KR101207148B1 - 성형되고 쉐이핑된 음향의 방음이 가능한 차량용 패널 및 이를 제조하는 방법 - Google Patents

성형되고 쉐이핑된 음향의 방음이 가능한 차량용 패널 및 이를 제조하는 방법 Download PDF

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Abstract

제 1 부분(상기 제 1 부분은, 약 50 내지 80%의 용융성 바인더 섬유 및 약 20 내지 50%의 스테이플 섬유(staple fiber)를 갖음) 및 제 2 부분(상기 제 2 부분은, 약 20 내지 50%의 용융성 바인더 섬유 및 약 50 내지 80%의 스테이플 섬유를 갖음)으로 구성되며, 건식으로 제조되고 니들링(needling)된 섬유 복합물을 갖고, 성형되고 쉐이핑된 음향의 방음이 가능한 차량용 패널. 상기 제 1 부분 중 재응고된 바인더 섬유가 상기 제 1 부분의 표면에 전체적으로 관련되고 그리고 결합되는, 실질적으로 연속적이고, 반-불침투성이고, 치밀한 스킨(skin)을 형성하기 위해, 상기 용융성 바인더 섬유는 성형되고 재응고된 상태에 있다. 상기 성형된 복합물은, 상기 복합물이 주된 영역에 걸쳐서 약 12 내지 22 lbs/ft3(192 내지 352 kg/m3)의 밀도를 갖도록, 열 및 압력으로 성형된 상태에 있고, 상기 패널은 자기-지지형(self-supporting)일 수 있도록 충분히 단단하다.

Description

성형되고 쉐이핑된 음향의 방음이 가능한 차량용 패널 및 이를 제조하는 방법{A MOLDED AND SHAPED ACOUSTICAL INSULATING VEHICLE PANEL AND METHOD OF MAKING THE SAME}
가출원이 아닌 본 출원은, 본원에서 전체가 참고로 인용된 가출원 제60/960,402호(2007.09.28.자 출원)에 대해 미국 특허법 119(e)의 우선권을 주장한다.
본 발명은 성형되고 쉐이핑된 방음이 가능한 차량용 패널에 관한 것이고, 특히 음향의 방음이 가능한 패널에 관한 것이며, 상기 패널을 제조하는 방법에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 발명은 자동차 및 트럭을 조립하는 데에 사용되는 패널(예를 들어, 도어 패널(door panel), 지붕 패널, 백라이트 패널(backlight panel) 및 휠 웰(wheel well))에 관한 것이며, 특히 트럭을 조립하는 데에 사용되는 패널에 관한 것이다.
자동차의 비용 및 중량을 감소시키기 위해 당해 기술분야에서 지속적인 노력을 해왔다. 상기 비용 및 중량 중 구조체에 사용되는 금속 부품(예를 들어, 동체 부품(body part), 보호용 및 방음용 패널 등)의 비용 및 중량이 많은 부분을 차지한다. 본 발명은 차량용 패널에 광범위하게 적용될 수 있으나, 본 발명은 자동차 및 트럭의 휠 웰 보호물(wheel well shield)에 가장 잘 적용될 수 있다. 이러한 보호물은 차량의 휠 웰 아래에 위치되며, 차량의 하부 또는 엔진실에 물이 튀는 것을 차단하고, 도로의 파편을 차단한다. 이러한 보호물은 도로로부터 차량의 하부 또는 엔진실로 물이 튀는 것을 상당히 방지할 뿐만 아니라, 파편이 타이어에 의해 휠 웰에서 회전됨으로써 발생하는 도로의 소음을 완전히 만족할 정도로 감소시켜야 하기 때문에, 휠 웰 보호물은 당해 기술분야에서 특히 어려움이 있다. 그러한 소음의 주목할 만한 예는 자동차가 자갈이 깔린 도로를 횡단할 때 발생하는 것이며, 상기 자갈은 타이어에 의해 휠 웰에서 회전하며, 상기 휠 웰이 보호되지 않거나 소음을 충분히 음향적으로 감소시키지 않는 보호물에 의해 보호되는 경우에, 매우 불쾌한 소음을 발생시킨다.
자동차의 휠 웰 주위를 보호하기 위한 통상적인 해결책은 타출된 강철(stamped steel) 등을 이용하는 것이다. 이러한 유형의 해결책은 엔진실 및 동체 구조를 물리적으로 보호하는 데에서는 매우 효과적이나, 차량의 소음 수준을 감소시키는 데에서는 효과적이지 못하다. 또한, 높은 강성(stiffness) 및 낮은 댐핑(damping) 성질 때문에, 이러한 보호물은 파편 또는 물이 상기 보호물과 충돌하고 구조를 자극하여 진동을 야기하는 많은 상황에서 원하지 않은 소음을 발생시킨다. 이러한 원하지 않은 소음은, 상기 보호물에 물이 튀거나 도로의 파편이 충돌하는 경우에 울려 퍼지거나 갑작스런 고통을 주는 소리를 종종 야기한다.
이러한 통상적인 시스템에서는 휠 웰 또는 보호물에 댐핑 코팅(damping coating)을 적용하거나 또는 낮은 기계적인 강성을 갖는 물질을 사용함으로써 개선하였다. 오늘날 일반적으로 사용되는 그러한 물질 중 하나는 폴리프로필렌(polypropylene)이다. 이 물질은 압축 성형 또는 사출 성형을 통해 복잡한 3차원적 형태로 성형될 수 있다. 성형된 폴리프로필렌 보호물은 타출된 금속에 걸쳐서 중량을 감소시키고, 더 낮은 강성 및 더 높은 내부의 댐핑 성질을 통해 음향을 개선시킨다. 그러나, 소음 감소에 대한 현재의 요구를 충족시키지는 못한다.
소음 감소에 대한 현재의 요구와 관련하여, 그러한 소음을 감소시키기 위한 초기 노력은 미국 특허 제1,704,048호에 개시되며, 얇은 고무 형태를 펜더(fender) 아래에 적용하는 것을 제안하고, 이러한 형태가 물이 침투되지 않고, 자갈과 같은 도로의 소음을 탄력적으로 약하게 하는 방식으로 제안된다. 다른 한 편으로, 미국 특허 제3,068,794호는 휠 웰의 내부에 위치되는 펜더 부트(fender boot)를 제안한다. 상기 펜더 부트는 도로의 소음을 감소시키기 위해 플라스틱 물질로 만들어진다.
더 최근의 접근법에서, 미국 특허 제4,620,745호는 소음을 감소시키기 위해 반-탄력적인(semi-resilient) 물질을 갖는 휠 웰 보호장치를 개시한다. 미국 특허 제4,735,427호는 휠 웰의 외형을 거의 드러내는 플라스틱 물질의 외관을 제안하는 방식으로 최신식으로 적용되었다. 바람직하게, 플라스틱 물질은, 휠 웰의 외형에 대한 온간 가공(warm working)에 의해 시트 물질(sheet material)로부터 생성되는 니들링된(needled) 플라스틱 섬유의 양털 같은 물질이며, 접착, 스크류(screw)로 체결함 등에 의해 휠 웰에 고정된다. 이러한 보호 장치에 대한 대체물은, 특별한 소리를 방음시키기 위해 상기 양털 같은 물질이 탄성이 있는 플라스틱 물질을 사용하여 앞면에 물이 침투하지 못하도록 만들어질 수 있다는 것이다. 이는 본질적으로 상기 배경기술에서 가장 최근에 사용되는 접근법이다.
그러나, 더 진보된 접근법으로서, 미국 공개 특허 제2004/0096646 A1호는, 발포성형(foamed) 또는 발포(expanded) 플라스틱을 사용함으로써, 발생되는 전동 소음(rolling noise), 분사된 물의 소음(sprayed water noise), 및 돌 충격 소음(stone impact noise)을 감소시키기 위해 플라스틱으로 만들어진 경량의 휠 보호물을 제안한다. 상기 공개물은 휠 웰 보호물에서의 다양한 시도를 참고로 하고, 상기 발명의 발포 플라스틱의 휠 웰 보호물이 경량일 뿐만 아니라, 형태에서도 놀라울 정도로 안정적이고, 우수한 음향 성질을 갖는다는 것을 지적한다. 휠 웰 보호물은 사출 성형 또는 딥 드로잉(deep drawing)에 의해 제조될 수 있다. 배경 기술에 있는 이러한 더 최신식의 접근법은 우수한 방음을 제공하면서 가능한 한 경량인 휠 웰을 만들 필요를 인식하고 있다는 점에서 중요하다.
따라서, 성공적인 휠 웰 보호물은, 상기 보호물을 만드는 물질, 특히 소음을 감소시키는 특정 물질에 따라 달라진다는 것이 매우 분명하다. 소음을 감소시키는 특정 물질과 관련하여, 미국 특허 제5,094,318호는 댐핑 시트를 갖는 층을 조합한 자동차용 소리 흡수 물질을 제안하고, 특히 트렁크 라이너(trunk liner)에 대한 미국 특허 제4,801,169호는 자기-지지형인 차량용 패널의 중요성을 분명하게 하는데, 이는 자기-지지형 성질이 차량에 패널을 적용하고 패스닝(fastening)을 용이하게 할 수 있기 때문이다. 특히, 본 특허는 형태의 유지 및 강성을 제공하기 위해 라이너의 후면에 적용되는 성형가능한 코팅으로 니들 펀치된(needle punched) 섬유질 물질(예를 들어, 폴리에스테르 스테이플 섬유(polyester staple fiber))로 형성되는 성형된 트렁크 라이너를 제안한다. 폴리에틸렌(polyethylene) 또는 성형가능한 라텍스(latex)의 코팅이 제안된다. 미국 특허 제4,673,207호는 유사한 트렁크 라이너를 개시하며, 패널이 용이하게 설치되기 위해 트렁크에 설치되는 경우에 똑바로 선 위치에 대해 안쪽으로 편향된다. 미국 특허 제4,568,581호도 유사하나, 상대적으로 높은 녹는점을 갖는 섬유 및 상대적으로 낮은 녹는점을 갖는 열가소성 섬유를 혼합하여 형성되는 부직포 웹(non-woven web)을 포함하는 성형된 패널을, 트렁크실(trunk compartment)에 사용하는 것을 제안하며, 낮은 녹는점을 갖는 섬유는 형태를 유지하기 위해 다수의 결합을 형성하고 하나의 표면상에서 융합된 형태를 형성한다.
최근에, 음향의 방음이 가능한 기술분야에서 상당히 진보된 기술이 현재의 양수인에게 양도된 미국 공개 특허 제2003/0199216 A1호에서 제안되었다. 그 출원은, 특히 차량용 패널에 대해 음향의 방음이 가능한 패널이 상당한 두께이거나 다층(상기 다층 중 하나는 강도 생성 층(strength producing layer)임)으로 구성되지 않는다면, 일반적으로 낮은 x-y 평면의 강도를 갖는다는 것을 지적한다. 그러나, 자동차의 음향의 방음을 위한 대부분의 적용은 상대적으로 작은 공간에서 함유되어야 하고, 일반적으로 1 인치(inch) 이하의 두께이어야 한다. 이는 자동차용 패널에 대해서는 사실이며, 휠 웰 보호물에 대해서도 사실이다. 상기 출원은 가공된 부직포 물질의 단일층으로 만들어진 밀도 구배 물질(gradient density material)을 제안하여, 상기 두께 중 적어도 일부분은 상기 두께 중 남아있는 부분보다 증가된 밀도를 가지며, 가공 후에 상기 단일층의 물질은 200 내지 4000 MKS rayls(고유 음향 임피던스의 단위임) 범위에서의 흐름 저항, 즉 상기 출원에서 개시된 바와 같이 방음에 필요한 범위에서 우수한 흐름 저항을 갖는다. 이는 당해 기술분야에서 상당한 잇점이 있으며, 상기 공개물은 본원에서 참고로 인용된다.
따라서, 당해 기술분야에서 상당한 방음이 가능한 더 우수한 차량용 패널, 특히 자기-지지형인 패널을 제공하기 위해 오랫동안 노력해 왔다. 본 발명은 상대적으로 낮은 비용으로 제조될 수 있고 방음이 잘되는 성질을 갖는 특정 패널을 제공하는 것을 대상으로 한다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 성형되고 쉐이핑된 음향의 방음이 가능한 차량용 패널 및 이를 제조하는 방법을 제공한다.
본 발명은 몇몇의 주요한 발견 및 종속적인 발견을 기초로 한다.
첫째, 상대적으로 비싸지 않고 개선된 패널을 제공하기 위해, 상대적으로 비싸지 않은 건식 공정에 의해 개선된 패널이 제조될 수 있다고 발견되었다. 나아가, 그러한 패널은 상기 패널에 강화용 층(strengthening layer), 액체 코팅, 수지 함침(resin impregnation) 또는 적층(lamination)을 하지 않고서도 제조될 수 있다고 발견되었다. 사용하고 있는 상업적인 자동차 패널과 비교할 때, 상기 개선된 패널을 제조하는 비용을 상당히 감소시킨다는 것은 본 발명의 주된 특징이다. 대신에, 본 발명자는, 상기 코팅, 수지 또는 적층을 부가하지 않고서, 니들링되고(needled) 성형된 상태에서 낮은 녹는점을 갖는 바인더 섬유(binder fiber)와 높은 녹는점을 갖는 스테이플 섬유를 혼합하여 사용함으로써 개선된 패널을 제조할 수 있다는 것을 발견하였다. 이는 매우 비싸지 않지만 개선된 패널을 제조한다.
둘째, 매우 중요하게, 치밀화되고, 반-불침투성의 표면("스킨(skin)"이라고도 함)을 본질적으로 제공하기 위한 방식, 즉 물이 튀는 것으로부터 보호하고 증가된 도로의 위험으로부터 보호하기 위해 패널의 표면과 직접적으로 또는 전체적으로 관련되고 그리고 결합되는 방식, 또한 패널이 자기-지지형이고 음향에 대해 활성을 갖도록 하는 방식으로, 패널이 성형될 수 있다고 발견되었다. 이는 본 발명의 매우 중요한 특징이다.
셋째, 가공되는 동안에 패널 두께가 감소하는 것은 소리의 감소를 증가시킬 수 있다고 발견되었다. 두께에서의 감소는 최종 제품의 밀도를 더 높게 하여, 원하지 않은 소음의 전달을 감소시키기 위해 제품의 굽힘 강성(bending stiffness)을 최대화하고 효과적인 음향 임피던스를 제공한다. 이러한 성질을 달성하기 위해서는, 최종 제품의 밀도가 약 12 내지 22 lbs/ft3 (192 내지 352 kg/㎥)이어야 한다고 발견되었다. 이러한 밀도의 증가 및 제조된 "스킨"은 물질을 통하여 이동하는 음파에 대해 더 복잡한 경로를 야기함으로써 더 높은 음향 임피던스를 제공한다. 전체적으로 견고한 스킨과 함께, 이러한 밀도의 증가는 약 300 내지 1000 MKS rayls, 바람직하게는 350 내지 800 MKS rayls 범위로 복합물의 흐름 저항을 생성한다. "스킨"은 하기에서 상세하게 설명되는 제 1 부분의 외부 표면상에서 밀도가 높은 부분이고, 성형된 패널의 전체 두께 중 약 5% 내지 약 20%를 차지하는 스킨을 갖는 최종 생성물의 전체 밀도에 비해 적어도 2배 이상, 바람직하게는 4배, 10배 및 최대 50배의 밀도를 갖는다. "스킨"은 재응고되는 제 1 부분의 부드럽거나 그리고/또는 용융된 표면이고, 하기에서 더 상세하게 설명되는 바와 같이 물에 대해 반-불침투성이다.
패널은, 물질의 제 2 부분에서 스테이플 섬유와 용융성 섬유를 다르게 혼합하고, 물질의 제 1 부분에서 스테이플 섬유와 용융성 바인더 섬유를 상대적으로 약하게 혼합함으로써 제조될 수 있다고 발견되었다.
또한, 제 1 부분은 약 50 내지 80%의 용융성 바인더 섬유와 약 20 내지 50%의 스테이플 섬유를 함유해야 하고, 제 2 부분은 약 20 내지 50%의 용융성 바인더 섬유와 약 50 내지 80%의 스테이플 섬유를 함유한다고 발견되었다.
섬유의 복합물은 통합된 복합물을 형성하기에 충분하도록 니들링(needling)된다. 사용되는 니들링은 후면 대 스킨 면(skin side)에 대해 약 1:2 내지 1:10의 최종의 전체적인 밀도 구배를 생성한다. 상기 통합된 복합물은 용융성 바인더 섬유를 부드럽게 하거나 그리고/또는 용융시키기에 충분한 온도로 가열되어, 섬유가 성형될 수 있다. 상기 가열되고 통합된 복합물은, 상기 용융성 바인더 섬유가 부드럽게 되거나 용융된 후 재응고될 때까지 상기 용융성 차량용 패널의 구성으로 성형되어, 상기 복합물 중 제 1 부분의 재응고된 바인더 섬유는 상기 제 1 부분의 표면에 직접적으로 접착되고, 전체적으로 관련되고, 그리고 결합되는, 상당히 연속적이고, 반-불침투성이고, 치밀한 스킨을 형성하며, 2개의 부분은 패널의 주된 영역에 걸쳐서 약 6 내지 30 lbs/ft3 (96 내지 481 kg/㎥)의 밀도, 가장 바람직하게는 12 내지 22 lbs/ft3 (192 내지 352 kg/㎥)의 밀도를 갖는다.
건식 공정에 의해 제조되고, 성형되고 쉐이핑된 음향의 방음이 가능한 차량용 패널인 부직포 복합물은, 소음을 상당히 감소시킬 뿐만 아니라, 차량을 조립하는 동안에 패널의 이동 및 부착을 매우 용이하게 하는 자기-지지형이고, 상대적으로 비싸지 않다. 패널의 자기-지지형 성질은, 자동차의 특정 부분 특히 휠 웰에 대한 패널의 최종 적용에서 상당한 잇점을 추가적으로 제공한다. 본 패널의 중요한 잇점 중 하나는 휠 웰에서 유사한 형태의 지지 구조를 요구하지 않는다는 것이다. 다시 말해, 본 패널이 금속 휠 웰의 필요성을 제거할 수 있을 정도로 충분히 단단하기 때문에 통상적인 금속 휠 웰을 필요로 하지 않는다. 이는 특정 모델에 사용되는 구성요소의 수를 최소화함으로써 차량의 제조를 촉진할 수 있다. 또한, 이는 상당한 중량 및 비용을 감소시킬 수 있다. 나아가, 본 패널의 자기-지지형 특징은 동체 지지 구조가 존재하는 적용에서 음향 성능을 개선시키는 데에 사용될 수 있다. 성형된 형태의 패널은, 구체적인 공기 갭(specific air gap)이 상기 성형된 패널 뒤의 지지 구조와 관련하여 존재하도록 디자인될 수 있다. 상기 패널의 음향 임피던스와 관련되는 공기 갭은 공기 중의 음향 흡수 성질을 더 개선시킨다. 이는 음향 흡수에 의해 도 6에서 증명되며, 그러한 흡수는, 상기 패널이 0, 10 및 20mm의 공기 갭만큼 지지 구조로부터 이격된 경우에, 약 250 내지 2500 Hz인 낮은 주파수 내지 중간 정도의 주파수의 범위에서 상당히 개선된 흡수 성능을 보여줄 것이다.
따라서, 광범위하게 설명하면, 본 발명은 성형되고 쉐이핑된 음향의 방음이 가능한 차량용 패널을 제공한다. 상기 패널은 건식으로 제조되고 니들링된 섬유 복합물을 포함하고, 상기 복합물은 제 1 부분(상기 제 1 부분은, 약 50 내지 80 중량%의 용융성 바인더 섬유 및 약 20 내지 약 50 중량%의 스테이플 섬유를 함유함) 및 제 2 부분(제 2 부분은, 약 20 내지 50 중량%의 용융성 바인더 섬유 및 약 50 내지 약 80 중량%의 스테이플 섬유를 함유함)을 갖는다. 용융성 바인더 섬유의 부분이 성형되고 재응고된 상태에 있어서, 상기 제 1 부분에 있는 재응고된 바인더 섬유는 상기 제 1 부분의 표면과 전체적으로 관련되고, 그리고 결합되는, 상당히 연속적이고, 반-불침투성이고, 치밀한 스킨을 형성한다. 상기 성형된 복합물은 열 및 압력으로 성형된 상태에 있으며, 2개의 부분은 패널의 주된 영역에 걸쳐서 약 12 내지 22 lbs/ft3 (192 내지 352 kg/㎥)의 밀도를 갖고, 상기 성형된 패널은 자기-지지형일 수 있도록 충분히 단단하다.
또한, 약 50 내지 80%의 용융성 바인더 섬유 및 약 20 내지 50%의 스테이플 섬유를 갖는 섬유의 제 1 부분을 건식으로 제조함으로써, 상기에서 설명한 바와 같은 차량용 패널을 제조하기 위한 공정을 제공한다. 섬유의 제 2 부분은 복합물을 형성하기 위해 제 1 부분상에서 건식으로 제조되며, 상기 제 2 부분은 약 20 내지 50 중량%의 용융성 바인더 섬유 및 약 50 내지 80 중량%의 스테이플 섬유를 갖는다. 상기 복합물은 통합된 복합물을 형성하기에 충분하도록 니들링된다. 상기 통합된 복합물은 용융성 바인더 섬유를 부드럽게 하거나 그리고/또는 용융시키기에 충분한 온도로 가열되어, 상기 용융성 바인더 섬유가 성형될 수 있다. 상기 가열되고 통합된 복합물은, 상기 용융성 바인더 섬유가 재응고될 때까지 차량용 패널의 구성, 예를 들어 휠 웰 보호물의 구성으로 성형된다. 제 1 부분의 상기 재응고된 바인더 섬유의 적어도 일부는, 상기 제 1 부분에 직접적으로 접착되고, 그리고 결합되는, 상당히 연속적이고, 반-불침투성이고, 치밀한 스킨을 형성하며, 2개의 부분은 패널의 주된 영역에 걸쳐서 약 12 내지 22 lbs/ft3 (192 내지 352 kg/㎥)의 방음 밀도(insulation density)를 갖고, 상기 성형된 패널은 자기-지지형일 수 있도록 충분히 단단하다.
도 1은 본 발명의 성형되고 쉐이핑된 음향의 방음이 가능한 차량용 패널을 개략적으로 이상화하여 절단한 측면도이다.
도 2는 본 발명의 패널을 개략적으로 이상화한 상면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 건식으로 제조되고 니들링된 복합물을 개략적으로 이상화한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따라 건식으로 제조되고 니들링된 복합물을 개략적으로 이상화한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 공정의 개략적인 예시도이다.
도 6은 상기에서 간략히 언급한 바와 같이, 지지부로부터 이격된 패널의 흡수를 나타내는 그래프이다.
도 3에서 가장 잘 도시된 바와 같이, 본 발명의 패널은 제 1 부분(1) 및 제 2 부분(2)으로 구성된다. 상기 제 1 부분(1)은 약 50 내지 약 80%의 용융성 바인더 섬유 및 약 20 내지 50%의 스테이플 섬유를 갖는다. 이와 관련하여, "용융성 바인더 섬유(meltable binder fibers)"라는 용어는, 하기에서 더 설명되는 바와 같이, 상기 섬유가 냉각되는 경우에 "스킨(skin)"에서 재응고되기에 충분하도록, 선택되는 성형 온도에서 부드럽게 되거나 그리고/또는 용융될 수 있는 섬유를 의미한다. "스테이플 섬유(staple fibers)"는, 재응고되는 스킨의 형성에 실질적으로 관여하기 위해 선택되는 성형 온도에서 충분히 부드럽게 되지 않거나 용융되지 않는 섬유를 의미하며, 즉 스테이플 섬유는 스킨에서 재응고되지 않은 상태로 있을 것이다. 상기 용융성 바인더 섬유 및 스테이플 섬유는 동일한 화학 명칭, 예를 들어 폴리에스테르 섬유일 수도 있고 아닐 수도 있다. 그러나, 이들은 연화점(softening temperature) 및/또는 녹는점이 상이할 수 있다. "스킨(skin)"이라는 용어는, 스스로 부착되는 재응고된 바인더 섬유 및 상기 스킨에 함유된 스테이플 섬유를 함유하도록 성형된 후에, 제 1 부분(1)의 표면에 있는 섬유의 부분을 의미한다. 재응고된 바인더 섬유 및 스테이플 섬유의 혼합은 (물에 대해) 반-불침투성 부분을 생성하여, 상기 스킨은 성형된 패널에 튀어진 물이 상기 성형된 패널로부터 배수되거나 증발될 수 있도록 하고, 동시에 가장 바람직하지 않은 것으로서 상기 튀어진 물이 상기 패널을 통해 엔진실 또는 동체 구조로 방해받지 않고 전달되는 것을 허용하지 않을 것이다. 건조된 패널이 가장 음향을 충족하는 상태로 되돌아가기 위해, 상기 스킨이 반-불침투성이지 않고, 상기 패널에 들어가는 튀어진 물이 본 패널의 반-불침투성 성질(저항에 의해 정의됨)로 인해 상기 패널로부터 배수되고 증발된다면, 소음 감소는 반대로 영향을 받을 것이다.
도 3에서, 제 1 부분(1)은 소모(梳毛)된 섬유(carded fiber)의 1개의 층으로 만들어지는 것처럼 도시되고, 제 2 부분(2)도 소모(梳毛)된 섬유의 1개의 층으로 만들어지는 것처럼 도시된다. 상기 2개의 층은 도 3에 있는 복합물(10)을 형성하기 위해 함께 니들링된다. 상기 제 1부분(1) 및 제 2 부분(2)은 적어도 일측면에서는 서로서로 니들링될 수도 있으며, 성형 후에 제 2 부분으로부터 제 1 부분이 벗겨지는 것을 방지하도록 성형 후에 상기 제 1 부분과 제 2 부분 사이의 높은 결합 강도를 제공하기 위해, 제 1 부분으로부터의 섬유는 제 2 부분으로 확장된다. 다시 말해, 복합물(10)을 성형하는 이후의 단계와 함께 제 1 부분 및 제 2 부분을 니들링하여 조합하는 것은, 상기 제 2 부분(2)의 바인더 섬유에 부착되는 상기 제 1 부분(1)으로부터의 바인더 섬유를 갖는 성형된 생성물을 제공한다. 또한, 상기 니들링 때문에, 상기 제 1 부분으로부터의 섬유가 상기 제 2 부분으로 확장되어 결합 강도를 증가시킨다. 또한, 상기 제 1 부분 내에서 그리고 상기 제 1 부분과 제 2 부분 사이에서 결합 강도를 더 증가시키기 위해, 상기 제 1 부분(1) 및 제 2 부분(2)이 분리되어 니들링된 후, 추가적인 단계에서 함께 니들링될 수 있다는 것을 알아야 한다.
도 4에서, 본 발명의 바람직한 형태에서, 제 1 부분(1)은 하기에서 설명되는 바와 같은 층(5)으로 도시된다. 상기 제 1 부분(1)은 1개의 소모(梳毛)된 층(carded layer, 5)을 사용하여 만들어지고, 상기 제 2 부분(2)은 제 2 소모(梳毛)된 층(6) 및 제 3 소모(梳毛)된 층(7)을 사용하는 방식, 가장 바람직하게는 교차-래핑된(cross-lapped) 방식으로 만들어진다. 그러나, 이들이 반대로 사용될 수 있으며, 즉 상기 제 1 부분(1)이 2개의 소모(梳毛)된 층으로 만들어지고 상기 제 2 부분이 1개의 소모(梳毛)된 층으로 만들어질 수 있다. 그러나, 간결한 설명을 위해, 이들 2개의 실시예 중 첫 번째 실시예만을 상세하게 설명할 것이다.
도 4의 실시예에서, 예를 들어, 제 1 소모(梳毛)된 층(5)은 30%의 검은색 스테이플 섬유 및 70%의 고급이고 높은 등급의 검은색 용융성 섬유를 함유할 수 있다. 제 2 소모(梳毛)된 층(6)은 60%의 검은색 스테이플 섬유 및 40%의 흰색 용융성 섬유를 함유할 수 있다. 제 3 소모(梳毛)된 층은 80%의 검은색 스테이플 섬유 및 20%의 흰색 용융성 섬유를 함유할 수 있다. 색깔의 중요성은 하기에서 설명될 것이다.
정밀한 소모(梳毛)된 층에 상관없이, 소모(梳毛)된 복합물(carded composite)은 제 1 부분(1)에서 약 50% 내지 80%의 용융성 바인더 섬유 및 약 20 내지 50%의 스테이플 섬유를 가져야 하고, 특히 60 내지 70%의 용융성 바인더 섬유 및 25 내지 46%의 스테이플 섬유를 가져야 한다. 제 2 부분(2)은 50 내지 80%의 스테이플 섬유, 특히 60 내지 70%의 스테이플 섬유를 가져야 하고, 그리고 20 내지 50%의 용융성 바인더 섬유, 특히 25 내지 45%의 용융성 바인더 섬유를 가져야 한다. 상기 층들이 섬유의 복합물을 형성하기 위해 서로서로 소모(梳毛)된 후에, 상기 복합물은 도 3에서 도시된 바와 같은 통합된 복합물(일반적으로 10)을 형성하기에 충분하도록 니들링된다. 니들링에 의해 야기되는 인터밍글(intermingle)은 본 발명의 반-불침투성 스킨 및 자기-지지형 특징을 달성하는 데에 필요하나, 상기 인터밍글이 완전하지는 않다. 따라서, 니들링 후에, 상기 니들링된 복합물(10)의 후면(11) 보다는 상기 니들링된 복합물(10)의 표면에서 또는 표면 근처에서 바인더 섬유의 비율이 실질적으로 더 클 것이다. 이는, 성형 후에, 후면(11)으로부터 표면(12)으로 갈수록 밀도를 증가시키는 밀도 구배를 제공한다. 상기 밀도 구배는 자기-지지형 특징에 기여하고, 또한 패널에 의해 소음을 감소시키는 주파수에 실질적으로 영향을 준다.
임의의 건식으로 제조하는 방법(예를 들어, 에어-레잉(air-laying), 스퍼터링(sputtering), 방적법(spinning) 등)이 사용될 수 있는 반면에, 상기에서 언급된 바와 같이 카드(card)를 사용한 에어-레이(air-lay)가 가장 사용하기 좋다. 바람직한 실시예인 도 5에서 개략적으로 도시된 공정은, 대응되는 층(5, 6, 및 7)을 증착하기 위해 적어도 3개의 카드(30, 31, 및 32)를 사용한다. 통상적인 방식에서, 이러한 층들은 롤러(roller, 33)에 의해 복합물(34)로 압축된다. 상기 복합물(34)은 통합된 복합물(36)을 형성하기 위해 니들링 스테이션(needling station, 35)에서 충분히 니들링된다. 그런 다음, 상기 통합된 복합물(36)은 가열 장치(37)(예를 들어, 오븐, 적외선 램프 등)에서 용융성 바인더 섬유를 부드럽게 하거나 그리고/또는 용융시키기에 충분한 온도로 가열되어, 상기 용융성 바인더 섬유가 성형될 수 있다. 본 발명의 바람직한 형태에서, 이러한 가열 후에, 상기 통합된 복합물은, 상기 가열된 복합물을 바람직한 패널의 구성으로 성형하는 성형 장치(39)를 통과한다. 바람직하다면, 상기 복합물은 가열되기 전에, 가열 후에, 또는 성형되는 동안이거나 성형 후에, 사용하기 좋은 길이로 절단될 수 있으며, 그 후에, 상기 성형된 조각들은 냉각 스테이션(40)에서 냉각되고 완성된 성형 조각(41)이 생성된다.
도 1은 성형된 패널을 매우 이상화하여 개략적으로 예시한다. 성형된 패널(일반적으로 50)은 도 3 또는 도 4 중 어느 하나로부터 형성되는 실제로 복합적이고, 부직포의, 성형된 형태를 갖는 패널이라는 것을 알아야할 것이다. 성형 능력은, 성형 공정 동안에 스킨 층(51)을 파열시키거나 복합물을 찢지 않으면서 상기 복합물에 끼워 넣을 수 있는 정도의 신축성(stretch)에 의존한다. 성형된 패널에서 주름이 없는 패널, 그리고 깊이 잡아당길 수 있는 주름이 없는 패널을 생성할 뿐만 아니라, 우수한 심미감을 획득할 수 있도록, 상기 스킨 층(51)을 견고하게 유지하기 위해, 상기 복합물은 상당한 정도의 신축성이 있어야 하며, 즉 ASTM D5034에 의해 최대 하중(load)에서 % 스트레인(% strain)을 결정할 때, 적어도 75%, 바람직하게는 120% 또는 200%까지 늘어날 수 있어야 한다. 그러한 신축성은 복잡한 형태로의 성형을 가능하게 하며, 반면에 견고함 및 고유의 자기-지지형 성질을 유지하게 한다. 니들링의 정도 및 유형은 상기 복합물에 의해 달성될 수 있는 최대의 % 스트레인을 결정하는 데에 있어서 중요한 요인이다. 상기 스킨 층(51)은 성형 후에 도 3 또는 도 4의 제 1 부분(1)에 의해 형성된다는 것을 알아야 한다.
니들링이 많이 될수록 층 내에서 그리고 층 사이에서 섬유들이 더 잘 얽혀 있어서, 용융성 섬유에 의해 더 큰 얽힘 강도(entangled strength) 및 더 큰 열적 결합이 야기되기 때문에, 특정의 니들링은 전체적인 밀도 구배에 영향을 줄 뿐만 아니라, 복합물의 내부 강도에도 영향을 준다. 내부 강도가 클수록, 패널의 견고함 및 라이프 사이클(life cycle)을 증가시킬 뿐만 아니라, 휠 웰에서 주위의 응력(stress)에 의해 층이 분리되는 것을 감소시킨다.
패널이 상기에서 설명된 바와 같이 제조되고 차량의 휠 웰 보호물의 형태로 제조되는 경우에, 바람직하게 상기 보호물은 약 10 lbf/in 내지 18 lbf/in(17.5N/cm 내지 31.5N/cm)의 굽힘 강성(bending stiffness) 및 약 300 내지 1000 MKS rayls, 바람직하게는 350 내지 800 MKS rayls의 ASTM 흐름 저항을 갖는다. 상기 굽힘 강성은 CTR 기계(인스트론(Instron) 또는 등가물)에 연결된 3접점 굽힘 측정장치(three point bending apparatus) 상에서 측정된다. 크로스헤드 속도(crosshead speed)는 1.89 in(48 mm)의 범위(span)로, 약 0.5 in/분(12.7 mm/분)이어야 한다. 샘플의 폭은 상기 범위의 약 2배이어야 한다. 굽힘 강성은 기울기로부터 계산되고, lbf/in(센티미터 당 뉴턴의 힘) 편차(deflection)로 계산된다.
상기에서 설명한 바와 같이, 패널은 3개의 층(5, 6, 및 7)을 생성하기 위해 3개의 카드를 사용하여 제조될 수 있다. 니들링 동안에, 성형된 패널 뿐만 아니라 니들링된 복합물의 상부 표면(12)이 니들링된 복합물의 나머지 부분보다 더 높은 비율의 용융성 바인더 섬유:스테이플 섬유 비율을 갖는다 할지라도, 상기 층들은 실질적으로 인터밍글된다. 이는 전체적인 밀도 구배를 증가시키며, 상기 니들링으로 섬유를 인터밍글하는 반면에, 상기 인터밍글은 완전하지 않다. 패널은 전체적으로 얽혀있고 제 2 부분(2)에 결합되는 치밀한 스킨(51)을 가지며, 상기에서 설명한 바와 같이 상기 제 2 부분은 니들링 동안에 제 1 부분의 섬유와 약간 인터밍글된다. 상기에서 설명된 바와 같이, 용융성 바인더 섬유는 상기 섬유를 부드럽게 하거나 용융시키기에 충분한 온도로 가열되어서, 상기 용융성 바인더 섬유가 성형될 수 있다. 가열된 복합물이 성형틀(가열되거나 또는 가열되지 않음)에 위치되는 경우에, 상기 성형틀은 구조적으로 자기-지지형인 형태를 생성하는 데에 중요한 방음 밀도(insulation density), 예를 들어 12 내지 22 lbs/in3(192 내지 352 kg/㎥)을 갖는 패널을 형성한다. 두께에서의 감소는 성형된 패널을 자기-지지형이 되게 하는 데에 유용할 뿐만 아니라, 소리 감소를 개선시키는 데에 도움이 된다고 발견되었다. 그러나, 성형된 두께가 너무 감소되면, 음향 성질은 실질적으로 감소할 것이다. 두께에서의 감소는 성형 도구에서의 고정된 갭(gap)에 의해 조절된다. 바람직한 두께를 달성하는 데에 요구되는 추가적인 사항은, 물질이 성형 후보다는 성형 전에 더 두꺼워야 한다는 것이다. 바람직한 실시예에서는, 이와 관련하여, 니들링된 복합물이 적어도 300℉(148.9℃), 최대 450℉(232.2℃)의 온도로 가열되고, 더 바람직하게는 약 320℉(160℃) 내지 380℉(193.3℃)의 온도로 가열된다. 이러한 온도는 용융성 섬유를 부드럽게 하거나 그리고/또는 용융시키는 데에 충분할 것이어서, 상기 섬유는 냉각시에 연속적이고, 반-불침투성이고, 치밀한 스킨(51)으로 재응고될 수 있다(도 1을 참고함). 나아가, 이러한 감소를 확실하게 하고, 반-침투성이고, 치밀한 스킨을 수득하기 위해, 상기 가열된 복합물은 냉각 성형틀에서 성형되는 것이 더 바람직하다. 상기 냉각 성형틀은 부드럽게 되거나 그리고/또는 용융될 수 있는 섬유가 스킨으로 더 빠르게 유착되게 할 것이고, 빠른 유착은 반-불침투성이 아닌 스킨에서 바람직하지 않은 결과를 초래하는 용융된 섬유 물질의 전체 측면 흐름(total lateral flow)을 방지할 것이다. 냉각 성형틀은 200℉(93.3℃) 미만일 수 있고, 더 바람직하게 상기 성형틀 온도는 약 실온과 100℉(37.8℃) 사이일 수 있다.
상기의 설명으로부터, 반-불침투성 스킨을 형성하는 표면 근처에서 상당한 수의 바인더 섬유를 가질 필요가 있다는 것을 알 수 있다. 이러한 스킨의 생성을 촉진하기 위해, 복합물의 면 상에서 니들 밀도(needle density)를 증가시킴으로써 스킨 표면을 치밀화하는 것이 바람직하다. 스킨을 갖는 표면(12)(도 3에서)은 300 내지 600의 니들 밀도, 예를 들어 약 500 니들 펀치/in2(needle punch per square inch)(약 77 니들 펀치/cm2)을 갖는 것이 바람직하다. 후면(도 3에서 표면(11))에서는, 더 부드럽고, 덜 치밀한 표면을 갖는 것이 바람직하므로, 이러한 표면들이 성형틀의 두께의 대부분을 차지할 것이다. 후면에서는 니들 밀도가 0 내지 110 펀치/in2(0 내지 17 펀치/cm2)인 것이 바람직하고, 이렇게 낮은 니들 밀도는 전체적인 밀도 구배에도 영향을 준다. 심미감을 위해, 니들이 관통되는 것을 감소시키는 것이 또한 중요하며, 제 2 부분으로부터의 상당한 양의 섬유가 복합물의 제 1 부분을 뚫고 나가지 않아야 한다. 과도한 니들링은 층(예를 들어, 5, 6, 및 7)의 섬유를 혼합할 수 있어서(도 4를 참고함), 니들링된 복합물(10)(도 3을 참고함)은 스킨이 형성되는 곳으로부터 표면(12) 근처에서 더 큰 농도를 갖는 용융성 섬유의 점진적인 변화 또는 상당한 전체적인 밀도 구배를 갖지 않는다. 물론, 스킨이 형성되는 곳의 표면으로부터 바인더 섬유를 과도하게 제거하지 않으면서, 통합된 복합물을 형성하는 데에 요구되는 니들 펀치의 수는 복합물의 중량에 의존할 것이다.
이와 관련하여, 제 1 부분(1)(도 3을 참고함)은 약 4 내지 12 온스/야드2 (ounce per square yard)(136 내지 407 g/㎡)의 중량을 갖고, 제 2 부분(2)은 약 20 내지 35 온스/야드2 (678 내지 1187 g/㎡)의 중량을 갖는다. 이는, 패널이 생성되는 경우에 올바른 두께를 갖도록 보증할 것이다. 그러나, 상기 두께는 니들링에 약간 의존할 것이며, 상기 니들링은 상기에서 설명한 바와 같이 복합물의 일 측면에서만 또는 양쪽 측면으로부터 될 수 있다. 그러나, 상기 니들링이 복합물의 양쪽 측면으로부터 된다면, 니들 펀치/in2은 상기 범위보다 더 낮은 범위이어야 한다. 그러나, 섬유 층(5, 6, 및 7)(도 3을 참고함)의 일부가 상당히 인터밍글되는 것이 필요하다. 이를 위해, 니들링은 니들링이 잘되는(aggresive) 니들을 갖고, 삼각 구조의 니들(tri-lobal needle) 중 적어도 일부분이 매우 니들링이 잘되는 것이 바람직하다.
나아가, 쉽게 이해되는 바와 같이, 니들링은 복합물에 사용되는 섬유에 부분적으로 의존할 것이다. 상기 섬유가 스테이플 섬유 및 바인더 섬유의 임의의 바람직한 혼합물(예를 들어, 나일론, 레이온(rayon), PVC, 폴리올레핀(polyolefin) 및폴리에스테르)일 수 있는 반면에, 통상적인 폴리에스테르 섬유인 천연 섬유 및 무기 섬유가 더 바람직하다. 용융성 섬유가 개별의 섬유이거나 또는 2-성분 섬유의 일부분일 수 있다. 용융성 바인더 섬유 및 스테이플 섬유 둘 모두는 약 2 내지 15 데니어(denier)를 가져야 하고, 스테이플 섬유는 약 1 내지 3 인치의 스테이플 길이를 가져야 한다. 용융성 바인더 섬유는 이러한 치수(dimension)일 수도 있고 아닐 수도 있으나, 스테이플 섬유는 섬유의 혼합 및 자기-지지형 특징을 위해 요구되는 니들링의 정도 및 유형을 달성하기 위해 바람직하게는 이러한 치수를 갖는다.
상기의 방법에 따라 패널이 형성되고, 차량용 휠 웰 보호물의 형태로 형성되는 경우에, 상기 보호물은 약 5 lbf/in 내지 20 lbf/in(8.75 N/cm 내지 35.0 N/cm)의 굽힘 강성을 가져야 하나, 특히 약 10 lbf/in 내지 18 lbf/in(17.5 N/cm 내지 31.5 N/cm)의 굽힘 강성을 가져야 하며, 흐름 저항은 약 300 내지 1000 MKS rayls, 바람직하게는 350 내지 800 MKS rayls를 갖는다.
이러한 패널은 차량용 휠 웰을 통해 도로의 소음을 실질적으로 감소시킬 것이며, 특히 타이어와 도로 사이의 접촉 및 상호작용에 의해 발생하는 주파수 범위에서 발생되는 소음을 실질적으로 감소시킬 것이다. 이는, 상기 패널이 보호물의 특정 적용에서 요구되는 지지 구조로부터 이격되어 있는 경우에도 사실이다.
휠 웰 보호물의 중요한 점은 휠 웰 보호물이 상대적으로 값이 비싸지 않아야 한다는 것이다. 달리 말하면, 비싼 휠 웰 보호물은 상업적으로 사용할 수 없을 것이다. 또한, 차량 제조자는, 대부분의 차량용 패널이 검은색 표면 및/또는 회색 하부면을 갖도록 통상적으로 요구한다. 이러한 색깔은 대부분의 모든 차량용 동체의 색깔과 양립가능하다. 그러나, 예를 들어, 검은색 폴리에스테르 바인더 섬유는, 산업에서 상업용으로 제한적으로 사용되기 때문에 흰색 섬유보다 일반적으로 비용이 많이 든다. 흰색 바인더 섬유가 가장 비싸지 않은 용융성 섬유이다. 검은색 폴리에스테르 스테이플 섬유의 이용가능성 및 제조에 있어서 최근의 성장은, 흰색 폴리에스테르 스테이플 섬유와 비교할만한 수준으로 상기 섬유의 가격이 책정되어 거래된다. 바람직한 심미감 성질을 달성하기 위해, 검은색 폴리에스테르 바인더 섬유 및 검은색 폴리에스테르 스테이플 섬유의 혼합물이 복합물의 제 1 부분으로 사용될 수 있다고 발견되었다. 이는 패널의 표면상에서 오염(예를 들어, 오물)을 감추는 바람직한 고체의 검은색 표면을 제공하며, 대부분의 차량용 동체의 색깔과 양립가능하다. 또한, 검은색 폴리에스테르 스테이플 섬유 및 흰색 폴리에스테르 바인더 섬유의 혼합물이 회색의 후면 표면 색깔을 생성하기 위해, 상기 복합물의 제 2 부분으로 사용될 수 있다고 발견되었다. 검은색 섬유 혼합물은 흰색과 검은색 섬유의 혼합물보다 더 비싸다. 따라서, 흰색 바인더 섬유 혼합물은 원료의 비용을 감소시켜서 최종 패널의 비용을 감소시키기 때문에, 섬유의 이러한 혼합물은 제 2 부분으로 잇점을 갖고 있다.
패널은 방음 두께(53)에 비해 약 0.3 내지 0.7배의 부착 두께(58)를 갖는, 부착 영역(57)(도 1을 참고함)을 또한 가질 것이다. 이는, 부착 지점 근처에서 밀도가 더 높은 영역을 갖는 구성요소를 생성하며, 상기 구성요소는 이러한 영역에서 더 높은 물리적 강도를 야기한다. 더 높은 물리적 강도는, 복합물의 인장 강도 및 찢김 강도(tear strength) 성질과 관련된다. 이러한 더 높은 강도 성질은, 패스너 헤드(fastener head) 주위에서 분리 또는 찢김 가능성을 감소시키기 때문에 최종 적용에서 잇점을 가질 수 있다. 도 2에서, 부착 영역(57)은 구성요소의 전체 원주를 따라 확장되는 것으로 예시되며, 3개의 부착 구멍(59)이 패스너(미도시)를 수용하도록 예시된다. 그러나, 증가된 밀도는 패스너 위치(예를 들어, 도 2에서 구멍(59))에 직접적으로 인접한 곳에만 필요하며, 전체 구성요소의 영역 중 작은 부분을 덮어야 한다. 이는 일반적으로 전체 구성요소의 표면적 중 10% 미만이다. 또한, 도 2에서, 구멍(61) 주위에 예시되는 부착 영역(57)을 갖는 구멍(61)이 예시되어 있다. 이 경우에 부착 영역(57)은 부착 구멍을 갖지 않으나, 이 위치에서 강도를 제공하기 위해 상기 구멍 주위에서 밀도가 증가된 부분이다. 임의의 수의 구성요소가, 스트럿(strut), 볼트(bolt) 등을 포함하여, 구멍(61)을 통해 확장할 수 있다. 또한, 도 2에 도시된 바와 같이, 바깥쪽으로 곡선 부분인 돌기(62)가 있으며, 상기 돌기는 상기 구성요소가 설치되는 곳의 구조를 따르게 하는 데에 필요하다면 제공될 수 있다.
물론, 밀도가 증가된 영역 및 돌기는 본 발명에 대해서는 요구되지 않고, 단지 어떤 적용을 위한 잠재적인 개선을 위해 제시된다. 원료의 합성 및 조립 방법은 복합물을 구조적으로 자기-지지형으로 만든다.
본 발명이 3개의 카드를 사용하는 것으로 예시되는 반면에, 본 발명은 복합물의 제 1 부분(1)에 섬유를 소모(梳毛)하는 단지 1개의 카드를 사용하여 수행될 수 있다. 이러한 소모(梳毛)된 층은, 롤러로 감겨지거나 또는 추가적인 공정을 위해 저장될 수 있는 부직포 복합물에서 니들로 펀칭된다. 상기 소모(梳毛)되고 니들로 펀칭된 제 1 부분(1)은, 상기 복합물의 제 2 부분(2)에 대해 섬유를 소모(梳毛)시키는 제 2 통로를 위한 카드로 도입될 수 있다. 제 2 부분은 도 3에서와 같이 1개의 층으로 형성되거나, 또는 도 4에서와 같이 2개의 층(상기 카드를 통한 2개의 통로)으로 형성될 수 있다. 임의의 경우에, 상기 복합물은 이전에 설명된 바와 같이 최종 복합물에서 니들로 펀칭될 수 있다.
일부 경우에, 층(5,6, 및 7) 이외에 추가적인 층이 패널에 다른 기능(예를 들어, 난연성)을 부여하기 위해 사용될 수 있다.
상기의 발명에서, 패널은 타이어 상의 휠 웰에 설치될 수 있으며, 상기 휠 웰은 자기-지지형이어서 성형된 플라스틱 또는 타출된 금속으로부터 추가적인 휠 웰 형태의 삽입물을 필요로 하지 않는다. 상기 패널은 패스너 사이의 모든 갭을 연결할 수 있도록 충분히 강하며, 적어도 6 lbf/in(10.5 N/cm), 바람직하게는 10 lbf/in(17.5 N/cm)의 굽힘 강성을 갖는다. 또한, 부착 위치는, 예를 들어 휠 웰에서 들어 올려지고 조작될 수 있으며, 상기 패널이 실질적으로 편향되지 않거나, 차량 조립자가 부착하는 데에 어렵지 않을 정도로 편향되어 휠 웰에 부착될 수 있다. 이는 본 발명에 매우 중요한 잇점을 제공한다.
예들
제 1 예에서, 3개의 개별의 소모(梳毛) 기계를 이용한 3개 층의 생성물에 대한 특정 예가 상세하게 설명될 것이다.
제 1 층은 2개의 상이한 폴리에스테르 섬유로 구성된다. 주된 섬유는 약 230℉(110℃)의 쉬스 녹는점(sheath melting point)을 갖는 2성분의 검은색 폴리에스테르이다. 이 섬유는 혼합물 중 70%이다. 제 1 층에 있는 제 2 섬유는 검은색 폴리에스테르 스테이플이고, 이는 혼합물 중 30%이다. 2개의 섬유는 상기의 중량%로 혼합된 후, 완전히 오픈되고, 혼합되며, 소모(梳毛) 기계로 도입된다. 카드는, 소모(梳毛)된 웹(web)의 수평 랩(horizontal lap)을 발생시키는 교차-래퍼(cross-lapper)에 의해 운반되는 웹을 생성한다. 수평 랩의 횟수는 세트(set)로 되어, 제 1 층의 총 중량은 니들링된 최종 복합물에서 7.0 온스/야드2(237 g/㎡)이다. 본 발명의 제 1 부분은 제 1의 소모(梳毛)된 층에 완전히 포함된다.
제 2의 소모(梳毛)된 층은 2개의 상이한 폴리에스테르 섬유로 구성된다. 상기 제 2 층에서 주된 섬유는 검은색 폴리에스테르 스테이플 섬유이고, 혼합물 중 60%이다. 상기 제 2 층에 있는 제 2 섬유는 약 356℉(180℃)의 쉬스 녹는점을 갖는 2성분의 흰색 폴리에스테르이고, 혼합물 중 40%이다. 이러한 섬유 혼합물은, 제 2 층에 대해 니들링된 최종 복합물에서 17.2 온스/야드2(583 g/㎡)의 총 중량을 갖는 웹을 생성하기 위해, 제 1 층으로서 유사한 소모(梳毛) 작업을 통해 가공된다. 상기 제 2 층은 복합물의 섬유 배트(fibrous batt)를 형성하기 위해 제 1의 소모(梳毛)된 층의 상부에서 가공된다.
제 3의 소모(梳毛)된 층은 2개의 상이한 폴리에스테르 섬유로 구성된다. 상기 제 3 층에서 주된 섬유는 검은색 폴리에스테르 스테이플 섬유이고, 혼합물 중 80%이다. 상기 제 3 층에 있는 제 2 섬유는 약 356℉(180℃)의 쉬스 녹는점을 갖는 2성분의 흰색 폴리에스테르이고, 혼합물 중 20%이다. 이러한 섬유 혼합물은, 제 3 층에 대해 니들링된 최종 복합물에서 17.2 온스/야드2(583 g/㎡)의 총 중량을 갖는 웹을 생성하기 위해, 제 1 층으로서 유사한 소모(梳毛) 작업을 통해 가공된다. 상기 제 3 층은 복합물의 섬유 배트(batt)를 형성하기 위해 제 1 및 제 2의 소모(梳毛)된 층의 상부에서 가공된다.
제 2의 소모(梳毛)된 층과 제 3의 소모(梳毛)된 층 사이에서, 운반 직물(carrier fabric)이 가공 보조제로서 첨가된다. 상기 운반 직물은 스펀-본드 폴리에스테르(spun-bond polyester)로서 부직포 산업에서 공지되었다. 이러한 운반 직물의 중량은 0.59 온스/야드2(20 g/㎡)이다. 이러한 운반 직물은 니들 직기(needle loom)를 통해 가공되기 이전에 그리고 가공되는 동안에 3개의 층을 안정화시키는 것을 목적으로 한다.
상기 운반 직물을 따라 소모(梳毛)되고 교차-래핑된 3개의 개별 층은, 롤러 사이에서 압축되고 니들 직기로 공급된다. 니들 직기는 모든 3개의 층을 기계적으로 얽히게 하고, 상부 표면 및 하부 표면 둘 모두로부터 니들링함으로써 상기 섬유를 얽히게 하고 상기 층을 함께 고정시키는 스티치(stitch)를 생성한다. 상부 니들링 부분은 212 펀치/인치2(33 펀치/cm2)의 니들 밀도를 제공한다. 니들 직기의 하부 니들링 부분은 423 펀치/인치2(66 펀치/cm2)의 니들 밀도를 제공한다. 하부 부분의 니들 밀도는 제 1의 소모(梳毛)된 층을 충분히 치밀화할 정도로 상당히 크기 때문에, 흐름 저항 스킨이 이후의 성형 작업에서 생성될 수 있다. 상기 생성물이 니들 직기를 통해 가공되자마자, 롤 제품(roll goods)으로 감겨지고 성형 라인으로 전달된다. 복합물 직물의 총 중량은 41.4 온스/야드2(1400 g/㎡)이고, 이러한 상태에서 두께는 0.315 내지 0.475 인치(8.0 내지 12.1 mm)이다.
1개의 소모 기계를 이용하여 2개-층의 생성물로부터 만들어지는 본 발명의 제 2의 구체적인 예가 설명될 것이다.
제 1 층은 2개의 상이한 폴리에스테르 섬유로 구성된다. 주된 섬유는 약 230℉(110℃)의 쉬스 녹는점을 갖는 2성분의 검은색 폴리에스테르이다. 이 섬유는 혼합물 중 70%이다. 제 1 층에 있는 제 2 섬유는 검은색 폴리에스테르 스테이플이고, 이는 혼합물 중 30%이다. 2개의 섬유는 상기의 중량%로 혼합된 후, 완전히 오픈되고, 혼합되며, 소모(梳毛) 기계로 도입된다. 카드는, 소모(梳毛)된 웹의 수평 랩을 발생시키는 교차-래퍼(cross-lapper)에 의해 운반되는 웹을 생성한다. 수평 랩의 횟수는 세트로 되어, 제 1 층의 총 중량은 니들링된 최종 복합물에서 7.0 온스/야드2(237 g/㎡)이다. 본 발명의 제 1 부분은 제 1의 소모(梳毛)된 층에 완전히 포함된다.
제 1 층이 카드 및 교차-래퍼에 의해 형성되자마자, 웹 구조를 안정화시키기 위해 니들 직기를 통해 가공되어야 한다. 상기 제 1 층은 상기 제 1의 예와 유사하게 양쪽 측면으로부터 동등하게 니들링되나, 더 낮은 니들 밀도를 갖는다. 총 니들 밀도는 520 펀치/인치2(81 펀치/m2)이다. 제 1 층은 롤러로 감겨지거나 또는 추가적인 공정을 위해 저장된다.
제 2의 소모(梳毛)된 층은 2개의 상이한 폴리에스테르 섬유로 구성된다. 상기 제 2 층에서 주된 섬유는 검은색 폴리에스테르 스테이플 섬유이고, 혼합물 중 60%이다. 상기 제 2 층에 있는 제 2 섬유는 약 356℉(180℃)의 쉬스 녹는점을 갖는 2성분의 흰색 폴리에스테르이고, 혼합물 중 40%이다. 이러한 섬유 혼합물은, 제 2 층에 대해 니들링된 최종 복합물에서 28.4 온스/야드2(963 g/㎡)의 총 중량을 갖는 웹을 생성하기 위해, 제 1 층으로서 유사한 소모(梳毛) 작업을 통해 가공된다.
니들 직기를 통해 상기 제 2 층을 가공하기 이전에, 감겨진 형태로 있는 제 1 층은 감겨지지 않은 스테이션(unwind station)으로 적재되고, 제 2 층의 상부에 공급된다. 그런 다음, 제 1 층 및 제 2 층은 니들 직기를 통해 동시에 공급되고 단일의 복합물 직물로 함께 니들링된다. 니들 직기는 섬유 층을 함께 기계적으로 스티치하여, 성형 작업을 통해 다루어지고 추가적으로 가공되도록 충분히 결합된다. 복합물 직물은 596 펀치/인치2(92 펀치/cm2)의 총 니들 펀치 밀도로 양쪽 측면으로부터 니들링된다. 상기 복합물 직물은 35.4 온스/야드2(1200 g/㎡)의 중량, 0.300 내지 0.400 인치(7.6 내지 10.2 mm)의 두께를 갖는다.
예 1 및 예 2에서 생성되는 롤 제품은 하기에서 설명되는 바와 같은 통상적인 열성형 공정으로 공급된다. 직물은 상기 직물을 정밀한 길이로 절단하는 블랭킹 기계(blanking machine)로 공급된다. 미리-절단된 블랭크(blank)는 오븐으로 자동적으로 공급되고 성형될 수 있는 온도로 가열된다. 예 1 및 예 2에 대한 복합물 직물의 온도는, 상기 복합물 직물이 성형 오븐을 나오는 경우에 380℉ 내지 450℉(193.3℃ 내지 232.2℃)이다. 작업자는 가열된 섬유를 오븐으로부터 제거하고, 성형 프레스에 위치시킨다. 상기 프레스에서 성형 도구는, 상기 도구를 차가운 상태로 유지(바람직하게는 100℉(37.8℃) 미만의 온도로)하기 위해 상기 도구를 통해 순환되는 냉각수를 함유한다. 상기 직물은, 요구된 형태 및 적당한 두께를 영구적으로 유지하기 위해, 상기 직물이 충분히 냉각될 때까지 도구에서 성형된다. 예 1에서, 41.4 온스/야드2(1400 g/㎡)의 중량인 원료에 대해, 성형된 패널의 최적의 두께는 5 mm이다. 예 2에서, 35.4 온스/야드2(1200 g/㎡)의 중량인 원료에 대해, 성형된 패널의 최적의 두께는 4.2 mm이다. 그런 다음, 생성물은, 최종 구성요소의 형태를 생성하고 적용을 위한 라인을 다듬기 위해, 물분사식의 절단 또는 3D 다이 절단(3D die cutting)과 같은 통상적인 트리밍(trimming) 작업으로 이동된다. 이러한 예들은, 매우 단단하고, 성형되고 쉐이핑된 음향의 방음이 가능한 차량용 패널을 생성하며, 상기 구성요소는 자기-지지형이다. 또한, 상기 복합물의 제 1 부분은, 제 2 부분의 표면과 전체적으로 관련되고 그리고 결합되는, 실질적으로 연속적이고, 반-불침투성이고, 치밀한 스킨을 생성한다. 상기 결과로 생성된 복합물의 밀도는 예 1에 대해서는 17.5 lbs/ft3(280 kg/m3)이고, 예 2에 대해서는 17.8 lbs/ft3(285 kg/m3)이다. 상기 결과로 생성된 복합물의 흐름 저항은, 도 6에서 설명되는 바와 같이 높은 수준의 음향을 흡수하는 범위이며, 예 1에 대해서는 750 MKS rayls이고 예 2에 대해서는 650 MKS rayls이다.
따라서, 이상에서 설명된 발명은 이와 동일한 발명이 많은 방식으로 변경될 수 있다는 것이 명백하다. 그러한 변경은 본 발명의 사상 및 범위로부터 출발하지 않은 것으로 간주될 수 있으며, 당해 기술분야에서 평균적 지식을 가진 명백한 모든 그러한 변형은 하기의 청구항의 범위 내에 포함되도록 의도된다.

Claims (19)

  1. 성형되고 쉐이핑된 음향 방음용 차량 패널에 있어서,
    50 내지 80%의 용융성 바인더 섬유와 20 내지 50%의 스테이플 섬유(staple fiber)를 갖는 제 1 부분, 및 20 내지 50%의 용융성 바인더 섬유와 50 내지 80%의 스테이플 섬유를 갖는 제 2 부분을 가지며, 건식으로 제조되고 니들링(needling)된 섬유 복합물을 포함하고,
    상기 제 1 부분으로부터의 섬유는 상기 제 2 부분으로부터 제 1 부분이 벗겨지는 것을 방지하기 위한 양만큼 제 2 부분으로 연장되고,
    용융성 바인더 섬유의 적어도 일부가 성형되고 재응고된 상태에 있어, 상기 제 1 부분의 재응고된 바인더 섬유는 상기 제 1 부분의 표면에 결합되는 연속적이고 밀도가 증가된 스킨을 형성하고,
    스테이플 섬유는 재응고된 상태에 있지 않고,
    상기 성형된 복합물은, 상기 복합물이 12 내지 22 lbs/ft3(192 내지 352 kg/m3)의 밀도를 갖도록, 열 및 압력으로 성형된 상태에 있는 것을 특징으로 하는 패널.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 건식으로 제조된 복합물은 소모(梳毛)된 것을 특징으로 하는 패널.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 성형된 복합물은 후면으로부터 스킨 면(skin side)까지에 대해 밀도 구배(density gradient)를 갖는 것을 특징으로 하는 패널.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 성형된 복합물의 스킨은, 상기 스킨으로 튀는 물이 배수될 수 있도록 다공성인 것을 특징으로 하는 패널.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 성형된 복합물은, 용융되거나 연화된 섬유가 상기 스킨에서 합체될 수 있도록, 냉각 성형틀에서 형성되는 스킨을 갖는 것을 특징으로 하는 패널.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 성형된 패널은, 300 내지 1000 MKS rayls의 흐름 저항을 갖는 차량용 휠 웰 보호물의 형태인 것을 특징으로 하는 패널.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 성형된 패널은, 350 내지 800 MKS rayls의 흐름 저항을 갖는 차량용 휠 웰 보호물의 형태인 것을 특징으로 하는 패널.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 패널이 자기-지지형이어서, 지지체 없이도 성형된 형태를 유지할 수 있는 것을 특징으로 하는 패널.
  9. 제 1 항의 차량용 패널을 제조하는 공정에 있어서, 상기 공정은,
    50% 내지 80%의 용융성 바인더 섬유 및 30% 내지 50%의 스테이플 섬유를 갖는 섬유의 제 1 부분을 건식으로 제조하는 단계;
    섬유의 복합물을 형성하기 위해, 상기 제 1 부분 상에 20% 내지 50%의 용융성 바인더 섬유 및 50% 내지 80%의 스테이플 섬유를 갖는 섬유의 제 2 부분을 건식으로 제조하는 단계;
    통합된 복합물을 형성하도록 상기 복합물을 니들링하는 단계;
    용융성 바인더 섬유가 성형될 수 있도록, 상기 용융성 바인더 섬유를 연화하거나 용융시키기 위해, 스테이플 섬유의 녹는점보다 낮은 온도로 상기 통합된 복합물을 가열하는 단계; 및
    상기 제 1 부분의 재응고된 바인더 섬유의 적어도 일부가 상기 제 1 부분에 직접적으로 부착되고 결합되는 연속적이고 밀도가 증가된 스킨을 형성하기 위해, 상기 용융성 바인더 섬유가 재응고될 때까지 상기 가열된 통합된 복합물을 차량용 패널 구성의 성형틀에서 성형하는 단계;를 포함하고,
    상기 2개의 부분은 12 내지 22 lbs/ft3(192 내지 352 kg/m3)의 방음 밀도(insulation density)를 갖는 것을 특징으로 하는 공정.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 가열된 통합된 복합물이, 형태를 갖고, 성형틀에서 냉각되고, 자기-지지형 패널로서 상기 성형틀로부터 제거될 수 있기 위해,
    상기 통합된 복합물은 적어도 300℉(148.9℃)의 온도로 가열되고,
    상기 성형틀은 200℉(93.3℃) 미만의 온도를 갖는 냉각된 성형틀인 것을 특징으로 하는 공정.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 복합물은 적어도 300 니들 펀치/인치2(47 니들 펀치/cm2)으로 니들링되는 것을 특징으로 하는 공정.
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