7,0 kg/m3 aufwies,
0,033. Verglichen damit betrug der Wert bei Vergleichsbeispiel 4
(dem aus Glasfasern hergestellten thermoakustischen Dämmungsmaterial),
bei dem das Material eingesetzt wurde, das eine Rohdichte von 6,7 kg/m3 aufwies, 0,039. Diese Ergebnisse zeigen,
dass die thermoakustischen KF-Dämmungsmaterialien
der vorliegenden Erfindung verglichen mit dem aus Glasfasern hergestellten
Material eine höhere
Wärmedämmungsqualität mit einer
geringeren Rohdichte erreichen können.
Es ist anzumerken, dass die Wärmedämmungsqualität umso besser
ist, je geringer die Wärmeleitfähigkeit
ist.
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Was
das akustische Senkrechteinfalls-Absorptionsvermögen bei
1000 Hz (%) bei einer Dicke von 25 mm betrifft, betragen die Werte
bei den Beispielen 1 bis 4 mit den Materialien, die eine Rohdichte
von 4, 8 kg/m3 aufwiesen, 52 bis 55, bei
Beispiel 5 mit dem Material, das eine Rohdichte von 4,0 kg/m3 aufwies, 50, und bei Beispiel 6 mit dem
Material, das eine Rohdichte von 7,0 kg/m3 aufwies,
60. Verglichen damit beträgt
der Wert bei Vergleichsbeispiel 4 (dem aus Glasfasern hergestellten
thermoakustischen Dämmungsmaterial)
mit dem Material, das eine Rohdichte vom 6,7 kg/m3 aufwies,
48. Ähnlich
wie die obigen Ergebnisse zeigen auch diese Ergebnisse, dass die
thermoakustischen KF-Dämmungsmaterialien
der vorliegenden Erfindung verglichen mit dem aus Glasfasern hergestellten
Material bei einer geringeren Rohdichte eine größere Schalldämmungswirkung
erreichen können.
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INDUSTRIELLE
ANWENDBARKEIT
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Wie
beschrieben wurde, kann die vorliegende Erfindung jede der im Vorhergehenden
erwähnten
Aufgaben zufrieden stellend erfüllen.
Nach der vorliegenden Erfindung kann ein thermoakustisches Dämmungsmaterial
erhalten werden, das einen hohen Grad an Wärme- und Schalldämmungsqualität wie auch
eine hervorragende Zugfestigkeit und Kompressionselastizität aufweist.
Da das thermoakustische Dämmungsmaterial der
vorliegenden Erfindung Kohlefasern als ein Hauptaufbaumaterial aufweist,
weist das sich ergebende Material darüber hinaus günstige Eigenschaften,
die Kohlefasern zu eigen sind, auf, wie etwa Leichtigkeit, chemische
Stabilität,
Unbrennbarkeit, Nichthygroskopizität und derartige Eigenschaften,
dass das Material im Fall eines Feuers keine giftigen Dämpfe erzeugt.
Darüber
hinaus bewahrt das Material der vorliegenden Erfindung verbesserte
Qualitäten
hinsichtlich der galvanischen Korrosivität und der nichtelektrischen
Leitfähigkeit,
die beide Nachteile der Kohle fasern umfassenden thermoakustischen
Dämmungsmaterialien
darstellen. Zusätzlich
besitzt das Material der vorliegenden Erfindung bemerkenswert verbesserte
mechanische Eigenschaften wie etwa eine hervorragende Zugfestigkeit
und Kompressionsregenerationsrate.
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Das
thermoakustische Dämmungsmaterial
als solches zeichnet sich nicht nur durch die Wärme- und Schalldämmungsqualität bei seiner
anfänglichen
Anbringung aus, sondern erfährt
sogar nach einer langen Verwendung auch keine Verschlechterung der
Qualität.
Ferner verursacht das Material keine galvanische Korrosion in Bezug
auf die Elemente, die es umgeben, und bewirkt es keine Kurzschlüsse durch
das Material selbst oder die vom Material gelösten Fasern in den umgebenden
elektrischen Schaltkreisen.
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Die
vorliegende Erfindung weist einen bedeutenden Wert hinsichtlich
der industriellen Anwendbarkeit auf, indem sie ein thermoakustisches
KF-Dämmungsmaterial
bereitstellen kann, das nicht nur für ein Element verwendbar ist,
das fähig
ist, den Energieverbrauch in Behausungen u. ä. einzusparen, sondern auch
für Flugzeuge,
Hochgeschwindigkeitsbahnwagen, Raumfahrzeuge u. ä., bei denen eine ständige Schwingung
vorhanden ist, eine große
Menge an Metallmaterial verwendet wird, und verschiedenste elektrische
Einrichtungen angebracht sind, passend verwendbar ist.