ЗВУКОПОГЛОЩАЮЩИЙ НЕТКАНЫЙ МАТЕРИАЛ

Полезная модель относится к нетканому звукопоглощающему трехслойному материалу на основе полиэфирных волокон, который может быть использован для звукоизоляции строительных конструкций и сооружений, для снижения уровня шума внутри салонов транспортных средств, а также для изготовления шумозащитных конструкций, снижающих шум различных стационарных машин и механизмов, для придания акустического комфорта в различного рода помещениях и т.п.
Проблемы со здоровьем, возникающие под воздействием высоких уровней шума, начинаются с изменений в органах слуха. Но кроме того установлено и неблагоприятное воздействие шума на состояние центральной нервной и сердечно-сосудистой систем, а также иммунитет человека.
Одним из эффективных путей снижения шума в замкнутом объеме, в частности, в салоне автомобиля является применение звукопоглощающих материалов. В автомобиле кроме прямого воздействия на здоровье водителя и пассажиров шум отрицательно влияет на их комфорт и безопасность.
Эффективность звукопоглощения материала зависит, в частности, от следующих факторов: физико-механических свойств материала; толщины материала; частоты падающей звуковой волны.
Актуальный диапазон звукопоглощения для современного автомобиля находится в диапазоне третьоктавных полос со среднегеометрическими частотами 630-6300 Гц и при этом для ряда моделей наиболее высокие требования к звукопоглощению предъявляются в области полос со среднегеометрическими частотами 3150 и 4000 Гц.
В звукопоглощающих материалах, обладающих жестким скелетом (пенопласт, жесткий пенополиуретан и т.д.) соответствующее рассеивание механической энергии за счет деформации самого скелета отсутствует. В связи с этим механизм поглощения звуковой энергии в таких жестких пористых структурах является существенно более слабым, так как он обусловлен только рассеиванием энергии звуковых волн при их взаимодействии с поверхностями воздушных пор и каналов. По этой причине более акустически эффективными является, например, волокнистый тип звукопоглощающих материалов, имеющих податливый скелет, получивший широкое распространение в автомобилестроении.
Звукопоглощающий материал может быть высокоэффективным, если он обеспечивает, во-первых, минимальное отражение звуковой волны от своей поверхности и, во-вторых, значительное поглощение энергии звуковой волны при ее распространении в материале.
Механизм поглощения энергии звуковых волн, распространяемых в пористых волокнистых структурах звукопоглощающих материалов обусловлен сложными динамическими (фрикционными и деформационными) взаимодействиями, в основном во внутренней структуре пористого слоя.
При распространении звуковых колебаний по капиллярным воздушным каналам в волокнистом слое в первую очередь имеют место фрикционные потери звуковой энергии особенно в местах сужения и пересечения волокон, связанные с трением колеблющейся воздушной массы о внешнюю поверхность волокон, а также с процессами распространения (отражений и интерференционных взаимодействий) падающих и отраженных звуковых волн. В результате протекания указанных физических процессов, в заполненной воздухом и волокном пористой структуре материала происходит преобразование колебательной энергии звуковых волн в тепловую энергию.
Очевидно, что данный механизм поглощения звуковой энергии, а следовательно и акустическая эффективность материала при одинаковой его исходной толщине и поверхностной плотности Р будет в широком диапазоне частот прямо пропорциональна количеству волокон содержащихся в единице объема рассматриваемого звукопоглощающего материала, т.е. прямо пропорциональна тонине составляющих его волокон.
При этом суммарную длину волокна в материале, взаимодействующего со звуковыми волнами, можно определить по формуле 1:
сум
2
где L - суммарная длина волокна с определенной величиной текс в 1 мматериала, в м. погонных;
2
Р - вес 1 м, в г;
Пр - процентное содержание волокна с определенной величиной текс, в %;
Т - величина линейной плотности волокна, в текс.
Известен нетканый волокнистый материал, представляющий собой иглопробивное полотно и выполненный из смеси тугоплавких и различных легкоплавких волокон, основным из которых является бикомпонентное полиэфирное волокно типа "ядро-оболочка" (патент РФ №2284383 С1, опубл. 27.09.2006, МПК: D04H 1/46). В качестве легкоплавкого волокна в указанном материале использовано штапельное бикомпонентное полиэфирное волокно (30-70 мас. %) толщиной 0,4÷1,0 текс, а в качестве тугоплавкого волокна использовано штапельное полиэфирное волокно (остальное до 100 мас. %) толщиной 0,3÷1,7 текс.
Из уровня техники также известен ряд других экологичных (без применения вредных связующих) волокнистых звукопоглощающих материалов на основе синтетических полиэфирных (ПЭ) волокон, используемых в частности в салонах автомобилей, однако все они характеризуются большим содержанием в них волокон с линейной плотностью от 0,48 до 2 текс (с соответствующим диаметром от 22 до 45 мкм).
Общим недостатком данного типа материалов является низкая эффективность звукопоглощения в диапазоне частот 630-6300 Гц, в особенности, в диапазоне частот 2500-3150 Гц.
Наиболее близким аналогом (прототипом) заявленной полезной модели, по мнению ее авторов, является патент Великобритании № GB 2322862 В (опубл. 10.03.1999, МПК: В32В 5/02; B60R 13/08; D04H 1/42; D04H 1/44; D04H 1/54; D04H 1/541; G10K 11/16; G10K 11/162), в котором раскрывается волокнистый акустический материал для снижения передачи шума, который содержит: (а) первое полиэфирное волокно, имеющее линейную плотность от 1,5 до 20 денье; (b) второе модифицированное полиэфирное волокно, имеющее линейную плотность от 1,5 до 15 денье; и (с) третье модифицированное полиэфирное волокно, имеющее линейную плотность от 1,5 до 15 денье, при этом содержание указанных волокон составляет 10-90 мас. %, 5-85 мас. % и 5-85 мас. %, от общей массы, соответственно. По сравнению с вышеуказанными аналогами, данный материал содержит волокна меньшего диаметра (от 13,4 до 48 мкм), однако очевидно также не может обеспечить достаточную эффективность звукопоглощения, особенно в требуемом диапазоне частот 3150-4000 Гц. В указанном документе рассматривается достижение акустической эффективности лишь в частотном диапазоне 500-1000 Гц.
Задачей заявляемой полезной модели является устранение вышеуказанных недостатков аналогов.
Технический результат заключается в повышении эффективности звукопоглощения в диапазоне частот 3150-4000 Гц.
Указанный технический результат достигается благодаря тому, что заявленный звукопоглощающий нетканый материал представляет собой трехслойную структуру в виде полотна из смеси полиэфирных волокон, при этом указанная смесь содержит полиэфирное легкоплавкое волокно с линейной плотностью 0,19-0,25 текс, полиэфирное регулярное волокно 1 с линейной плотностью 0,28-0,42 текс и полиэфирное регулярное волокно 2 с линейной плотностью 0,07-0,20 текс, а также полиэфирное регулярное ультратонкое волокно с линейной плотностью 0,02-0,05 текс в количестве 20-30 мас. %, при этом лицевой наружный и противоположный ему наружный слои материала сформированы путем термокаландрирования материала основного слоя.
Полезная модель поясняется фигурами, где на Фигуре 1 показано схематичное изображение поперечного сечения заявленного звукопоглощающего нетканого материала.
На фиг. 2 приведен сравнительный график коэффициентов звукопоглощения у предлагаемого материала и материала согласно прототипу.
Все волокна в составе заявленного звукопоглощающего материала предпочтительно являются полиэфирными. Легкоплавкое полиэфирное волокно является бикомпонентным типа «ядро-оболочка» и выступает в качестве связующего.
Технология изготовления материала включает в себя следующие этапы.
Все волокнистое кипованное сырье подвергается предварительному разрыхлению и дозированию. Далее используемое волокнистое сырье происходит процессы грубого и тонкого разрыхления и перемешивания. Затем на чесальной машине происходит упорядочивание волокнистого сырья и образование прочеса с последующей формировкой холста и выравнивания структуры с помощью драфтера. После этого в термопечи происходит процесс термоскрепления полиэфирных волокон за счет легкоплавких бикомпонентных волокон, оболочка которых подплавляется, соединяя смесь волокон, так как остальные волокна в составе материала являются более тугоплавкими. Одновременно под воздействием температуры и давления транспортеров в печи полиэфирные волокна в зависимости от их температуры плавления и диаметра подвергаются пластической деформации в определенной степени, что позволяет получить заданную структуру основного звукопоглощающего полотна. Затем полотно обрабатывается валковым термокаландром, где происходит подплавление его поверхностей с обеих сторон до заданной степени.
В качестве неограничивающего примера полимер оболочки бикомпонентного волокна может быть выбран из низших полиолефинов или сополимеров низших олефинов, имеющих температуру плавления 110-180°С, а полимер ядра может представлять собой полиэтилентерефталат с температурой плавления 230-270°С.
В предпочтительном варианте осуществления линейная плотность полиэфирного легкоплавкого волокна в смеси полиэфирных волокон может составлять 0,22 текс, линейная плотность полиэфирного регулярного волокна 1 может составлять 0,33 текс, линейная плотность полиэфирного регулярного волокна 2 может составлять 0,11 текс, а с линейная плотность полиэфирного регулярного ультратонкого волокна - 0,03 текс.
Содержание полиэфирных волокон в смеси, из которой получают заявленный звукопоглощающий материал, может составлять для полиэфирного легкоплавкого волокна 20-40 мас. %; для полиэфирного регулярного ультратонкого волокна - 20-30 мас. %; для полиэфирного регулярного волокна 1 - 10-20 мас. %; и для полиэфирного регулярного волокна 2 - оставшаяся часть до 100 мас. %.
В предпочтительном варианте реализации полезной модели содержание полиэфирных волокон в указанной смеси может составлять для полиэфирного легкоплавкого волокна 30 мас. %; для полиэфирного регулярного ультратонкого волокна - 20-30 мас. %; для полиэфирного регулярного волокна 1-15 мас. %; и для полиэфирного регулярного волокна 2 - 25-35 мас. %.
2
Таким образом, для улучшения звукопоглощающих свойств предлагаемого материала, в особенности, в диапазоне 3150-4000 Гц, в него введено полиэфирное регулярное ультратонкое волокно с линейной плотностью 0,03 текс в количестве 20-30 мас. %. Суммарная длина данного волокна в 1 мматериала составляет 8333хР погонных метров, что с учетом содержания остальных волокон составляет в сумме 11514хР погонных метров. Это значительно превышает величину соответствующей суммарной длины волокон, которая у прототипа максимально может составлять 4191хР погонных метров.
Таким образом, предлагаемый звукопоглощающий материал с включением 20-30%) полиэфирного регулярного ультратонкого волокна с линейной плотностью 0,03 текс имеет в 2,74 раза более плотную (в погонных метрах) «упаковку» волокон на единицу площади материала с поверхностной плотностью Р, и как следствие, улучшенную акустическую эффективность.
Кроме того, так как предлагаемый материал относится к волокнистым звукопоглощающим материалам, выполненным на основе синтетических (полиэфирных) волокон небольшой толщины, структура звукопоглощающего материала этого типа представляет собой упруго-мягкий «скелет», деформируемый энергией звуковой волны. Такие деформации в свою очередь за счет внутреннего трения во внутренней структуре материала, самого волокна и волокон друг от друга также приводят к потерям энергии звуковых волн (преобразуя их в тепловую энергию). Причем указанная степень деформируемости волокон обратно пропорциональна их осевому моменту инерции, который в свою очередь напрямую зависит от квадрата радиуса (диаметра) волокна (см. Формулу 2).
Диаметр волокна в зависимости от величины линейной плотности в текс определяется Формулой 2.
,
где
d - диаметр, в мкм;
Т - величина линейной плотности волокна, в текс;
3
ρ - объемная плотность материала волокна, в г/см.
В предлагаемом материале диаметр полиэфирных ультратонких волокон с величиной 0,03 текс составляет 5,5 мкм, в то время как наиболее тонкие волокна в материале прототипа с линейной плотностью 1,5ДЕН (что соответствует 0,17 текс) имеют диаметр 13,4 мкм. Следовательно, податливость (и связанная с этим акустическая эффективность в рассматриваемом диапазоне частот) ультратонкого волокна обратно пропорциональная величине его сечения будет в 5,9 раза выше. Таким образом, тонина ультратонкого волокна играет еще более заметную позитивную роль во втором механизме поглощения звуковых волн.
2
Предлагаемый материал может быть использован в конструкциях легковых автомобилей (при учете ограниченности объема и массы, м так же требуемой технологичности сборки связанной с податливостью материала) со следующими наиболее распространенными параметрами: толщина 10-20 мм и плотность материала 200-300 г/м.
При окончательном формировании полотна (см. Фиг. 1) звукопоглощающего материала для придания определенных конструкционных прочностных свойств и дополнительной коррекции акустических свойств основного массива материала (позиция 1 на Фиг. 1) с обеих его сторон формируются уплотненные слои путем термокаландрирования. Причем с «лицевой» стороны, подвергаемой непосредственному воздействию звуковых волн в условиях эксплуатации, толщина уплотненного наружного слоя (поз. 2) составляет 0,35-0,45 мм. При этом плотность единицы площади материала в пределах данного каландрированного слоя превышает среднюю плотность основной толщи материала в 3,4-3,5 раз.
Толщина наружного противоположного каландрированного слоя (поз. 3) составляет 0,45-0,55 мм, что обеспечивает большую суммарную конструкционную жесткость материала, а также более качественное (при необходимости) нанесение клеевой монтажной ленты с антиадгезионным слоем (поз. 4). Для использования подходят ленты, производимые на основе клеев (расплавов или водо-дисперсионных) с остаточной липкостью и защищеные до момента монтажа звукопоглощающего материала силиконизированной бумагой или полимерной пленкой. При этом, плотность единицы площади материала в пределах нижнего каландрированного слоя превышает среднюю плотность основной толщи материала в 4-4,5 раза. Это обеспечивает качественную адгезию клея с остаточной липкостью к основному материалу и одновременно предупреждает излишнее проникновение липкого слоя в его волокнистую структуру.
2
Как пример, нетканый материал может быть изготовлен на основе полиэфирных волокон с линейной плотностью от 0,02 до 0,42 текс и с содержанием 20-40% связующего бикомпонентного волокна величиной 0,19-0,25 текс. Исходное нетканое полотно может быть получено способом термоскрепления из смеси полиэфирных волокон и может иметь поверхностную плотность от 500 до 2500 г/м. Толщина (высота) полотна может варьироваться от 15 до 120 мм.
Его структура представляет собой пористый упруго-мягкий деформируемый скелет, который сформирован множеством динамически связанных и взаимодействующих между собой волокон. Образованные воздушные зазоры в его упругих волокнистых структурах имеют вид множества узких сообщающихся капиллярных каналов, в результате чего за счет трения в них, а также деформации самих составляющих волокон обеспечивается снижение проникающей звуковой энергии (преобразованию ее в тепловую), т.е. более эффективное звукопоглощение в интервале частот 3150-4000 Гц.
Примерами материалов волокон на основе которых выполнен предлагаемый материал могут быть такие как: полиэтилентерефталат (ПЭТ), химически модифицированный ПЭТ (со-полиэфирные волокна), поликарбонат, полиэтиленоксибензоат, поликсилилен-гликольтерефталат, жидкокристаллический полиэфир, поли-гликолид, лавсан, терилен, дакрон, элана, тревира, тетерон, гризутен, тергаль, слотера, терленка и др.
Оценка эффективности предлагаемого материала проводилась по основной характеристике звукопоглощающих материалов, которой является безразмерный коэффициент звукопоглощения (КЗП), определяемый как отношение количества поглощенной энергии к общему количеству падающей на материал энергии в единицу времени.
Испытания проводились в соответствии с ГОСТ 16297 (соответствует ИСО 10534-1) п. 3 «Определение нормального коэффициента звукопоглощения».
Использовался акустический интерферометр «Труба Кундта» модель 4002, а также высокоточный генератор - анализатор звука, модель 2010 (приборы фирмы Брюль и Къер, Дания).
2
Исходя из известного уровня техники для корректности сравнения акустической эффективности все исследуемые материалы (как с заявляемой рецептурой, так и материалы аналогов) имели одинаковую толщину 15 (+\-1) мм и плотность 250 (+/- 10) г/м. Материалы с такими показателями находят наиболее широкое практической применение.
При этом материал прототипа, исходя из его описания и известного уровня техники был изготовлен с максимальным заявляемым процентным содержанием волокон с наименьшей их линейной плотностью - 0,15 ДЕН, так как наиболее тонкие волокна в основном определяют звукопоглощающие характеристики в высокочастотной области.
Результаты измерений представлены на Фиг. 2. (№1 - материал на основе стандартных ПЭ волокон; №2 - материал из регулярного волокна 1 с линейной плотностью 0,17 текс - прототип; №3 - материал с 25% содержанием ультратонкого волокна и средними значениями толщины лицевого каландрированного слоя); №4 - материал с 20% содержанием ультратонкого волокна и толщиной 0,45 мм лицевого каландрированного слоя; №5 - материал с 30% содержанием ультратонкого волокна и толщиной 0,35 мм лицевого каландрированного слоя.
2
2
2
Сравнительные акустические измерения, проведенные по вышеописанной методике показывают, что предлагаемый звукопоглощающий материал на основе полиэфирных регулярных волокон 1 и 2 с добавлением от 20 до 30% ультратонкого волокна с линейной плотностью 0,03 текс при толщине материала в пределах 10-20 мм и плотности 200-300 г/м, а также имеющего с «лицевой» наружной стороны каландрированный слой 0,35-0,45 мм при плотности этого слоя 20-25 г/м, и толщину нижнего каландрированного слоя 0,45-0,55 мм, при плотности 40-45 г/м позволяет достигнуть значительного улучшения коэффициентов звукопоглощения в широком диапазоне частот 630-6300 Гц по сравнению с материалами из наиболее часто используемых ПЭ волокон со стандартными размерами (аналог) в 2,3-2,5 раза, а в сравнении с материалами из известного регулярного волокна 2 небольшой толщины (прототип) - в 1,3-1,4 раза в диапазоне наиболее актуальных частот 3150-4000 Гц (см. Фиг. 2).
2
2
Таким образом, предлагаемый материал на основе полиэфирного регулярного волокна 1 с добавлением от 20 до 30% ультратонкого полиэфирного регулярного волокна с линейной плотностью 0,03 текс, а также имеющего с «лицевой» наружной стороны каландрированный слой толщиной 0,35-0,45 мм при плотности этого слоя 20-25 г/м, и нижний каландрированный слой толщиной 0,45-0,55 мм, при плотности 40-45 г/м (заявляемый вариант) позволяет существенно повысить показатели звукопоглощения в сравнении с известными материалами на основе экологичных синтетических ПЭ волокон 1 - (аналог) в широком диапазоне частот 630-6300 Гц, а в сравнении с материалами из известных полиэфирных регулярных волокон 2 небольшой толщины (прототип) в диапазоне частот 3150-4000 Гц. Кроме того, материал высоко технологичен ввиду оптимальной конструктивной жесткости.