УСТРОЙСТВА СО ЗВУКО- И ТЕПЛОИЗОЛЯЦИЕЙ НА ОСНОВЕ ВЯЗКОУПРУГОГО ПОЛИУРЕТАНА
DEVICES WITH SOUND AND HEAT INSULATION BASED ON VISCOELASTIC POLYURETHANE

Настоящее изобретение относится к устройствам с применением звуко- и теплоизоляции.
Устройства, такие как посудомоечные машины, бельевые сушилки, стиральные машины, пылесосы и т.д. часто изготавливают с теплоизоляцией, а также снабжают изоляцией для снижения шума и вибрации.
Звукоизолирующий материал обычно представляет собой волокнистый листовой изоляционный материал, битумную или асфальтовую мастику или полимер высокой плотности. Указанные материалы обеспечивают звукоизоляцию, но являются плохими теплоизоляционными материалами. Следовательно, требовалось включать множество слоев изоляционного материала для получения одновременно звуко- и теплоизоляции. Это приводило к нежелательному увеличению массы продукта и стоимости изготовления.
Кроме того, указанные традиционные изоляционные материалы в большинстве случаев производят и изготавливают отдельно для получения специальных деталей, монтируемых на устройство.
3
Было предложено применять в качестве изоляции определенные типы полиуретановых материалов. Их потенциальные преимущества заключаются в возможности нанесения полиуретанового материала в виде спрея, что делает нанесение легким и потенциально дорогостоящим. Например, в WO 2013/117685 описаны устройства с нанесенным распылением полиуретановым эластомером в качестве изоляционного материала. Указанный полиуретановый эластомер является высоконаполненным и непористым, благодаря чему его плотность составляет от 1 до 3 г/см. Этот довольно тяжелый материал составляет значительную часть массы и не особенно эффективен в качестве звукоизоляционного материала.
В WO 2011/086076 и US 2011/0168217 описаны попытки применения жестких или полужестких полиуретановых пен в качестве одновременно тепло- и звукоизоляции для устройств. Преимущество указанных пен заключается в том, что они добавляют устройству меньше массы, по сравнению с полиуретановыми эластомерами высокой плотности согласно WO 2013/117685. Тем не менее, как ясно показывают данные, приведенные в WO 2011/086076, указанные жесткие полиуретановые пены не обеспечивают хорошей комбинации тепловых и акустических свойств. Фактически, для указанных пен существует обратная зависимость между указанными свойствами, то есть если пены обеспечивают эффективную звукоизоляцию, они обладают худшими теплоизоляционными свойствами, и наоборот.
Одним из аспектов настоящего изобретения является устройство, содержащее по меньшей мере один тепло- и звукоизолированный компонент, причем указанный изолированный компонент несет изоляционную конструкцию на по меньшей мере одной своей поверхности, причем указанная изоляционная конструкция содержит по меньшей мере один слой вязкоупругой полиуретановой пены, причем указанный вязкоупругий полиуретан характеризуется тем, что:
a) вязкоупругая полиуретановая пена имеет значение упругости по большей мере 15% при измерении согласно ATM 3574;
b) вязкоупругая полиуретановая пена имеет время восстановления по меньшей мере 3 секунды при измерении согласно ASTM D3574 Испытание M; и
c) вязкоупругую полиуретановую пену получают при взаимодействии ароматического полиизоцианата со смесью активных по отношению к изоцианату материалов, содержащей по меньшей мере 20 массовых процентов, относительно общей массы всех активных по отношению к изоцианату материалов в смеси, по меньшей мере одного полиола с молекулярной массой по меньшей мере 750, гидроксильной эквивалентной массой от 225 до 450 и 2 – 4 гидроксильными группами в молекуле, и воду в количестве по меньшей мере 0,2 части на 100 массовых частей смеси активных по отношению к изоцианату материалов, причем изоцианатное число составляет от 60 до 100.
Также настоящее изобретение представляет собой способ изоляции устройства, включающий нанесение изоляционной конструкции на по меньшей мере один компонент устройства, причем указанная изоляционная конструкция содержит по меньшей мере один слой вязкоупругой пены, причем указанный вязкоупругий полиуретан характеризуется тем, что:
a) вязкоупругая полиуретановая пена имеет значение упругости по большей мере 20% при измерении согласно ATM 3574;
b) вязкоупругая полиуретановая пена имеет время восстановления по меньшей мере 3 секунды при измерении согласно ASTM D3574 Испытание M; и
c) вязкоупругую полиуретановую пену получают при взаимодействии ароматического полиизоцианата со смесью активных по отношению к изоцианату материалов, содержащей по меньшей мере 20 массовых процентов, относительно общей массы всех активных по отношению к изоцианату материалов в смеси, по меньшей мере одного полиола с молекулярной массой по меньшей мере 750, гидроксильной эквивалентной массой от 225 до 450 и 2 – 4 гидроксильными группами в молекуле, и воду в количестве по меньшей мере 0,2 части на 100 массовых частей смеси активных по отношению к изоцианату материалов, причем изоцианатное число составляет от 60 до 100.
Неожиданно было обнаружено, что вязкоупругая пена обеспечивает одновременно эффективную звуко- и теплоизоляцию, в отличие от, например, жестких и полужестких полиуретановых пен согласно WO 2011/086076 и US 2011/0168217. Вязкоупругую пену можно наносить легко и недорого при помощи методик распыления, например, которые обеспечивают возможность получения пены в месте применения и таким образом, позволяют избежать расходов, связанных с предварительным получением и сборкой. Другое преимущество заключается в том, что вязкоупругая пена обладает довольно низкой объемной плотностью. Это позволяет получать особенно эффективную изоляцию (как звуковую, так и тепловую) при заданной (и в общем случае низкой) дополнительной массе.
Устройство может представлять собой, например, бытовое или промышленное механическое устройство, такое как посудомоечная машина, печь, холодильник, морозильная камера, стиральная машина, бельевая сушилка, измельчитель отходов, уплотнитель мусора, пылесос, устройство ОВКВ (отопление, вентиляция и/или кондиционирование воздуха), и подобные устройства.
Устройство содержит по меньшей мере один компонент со звуко- и теплоизоляцией согласно настоящему изобретению. «Компонент» может представлять собой любую деталь, узел или подузел устройства. Компонент может представлять собой, например, кожух, такой как кожух двигателя, насоса, системы подачи текучей среды или часть указанного кожуха; наружную панель устройства, такую как корпус, заключающий рабочие компоненты устройства, или дно, крышку, вертикальную стенку или дверцу указанного корпуса; наружную оболочку, включающую две или более таких панели; или любой рабочий компонент или прибор, составляющее часть указанного устройства.
Изоляционную конструкцию наносят на указанный компонент. Изоляционная конструкция включает по меньшей мере один слой вязкоупругой полиуретановой пены. Вязкоупругая пена представляет собой гибкую пену, характеризующуюся тем, что ее значение упругости составляет по большей мере 20% при измерении согласно ASTM 3574. Значение упругости может составлять по большей мере 15%, по большей мере 8% или по большей мере 5%.
Кроме того, вязкоупругая пена характеризуется тем, что указанная пена имеет время восстановления по меньшей мере 3 секунды при измерении согласно ASTM D3574 Испытание M. Время восстановления может составлять по меньшей мере 5 секунд или по меньшей мере 10 секунд.
3
3
3
3
3
3
3
Вязкоупругая пена может иметь объемную плотность, например, от 50 до 500 кг/м. В некоторых вариантах реализации она имеет объемную плотность от 250 до 500 кг/м, от 300 до 500 кг/м или от 300 до 450 кг/м. В других вариантах реализации объемная плотность вязкоупругой пены составляет от 50 до 300 кг/м, от 50 до 250 кг/м или от 100 до 150 кг/м. Объемные плотности в контексте настоящего изобретения вычисляют без учета массы пены, обусловленной любым дисперсным наполнителем, который может присутствовать. Так, измеренную объемную плотность исправляют, вычитая массу любых таких наполнителей из массы пены. Объемная плотность представляет собой исправленную массу, деленную на объем образца.
Вязкоупругую пену получают при взаимодействии ароматического полиизоцианата со смесью активных по отношению к изоцианату материалов, содержащей значительное количество, относительно объединенной массы всех активных по отношению к изоцианату материалов в смеси, по меньшей мере одного полиола с молекулярной массой по меньшей мере 750, гидроксильной эквивалентной массой от 225 до 450, и воду в количестве по меньшей мере 0,2 части на 100 массовых частей смеси активных по отношению к изоцианату материалов.
Смесь активных по отношению к изоцианату материалов содержит два или более жидких (при 23°С и давлении 1 атмосфера) активных по отношению к изоцианату соединений, которые взаимодействуют по меньшей мере по двухфункциональной схеме с изоцианатными группами. Одним из активных по отношению к изоцианату соединений является вода. Вода реагирует с двумя изоцианатными группами с образованием мочевинной связи и выделением диоксида углерода, который действует как раздувающий газ. Вода составляет по меньшей мере 0,2 массовые части на 100 массовых частей смеси активных по отношению к изоцианату материалов, и может составлять, например, от 0,2 до 3, от 0,25 до 2 или от 0,25 до 1,5 массовых частей на 100 массовых частей смеси.
Смесь активных по отношению к изоцианату материалов включает, помимо воды, по меньшей мере один полиол с молекулярной массой по меньшей мере 750, гидроксильной эквивалентной массой от 225 до 450 и 2 – 4 гидроксильными группами в молекуле. Среднечисленная молекулярная масса в некоторых вариантах реализации составляет от 800 до 1300 или от 800 до 1200, и гидроксильная эквивалентная масса в таких вариантах реализации составляет от 250 до 400 или от 275 до 400. Молекулярные массы удобно определять при помощи гельпроникающей хроматографии. Эквивалентную массу легко измерить при помощи способов титрования. Указанный полиол может представлять собой простой полиэфирполиол, такой как гомополимер 1,2-пропиленоксида или сополимер 1,2-пропиленоксида и этиленоксида. Гидроксильные группы могут являться первичными или вторичными, или обоих указанных типов. В некоторых вариантах реализации по меньшей мере 70% или по меньшей мере 90% гидроксильных групп являются вторичными. Указанный полиол в некоторых вариантах реализации содержит от 3 до 4 гидроксильных групп в молекуле. Если присутствует смесь таких полиолов, указанная смесь может содержать в среднем от 2,8 до 3,5 или от 2,8 до 3,3 гидроксильных групп в молекуле. В случае простого полиэфирполиола указанная функциональность представляет собой «номинальную» функциональность, которая представляет собой среднее число доступных для оксиалкилирования групп инициирующих соединений, применяемых при получении простого полиэфира. Номинальная функциональность простого полиэфирполиола часто несколько выше, чем фактическая гидроксильная функциональность полиола, что обусловлено побочными реакциями, протекающими во время полимеризации алкиленоксидов с образованием простого полиэфира.
Полиол с молекулярной массой по меньшей мере 750, гидроксильной эквивалентной массой от 225 до 450 и 2 – 4 гидроксильными группами в молекуле, или смесь таких полиолов, составляет по меньшей мере 20%, предпочтительно, по меньшей мере 50%, более предпочтительно, по меньшей мере 60%, еще более предпочтительно, по меньшей мере 70% относительно общей массы активных по отношению к изоцианату соединений в смеси. Он может составлять до 99,8% относительно указанной массы, до 95% относительно указанной массы, до 90% относительно указанной массы или до 85% относительно указанной массы. Для проведения указанных вычислений наполнители, катализаторы, физические вспенивающие агенты и поверхностно-активные вещества не считают активными по отношению к изоцианату соединениями.
Смесь активных по отношению к изоцианату материалов может содержать одно или более соединений, помимо воды и полиола (полиолов) с молекулярной массой по меньшей мере 750, гидроксильной эквивалентной массой от 225 до 450 и 2 – 4 гидроксильными группами в молекуле. Такие дополнительные активные по отношению к изоцианату соединения содержат одну или более, предпочтительно, две или более, активных по отношению к изоцианату групп в молекуле. Примерами активных по отношению к изоцианату групп являются первичная или вторичная гидроксильные группы, первичная или вторичная аминогруппы, тиольные группы и подобные группы. Соединения, содержащие одну или более первичные или вторичные аминогруппы, являются менее предпочтительными, и если вообще присутствуют, предпочтительно, составляют по большей мере 20 массовых процентов, более предпочтительно, по большей мере 5 массовых процентов, в смеси активных по отношению к изоцианату материалов. Указанные дополнительные активные по отношению к изоцианату материалы отличаются от полиола с молекулярной массой по меньшей мере 750, гидроксильной эквивалентной массой от 225 до 450 и 2 – 4 гидроксильными группами в молекуле, по меньшей мере по одному из указанных параметров, то есть, молекулярная масса менее 750, гидроксильная эквивалентная масса менее 225 или более 450, и/или функциональность менее 2 или более 4.
Указанные дополнительные активные по отношению к изоцианату материалы могут составлять от нуля до 49,8 массовых процентов в смеси активных по отношению к изоцианату материалов. В некоторых вариантах реализации указанные материалы могут составлять от 4,8 до 39,8 массовых процентов в указанной смеси, от 4,8 до 29,8 массовых процентов в указанной смеси или от 9,8 до 29,8 массовых процентов в указанной смеси.
В число дополнительных активных по отношению к изоцианату материалов входят моноолы или полиолы с гидроксильной эквивалентной массой 451 или более, такой как от 500 до 4000, от 500 до 2000 или от 800 до 1750. В число дополнительных активных по отношению к изоцианату материалов указанного типа входят простые полиэфирмоноолы и простые полиэфирполиолы. Такие простые полиэфирмоноолы и простые полиэфирполиолы могут представлять собой гомополимеры 1,2-пропиленоксида или сополимеры 1,2-пропиленоксида и этиленоксида. Такой сополимер может представлять собой, например, сополимеры, содержащие от 50 до 80 масс.% этиленоксида и, соответственно, от 50 до 20 масс.% пропиленоксида, или сополимеры, содержащие более 80 масс.% пропиленоксида и менее 20 масс.% этиленоксида.
Другие подходящие активные по отношению к изоцианату материалы включают соединения с низкой эквивалентной массой, содержащие по меньшей мере две гидроксильные группы, по меньшей мере одну гидроксильную группу и по меньшей мере одну первичную или вторичную аминогруппу, по меньшей мере одну первичную аминогруппу, по меньшей мере одну первичную аминогруппу и по меньшей мере одну вторичную аминогруппу, или по меньшей мере две вторичные аминогруппы, которые имеют эквивалентную массу в расчете на активную по отношению к изоцианату группу до 100 в случае диола и до 150 в остальных случаях, предпочтительно, от 30 до 100 и более предпочтительно, от 30 до 75. Примеры таких соединений включают диэтаноламин, триэтаноламин, диэтиленгликоль, этиленгликоль, глицерин, триметилолпропан, триметилолэтан, пентаэритрит, эритрит и 1,4-бутандиол, а также алкоксилаты указанных соединений.
Ароматический полиизоцианат представляет собой одно или более соединений, содержащих в среднем по меньшей мере две связанные с ароматическим радикалом изоцианатные группы в молекуле. Ароматический полиизоцианат может содержать, например, от 2 до 6, предпочтительно от 2 до 4, изоцианатных групп в молекуле. Если применяют смесь ароматических изоцианатных соединений, указанная смесь может содержать, например, в среднем от 2 до 4 или от 2,3 до 3,2 изоцианатных групп в молекуле. Изоцианатная эквивалентная масса может составлять, например, от 80 до 250, от 85 до 200 или от 120 до 180. Примеры подходящих ароматических полиизоцианатов включают мета-фенилендиизоцианат, толуол-2,4-диизоцианат, толуол-2,6-диизоцианат, нафтилен-1,5-диизоцианат, 1,3- и/или 1,4-бис-(изоцианатометил)-циклогексан (включая цис- и/или трансизомеры), метоксифенил-2,4-диизоцианат, дифенилметан-4,4'-диизоцианат, дифенилметан-2,4’-диизоцианат, 4,4'-бифенилендиизоцианат, 3,3'-диметокси-4,4'-бифенилдиизоцианат, 3,3'-диметил-4,4'-бифенилдиизоцианат, 3,3'-диметилдифенилметан-4,4'-диизоцианат, 4,4',4"-трифенилметантриизоцианат, полиметиленполифенилизоцианат (ПМДИ), толуол-2,4,6-триизоцианат и 4,4'-диметилдифенилметан-2,2',5,5'-тетраизоцианат. Также подходящими являются модифицированные ароматические полиизоцианаты, содержащие уретановую, мочевинную, биуретную, карбодиимидную, уретониминную, аллофанатную, изоциануратную или другие группы, полученные при взаимодействии изоцианатной группы с такой же группой или с активным по отношению к изоцианату соединением, таким как спирт, амин или вода.
Предпочтительно, полиизоцианат представляет собой дифенилметан-4,4'-диизоцианат, дифенилметан-2,4'-диизоцианат, ПМДИ, толуол-2,4-диизоцианат, толуол-2,6-диизоцианат или смесь указанных соединений. Дифенилметан-4,4’-диизоцианат, дифенилметан-2,4’-диизоцианат и смесь указанных соединений в целом называют МДИ, и можно применять все указанные соединения. Можно применять «полимерный МДИ», представляющий собой смесь ПМДИ и МДИ. Также можно применять толуол-2,4-диизоцианат, толуол-2,6-диизоцианат и смеси указанных соединений, в целом называемые ТДИ. Другим предпочтительным полиизоцианатом является МДИ, ПМДИ и/или полимерный МДИ, модифицированные простым полиэфирполиолом с образованием квази-форполимера, содержащего уретановые группы, причем указанный форполимер имеет изоцианатную эквивалентную массу от 120 до 180 и среднюю изоцианатную функциональность от 2,3 до 3,2.
Для обеспечения изоцианатного числа от 60 до 100 применяют достаточное количество ароматического полиизоцианата. Изоцианатным числом называется умноженное на 100 отношение изоцианатных групп к активным изоцианатным группам, присутствующим в исходном материале (т.е. перед расходом каких-либо из указанных групп в реакции отверждения с образованием пены). Предпочтительное изоцианатное число составляет от 60 до 85, и более предпочтительное изоцианатное число составляет от 70 до 85.
Вязкоупругую пену получают путем создания реакционной смеси, содержащей смесь активных по отношению к изоцианату материалов и полиизоцианата(ов), и отверждения указанной смеси. Воду и различные прочие активные по отношению к изоцианату материалу можно смешивать все вместе перед соединением их с полиизоцианатом. Как вариант, указанные материалы можно соединять с полиизоцианатом по отдельности (то есть в виде отдельных потоков), или можно получать одну или более предварительных смесей, которые затем соединяют с полиизоцианатом. По причине скорости реакции отверждения предпочтительно соединять воду и другие активные по отношению к изоцианату соединения с полиизоцианатом одновременно или почти одновременно (как например в течение 5 секунд). Реакция обычно протекает самопроизвольно при комнатной температуре (22°С). Можно применять повышенные температуры для ускорения отверждения или доведения отверждения до завершения. Это можно осуществлять путем нагревания некоторых или всех ингредиентов перед их соединением, путем подачи тепла к реакционной смеси во время ее отверждения или путем комбинации некоторых из указанных вариантов. Отверждение продолжается до тех пор, пока реакционная смесь не расширится и не отвердеет достаточно для образования стабильной пены.
В некоторых вариантах реализации реакционную смесь наносят непосредственно на изолируемый компонент(ы) и отверждают на указанном компоненте с образованием вязкоупругой пены. В некоторых вариантах реализации реакционную смесь наносят на компонент(ы) путем распыления.
Альтернативно, реакционную смесь вспенивают отдельно (то есть отдельно от компонента(ов), на котором ее применяют) с образованием вязкоупругой пены, которую затем обрабатывают (при необходимости) для получения желаемой геометрии и закрепляют на изолируемом компоненте(ах). Для получения вязкоупругой пены подходят распыление, отливка, самопроизвольное вспенивание (пеноблок) и другие способы пенообразования. После получения пену можно закреплять на компоненте устройства различными способами, такими как при помощи клея, при помощи расплавления или механическими средствами. В некоторых вариантах реализации пену изготавливают так, чтобы она держалась на компоненте без использования дополнительных средств закрепления.
Для содействия быстрому отверждению реакционная смесь предпочтительно содержит один или более катализаторов. Подходящие катализаторы включают, например, третичные амины, циклические амидины, третичные фосфины, различные хелаты металлов, соли кислот и металлов, сильные основания, различные алкоголяты и феноляты металлов, и соли металлов и органических кислот. Примерами металлосодержащих катализаторов являются соли висмута, кобальта и цинка. Наиболее важными катализаторами являются третичные амины, циклические амидины и соединения олова. Примеры третичных аминных катализаторов включают: триметиламин, триэтиламин, N-метилморфолин, N-этилморфолин, N,N-диметилбензиламин, N,N-диметилэтаноламин, N,N,N',N'-тетраметил-1,4-бутандиамин, N,N-диметилпиперазин, 1,4-диазобицикло-2,2,2-октан, бис-(диметиламиноэтиловый) простой эфир, триэтилендиамин и диметилалкиламины, в которых алкильная группа содержит от 4 до 18 атомов углерода. Также часто применяют смеси указанных третичных аминных катализаторов.
Можно также применять активный аминный катализатор, такой как ДМЭА (диметилэтаноламин) или ДМАПА (диметиламинопропиламин), или инициированный амином полиол, действующий как автокаталитический полиол, для снижения содержания ЛОС (летучих органических соединений).
n
4-n
Примеры катализаторов на основе олова включают хлорид четырехвалентного олова, хлорид двухвалентного олова, октоат четырехвалентного олова, олеат двухвалентного олова, дилаурат диметилолова, дилаурат дибутилолова, рицинолеат олова и другие соединения олова формулы SnR(OR), где R представляет собой алкил или арил, n равно от 0 до 18, меркаптиды олова, тиогликоляты олова и подобные соединения. Карбоксилаты олова, в которых карбоксилатная группа содержит от 6 до 18 атомов углерода, иногда ассоциируются с меньшим содержанием ЛОС в ВУ пене. Катализаторы на основе олова, при применении, обычно применяют совместно с одним или более третичными аминными катализаторами.
Катализаторы обычно применяют в малых количествах, например, каждый применяемый катализатор составляет от примерно 0,0015 до примерно 5% относительно массы полиола(ов). Катализаторы на основе олова обычно применяют в очень малых количествах в пределах указанного диапазона, таких как от 0,0015 до 0,25 масс.%.
Весьма предпочтительно включать в реакционную смесь стабилизирующее пену поверхностно-активное вещество. Стабилизирующее пену поверхностно-активное вещество способствует стабилизации газовых пузырьков, образованных в ходе пенообразования, до отверждения полимера. Широкий ряд кремнийорганических поверхностно-активных веществ, обычно применяемых при получении полиуретановых пен, можно применять при получении пен с использованием полимерных полиолов или дисперсий согласно настоящему изобретению. Примерами кремнийорганических поверхностно-активных веществ являются поверхностно-активные вещества, коммерчески доступные под торговыми марками Tegostab™ (Th. Goldschmidt and Co.), Niax™ (GE OSi Silicones) и Dabco™ (Air Products and Chemicals).
Может быть желательно включать в реакционную смесь вспомогательный вспенивающий агент. Такие вспомогательные вспенивающие агенты включают физические (эндотермические) вспенивающие агенты, такие как различные низкокипящие хлорфторуглероды, фторуглероды, углеводороды и подобные соединения; а также химические (экзотермические) вспенивающие агенты (помимо воды), которые разлагаются или вступают в реакцию в условиях протекания реакции образования полиуретана. Кроме того, в способе пенообразования в качестве вспомогательного вспенивающего агента можно применять газ, такой как диоксид углерода, воздух, азот или аргон. Диоксид углерода можно также применять в виде жидкости или в виде сверхкритической текучей среды. Любые или все из указанных вспомогательных вспенивающих агентов можно исключить.
Кроме вышеуказанных компонентов, реакционная смесь может содержать различные прочие факультативные ингредиенты, такие как агенты для открытия пор; наполнители, такие как меламин, карбонат кальция, сульфат бария, частицы каучуков типа ядро-оболочка, полимерные частицы (включая частицы измельченных эластомеров, такие как вторично переработанные каучуки, а также привитые частицы полимеров, такие как частицы, присутствующие в так называемых полимерных полиольных продуктах); пигменты и/или красители, такие как диоксид титана, оксид железа, оксид хрома, азо/диазокрасители, фталоцианины, диоксазины и углеродная сажа; армирующие агенты, такие как стекловолокно, углеродное волокно, чешуйчатое стекло, слюда, тальк и подобные материалы; биоциды; консерванты; антиокислители; антипирены; пластификаторы; парафиновое масло, растительные или животные масла или жиры, эпоксидированные растительные масла и/или животные жиры, частицы воска, гелевые частицы и подобные материалы.
Слой вязкоупругой пены в изоляционной конструкции может иметь толщину, например, от 1 до 100 мм, от 5 до 100 мм, от 10 до 100 мм, от 10 до 50 мм или от 17 до 50 мм. Большая толщина в общем случае соответствует большей звуко- и теплоизоляции, но при увеличении толщины также возрастает масса, поэтому толщина слоя вязкоупругой пены во многих случаях представляет собой компромисс между значениями изоляции, с одной стороны, и объемом и массой изоляции, с другой стороны.
В некоторых вариантах реализации толщину слоя вязкоупругой пены выбирают одновременно с выбором объемной плотности указанного слоя, так что слой вязкоупругой пены имеет поверхностную плотность (включая массу любого наполнителя, который может присутствовать от 1000 до 12000 грамм на квадратный метр площади поверхности субстрата, который покрывают слоем вязкоупругой пены. В некоторых вариантах реализации поверхностная плотность может составлять от 2500 до 10000, от 3000 до 9000, от 3000 до 7500 или от 3000 до 6000 грамм на квадратный метр площади поверхности субстрата, который покрывают слоем вязкоупругой пены. В рамках указанных диапазонов получают особенно хорошую теплоизоляцию в сочетании с хорошим поглощением звука и вибрации. Поверхностная плотность равняется массе слоя пены, деленной на общую площадь поверхности субстрата, на который нанесен указанный слой пены; указанная величина также равняется объемной плотности пены, умноженной на толщину слоя. Так, требуются несколько более толстые слои вязкоупругой пены для получения вышеуказанных поверхностных плотностей, если объемная плотность пены более низкая, и требуются несколько более тонкие слои, если объемная плотность пены более высокая.
В описанных диапазонах объемной плотности, меньшая объемная плотность слоев вязкоупругой пены в общем обеспечивает лучшую теплоизоляцию, при данной поверхностной плотности, чем пены с большей объемной плотностью. Полагают, что объемная плотность пены слабо влияет на гашение звука и вибрации при данной поверхностной плотности. При данной поверхностной плотности предпочтительными являются несколько более толстые слои вязкоупругих пен с меньшей объемной плотностью, по сравнению с менее толстыми слоями пен с большей объемной плотностью, по причине лучших теплоизоляционных свойств.
3
2
2
2
3
2
2
В некоторых конкретных вариантах реализации объемная плотность пены (без учета любых присутствующих наполнителей) составляет от 50 до 300 кг/м, толщина слоя пены составляет от 3,3 до 100 мм и поверхностная плотность (включая массу любых наполнителей) составляет от 1000 до 10000 г/м, от 3000 до 7500 г/м или от 3500 до 6000 г/м. В других конкретных вариантах реализации объемная плотность пены составляет от 100 до 150 кг/м, толщина слоя пены составляет от 17 до 50 м и поверхностная плотность пены составляет от 3000 до 7500 г/м, предпочтительно, от 3000 до 6000 г/м.
В некоторых вариантах реализации вязкоупругая пена является единственным компонентом изоляционной конструкции; то есть, слой вязкоупругой пены (помимо средств для закрепления на месте слоя пены) составляет всю изоляционную конструкцию на конкретном компоненте устройства.
3
3
В других вариантах реализации изоляционная конструкция включает другие материалы, обычно в виде одного или более слоев материала для дополнительной изоляции (звуковой, тепловой или обеих), которые могу быть расположены над слоем или под слоем (или в обоих вариантах) вязкоупругой пены. Такие дополнительные слои могут включать, например, один или более слоев полимерной пены с высокой объемной плотностью (>500 кг/м); один или более слоев мастики; один или более слоев волокнистого листового материала; один или более слоев полимерной пены с низкой объемной плотностью (<50 кг/м); различные типы экранов и подобные варианты. Толщина любого из указанных слоев может составлять, например, от 1 до 100 мм, от 1 до 50 мм, от 1 до 25 мм или от 1 до 20 мм.
Слой вязкоупругой пены может иметь величину лямбда менее 0,1 Вт/м-°К, при измерении согласно EN 12667. Величина лямбда слоя вязкоупругой пены может составлять менее 0,075 Вт/м-°К или менее 0,06 Вт/м-°К.
В некоторых вариантах реализации изолированный компонент может иметь коэффициент шумоподавления по меньшей мере на 8 децибел, по меньшей мере на 10 децибел или по меньшей мере на 12 децибел больше, чем коэффициент шумоподавления для неизолированного (голого) компонента. Для целей настоящего изобретения потери при передаче звука измеряют согласно EN ISO 15186:2010, и коэффициент шумоподавления вычисляют по следующему уравнению:
p,s
l.r
КШ = L – L – 6дБ.
Ниже приведены примеры для иллюстрации настоящего изобретения, не ограничивающие объем настоящего изобретения. Все части и проценты указаны по массе, если не указано иное. В следующих примерах:
МЭГ представляет собой моноэтиленгликоль.
Агент открытия пор представляет собой высокомолекулярный сополимер пропиленоксида и большого количества этиленоксида.
ДЭА представляет собой диэтаноламин.
Катализатор A представляет собой коммерчески доступный раствор бис-(2-диметиламиноэтилового) простого эфира.
Катализатор B представляет собой коммерчески доступный раствор триэтилендиамина.
Катализатор C представляет собой коммерчески доступный катализатор на основе олова.
Поверхностно-активное вещество A представляет собой кремнийорганическое поверхностно-активное вещество, коммерчески доступное как Ortegol 501 от Evonik.
Поверхностно-активное вещество B представляет собой кремнийорганическое поверхностно-активное вещество, коммерчески доступное как Tegostab B8715 LF2 от Evonik.
Полиол A представляет собой номинально трехфункциональный полипропиленоксид с молекулярной массой примерно 1000 и гидроксильной эквивалентной массой примерно 335.
Полиол B представляет собой номинально трехфункциональный полипропиленоксид с концевыми группами этиленоксида, с молекулярной массой 5000.
Полиол C представляет собой номинально трехфункциональный полипропиленоксид с молекулярной массой 450.
Изоцианат представляет собой форполимер, полученный из высокомолекулярного трехфункционального простого полиэфирполиола и смеси МДИ и ПМДИ. Изоцианат имеет среднюю функциональность по изоцианату от 2 до 3 и изоцианатную эквивалентную массу приблизительно 140 г/моль.
Для получения следующих примеров получали вязкоупругие пены из следующих рецептур:
Компонент
Частей по массе
Рецептура 1
Рецептура 2
Рецептура 3
МЭГ
0,585
0,6
0,573
Глицерин
0,195
0,2
0,191
ДЭА
0,78
0,8
0,763
Агент открытия пор
3,9
0
3,817
Катализатор A
0,146
0,150
0,219
Катализатор B
1,949
4,200
3,053
Катализатор C
0,195
0,33
0,315
Вода
0,224
0,500
0
Полиол A
75,458
77,420
70,076
Полиол B
9,747
10
9,542
Полиол C
4,873
5
4,771
Поверхностно-активное вещество A
1,95
0
1,91
Поверхностно-активное вещество B
0
0,8
0
Цеолит
0
0
4,77
Изоцианат
До числа 75
До числа 75
До числа 75
% воды от активных по отношению к изоцианату материалов
0,23%
0,52%
0
Объемная плотность
500 кг/м<sup>3</sup>
300 кг/м<sup>3</sup>
>800 кг/м<sup>3</sup>
Вязкоупругие пены, полученные из рецептур 1 и 2, имели величину упругости менее 15% при измерении согласно ATM 3574 и время восстановления более 3 секунд при измерении согласно ASTM D3574-08 Испытание M.
Образцы для испытаний получали следующим образом: все компоненты, кроме изоцианата смешивали, получая отвердитель. Отвердитель и изоцианат вместе пропускали через распылительный автомат для получения реакционной смеси, которую распыляли на стальные пластины (500 X 500 X 0,5 мм, массой 650 г) и отверждали на стальных пластинах. В каждом случае измеряли массу пластин с покрытием и толщину слоя пены.
Теплопроводность пластин с покрытием определяли согласно EN 12667.
Потери при передаче звука измеряли согласно EN ISO 15186:2010. Коэффициент шумоподавления (КШ) вычисляли по следующему уравнению:
p,s
l.r
КШ = L – L – 6дБ
p,s
l,r
где L представляет собой звуковое давление в децибелах (дБ) в камере, содержащей источник звук, и L представляет собой измеренное звуковое давление в дБ в камере, содержащей испытываемый образец. Потери при передаче звука измеряли в диапазоне частот от 50 до 10000 Гц.
Коэффициент демпфирования измеряли, подвешивая пластину с покрытием на двух эластичных шнурах с возможностью свободной вибрации. По подвешенной пластине ударяли молотком. Применяли ударный молоток PCB 086D05, контролируемый акселерометром PCB 353 B18. Измеряли ускорение в точке вблизи нижнего угла, и выбирали пять точек возбуждения в различных областях пластины. Для каждой точки возбуждения проводили три измерения при помощи 8-канального прибора Samurai Sound Book и соответствующего программного обеспечения. Рассчитывали время реверберации конструкции для 1/3 октавы на полосе частот от 100 до 800 Гц. Полученные результаты усредняли для получения времени реверберации ВР, вычисленного для снижения в 20 дБ, но отнесенного к стандартному снижению в 60 дБ. Испытания проводили при комнатной температуре.
Примеры 1 – 5 получали, покрывая стальные пластины рецептурой 1 или рецептурой 2, масса покрытия указана в таблице 1. Сравнительный пример A представлял собой сталь без покрытия, и Сравнительный пример B представлял собой стальную панель, покрытую слоем битума. Сравнительный пример C получали, покрывая стальную пластину рецептурой 3. Результаты испытаний различных примеров приведены в таблице 1.
Таблица 1
Обозначение
Описание
Масса, г
Масса покрытия, г
Поверхностная плотность, г/м<sup>2</sup>
Приблизительная толщина покрытия, мм
Лямбда, Вт/м-°К
Коэффициент демпфирования
Коэффициент шумоподавления, дБ
A*
Сталь без покрытия
650
0
н/о
0
н/о
0,003
24,4
B
Сталь, битумное покрытие
1584
934
3736
4
0,18
0,18
33,6
1
Сталь + Рец. 1
2080
1430
5720
11
0,07
0,14
36,4
2
Сталь + Рец. 1
2800
2150
8600
17
0,07
0,18
36,9
3
Сталь + Рец. 2
1460
810
3240
11
0,05
0,16
32,6
4
Сталь + Рец. 2
1515
865
3460
11,5
0,05
0,17
32,2
5
Сталь + Рец. 2
1780
1130
4520
15
0,05
0,18
32,5
C
Сталь + Рец. 3
3580
2930
11720
11
0,16
0,16
39,2
*не является примером согласно настоящему изобретению.
Сравнительный пример A представляет нулевую линию, относительно которой можно оценивать способность покрытий к звуко- и теплоизоляции. В Сравнительном примере B, традиционное битумное покрытие весьма значительно увеличивало коэффициент демпфирования и коэффициент шумоподавления, но являлось плохой теплоизоляцией. Покрытие из плотного полиуретанового эластомера в Сравнительном примере C работало аналогично Сравнительному примеру B, с хорошими акустическими, но плохими термическими свойствами.
Примеры 1 – 5 показывают выгодное влияние слоя вязкоупругой пены. Коэффициент демпфирования и коэффициент шумоподавления сравнимы с указанными величинами для Сравнительных примеров A и B. в отличие от Сравнительных примеров A и B, примеры 1-5 демонстрируют очень низкие величины лямбда, что указывает на то, что вязкоупругие пены обеспечивают превосходную теплоизоляцию, одновременно с превосходными акустическими свойствами.
В примерах 6-10 в рецептуру 1 включали дисперсные добавки, которые, таким образом, были включены в пену. Сравнительные примеры D, E и F получены с использованием рецептуры 3, в каждом случае модифицированной дисперсной добавкой. В каждом случае применяли следующие добавки:
Обозначение
Рецептура пены
Добавка
6
1
Частицы каучука типа ядро-оболочка (13,1% от массы пены)
7
1
Сульфат бария (27,3% от массы пены)
8
1
Сульфат бария (27,3% от массы пены)
9
1
Переработанные шины (18,4% от массы пены)
10
1
Переработанные шины (18,4% от массы пены)
D
3
Частицы каучука типа ядро-оболочка (13,2% от массы пены)
E
3
Сульфат бария (27,6% от массы пены)
F
3
Переработанные шины (18,6% от массы пены)
В каждом из примеров 6-8 и Сравнительных примеров D и E, слои пеноматериала наносили на стальные пластины путем распыления рецептуры с наполнителем на пластины и отверждения рецептур на пластинах. Для примеров 9 и 10 и Сравнительного примера E, рецептуру пены замешивали вручную, а затем распыляли на пластины и отверждали. Это привело к несколько более высоким объемным плотностям указанных образцов. Результаты испытаний образцов приведены в таблице 2.
Таблица 2
Обозн.
Покрытие
Масса покрытия, г
Приблизительная толщина покрытия, мм
Об. плотность<sup>1</sup>,кг/м<sup>3</sup>
Поверхностная плотность<sup>2</sup>, г/м<sup>2</sup>
Лямбда, Вт/м-°К
Коэффициент демпфирования
Коэффициент шумоподавления, дБ
6
Рец. 1, каучук типа ядро-оболочка
1410
15
326
5640
0,07
0,19
36,1
7
Рец. 1, сульфат бария
1435
11
379
5720
0,07
0,16
34,6
8
Рец. 1, сульфат бария
2155
15
418
8620
0,07
0,20
37,8
9
Рец. 1, переработанные шины
2400
10
783
9600
0,07
0,15
37,5
10
Рец. 1, переработанные шины
3150
20
514
12600
0,07
0,23
39,8
D*
Рец. 3, каучук типа ядро-оболочка
2570
11
831
10280
0,16
0,17
38,6
E*
Рец. 3, сульфат бария
4160
10
1204
16640
0,16
0,26
39,8
F*
Рец. 3, переработанные шины
2850
11
843
11400
0,16
0,17
37,7
1
2
Объемные плотности исключали массу наполнителей. Поверхностные плотности включали массу наполнителей.
Все примеры 6 – 10 обеспечивали превосходную тепло- и звукоизоляцию. В этих случаях добавки почти не оказывали влияния на теплоизоляционные свойства, но улучшали акустические свойства по сравнению с примерами 1-5. Акустические свойства примеров 6-10 сравнимы с указанными свойствами Сравнительных примеров D, E и F. Сравнительные примеры D, E и F имели плохие теплоизоляционные свойства.
В примерах 11-17 изоляционная система включала первый слой вязкоупругой пены (рецептура 1 или 2) и второй слой почти сплошной полиуретановой пены (рецептура 3). При получении указанных примеров слой вязкоупругой пены наносили и отверждали в первую очередь, а затем поверх полученного слоя вязкоупругой пены распыляли рецептуру 3 и отверждали, получая готовый образец. Результаты испытания указанных образцов приведены в таблице 3.
Таблица 3
Обозначение
Вязкоупругая пена
Приблизительная толщина покрытия, мм
Сплошной слой
Приблизительная толщина покрытия, мм
Масса нанесенного покрытия, г
Лямбда, Вт/м-°К
Коэффициент демпфирования
Коэффициент шумоподавления, дБ
11
Рец. 1
10
Рец. 3
5
3270
0,07
0,21
39,5
12
Рец. 1
10
Рец. 3
5
3340
0,07
0,13
40,4
13
Рец. 2
10
Рец. 3
5
2460
0,07
0,16
38,5
14
Рец. 2
15
Рец. 3
5
2695
0,07
0,17
39,9
15
Рец. 2
10
Рец. 3
10
4170
0,07
0,20
40,8
16
Рец. 1
10
Рец. 3, BaSO<sub>4</sub>
5
3520
0,07
0,13
40,6
17
Рец .1
10
Рец. 3, BaSO<sub>4</sub>
5
3880
0,07
0,22
40,9
Примеры 11 – 17 показывают, что можно получить еще лучшие акустические свойства без потерь теплоизоляционных свойств, путем применения двухслойной изоляционной системы, включающей слой вязкоупругой пены и поверх него слой почти сплошной полиуретановой пены.
Пример 18
Получали рецептуры вязкоупругой пены 4, 5 и 6, незначительно изменяя состав рецептуры пены 2 для снижения объемной плотности и в случае рецептуры 6, снижения модуля при растяжении. Пены 4, 5 и 6 имели следующие свойства:
Свойство
Пена 4
Пена 5
Пена 6
Объемная плотность, г/л (ASTM D3574)
213
107
116
Лямбда, 20/40C (мВт/K*м)
53
41
40
Упругость, % (ASTM D3574)
17
12
8
50% остаточная деформация сжатия (%) ASTM D3574
4,2
1,8
11,9
Прочность при раздирании, Н/м, ASTM D3574
0,18
0,13
0,10
Удлинение при разрыве, % ASTM D3575
127
102
129
Указанные пены имели время восстановления значительно больше 3 секунд при измерении согласно ASTM D3574-08 Испытание M.
2
2
2
Каждую рецептуру пен 4, 5 и 6 отдельно наносили на барабан и дверцу коммерческой бытовой посудомоечной машины, путем нанесения рецептуры пены прямо на внешнюю поверхность барабана и дверцы, соответственно, обеспечения возможности отверждения нанесенной рецептуры при комнатной температуре и образования слоя пены, сцепленного с подлежащим металлом. В случае рецептуры пены 4 масса нанесенной пены составляла 11 кг. В случае каждой из рецептур пен 5 и 6 количество нанесенной пены составляло 5,9 – 6,7 кг. Площадь поверхности, покрытий пеной, составляла примерно 1,7 м. Поверхностная плотность рецептуры пены 4 составляла 6470 г/м, и 3470-3941 г/м для каждой из рецептур 5 и 6. Средняя толщина слоя пены составляла примерно 30,4 мм для рецептуры 4, 32,4-36,8 мм для рецептуры 5 и 29,9-34,0 мм для рецептуры 6. При работе посудомоечные машины производили значительно меньше шума, чем необработанные, и расходовали меньше энергии благодаря уменьшенному количеству потерь тепла через барабан и дверцу.