EP0963473B1 - Schallschutzmaterial und seine verwendung - Google Patents

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EP0963473B1
EP0963473B1 EP98909415A EP98909415A EP0963473B1 EP 0963473 B1 EP0963473 B1 EP 0963473B1 EP 98909415 A EP98909415 A EP 98909415A EP 98909415 A EP98909415 A EP 98909415A EP 0963473 B1 EP0963473 B1 EP 0963473B1
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EP
European Patent Office
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soundproofing material
fibres
nonwoven
soundproofing
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EP98909415A
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Udo Thorn
Gholam Reza Sinambari
Wolfgang Riediger
Georg Jochim
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Beloh Beteiligungsgesellschaft mbH
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Beloh Beteiligungsgesellschaft mbH
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    • Y10T442/697—Containing at least two chemically different strand or fiber materials

Definitions

  • the invention relates to a soundproofing material made of thermoplastic fibers containing nonwovens for the sound frequency range 100 to 5000 Hz and its Use in secondary sound insulation.
  • porous absorbers such as artificial mineral fibers, open-cell foams, porous inorganic bulk goods or natural fibers in the medium to high-frequency range into heat depending on the frequency range.
  • porous absorbers To avoid abrasion and trickling out of the fabrics, they are often laminated with anti-freeze materials based on textile fleece.
  • porous absorbers generally only prove themselves in the medium to high frequency range is due to their physical damping principle.
  • the strength of the damping material In order to dampen a sound wave with the highest possible absorption, the strength of the damping material must be at least 1 ⁇ 4 of the wavelength ⁇ to be damped, since here the amplitude has its maximum deflection, ie the lower frequencies determine the required insulation thickness due to their longer wavelength.
  • the insulation material is arranged at a distance corresponding to ⁇ / 4 .
  • the airborne absorption coefficient ⁇ describing the damping capacity is characterized by drops in the higher-frequency range.
  • nonwovens in sound insulation are varied, often in combination used with other surface materials or as a carrier for sound absorbing Serve fabrics.
  • Pure nonwovens in needled form are from P.Banks-Lee, H.Peng and A.L.Diggs (TAPPI Proceedings 1992 Nonwovens Conference, p. 209 - 216) have been examined for sound absorption. It was found that despite variation of the various test parameters the nonwovens in the frequency range ⁇ 1,000 Hz have insufficient sound absorption for practical use.
  • EP 0 607 946 describes pure nonwovens with thermoplastic fibers as Soundproofing material described. As can be seen from Table 2, these are also here the absorption values in the lower frequency range in one for practical use insufficient height.
  • the invention is therefore based on the object of developing a soundproofing material in addition to a small footprint in the frequency range from 100 to 5,000 Hz has a broadband absorption.
  • the nonwoven suitable for the invention consists of natural and / or synthetic organic or inorganic primary fibers with 10 - 90% thermoplastic Secondary fibers are offset. These have a softening range of at least 5 ° C, which in any case below a possible softening or Decomposition range of the primary fibers.
  • Fibers For both types of fibers come those with a titre of 0.5 - 17 dtex, preferably 0.9 - 6.7 dtex, and stack lengths of 20 - 80 mm, preferably 30 - 60 mm, for use.
  • Polyethylene terephthalate fibers have proven particularly useful as primary fibers Combination with copolyester fibers as secondary fibers.
  • the primary and / or secondary fibers can be formed by suitable fiber mixtures, with particular Interest is the addition of recycled fibers
  • the thickness of the nonwovens according to the invention is 0.3 to 3.0 mm and particularly preferably 0.8 to 1.2 mm.
  • the first stage of the compaction of the nonwoven fabric consists of mechanical strengthening, which is accomplished by needling with barbed needles, by the spunlaced method by water jets or by a sewing method using culverting needles. Needling is particularly preferred and is carried out with 40 to 150 punctures / cm 2 , preferably 60 to 80 punctures / cm 2 .
  • the pressure / heat treatment as the second stage of compression can be discontinuous (in cycles) or continuously. In the first case, these are heated Presses and, in the second case, heatable calenders.
  • the one to choose Temperature range lies within the softening range of the secondary fibers, which in turn is below the softening or decomposition range of the primary fibers lies.
  • the line pressure for calenders is preferably in the range from 0.5 to 3.0 KN / cm at 1.5 to 2.0 KN / cm.
  • the specific flow resistance of the compressed nonwovens is of particular importance because it correlates directly with the degree of sound absorption.
  • FIG. 1 The dependence of the degree of sound absorption on the frequency is shown in FIG. 1 represented graphically, with curve A for the nonwoven fabric after the first compression stage and curve B applies to the end product.
  • the nonwovens according to the invention can be used primarily in the secondary Noise protection can be used indoors, e.g. as an acoustically effective location Soundproof cabin walls and screens or as an acoustically effective position for suspended Ceiling constructions (acoustic ceilings). They are characterized by a double function because they combine resonance and absorption effects. So it will possible to use a broadband sound absorption even in the low sound frequency range to achieve only one material.

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Description

Die Erfindung betrifft ein Schallschutzmaterial aus thermoplastische Fasern enthaltenden Vliesstoffen für den Schallfrequenzbereich 100 bis 5.000 Hz und seine Verwendung im sekundären Schallschutz.
Viele akustische Problemstellungen lassen sich mit primären Schallschutzmaßnahmen, die mindernd an der Schallquelle ansetzen, alleine nicht zufriedenstellend lösen und erfordern zusätzlich sekundäre Maßnahmen, die in der Regel in den Übertragungsweg der Schallenergie eingreifen. Entweder wird hierbei die Energie reflektiert, also umgelenkt, oder in eine andere Energieform, meist Wärme, umgewandelt. Im ersten Fall spricht man von Dämmung, im letzteren von Dämpfung des Schalls. Stand der Technik bei der konventionellen Schalldämmung als Instrument der sekundären Minderungsmaßnahmen im engeren Sinne (in einiger Entfernung von der Quelle) ist es, reflektierende Wandungen in den Ausbreitungsweg der Schallenergie zu bringen. Beispielhaft seien hier Kapselwandungen, Trennwände oder Schallschirme zu nennen. Bei der konventionellen Schalldämpfung ist es Stand der Technik, in Abhängigkeit vom Frequenzbereich die Schallenergie in porösen Absorbern wie z.B. künstlichen Mineralfasern, offenzelligen Schaumstoffen, porösen anorganischen Schüttgütern oder Naturfasern im mittel-bis hochfrequenten Bereich in Wärme umzuwandeln. Um Abrieb und ein Herausrieseln der Stoffe zu vermeiden, werden sie oft mit Rieselschutzmaterialien auf Textilvliesbasis kaschiert. Daß sich poröse Absorber in der Regel nur im mittel- bis hochfrequenten Bereich bewähren, ist in ihrem physikalischen Dämpfungsprinzip begründet. Um eine Schallwelle mit höchstmöglicher Absorption zu dämpfen, muß die Stärke des Dämpfungsmaterials mindestens ¼ der zu dämpfenden Wellenlänge λ betragen, da hier die Amplitude ihren Maximalausschlag hat, d.h. die tiefen Frequenzen bestimmen durch ihre größere Wellenlänge die erforderliche Dämmstoffstärke. Diesen Effekt kann man auch durch dünnere Materialstärken in Kombination mit einem Luftspalt erreichen. Das Dämmaterial wird hierbei in einer λ/4 entsprechenden Entfernung angeordnet. Der das Dämmpfungsvermögen beschreibende Luftschasllabsorptionsgrad α wird hierbei allerdings im höherfrequenten Bereich von Einbrüchen geprägt.
Eine wesentliche Anforderung an sekundäre Schallschutzmaterialien-vor allem in der Raumakustik ist eine möglichst geringe Dämmstoffstärke, um möglichst wenig Raumvolumen zu verlieren. Da bei diesen Absorbern selbst bei einer Dicke von 10 cm ein deutlicher Rückgang der Absorptionseigenschaften unterhalb von ca. 800 Hz beobachtet wird, werden sie zum Erreichen breitbandiger Absorptionseigenschaften auch bis in den tieffrequenten Bereich in Kombination mit sog. Resonatoren eingesetzt, die aufgrund von Schwingungsvorgängen bei einer Resonanzfrequenz der Schallwelle schmalbandig Energie entziehen. Ihre Wirkung wird vor allem im unteren Frequenzbereich beobachtet.
Da es im sekundären Schallschutz vor allem auf die Bekämpfung von Geräuschen im Frequenzbereich von ca. 200 bis 4.000 Hz ankommt, können in der Regel weder poröse Absorber noch Resonatoren alleine eine effiziente Schalldämpfung über den gesamten interessierenden Frequenzbereich breitbandig erzielen. Die möglichen Kombinationen beider Typen sind allerdings raumgreifend und kostspielig.
Die Rolle von Vliesstoffen im Schallschutz ist vielfaltig, wobei sie oft in Kombination mit anderen Flächenmaterialien eingesetzt werden oder als Träger für schallabsorbierende Stoffe dienen. Reine Vliesstoffe in genadelter Form sind von P.Banks-Lee, H.Peng und A.L.Diggs (TAPPI Proceedings 1992 Nonwovens Conference, S. 209 - 216) auf Schallabsorption untersucht worden. Dabei wurde festgestellt, daß trotz Variation der verschiedenen Versuchsparameter die Vliesstoffe im Frequenzbereich < 1.000 Hz eine für den praktischen Gebrauch nur unzureichnede Schallabsorption aufweisen.
In der EP 0 607 946 sind reine Vliesstoffe mit thermoplastischen Fasern als Schalldämmaterial beschrieben. Wie aus Tabelle 2 zu ersehen ist, liegen auch hier die Absorptionswerte im unteren Frequenzbereich in einer für den praktischen Einsatz unzureichenden Höhe.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Schallschutzmaterial zu entwickeln, das neben geringem Raumbedarf im Frequenzbereich von 100 bis 5.000 Hz eine breitbandige Absorption aufweist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein thermoplastische Fasern enthaltender Vliesstoff in zwei Stufen durch einen mechanischen Verfestigungsprozeß und eine anschließende Druck-/Wärmebehandlung bis zu einem spezifischen Strömungswiderstand von Rs = 800 - 1.400 Ns/m3 dauerhaft verdichtet ist.
Der überraschende Effekt soll an Fig. 1 erläutert werden.
Fig. 1:
Graphische Darstellung des Schallabsorptionsgrades gegen die Frequenz für das Produkt des Ausführungsbeispieles.
Aus dem Gesamtkurvenverlauf (in Fig. 1 mit B gekennzeichnet) erkennt man, daß hier aufgrund der hohen Absorptionswerte im niederen Frequenzbereich (z.B. 80% bei 315 Hz) kombiniert mit Absorptionswerten von 40 - 85% im höheren Frequenzbereich eine Kombination von Resonator und Absorber in einem Material vorliegt. Im Vergleich hierzu ist der Gesamtkurvenverlauf des Vliesstoffes (in Fig. 1 mit A gekennzeichnet) ohne anschließende Druck-/Wärmebehandlung wiedergegeben. Diese Kurve zeigt das Verhalten eines rein porösen Absorbers ohne die ergänzenden resonatorbeeinflußten Absorptionen im niedrigen Frequenzbereich.
Der für die Erfindung geeignete Vliesstoff besteht aus natürlichen und /oder synthetischen organischen oder anorganischen Primärfasern, die mit 10 - 90% thermoplastischen Sekundärfasern versetzt sind. Diese weisen einen Erweichungsbereich von mindestens 5°C auf, der in jedem Falle unterhalb eines eventuellen Erweichungs- oder Zersetzungsbereiches der Primärfasern liegt.
Für beide Fasertypen kommen solche mit Titern von 0,5 - 17 dtex, vorzugsweise 0,9 - 6,7 dtex, und Stapellängen von 20 - 80 mm, vorzugsweise 30 - 60 mm, zum Einsatz. Besonders bewährt haben sich als Primärfasern Polyethylenterephthalat-Fasern in Kombination mit Copolyesterfasern als Sekundärfasern. Die Primär- und/oder Sekundärfasern können durch geeignete Fasermischungen gebildet werden, wobei von besonderem Interesse der Zusatz von Recycling Fasern ist
Bei einem Raumgewicht von 250 bis 500 Kg/m3, vorzugsweise 270 bis 330 Kg/m3 liegt die Dicke der erfindungsgemäßen Vliesstoffe bei 0,3 bis 3,0 mm und besonders bevorzugt bei 0,8 bis 1,2 mm.
Die erste Stufe der Verdichtung des Vliesstoffes besteht in einer mechanischen Verfestigung, die durch Vernadelung durch Nadeln mit Widerhaken, nach dem Spunlaced-Verfahren durch Wasserstrahlen oder nach einem Nähwirkverfahren durch Kuliernadeln bewerkstelligt wird. Die Vernadelung ist besonders bevorzugt und wird mit 40 bis 150 Einstichen/cm2, vorzugsweise 60 bis 80 Einstichen/cm2 ausgeführt.
Die Druck-/Wärmebehandlung als zweite Stufe der Verdichtung kann diskontinuierlich (taktweise) oder kontinuierlich gestaltet werden. Dazu sind im ersten Fall beheizte Pressen und im zweiten Fall beheizbare Kalander geeignet. Der zu wählende Temperaturbereich liegt dabei innerhalb des Erweichungsbereiches der Sekundärfasern, der seinerseits unterhalb des Erweichungs- oder Zersetzungsbereiches der Primärfasern liegt. Der Liniendruck bei Kalandern liegt im Bereich von 0,5 bis 3,0 KN/cm, bevorzugt bei 1,5 bis 2,0 KN/cm.
Dem spezifischen Strömungswiderstand der verdichteten Vliesstoffe kommt eine besondere Bedeutung zu, da er unmittelbar mit dem Schallabsorptionsgrad korreliert. Als brauchbar haben sich spezifische Strömungswiderstandswerte von Rs = 800 - 1.400 Ns/m3 und besonders solche von 1.100 ± 150 Ns/m3 bewährt. Nach der ersten Verdichtungsstufe liegen die spezifischen Strömungswiderstandswerte bei etwa einem Fünftel dieser Werte.
Die erfindungsgemäßen Vliesstoffe werden in der Regel als solche eingesetzt, können aber erforderlichenfalls auch als Laminate mit anderen Flächengebilden verwendet werden. Für spezielle Zwecke kommen Fasern zum Einsatz, die bereits beim Herstellungsprozeß mit Farbstoff und/oder Flammschutzmittel und/oder elektrisch leitfähigen Komponenten versetzt werden. Außerdem besteht die Möglichkeit der Ausrüstung des fertigen Vliesstoffes:
  • Flammhemmend mit z.B. Metallhydroxyden und/oder Ammoniumpolyphosphat und/oder Melamin und/oder rotem Phosphor
  • Färbung
  • Zugabe von Antioxydationsmitteln
  • Zugabe von Antistatika
Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert:
  • Unter Verwendung einer Krempel wird ein Vlies mit einem gleichmäßigen Flächengewicht aus einer homogenen Mischung aus 50 Gew.-% PES-Faser 1,7/38 (dtex/Stapellänge) und 50 Gew.-% CoPES-Faser 2,2/50 hergestellt. Nach Krempel und Querlege-einrichtung liegt ein Vlies mit einem Flächengewicht von etwa 300 g/m2 vor. Diese wird mit zwei Nadelpassagen von jeweils 40 bis 150 Einstichen/cm2 leicht vernadelt und durch ein auf etwa 135°C beheiztes glattes Walzenpaar durch einen Liniendruck von ca. 1,7 KN/cm verdichtet. Dieser so hergestellte Vliesstoff hat einen spezifischen Strömungswiderstand von etwa Rs = 1.100 Ns/m3.
    • Die Abhängigkeit des Schallabsorptionsgrades von der Frequenz ist in Fig. 1 graphisch dargestellt, wobei die Kurve A für den Vliesstoff nach der ersten Verdichtungsstufe und die Kurve B für das Endprodukt gilt.
    Fig. 2: Schematische Darstellung einer räumlichen Anordnung des Schallschutzmaterials:
  • Eine breitbandige Schallabsorptionswirkung des Materials erzielt man durch Kombination von Resonatoren- und porösen Absorptionsmechanismen gleichzeitig vereint im erfindungsgemäßen Vliesstoff in Verbindung mit einem Luftspalt, dessen Breite sich an der niedrigsten zu bekämpfenden Frequenz orientiert, hinter der erfindungsgemäßen Vliesstofflage. Fig. 2 zeigt beispielhaft die Realisierung der Anordnung des Vliesstoffs C vor einem reflektierenden Wandelement E. Einbrüche des Absorptionsgrades im interessierenden Frequenzbereich können durch weitere zusätzliche Vliesstofflagen des erfindungsgemäßen Materials D vermieden werden.
    • Die erfindungsgemäßen Vliesstoffe können vor allem im Bereich des sekundären Schallschutzes im Innenbereich eingesetzt werden, z.B. als akustisch wirksame Lage bei Schallschutzkabinenwänden und -schirmen oder als akustisch wirksame Lage bei abgehängten Deckenkonstruktionen (Akustikdecken). Sie zeichnen sich durch eine Doppel-funktion aus, da sie Resonanz- und Absorptionswirkung in sich vereinen. Damit wird es möglich, eine breitbandige Schallabsorption auch im niederen Schallfrequenzbereich mit nur einem Material zu erreichen.
    Prüfmethoden
    • Luftschallabsorptionsgradbestimmung
      Nach DIN 52 215 Bestimmung des Schallabsorptionsgrades und der Impedanz im Rohr.
      Nach diesem Verfahren wurden in Fig. 1 die Luftschallabsorptionswerte gemessen.
    • Spezifischer Strömungswiderstand
      Nach DIN EN 29053, Verfahren B
    • Dickenmessung
      Handelsübliche Dickenmeßgeräte unter Verwendung von Tasteroberflächen von 25 cm2, einem Auflagedruck von 10 cN/cm2 und einer Einwirkzeit von 5 sec.

    Claims (12)

    1. Schallschutzmaterial aus thermoplastische Fasern enthaltenden Vliesstoffen für den Schallfrequenzbereich 100 bis 5.000 Hz, dadurch gekennzeichnet, daß der Vliesstoff in zwei Stufen durch einen mechanischen Verfestigungsprozeß und eine anschliessende Druck-/Wärmebehandlung bis zu einem spezifischen Strömungswiderstand von Rs = 800 - 1.400 Ns/m3 dauerhaft verdichtet ist.
    2. Schallschutzmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Vliesstoff neben natürlichen und/oder synthetischen organischen oder anorganischen Primärfasern 10 - 90 Gew.-% thermoplastische Sekundärfasern mit einem Erweichungsbereich von mindestens 5°C enthält, der in jedem Falle unterhalb eines eventuellen Erweichungs- oder Zersetzungsbereiches der Primärfasern liegt.
    3. Schallschutzmaterial nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß für die Primär- und Sekundärfasern solche mit Titern von 0,5 bis 17 dtex, vorzugsweise 0,9 bis 6,7 dtex, und Stapellängen von 20 bis 80 mm, vorzugsweise 30 bis 60 mm, eingesetzt sind.
    4. Schallschutzmaterial nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Primärfasern Polyethylenterephthalat-Fasern und als Sekundärfasern Copolyesterfasern eingesetzt sind.
    5. Schallschutzmaterial nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Vliesstoff eine Dicke von 0,3 bis 3,0 mm, vorzugsweise 0,8 bis 1,2 mm und ein Raumgewicht von 250 bis 500 Kg/m3, vorzugsweise 270 bis 330 Kg/m3 aufweist.
    6. Schallschutzmaterial nach Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Stufe der Verdichtung des Vliesstoffes durch einen Nadelungsprozeß realisiert wird.
    7. Schallschutzmaterial nach Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Stufe der Verdichtung innerhalb des Erweichungsbereiches der Sekundärfasern bei Liniendrücken von 0,5 bis 3,0 KN/cm, vorzugsweise 1,5 bis 2,0 KN/cm realisiert ist.
    8. Schallschutzmaterial nach Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der verdichtete Vliesstoff einen spezifischen Strömungswiderstand von 1.100 ± 150 Ns/m3 aufweist.
    9. Schallschutzmaterial nach Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Vliesstoff durch Metallhydroxyde und/oder Ammoniumpolyphosphate und/oder Melamin und/oder roten Phosphor flammhemmend ausgerüstet ist.
    10. Verwendung des Schallschutzmaterials nach Ansprüchen bis 9 als sekundärer Schallschutz im Innenraumbereich.
    11. Verwendung des Schallschutzmaterials nach Ansprüchen 1 bis 10, dadaurch gekennzeichnet, daß eine breitbandige Schallabsorptionswirkung durch Kombination von Resonatoren- und porösen Absorptionsmechanismen in Verbindung mit einem Luftspalt, dessen Breite sich an der niedrigsten zu bekämpfenden Frequenz orientiert, hinter der Vliesstofflage erzielt wird.
    12. Verwendung des Schallschutzmaterials nach Ansprüchen 1 bis 11. dadurch gekennzeichnet, daß Einbrüche des Absorptionsgrades im interessierenden Frequenzbereich durch weitere zusätzliche Vliesstofflagen des erfindungsgemäßen Materials vermieden werden können.
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