DE2327718A1 - Daempfungsmittel fuer vibrierende teile - Google Patents

Daempfungsmittel fuer vibrierende teile

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David Alden Thomas
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Description

Priorität: 31. Mai 1972, USA, Nr. 258 391
Dämpfungsmittel f-ür vibrierende Teile
IOT*
Die Erfindung betrifft das Dämpfen von vibrierenden bzw. schwingenden und/oder lärmaussendenden Konstruktionen Teilen, wie Werkzeugen, Maschinenteilen', Maschinengehäusen, Transformatorgehäusen, Automobilen und dergleichen. Die Erfindung betrifft spezieller ein Dämpfungsmittel, das' eine Oberflächenschicht oder einen Überzug zum Dämpfen von schwingenden oder lärmaussendenden Oberflächen umfaßt.
Es wurden bereits zahlreiche Oberflächenüberzüge zum Dämpfen von vibrierenden Oberflächen vorgeschlagen. Bis haute hat jedoch keiner dieser Überzüge einen geeigneten Grad der Wirksamkeit innerhalb eines ausreichend breiten Temperaturbereiches gezeigt; um seine ausgedehnte Verwendung für verschiedene Anwendungszweck© zu rechtfertigen. So nehmen zahlreiche schwingende Oberflächen-.wie in Boehgeschwindigkeitsmascbinehy elektrischen Vorrichtungen und dergleichen, relativ hohe Temperaturen an. Andere Vorrichtungen müssen bei Temperaturen betrieben werden, die sowohl oberhalb als auch unterhalb Raumtemperatur liegen. Bis heute wurde kein dämpfendes Oberflächen-BescMchtungsmaterial bekannt, das zur Dämpfung innerhalb der breiten Temperaturbereiche wirksam -ist, die
normalerweise bei der praktischen Verwendung vorkommen.
Darüberhinaus waren die zum Dämpfen schwingender Oberflächen bisher verwendeten Materialien sehr schwierig auf diese aufzutragen und zum Haften an der Oberfläche zu bringen. Es war im allgemeinen erforderlich, die Oberfläche mit einer vorgebildeten Dämpfungsschicht zu bedecken, die schwierig an der Oberfläche zu befestigen ist, oder hochviskose Überzüge auf die Oberfläche aufzutragen, die im Hinblick auf Dicke und dergleichen schwierig zu regeln sind.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein leicht aufzutragendes und fest haftendes Dämpfungsmaterial für schwingende Teile zu schaffen, das innerhalb eines ausreichend breiten Temperaturbereiches gute Wirksamkeit zeigt.
Gegenstand der Erfindung ist ein Dämpfungsmittel für schwingende oder lärmaussendende Teile, das aus einer Innenschicht oder einem überzug eines auf diese Teile aufgetragenen und an ihnen haftenden viskos-elastischen Materials und einer versteifenden Außenschicht aus Kunststoff besteht, die auf. die Schicht aus dem viskos-elastischen Material aufgetragen ist und an dieser haftet. Erfindungsgemäß besteht das viskos-elastische Material aus einer Masse mit einem verflochtenen Polymer-Netzwerk, die im wesentlichen aus 5 bis 95 Gew.96 eines vernetzten Kunstharzes und 5 bis 95 Gew.% eines vernetzten Elastomeren besteht, deren Polymer-Netzstrukturen unabhängig voneinander vernetzt wurden. Das erfindungsgemäß vorliegende viskos-elastische Material stellt ein sogenanntes Polyblend-Material (polyblended material) dar.
Das Dämpfen von schwingenden oder läriaaussendenden Oberflächen kann erreicht werden, indem zuerst mit der Oberfläche, vorzugsweise durch Beschichten, eine Schicht des vorstehend beschriebenen viskos-elastischen Materials verbunden wird. Eine Hemm- oder Versteifungssehicht aus Kunstharz oder Kunststoff wird dann mit der ersten Schicht verbunden, Vorzugs-
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weise durch Beschichten, um das Vibrations-Dämpfungssystem fertigzustellen.
Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf Fig. 1 der Zeichnungen veranschaulicht. Die Bezugsziffer 1 bedeutet das zu dämpfende schwingende Teil. Das Dämpfungssystem 4 enthält die viskos-elastische Innenschicht 2 und die äußere versteifende Kunststoffschicht 3· ·
Die miteinander verflochtenen Polymer-Netzstrukturen (nachstehend auch als IPN bezeichnet), aus denen das viskos-elastische Material besteht, sind in der US-Patentanmeldung von Sperling vom 6. Mai 1970 beschrieben. Diese Polymermassen werden hergestellt, indem ein Monomeres sowie ein Vernetzungsmittel einer bereits vorliegenden vernetzten Polymer-Netzstruktur einverleibt werden und danach das Monomere in situ unter Bildung einer zweiten Polymer-Netzstruktur polymerisiert wird. Beide Polymer-Netzstrukturen sind innerhalb der Masse zusammenhängend und chemisch relativ voneinander unabhängig. Das wesentliche Merkmal dieser einander durchdringenden. Polymer-Netzstrukturen (IPN) ist die Tatsache, daß diese Netzstrukturen einander im molekularen Maßstab durchdringen, d.h., daß sich beide Netzstrukturen räumlich innerhalb großer Bereiche erstrecken. Die Einführung eines Vernetzungsmittels in jede Komponente der verflochtenen Polymer-Netzstruktur verhindert eine grobe Phasentrennung und fördert das homogene Vermischen und das gegenseitige Durchdringen der betreffenden Polymerbestandteile. Es kann zwar zu einem gewissen restlichen Anteil Pfropfcopolymerisation eintreten, die jeweiligen polymeren Netzstrukturen sind jedoch im wesentlichen -chemisch voneinander unabhängig. Es ist jedoch festzuhalten, daß die Pfropfpolymerisation die Dämpfungswirkung nicht stört. Im allgemeinen ist eine Pfropfcopolymerisation bis etwa 25%, bezogen auf das Gewicht der an der Reaktion teilnehmenden Monomeren bzw. Polymeren zulässig. /
Die Fähigkeit der viskos-elastischen Schicht, ein breites Dämpfungsspektrum zu zeigen, beruht auf der Tatsache, daß
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eine grobe Phasentrennung in dem Material aufgrund der Vernetzung in der Netzstruktur jeder Komponente unterdrückt wird. Ohne Verwendung des Vernetzungsmittels wird die innige und weitgehende Durchmischung und gegenseitige Durchdringung der jeweiligen Netz strukturen aufgrund der Phasentrennung zerstört, sodaß innerhalb der viskos-elastischen Schicht große Bereiche oder Inseln aus nur einer Komponente gebildet werden. Dieser Zusammenbruch der Struktur bewirkt eine Verminderung des Temperaturbereiches, in welchem die Schicht ein wirksames Schwingungsdämpfungsmittel darstellt.
Die bisher bekannten sogenannten Pfropfcopolymeren sind ebenfalls unwirksam, da ein großer Teil der Moleküle praktisch Homopolymere, nicht jedoch echte Pfropfcopolymerisate darstellen. Es besteht daher die Neigung, daß die Phasen größer sind und leichter voneinander trennbar sind, was mit einer Verminderung der Dämpfungswirksamkeit verbunden ist.
Im allgemeinen wird jeder Komponente der einander durchdringenden Polymer-Netzstrukturen eine solche Menge an Vernetzungsmittel zugesetzt, daß etwa 0,10 bis etwa 25% Vernetzungen, bezogen auf das Gewicht der an der Vernetzungsreaktion teilnehmenden Polymeren bzw. Monomeren erzielt werden.
Zur Herstellung der verflochtenen Polymer-Netzstruktur kann praktisch jedes beliebige Paar eines Elastomeren und eines Kunstharzes angewendet werden, es wird jedoch bevorzugt, daß die gebildeten Polymeren miteinander halb-verträglich (semicompatible) sind, d.h. daß sie teilweise mischbar sind und Einfriertemperaturen (Glasübergangspunkte) oder Erweichungspunkte haben, die nahe der höchsten und niedrigsten Temperatur des beabsichtigten Verwendungszwecks liegen. Die einander durchdringenden Polymer-Netzstrukturen aus halb-vertraglichen Komponenten führen zu einem breiten Dämpfungsspektrum, und bewirken eine brauchbare Dämpfung über einen breiten Temperaturbereich.
Im allgemeinen wird die verflochtene Polymer-Netzstruktur durch Einarbeiten eines zweiten Monomeren und eines dafür
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geeigneten Vernetzungsmittels in ein bereits vorher vernetztes Polymermaterial, was vorzugsweise durch Quellen erfolgt, und anschließende Polymerisation und Vernetzung des zweiten Monomeren in situ hergestellt, wobei eine, unabhängige und die erste Netzstruktur durchdringende zweite Polymer-Netzstruktur gebildet wird. Dann wird die Versteifungsschicht auf diese Schicht aufgetragen.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann wahlweise ein Überschuß des den Kunststoff bildenden Monomeren auf eine mit dem Elastomeren beschichtete Oberfläche aufgetragen werden. Ein Teil des Monomeren dringt durch Quellen in das Elastomere ein und ein Teil verbleibt als Überzugsschicht auf dieser Elastomerschicht. Durch Polymerisation und Vernetzung werden dann gleichzeitig die Schicht aus den einander durchdringenden Polymer-Netzstrukturen und die Versteif ungsschicht gebildet und als Gesamtheit miteinander verbunden.
Die Polymerisation der jeweiligen Netzstrukturen kann nach üblichen Methoden erfolgen, beispielsweise durch Bestrahlung mit Ultraviolettlicht, durch Erwärmen und Katalyse und dergleichen.
Die Kunstharzschicht muß hart und steif sein und hat vorzugs-
10 2 weise einen Young*sehen Modul von mehr als 1 χ 10 dyn/cm bei der Temperatur der vorgesehenen Anwendung. Bevorzugt werden Kunstharze auf Epoxydbasis, die vorzugsweise mit teilchenförmigen und/oder faserigen Füllstoffen verstärkt sind. Es eignen sich auch andere Kunststoff-bildende Materialien, wie Acrylharze, Phenol-Formaldehydharze und dergleichen.
Das einzige andere Erfordernis für die.aus Kunststoff bestehende Versteifungsschicht besteht darin, daß sie die erforderliche Wärmebeständigkeit für den beabsichtigten Anwendungszweck hat und daß sie befähigt ist, eine feste Bindung mit der Schicht der einander durchdringenden Polymer-Netzstrukturen auszubilden.
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Gemäß einer bevorzugten Methode wird das verflochtene Polymer-Netzwerk in Latexforifl durch Emulsionspolymerisation hergestellt. Zu der ersten vernetzten Polymer-Netzstruktur, die entweder ein Kunstharz oder ein elastomeres Material, jedoch vorzugsweise ein Kunststoff in Form eines Impflatex (seed latex) ist, wird das zweite Monomere zusammen mit dem Vernetzungsmittel gegeben. Die Polymerisation der zweiten Netzstruktur nach Emulsionspolymerisationmethoden vervollständigt den Latex der einander durchdringenden Polymer-Netzstrukturen« Die Endkonzentration des in der wässerigen Phase dispergierten Polymeren kann 5 bis 60 Gew.$, vorzugsweise zwischen 20 und 45 Gew,$, betragen.
Der Latex, der gewünsentenfalls mit üblichen Füllstoffen, Stabilisatoren, Verdickungsmittel·!! und dergleichen vermischt wurde, wird dann in Form eines Überzugs mit Hilfe einer Aufstreichvorrichtung, Walzen-Einrichtung, Spritzpistole, durch Eintauchen oder nach anderen üblichen Methoden auf die zu dämpfende Oberfläche aufgetragen. Nach dem Trocknen wird die" aus Kunststoff bestehende versteifende Schicht durch ähnliche Methoden aufgebracht. Nach dem Härten ist das Dämpfungssystem gebrauchsfertig. Die erste Beschichtung sollte vor dem Auftragen der versteifenden Schicht härten oder trocknen. Die zuletzt genannte Schicht sollte dann vor der Anwendung der Dämpfungsstruktur aushärten gelassen werden.
Die Schwingungsdämpfungseigenschaften des viskos-elastischen Überzugs können durch Zusetzen von Füllstoffen verbessert werden. Von besonderem Wert sind plättchenartige Füllstoffe, wie Glimmer und dergleichen. Diese Füllstoffe neigen dazu, sich längs der Ebene der zu dämpfenden Oberfläche unter Bildung eines schichtartigen Querschnitts auszurichten. Dieser Schichtungseffekt bewirkt die Verstärkung der viskos-elastischen Schicht und erhöht ihre Schwingungsdämpfungseigenschaften.
Zur Bildung der Schicht aus einander durchdringenden Polymer-Netzstrukturen geeignete Elastomere sollten einen
Λ Cl O
Young'sehen Modul unter 1 χ 10 dyn/cm . bei der Temperatur -. j - ■
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des beabsichtigten Verwendungszwecks haben. Zu geeigneten Materialien gehören Poly(alkylacrylate), wie Poly (äthylacrylat) oder Poly (butylacrylat), Poly (vinylacetat), Polyurethane, Polybutadien, Naturkautschuk, Siliconkautschuk, Butylkatuschuk, Chloropren-, Äthylen-Propylen-Terpolymer-Elastomere, Polyvinylalkohol, Thiokolkautschuk und Copolymere dieser Materialien..
Zur Ausbildung der verflochtenen Polymer-Netzstruktur geeignete Kunststoffe sollten bei der Anwendungstemperatur einen Young'sehen Modul von mehr als 1 χ 10 dyn/cm aufweisen« Zu solchen Materialien gehören Poly (alky!methacrylate), wie Poly (methylmethacrylat) oder Poly (äthylmethacrylat), Polystyrol, Poly (c^-methylstyrol), Poly (1-alkene), wie Polypropylen, Polyacrylsäure und deren Copolymere. Eine bevorzugte Kombination aus Kunststoff und Elastomerem ist die Kombination von Poly (äthylmethacrylat) und Poly (butylacrylat) im Verhältnis 50:50.
Zu geeigneten Kunststoffen für die versteifende Schicht gehören Epoxyharzmassen, Phenol-Formaldehyd-Harze, Melaminharze, Polyurethanharze und -schäume, Polystyrol, Poly (o£- methylstyrol), Poly (methylmethacrylat) und andere Poly (älky!methacrylate), Polyphenylenoxyd, Polycarbonate, Polysulfone, Polyimide, Polyacrylnitril, ABS-Kunststoffe, Polyvinylchlorid, Polytetrafluorethylen und andere fluorierte Polymere, Polyamide, Polyester, ungesättigte Polyesterharze, Polyacetale, Phenolharze, Aminoharze, wie Melamin- und Harnstoff-Harze, sowie Celluloseester-Materialien. Verstärkende Füllstoffe, wie fein verteilte Kieselsäuren oder Ruß oder faserige Füllstoffe, wie Glasfasern oder Asbestfasern, können in Anteilen zwischen 5 und 60 Gew.96 zugesetzt v/erden. Eine bevorzugte Verstärkungsschicht besteht aus Epoxyharz, das mit einem Gemisch aus Kieselsäure und Ruß in einem Anteil von 3C$ gefüllt ist.
Die Dicke der verschiedenen Überzugsschichten ist nicht, allzu kritisch und hängt von der in Betracht gezogenen speziellen Anwendung ab. Im allgemeinen kann die Dicke der vis-,
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kos-elastischen Schicht im Bereich von etwa 0,025 mm bis etwa 2,5 mm liegen, während die Schicht der aus Kunststoff bestehenden verstärkenden oder versteifenden Schicht zwischen etwa 0,025 mm und etwa 2,5 mm variieren kann. (1-1 oo rails)
-Diese Materialien können auch wiederholt aufgetragen werden, um Dämpfungssysteme aufzubauen, die eine Dicke aus verschiedenen Schichten haben und aus abwechselnden Schichten der verflochtenen Polymer-Netzstrukturen als Dämpfungsmaterial und des verstärkenden Kunststoffes bestehen.
Zu geeigneten Vernetzungsmitteln für die Kunstharzmaterialien und Elastomeren gehören Divinylbeiszol, Tetraäthylenglycol-dimethacrylat und andere mehrere Doppelbindungen enthaltende Monomere.
Beispiel 1
Ein Gemisch aus 100 Teilen Äthylacrylat, 2 Teilen Tetraäthylengiyool-dimethacrylat (Vernetzungsmittel) und 0,3 Teilen Benzoin (Aktivator) wurde in Form «ines Films auf dem zu dämmenden Substrat fotopolymerisieri. Anschließend wurde ein Gemisch aus 100 Teilen Styrol, 2 feilen Divinylbenzol (Vernetzungsmittel) und 0,3 Teilen Benzoin durch Quellen in die Oberfläche dieses Films eindringen gelassen und fotopolymerisiert, bevor das Gleichgewicht des Quellens erreicht war. Dieses Polystyrol bildet sowohl die Kunststoffkomponente der verflochtenen Polymer-Netzstruktur als auch die Kunststoff-Verstärkungsschicht .
Mehrere 12,7 cm χ 2,5 cm χ 0,25 cm große Blattfedern aus Aluminium wurden in der vorstehend beschriebenen Weise 2,5 cm neben der festzuhaltenden Basis beschichtet. Die Gesamtdicke des Überzugs betrug etwa 2,5 mm. Nachdem die Federn in eine Schwingungsbewegung gebracht wurden, wurde die Zeit festgestellt, nach der die sichtbare Schwingung aufhörte. Dabei wurden folgende Ergebnisse erzielt:
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Probe % Polystyrol . Sehwingungsdauer, Sek.
1 kein Polymerüberzug 5
2 0.5
3 30 -96 3
4 40 % 1,5
Beispiel 2 >
Polymerisate mit einander durchdringenden Polymer-Netzstrukturen in Form eines Latex, auf Basis von Poly (n-butylacrylat) und Poly (äthylmethacrylat) wurden durch Emulsionspolymerisation hergestellt. Dabei wurde folgende Verfahrensweise angewendet:
Zu 300 Teilen entlüftetem entionisiertem gerührtem Wasser, das bei 600C gehalten wurde, wurden 50 Teile einer A0%~igen Natriumlaurylsulfatlösung und 5 Teile einer 5%-igen Kaliumpersulfatlösung gegeben. 30 Teile monomeres Äthylmethacrylat, das 0,4?£ Te.traäthylenglyeol-dimethacrylat (Vernetzungsmittel) enthielt, wurden tropfenweise während einer Dauer von 15 Minuten, während der die Polymerisation eintrat, zugegeben. Danach wurden während des gleichen Zeitraums 30 Teile monomeres n-Butylacrylat, das 0,4% Tetraäthylenglycol-dimethacrylat (Vernetzungsmittel) enthielt, zugegeben, wobei während der Zugabedauer das zweite Monomere polymer is ierte. Aus diesem Latex wurde ein Testfilm gegossen. Die Verfahrensweise wurde wiederholt, wobei dieses Mal zuerst das n-Butylacrylat und anschließend das Äthylmethacrylat polymerisiert wurde. Die Polymerisation erfolgte in beiden Fällen durch Erhitzen.
Der Speichermodul und der Verlustmodul (storage and loss moduli, E1 und E") dieser beiden Filme wurde als Funktion der Temperatur in Fig. 2 aufgetragen. Die Dämpfungswirkung wird durch die Höhe der E*'-Werte durch die mit ausgefüllten Kreisen und Dreiecken angezeichneten Kurven angegeben. Es ist wichtig festzustellen, daß hohe Dämpfungswirkung bei Temperaturen von -500C bis +750C erzielt wird, einem 125°C
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umfassenden Bereich. Gewöhnliche Homopolymere zeigen Dämpfungswirkung nur innerhalb eines Bereiches von 20 his 300C.
Anteile dieser Latexmaterialien wurden durch Aufstreichen oder Beschichten auf Testgegenstände, wie Glocken, aufgetragen. Nachdem sie mit einer Verstärkungsschicht aus mit Kieselsäure/Ruß verstärkten Epoxyharzen auf Basis von Diglyci» dyläthern von Bisphenol-A, mit Polyaminen als Härtungsmittel, versehen worden waren, wurde eine starke Verminderung des Geräuschpegels beobachtet.

Claims (15)

Patentansprüche
1. Dämpfimgsmittel für einen vibrierenden Körper, bestehend aus einer Innenschicht eines auf die Oberfläche dieses Körpers aufgetragenen viskos-elastischen Materials, das einander durchdringende Polymer-Netzstrukturen umfaßt, die im -wesentlichen aus 5 bis 95 Gew.#> eines Elastomeren und 95 bis 5 Gew.^ eines Kunststoffes bestehen und unabhängig voneinander vernetzt wurden,
und einer versteifenden Kunststoffschicht, die auf die Schicht aus dem viskos-elastischen Material aufgebracht und mit dieser verbunden ist.
2. Dämpfungsmittel nach Anspruch 1, dadurch g e kennzeichn et, daß das viskos-elastische Material als Elastomeres Poly (äthylacrylat) enthält.
3. Dämpfungsmittel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichn et, daß das viskos-elastische Material als Kunstharz Poly (methylmethacrylat) enthält. '
4. Dämpfungsmittel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch . gekennzeichnet, daß das viskoselastische Material als Kunststoff Polystyrol enthält.
5. Dämpfungsmittel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gek e nnzeichnet, daß die Innenschicht des A'-iskos.-elastischen Materials in Form eines Latex auf den Körper aufgetragen wurde.
' 309850/0906 λ
6. Dämpf ungsmitt el nach einein der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die aus Kunststoff bestehende versteifende Außenschicht aus Polystyrol, Poly (methylmethacrylat) oder Epoxyharzen besteht.
7. Dämpfungsmittel nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die aus Kunststoff bestehende versteifende Außenschicht aus einem mit einem Füllstoff verstärkten Kunststoff besteht.
8. Verfahren zum Dämpfen einer schwingenden Oberfläche mit Hilfe eines Dämpfungsmittels, dadurch gekennzeichnet , daß man auf die Oberfläche eine Schicht eines viskos-elastischen Materials aufträgt, das einander durchdringende Polymer-Netzstrukturen umfaßt, die im wesentlichen aus 5 bis 95 Gew.% eines Elastomeren und 5 bis 95 Gew.?£ eines Kunstharzes bestehen, welche unabhängig voneinander vernetzt sind, und auf diese Schicht des viskos-elastischen Materials eine versteifende Schicht aus Kunststoff aufbringt.
9« Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß man die Schichten durch Aufstreichen aufträgt.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet ,- daß man als Elastomeres Poly (äthylacrylat) verwendet.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10,dadurch gekennzeichnet . daß ι-.;&η als Kunstharz in de;„
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viskos-elastischen Material Polystyrol oder Poly (methylmethacrylat) verwendet.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet , daß man als Kunststoff für die versteifende Kunststoffschicht Polystyrol·, Poly (methylmethacrylat) oder Epoxyharze verwendet.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, d a d u r ch gekennzeichnet , daß man zum Auftragen des viskos-elastischen Materials auf die Oberfläche eine Schicht aus dem vernetzten Elastomeren oder Kunststoff aufträgt,, diese Schicht durch einen Überzug eines Monomeren der entsprechenden anderen Elastomer- oder Kunststoffkomponente und einem Vernetzungsmittel quellen läßt und das Monomere unter Bildung der Schicht aus einander durchdringenden"Polymer-Netzstrukturen polymerisiert.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß man zum Aufbringen des viskos-elastischen Materials auf die Oberfläche einen Latex der Masse mit einander durchdringenden Polymer-Netzstrukturen aufträgt.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß man als Kunststoff für die versteifende Schicht einen mit Füllstoff verstärkten Kunststoff verwendet.
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