轻质阻隔或加固元件以及制造这种轻质档板或加固元件的方法与流程

本发明涉及一种用于密封、阻隔和/或加固空腔，例如汽车的空腔的轻质档板或加固元件，制造该元件的方法及其用途。

背景技术：

制造的产品通常包括孔及空腔或者其它中空部件，其来自于制造过程和/或是为了各种目的而设计入产品的，如减轻重量。汽车，例如，包括贯穿车辆的多个这样的孔及空腔，包括在车辆的结构柱中以及在车门的板材金属中。经常期望借助构建在孔或空腔中的密封件或阻隔元件密封这样的孔和空腔，以使在车辆中从一个区域通过到另一个区域的噪音、震动、烟气、灰尘、水等最小化。同样地，这样的组件或元件通常还完成了加强制造的产品例如汽车部件的中空结构的额外任务，使得它变得更能耐受机械应力但仍然保持中空结构的低重量优点。

用于密封、阻隔或者加固的元件通常由用塑料、金属或其它刚性材料制成的支承体，和在其上附加的能够使得在施加热量或者其它物理或者化学形式的能量时膨胀其体积的一个或多个热塑性材料层组成。通过这种设计，有可能在制造过程中，将阻隔(baffle)或者加固元件插入结构的中空部分中，但是也使结构的内壁仍然可以被例如液体进入(或者通过空腔)。例如，在车辆制造过程中，当阻隔或者加固元件已被插入时，金属框架的中空部分仍然可以被电涂液大量覆盖，然后在热处理步骤中，阻隔或者加固元件的可膨胀的热塑性材料如所期望的那样膨胀封闭腔体。

这种阻隔或者加固元件的发展已经带来了高度发展的系统，其中可膨胀的材料能够增加其体积高达2000％或更高，形成类似泡沫的结构而充满空腔并且附着到希望被密封、阻隔或加固的结构的壁上。特别是在汽车制造中，这已经导致了可观的重量减轻以及极好的车体中噪音或震动的减少。

通过甚至可以膨胀更多的高级材料，能够减少初始的材料质量，从而为重量减轻和成本节约做出更大的贡献。

但是，愈加小份的可膨胀材料也可能在阻隔或加固元件的生产中产生问题。因为这样的元件(或者至少是可膨胀材料层)通常是通过注射成型或者挤出制造的，非常小段的给料提出了更高的加工要求，如更高的注射压力，或者引起质量问题，如飞边(flashing)、欠注(不完全塑件)或者材料劣化。

因此，期望得到一种制造阻隔或加固元件的方法，其使用较少初始质量的可膨胀材料，但是并不会产生与此种材料的非常小的初始体积相关的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供具有减少的重量和减少的材料成本的阻隔和/或加固元件，但是并不会有通常由材料节省、小规模制造而引起的那些缺点。而且，本发明将提出生产这样的阻隔和/或加固元件的方式。

本发明提供一种解决这种问题的方法，其通过在生产过程中借助结合入微孔气泡而减少可膨胀材料的密度，从而在体积不变的情况下明显减轻重量但保持良好的可加工性，而不需要减少所述可膨胀材料层的体积或者改变其几何尺寸。

本发明通过提供一种阻隔和/或加固元件采用独立权利要求1的特征实现此目的，所述阻隔和/或加固元件包含一个或多个包含多个微观气泡的可膨胀材料层。从属权利要求提出了根据本发明的产品的实施方式或得到根据本发明的产品的方法或该产品的用途。

本发明的任何实施方式的原理是用气体取代阻隔和/或加固元件的一部分可膨胀热塑性材料，使得气体以微观气泡的形式细微地并且很大程度上均匀地分散在材料中。通常，这样的微观气泡的尺寸在约微米至若干毫米范围内，优选在1到100微米之间，并且它们可以具有大的尺寸分布或者具有基本一致的尺寸，所有都取决于周围的热塑性基质和它们通过何种方法制得。相比于没有根据本发明所公开地结合入气体的阻隔和/或加固元件，本发明的实施方式用气体取代超过1％，优选超过10％，更优选超过25％，最优选超过40％体积的可膨胀材料。当然，这种取代导致随着用气体取代热塑性材料的增加，材料层的总质量(重量)成比例地减少。这种做法的效果主要是直接对应于所使用气体的量的热塑性材料的量能够被节省，或者，从而能够用相同量的材料制造出更大的材料层，因此面临更少的与小规模成型或挤出相关的问题，例如加工或质量问题。

在最优选的实施方式中，阻隔和/或加固元件的可膨胀材料层通过将热塑性、热可膨胀的材料成型或者挤出成为所需的形状并且同时在热塑性材料被引入模具时或之前，在热塑性材料熔体中供入超临界态的气体制得，所述气体优选是氮气或者二氧化碳。在足够高的温度和足够高的压力下，所述气体(或者超临界液体)和热塑性材料形成基本上单相的、大部分均质的混合物。当温度和/或压力下降时，由于超临界液态气体排出形成多个细微分散的微观气泡，从而在可膨胀材料层中形成微孔结构。对此合适的工艺是商业化的，如以美国Trexel公司的商品名商业化。

在另一个实施方式中，通过将热塑性材料与所谓的“可膨胀微球体”混合将微观气泡结合入可膨胀材料层。这些是微观的、基本上球状的形体，其包括热塑性的包封，例如低沸点的液态烃的壳。在提高温度的条件下，通过软化热塑性壳以及增加液态烃内含物的压力，这些微球体膨胀，从直径约5微米长大到直径约90微米，因为其在热量的影响下变为气态。这样的微球体是在售的，例如，荷兰AkzoNobel N.V.的名为的商品。为了根据本发明实现足够高地结合入气泡，至少5重量％的包括可膨胀材料层的材料必须由这样的微球体组成，优选至少10重量％，更优选至少15重量％，甚至更优选至少25重量％，特别优选至少30重量％，最优选至少40重量％。

在另一个实施方式中，通过在可膨胀材料层的成型或挤出之前将第二发泡剂混合到热塑性材料中实现阻隔和/或加固元件上的可膨胀材料层的微孔结构。此种第二发泡剂的例子包括化学发泡剂，如偶氮二甲酰胺、磺酰肼、碳酸盐，或者物理发泡剂。本发明可用的第二发泡剂应当从可膨胀材料的转变温度起展示出分解反应性(包括气体产物的形成)或者气体释放活性，从而在成型或挤出过程之前很快地或在此过程中在可膨胀材料内部发生气体释放。优选地，第二发泡剂在50℃和150℃之间分解或者释放气体，更优选在50℃和110℃之间，甚至更优选在50℃和90℃之间。但是，至关重要的是，导致该第二发泡剂气体释放的条件明显不同于导致阻隔和/或加固元件上的可膨胀材料膨胀的条件。如果这两种过程均由热量触发，则形成泡的过程的起始值应当明显低于膨胀的起始值，优选至少低20℃，更优选至少低30℃，最优选至少低40℃。

根据本发明的阻隔和/或加固元件的可膨胀材料层的明确的微孔结构有利于其用作阻隔或密封元件，例如用于减少噪音或者振动、隔热等。但是，任何几何形状的支承部件都是可能的，并且其具有适当设计，包括肋条、横壁等等，并且用于支承体的刚性材料，以及强加固元件可以通过本发明的实施方式得到。

附图简要说明

通过展示一个可能的实施方式，附图将提供本发明目的的简化视图(图2A和2B)。为了更好地理解和比较，非根据本发明的实例也被示出(图1A和1B)。只有那些对本发明的概念有明显意义的特征被标记出来。

图1A是在可膨胀材料层膨胀之前，被引入空腔中的传统的阻隔或加固元件的横截面图；

图1B是在可膨胀材料层膨胀之后，被引入空腔中的传统的阻隔或加固元件的横截面图；

图2A是在可膨胀材料层膨胀之前，被引入空腔中的根据本发明的阻隔和/或加固元件的横截面图；

图2B是在可膨胀材料层膨胀之后，被引入空腔中的根据本发明的阻隔和/或加固元件的横截面图。

发明详述

术语“可膨胀材料层”和“可膨胀元件”在全文中是可互换的。单位“重量％”是指重量百分比。术语“质量”和“重量”在本文中是可互换的。

本发明的目的在于改进用于制造阻隔和/或加固元件的方法(及其产品)，其能够通过1)插入所述空腔中和2)通过由于触发(例如通过热量)的化学或物理过程而部分膨胀，由此完全或部分地填充空腔和贴附到一个或多个其壁上，而填充所制造或构造的物体的空腔或中空结构部件。虽然可预期到为了示例的目的阻隔和/或加固元件可以用在不同的制造或构造的制品中，但是这里主要讨论的是在汽车里使用阻隔和/或加固元件。

图2A和2B示出了根据本发明的阻隔或加固元件的横截面图。更具体地，图2A中描述的是在其原始的、未膨胀状态下的这样的阻隔或加固元件20的示意图，而图2B中展示是在其膨胀后状态下的同样的元件20′。图2B示出了经膨胀的材料层25′如何贴附到空腔C的壁上，所述空腔C例如是汽车的中空结构部件中的空腔。车辆中的这些中空部件可以包括车体部件(例如，面板)、框架部件(例如，液压管)、柱结构(例如A、B、C或D柱)、阻尼器、顶棚等。

根据本发明的阻隔和/或加固元件20包括支承元件21，其可以呈现出任何的适合于所期望的任务的形状和几何结构，和至少一个可膨胀材料22的层25，其因为其特殊的制造方法而包含多个气泡24。

为了比较和更好地理解，在图1A和1B中示出了传统的阻隔或加固元件(并不是根据本发明的)，示出了它的基本特征，包括支承元件11和可膨胀材料12的层。图1A示出了可膨胀材料12膨胀之前的阻隔或加固元件10，而图1B示出了在膨胀之后的阻隔或加固元件10′，包括经膨胀的材料层12′，此时贴附在空腔C的壁上。示意性画出的可膨胀材料12的层在体积上比图2A中示出的本发明的对应层25小，尽管在两个对比的实施例中认为已经使用了同样量的可膨胀材料。这表示的事实是，通过将气泡24结合入阻隔和/或加固元件20中，可以通过应用本发明的教导获得更大的体积(以及更容易制造小的部件)。

支承元件21可以由任何能够加工成本发明实施方式可用的形状的材料组成。优选的材料是聚合物材料，如塑料、弹性体、热塑性材料、热固性聚合物、它们的共混物或其它组合等。优选的热塑性材料包括而不限于，聚合物如聚氨酯、聚酰胺、聚酯、聚烯烃、聚砜、聚(对苯二甲酸乙二醇酯)、聚氯乙烯、氯化聚烯烃等。更优选的是高温稳定的聚合物，如聚(苯醚)、聚砜或者聚醚砜。其它合适的材料包括金属、特别是铝或钢、或者自然生长的有机材料，如木材或者其它(压制)的纤维材料。也可以使用玻璃质材料或陶瓷材料。也可以使用这些材料的任何组合。还可以预期的是，这些材料能够被填充(如用纤维、矿物、粘土、硅酸盐、碳酸盐、或者它们的组合等)。还可以预期的是，这样的支承材料可以是经发泡的，如WO2004043668中所公开的那样，其通过参考的方式结合入本文。用于根据本发明的阻隔和/或加固元件20中的特别优选的支承体21的材料是聚酰胺、优选聚酰胺6、聚酰胺6，6、聚酰胺11、聚酰胺12或者它们的混合物。

支承元件21还能够呈现出任何形状或几何结构。其也能够由多个、非直接连接的部件组成。例如，其能够是实心的、中空的或者经发泡的，或者其能够呈现出网格状的结构。根据所期望的阻隔和/或加固元件20的用途，支承元件的表面通常可以是平滑的、粗糙的、或者结构化的。

根据本发明的阻隔和/或加固元件20的制造方法很大程度上取决于支承体21的材料。如果支承体的材料能够被(注射)成型或者挤出，那么整个阻隔和/或加固元件20能够通过支承体21和可膨胀材料层25的两步注射成型工艺或者共挤出工艺制造。如果使用两步注射成型工艺，则在第一步中，将支承元件21的材料注射进模具。凝固后，注射模具的空腔会扩大或者被调整，或者注射成型的零件被转移到另一个工具中，并且注射第二组件，在这一情形中即可膨胀材料层25的材料22。

如果支承体21不是通过注射成型或者挤出而成型的，例如，因为其由金属或合金组成，则其首先通过适当的方法制造，然后被引入到注射成型模具中，并且将可膨胀材料层25注射成型到放置有支承元件21的模具中。另外一种可能是，将可膨胀材料层25挤出到预制的支承体21上。当然，支承体21和可膨胀材料层25也有可能独立地通过适当的方法制造，然后通过任何适当的手段将将可膨胀材料层25贴附到支承体21上，所述手段例如是化学的或物理的，例如通过胶粘等，或者是机械的例如通过螺栓、螺纹等。

可膨胀材料层25由可膨胀材料22和多个气泡24组成。适合作为可膨胀材料22的基本上是能够在可控制条件下发泡的任何材料。通常，材料的发泡能够通过热量、湿度或者电磁辐射触发，而温控的膨胀(发泡)是优选的。

这样的可膨胀材料22通常包含化学或物理发泡剂。化学发泡剂是有机或无机化合物，其会在温度、湿度或者电磁辐射的影响下分解，同时至少一种形成的发泡分解产物是气体。物理发泡剂包括但不限于，在一定温度下变为气态的化合物。因此，化学和物理发泡剂都适于引起可膨胀材料层25的可膨胀材料22中的膨胀。

优选地，当使用化学发泡剂时，可膨胀材料22被热发泡。适合的化学发泡剂是例如偶氮二甲酰胺、二亚硝基五亚甲基四胺、4，4′-氧-二(苯磺酰肼)、三肼基三嗪和N，N’-二甲基-N，N’-二亚硝基对苯二甲酰胺和它们的组合等。引起发泡(膨胀)的分解反应所需要的热量可以外部施加或内部施加，后者例如来自放热反应。优选地，可膨胀材料22在低于160℃的温度下，特别是在80℃到150℃之间，更优选的是在90℃和140℃之间的温度下发泡。

如果阻隔和/或加固元件20被用于汽车制造中，则优选可膨胀材料22的膨胀活化温度被调节到待阻隔或加固的汽车部件的制造条件。例如，阻隔和/或加固元件20可以在仍然使得结构表面可通达的其未膨胀状态20下被插入需要通过电涂液处理的结构的空腔中，然后在汽车部件的热处理过程中，阻隔和/或加固元件20同时膨胀到期望的最终形状20′。在这种情况下，膨胀温度应当对应于所述热处理的温度，也就是在90℃到200℃之间。

适用于可膨胀材料22的组合物材料包括，例如单组分环氧树脂，其在室温下(20℃左右)基本是固体并且其展示出高的抗冲强度并且包含触变添加剂，如二氧化硅或纳米粘土。例如，此种环氧体系通常含有20到50重量％的液体环氧树脂，0到30重量％的固体环氧树脂，5到30重量％的增韧添加剂，1到5重量％的物理或化学发泡剂，10到40重量％的填料，1到10重量％的触变添加剂，和2到10％的热活化硬化剂。适当的增韧剂是，例如基于丁腈橡胶或聚醚多元醇聚氨酯的衍生物的反应性液体橡胶，核壳聚合物，以及其它本领域技术人员已知的此种体系。

可以与发泡剂一起结合到可膨胀材料22中的其他适当的材料包括单组分聚氨酯组合物，该组合物包括晶体的、OH官能的聚酯和其他多元醇，优选聚醚多元醇和具有封闭的异氰酸酯基团的多异氰酸酯。晶体聚酯的熔点应当超过大约50℃。异氰酸酯基团可以是例如通过亲核试剂如已内酰胺、苯酚或者苯并噁唑酮(benzoxalones)封闭的。此外，适当的是例如用于粉末涂敷的封闭型聚氨酯，其市场上可以买到的，如德国Degussa GmbH的名为BF1350和Ves BF1540的商品。其它适当的聚氨酯包括本领域技术人员已知的所谓的包封的或者表面钝化的聚氨酯，并且它们描述在例如EP0204970中。

此外，适合于可膨胀材料22的是包含发泡剂的双组分的环氧树脂/聚氨酯组合物，例如WO2005080524中公开的，在这里通过参考的方式将其引用。其他适合的用于可膨胀材料22的材料包括但不限于，乙烯-醋酸乙烯酯聚合物体系、聚烯烃材料、具有至少一种单体α-烯烃的共聚物和三元共聚物、苯酚/甲醛树脂或者包含发泡剂的类似物。

特别适合的可膨胀材料是例如市场上能够买到的由Sika Corp.(美国)销售的名为240、250或者255的商品，如专利US5,266,133和US5,373,027中所述的，在这里都通过参考方式引用它们。此种材料对于根据本发明的阻隔和/或加固元件20的制造是特别优选的。

如果本发明用于针对具有高加固能力的产品，则特别优选的材料例如包括如Sika Corp.(美国)销售的名为941的材料。这样的材料公开于US6,387470中，在这里通过参考方式将其引用。

在可膨胀材料层25制造之前或期间，气泡24被结合到材料22中。在优选的实施方式中，阻隔和/或加固元件20的可膨胀材料层通过将热塑性的热可膨胀材料成型或者挤出成其所需的形状并且在热塑塑料被引入模具时或之前或多或少同时地将处于其超临界状态下的气体供入热塑性熔体中而制得，所述气体优选是氨气或者二氧化碳。在足够高的温度和足够高的压力下，气体(或者超临界液体)和热塑性材料形成基本上单相、基本上均匀的混合物。当温度和/或压力下降时，随着超临界液体排气形成多个细微分散的微观泡沫，从而在可膨胀材料层中形成微孔结构。对此合适的工艺是商业化的，如Trexel Inc.公司(USA)的名为的商品。

还有可能的是通过将热塑性材料与所谓的“可膨胀微球”混合将微观气泡24引入可膨胀材料22中。它们是微观的、基本上球状体的，其包括封装例如低沸点液态烃的热塑性壳。在提高的温度条件下，通过软化热塑性外壳以及增加液态烃内含物的压力(因为其在热量的影响下，例如在可膨胀材料层25的制造期间变为气态)，这些微球体膨胀，从直径约5微米长大到直径约90微米。这样的微球体是在售的，例如，AkzoNobel N.V.(荷兰)的名为的商品。为了实现根据本发明足够高地结合气泡，至少5重量％的包括可膨胀材料层的材料必须由这样的微球体组成，优选至少10重量％，更优选至少15重量％，甚至更优选至少25重量％，特别优选至少30重量％，最优选至少40重量％。

此外，通过在可膨胀材料层25成型或挤出之前将第二气泡剂混合到可膨胀材料22中可以实现阻隔和/或加固元件20上的可膨胀材料层25的微孔结构。所述第二气泡剂的例子包括化学发泡剂，如偶氮二甲酰胺、磺酰肼、碳酸盐，或物理发泡剂。本发明使用的第二发泡剂应当从可膨胀材料22的转变温度起展示出分解反应性(包括气体产品的形成)或者气体释放活性，从而在成型或挤出过程之前很快地或在此期间在可膨胀材料22内部发生气体释放。优选地，第二发泡剂在50℃和150℃之间，更优选在50℃和110℃之间，甚至更优选在50℃和90℃之间分解或者释放气体。但是，至关重要的是，导致该第二发泡剂气体释放的条件要足够不同于导致阻隔或加固元件20上的可膨胀材料22的膨胀的条件。如果这两种过程均由热量触发，则形成泡的过程的起始值应明显低于膨胀的起始值，优选至少低20℃，更优选至少低30℃，最优选至少低40℃。

任何在环境条件下(即大约1bar压力和约20℃的温度)是气态的物质都能够做为气体用于根据本发明通过阻隔和/或加固元件20的可膨胀材料层25中的气泡24形成微孔结构。优选使用的气体是相对便宜的和/或非反应性的以避免不希望的化学副反应，和/或易于转变为超临界液体。这些优选的气体的例子包括(但不限于)空气、氮气、二氧化碳、气态烃、惰性气体或者它们的混合物。特别优选的是氮气和/或二氧化碳和/或气态烃，其例子包括丙烷、丙烯、丁烷、丁烯、异丁烷、异丁烯或者是它们的混合物。

当然，本发明并不限于这里所述的实施例，特别是不限于附图，其只是描述了本发明的通用原理或者一个简单的实施方式。但是，本领域普通技术人员应当意识到，在本发明的教导下能够做出一定的改进。因此，下面的权利要求应当被解读为确定本发明真正的范围和内容。

附图标记

10；20 阻隔和/或加固元件

10′；20′ 经膨胀的阻隔和/或加固元件

11；21 支承元件

12；22 可膨胀材料

12′；22′ 经膨胀的材料

24 结合在可膨胀材料中的气泡

24′ 结合在经膨胀的材料中的气泡

25 可膨胀材料层或者可膨胀元件

25′ 经膨胀的材料层或者经膨胀的元件

C 空腔或中空结构