JP2008173802A - 遮音性積層構造体及びその製法 - Google Patents

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Abstract

【課題】限られた厚み制限内で、２００〜１０００Ｈｚ領域の低周波音の遮音特性に優れた構造体を提供することを課題とする。
【解決手段】ガラスウール層と金属箔層を有する遮音性積層構造体であり、該ガラスウール層は、ガラス短繊維に熱硬化型フェノール樹脂を付着させて集綿された未硬化ガラス短繊維ウェブを加熱成形して形成されるガラスウールであり、該構造体は、ガラスウール層、開口部のない金属箔層、及びガラスウール層の順で積層された構造を有すること。
【選択図】図１

Description

本発明は遮音性積層構造体に関する。
自動車のエンジン周り等には、エンジンからの騒音等を遮音できるようにガラスウールが使用されている。該ガラスウールには、紡糸されたガラス短繊維に硬化前の熱硬化型樹脂を付着させて集綿した未硬化ガラス短繊維ウェブ（以下、未硬化ガラスウールと呼ぶ場合有り）を金型等で加圧加熱成形したものが使用される。エンジン周り等は、エンジン駆動中に温度上昇が生じるので、その周りに使用される部材には、２００℃、又は２５０℃以上の耐熱性が必要とされる。そのため、前記熱硬化型樹脂にはフェノール樹脂が使用されている（背景技術として例えば、特許文献１）。
最近、ガソリンエンジン又はディーゼルエンジンと、電気モータを搭載した型の自動車、いわゆるハイブリッド自動車が普及して来ている。電気モータを搭載した自動車は、静粛性に優れているので、モータによって発生する１０００Ｈｚ以下の２００〜１０００Ｈｚ程度の低周波音が騒音として認識されるようになってきた。この領域の音は、前記した加圧加熱成形されて形成されるガラスウールでは、遮音が難しい領域であり、新たな遮音材が求められている。
前記低周波音を遮音する構造体として、特許文献２は、ガラスウール等の繊維体材、及びポリエチレンテレフタレート等よりなる不織布が中間体として積層した構造を有する遮音材を開示している。そして、該文献では、不織布の通気度を細密化することで前記低周波音の遮音特性が向上することが開示されている。
また、ガラスウール等の繊維材中に異種の材料が中間層として挿入されてなる遮音性構造体が開示されている。例えば、特許文献３では、中間層として鉄板が、特許文献４では、開口率が０．０５〜５％となるように小孔が均一に開設された樹脂フィルムが使用されている。
特開２００１−３３７６８１号公報 特開２００３−１９９３０号公報 実開昭６１−１１４４６号公報 特開２００６−１３７１６０号公報
構造体の遮音特性は、その厚みを増やせば向上させることができるが、自動車のエンジン周り等の空間が制限された場所では、許容される厚みに限界がある。又、使用される部材に応じて構造体は任意形状に成形されなければならず、構造体に使用される部材の種類も制限される。加えて、エンジン周り等で使用されるためには、２００℃以上の耐熱性が必要である。加えて、エンジン駆動により生じる振動で、構造体の形状、及び構造が保持される必要がある。
本発明では、これらら材料選択の制限要素を考慮し、限られた厚み制限内、例えば構造体の総厚みが５〜１００ｍｍ、好ましくは、１０〜７０ｍｍ、より好ましくは、１５〜４０ｍｍの場合で、２００〜１０００Ｈｚ領域の低周波音の遮音特性に優れた構造体を提供することを課題とする。
本発明は、エンジン周り等でも使用できるよう耐熱性を有し、且つ任意の形状のものを提供しやすい構造体を目指している。ガラスウールは、加熱成形される際に金型の形状によって、所望の形状を提供しやすい。そして、前記した低周波音の遮音特性を構造体に付与するためには、この領域の遮音特性に優れるとともに、所望の形状に変形される必要がある。従って、遮音特性と耐熱性に優れ、且つ可撓性を有する部材から形成される必要がある。
積層構造を音が透過するときの透過損失には、中間層に使用された材料の剛性の程度が大きな影響を与える。中間層材料の剛性が比較的小さい場合は、透過損失は、中間層と中間層の両面材料との共鳴効果を利用して、構造体を透過する音の遮音特性を高めることができる。そして、共鳴効果を利用は、中間層を空気層に近いものとするために多孔質性の材料を使用する必要性が生じせしめる。
しかしながら、多孔質性の材料であっても、空気よりは弾性率は大きいものとなるので、空気層で得た効果と近いものを得ようとするためには、中間層の厚みを増やすか、構造体の強度低下をもたらしかねない空孔率の高いものを中間層に採用せざるをえない設計をする必要がある。このような設計は、限られた厚み制限内で構造を得ようとする本発明では採用し難い。
他方、中間層に使用される材料の剛性を大きなものとすると、構造体を透過する音の透過損失は質量法則に近似されるようになることから、透過損失は大きくさせようとすると、材料の質量、厚みを大きくする必要が生じる。しかしながら、こうした材料の選択は、限られた厚み制限内で構造を得ようとする本発明では採用し難い。
本発明では、前記したような困難な状況の中で課題を解決する構造体を見出すために、種々の材料、構造を検討した結果、構造体の中間層に金属箔層を設ければ、２００〜１０００Ｈｚ領域の低周波音の遮音特性の向上に奏功するとの知見を得た。
すなわち、本発明の遮音性積層構造体は、ガラスウール層と金属箔層を有する遮音性積層構造体であり、該ガラスウール層は、ガラス短繊維に熱硬化型フェノール樹脂を付着させて集綿された未硬化ガラス短繊維ウェブを加熱成形して形成されるガラスウールであり、該構造体は、ガラスウール層、開口部のない金属箔層、及びガラスウール層の順で積層された構造を有することを特徴とする。
中間層に設けられる開口部の金属箔は、その材質が金属であるから、中間層が空気層である構造体の該空気層と比べると、その材料自体が持つ弾性率はずっと大きいはずである。これに反し、本発明では、箔化された金属を、中間層とすれば、２００〜１０００Ｈｚ領域の低周波音、中でも３００〜９００Ｈｚ、特に波４００〜９００Ｈｚ、さらには４００〜７００Ｈｚの低周波音の遮音性を思いがけずに向上することができた。
箔化された金属を中間層として有する構造体では、該金属が、ある程度の柔軟性を発揮する。そして、その柔軟性が「ガラスウール層／開口部のない金属箔層／ガラスウール層」にて透過する音と反射する音との共鳴効果を誘引し、結果的に遮音と特性を向上せしめたものと推察している。
また、前記開口部のない金属箔層は、前記未硬化ガラス短繊維ウェブ中のフェノール樹脂を用いて両ガラスウール層と一体化されたものであることが好ましい。該形態を採用すると、開口部のない金属箔層が両ガラスウール層とが他の部材を使用せずに一体化されたものとできるので、箔化された金属層が存在することによる共鳴効果を発揮しやすくなる。
そして、本発明では、限られた厚みで遮音性をより高いものとするために、構造体の総厚みを５〜１００ｍｍ、好ましくは１０〜７０ｍｍ、より好ましくは１５〜４０ｍｍとし、開口部のない金属箔層を、構造体の最外面から、厚み方向に層厚みの０．１〜０．５倍、好ましくは０．１５〜０．４５倍、より好ましくは０．２〜０．４倍、さらにより好ましくは０．３〜０．４倍の位置に配置させることが好ましい。
さらには本発明の構造体は、ガラスウール層、開口部を有する金属箔層、及びガラスウール層の順で積層された構造を有することが好ましい。本発明の構造体は、２００〜１０００Ｈｚ領域の低周波音の遮音性向上に奏功するが、代わりに１０００〜２０００Ｈｚ領域の中周波音の遮音性が低下することがありえる。この領域の遮音性を向上させるためにも、開口部を有する金属箔層が使用されることが好ましい。構造体が、開口部を有する金属箔層も中間層として有する場合、開口部のない金属箔層と開口部を有する金属箔層との間での音の相互作用が生じ、２００〜１０００Ｈｚ領域の低周波音の遮音性向上にも奏功しうる。
さらに本発明の積層構造体は、開口部のない金属箔層、ガラスウール層、及び開口部を有する金属箔層の順で積層された構造を有することが好ましい。該構造は、開口部のない金属箔層と開口部を有する金属箔層との間での音の相互作用が生じやすくなり好ましい。尚、該構造で開口部のない金属箔層と開口部を有する金属箔層とが１層ずつの場合、本発明の構造体は、ガラスウール層は３層有することとなる。
前記開口部を有する金属箔層は、前記未硬化ガラス短繊維ウェブ中のフェノール樹脂を用いて両ガラスウール層と一体化されたものであることが好ましい。該形態を採用すると、開口部を有する金属箔層が両ガラスウール層とが他の部材を使用せずに一体化されたものとできるので、前記した開口部のない金属箔層と開口部を有する金属箔層との間での音の相互作用を発揮しやすくなる。
本発明において、開口部のない金属箔とは、箔の表面から裏面にかけて、貫通する孔がないものであり、表面から裏面へ気体が通気できないもののことを指す。他方、開口部を有する金属箔とは、箔の表面から裏面にかけて、貫通する孔があるものであり、表面から裏面へ気体が通気できるもののことを指す。
また、限られた厚みで構造体の遮音性をより高いものとするために、前記開口部を有する金属箔層は、構造体の最外面から、厚み方向に層厚みの０．１〜０．５倍、好ましくは０．１５〜０．４５倍、より好ましくは０．２〜０．４倍、さらにより好ましくは０．３〜０．４倍の位置に配置させることが好ましい。そして、限られた厚みで構造体の遮音性をより高いものとするとの観点から、この基準となる最外面は、開口部のない金属箔層を位置させるときに基準となった最外面と対向する面とすることが好ましい。
そして、前記した開口部のない、又は開口部を有する金属箔層が、２０μｍ〜１５０μｍ、好ましくは、４０〜１２０μｍ、より好ましくは５０〜９０μｍとすることが好ましい。１５０μｍ超では、金属箔の柔軟性を発揮させることが難しくなり、２０μｍ未満では、金属箔の取扱が難しくなり、構造体の製造効率が低下することがありえる。加えて、薄すぎる金属箔の場合、市中から構造体を回収した後に、構造体を金属部分とガラスウール部分とを分解することが難しくなり、構造体のリサイクル性が低下しうる。
本発明の遮音性積層構造体の好ましい製法は、ガラス短繊維に硬化前の熱硬化型フェノール樹脂を付着させて集綿された未硬化ガラス短繊維ウェブと、金属箔とを重ね合わせて加圧加熱成形する工程を有することである。該工程を有することで、本発明の構造体を効率良く製造せしめる。
本発明は、ガラスウールと金属箔とから形成されるので耐熱性に優れ、且つその厚みを増やすことなく２００〜１０００Ｈｚ領域の低周波音の遮音特性に優れた遮音性積層構造体を提供する。本発明の構造体は、住宅、ビル等の建築物だけでなく、コンプレッサー、鉄道車両、自動車等のモータ周り、エンジン周り等、特には自動車のエンジン周り、モータ周りの遮音部材としての使用に効果を奏す。
本発明の遮音性積層構造体は、ガラスウール層と金属箔層を有する遮音性積層構造体であり、該構造体は、ガラスウール層、開口部のない金属箔層、及びガラスウール層の順で積層された構造を有し、該開口部のない金属箔層は、前記未硬化ガラス短繊維ウェブ中のフェノール樹脂を用いて両ガラスウール層と一体に成形されたものである。
前記ガラスウール層で使用されるガラスウールは、ガラス短繊維に熱硬化型フェノール樹脂を付着させて集綿された未硬化ガラス短繊維ウェブ（未硬化ガラスウール）を加熱成形して形成されるガラスウールである。該ガラスウールは、繊維質の遮音断熱材として汎用的に使用されている部材であり、代表的には、次のような製法で得られる。
遠心法で紡糸された繊維の平均径が３〜２０μｍ、好ましくは５〜１５μｍ、平均長が１〜１００ｍｍ、好ましくは３〜８０ｍｍのガラス短繊維に噴霧ノズル等によって硬化前の熱硬化型フェノール樹脂を付着させ、未硬化ガラスウールを得る。この未硬化ガラスウールの体積密度は、５〜５０ｋｇ／ｍ３、好ましくは８〜２０ｋｇ／ｍ３とすることが好ましい。そして、所望の形状に加工するための金型等を使用することで、未硬化ガラスウールの加圧、加熱成形、及び厚み調整がなされ、そして、体積密度が１０〜５００ｋｇ／ｍ３、好ましくは、１５〜３００ｋｇ／ｍ３のガラスウールが得られる。
前記加圧成形時の条件は、温度を１５０〜３５０℃、圧力を２×１０４〜２×１０６Ｐａ、好ましくは、２×１０５〜２×１０６Ｐａ、成形時間を、１０〜３６００秒、好ましくは、２０〜６００秒とすることが好ましい。
本発明の構造体では、各ガラスウール層の体積密度を同一としてもよいし、各ガラスウール層の体積密度を異なるものとしてもよい。各ガラスウール層の体積密度を異なるものとする場合、各ガラスウール層の体積密度は、最小の体積密度のガラスウール層を基準としたときに、該ガラスウール層の体積密度の３０倍以下、好ましくは２０倍以下、さらに好ましくは１０倍以下、特に好ましくは５倍以下となるように調整される。
尚、本発明での平均繊維径、及び物品の密度は、「ＪＩＳ Ａ ９５０４（２００４年）； 人造鉱物繊維保温材」に準拠した方法で得られるものして定義される。又、本発明での繊維の平均長については、平均繊維径測定時に抽出された繊維の長さを測定し、そして値の総和を測定数で割って得られる平均値、すなわち、物品中の任意の３箇所から約２０ｇ量採取し、各採取点からさらに繊維を２０本採取し、それぞれの長さ値の総和を測定数で割って得られる平均値として定義される。
前記熱硬化前のフェノール樹脂のガラス短繊維への付着量は、ガラスウールの密度が前記した範囲となるように、ガラス短繊維の総重量に対して、０，０５〜０．２倍量となるようになるように調整されることが好ましい。
フェノール樹脂は、フェノール 、キシレノール、クレゾール等のフェノール類と、ホルムアルデヒド、パラホルムアルデヒド等のアルデヒド類とを、好適にはモル比１．０：０．５〜１．０：０．９の配合割合で、さらに好適には蓚酸、酢酸亜鉛等の酸性触媒、又は二価金属塩の触媒下で縮合して形成される熱硬化型樹脂であり、硬化後の樹脂は、３次元的な網目構造を持っている。そして、合成樹脂の中でも特に耐熱性、難燃性に優れるという特徴を持っており、又、耐油、耐薬品性も高いので、本発明の目的とする構造体への使用に好適である。
本発明に使用されるフェノール樹脂には、一般的にガラスウール、ロックウール製造のために使用されるバインダーとして用いられる水溶性フェノール樹脂を使用可能である。フェノール樹脂としては、レゾール型フェノール樹脂、尿素変成レゾール型フェノール樹脂等を使用してもよい。
本発明の開口部のない金属箔層、及び開口部を有する金属箔層に使用される金属箔には、融点が２００℃以上、好ましくは２５０℃以上、さらに好ましくは２０００℃以下で箔化されやすい金属が使用されることが好ましい。そのような金属の例としては、アルミニウム、銀、金、銅、ニッケル、鉄、ステンレスが挙げられる。中でも、アルミニウムが使用されることが好ましい。アルミニウムの中では、ＪＩＳ Ｈ４０００「アルミニウム及びアルミニウム合金の板及び条（２００６年）」に規定されているＡｌ１０５０、Ａｌ１０７０、Ａｌ１０８５、Ａｌ１１００、Ａｌ１２００等の１０００系アルミニウムと呼ばれる純アルミニウム、Ａｌ３００３、Ａｌ３００４、Ａｌ３１０４等の３０００系アルミニウムと呼ばれるＡｌ−Ｍｎ系合金等の比較的に加工性が良いアルミニウム合金を使用することが好ましい。
また、開口部を有する金属箔の場合、１０〜８０％、好ましくは、１５〜７０％、より好ましくは、２０〜６０％の開口率を有する金属箔が使用されることが好ましい。また、一つあたりの開口部の大きさを、２０〜１０００ｍｍ２、好ましくは、５０〜６００ｍｍ２、より好ましくは、８０〜５００ｍｍ２とすることができ、その形状には、円状、矩形状、多角形状のもの等が使用されうる。
そして本発明の積層構造体は、好適には、未硬化ガラスウール、開口部のない金属箔を重ね合わされた構造を有する重ね合せ構造を形成し、その後、加圧加熱成形することで形成することが好ましい。この成形前の重ね合わせ構造については、本発明の構造体の原料となる未硬化ガラスウール、及び開口部のない金属箔、そして好適な形態の構造体のために使用されうる開口部を有する金属箔で、重ね合せ構造を形成してもよい。
加圧加熱成形時にガラス短繊維に付着していた硬化前のフェノール樹脂が不織布に含浸していき、アルミニウム金属繊維を被覆する。フェノール樹脂が不織布に含浸していく領域は、加圧成形時の圧力、温度、時間等によって調整される。
本発明の積層構造体が製造される過程について図面を用いて説明する。図１は、本発明の遮音性積層構造体の製造過程を説明する概念図である。又、図２は、本発明の遮音性積層構造体の一態様を示す図である。未硬化ガラスウール３と開口部のない金属箔層２となる金属箔２１とで重ね合せ構造を形成する。そして、この重ね合せ構造を加圧加熱成形することで、未硬化ガラスウール中の硬化前のフェノール樹脂が硬化することで金属箔層２とガラスウール層１とが一体化され、遮音性積層構造体４が形成される。
本発明の遮音性積層構造体の製法は、加圧成形時に金型の形状を選択しさえすれば、任意の形状に構造体を形成できる。図２は、本発明の構造体の一態様を示したもので、本発明の構造体の製法によれば、図２に示したような屈折部を有する遮音特性に優れる構造体を提供することを可能とする。
平均径７μｍ、平均長さ３０ｍｍのガラス短繊維を遠心法で紡糸し、紡糸されたガラス短繊維に硬化前の水性フェノール樹脂をスプレーガンでガラス短繊維量に対して重量比で０．１倍量付着させた。樹脂が付着したガラス短繊維を集綿機にとって、吸引集積して、体積密度が１６ｋｇ／ｍ３の未硬化ガラスウールを得た。
そして２０μｍ厚み、又は５０μｍ厚み、若しくは８５μｍ厚みのアルミニウム金属からなる金属箔を未硬化ガラスウールで挟み込んで、重ね合せ構造を形成し、２×１０５Ｐａの圧力を加えながら、２５０℃で２００秒間加熱することで、総厚みが３０ｍｍで、ガラスウール層／開口部のない金属箔層／ガラスウール層よりなる積層構造体を得た。尚、本実施例では、ガラスウール層の体積密度は、これらの原料に同一の体積密度を有する未硬化ガラスウールを使用しているので、両ガラスウール層で同じものとなっている。そして、ガラスウール層を形成するための原料となる未硬化ガラスウール、すなわち厚みを調整することで、種々の体積密度のガラスウール層を有する積層構造体が得られる。そして、結果的に体積密度の違いによって開口部のない金属箔層が配置される位置が決定される。
表１に本実施例で得られた積層構造体のガラスウール層のガラスウールの体積密度、及び金属箔層が構造体の総厚みの何倍に位置に配置されたのかを示す。前記の位置は、構造体の最外面から金属箔層までの距離を構造体の総厚みで割ることで求められる。尚、表１中のＧＷは、ガラスウールを示している。表１中の金属箔不使用は、比較のためにサンプルで、金属箔層を有さない構造体、すなわち、ガラスウール単層の構造体を示す。また、サンプル名のサンプル１乃至５での「−」以降の数字は、使用された金属箔層の厚みを略記として表現している。
［実施例の遮音特性の評価］
本実施例で得られたサンプル１乃至５での構造体の垂直入射音の遮音率を、ＪＩＳ Ａ６３０１「遮音材料（２０００年）」の付属書Ｂに準拠した方法で測定した。本評価では、ガラスウール層の厚みの薄い側を音源側としている。
結果を図３乃至７に示す。本実施例で得られた遮音性積層構造体は、低周波域で遮音性に優れたものであった。
本発明の遮音性積層構造体の製造過程を説明する概念図である。 本発明の遮音性積層構造体の一態様を示す図である。 本発明の実施例でのサンプル１の遮音特性の評価結果を示す図である。 本発明の実施例でのサンプル２の遮音特性の評価結果を示す図である。 本発明の実施例でのサンプル３の遮音特性の評価結果を示す図である。 本発明の実施例でのサンプル４の遮音特性の評価結果を示す図である。 本発明の実施例でのサンプル５の遮音特性の評価結果を示す図である。
符号の説明
１ ガラスウール層
２ 開口部のない金属箔層
２１ 開口部のない金属箔層２となる金属箔
３ ガラス短繊維に熱硬化型フェノール樹脂を付着させて集綿された未硬化ガラス短繊維ウェブ（未硬化ガラスウール）
４ 遮音性積層構造体

Claims (7)

  1. ガラスウール層と金属箔層を有する遮音性積層構造体であり、該ガラスウール層は、ガラス短繊維に熱硬化型フェノール樹脂を付着させて集綿された未硬化ガラス短繊維ウェブを加熱成形して形成されるガラスウールであり、該構造体は、ガラスウール層、開口部のない金属箔層、及びガラスウール層の順で積層された構造を有することを特徴とする遮音性積層構造体。
  2. 構造体の総厚みが５〜１００ｍｍであり、開口部のない金属箔層が、構造体の最外面から、厚み方向に層厚みの０．１〜０．５倍の位置に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の遮音性積層構造体。
  3. ガラスウール層、開口部を有する金属箔層、及びガラスウール層の順で積層された構造を有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の遮音性積層構造体。
  4. 開口部のない金属箔層、ガラスウール層、及び開口部を有する金属箔層の順で積層された構造を有することを特徴とする請求項３に記載の遮音性積層構造体。
  5. 開口部を有する金属箔層が、構造体の最外面から、厚み方向に層厚みの０．１〜０．５倍の位置に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の遮音性積層構造体。
  6. 金属箔層が、２０μｍ〜１５０μｍであることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の遮音性積層構造体。
  7. ガラス短繊維に硬化前の熱硬化型フェノール樹脂を付着させて集綿された未硬化ガラス短繊維ウェブと、金属箔とを重ね合わせて加圧加熱成形する工程を有することを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の遮音性積層構造体の製法。
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