约束层阻尼材料的制作方法与工艺

本发明涉及用于约束阻尼系统的振动阻尼材料以及用于在汽车应用中减弱噪音的约束层阻尼产品。

背景技术：
振动阻尼材料被广泛地用于汽车应用中来减弱公路噪音和发动机的振动和声音。对于阻尼材料来说，粘弹性材料是优选的。与粘弹性材料中消耗的能量相关的阻尼效应随着杨氏摸量以及粘弹性材料的损耗因数的增加而增加。当然，它还随着材料承受的变形而增加。一些材料具有高损耗因数但是低杨氏摸量，其对金属板提供有限的阻尼，另一些材料具有高杨氏摸量但是较低的损耗因数(例如，橡胶)，其用作阻尼部件同样并不是非常好。良好的阻尼材料提供杨氏摸量和损耗因数之间的折中。由于在粘弹性材料中，杨氏摸量随着温度而减小，损耗因数在温度的函数中具有峰值，当在金属板上的阻尼效应(称作复合阻尼)具有峰值时，存在温度窗口。阻尼部件被设计成具有与应用温度相对应的峰值。有两个主要的阻尼原则：自由层阻尼(FLD)和约束层阻尼(CLD)。在FLD中，粘弹性材料的主要变形是由弯曲金属板所引起的张力，通常是弯曲易于受到声波引起的振动的结构部分。对于给定的阻尼材料，消耗的能量的量随着厚度而增加。因此，这些材料趋向于较厚。杨氏模量也通常较高。在CLD中，由于材料被夹入在振动中沿着材料的平面布置的两个更硬的板(结构和铝约束层)之间，粘弹性材料的主要变形是剪切。由于剪切变形比FLD的张力变形更大，所以可使用薄层的粘弹性材料。该材料通常比FLD中更软，以确保在金属板的硬度和阻尼之间存在大的差异，由此确保高的剪切力。实际上，变形是对低的杨氏模量的很大补偿。如果材料太硬，那么张力变形会太小。当然，阻尼效应随着粘弹性材料的阻尼因数的增加而增加。例如汽车车体面板等较硬的结构需要约束层阻尼。约束层阻尼包括在结构基层(4)和约束层(2)之间的约束阻尼材料(3)，见图1。结构基层和约束层都能有效地用作约束层。对于约束层阻尼，连接层的方法并不重要，只要发生足够的表面接触和耦合。但是，如果需要的话，粘合剂(5)应该具有高的剪切刚度，这是因为软的粘合剂不能充分地传递剪切应力到中间阻尼层。约束层阻尼材料结合用作约束层的金属板被应用到车辆的选择部分或区域，形成约束阻尼系统的结构基层，以避免振动和噪音在车辆内部被传递到客舱。问题是被加工有这种阻尼系统的许多表面并不是水平的，而是在垂直方向上倾斜甚至颠倒。这意味着该部分或附加粘合层的粘合功能必须抵抗重力。该粘合层因此应该随着年月增长没有或具有少许慢的蠕变或流动特性。通常，用于约束层的材料包括热塑性材料或橡胶材料，其能够抑制振动和声音。沥青基阻尼材料比橡胶基材料便宜，但是具有缺点，它不是自粘性的。沥青通常由针入度、软化点以及粘度的组合来表现，并被分成下面的材料等级：·针入度等级沥青是由原油的分馏获得的，最轻的分馏物是蒸汽，即丁烷和丙烷，较重的分馏物被列为汽油产品，然后是煤油，然后是柴油，最重的分馏物是高分子量的碳氢化合物。这些重的碳氢化合物被称作常压渣油，并进一步在真空蒸馏塔中被蒸馏来生产柴油、蒸馏液和减压渣油。减压渣油是用来生产超过20等级沥青的原料，这些沥青由它们的针入度指数来分类，通常PEN值为10到330dmm，这是针在标准测试方法中刺入沥青的距离，单位是1/10毫米。针入度等级沥青由针入度和软化点来表现。·氧化沥青由软化点和针入度来表现，例如，85/40是软化点为85并且针入度为40的氧化沥青。氧化沥青通过进一步处理减压渣油来获得。氧化沥青使用空气来半吹制或完全吹制，以增加它们的分子量。·硬等级沥青由它们的软化点和针入度来表现，但是仅通过软化点范围来指定，例如，H80/90。经验已经证明，对于在车辆中的隔音面板中的应用，针入度或PEN等级提供比氧化等级更好的阻尼特性。然而，对于生产在存储中流动的面板，通常认为15pen是易碎的，而50pen以及更高的pen等级是太软的。沥青被布置在待阻尼的车体面板上，受热(大约140℃)，然后它们必须在它们自身的重量下符合车体面板的形状并牢固地粘合。典型的成分(质量％)是：·沥青(25pen)25～30％；·聚合物(例如，APP、EVC等)0～5％；·纤维3～5％；·填料(例如，石灰岩、粘土、云母等)60～70％(摩根等的壳牌沥青工业手册，ThomasTelford，1995)。应用振动阻尼材料的一个常用方法是将其设置成包括粘合层的板或带形式，其将阻尼材料粘合到理想的基板，例如汽车车体面板或内部面板。然而，这需要振动阻尼材料被层压到至少一个压敏粘合层或者热活性粘合层。众所周知，安装这些阻尼板的最优时间是在固化车辆的外表面涂层之前，这通常发生在能够达到超出190℃温度的烤炉内。因此板的粘合材料的这种性能必须能够承受如此剧烈的临时温度。已经发现，由于机械性能随着温度增加而损失，热塑性树脂基粘合剂不能在热烘烤工艺后提供足够的粘合强度。因此，众所周知，例如热硬化粘合剂等热活性粘合剂是优选的，其中，粘合剂的活化点可能基于热烘烤工艺的温度来适当地改进。因此，这种粘合剂具有承受通常在热烘烤工艺中发现的温度，同时维持所需的粘合强度。然而，层压材料必须在此期间以某种方式临时连接到金属媒介，直到粘合剂被适当地活化。US3243374公开了铁粉末在沥青基噪音和振动阻尼板中的用途，用以允许板在与热活性粘合剂组装中的最初定位。在应用之中或者之前，粘合剂被热活化，板被磁性支撑在其位置上。一个替换方案是自粘性阻尼材料的使用。现在市场上有两种主要材料，一种材料是基于沥青的复合材料，而另一种基于橡胶。约束阻尼层材料可由沥青和例如烃树脂等增粘剂的组合制成，用以获得自粘性阻尼材料。通常两个等级的沥青用来生产阻尼材料，这两个等级的沥青是20/30pen等级的沥青和吹制沥青。20/30pen等级的沥青的针入度为20～30dmm，且环球软化点为大约55℃；吹制沥青的针入度为35～40dmm，且环球软化点为大约100℃。阻尼部件制造厂现场进行混合，因此两种不同的沥青材料被存储到各自的罐内，并在阻尼部件的制备过程中混合在一起，以增加成品阻尼部件的熔化温度。然而，吹制类型的沥青变成大石油公司的利基产品，并且越来越难获得用来制作阻尼部件的沥青材料。由于树脂已经混合在沥青中，所以具有烃类树脂的沥青层可被使用，而不需要进行固化。由于VOC(挥发性有机化合物)的高含量，在汽车的乘客区域内不再允许使用烃类树脂的增粘剂。US6828020公开了丁基橡胶型阻尼材料的一个示例。丁基橡胶约束层材料被发展用于建筑工业，并且现在常用于汽车车体面板的阻尼。该产品和原材料是昂贵的。特别是，组分的混合需要高剪向力的混合器，并因此是能量耗费过程。现在，被发展用于建筑工业的材料也用于汽车应用。并不是所有的自粘性丁基阻尼材料都能够抵受固化温度，铝箔在固化过程中倾向于分层或开始滑动。目前市场上用于汽车应用的丁基阻尼材料已经部分被改进，以承受190℃的固化温度。这些自粘性阻尼材料以板形式生产，具有在一侧用作约束层的铝箔以及在板的另一侧的粘性处理纸(releasepaper)。在除去该纸以后，粘合材料直接应用待进行阻尼的面板上，而不需要额外的粘合层。

技术实现要素：
本发明的目的是要获得一种阻尼材料，其能够用作约束层阻尼部件中的受约束层，其在声学性能上与当前市场上的材料相当，且使用更容易获得的原材料。优选地，该阻尼材料是自粘性的，所以不需要额外的粘合层。因此，本发明的目的是获得可替换的阻尼材料，其能够用作约束层阻尼(CLD)中的受约束层。令人惊讶地，已经发现所述的针入度为至少150dmm并且环球软化点为大于35℃的软质沥青能够用作约束层阻尼(CLD)中的受约束层。根据本发明的约束层阻尼材料至少包括沥青材料和粘结材料，其中，所述沥青材料是针入度为至少150dmm并且环球软化点为大于35℃的软质沥青，优选地，所述沥青材料为160/220pen等级的沥青。由于这种沥青通常用于道路，所以其能够在市场上大量地获得。也可以使用具有相当的物理特性的其它沥青。所述沥青为所述阻尼材料的总重量的20％到40％。所述粘结材料占总重量的45％到70％。如果没有说明，给出的％始终是指成品阻尼材料总重量的％。作为粘结材料，可使用白垩、粉末状石灰岩、云母、橡胶或胶乳型材料或例如聚酯纤维、纤维素纤维或木质纤维等纤维材料中的至少一种。有利地，使用白垩、例如纤维和/或乳胶等有结合力的粘结材料的组合。纤维、聚合物、乳胶或合成橡胶的至少一种的有结合力的粘结材料占总重量的1.5％到6％。该阻尼材料可以与粘合层一起使用来获得CLD，或者另外，增粘剂被添加到阻尼材料，例如，磁性颗粒填料或树脂中的至少一种。本发明的树脂可包括由松香、甘油松香酯、妥尔油、松香酯、氢化松香、氢化松香酯、松香和顺丁烯二酸酐的反应产物以及松香和苯酚的反应产物组成的组合中选取的树脂。松香酯可由松香和酒精的反应形成，其中酒精从由甲醇、二丙二醇、丙三醇、季戊四醇及其混合物组成的组合中选择。作为增粘剂树脂，优选使用松香衍生物。令人惊讶地，已经发现通过结合160/220pen等级沥青和少量的松香或松脂，沥青保持了受约束层所需的柔软度，其是自粘性的，在这些类型的产品用于汽车内时在时间上和温度范围上是稳定的。该材料的性能与优化的丁基橡胶阻尼材料是可比较的，并能够在相同应用中替代这种较贵的材料。松香达到阻尼材料的总重量的8％，优选在0到6％之间。至少在2到8％重量之间的树脂被使用来获得自粘性阻尼材料。优选地，松香衍生物为松香的甲酯或氢化松香的甲酯、或松香的三乙二醇酯或氢化松香的三乙烯酯中的至少一种。有利地，使用加工温度下是黏性液体的松香衍生物。松香的氢化形式是更优选的，因为它们具有更高的黏度。在选取可替换的粘合系统，例如磁性颗粒或者粘性胶水层的情形下，可使用0％的树脂。可以添加与所述特性不直接相关的其它添加剂，例如，氧化钙等混合或加工助剂。对于约束层，可使用刚硬层，优选金属层，更优选铝或钢。例如玻璃毡席、羊毛材料或纸板等约束材料也可用于特定的应用。该层的厚度通常在0.05到0.2mm之间。在特定的情形下，根据WO2008/098395，阻尼材料与用作约束层的底部面板和用作结构部分的车辆底板的组合可用作受约束层。因此，获得的阻尼材料可用作约束层阻尼器CLD中的受约束层。如果使用自粘性混合物，那么可在约束层的另一侧上使用粘性处理纸，以避免在存储和运输过程中粘贴，直到产品被应用到待进行阻尼的结构部分。根据本发明的材料可用于车辆的水平和垂直部分。由于该材料组合，该沥青阻尼材料在应用的温度范围上以及在使用中没有流动并且是稳定的。另外，阻尼特性在相关频率范围中超出0.1。尽管不需要温度固化步骤，但是材料可在涂层固化之前应用到车体上，而对材料的粘合或阻尼特性没有显著影响，特别是它没有降低这些性能。然而，材料还可在汽车的组装过程以后应用。测试方法粘合特性通过使用用于在100mm/分钟的剥离粘合力(90°)的FINAT测试方法FMT2来测量。该测试被用来比较不同层压材料的粘合反应。在90°测量剥离粘合力通常给出低于在180°的值，并允许这些值被测量用于通常提供纸撕裂的材料。剥离粘合力是在特定的角度和速度下从标准测试板移除应用到该标准测试板的压敏涂敷材料所需的力。考虑到极限粘合，在应用以后24小时测量粘合。使用的测试条是25mm宽，并具有在机器方向上190mm的长度。该机器被设定为每分钟100mm的夹具分离速率。给定的剥离粘合力(90°)是测试条的平均结果，用每25mm的宽度上的牛顿表示。该测试在不同的测试温度下重复。对于基准样品和根据本发明的材料的阻尼损耗特性的测试，使用ISO6721-3。样品在从里特汽车系统购买到的传送带设备上进行测量。现有基准样品的说明作为基准1，使用Olin公司出售的现有丁基阻尼材料T255AL15。这是与粘性处理纸一起出售的铝丁基粘合胶带(alu-butyladhesivetape)。根据产品描述，该材料是在-30到80℃的温度范围上具有阻尼性能的粘弹性丁基。然而，该材料应该在5到40℃中应用到基本结构部分。该材料的总面积重量为2.9kg/m2，总厚度为1.7mm，密度为1.4到1.7。铝的厚度为150μm。使用通常使用的20/30硬级沥青来制作基准2。该材料制有大约27％的沥青20/30，大约57％的白垩、以及达到大约6％的有结合力的粘结材料：纤维、CaO和乳胶。如图1所示，在粘性测试中，用作基准的阻尼材料并不是自粘性的，其与粘合胶水层一起使用。使用一个或两个胶水层。作为胶水层，使用可从Adesia公司购买到的丙烯酸粘合剂。根据本发明的示例性阻尼材料根据本发明(INV)的示例性阻尼材料制有：·沥青，重量比大约在30％到35％之间的160/220pen等级；·粘结材料：重量比在55％到60％之间的CaCO3和重量比为大约2％的纤维素纤维以及重量比大约在2.4到2.6％的合成乳胶；·松香，按照标示使用，如果没有标示，按总重量比大约4％使用。作为沥青，使用来自Unipetrol的160/220道路沥青，其针入度在160到220dmm，环球软化点在35到43℃之间。该材料具有-15℃的破损点和12℃的软化点。对于树脂，使用松香的甲酯，例如花岗状火成岩(Granolite)。比重百分比被优化来用于各个样品，以获得稳定的产品。需要时，出于例如沥青的处理和烘干等操作原因而添加额外的添加剂。这些添加剂在本领域是已知的，并且对于材料的阻尼性能没有直接影响。为了CLD特性的测量，两种沥青材料被烘干，以避免胶水层干扰获得的数据。该受约束结构在两种情形下使用0.2mm的铝箔来实现。丁基阻尼部件不需要烘干就进行测量。这种粘合是该材料的固有特性。附图说明图1示出了约束层阻尼部件(CLD)的示意图；图2示出了根据本发明的阻尼材料与基准材料的损耗因数的比较；以及图3示出了与使用的松香的量相关的阻尼材料的粘性。具体实施方式图1示出了基础的约束层阻尼(CLD)，其包括在结构基层(4)和约束层(2)之间的受约束阻尼材料(3)，见图1。对于约束层阻尼，连接这些层的方法并不重要，只要发生足够的表面接触和耦合。如果材料包括磁性颗粒或者是自粘性的，则不需要其它胶水层。但是，如果使用粘合层的话，优化的粘合层(5)应该具有高的剪切刚度，因为软的粘合剂不能充分地传递剪切应力到中间阻尼层。约束层(2)、受约束阻尼层(3)以及(如果需要的话)胶水层(5)一起形成能够出售到例如汽车工业的约束层阻尼产品。如果使用胶水层，那么将要连接到结构基层(即汽车车体部分)的胶水层的外层的表面可具有粘性处理纸，以避免材料在运输过程中形成不想要的粘贴。例如基准材料1等自粘性约束层不需要额外的胶水层。图2示出了对约束层阻尼系统测量的损耗因数，该系统具有基准材料(基准1：Olin；基准2：20/30沥青)或根据本发明(INV)的用作受约束层材料的材料，该实施例中具有0％松香。根据本发明的新的受约束层材料显示了比基准材料更好的性能。由于车辆在行驶中大部分区域通常被加热到大约30℃，所以在30到50℃的范围内的损耗因数的峰值对于这种类型的应用是最佳的，甚至比基准样品更好。根据本发明的具有0到8％松香的沥青阻尼部件的样品的剥离粘合力与现有粘合层(Ad)和作为基准1的现有沥青阻尼材料(StoA)的粘合力相比较。图3示出了在给定温度下在24小时以后测量的结果。在23℃，与丁基基准(StoA)和粘合胶水层基准相比，根据本发明的具有0％松香的沥青阻尼材料显示了足够的自粘性。然而，在较低的温度下，(松香)在0％时上述粘性比两者都低。胶水层的粘性在工业上被公认为可用于车辆中的整个温度范围，并因此具有至少大约4％重量百分比的松香的材料可与目前市场上的粘合材料的粘性相比较。然而，实际的优选粘性以及因而所需松香的重量取决于车辆中位置的特定需求以及车辆制造者的说明。在水平位置上，松香0％时的粘性足以确保所布置的阻尼部件在适当的位置。沥青阻尼材料显示了粘合失效，这意味着阻尼材料将与铝约束层或结构汽车部件分层。对于根据本发明的阻尼材料，当破裂发生在阻尼材料的内部时，这作为粘合失效是不利的。因此，根据产品特定需求来调整需要的粘性是比较容易的。基于沥青160/220pen等级的受约束阻尼材料与本领域技术人员的教条相逆，是对目前使用的比较昂贵的特定沥青混合物的真正替换。通过使用松香或松脂树脂，可能形成一种约束层材料，其不仅比现用材料表现更好，而且还是自粘性的。由于松香不会影响VOC值，所以可在客舱内部使用可替换的阻尼材料，而没有健康危险。