DE102014226677A1

DE102014226677A1 - Thermisch expandierbare Formteile

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Publication number: DE102014226677A1
Application number: DE102014226677.7A
Authority: DE
Inventors: Pablo Walter; Thomas Engels; Nigel Fay; Rainer Schönfeld; Dirk Kasper
Original assignee: Henkel AG and Co KGaA
Current assignee: Henkel AG and Co KGaA
Priority date: 2014-12-19
Filing date: 2014-12-19
Publication date: 2016-06-23

Abstract

Die vorliegende Anmeldung betrifft thermisch expandierbare Formteile, die einen zumindest teilweise komprimierten Polymerschaum sowie mindestens einen heiß-schmelzenden Klebstoff enthaltend ein alpha-Olefin-Copolymer enthalten, akustische Dämpfungsmaterialien, die aus diesen Formteilen gewonnen werden können sowie ein Verfahren zur akustischen Dämpfung von Strukturen auf Basis dieser Formteile.

Description

Die vorliegende Anmeldung betrifft thermisch expandierbare Formteile, die einen zumindest teilweise komprimierten Polymerschaum sowie mindestens einen heiß-schmelzenden Klebstoff enthalten, akustische Dämpfungsmaterialien, die aus diesen Formteilen gewonnen werden können sowie ein Verfahren zur akustischen Dämpfung von Strukturen auf Basis dieser Formteile.
In Fahrzeugen kann es dazu kommen, dass Schwingungen, die beispielsweise vom Motor, einer Pumpe oder vom Getriebe generiert werden, mittels der Strukturelemente an eine emittierende Oberfläche, wie beispielsweise ein Blech, übertragen und dort als unerwünschter Körperschall abgestrahlt werden. In der Vergangenheit hat es eine Reihe von Ansätzen gegeben, derartige Geräuschquellen auszuschalten. Eine Verringerung des Körperschalls erfolgt zumeist mittels Dämmungs- und/oder Absorbtionsmechanismen.
So werden beispielsweise in der WO2007/039309 und der WO2009/036784 thermisch expandierbare Materialien beschrieben, die besonders effektiv die Verbreitung von Schwingungen in Strukturen absorbieren und somit den durch Körperschall verursachten Geräuschpegel deutlich reduzieren. Diese Materialien werden während der Konstruktion des Rohbaus im ungeschäumten Zustand in den Karosserien platziert; die thermische Expansion findet dann üblicherweise während der Passage des produzierten Fahrzeugrohbaus durch den Ofen zur Aushärtung der kathodischen Tauchlackierung statt. Im expandierten Zustand weisen diese Materialien eine geschlossen-porige Struktur auf, was zu einer vorteilhaften geringen Wasseraufnahme führt.
Im Gegensatz zu derartigen Schäumen mit einer geschlossenen Porenstruktur, sind offenporige Strukturen noch effektiver in der Absorption von unerwünschten Schwingungen. So werden beispielsweise von der Firma BASF Schaumstoffe unter der Handelsbezeichnung Basotect^® vertrieben, die sich durch ihre gute akustische Absorption auszeichnen und auch als „Schallschlucker“ bezeichnet werden. Beim Einsatz derartiger Materialien zur Geräuschreduktion im Fahrzeugbau müssten entsprechende Formteile gefertigt werden, die maßgenau an den jeweiligen Anwendungsort angepasst sind, was eine große Individualität mit einem entsprechend hohen Fertigungsaufwand für die einzelnen Formteile bedeutet. Außerdem kann eine Lückenbildung zwischen dem Material und der Karosserie bei derartigen vorgefertigten Formteilen nicht vollständig ausgeschlossen werden. Ferner ist es technisch schwierig, die an die Geometrie der Strukturen angepassten Formteile im Karosserierohbau passgenau anzubringen, und nach der Einbringung ist ein gleichmäßiges Aufbringen von Flüssigkeiten, wie beispielsweise Lacken in den gedämpften Strukturen nicht mehr möglich. Ein weiterer Nachteil derartiger akustisch wirksamer Materialien ist die starke Wasseraufnahme der offenporigen Schäume.
In der EP-A2-1 125 719 wird vorgeschlagen, Formgedächtnisschaumteile unter Hitzeeinwirkung zu komprimieren und im komprimierten Zustand abzukühlen. Derartige Strukturen können dann am Ort der Anwendung durch erneute Erwärmung in den unkomprimierten Zustand überführt werden und somit passgenau in der Struktur verankert werden. Dabei kommen bevorzugt Schäume auf Basis von EPDM, Nitrilkautschuk, Styrol-Butadienkautschuk oder auch natürlichem Kautschuk zum Einsatz. Die unkomprimierten Strukturen können aber wiederum zur Wasseraufnahme neigen.
Die Mittel des Standes der Technik konnten bisher noch nicht alle Anforderungen an derartige akustische wirksame Formteile vollständig erfüllen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es dementsprechend, akustisch wirksame Formteile zur Verfügung zu stellen, die sich durch hervorragende Dämpfungseigenschaften sowie einen einfachen Fertigungsprozess auszeichnen, sich problemlos an die vorgegebenen Geometrien ohne Bildung von Lücken anpassen und dennoch nicht den Nachteil einer hohen Wasseraufnahme aufweisen.
Nunmehr wurde gefunden, dass thermisch expandierbare Formteile, die einen zumindest teilweise komprimierten Polymerschaum und einen heiß-schmelzenden Klebstoff enthalten, die an Akustikmaterialien im Fahrzeugbau gestellten Anforderungen in einem hohen Maß erfüllen.
Ein erster Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind daher thermisch expandierbare Formteile, enthaltend mindestens einen Polymerschaum und mindestens einen heiß-schmelzenden, nicht-reaktiven Klebstoff enthaltend mindestens ein Olefin-Copolymer auf Basis von Ethylen oder Propylen, insbesondere Ethylen, und mindestens einem anderen alpha-Olefin, wobei der Polymerschaum in zumindest teilweise komprimiertem Zustand vorliegt, und der Klebstoff so angeordnet ist, dass er bei Temperaturen unterhalb von 50°C den Polymerschaum im komprimierten Zustand fixiert.
Entsprechende Formteile weisen können, wie gezeigt wird in einem besonders Fertigungsprozess hergestellt werden, wobei die aus den Formteilen hergestellten expandierten Strukturen hervorragende Dämpfungseigenschaften aufweisen. Dabei können sich die expandierenden Formteile problemlos an vorgegebene Geometrien ohne Bildung von Lücken anpassen, wobei sie dennoch nicht den Nachteil einer hohen Wasseraufnahme aufweisen. Zudem sind die Formteile einfach zu lagern und lagerstabil, wobei die Formteile weder bei der Herstellung noch bei der Expansion zerfallen oder in Ihrer Struktur beschädigt werden, wie es im Stand der Technik häufig beobachtet wird..
Eine erste erfindungswesentliche Komponente ist der Polymerschaum. Erfindungsgemäß bevorzugt sind Polymerschäume mit einer im Wesentlichen offenporigen Zellstruktur.
Bevorzugter Weise werden die Polymerschäume ausgewählt aus Schäumen auf Basis von Melaminharzen (Kondensationsprodukte von Melamin mit Formaldehyd), Polyurethanen, Ethylenvinylacetaten, Polyolefinen, Polystyrol, Polyvinylchlorid, Polyamiden, Epoxidharzen, Polyethern, Polyestern und/oder Kautschuken. Besonders gute akustische Eigenschaften können erzielt werden, wenn Polymerschäume auf Basis von Melaminharzen, Polyurethanen und/oder Ethylenvinylacetaten eingesetzt werden.
Ferner ist es erfindungsgemäß von Vorteil, wenn die unbehandelten Polymerschäume im unkomprimierten Zustand eine Dichte von 1 bis 300kg/m³, insbesondere von 3 bis 100kg/m³ aufweisen.
Erfindungsgemäß besonders bevorzugt sind offenporige Melaminharzschäume, wie sie von der Firma BASF unter der Handelsbezeichung Basotect^® vertriebenen werden.
Zweiter erfindungswesentlicher Bestandteil der thermisch expandierbaren Formteile ist mindestens ein heiß-schmelzender, nicht reaktiver Klebstoff. Unter einem „nicht-reaktiven Klebstoff“ wird erfindungsgemäß ein Klebstoff verstanden, dessen Bestandteile bei Erwärmung keine chemische Härtungsreaktion eingehen. Derartige Klebstoffe können nahezu vollständig reversibel mehrfach aufgeschmolzen und wieder abgekühlt werden.
Ein notwendiger Bestandteil des Klebstoffs sind Olefin-Copolymere auf Basis von Ethylen oder Propylen, insbesondere Ethylen, und mindestens einem anderen alpha-Olefin, bevorzugt einem C3 bis C20-alpha-Olefin. Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung verwendet solche Co- oder Terpolymere auf Basis von Ethylen oder Propylen, insbesondere Ethylen, zusammen mit mindestens einem C4 bis C20-alpha-Olefin, insbesondere C6 bis C12-alpha-Olefin, besonders bevorzugt mindestens einem C8-Olefin. Diese Polyolefine können über Metallocen-Katalyse hergestellt werden. Bei den Monomeren, die zusätzlich zu Ethylen oder Propylen eingesetzt werden können, handelt es sich um die bekannten mit Ethylen oder Propylen copolymerisierbaren olefinisch ungesättigte Monomere. Insbesondere handelt es sich um lineare oder verzweigte C4 bis C20-alpha-Olefine, wie Buten, Hexen, Methylpenten, Octen; cyclisch ungesättigte Verbindungen wie Norbonen oder Norbonadien. Bevorzugt ist mindestens ein Ethylen-1-Octen-Copolymer enthalten.
Das zahlenmittlere Molekulargewicht der Copolymere liegt üblicherweise unter 200000 g/mol, insbesondere unter 100000 g/mol, ganz besonders bevorzugt unter 30000 g/mol. Die bevorzugte Untergrenze des zahlenmittleren Molekulargewichtes Mn beträgt 2000 g/mol, insbesondere 3000 g/mol (gemessen mit GPC gegen einen Polystyrol-Standard). Diese Copolymere zeichnen sich dadurch aus, dass sie eine enge Molekulargewichtsverteilung aufweisen. Solche Polymere sind in der Literatur bekannt und können von verschiedenen Herstellern kommerziell erhalten werden. Beispielsweise sind geeignete Polymere unter dem Handelsnamen Affinity oder Infuse kommerziell erhältlich. Bevorzugt handelt sich bei den geeigneten Copolymeren um Blockcopolymere. Dabei weisen die Blöcke eine unterschiedliche Zusammensetzung der Monomeren auf.
In einer bevorzugten Ausführungsform weisen die erfindungsgemäß geeigneten Copolymere eine Glasübergangstemperatur auf, in einer besonders bevorzugten Ausführungsform soll auch der erfindungsgemäße Klebstoff eine Glasübergangstemperatur aufweisen, wobei die Glasübergangstemperatur (Tg) (gemessen über DTA) im Bereich zwischen –100 bis 0°C liegt, insbesondere zwischen –80 bis –10°C.
Es hat sich erfindungsgemäß als bevorzugt erwiesen, wenn heiß-schmelzende, nicht reaktive Klebstoffe mit einem Erweichungspunkt von höchstens 170°C eingesetzt werden, insbesondere ein Erweichungspunkt zwischen 50 und 170 °C, bevorzugt zwischen 50 und 150 °C, besonders bevorzugt zwischen 60 und 100 °C. Der “Erweichungspunkt“ des thermisch expandierbaren Formteils wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung mit Hilfe der “Ring und Kugel-“Methode gemäß ASTM E-28 bestimmt, wobei vorzugsweise ein Ring- und Kugelautomat HRB 754 der Firma Walter Herzog GmbH eingesetzt wird.
Je nach Anwendungsgebiet können dabei heiß-schmelzende, nicht reaktive Klebstoffe mit geringfügig verschiedenen Erweichungsbereichen bevorzugt sein. So ist es beispielsweise besonders bevorzugt heiß-schmelzende, nicht reaktive Klebstoffe mit einem Erweichungsbereich von 140°C bis 170°C einzusetzen. Derartige Klebstoffe sind besonders bevorzugt, wenn die Expansion der Formteile im Rohbauofen erfolgt. Alternativ können heiß-schmelzende, nicht reaktive Klebstoffe mit einem Erweichungsbereich von 50°C–140°C, insbesondere von 60°C–100°C besonders bevorzugt sein. Dies ist beispielsweise von Vorteil, wenn die Expansion der erfindungsgemäßen Formteile ohne Einsatz eines Rohbauofens initiiert werden soll.
Weiterhin hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die eingesetzten Polymere thermoplastische Eigenschaften und/oder eine im Wesentlichen lineare Struktur aufweisen. Ferner ist es erfindungsgemäß bevorzugt, wenn die eingesetzten heiß-schmelzenden, nicht reaktiven Klebstoffe im Temperaturbereich unter 50°C nicht-klebrig sind.
Erfindungsgemäß sind sowohl Ausgestaltungsformen umfasst, bei denen das erfindungsgemäße mindestens eine Olefin-Copolymer alleiniger Bestandteil des heiß-schmelzenden, nicht reaktiven Klebstoffs ist, vorzugsweise enthält der Klebstoff im Wesentlichen nur die beschriebenen Olefin-Copolymere, insbesondere zu mehr als 95 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Klebstoffes, bevorzugt zu mehr als 99 Gew.-%, besonders bevorzugt ausschließlich die beschriebenen Olefin-Copolymere.
Es sind aber auch Ausgestaltungsformen umfasst, bei denen der heiß-schmelzende, nicht reaktive Klebstoff neben dem oder den Polymeren noch weitere Bestandteile enthält. In dieser Ausgestaltungsform haben die erfindungsgemäßen Olefin-Copolymere bevorzugt einen Anteil von 50 bis 95 Gew.-%, insbesondere 60 bis 80 Gew.-% an der Gesamtmenge des heiß-schmelzenden, nicht-reaktiven Klebstoffs.
So kann es erfindungsgemäß bevorzugt sein, wenn der heiß-schmelzende, nicht-reaktive Klebstoff neben der Olefin-Copolymere mindestens ein klebrig-machendes Harz und/oder mindestens ein weiteres Additiv enthält.
Es können im Prinzip die bekannten klebrig-machenden Harze, wie beispielsweise aromatische, aliphatische oder cycloaliphatische Kohlenwasserstoff-Harze sowie modifizierte oder hydrierte Naturharze eingesetzt werden. Geeignete, im Rahmen der Erfindung anwendbare Harze sind beispielsweise Terpen-Harze, wie Terpolymere oder Copolymere des Terpens, modifizierte Naturharze, wie Harzsäuren aus Balsamharz, Tallharz oder Wurzelharz, gegebenenfalls auch Hydroabietylalkohol und seine Ester, Acrylsäure-Copolymerisate, wie Styrol-Acrylsäure-Copolymere oder Copolymerisate aus Ethylen, Acrylatestern und Maleinsäureanhydrid, oder Harze auf Basis funktioneller Kohlenwasserstoffharze. Als einsetzbares klebrigmachendes Harz sind auch niedermolekulare Umsetzungsprodukte geeignet, die aus den oben erwähnten Ethylen/Propylen-α-Olefin-Polymeren bestehen. Das Molekulargewicht solcher Polymere beträgt meist unterhalb von 2000 g/mol.
Es handelt sich dabei insbesondere um Harze, die einen Erweichungspunkt von 80 bis 130°C (ASTM-Methode E28-58T) besitzen. Besonders bevorzugte klebrig-machende Harze sind Kohlenwasserstoffharze. Eine andere besondere Ausführungsform setzt Harze ein, die einen Erweichungspunkt unterhalb von 50°C aufweisen, insbesondere können diese auch flüssig sein. Die klebrig-machenden Harze werden im Allgemeinen in einer Menge von 10 bis 65 Gew.-%, insbesondere 25 bis 60 Gew.-%, jeweils bezogen auf die Masse des heiß-schmelzenden, nicht-reaktiven Klebstoffs eingesetzt.
Ein weiterer erfindungsgemäß wichtiger Bestandteil sind Weichmacher. Es kann sich dabei beispielsweise um medizinische Weißöle, naphtenische Mineralöle, Polypropylen-, Polybuten-, Polyisopren-Oligomere, hydrierte Polyisopren- und/oder Polybutadien-Oligomere, Benzoatester, Phthalate, Adipate, pflanzliche oder tierische Öle und deren Derivate handeln. Hydrierte Weichmacher werden beispielsweise ausgewählt aus der Gruppe der paraffinischen Kohlenwasserstofföle. Auch Polypropylenglykol und Polybutylenglykol, sowie Polymethylenglykol sind geeignet. Es werden auch Ester als Weichmacher eingesetzt, wie beispielsweise flüssige Polyester und Glycerinester. Dabei soll das Molekulargewicht von Polyalkylenglykolen oder Polybutenoligomeren von 200 bis 6 000 g/mol betragen, Polyolefine sollen ein Molekulargewicht bis etwa 2000 g/mol aufweisen, insbesondere bis 1000g /mol. Insbesondere Weißöle, mineralischen Öle, Polybutene und flüssige oder pastöse hydrierte Kohlenwasserstoffe sind erfindungsgemäß bevorzugt.
Die Menge der Weichmacher beträgt erfindungsgemäß zwischen 0 bis 35 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtmenge des heiß-schmelzenden, nicht-reaktiven Klebstoffs. Insbesondere beträgt der Anteil der Weichmacher zwischen 3 bis 30 Gew.-%, in einer ganz besonderen Ausführungsform zwischen 5 bis 15 Gew.-%, jeweils bezogen auf die Gesamtmenge des heiß-schmelzenden, nicht-reaktiven Klebstoffs.
Gegebenenfalls können dem heiß-schmelzenden, nicht-reaktiven Klebstoff Wachse in Mengen von 0 bis 30 Gew.-% zugegeben werden, bevorzugt von 0,5 bis etwa 5 Gew.-%, jeweils bezogen auf die Gesamtmenge des heiß-schmelzenden, nicht-reaktiven Klebstoffs. Die Menge ist dabei so bemessen, dass einerseits die Viskosität auf den gewünschten Bereich abgesenkt wird, andererseits aber die Adhäsion nicht negativ beeinflusst wird. Das Wachs kann natürlichen, gegebenenfalls auch in chemisch modifizierter Form, oder synthetischen Ursprungs sein. Als natürliche Wachse können pflanzliche Wachse, tierische Wachse, Mineralwachse oder petrochemische Wachse eingesetzt werden. Als chemisch modifizierte Wachse können Hartwachse wie Montanesterwachse, Sasolwachse und so weiter eingesetzt werden. Als synthetische Wachse finden Polyalkylenwachse sowie Polyethylenglykolwachse Verwendung. Vorzugsweise werden petrochemische Wachse wie Petrolatum, Paraffinwachse, mikrokristalline Wachse sowie synthetische Wachse eingesetzt.
Die erfindungsgemäßen heiß-schmelzenden, nicht reaktiven Klebstoffe können neben den oben genannten Bestandteilen noch weitere, üblicherweise in derartigen Klebstoffen eingesetzte Bestandteile als Additive enthalten. Hierzu zählen beispielsweise Stabilisatoren, Haftvermittler, Antioxidantien, Füllstoffe und/oder Pigmente. Die Menge der Additive und Zusatzstoffe kann 0,01 bis 30 Gew.-% betragen, insbesondere von 0,1 bis 15 Gew.-%, jeweils bezogen auf die Gesamtmenge des heiß-schmelzenden, nicht-reaktiven Klebstoffs.
Additive, wie Stabilisatoren oder Haftvermittler sind dem Fachmann bekannt. Es sind kommerzielle Produkte und der Fachmann kann sie entsprechend den gewünschten Eigenschaften auswählen. Dabei ist darauf zu achten, dass eine Verträglichkeit mit der Polymermischung gegeben ist.
Weiterhin können auch Füllstoffe in Konzentrationen von 0 bis 10 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtmenge des heiß-schmelzenden, nicht-reaktiven Klebstoffs eingesetzt werden, um die anwendungstechnischen und klebetechnischen Eigenschaften verbessern. Das können beispielsweise Farbstoffe oder Füllstoffe wie Titandioxid, Zinkoxid, Gips, Schwerspat, Ton, Kreide und dergleichen sein.
Der erfindungsgemäß eingesetzte heiß-schmelzende, nicht reaktive Klebstoff wird durch bekannte Verfahren durch Mischen in der Schmelze hergestellt. Dabei können alle Komponenten gleichzeitig vorgelegt, erwärmt und dann homogenisiert werden, oder es werden zuerst die leichter schmelzenden Komponenten vorgelegt und gemischt, danach die weiteren Harzbestandteile zugegeben. Es ist auch möglich, den Schmelzklebstoff kontinuierlich in einem Extruder herzustellen. Der geeignete Schmelzklebstoff ist fest und, bis auf Verunreinigungen, frei von Lösemitteln.
Der erfindungsgemäß geeignete heiß-schmelzende, nicht reaktive Klebstoff weist vorzugsweise eine Viskosität von 500 bis 30000 mPas auf, bevorzugt von 1000 bis 20000, insbesondere von 3000 bis 10000 mPas bei 177 °C (Brookfield, ASTM D 1084) auf.
Der erfindungsgemäße heiß-schmelzende, nicht reaktive Klebstoff kann gut auf verschiedene Anwendungsformen abgestimmt werden. In einer besonderen Ausführungsform wird der Schmelzklebstoff zur Sprühapplikation eingesetzt. Es werden dabei als Weichmacher insbesondere Mineralöle auf paraffinischer oder naphtenischer Basis, Polybutene oder hydrierte Kohlenwasserstoffe eingesetzt. Diese Weichmacher sollen eine Viskosität zwischen 25 bis 300 mPas aufweisen, insbesondere zwischen 100 bis 250 mPas, gemessen bei 20°C. In dieser Ausführungsform weist der erfindungsgemäße heiß-schmelzende, nicht reaktive Klebstoff eine Viskosität von 500 bis 6000 mPas auf, insbesondere zwischen 700 bis 2000 mPas gemessen bei Temperaturen zwischen 120 bis 160°C.
Die erfindungsgemäßen thermisch expandierbaren Formteile enthaltend vorzugsweise 50 bis 95 Gew.-%, insbesondere von 60 bis 90 Gew.-%, bevorzugt von 75 bis 85 Gew.-% eines heiß-schmelzenden, nicht reaktiven Klebstoffs, jeweils bezogen auf den thermisch expandierbaren Körper des Formteils. Unter „bezogen auf den thermisch expandierbaren Körper des Formteils“ wird erfindungsgemäß der Bereich des Formteils verstanden, dessen Form sich während der Erwärmung verändert; das heißt, dass die Anteile der Trägermaterialien und Befestigungselemente bei dieser Betrachtung nicht mit berücksichtigt werden.
Die erfindungsgemäßen thermisch expandierbaren Formteile enthalten die oben beschriebenen erfindungswesentlichen Komponenten derart, dass der Polymerschaum in zumindest teilweise komprimiertem Zustand vorliegt, und der heiß-schmelzende, nicht-reaktive Klebstoff so angeordnet ist, dass er bei Temperaturen unterhalb von 50°C den Polymerschaum im komprimierten Zustand fixiert.
Es kann in einer Ausführungsform bevorzugt sein, dass der gesamte Polymerschaum in Richtung seiner kürzesten Ausdehnungsachse auf weniger als 20%, insbesondere auf weniger als 10% seiner ursprünglichen Ausdehnung in dieser Richtung komprimiert ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform dieses Gegenstandes der vorliegenden Erfindung weist das thermisch expandierbare Formteil nach der Komprimierung eine nicht offenporige Oberfläche auf. Insbesondere ist das expandierbare Formteil vollständig mit dem heiß-schmelzenden, nicht reaktiven Klebstoff umschlossen, wobei der Klebstoff eine nicht-offenporige geschlossene Oberfläche bildet. Entsprechende Formteile sind besonders lagerstabil und neigen während der Lagerung nicht zur Wasseraufnahme.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform dieses Gegenstandes der vorliegenden Erfindung weist das thermisch expandierbare Formteil mindestens ein Befestigungselement auf. Erfindungsgemäß bevorzugte Befestigungselemente sind dabei Clips, Klebestreifen, verschraubbare, vernietbare, verklemmbare oder verklebbare Metall- beziehungsweise Kunststoffteile oder schweißfähige Metallstreifen.
Obwohl die erfindungsgemäßen, thermisch expandierbaren Formteile in der Regel ohne weitere Verstärkungselemente in die zu dämpfenden Strukturen eingebracht werden, kann es in einer anderen Ausführungsform auch bevorzugt sein, wenn das erfindungsgemäß thermisch expandierbare Formteil zusätzlich einen Träger, beispielsweise in Form einer stabilen Folie oder einer Abschlussplatte, aufweist.
Als Trägermaterialien kommen vorzugsweise thermoplastische Materialien, die unter normalen Anwendungsbedingungen ausreichend bruchstabil sind und einen Schmelz- oder Erweichungspunkt aufweisen, der oberhalb der Temperatur der Fertigung der zu dämpfenden Struktur liegt, vorzugsweise oberhalb von 190°C liegt, besonders bevorzugt oberhalb von 220°C zum Einsatz. Vorzugsweise ist der Träger aus einer Vielzahl von polymeren Materialien, wie beispielsweise Polyestern, aromatischen Polyethern, Polyetherketonen und insbesondere Polyamiden, wie beispielsweise Nylon-66, gefertigt. Das Trägermaterial kann zusätzlich zu den polymeren Bestandteilen weitere Additive und Füllstoffe enthalten, wie beispielsweise Farbstoff und/oder verstärkende Fasern. Alternativ kann der Träger auch aus Metall, wie beispielsweise Stahl oder Aluminium gefertigt sein.
Der Träger kann dabei mittels des erfindungsgemäßen wesentlichen heiß-schmelzenden, nicht reaktiven Klebstoffs mit dem Formteil verbunden sein. Es ist aber auch eine Ausführungsform denkbar, bei der die Fixierung über einen andersartigen Klebstoff erfolgt. Auch eine alternative und/oder zusätzliche Fixierung des thermisch expandierbaren Formteils auf dem Träger mittels mechanischer Befestigungselemente ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung.
Es kann bevorzugt sein, dass weiterhin mindestens ein Befestigungselement an dem Träger befestigt ist, das der Fixierung des thermisch expandierbaren Formteils in der zu dämpfenden Struktur dient. Bezüglich der bevorzugten Befestigungselemente sei auf die obigen Ausführungen verwiesen. Eine Trägerplatte, die einen oder mehrere Clips trägt kann besonders bevorzugt sein. Es kann erfindungsgemäß bevorzugt sein, wenn die Trägerplatte derart ausgestaltet ist, dass sie undurchlässig für Luft, Schall und Flüssigkeiten ist; aber auch eine perforierte Trägerplatte ist geeignet. Ein Trägermaterial, das selber ebenfalls einen akustischen Dämpfungsbeitrag leistet, kann besonders bevorzugt sein. Außerdem ist es denkbar, dass die erfindungsgemäßen thermisch expandierbaren Formteile von zwei Trägerplatten umschlossen werden.
Zur Herstellung der erfindungsgemäßen thermisch expandierbaren Formteile wird der Polymerschaum in einem ersten Schritt mit dem mindestens einen heiß-schmelzenden, nicht reaktiven Klebstoff beschichtet.
In einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, wenn der Polymerschaum vor der Kompression mindestens zwei im Wesentlichen zueinander parallele Flächen aufweist.
In einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, wenn der Polymerschaum vor der Kompression eine unregelmäßige, gegebenenfalls der späteren Applikation angepasste Form aufweist. Unter einer „Form, die an die Applikation angepasst ist“ werden dabei erfindungsgemäß alle Geometrien von Formteilen verstanden, die nach der Expansion eine vollständige Abdichtung eines Hohlraums der zu dämpfenden Struktur sicherstellen. Dabei kann das Formteil individuell der Form des Hohlraums nachempfunden sein und entsprechende Spitzen und/oder Rundungen aufweisen; es kann aber auch das Einbringen einer entsprechend großen Menge in variabler Form, beispielsweise in Form eines streifenförmigen thermisch expandierbaren Formteils, in den Hohlraum ausreichen, um nach der Expansion eine vollständige Abdichtung des Hohlraums zu gewährleisten.
Der Begriff „Beschichtung“ ist erfindungsgemäß weit gefasst. So ist es denkbar, dass der heiß-schmelzende, nicht reaktive Klebstoff als Festkörper auf den Polymerschaum aufgelegt wird. Auch eine Fixierung mit einem zusätzlichen, flüssigen Kleber ist in diesem Stadium denkbar. In einer anderen bevorzugten Ausgestaltungsform wird der heiß-schmelzende, nicht reaktive Klebstoff aufgeschmolzen und in geschmolzenem Zustand auf den Polymerschaum aufgebracht. Dabei kann er den Polymerschaum vollständig oder auch nur teilweise durchtränken oder auch nur äußerlich verteilt sein. Auch eine Spühapplikation des geschmolzenen heiß-schmelzenden, nicht reaktiven Klebstoffs ist denkbar. Besonders bevorzugt ist es, wenn der heiß-schmelzende, nicht reaktive Klebstoff in geschmolzenem Zustand auf den Polymerschaum aufgebracht wird und diesen an der Oberfläche durchdringt.
Der Polymerschaum kann vorzugsweise dabei vollständig mit dem heiß-schmelzenden, nicht reaktiven Klebstoff umschlossen werden. Es ist aber auch denkbar, dass nur Teilbereiche, wie beispielsweise gegenüberliegende Flächen, des Polymerschaums mit dem heiß-schmelzenden, nicht reaktiven Klebstoff in Kontakt gebracht werden. In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind mindestens 60%, insbesondere mindestens 80%, bevorzugt mindestens 95% der äußeren Fläche des Polymerschaums mit dem heiß-härtenden, nicht reaktiven Klebstoff beschichtet. Ferner kann der heiß-schmelzende, nicht reaktive Klebstoff in jeder beliebigen unregelmäßigen Form auf den Polymerschaum aufgebracht werden; so ist beispielsweise eine Punkt-förmige Applikation in Abhängigkeit der gewünschten Kompression des Polymerschaums denkbar.
In einem zweiten Schritt des Herstellungsverfahrens wird der mit dem heiß-schmelzenden, nicht reaktiven Klebstoff beschichtete Polymerschaum bei einer Temperatur von mindestens 80°C, insbesondere mindestens 120 °C, bevorzugt mindestens 170°C komprimiert und eine Zeit lang bei dieser Temperatur gehalten. Dies kann beispielsweise mittels einer beheizbaren Plattenpresse oder auch einer mehr punktuell einwirkenden Zangenpresse erfolgen. Außerdem ist die Verwendung von speziellen Pressformen, die nur auf bestimmte Bereiche des Polymerschaums Druck ausüben, denkbar.
Es kann erfindungsgemäß bevorzugt sein, wenn zur Kompression des Polymerschaums ein äußerer Druck angelegt wird, der im Wesentlichen entlang einer Raumdimension auf den Polymerschaum einwirkt. Es kann aber auch erfindungsgemäß bevorzugt sein, wenn zur Kompression ein äußerer Druck angelegt wird, der in Richtung mehrerer, vorzugsweise in Richtung zweier oder dreier jeweils zueinander senkrecht stehender Raumdimensionen auf den beschichteten Polymerschaum einwirkt.
In einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, wenn der Polymerschaum vor der Kompression mindestens zwei im Wesentlichen zueinander parallele Flächen aufweist. In dieser Ausführungsform ist es bevorzugt, wenn diese Flächen mit dem heiß-schmelzenden, nicht-reaktiven Klebstoff beschichtet werden und zur Kompression ein äußerer Druck angelegt wird, der im Wesentlichen senkrecht auf diese zueinander parallele Flächen einwirkt.
In einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, wenn der Polymerschaum vor der Kompression eine unregelmäßige, gegebenenfalls der späteren Applikation angepasste Form aufweist, und zur Kompression ein äußerer Druck angelegt wird, der in Richtung mehrerer, vorzugsweise in Richtung zweier oder dreier jeweils zueinander senkrecht stehender Raumdimensionen auf den beschichteten Polymerschaum einwirkt.
Es kann erfindungsgemäß bevorzugt sein, wenn eine Verklebung der Kontaktflächen der Presse mit dem beschichteten Polymerschaum beispielsweise durch die Verwendung von Silikonpapier vermieden wird.
Anschließend wird der beschichtete Polymerschaum im komprimierten Zustand, das heißt ohne Verringerung des angelegten äußeren Drucks, vorzugsweise bis auf Raumtemperatur, zumindest aber bis zu einer Temperatur unterhalb des Erweichungspunktes des verwendeten heiß-schmelzenden, nicht reaktiven Klebstoffs abgekühlt und erst dann wird der angelegte Druck gelöst.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nach Lösung des Drucks bereits das fertige und einsatzbereite thermisch expandierbare Formteil erhalten. Es kann aber auch erfindungsgemäß bevorzugt sein, größere Platten eines geeigneten Polymerschaums zu verwenden, diese an ihrer Oberfläche und Unterfläche mit dem heiß-schmelzenden, nicht reaktiven Klebstoff zu beschichten, und dann in Richtung ihrer kleinsten räumlichen Ausdehnung nach dem oben beschriebenen Verfahren zu komprimieren. Aus den nach Lösung des äußeren Drucks resultierenden komprimierten Platten können im Rahmen dieser Ausführungsform dann bei Bedarf die erfindungsgemäßen thermisch expandierbaren Formteile, beispielsweise durch Ausschneiden oder Ausstanzen, gewonnen werden.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist dementsprechend ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen thermisch expandierbaren Formteils, bei dem ein Polymerschaum in einem ersten Schritt mit einem heiß-schmelzenden, nicht reativen Klebstoff beschichtet wird, der beschichtete Polymerschaum in einem zweiten Schritt bei einer Temperatur von mindestens 80°C, insbesondere von mindestens 120°C, bevorzugt von mindestens 170°C komprimiert wird und anschließend im komprimierten Zustand abgekühlt wird.
Bezüglich der Details dieses Gegenstandes der vorliegenden Erfindung gilt mutatis mutandis das zu den anderen Gegenständen bereits Gesagte.
Die erfindungsgemäßen thermisch expandierbaren Formteile können dann im Rahmen der Rohbaufertigung in die zu dämmenden Strukturen eingebracht werden und gegebenenfalls mittels der vorgesehenen Befestigungselemente in diesen fixiert werden.
Die erfindungsgemäßen thermisch expandierbaren Formteile können in allen Produkten zum Einsatz kommen, die Hohlräume aufweisen. Dies sind neben den Fahrzeugen beispielsweise auch Flugzeuge, Schienenfahrzeuge, Haushaltsgeräte, Möbel, Gebäude, Wände, Abtrennungen oder auch Boote.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist daher ein Verfahren zur Herstellung eines expandierten Formteils, insbesondere zur akustischen Dämpfung von Strukturen, wobei ein erfindungsgemäßes thermisch expandierbares Formteil in eine Struktur eingebracht und anschließend auf eine Temperatur oberhalb von 80°C, insbesondere oberhalb von 120°C, bevorzugt oberhalb von 170°C erhitzt wird, so dass das thermisch expandierbare Formteil expandiert. Bevorzugt expandiert das Formteil in mindestens einer Richtung um mindestens 500 %, insbesondere um mindestens 800 %, bevorzugt um mindestens 1100 % bezogen auf die Ausdehnungsdicke des Formteils in dieser Richtung vor der Expansion.
Unter akustischer Dämpfung wird dabei erfindungsgemäß die Absorption des Schalls verstanden; ein Maß für die akustische Dämpfung ist der akustische Absorptionskoeffizient, wobei ein Absorptionskoeffizient von 1 für eine vollständige Absorption des einfallenden Schalls steht.
Es ist besonders bevorzugt, wenn mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens ein akustischer Absorptionskoeffizient erreicht wird, der

– im Terzband-Bereich von 250 Hz bis 630 Hz linear ansteigt (von α ≥ 0,1 bei 250 Hz bis α ≥ 0,5 bei 630Hz), und/oder
– bei 630 Hz und im Terzbandbereich von 600 Hz bis 20 000 Hz im arithmetischen Mittel einen Absorptionskoeffizienten von α ≥ 0,5 aufweist.

Besonders bevorzugt sind akustische Absorptionskoeffizienten, die im Terzbandbereich von 250 Hz bis 630 Hz linear von α ≥ 0,2 bei 250 Hz bis α ≥ 0, 65 bei 630 Hz ansteigen. Ebenfalls besonders bevorzugt sind Dämpfungen, bei denen der Absorptionskoeffizient α ≥ 0,65 im Bereich von 630 Hz bis 10 000 Hz beträgt (arithmetisches Mittel).
Bezüglich der Details dieses Gegenstandes der vorliegenden Erfindung gilt mutatis mutandis das zu den anderen Gegenständen bereits Gesagte.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung der erfindungsgemäßen thermisch expandierbaren Formteile zur akustischen Dämpfung von Strukturen.
Auch bezüglich der Details dieses Gegenstandes der vorliegenden Erfindung gilt mutatis mutandis das zu den anderen Gegenständen bereits Gesagte.
Im Bereich des Fahrzeugbaus ist es besonders vorteilhaft, wenn die Expansion der erfindungsgemäßen thermisch expandierbaren Formteil während der Passage des Fahrzeugs durch den Ofen zur Aushärtung der kathodischen Tauchlackierung erfolgt, so dass auf einen separaten Erhitzungsschritt verzichtet werden kann.
Auch die akustischen Dämpfungsmaterialien, die durch thermische Expansion der erfindungsgemäßen thermisch expandierbaren Formteile erhalten werden, sind Gegenstand der vorliegenden Erfindung.
Dabei sind erfindungsgemäß derartige akustische Dämpfungsmaterialien besonders bevorzugt, bei denen das arithmetisches Mittel des akustischen Absorptionskoeffizienten des Dämpfungsmaterials mindestens 0,2 im Messbereich von 20 bis 20.000Hz beträgt, besonders mindestens 0,5 im Bereich von 250 bis 5000 Hz beträgt.
Bezüglich der Details dieses Gegenstandes der vorliegenden Erfindung gilt mutatis mutandis das zu den anderen Gegenständen bereits Gesagte.
Abschließend sind auch die Strukturen selbst, die mindestens ein akustisches Dämpfungsmaterial, das durch Erhitzung eines thermisch expandierbaren Formteils erhalten wird, enthalten, und mit dessen Hilfe mit einer verbesserten akustischen Dämpfung versehen wurden, Teil der vorliegenden Erfindung.
Bezüglich der Details dieses Gegenstandes der vorliegenden Erfindung gilt mutatis mutandis das zu den anderen Gegenständen bereits Gesagte.
Ausführungsbeispiele
Ein Quader eines kommerziell unter der Bezeichnung Basotect^® G von der Firma BASF erhältlichen offenporigen Melaminschaumes wird auf zwei gegenüberliegenden Seiten mit einem Schmelzklebstoff beschichtet. Gemäß Beispiel 1 werden hierfür 3,64 Gewichtsteile Affinity 1950 (EtOc-Polymer; Viskostität 17000 mPas bei 177°C; Schmelzpunkt 70°C; Tg –57°C) pro Gewichtsteil Schaum verwendet, für Beispiel 2 werden 4,82 Gewichtsteile Affinity 1900 (EtOc-Polymer; Viskostität 8200 mPas bei 177°C; Schmelzpunkt 68°C; Tg –72°C) pro Gewichtsteil Schaum verwendet.
Anschließend wird der so beschichtete Schaum zwischen zwei mit Silikonpapier belegte Stahlplatten gelegt und mittels angelegter Metallklammern bei 180°C für 30 Minuten auf ein Volumen von unter 10 % komprimiert. Nach erfolgter Abkühlung zur Raumtemperatur wird eine 3mm dicke Platte mit einer geschlossenen, nicht-porösen Oberfläche erhalten. Diese Formteile waren besonders lagerstabil.

Das so hergestellte Formteil wird in einem Ofen erhitzt. Die Tabelle 1 zeigt den Verlauf der Expansion abhängig von der Temperatur. Tabelle 1: Expansionsraten der Formteil in Abhängigkeit der Temperatur.

Temperature [°C]	Beispiel 1 Expansion in %	Beispiel 2 Expansion in %
120	581	617
130	608	631
140	699	643
150	813	731
160	932	870
170	1024	909
180	1085	1152
190	1141	-
200	1186	1501

Das expandierte Formteil hatte nach anschließender Abkühlung nahezu seine Ausgangsschichtdicke zurückgewonnenen. Der Polymerschaum war im Randbereich mit Schmelzklebstoff getränkt; allerdings wies er wieder eine offenporige Struktur auf. Dadurch, dass der Randbereichs des Polymerschaums mit Schmelzklebstoff getränkt ist, weist das erhaltene akustische Dämmmaterial eine sehr hydrophobe Oberfläche auf, wodurch sich die Wasseraufnahme des Materials deutlich verringert. Zudem zeigen die expandierten Schäume hervorragende akustische Dämpfungseigenschaften.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2007/039309 [0003]
WO 2009/036784 [0003]
EP 21125719 A2 [0005]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

ASTM E-28 [0019]
ASTM-Methode E28-58T [0026]
ASTM D 1084 [0034]

Claims

Thermisch expandierbares Formteil, enthaltend mindestens einen Polymerschaum und mindestens einen heiß-schmelzenden, nicht-reaktiven Klebstoff enthaltend mindestens ein Olefin-Copolymer auf Basis von Ethylen oder Propylen und mindestens einem anderen alpha-Olefin, wobei der Polymerschaum in zumindest teilweise komprimiertem Zustand vorliegt, und der Klebstoff so angeordnet ist, dass er bei Temperaturen unterhalb von 50°C den Polymerschaum im komprimierten Zustand fixiert.
Thermisch expandierbares Formteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Polymerschaum ausgewählt ist aus Schäumen auf Basis von Melaminharzen, Polyurethanen, Ethylenvinylacetaten, Polyolefinen, Polystyrol, Polyvinylchlorid, Polyamiden, Epoxidharzen, Polyethern, Polyestern und/oder Kautschuken..
Thermisch expandierbares Formteil nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem komprimierten Polymerschaum um einen Schaum mit einer offenporigen Zellstruktur handelt und/oder der unbehandelte Polymerschaum im unkomprimierten Zustand eine Dichte von 1 bis 300kg/m³, insbesondere von 3 bis 100kg/m³aufweist.
Thermisch expandierbares Formteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Olefin-Copolymer ein Copolymer auf Basis von Ethylen und mindestens einem C3 bis C20-alpha-Olefin ist und/oder das mindestens eine Olefin-Copolymer ein zahlenmittleres Molekulargewicht zwischen 2000 und 200000 g/mol hat und/oder das mindestens ein Olefin-Copolymer eine Glasübergangstemperatur (Tg) im Bereich zwischen –100 bis 0°C aufweist.
Thermisch expandierbares Formteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der heiß-schmelzende, nicht-reaktive Klebstoff einen Erweichungspunkt von höchstens 170°C aufweist.
Thermisch expandierbares Formteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der heiß-schmelzende, nicht-reaktive Klebstoff mehr als 95 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Klebstoffes, bevorzugt zu mehr als 99 Gew.-% das mindestens eine Olefin-Copolymer enthält.
Thermisch expandierbares Formteil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das thermisch expandierbaren Formteile 50 bis 95 Gew.-% des heiß-schmelzenden, nicht reaktiven Klebstoffs enthält, jeweils bezogen auf den thermisch expandierbaren Körper des Formteils.
Thermisch expandierbares Formteil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass es weiterhin mindestens ein Befestigungselement aufweist, vorzugsweise das Befestigungselement ausgewählt ist aus Clips, Klebestreifen, verschraubbaren, vernietbaren, verklemmbaren oder verklebbaren Metall- beziehungsweise Kunststoffteilen oder schweißfähigen Metallstreifen.
Thermisch expandierbares Formteil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin mindestens eine Seite des Formteils mit einer stabilen Folie oder Abschlussplatte bedeckt ist.
Verfahren zur Herstellung eine expandierten Formteils, insbesondere zur akustischen Dämpfung von Strukturen, wobei ein Formteil nach einem der Ansprüche 1 bis 9 in eine Struktur eingebracht und anschließend auf eine Temperatur oberhalb von 80°C erhitzt wird, so dass das thermisch expandierbare Formteil expandiert.
Verwendung eines thermisch expandierbaren Formteils nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zur akustischen Dämpfung von Strukturen.
Akustisches Dämpfungsmaterial, erhältlich durch thermische Expansion eines Formteils nach einem der Ansprüche 1 bis 9, insbesondere um mehr als 500 %.
Akustisches Dämpfungsmaterial nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das arithmetisches Mittel des akustischen Absorptionskoeffizienten des Dämpfungsmaterials mindestens 0,2 im Messbereich von 20 bis 20.000Hz beträgt, besonders mindestens 0,5 im Bereich von 250 bis 5000 Hz beträgt.
Verfahren zur Herstellung eines thermisch expandierbaren Formteils nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Polymerschaum in einem ersten Schritt mit einem heiß-schmelzenden, nicht reaktiven Klebstoff beschichtet wird, der beschichtete Polymerschaum in einem zweiten Schritt bei einer Temperatur von mindestens 80°C komprimiert wird und anschließend im komprimierten Zustand abgekühlt wird.
Akustisch gedämpfte Struktur, enthaltend mindestens ein akustisches Dämpfungsmaterial, das durch Erhitzung eines thermisch expandierbaren Formteils nach einem der Ansprüche 1 bis 8 erhalten wird.