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Temperaturbreitband-Entdröhnungsmittel
In der Technik werden vielfach dämpfende Beläge, die auf Blechkonstruktionen gespritzt, gespachtelt oder geklebt werden, zur Dämpfung der Biegeschwingungen der Bleche benutzt. Der Zweck ist meistens eine Minderung des Dröhnens, und man spricht deshalb von sogenannten Entdröhnungsmitteln. Solche Schichten werden auch zwischen Bleche eingebracht, so dass gedämpfte Verbundanordnungen entstehen, Die schwingungsdämpfenden Materialien bestehen häufig aus einem Bindemittel und einem Füllstoff.
Als Bindemittel werden praktisch benutzt Massen wie Bitumen, Kautschuk, Naturharze und Kunststoffe, als Füllstoffe Holzmehl, Korkmehl und anorganische Substanzen, wie Vermiculit (geblähter Glimmer) u. dgl. ; aber auch ungefüllte Stoffe kommen für diese Anwendungen in Frage, insbesondere in Folienform.
Es ist bekannt, dass man Entdröhnungsmittel auf Kunststoffbasis systematisch auf extrem hohe dämpfende Wirkung in einem gewünschten Bereich der Gebrauchstemperaturen (meist um 20 0C) einstellen kann (s. dazu Oberst, H. und K. Frankenfeld, Acustica 2 [1952], AB181 ; Oberst, H., G. W. Beckerund
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Frankenfeld,für die innere Dämpfung des Kunststoffes) so eingestellt, dass das Produkt E"==E*d, der sogenannte Verlustmodul, im Bereich der Gebrauchstemperaturen maximale Beträge annimmt. Der Füllstoff (z. B. Vermiculit) wird so beigemischt, dass möglichst grosse Steifheit erzielt wird.
Man erreicht mit derartigen Materialien im Temperaturbereich maximaler dämpfende Wirkung Verlustfaktoren d von Blechen mit einseitigem dämpfenden Belag bei einem Verhältnis der Massen m2 des Belages und ml des Bleches von 20% von der Grössenordnung d =Q, l. DieserWertentspricht einem logarithmischenDekrement etwa von der Grö- sse 0, 3. Der Verlustfaktor d des kombinierten Systems Blech mit Belag wird in gebräuchlicher Weise im Biegeschwingungsversuch an streifenförmigen Proben aus der zu prüfenden Anordnung gemessen, wobei diese als homogene Einheit angesehen wird. Die angegebene Dämpfung der entdröhnten Bleche entspricht der einer weichen Korkplatte und ist nach dem bisherigen Stand der Technik nicht übertroffen worden.
Alle bisher bekannten Entdröhnungsmittel, auch die zuletzt genannt hochwirksamen, haben jedoch den emen Mangel, dassdie Temperaturbandbreite grosser dämpfende Wirkung relativ klein ist. Die Temperaturbandbreite ist im folgenden definiert als die Breite des Temperaturintervalls, in dem der Verlustfaktor d der Blechanordnung mit dämpfende Schicht (Bleche mit ein-oder beidseitigem Belag, Bleche mit dämpfende Zwischenschicht u. dgl.) bei gegebener Bezugsfrequenz (z. B. 200 Hz in der Automobilindustrie) und bei gegebener Anordnung der gedämpften Blechkonstruktion (z. B. bei gegebenem Massenverhältnis m.:m im Falle von Blechen mit einseitigem Belag, vgl. oben) einen geforderten Wert dauernd überschreitet..
Wie hoch man diesen anzusetzen hat, hängt von der Art der technischen Anwendung und der geforderten Temperaturbandbreite ab.
Bei Karosserieblechen mit dämpfendem Belag in Kraftfahrzeugen ist es zweckmässig, als Bezugswert für das Temperaturband hoher dämpfender Wirkung d = 0,05 für : ml = 20% anzunehmen. Dies ergibt sich aus der statischen Übersicht der Fig. 1, die einer der bereits angeführten Veröffentlichungen entnom-
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ren d von Blechen mit dämpfenden Belägen für eine grosse Zahl von verschiedenen Entdröhnungsmitteln bei 200 Hz und 200CundbeimVerhältnisderMassen des Belages und des Bleches von 20% in Abhängigkeit vom Verhältnis a der Elastizitätsmoduln des Belages E'2 und des Bleches E'] (nach Oberst, H., VDI-Be- richte Band 8 [1956], S.
100), wobei die Punkte den Stand vom August 1952 und die Ringe den Stand vom August 1954 angeben. Fig.1 vermittelt einen Eindruck von der Wirksamkeit der verschiedenen Dämp- fungsstoffe. Nur eine verhältnismässig kleine Zahl von Materialien erreicht Werte d oberhalb der Grenze d = 0, 05. Da diese Werte hier in erster Linie interessieren sollen, wird im folgenden die Temperaturband - breite auf diese Grenze bezogen.
Mit zunehmender Temperaturbandbreite wird auch der Frequenzbereich hoher dämpfender Wirkung grösser ; dies folgt aus der Arrheniusschen Gleichung, mit der die Gesetze der Reaktionskinetik auf die in- nermolekularen Relaxationsprozesse in Hochpolymeren bei Deformationen dieser Stoffe angewendet wer- den. Die mittlere Höhe der Schwingungsdämpfung nimmt jedoch mit zunehmender Temperatur bzw. Fre- quenzbandbreite ab ; die Abnahme lässt sich quantitativ an Hand der genannten Beziehung und der Relaxa- tionsspektren, deren Breite mit der Frequenz- oder Temperaturbandbreite eng zusammenhängt, quanti- tiv abschätzen (s. dazu H. A. Stuart, Physik der Hochpolymeren, Band IV.. l. Kap. 9 4).
Wenn man also sehr hohe Temperaturbandbreiten fordert (z. B. ein Bereich von 0 bis 100 C), können
Mittelwerte d > 0,05 nicht mehr erreicht werden. Das ist aber auch in manchen Fällen nicht erforderlich.
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als diejenige von Holz oder Pappe sein soll (d (d 0,01), genügt es, als Bezugswert für die Definition der Temperaturbandbreite etwa d = 0,01 anzunehmen.
Die verhältnismässig geringe Temperaturbandbreite der bisher bekannten Entdröhnungsmittel- beim Bezugswert d = 0,05 (m,:m-20'%)) etwa 30 C - ist für eine grosse Anzahl technischer Anwendungen ein entscheidender Nachteil. Beispielsweise werden moderne Beförderungsmittel (Personenkraftwagen, Reisezugwagen u. dgl.) mit solchen Mitteln behandelt, deren maximale Wirkung auf Raumtemperatur (200C) eingestellt ist. Beim Betrieb der Fahrzeuge an kalten Wintertagen oder in warmen Zonen (beispielsweise bei einer Aussentemperatur von 400C) muss gegebenenfalls mit einer untragbaren Minderung der entdröhnenden Wirkung gerechnet werden. Insbesondere für sich schnell fortbewegende Verkehrsmittel liegt das Erfordernis nach einem. guten Dämpfungsmittel über grosse Temperaturbereiche auf der Hand.
Ein anderes Beispiel sind Maschinen mit dünnwandigen Blechkonstruktionen, die sich im Betrieb stark erwärmen. Unter anderem gehören in diese Gruppe Hauswaschmaschinen mit dünnwandigen Blechumkleidungen. Ihre Betriebstemperatur beträgt etwa 50-60 C, und da gefordert werden muss, dass sie sowohl beim Anlaufen (bei etwa 20 C) aïs auch im Dauerbetrieb geräuschlos laufen, muss für sie ein Entdröhnungsmittel verlangt werden, dasin seiner dämpfenden Wirkung den ganzen Bereich von etwa 20 bis 60 C überdeckt. Man könnte eine Kompromisslösung für derartige Geräte versuchen, indem man ein bei einer mittleren Temperatur des gewünschten Bereichs wirksames Entdröhnungsmittel auf sie anwendet.
Für den im letzten Beispiel genannten Bereich würde das Mittel mit der Temperatur des Maximums bei (fCgröss- te Dämpfung in der Mitte des gewünschten Temperaturbandes aufweisen ; unbefriedigend bliebe aber, dass an den Grenzen des Bereichs, besonders der oberen, bei der in erster Linie entdröhnende Wirkung ver-
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same Entdröhnungsmittel, deren Temperaturbänder den gewünschten Bereich uberdecken, miteinander mischt. Nun werden aber, wie erwähnt, (s. die obengenannten Veröffentlichungen), bei bestimmten, vorgeschriebenen Temperaturen wirksame Entdröhnungsmittel durch entsprechende Weichmachungeingestellt (Betr. Veränderung der Einfriertemperatur von Hochpolymeren durch Weichmacher, vgl. E. Jenckel : Die Wirkung von Weichmachern, Kap. IX in H. A.
Stuart :"Die Physik der Hochpolymeren", Springer-Verlag 1956). Mischt man mehrere solcher Stoffe, so werden im allgemeinen die Weichmacher der einzelnen Komponenten in die andern Komponenten diffundieren, die Komponenten werden ihre ursprünglichen Dämpfungseigenschaften verlieren, und es wird im allgemeinen ein Stoffgemisch entstehen, das keineswegs die Eigenschaften des verlangten Temperaturbreitband-Entdröhnungsmittels aufweisen wird ; es wird vielmehr wieder ein"Schmalband-Absorber"mit maximaler Dämpfung bei einer mittleren Temperatur entstehen.
Es wurde nun gefunden, dass Mischungen aus Homopolymerisaten und/oder Mischpolymeren und Weichmachern, bei denen letztere nur mit einer der verwendeten Polymerisat-Komponenten verträglich sind und nicht oder fast nicht in die andern Komponenten diffundieren und wobei die Stoffkomponenten so gewählt sind, dass sich ihre Einfriertemperaturen um mindestens 100C unterscheiden und in der Mischung ihre unterschiedlichen Einfriertemperaturen im wesentlichen beibehalten, gute Temperaturbreit-
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band-Entdröhnungsmittel ergeben. Durchdasunterschiedliche Verhalten des Weichmachers zu den einzel- nen Polymerisations- Komponenten bleiben überraschenderweise die guten Entdröhnungseigenschaften der
Komponenten erhalten.
Als geeignete Homopolymere seien beispielsweise genannt : Homopolymerisate von Vinylestern, ins i besondere von Vinylestern einbasischer gesättigter aliphatischer Carbonsäuren mit 2-5 Kohlenstoffatomen
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B.säure. Weiter seien als geeignete Homopolymerisate beispielsweise genannt solche von Acrylsäureestern bzw. Methacrylsäureestern, insbesondere von Estern aus Acrylsäure bzw. Methacrylsäure und einwertigen gesättigten aliphatischen Alkoholen mit 2-8 Kohlenstoffatomen in gerader oder verzweigter Anordnung,
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und Methacrylsäureäthylester.
Als geeignete Mischpolymerisate seien beispielsweise genannt : Mischpolymerisate aus Vinylestern, insbesondere Vinylestern einbasischer gesättigter Carbonsäuren mit 2-5 Kohlenstoffatomen in gerader oder verzweigter Anordnung, z. B. Vinylester der Essigsäure, der Propionsäure oder der Buttersäure, und Di- i estern ungesättigter Dicarbonsäuren, z. B. Diester aus Maleinsäure, Fumarsäure, Itaconsäure und alipha- tischen einwertigen gesättigten Alkoholen mit 1-8 Kohlenstoffatomen in gerader oder verzweigter Anord- nung, wie Methylalkohol, Butylalkohol, Isobutylalkohol und Octylalkohol.
Ferner seien als geeignete Mischpolymerisate genannt : Mischpolymerisate aus mindestens zwei Vi- nylestern einbasischer gesättigter aliphatischer Carbonsäuren mit 3-17 Kohlenstoffatomen in gerader oder verzweigter Anordnung, z. B. Mischpolymerisate aus Vinylacetat und Vinyl1aurat, aus Vinylpropionat und
Vinylcaprat, aus Vinylbutyrat und Vinylstearat.
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:säurebutylester, aus Acrylsäureäthylester und Acrylsäure-2-äthylhexylester. Geeignete Mischpolymerisate sind beispielsweise auch solche aus mindestens einem Ester der Acrylsäure bzw. Methacrylsäure und einwertig gesättigten Alkoholen mit 1-8 Kohlenstoffatomen in gerader oder verzweigter Anordnung mit mindestens einem Vinylester einer einbasischen gesättigten aliphatischen Carbonsäure mit 2-17 Kohlenstoffatomen, z.
B. ein Mischpolymerisat aus Acrylsäurebutylester und Vinylacetat, aus Acrylsäureäthylester und Vinylbutyrat.
Auch Mischpolymerisate aus mindestens einem Vinylester emer einbasischen gesättigten aliphatischen Carbonsäure mit 2-5 Kohlenstoffatomen in gerader oder verzweigter Anordnung und Vinylchlorid können Verwendung finden.
Für die Weichmachung der erfindungsgemässen Massen kommt z. B. Dioctylphthalat in Frage.
Das so erhaltene Temperaturbreitband-Entdröhnungsmittel erfüllt die für die Praxis notwendigen Bedingungen, dass eine wirksame Schwingungsdämpfung über grössere Temperaturbereiche erreicht wird und
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mit anorganischen Komponenten (Füllstoffe wie z. B. Glimmer, expandierter Glimmer, Graphit, Russ, Schwerspat, chemisch reine Kieselsäure in submikroskopisch feiner Verteilung, wie sie z. B. unter der Bezeichnung Aerosil im Handel ist, und andere aktive Füllstoffe) keine Mischungskomponentenausfallen.
Das Mischungsverhältnis zwischen Bindemittel (Homopolymerisat, Mischpolymerisat + Weichmacher) und Füllstoff kann über weite Grenzen schwanken. Da sich die spezifischen Gewichte der einzelnen anorganischen Komponenten stark unterscheiden, wird bei leichten Füllstoffen, z. B. Aerosil, expandiertem Glimmer und Russ das Verhältnis Bindemittel zu Füllstoff vorzugsweise 1, 5 : 1 und 0, 5 : 1 zu wählen sein, bei schwereren Füllstoffen, z. B. Schwerspat oder Glimmer wird in den meisten Fällen das Mischungsverhältnis zwischen 1 : 8 und 1 : 2 liegen, wobei die genannten Zahlen Gewichtsteile bedeuten.
Im folgenden sind Polymerisationskomponenten und Mischungen derselben aufgezählt.
Beispiele von einzelnen Mischungskomponenten :
I. Poyvinylacetat-Dispersion mit einem Gehalt an Festsubstanz von 56Gew.-%, hergestelltdurch Polymérisation von Vinylacetat in wässeriger Emulsion in Gegenwart von wasserlöslichen Cellulosederivaten.
II. Eine 55%ige Mischpolymerisat-Dispersion aus Vinylacetat und Dibutylmaleinat, z. B. im Mono- meren-Verhältnis 77 : 23.
Il 55% ige Mischpolymerisat-Dispersion aus Vinylacetat und Maleinsäuredibutylester im MonomerenverhÅaltnis 60 : 40, die mit 200/0 Dioctylphthalat weichgemacht ist.
IV. Die gleiche Polymerisat-Dispersion wie in II mit 100/0 Dioctylphthalat als Weichmacher.
V. Eine 55% igue Dispersion aus Polyvinylpropionat.
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VII. Polymerwachs auf Basis Propylen (z. B. derbei der Propylen-Polymerisation üblicherweise anfal- lende niedermolekulare im Dispergiermittel, z. B. Benzin, lösliche Anteil).
Beispiele von Temperaturbreitbandmischungen :
1. Mischungen aus Komponenten I, II und III
2. Mischungen aus I, III und V
3. Mischungen aus II und III
4. Mischungen aus Komponenten IV und VII
5. Mischungen aus Komponenten I, III und VI.
In der Fig. 2 sind für alle diese Komponenten bis auf Komponente VII, die allein als dämpfende Be- lag nicht angewendet werden kann, und in Fig. 3 für eine Reihe von Mischungen die gemessenen Tempera- turkurven des Verlustfaktors d von Blechen mit den dampfenden Belägen beim Verhältnis m2 : ml = 200/0 für die Frequenz 200 Hz wiedergegeben ; die Temperaturbandbreite ist bezogen auf d = 0,05. Alle Beläge sind mit Vermiculit gefüllt.
. Die Einstellung der Mischungsverhältnisse erfolgt in der Weise, dass der Dämpfungsverlauf in Abhän- gigkeit von der Temperatur für verschiedene Mischungsansätze von unterschiedlichem Mischungsver- hältnis gemessen und danach ein Mischungsverhältnis mit einem für den jeweiligen Anwendungszweck op- timalen Dämpfungsverlauf festgelegt wird. Dies sei an Hand der Mischung 5) aus dem Komponenten (vgl.
Fig. 2) III + VI + I (Reihenfolge nach steigender Einfriertemperatur) mit dem Diagramm nach Fig. 4 erläu- tert, in dem der Verlustfaktor d von Blech mit dämpfendem Belag aus einer beim Verhältnis der Massen des Belages und des Bleches von 20% in Abhängigkeit von der Temperatur für 200 Hz dargestellt ist, wo- bei der Belag mit Vermiculit gefüllt ist. Die Mischung im Gewichtsverhältnis III : VI : 1= 5 : 4 : 1 nach
Kurve a ergab ein Überwiegen der Dämpfung der tief einfrierenden Komponenten III und VI (vgl.
Fig. 4) ; nach Anhebung der Dämpfung im Bereich der höheren Temperaturen durch einen höheren Mischungsanteil der Komponente I, Mischungsverhältnis III : VI : I = 3 : 3 : 4 nach Kurve b ergab einen befriedigend gleichmässigen Dämpfungsverlauf (Fig. 4), der im allgemeinen angestrebt wird (vgl. Mischungen 1 und 2).
Oft erweist es sich als zweckmässig, dieDämpfung z. B. im Raumtemperaturbereich etwa anzuheben (z. B.
Mischungen 3 und 4), was in der vorstehend beschriebenen Weise durch passende Einstellung des Mischungs- verhältnisses erreicht wird.
Die Fig. 2-4 zeigen, dass man den jeweiligen Mischungskomponenten allein ("Temperaturschmal-
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Durch Mischullgenüberdeckt werden.
Durch Änderung des Mischungsverhältnisses sind nach Wunsch Verschiebungen des Temperaturbandes nach höheren oder tieferen Temperaturen möglich ; Verbreiterungen des Bandes können durch passende Wahl der Komponenten erreicht werden. Es wurde schon festgestellt, dass jede Verbreiterung des Temperaturereiches aus physikalischen Gründen eine Erniedrigung der mittleren Höhe der Dämpfung im Anwendungsbereich zur Folge haben muss ; deshalb ist naturgemäss die Dämpfungshöhe der Breitbandmischungen etwas niedriger als diejenige der Komponenten.
Die als Beispiel 1) angeführte Temperaturbreitbandmischung bestehtaus einer nicht weichgemachten
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K.) (homopolymerePolyvinylacetat- (PVAc-) Dispersion),VAc und Maleinsäuredibutylester in grösserer Menge, weichgemact} t mit Dioetylphthalat). Nur das letztgenannte Copolymerisat hat eine gute Weichmacheraufnahme ; die beiden andern Mischungskomponenten (O. K. und M. K.) nehmen keinen oder jedenfalls nur wenig Weichmacher auf. Dadurch ist erreicht, dass die ursprünglichen Dämpfungseigenschaften der drei Komponenten in der Mischung im wesentlichen erhalten bleiben. Ausserdem sind diese miteinander verträglich und lassen sich einzeln und in der Mischung gut füllen.
Nach der gleichen Regel sind auch die Mischungen 2) - 5) eingestellt, die wie Mischung 1)"Breit- bandabsorber" darstellen (vgl. Fig. 2-4).
Die Anzahl der Komponenten kann je nach Art der Polymerisate und der gestellten Forderungen bezüglich der Temperaturbandbreite auf zwei verkleinert (z. B. Mischung 4) oder auch vergrössert werden.
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Das Temperaturb. and hoher Dämpfung kann im Vergleich zu den Bändern in Fig. 2 nach tieferen oder höheren Temperaturen dadurch erweitert werden, dass man geeignete weiche Stoffe mit verhätlnismässig tiefer Lage der Einfriertemperatur, z. B. Naturkautschuk, Mischpolymerisate Butadien-Styrol, Butadien- - Acrylnitril u. dgl., oder geeignete harte Stoffe mit verhältnismässig hoher Lage der Einfriertemperatur, wie Mischpolymerisate mit hohem Acrylnitrilgehalt, Epoxyd- und Polyesterharze, Phenolformaldehydoder Melaminformaldehydharze od. dgl. zumischt.
Es ist noch auf den Einfluss des gegebenenfalls vorhandenen Füllstoffes in den Mischungen hinzuweisen. Die Forderung, dass die dämpfende Wirkung der einzelnen Komponenten der Mischung in dieser im wesentlichen erhalten bleiben muss, gilt zunächst nur für die ungefüllte Mischung. Erfahrungsgemäss wird durch die versteifende Wirkung des Füllstoffes das Temperaturband hoher Dämpfung sowohl der Einzelkomponenten als auch der Mischung etwasnachhöheren Temperaturen verschoben. Ausserdem hat der Füllstoff in gewissem Grade auch Einfluss auf die Höhe der Dämpfung.
Alle in der Beschreibung vorkommenden Prozentangaben bedeuten Gewichtsprozente.
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chern äusserlich weichgemacht sind, und B) einer oder mehreren homo-und/oder copolymeren Komponenten, die diese Weichmacher gar nicht oder nur wenig aufnehmen, bestehen, wobei die einzelnen Komponenten sich in ihrer Einfriertemperatur um mindestens 100C unterscheiden und in der Mischung ihre unterschiedlichen Einfriertemperaturen im wesentlichen beibehalten.