JP2018161778A - 吸音材及び車両部品 - Google Patents
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Abstract
Description
そのため、エンジン、エンジンルーム内、車両内装、車両ボディ、排気管周辺部等での遮音・吸音による防音対策が行われている。
特に、800〜2000Hzの周波数領域の音は、人にとって不快な音となるので、この周波数領域において、吸音材の吸音性能を高めることが求められている。
しかしながら、特許文献1における吸音材は、実施例を再現した場合に、2000Hz以下の低周波数領域での吸音率が0.5未満であり、吸音性能が充分といえなかった。
本発明の吸音材では、無機材料層が音を受ける面となる。無機材料層は繊維と無機粒子で構成されているため、吸音材が音を受けた場合、その音は、無機粒子及び繊維を振動させるエネルギーに変換される。また、音源からみて無機材料層の反対側には繊維層が無機材料層に接して設けられている。繊維層は無機材料層と接しているため、無機材料層の振動が繊維層に伝わると考えられる。そのため、繊維層のみの場合、及び、無機材料層のみの場合と比較して吸音性能が向上し、800〜2000Hzの周波数領域における吸音性能も向上させることができると考えられる。
また、無機粒子を含む無機材料層を備えているため、300℃以上の温度変化に対する形状保持性にも優れる。
なお、繊維層と無機材料層とが接しているとは、無機材料層に加えられた振動が繊維層に伝達可能であることを指しており、繊維層と無機材料層が直接接触している場合だけでなく、繊維層と無機材料層とが接着剤層等により接着されている場合も含む。
繊維層の密度が無機材料層の密度よりも小さいと、無機材料層の振動を十分に吸収することが可能である。
また、無機材料層の密度は、繊維層の密度の3倍以上であることが望ましく、3〜30倍であることがさらに望ましい。
繊維層の厚さが3mm未満であると、音を吸収するためには薄すぎ、充分な吸音性能を確保しにくくなる。
また、本発明の吸音材における繊維層の厚さは、3〜50mmであることがより望ましい。繊維層の厚さが50mmを超えると、吸音材としての機能性能、吸音性は問題ないが、エンジン、エンジンルーム内、車両内装、車両ボディ、排気管の車両用途に吸音材を用いたとき、厚みがネックとなり、車両用途で吸音材を配置することができなくなることがある。
また、繊維層を構成する繊維及び無機材料層を構成する繊維が同じものであって繊維層と無機材料層との境界が明瞭でない場合、例えば、繊維層の表面に繊維と無機粒子の混合物(又はこれらを溶媒中に分散させた分散液)を付与することにより繊維層上に無機材料層を形成してなる吸音材の場合、各層を構成する繊維の割合を元素分析により求め、繊維含有率が50%以上の部分を繊維層、50%未満の部分を無機材料層とする。
繊維層及び/又は無機材料層が、繊維とその他の成分で共通する元素を有する場合には、単純な元素分析では繊維の含有率を求めることができないため、まず、走査型電子顕微鏡(SEM)−エネルギー分散型X線分光法(EDX)や蛍光X線分析(XRF)等の元素マッピングによって繊維層又は無機材料層を構成する各成分の組成を微量成分も含めて定性的に決定し、その後、誘導結合プラズマ(ICP)発光分析等の精密な定量分析を行うことによって、繊維の含有率を求めることができる。
2層以上の繊維層を用いることにより、吸音材の厚さを容易に調節することができる。
無機繊維は耐熱性が高く、高温での使用環境であっても吸音性能が得られやすい。
無機材料層の厚さが0.1mm未満であると、無機材料層があることによる振動効果が得られにくくなり、300℃以上の温度変化に対して吸音性能が維持されにくくなる。
本発明の吸音材における無機材料層の厚さは、0.1〜50mmであることがより望ましい。無機材料層の厚さが50mmを超えると、吸音材としての機能性能、吸音性は問題ないが、エンジン、エンジンルーム内、車両内装、車両ボディ、排気管の車両用途に吸音材を用いたとき、厚みがネックとなり、車両用途で吸音材を配置することができなくなることがある。
これらの無機繊維は耐熱性が高く、温度変化によって形状変化しにくい。従って、繊維層を構成する無機繊維として好適である。
これらの無機繊維は耐熱性が高く、温度変化によって形状変化しにくい。従って、無機材料層を構成する無機繊維として好適である。
これらの材料を無機材料層を構成する繊維と組み合わせると800〜2000Hzの周波数領域の吸音率を高めることができる。
これらの材料を無機材料層を構成する繊維と組み合わせると、800〜2000Hzの周波数領域の吸音率をさらに高めることができる。
800〜2000Hzの周波数領域の音は、人にとって不快な音である。この周波数領域における平均吸音率が0.6以上であると、人にとって不快な音を吸収することができるので、吸音材としての吸音性能を得ているといえる。
なお、本発明において、「吸音率」とは、JIS A 1405−2:2007「音響管による吸音率及びインピーダンスの測定−第2部:伝達関数法」に準じて測定された吸音率を意味する。
本発明の吸音材は、800〜2000Hzの周波数領域における平均吸音率が0.6以上である吸音性能を有するため、上記用途に好適に用いることができる。
本発明の吸音材は、800〜2000Hzの周波数領域における平均吸音率が0.6以上であるため、該吸音材をエンジン、エンジンルーム用部品、車両内装、車両ボディ又は排気管を構成する部材の表面に、無機材料層が接するように配置してなる本発明の車両部品は、車両内の人への音の伝達を妨げることができる。
以下、本発明の吸音材について詳述する。
図1は、本発明の吸音材の一例を模式的に示す断面図である。
図1に示すように、吸音材1は、繊維層10と繊維層10上に積層された無機材料層20からなる。
図2(a)は、本発明の吸音材を構成する繊維層の一例を示す模式図であり、図2(b)は、本発明の吸音材を構成する無機材料層の一例を示す模式図である。
図2(a)に示すように、繊維層10は繊維11で構成されている。図2(b)に示すように、無機材料層20は繊維21と無機粒子22とで構成されている。繊維11は繊維層10を構成する繊維であり、繊維21は無機材料層20を構成する繊維である。
なお、本発明の吸音材は無機材料層を音源側に配置して使用することが望ましい。
繊維層の厚さが3mm未満であると、音を吸収するためには薄すぎ、充分な吸音性能を確保しにくくなる。
なお、繊維層の厚さが50mmを超えると、吸音材としての機能性能、吸音性としては問題ないが、エンジン、エンジンルーム内、車両内装、車両ボディ、排気管の車両用途に吸音材を用いたとき、厚みがネックとなり、車両用途で吸音材を配置することができなくなることがある。
2層以上の繊維層を用いることにより、吸音材の厚さを容易に調節することができる。2層以上の繊維層は、無機接着剤や有機接着剤等の接着剤により接着されていてもよい。
2層以上の繊維層における各繊維層の厚さは、同じ厚さであっても、異なる厚さであってもよい。2層以上の繊維層における各繊維層の嵩密度は、同じ嵩密度であっても、異なる嵩密度であってもよい。
すなわち、繊維層を構成する繊維は無機繊維であることが望ましい。
無機繊維は耐熱性が高く、温度変化によって形状変化しにくい。そのため、繊維層に無機繊維を用いることで、繊維で形成された空隙内でも音の吸音がされるので吸音性能が得られやすい。
これらの無機繊維は耐熱性が高く、形状変化しにくい。従って、繊維層を構成する無機繊維として好適である。
繊維層を構成する無機繊維は、アルミナ−シリカ繊維であることがより望ましい。
繊維層を構成する繊維の平均繊維長が0.1mm未満であると、繊維が短すぎるため、繊維層において繊維同士が絡みあいにくく、繊維層の強度が得られにくくなり、繊維層の形状保持性が低下してしまい、吸音材としての役目を果たせなくなる。
繊維層を構成する繊維の平均繊維長が150mmを超えると、繊維が長すぎるために繊維層の作製が難しくなる。さらに、繊維層の緻密性が低下し、せん断強度も低下するので、吸音材として割れ等の不具合が発生しやすくなり、吸音材としての役目を果たせなくなる。
繊維の平均繊維長が1mm未満であると、繊維の繊維長が短すぎるため、繊維同士の交絡が不充分となり、繊維層の強度が得られにくくなり、繊維層の形状保持性が低下してしまい、吸音材としての役目を果たせなくなる。さらに、吸音材を排ガス処理体へ巻き付けると、巻き付け性が低下し、吸音材が割れやすくなる。
繊維の平均繊維長が150mmを超えると、繊維の繊維長が長すぎるため、ニードリングする際に、ニードル針に過度に繊維が絡まり、吸音材の形状制御が困難になる場合がある。なお、ニードリング法により得られる繊維層に形成されたニードル痕は、繊維層の厚さ方向に沿って繊維が連続的に絡まった状態であって、繊維層に形成された貫通孔ではない。
繊維の平均繊維長が0.1mm未満であると、繊維の繊維長が短すぎるため、繊維層としての形状保持性が低下してしまう。さらに、繊維層の繊維集合体にしたときに繊維同士に好適な絡み合いが起こらず、充分な面圧を得ることが困難になる。
繊維の平均繊維長が20mmを超える場合、抄造時の原料として用いる繊維の繊維長をさらに長いものとする必要がある。しかしながら、繊維の繊維長が長すぎるため、抄造工程で水に繊維を分散したスラリー溶液中の繊維同士の絡み合いが強くなりすぎて、繊維層の繊維集合体としたときに繊維が不均一に集積しやすくなり、せん断強度も低下するので、吸音材として割れ等の不具合が発生しやすくなる。
本明細書において、平均繊維長とは、繊維層から繊維300本を抜き取り、繊維長を計測した平均長さを意味する。繊維層から繊維を破断せずに抜き取れない場合、繊維層を脱脂処理して、脱脂済み繊維層を水の中へ投入し、繊維同士の絡みをほぐしながら繊維が破断しないように採取するとよい。
繊維の平均繊維径が1μm未満であると、繊維強度が弱く、衝撃等により繊維が裁断されやすくなる。そのため、繊維層の強度が得られにくくなり、吸音材としての役目を果たせなくなる。
繊維の平均繊維径が20μmを超えると、繊維径が太すぎて繊維自体のヤング率が高くなり繊維層の柔軟性が低くなりやすくなる。そのため、吸音材としての役目を果たせなくなる。
無機材料層の厚さが0.1mm未満であると、無機材料層があることによる振動効果が得られにくくなり、吸音性能が維持されにくくなる。
本発明の吸音材における無機材料層の厚さは、0.1〜50mmであることがより望ましい。無機材料層の厚さが50mmを超えると、吸音材としての機能性能、吸音性は問題ないが、エンジン、エンジンルーム内、車両内装、車両ボディ、排気管の車両用途に吸音材を用いたとき、厚みがネックとなり、車両用途で吸音材を配置することができなくなることがある。
これらの無機繊維は耐熱性が高く、温度変化によって形状変化しにくい。従って、無機材料層を構成する無機繊維として好適である。
無機材料層を構成する繊維の平均繊維径が1μm未満であると、繊維強度が弱く、衝撃等により繊維が裁断されやすくなる。そのため、無機材料層の強度が得られにくくなり、吸音材としての役目を果たせなくなる。一方、無機材料層を構成する繊維の平均繊維径が20μmを超えると、繊維径が太すぎて繊維自体のヤング率が高くなり無機材料層の柔軟性が低くなりやすくなる。そのため、吸音材として配置した際に破損しやすく、吸音材としての役目を果たせなくなる。
無機材料層を構成する繊維の平均繊維長が0.1mm未満であると、繊維が短すぎるため、無機材料層において繊維同士が絡みあいにくく、無機材料層の強度が得られにくくなり、無機材料層の形状保持性が低下してしまい、吸音材としての役目を果たせなくなる。
無機材料層を構成する繊維の平均繊維長が20mmを超えると、抄造時の原料として用いる繊維の繊維長をさらに長いものとする必要がある。しかしながら、繊維の繊維長が長すぎるため、抄造工程で水に繊維を分散したスラリー溶液中の繊維同士の絡み合いが強くなりすぎて、繊維層の繊維集合体としたときに繊維が不均一に集積しやすくなり、せん断強度も低下し、吸音材として割れ等の不具合が発生しやすくなる。さらに、無機材料層の緻密性が低下し、せん断強度も低下するので、吸音材として割れ等の不具合が発生しやすくなり、吸音材としての役目を果たせなくなる。
これらの材料を無機材料層を構成する繊維と組み合わせると800〜2000Hzの周波数領域の吸音率を高めることができる。
アルミナ系材料としては、アルミナ粒子等が挙げられる。
カーボン系材料としては、カーボン粒子等が挙げられる。
チタニア系材料としては、チタニア粒子等が挙げられる。
粒子形状が球形でない無機粒子の粒子径は、投影面積円相当径(ヘイウッド径ともいう)とする。
800〜2000Hzの周波数領域の音は、人にとって不快な音である。この周波数領域における平均吸音率が0.6以上であると、人にとって不快な音を吸収することができるので、吸音材としての吸音性能を得ているといえる。
本発明の吸音材は、800〜2000Hzの低周波数領域における吸音性能が得られる。そのため、車両用途に好適に用いることができる。
本発明の車両部品は、本発明の吸音材を、エンジン、エンジンルーム用部品、車両内装、車両ボディ又は排気管を構成する部材の表面に、上記無機材料層が接するように配置してなることを特徴とする。
本発明の吸音材は、800〜2000Hzの周波数領域における平均吸音率が0.6以上であるため、該吸音材をエンジン、エンジンルーム用部品、車両内装、車両ボディ又は排気管を構成する部材の表面に、無機材料層が接するように配置してなる本発明の車両部品は、車両内の人への音の伝達を妨げることができる。
以下の説明する本発明の吸音材の製造方法は、(1)繊維層作製工程、(2)無機材料層形成工程及び(3)積層工程を含む。
本工程では、繊維層を準備する。繊維層を準備する方法は特に限定されない。以下に、その一例である抄造法による繊維層を準備する方法を説明する。以下に説明する抄造法は、混合液調製ステップと、脱水ステップと、加熱加圧ステップとを含んでいる。
繊維と、無機バインダと、水とを混合し、攪拌機で撹拌することにより混合液を調製する。この際、必要に応じて有機バインダを混合してもよい。なお、本ステップで用いる繊維の望ましい種類等は、既に説明しているのでここでの説明は省略する。
混合液調製ステップにより得られた混合液を底面にろ過用のメッシュが形成された成形器に流し込む。その後、混合液中の水を、メッシュを介して脱水することにより原料シートを作製する。
原料シートを加熱加圧し、繊維層を作製する。また、加熱加圧の際、原料シートに熱風を通気させて乾燥する熱処理をしてもよく、あるいは熱処理をせずに湿潤状態としてもよい。
以上のステップを経て繊維層を準備することができる。
本工程では、無機材料層を形成する。無機材料層の形成の方法は、特に限定されないが、繊維と無機粒子との混合物を溶媒中に分散させて、底面にメッシュ等を用いた成型器に該混合物を流し込んで脱溶媒する方法(抄造)や、繊維からなる層状物に対して無機粒子が分散した溶媒中を付与し脱溶媒する方法(含浸)等が挙げられる。
抄造により無機材料層を形成する方法を以下に説明する。
本ステップでは、脱溶媒により無機材料層を形成する無機材料層スラリーを準備する。なお、原料となる繊維及び無機粒子の種類等については、既に説明しているので、ここでの説明は省略する。
本ステップでは、まず、溶媒である水と繊維及び無機粒子とを混合して無機材料層スラリーを準備する。このとき、必要に応じて有機バインダ、無機バインダ等を添加してもよい。有機バインダとしては、ポリアクリルアミド等のアクリル樹脂等を用いることができる。無機バインダとしては、シリカ、シリカゾル、シリカゲル等を用いることができる。
本ステップでは、無機材料層スラリー準備ステップによって準備された無機材料層スラリーを所定形状のメッシュ上に流し込み、無機材料層スラリーを構成する繊維及び無機粒子を溶媒と分離することにより、少量の溶媒を含んだ繊維及び無機粒子からなる混合物層が得られる。
本ステップでは、抄造ステップで除去しきれなかった溶媒を上記混合物層から除去することにより無機材料層を得る。乾燥の条件は、特に限定されないが、70〜100℃、5〜15分の条件であることが望ましい。
本工程では、繊維層と無機材料層とを積層する。
繊維層と無機材料層とを積層する方法は特に限定されないが、無機接着剤や有機接着剤等の接着剤により接着する方法や、無機材料層を繊維層上で形成する[例えば、上記(2)無機材料層形成工程におけるメッシュの代わりに繊維層を用いる]方法等が挙げられる。
以下に本発明をより具体的に説明する実施例を示すが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
(1)繊維層の作製
ニードリング法によって繊維層を作製した。
Al含有量が70g/Lであり、Al:Cl=1:1.8(原子比)となるように調製した塩基性塩化アルミニウム水溶液に対して、焼成後の無機繊維における組成比が、アルミナ(Al2O3):シリカ(SiO2)=72:28(重量比)となるようにシリカゾルを配合し、さらに、有機重合体(ポリビニルアルコール)を適量添加して混合液を調製した。
得られた混合液を濃縮して紡糸用混合物とし、この紡糸用混合物をブローイング法により紡糸して無機繊維前駆体を作製した。
紡糸した無機繊維前駆体を積層して、ニードリング処理し、シート状物を2枚作製した。
得られた各シート状物を、最高温度1250℃で連続して焼成し、長さ50mm、幅50mm、厚さ7mmの、アルミナとシリカとを72:28(重量比)で含む無機繊維(繊維層を構成する繊維)からなる繊維層を1枚得た。
得られた繊維層の嵩密度は0.15g/cm3であり、坪量は1050g/m2であった。
得られた繊維層は上記無機繊維のみで構成されているから、繊維層における繊維の含有率は、100重量%であった。
(2)無機材料層の作製
抄造法によって無機材料層を作製した。
セラミックファイバー(製品名:イビウール−Eバルク 製造元:イビデン(株))22重量部、無機粒子であるシリカ粒子(製品名:CARPLEX #30 製造元:DSL.ジャパン(株))45重量部及びチタニア粒子(製品名:ルチールフラワーS 製造元:キンセイマテック(株))22重量部、無機バインダであるシリカゾル(製品名:スノーテックス 製造元:日産化学工業(株))8重量部及び粉末硫酸バンド(製造元:王子製紙(株))1重量部、並びに、有機バインダであるカチオン性ポリアクリルアミド(製品名:RD7142 製造元:星光PMC(株))2重量部を水200重量部と混合して原料液を調製した。
底面に40mm×40mmのメッシュが形成された成形器に、調製した原料液を目付量が400g/cm2となるように流し込み、原料液中の水をメッシュを介して脱水することにより原料シートを作製した。原料シートを圧縮、乾燥させて厚さ7mmの無機材料層を得た。なお、無機材料層の密度は、4g/cm3であった。
得られた無機材料層における繊維の含有率を元素分析(SEM−EDX及びICPを併用した)で測定したところ、含有率は、22重量%であった。
(1)で得られた繊維層上に(2)で得られた無機材料層を積層することで、実施例1に係る吸音材を得た。
(1)繊維層の作製において作製する繊維層を厚さ7mm×2枚としてこれを積層し、(2)無機材料層の作製を行わなかったほかは実施例1と同様の手順で比較例1に係る吸音材を作製した。
(1)繊維層の作製を行わず、(2)無機材料層の作製において作製する無機材料層の厚さを14mmに変更したほかは、実施例1と同様の手順で比較例2に係る吸音材を作製した。
吸音率は、垂直入射吸音率試験により行った。測定はJIS A 1405−2:2007「音響管による吸音率及びインピーダンスの測定−第2部:伝達関数法」に準じて行った。
吸音率を測定する際には、実施例1及び比較例1〜2に係る吸音材を直径Φ29mmの円形となるようにカットして測定用サンプルとし、垂直入射吸音率の測定装置(日東紡音響エンジニアリング製 型番:WinZac MTX)の音響管に配置した後、周波数500〜6400Hzの範囲で測定を行った。
この測定装置80では、音響管81の先端にサンプル82が配置されており、ノイズ発生器83からの信号によりスピーカー84からノイズを発生させ、音響管81の内部に音場を生成させる。そして、2本の1/4インチマイクロホン85、86の音圧信号をFFT分析器87によりFFT(高速フーリエ変換)分析し、垂直入射吸音率を算出する。
なお、各吸音材のどちらの面をスピーカー(音源)側に向けて配置したかは、表1の通りである。
実施例1及び比較例1〜2に係る吸音材の吸音率測定のチャートをそれぞれ、図4及び図5〜図6に示す。さらに、実施例1、比較例1及び比較例2の吸音率測定のチャートを1つにまとめたものを、図7に示す。なお、図4〜7において、縦軸は垂直入射吸音率であり、横軸は周波数である。
また、1/3オクターブバンドに区切った800、1000、1250、2000Hzの各角周波数の平均吸音率を算出し、最大吸音率と共に表1に示す。
10 繊維層
11 繊維
20 無機材料層
21 繊維
22 無機粒子
80 測定装置
81 音響管
82 サンプル
83 ノイズ発生器
84 スピーカー
85、86 マイクロホン
87 FFT分析器
Claims (13)
- 繊維層と無機材料層からなる吸音材であって、
前記繊維層と前記無機材料層は接しており、
前記繊維層における繊維の含有率が、50重量%を超えており、
前記無機材料層は、繊維と無機粒子からなり、
前記無機材料層における繊維の含有率が、50重量%以下であることを特徴とする吸音材。 - 前記繊維層の密度は、前記無機材料層の密度よりも小さい請求項1に記載の吸音材。
- 前記無機材料層の密度は3〜6g/cm3である請求項1又は2に記載の吸音材。
- 前記繊維層の厚さは3mm以上である請求項1〜3のいずれかに記載の吸音材。
- 前記繊維層は、2層以上の繊維層を積層することにより構成されている請求項1〜4のいずれかに記載の吸音材。
- 前記繊維層は、無機繊維で構成されている請求項1〜5のいずれかに記載の吸音材。
- 前記無機材料層の厚さは0.1mm以上である請求項1〜6のいずれかに記載の吸音材。
- 前記繊維層を構成する繊維は、アルミナ繊維、アルミナ−シリカ繊維、シリカ繊維、生体溶解性繊維、グラスウール及びロックウールからなる群から選択される少なくとも1種の無機繊維からなる請求項1〜7のいずれかに記載の吸音材。
- 前記無機材料層を構成する繊維は、アルミナ繊維、アルミナ−シリカ繊維、シリカ繊維、生体溶解性繊維、グラスウール及びロックウールからなる群から選択される少なくとも1種の無機繊維からなる請求項1〜8のいずれかに記載の吸音材。
- 前記無機粒子は、シリカ系材料、アルミナ系材料、カーボン系材料及びチタニア系材料からなる群から選択される少なくとも1種の材料である請求項1〜9のいずれかに記載の吸音材。
- 前記無機粒子は、シリカ粒子、シリカゾル、シリカゲル、アルミナ粒子、カーボン粒子及びチタニア粒子からなる群から選択される少なくとも一種の材料である請求項10に記載の吸音材。
- 前記吸音材は、エンジン、エンジンルーム内、車両内装、車両ボディ及び排気管からなる少なくとも1種の部分に用いられる請求項1〜11のいずれかに記載の吸音材。
- 請求項1〜11のいずれかに記載の吸音材を、エンジン、エンジンルーム用部品、車両内装、車両ボディ又は排気管を構成する部材の表面に、前記無機材料層が接するように配置してなることを特徴とする車両部品。
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