JP7351429B1 - 吸音材及び車両部材 - Google Patents
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Abstract
Description
このような吸音材は従来にない構造を有しており、薄厚であっても低い周波数帯域において優れた吸音特性を発現することができる。
本明細書において、「工程」との語は、独立した工程だけではなく、他の工程と明確に区別できない場合であってもその工程の所期の作用が達成されれば、本用語に含まれる。
本明細書において、「層」との語は、平面図として観察したときに、全面に形成されている形状の構造に加え、一部に形成されている形状の構造も包含される。
図1は、一実施形態に係る吸音材の模式断面図である。吸音材10は、多孔質層2と、多孔質層2上に配置された多孔層1とを備え、多孔層1が、複数の孔hを有する(平面状の)基部1aと、孔hの少なくとも一部の孔から多孔質層2内に延在する中空状のネック部1bとを備える。多孔層1は、全ての孔hから多孔質層2内に延在する中空状のネック部1bを備えていてもよい。多孔質層2は、孔hと連通しかつネック部1bの多孔質層2への延在長さと同じ深さの孔を有している。ネック部1bを有しない孔hの内部の空間は空洞であってよい。
吸音材10は、他の部材の吸音特性を向上させる観点から、吸音特性向上部材ということもできる。また、吸音材10及び対象部材を備える構造を、吸音構造体ということもできる。
図2に示す吸音材は、音の入射側と反対面全面に裏張層を備えている。裏張層は、通気性又は非通気性の材料から構成されてよい。裏張層が非通気性の材料から構成される場合、上記のように対象部材を配置しなくとも、単独でヘルムホルツ共鳴箱構造を形成することができる。
多孔質層はゴム発泡体又は樹脂発泡体を含む。ゴム発泡体又は樹脂発泡体は通気性の材料(多孔質材)である。
密度は、常温において試料の重量を見かけの体積で除することにより算出することができる。
樹脂発泡体を構成する樹脂としては、ポリウレタン(PU)が挙げられる。
多孔層は多孔質層上に(多孔質層表面に)存在し、多孔質層表面(上面)を覆うように形成される、ゴム又は樹脂を含む層である。多孔層をスキン層と言うことができる。
通気抵抗は、通気抵抗測定装置(例えば、KES-F8、カトーテック株式会社製)を用いて測定することができる。
孔の径は、三次元計測X線CT装置を用いた構造解析で確認することができる。孔の径は、5個の孔に対する測定値の平均値として求められる。
孔のピッチは、加工性の観点から、1mm以上とすることができ、5mm以上であってもよく、また開口率向上の観点から、30mm以下とすることができ、20mm以下であってもよい。孔のピッチとは、後述の図5のPに示されるように、隣接する孔の中心間距離を言う。孔のピッチは、5個の孔に対する測定値の平均値として求められる。
ネック部の長さとは、基部と多孔質層との界面からネック部先端までの長さを言う。
多孔層を構成する樹脂としては、ポリエチレンテレフタレート(PET)等のポリエステル、ポリプロピレン(PP)、ポリエチレン(PE:例えば高密度ポリエチレン(HDPE)、低密度ポリエチレン(LDPE))等のポリオレフィン、ポリウレタン(PU)、アクリル樹脂、ウレタン系、オレフィン系、スチレン系、塩化ビニル系、ポリエステル系、ポリアミド系等の熱可塑性エラストマー、又はこれらを複合化した熱可塑性樹脂が挙げられる。
被覆層は、後述のとおり多孔質層の製造過程において、多孔質層の側面及び底面の少なくともいずれかに形成される。したがって、被覆層を構成するゴム又は樹脂は、多孔質層の項目において例示したものとなる。また、多孔層と共に多孔質層を被覆するものであって、かつ多孔層同様に多孔質層より開気孔率が低い層であることから、多孔質層もスキン層ということができる。
裏張層としては、フィルム、箔等の非通気性の層(非不織布層)、不織布等の通気性の層が挙げられる。多孔質層と裏張層とは接着層を介して接着されていてよい。
ゴムとしては、ウレタンゴム(PU)、シリコーンゴム、天然ゴム(NR)、ブチルゴム、スチレン・ブタジエンゴム(SBR)、クロロプレンゴム(CR)、アクリロニトリル・ブタジエンゴム(NBR)、エチレンプロピレンジエンゴム(EPDM)、フッ素ゴム(FKM)等が挙げられる。
金属としては、ステンレス、アルミ、銅等が挙げられる。
複合材料としては、繊維強化ゴム(FRR)、繊維強化プラスチック(FRP)等が挙げられる。
他の多孔質層は通気性の材料から構成される。音波入射側である多孔層上に他の多孔質層を敷設することで、優れた吸音性能を損なうことなく、孔への異物の混入を防ぐことができる。特に自動車の外装部品(アンダーカバー、ホイールハウスカバー等)に吸音材を適用する場合に有効である。多孔層と他の多孔質層とは、前述の接着層を介して接着されていてよい。
不織布としては、熱可塑性樹脂繊維又は熱硬化性樹脂繊維から構成される不織布が挙げられる。不織布には、炭素数1~6のパーフルオロアルキル基を有するフッ素化合物(例えば、炭素数1~6のパーフルオロアルキル基及び炭素-炭素二重結合を有する重合性化合物(単量体;含フッ素単量体)に由来する構造を有するフッ素含有重合体)、炭素数7~40の炭化水素基を有する非フッ素化合物(例えば、炭素数7~40の炭化水素基及び炭素-炭素二重結合を有する重合性化合物(単量体;非フッ素単量体)に由来する構造を有するフッ素非含有重合体)等を有する撥水添加剤が含まれていてもよい。
ゴム発泡体及び樹脂発泡体としては、多孔質層の項目にて説明した材料が挙げられる。
吸音材においては、多孔質層側を対象部材に向けて配置した時に、孔から入射する音に共鳴するヘルムホルツ共鳴箱構造が形成される。上記吸音材によれば、薄厚であっても低い周波数帯域において優れた吸音特性を発現することができる。
ヘルムホルツ共鳴箱構造は、共鳴周波数の異なるヘルムホルツ共鳴箱構造を含んでよい。すなわち、吸音材においては、共鳴周波数の異なる二種以上のヘルムホルツ共鳴箱構造が形成されてもよい。これにより、吸音材は低周波数側から高周波数側まで広範囲において高い吸音特性を発現することができる。
ヘルムホルツ共鳴箱構造とは、ヘルムホルツ共鳴器の構成要素、すなわち開口部(多孔層の孔)、頸部(多孔層の厚み、又は多孔層厚みとネック部長さ)、胴部(多孔質層)を有し、理論的にヘルムホルツ共鳴箱として機能する構造である。
この際、隣り合うヘルムホルツ共鳴箱構造が異なる共鳴周波数を有することがさらに好ましい。すなわち、異なる共鳴周波数を発現する孔(吸音周波数区分の異なる孔)同士が隣り合うことで、音波がそれぞれの孔に回折して入射し易くなり、吸音周波数をより広域化し易くなる。
以下に吸音材の製造方法を説明するが、吸音材の製造方法に特に制限はない。
複数の孔を有する平板部と少なくとも一部の孔から延在する中空の延在部とを有する上型20を準備する。
平板部の下面及び延在部の側面に、多孔層形成液L1を付着させる。
延在部の先端に液が付着している場合は、エアブロー等により液を除去する。その後、後述の多孔質層形成液L2が延在部内に浸入しないよう、平板部上面の孔はマスキングテープ等で塞いでおく。これらの措置は、ネック部先端を開放しかつネック部内部を中空となるようにするためである。
下型21を準備して多孔質層形成液L2を流し込む。
上型20と下型21を対向させる(図7の状態)。
下型21の多孔質層形成液L2中に、多孔層形成液L1が付着した上型20を、平板部の下面が多孔質層形成液L2に接するまで沈める。
上型20を沈めた状態で多孔層形成液L1及び多孔質層形成液L2をゲル化させる。ゲル化は、例えば20~40℃で10~30分間放置することにより行うことができる。この際、下型21と接する部分の多孔質層形成液L2は充分な発泡が進まないため、ゲル化物を加熱する際に被覆層(多孔質層より開気孔率の低い層)が形成されることになる。
両液のゲル化物を型から取り出して加熱し、ゲル化物を架橋させる。加熱は、例えば80~120℃で30~240分間行うことができる。
以上の工程により吸音材を得ることができる。
a)多孔層形成液が付着していない上型を、下型の多孔質層形成液中に沈めてもよい。上型と接する部分の多孔質層形成液は充分な発泡が進まないため、多孔質層形成後に多孔質層より開気孔率の低い層が多孔層として形成される。なお、この場合多孔層となる基部及びネック部の厚さが比較的薄くなる傾向があるため、多孔層の耐久性向上の観点からは前述の製造方法を採用することができる。
b)射出成形、三次元造形等の各種成形加工方法により多孔層を予め作製し、これを上記の多孔層形成液が付着した上型に代えて用いてもよい。
c)射出成形、三次元造形等の各種成形加工方法により多孔層を予め作製し、また多孔質層形成液から多孔質層を作製する等して多孔質層を別途準備し、両者を(必要に応じ接着層を介して)貼り合わせてもよい。接着層としては、裏張層の項目にて説明したものが挙げられる。
d)ゴムに代えてPU(軟質及び硬質いずれでもよい)を用いる場合は、ポリオール及びポリイソシアネートと、発泡剤、整泡剤、触媒等とを含む液を調製し、これを多孔層形成液及び多孔質層形成液として用いればよい。
ここでいう低い周波数帯域とは、周波数が100~3000Hzの帯域とすることができ、上記吸音材は、500~3000Hzの、特に800~2500Hzの周波数帯域において優れた吸音特性を有する。
また、上記吸音材は、孔及びネック部の形成のさせ方により広い周波数帯域(低い~高い周波数帯域)の騒音を吸収することも可能である。ここでいう広い周波数帯域とは、周波数が500~6000Hzの帯域とすることができ、上記吸音材は、800~5000Hzの、特に1000~4000Hzの周波数帯域において優れた吸音特性を有する。
車両部材は上記の吸音材を備える。車両部材としては、例えば以下の態様が挙げられる。車両部材は自動車部材であってよい。
外装:車両用外装材の吸音部材である車両部材、車両用外装材。
外装としては、(車両用)アンダーカバー又はアンダープロテクター、ホイールハウスカバー、防音カバー、ボディパネル等が挙げられ、具体的にはエンジンアンダーカバー、フロアアンダーカバー、リアアンダーカバー、ミッションカバー、フェンダーライナー/プロテクタ又はマッドガード、ホイールハウスパネル、ドアパネル、フロアパネル等が挙げられる。
内装:車両用内装材の吸音部材である車両部材、車両用内装材。
内装としては、車両用サイレンサー、車両用防音体等が挙げられ、具体的には天井材(ルーフサイレンサー)、ダッシュサイレンサー、フロアサイレンサー、フロアカーペット、フードサイレンサー等が挙げられる。
その他:タイヤ用吸音材、タイヤ。
タイヤ用吸音材としては、車両用カバー、ケース等と上記の吸音材を組み合わせた吸音構造体が挙げられる。
タイヤとしては、タイヤと上記の吸音材(インナータイヤアブソーバー)を組み合わせたものが挙げられる。
[発明1]
ゴム発泡体又は樹脂発泡体を含む多孔質層と、多孔質層上に設けられ、多孔質層より開気孔率の低いゴム又は樹脂を含む多孔層と、を備え、
多孔層が、複数の孔を有する基部と、少なくとも一部の孔から多孔質層内に延在する中空状のネック部とを備え、
多孔質層側を対象部材に向けて配置した時に、孔から入射する音に共鳴するヘルムホルツ共鳴箱構造が形成される、吸音材。
[発明2]
多孔層の開気孔率が0~60%である、発明1記載の吸音材。
[発明3]
基部及びネック部の厚さが50μm~5mmである、発明1又は2に記載の吸音材。
[発明4]
多孔層の通気抵抗が1kPa・s/m以上である、発明1~3のいずれか一項に記載の吸音材。
[発明5]
多孔質層の開気孔率が65~99%である、発明1~4のいずれか一項に記載の吸音材。
[発明6]
多孔質層の気孔径が1mm以下である、発明1~5のいずれか一項に記載の吸音材。
[発明7]
ヘルムホルツ共鳴箱構造が、共鳴周波数の異なるヘルムホルツ共鳴箱構造を含む、発明1~6のいずれか一項に記載の吸音材。
[発明8]
ヘルムホルツ共鳴箱構造が、2000Hz未満の共鳴周波数を有するヘルムホルツ共鳴箱構造、及び2000Hz以上の共鳴周波数を有するヘルムホルツ共鳴箱構造を含む、発明7記載の吸音材。
[発明9]
ネック部の長さが、多孔質層の厚さの5~80%である、発明1~8のいずれか一項に記載の吸音材。
[発明10]
基部の開口率が1~20%である、発明1~9のいずれか一項に記載の吸音材。
[発明11]
厚さが30mm以下である、発明1~10のいずれか一項に記載の吸音材。
[発明12]
多孔質層の側面及び底面の少なくともいずれかが、ゴム発泡体又は樹脂発泡体を構成するゴム又は樹脂を含みかつ多孔質層より開気孔率の低い被覆層で被覆されている、発明1~11のいずれか一項に記載の吸音材。
[発明13]
多孔層と、多孔質層と、通気性又は非通気性の材料から構成される裏張層とをこの順に備える、発明1~12のいずれか一項に記載の吸音材。
[発明14]
通気性の材料から構成される他の多孔質層と、多孔層と、多孔質層とをこの順に備える、発明1~13のいずれか一項に記載の吸音材。
[発明15]
他の多孔質層が、ゴム発泡体若しくは樹脂発泡体を含む層、又は不織布層である、発明14に記載の吸音材。
[発明16]
不織布層が撥水添加剤を含む、発明15に記載の吸音材。
[発明17]
発明1~16のいずれか一項に記載の吸音材を備える、車両部材。
(実施例1)
ポリカップに固形分比率でショウプレン671A(昭和電工株式会社製、クロロプレンゴムラテックス)を100質量部、酸化亜鉛AZ-SW(大崎工業株式会社製、促進助剤)を7.5質量部、アデカノールUH-752(株式会社ADEKA製、増粘剤)を0.2質量部加え、マグネチックスターラーRS-1DN(アズワンアズワン製)を用いて、700rpmで15分攪拌混合した。これをスキン層用ラテックスとした。
多孔質層形成液を下型へ流し込み、スキン層形成液を付着させた上型を重ねて型締めした。この状態のまま常温(25℃)で10分放置し、各液をゲル化させた。
各液のゲル化物を型から取り出し、120℃の恒温槽で4時間加熱した。加熱後のサンプルを恒温槽から取出し、水で洗浄を行った。
以上のようにして吸音材を作製した。作製した吸音材は、ゴム発泡体を含む多孔質層と、多孔質層上に設けられ、多孔質層より開気孔率の低いゴムを含む多孔層と、を備え、多孔層が、複数の孔を有する基部と、少なくとも一部の孔から多孔質層内に延在する中空状のネック部とを備えるものであった。
上型として、表3及び図5(a)に示す1種類の孔(孔A)及びネック部が形成されるような、孔及び延在部を有するものを用いた。このこと以外は、実施例1と同様にして吸音材を作製した。
3Dプリンタ(株式会社キーエンス製、AGILISTA)を用い、アクリル樹脂(同3Dプリンタ用アクリル樹脂AR-M2)を原料として多孔層を造形した。多孔層は、図5(a)の孔Aの位置に、表3に示す1種類のネック部を有していた。
ウレタンフォーム(イノアックコーポレーション株式会社製、カームフレックスF-2)に、造形した多孔層のネック部のサイズに対応する穴を開けた。その穴に多孔層のネック部を嵌合させて吸音材を作製した。
シンサレート(3M社製、ポリプロピレン・ポリエステル混繊不織布、220g/m2)を吸音材として準備した。
実施例1で使用したスキン層形成液及び多孔質層形成液を用いて、多孔質層と、多孔質層上に孔を有しないスキン層を備える積層体を形成した。多孔質層の厚さ及びスキン層の厚さは、それぞれ実施例1の多孔質層の厚さ及び基部の厚さと同様とした。そして、穿孔部材を用いてスキン層側から積層体を穿孔し、多孔質層内に実施例1のネック部と同じ深さの孔を形成した。このようにして、ネック部を有しないこと以外は、実施例1の吸音材と同様の構成を有する吸音材を作製した。
(多孔層及び多孔質層の開気孔率)
吸音材を10mm×10mm×10mmのサイズに切断加工し、3次元計測X線CT装置(inspeXio SMX-225CT、株式会社島津製作所製)を用いて開気孔率算出した。具体的にはX線CT装置で得られた3次元モデルから任意の3つの断面を観察し、各層の構成材料が存在しない部分を開気孔として断面の全体の面積に対する開気孔の割合を、装置付属の解析ソフト「Image-Pro Analyzer」を用いて算出した。多孔層と多孔質層の開気孔率の平均値を表1に示す。
吸音材をネック部全体が含まれるように切断加工し、上記3次元計測X線CT装置を用いて以下のとおり多孔層の形状を計測した。結果を表2に示す。
X線CT装置で得られた3次元モデルから、基部表面から垂直であってかつ孔の中心を通るような断面を切り取る。基部と多孔質層の境界を基準として、基部に垂直な線を多孔質層側に引く。この時に前記基準からネック部端部までの最短距離をネック長さとする。またネック長さを測定した範囲におけるネック部の最小厚さをネック部厚さとする。これらの計測には、装置付属の解析ソフト「image-Pro Analyzer」を用いた。基部厚さは基部の5か所の測定値の平均を、ネック部厚さ及び長さは5つのネック部に対する測定値の平均を取った。
吸音材から多孔質層を除去してΦ40mmのサイズに切断加工し、通気抵抗測定装置(KES-F8、カトーテック株式会社製)を用いて以下のとおり通気抵抗を測定した。
具体的には、試料(多孔層)の孔部分に円柱状のピンを差し込んで埋め、この状態で通気抵抗測定装置にサンプルを設置して測定することで、多孔層の通気抵抗を測定した。3回の測定における通気抵抗の平均値は、8.80kPa・s/m(実施例1,2、比較例2)であった。
吸音材を10mm×10mm×10mmのサイズに切断加工し、上記3次元計測X線CT装置を用いて以下のとおり気孔径を算出した。
具体的には、X線CT装置で得られた3次元モデルから任意の断面を観察して、連通部分を含めた気孔の断面積を測定し、その断面積に相当する円の直径を算出する。この得られた円の直径を気孔径(円相当径)とする。任意の断面5枚からそれぞれ任意の気孔10個を選び気孔径を測定し、計50個の測定値の平均値を算出する。
算出された気孔径の平均値は、475.8μm(実施例1,2、比較例2)であった。
吸音材の基部表面の孔の面積を、孔の面積を含む基部全体の面積で除することで開口率を算出した。開口率は7.68%(実施例1、比較例2)、4.91%(実施例2,3)であった。
吸音材を10mm(縦)×10mm(横)のサイズに切断加工し、上記3次元計測X線CT装置を用いて厚さ測定した。結果を表3に示す。
図6に示す計算方法に従い、吸音材のヘルムホルツ共鳴箱構造における共鳴周波数を算出した。結果を表3に示す。
吸音材をΦ29mmのサイズに切断加工し、下記装置を用いて垂直入射吸音率を測定した。実施例1及び比較例2の吸音材は多孔層(スキン層)側から音を入射した。結果を図8に示す。
装置名:4206型インピーダンス管(ブリュエル・ケアー社)
測定方法:垂直入射吸音率(JIS A 1405-1に準拠)
測定範囲:500~6500Hz
測定サンプルサイズ:Φ29mm
Claims (17)
- ゴム発泡体を含む多孔質層と、前記多孔質層上に設けられ、前記多孔質層より開気孔率の低いゴムを含む多孔層と、を備え、
前記多孔層が、複数の孔を有し厚さが1mm以下である基部と、少なくとも一部の前記孔から多孔質層内に延在する中空状のネック部とを備え、
前記多孔質層側を対象部材に向けて配置した時に、前記孔から入射する音に共鳴するヘルムホルツ共鳴箱構造が形成される、車両部材用吸音材。 - 前記多孔層の開気孔率が0~60%である、請求項1記載の吸音材。
- 前記基部の厚さが50μm~1mmであり、前記ネック部の厚さが50μm~5mmである、請求項1又は2に記載の吸音材。
- 前記多孔層の通気抵抗が1kPa・s/m以上である、請求項1又は2に記載の吸音材。
- 前記多孔質層の開気孔率が65~99%である、請求項1又は2に記載の吸音材。
- 前記多孔質層の気孔径が1mm以下である、請求項1又は2に記載の吸音材。
- 前記ヘルムホルツ共鳴箱構造が、共鳴周波数の異なるヘルムホルツ共鳴箱構造を含む、請求項1又は2に記載の吸音材。
- 前記ヘルムホルツ共鳴箱構造が、2000Hz未満の共鳴周波数を有するヘルムホルツ共鳴箱構造、及び2000Hz以上の共鳴周波数を有するヘルムホルツ共鳴箱構造を含む、請求項7記載の吸音材。
- 前記ネック部の長さが、前記多孔質層の厚さの5~80%である、請求項1又は2に記載の吸音材。
- 前記基部の開口率が1~20%である、請求項1又は2に記載の吸音材。
- 厚さが30mm以下である、請求項1又は2に記載の吸音材。
- 前記多孔質層の側面及び底面の少なくともいずれかが、前記ゴム発泡体を構成するゴムを含みかつ前記多孔質層より開気孔率の低い被覆層で被覆されている、請求項1又は2に記載の吸音材。
- 前記多孔層と、前記多孔質層と、通気性又は非通気性の材料から構成される裏張層とをこの順に備える、請求項1又は2記載の吸音材。
- 通気性の材料から構成される他の多孔質層と、前記多孔層と、前記多孔質層とをこの順に備える、請求項1又は2に記載の吸音材。
- 前記他の多孔質層が、ゴム発泡体若しくは樹脂発泡体を含む層、又は不織布層である、請求項14に記載の吸音材。
- 前記不織布層が撥水添加剤を含む、請求項15に記載の吸音材。
- 請求項1又は2に記載の吸音材を備える、車両部材。
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