DE3337526C2

DE3337526C2 - Vibrationsdämpfungsmaterial auf Polymer-Basis mit einem schuppenförmigen Füllstoff

Info

Publication number: DE3337526C2
Application number: DE3337526A
Authority: DE
Inventors: Michiharu Matsuzaka Mishima; Yoshihiro Sendai Sugata; Kaoru Sendai Umeya
Original assignee: Central Glass Co Ltd
Current assignee: Central Glass Co Ltd
Priority date: 1982-10-15
Filing date: 1983-10-14
Publication date: 1986-11-13
Also published as: JPS5970559A; JPH0150353B2; DE3337526A1; US4623586A

Abstract

Ein Vibrationsdämpfungsmaterial besteht aus einem organischen Polymer als Matrix mit darin verteiltem Schuppenfüllstoff. Die Ausrichtung der Füllstoffschuppen wird so gesteuert, daß die Hauptflächen der einzelnen Schuppen einen Winkel von 0° ± 30° zu einer vorbestimmten Ebene bilden. Das Vibrationsdämpfungsmaterial wird zur Ausbildung einer Dämpfungsschicht an einer zu dämpfenden Oberfläche benutzt. Bei Dehnungsvibrationsdämpfung, bei der nur die Dämpfungsschicht benutzt wird, liegt die Ebene parallel zur Hauptfläche der Dämpfungsschicht. Falls eine Deckschicht auf der Dämpfungsschicht vorgesehen ist, liegt die erwähnte Ebene senkrecht zur Hauptfläche der Dämpfungsschicht. Der verwendete Schuppenfüllstoff ist normalerweise ein anorganisches Material, und die Schuppen können mit organischem Polymer beschichtet sein. Es ergeben sich große Werte des Verlustmoduls bei Dehnungsdämpfung und große Werte des dynamischen Verlustfaktors bei Zwangsscherdämpfung in weiten Temperatur- und Frequenzbereichen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Vibrationsdämpfungsmaterial, das eine schichtförmige Matrix aus einem organisehen Polymer und einen darin verteilten schuppenförmigen Füllstoff aufweist, dessen Schuppen eine Dicke von 1 bis 100 um und einen Durchmesser von mindestens den lOfachen der Dicke haben, wobei die Hauptoberflächen der einzelnen Schuppen in einem Winkel von 0° ±30° zu einer vorbestimmten Ebene ausgerichtet sind.

Für Vibrationsdämpfungsmaterialien werden im allgemeinen viskoelastische Materialien genutzt bei denen ein organisches polymeres Material als Hauptbestandteil verwendet wird sowie zusammengesetzte Materialien

auf der Grundlage von organischen polymeren <3rundmaterialien. Zur Dämpfung von Vibrationen plattenartiger Gebilde wird ein Vibrationsdämpfungsmaterial in direkte Berührung mit einer Oberfläche der Platte gebracht, am eine Deckschicht ausreichender Stärke zu bilden. Wie bekannt, werden dabei zwei grundsätzlich verschiedene Typen der Vibrationsdämpfung unter Benutzung von viskoelastischen Deckschichten verwendet, und zwar solche vom Dehnungstyp und vom Zwangs-Schertyp. Im Falle des Dehnungstyps wird die Außenfläche der Deckschicht aus dem viskoelastischen Dämpfungsmaterial unbedeckt gelassen, während im Fall des Zwangs-Schertyps eine steife oder quasi starre Deckschicht oder -platte auf die Außenfläche der viskoelastischen Schicht aufgebracht wird

Ein für die Dehnungsdämpfung benutztes Vibrationsdämpfungsmaterial soll einen großen Verlustmodul besitzen, während ein bei der Zwangs-Scherdämpfung benutztes Vibrationsdämpfungsmaterial einen großen dynamischen Verlustfaktor besitzen solL In jedem Fall ist es zusätzlich erwünscht, daß der Verlustmodul oder der dynamische Verlustsfaktor über einem breiten Temperaturbereich und über einem breiten Frequenzbereich genügend gre** sein sollen. Bei den normalerweise für Vibrationsdämpfung eingesetzten polymeren Materialien ist es üblich, dazu den Glasumwandlungsbereich jedes polymeren Materials auszunutzen, da der Verlustmodul oder der dynamische Verlustfaktor in diesem Bereich am höchsten sind. Um ein polymeres Material mit einem relativ breiten Glasumwandningsbereich zu erhalten, werden manchmal zwei oder mehr miteinander mischbare Polymerarten verwendet, oder es wird eine Vernetzungs-Copolymerisation (oder eine Synthese von einander durchdringenden poylmeren Netzwerken) aus nicht miteinander mischbaren polymeren Materialien eingesetzt. Um einen relativ großen Verlustmodul zu erreichen, ist es außerdem bekannt, einen anorganischen Füllstoff mit pulverigem, körnigem, schuppenartigem oder faserartigem Aufbau dem als Matrixmaterial benutzten organisehen Polymer zuzufügen.

Ein derartiges Vibrationsdämpfungsmaterial offenbart z. B. die GB-PS 8 90 249. Es weist eine schichtförmige Matrix aus einem organischen Polymer und einen darin verteilten schuppenförmigen Füllstoff auf. wobei die Hauptoberflächen der einzelnen Schuppen des FHUstoffs im wesentlichen parallel zu einer vorbestimmten Ebene ausgerichtet sind, und die vorbestimmte Ebene parallel zur schichtförmigen Matrix verläuft Die Schuppen können quadratische Plättchen mit einer Seitenlänge von 635 mm und einer Dicke von 0,05 mm oder mit größeren Abmessungen sein.

Dennoch sind die bisher üblichen Vibrationsdämpfungsmaterialien in gewisser Hinsicht immer noch unzufriedenstellend oder mangelhaft. Bei den üblichen Dämpfungsmaterialien, bei denen nur ein organisches Polymer eingesetzt wird, sei es nun ein einziges Polymer oder eine Vielzahl von polymeren Materialien, nimmt der

so Verlustmodul oder der dynamische Verlustfaktor jedes Dämpfungsmaterials in großem Ausmaß und scharf in einem Temperaturbereich über der Glasumwandlungstemperatur oder in einem niedrigen Frequenzbereich ab. Bei den üblichen Dämpfungsmaterialien, die einen anorganischen Füllstoff enthalten, ist die tatsächliche Auswirkung des Füllstoffes nicht so groß wie erwartet Daneben wird eine Zunahme des Verlustmoduls infolge der Zugabe eines anorganischen Füllstoffes zu einem organischen polymeren Material von einer gleichzeitigen Abnahme des dynamischen Verlustfaktors begleitet, so daß Dämpfungsmaterialien der zusammengesetzten Art wenig Auswirkung oder wenig Sinn zum Einsatz bei der Vibrationsdämpfung der Zwangs-Scherart aufweisen. Vom industriellen Standpunkt aus wird die Flexibilität in der Versorgung vor Zusammengesetzen Dämpfungsmaterialien durch derartige Beschränkungen der Einsetzart sehr verschlechtert.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Vibrationsdämpfungsmaterial der eingangs genannten Art zu schaffen, das einen höheren dynamischen Verlustfaktor bei der Verwendung bei Zwangs-Scher-Dämpfung über einem breiteren Temperaturbereich und auch breiteren Frequenzbereichen hat als übliche Dämpfungsmaterialien.

Diese Aufgabe wird durch das in Patentanspruch 1 angegebene Vibrationsdämpfungsmaterial gelöst.

Ein erfindungsgemäßes Vibrationsdämpfungsmaterial ist wirksam bei verschiedenen Maschinen, Fahrzeugen, Gebäuden, Brücken, Rohren, Leitungen und anderen Vorrichtungen einsetzbar. Die Materialien der Oberflächen , mit denen das Vibrationsdämpfungsmaterial in Berührung gebracht wird, können beispielsweise Metall, Beton, Holz, Keramik oder glasfaserverstärkte Kunststoffe sein.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert; in dieser zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung eines Zwangs-Scher-Vibrationsdämpfungssystems unter Benutzung eines erfindungsgemäßen Vibrationsdämpfungsmaterials,

F i g. 2 eine schematische perspektivische Darstellung einer Schicht aus einem aus polymeren Material und schuppenförmigem Füllstoff zusammengesetzten Material als Zwischenform eines erfindungsgemäßen Vibrationsdämpfungsmaterials,

F i g. 3 eine schematische perspektivische Darstellung eines Blockes, der durch Aufeinanderschichten und Zusammenpressen einer Anzahl von Schichten nach F i g. 2 gebildet ist

F i g. 4 eine schematische und perspektivische Darstellung einer aus dem Block nach F i g. 3 ausgeschnittenen Schicht zur Verwendung als erfindungsgemäßes Vibrationsdämpfungsmaterial für Zwangs-Scher-Dämpfung.

F i g. 5 eine graphische Darstellung der Temperaturabhängigkeit des dynamischen Verlustfaktors eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Vibrationsdämpfungsmaterials im Vergleich zu anderen Vibrationsdämpfungsmaterialien, und

Fig. 6 eine graphische Darstellung der Frequenzabhängigkeit des dynamischen Verlustfaktors der gleichen Materialien wie in F i g. 5.

Fig. 1 stellt eine Zr/angs-Scher-Vibrationsdämpfung dar anhand einer Schicht 2OZ? aus einem erfindungsgemäßen Dämpfungsmaterial, die zwischen einer Zwangs-Deckschicht 30 und einem Substrat 10 liegt Die vorbestimmte Ebene, zu der die Haaptoberflächen der Schuppen ausgerichtet sind, verläuft senkrecht zu der Schicht 20S, so daß die Hauptoberflächen jeder Schuppe 4 sich in einem Winkelbereich von 90° ± 30° 7.u der Schicht 205 und damit zu einer neutralen Ebene des dargestellten Dreischichtensystems befinden sollen. Es ist von höchster Wichtigkeit zur Schaffung von verbesserten Werten des dynamischen Verlustfaktors, daß die Abweichung der Ausrichtung der einzelnen Schuppen 24 von dem Bezugswinkel innerhalb der Toleranz von +30^c liegt Wenn das nicht der Fall ist nimmt der dynamische Verlustfaktor bei Temperaturen unter dem Gla&timwandlungsbereich oder im Hochfrequenzbereich ab, und es wird unmöglich, die Vorteile, die ein Schuppenfüllstoff bezüglich des dynamischen Verlustfaktors bei dem Vibrationsdämpfungsmaterial bringt vollständig zu erhalten. Diese Auswirkung wird später anhand eines Ausführungsbeispiels gezeigt Bevorzugterweise soll die Abweichung der Ausrichtung der einzelnen Schuppen von dem Bezugswinkel von 0° (oder 90° zur neutralen Ebene) innerhalb eines Bereichs von ±15° liegen.

Für die polymere Matrix eines erfindungsgemäßen Vibrationsdämpfungsmaterials kann ziemlich frei aus den weithin verwendeten verschiedenen polymeren Materialien ausgewählt werden, einschließlich Kautschuken, Elastomeren, thermoplastischen Harzen und warmhärtenden Harzen (Duroplasten). Beispielsweise kann Butylkautschuk, Chloroprenkautschuk, Butadienkautschuk, Nitrilkautschuk, Isoprenkautschuk, Urethankautschuk, Ethylen-Propylen-Kautschuk und Styrol-Butadien-Kautschuk neben Naturkautschuk als synthetischer Kautschuk verwendet werden. Außer diesen Kautschuka/ten kann ein geeignetes Elastomer auch aus den Elastomeren auf Poylstyrolbasis, Polyolefinbasis, Polyurethanbasis und Polyesterbasis beispielsweise ausgewählt werden. Ebenfalls können thermoplastische Harze wie Polyamid (Nylon), Polycarbonate. Polyester, Polyethylen, Polypropylen. Polystyrol, Polyvinylchlorid, Polymethylmethacrylat und Polyurehtan als typische Beispiele benannt werden, und es kann auch Asphalt eingesetzt werden. Beispiele von verwendbaren Duroplast-Harzen sind beispielsweise Epoxid-Harz, Polyesterharz, Melaminharz, Phenolharz, Polyethylenharz und Diallylphthalatharz.

Wahlweise kann eine einzige Art von polymerem Material für die polymere Matrix Verwendung finden, es kann aber auch eine Mischung aus zwei oder mehreren polymeren Materialien verwendet werden, um eine aus mehrere'- Bestandteilen bestehende polymere Matrix zu erzeugen. In jedem Fall können auch wahlweise ein allgemein benutztes Additiv oder mehrere Additive, z. B. Weichmacher, Zusätze zur Verbesserung der Klebeeigenschaften und/oder Farbstoffe in das ausgewählte polymere Material eingemischt werden.

Verschiedene Arten von anorganischen Schuppenstoffen, die zur Zeit im Handel erhältlich sind, können als Schuppenfüllstoff bei dem erfindungsgemäß zusammengesetzten Material Verwendung finden. Typische Beispiele sind Glasschuppen, Metallschuppen wie Aluminiumschuppen oder Schuppen aus Edelstahl, Ferritschuppen, z. P,. aus Bariumferrit Schuppen aus Montmorillonit aus Natur- oder Synthetik-Glimmer, aus Graphit, aus Molybdändisulfid, aus Graphitfluorid, Ton und Talkum. Im Hinblick auf die Festigung der Adhäsion des polymeren Matrixmaterials mit den als Füllstoff verwendeten Schuppen können in manchen Fällen die Schuppen vorher einer Oberflächenbehandlung mit z. B. einem Haftvermittler unterworfen werden. Es ist auch möglich, mit einem organischen Polymer beschichtete anorganische Schuppen zu verwenden.

Einige der vorstehend genannten schuppenförmigen Füllstoffmaterialien, beispielsweise Montmorillonit und der zu den synthetischen Fluorglimmern gehörende tetra-silizierJe Glimmer, quellen in bestimmten Flüssigkeiten. Es ist aus diesem Grunde möglich, einen »AISi-Film« genannten anorganischen Film zu erhalten, wenn man solche Schuppen in einem polaren Lösungsmittel einweicht una quellen läßt, so daß sich ein Sol bildet, das Sol auf eine ebene Platte durch ein Fließbeschichtungsverfahren aufbringt und 4<e sich so ergebende Filmschicht trocknen läßt Dieser anorganische Film kann erfindungsgemäß als Schuppenfüllstoff entweder in Form der Schicht selbst oder in angemessen zerstoßener Form verwendet werden. Bei schuppenförmigen Füllstoffmaterialien mit einer Schichtgitterstruktur, beispielsweise bei Montmorillonit Glimmer und Graphit, ist es zulässig, daß unterschiedliche Arten von Molekülen. Atomen oder Ionen zwischen i'en Kristallschichten des Schuppenmaterials eingeschlossen sind.

Es ist auch möglich, einen organischen Schuppenfüllstoff zu verwenden, solange der Elastizitätsmodul des H organischen Füllstoffmaterials größer als der des als Matrixmaterial verwendeten Polymers ist. Beispielsweise

si können Schuppen aus verschiedenen synthetischen Harzen wie Polyester, Polyamid, Polycarbonat, Polyethylen,

$ Polypropylen und Acrylharzen verwendet werden. Es sind jedoch gegenwärtig für diese Zwecke geeignete

jl Schuppen aus derartigen Harzen kaum handelsüblich. Außerdem besteht die .*£öglichkeit, natürliche organische

$ Schuppenfüllstoftmaterialien zu verwenden; beispielsweise Reiskleie, wenn diese in geeigneter Weise gemahlen

ι' oder zerstoßen ist.

Die Kombination eines polymeren Matrixmaterials mit einem schuppenförmigen Füllstoff kann unter Beachtung der verschiedenen Faktoren wie des Vibrationsdämpfungsverhaltens und anderer für das zusammengesetzte Material wesentlicher Eigenschaften und Umgebungsbedingungen ausgewählt werden, die für das Vibrationsdämfungssystem bei seinem Einsatz bedeutsam sind. Nötigenfalls ist es auch zulässig, einen anorganischen körnigen oder faserförmigen Füllstoff zusammen mit einem schuppenförmigen Füllstoff zu verwenden.

Mit dem Ausdruck »Schuppe« ist der normale Sinn dieses Wortes gemeint. D. h. es gibt keine strenge Begrenzung der Form der bei der vorliegenden Erfindung verwendeten Schuppen. Die Form der Schuppen kann allgemein kreisförmig oder allgemein polygonal sein. Die Dicke der Schuppen reicht von 1 bis 100 μιτι. Der Durchmesser (oder eine äquivalente Abmessung wie die durchschnittliche Diagonale bei polygonalen Schuppen)

ίο der Schuppen beträgt mindestens das lOfache der Dicke. Normalerweise werden Schuppen mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 20 bis 1000 μηι verwendet. Vorzugsweise sollte das Verhältnis von Durchmesser (oder Äquivalent) zur Dicke der Schuppen größer als 25 sein. Schuppen mit einem kleineren Verhältnis als 10 besitzen eine relativ geringe Verstärkungswirkung, und mit solchen Schuppen hergestellte Vibrationsdämpfungsmaterialien ergeben eine relativ geringe Erhöhung des dynamischen Verlustfaktors, wenn sie bei der

is Zwangs-Scherdämpfung eingesetzt werden. Außerdem sind Schuppen mit einem derartig geringen Verhältnis von Durchmesser zur Dicke nur schwer gleichmäßig in der polymeren Matrix zu verteilen, da sie zum Verklumpen neigen, und es erweist sich darüber hinaus als schwierig, die Ausrichtung der Schuppen zu kontrollieren.

Es ist auch wünschenswert, den Gehalt an anorganischem schuppenförmigem Füllstoff in dem Material erfindungsgemäß zwischen 3 und 60 Vo!.-% zu haken, und vorzugsweise von etwa 5 bis etwa 50 VoL-%. Wenn der Anteil des schuppenförmigen Füllstoffes geringer als 3 Vol.-% ist, wird wiederum die Verstärkungswirkung des Füllstoffes gering bleiben, und die Erhöhung des dynamischen Verlustfaktors des Materials bleibt relativ klein. Andererseits führt eine Erhöhung des Füllstoffanteils über 60 VoL-% hinaus leicht zu einem bedeutenden Anstieg des Leerraumvolumens in dem Material, und es überdeckt sich auch ein beträchtlicher Anteil der einzelnen Schuppen, wobei nur wenig polymeres Matrixmaterial zwischen den benachbarten Schuppen ein dringt, und infolge dieser Fehler verschlechtern sich die Eigenschaften des Vibrationsdämpfungsmaterials be züglich der Vibrationsdämpfungseigenschaften und der mechanischen Festigkeit, so daß diese Verschlechterungen beim Einsatz nicht mehr außer acht gelassen werden können. Der praktikable maximale Anteil eines anorganischen schuppenförmigen Füllstoffes hängt etwas von der i Material und dem Durchmesser der Schuppen ab. Bei Verwendung von Glasschuppen kann beispielsweise der Füllstoffanteil bis zu etwa 50 Vol.-% betragen, wenn der Druchmesser der Schuppen bei 45 - 90 μπι liegt, und bis zu 55 Vol.-%, wenn der Durchmesser bei 250- 300 μΐη liegt. Die Beschichtung von anorganischen Schuppen mit einem organischen Polymer verbessert die Mischbarkeit der Schuppen mit dem polymeren Matrixmaterial. Deshalb khnn bei Verwendung von beschichteten Schuppen der praktikable Bereich des Schuppenanteils in dem Matrerial auf 3-90 Vol.-% erweitert werden (wobei das Volumen des anorganischen schuppenförmigen Materials selbst in Betracht gezo gen wird), ohne daß sich Schwierigkeiten bei der Kontrolle der Ausrichtung der Schuppen ergeben, vorausge setzt, daß das Verhältnis von Durchmesser zur Dicke der Schuppen mindestens 10 beträgt; der bevorzugte Schuppenanteil liegt in dem Bereich von etwa 15 bis etwa 85 VoL-%.

Bei dem erfindungsgemäßen Material erweist es sich als günstig, daß die typischerweise durch thermische Beanspruchung auftretenden inneren Spannungen an der Grenzfläche zwischen dem polymeren Matrixmaterial und den als Füllstoff beigefügten einzelnen Schuppen verbleiben. Bei der Anwesenheit derartiger innerer Spannungen bleibt die Molekülkette des Polymers an der Grenzfläche in gestrecktem Zustand und ergibt so einen Strukturunterschied zu dem übrigen Polymer. Die in Spannung versetzten Polymer-Moleküle an der Grenzfläche ergeben eine ungleiche Struktur in Richtung parallel zu den Hauptoberflächen der ausgerichteten Schuppen gegenüber der Richtung senkrecht zu den Schuppenflächen. Aus diesem Grund ergibt die Aufrechter haltung der erzeugten inneren Spannungen eine günstige Auswirkung auf das Vibrationsdämpfungsverhalten des Materials. Da die Formung des Materials normalerweise bei erhöhter Temperatur ausgeführt wird, ist es möglich, die an den Grenzflächen entstehenden erwähnten thermischen Spannungen dadurch beizubehalten, daß das heißgeformte Material rasch abgekühlt wird.

Ein bevorzugtes Verfahren zur Erzeugung eines erfindungsgemäßen Vibrationsdämpfungsmaterials in Form

entweder einer Schicht oder eines Blockes mit erfolgreicher Kontrolle der Ausrichtung der Schuppen besteht in einem zweistufigen Formungsverfahren, bei dem die erste Stufe aus der Ausbildung eines Filmes eines Materials besteht welches im wesentlichen ein polymeres Matrixmaterial und einen schuppenförmigen Füllstoff enthält, und die zweite Stufe darin besteht, daß eine Anzahl in der ersten Stufe erzeugter Filme schichtweise aufeinandergelegt und integriert werden, um entweder eine Schicht geeigneter Stärke oder einen Block zu bilden.

In der ersten Stufe können die Schuppen so ausgerichtet werden, daß die Hauptoberflächen jeder Schuppe parallel zu den Hauptflächen des Filmes des zusammengesetzten Materials liegen, und zwar dadurch, daß die Stärke des Filmes gleich oder geringer als der Durchmesser (oder eine äquivalente Abmessung bei nichtkreisförmigen Schuppen) der Schuppen ist Zur Ausbildung eines solchen Filmes wird üblicherweise eine Mischung aus einem als Matrixmaterial verwendeten polymeren Material und einem ausgewählten schuppenförmigen FOlI- stoff bei einer genügend erhöhten Temperatur durchgearbeitet oder geknetet Das geknetete Gemisch kann zu einer Schicht oder einem RIm unter Benutzung eines üblichen Formverfahrens für Polymere wie Extrudieren. Druckformen, Emspritzformen, Kalandern geformt werden oder durch eine Lösungsmittelbehandlung wie Fließbeschichten oder durch eine Kombination zweier solcher Verfahren, wie der Kombination aus Fließbeschichten als erstem Schritt und Druckformen als zweitem Schritt Während der Bildung der Schicht oder des Films können die Schuppen verschieden stark brechen, je nach der Art und dem Zustand des polymeren Matrixmaterials und auch je nach der Art des Formverfahrens. Es ist dementsprechend wichtig, ein im Hinblick auf die Viskosität des gekneteten oder durchgearbeiteten Gemisches geeignetes Formverfahren auszuwählen, wobei auch der gewünschte Schuppendurchmesser in dem Produkt usw. in Betracht gezogen werden soll. F i g. 2

zeigt einen Film 50 des Materials, der aus einer polymeren Matrix 22 und als Füllstoff benutzten Schuppen 24 besteht und in der beschriebenen Weise ausgebildet wurde.

Als zweite Stufe werden eine Anzahl derartiger Filme oder Schichten 50 aufeinandergelegt und zu einer angemessen dicken Schicht oder einem Block 60 gemäß F i g. 3 vereinigt. Dabei sind verschiedene Verfahren zum Aufeinanderlegen und Vereinigen der Filme 50 nutzbar. Wenn beispielsweise ein Duroplast als polymeres Matrixmaterial benutzt wird, und die Filme oder Schichten 50 aus dem Materialgemisch in ausgehärtetem Zustand vorhanden sind, kann die Vereinigung durch Benutzung eines Klebstoffes erfolgen. Wenn ein thermoplastisches Polymer als Matrixmaterial verwendet wird, können die bereits verfestigten Schichten 50 durch Hii.Bpressen vereinigt werden, oder in manchen Fällen auch durch Benutzung eines entsprechenden organischen Lösungsmittels, das die Filmoberflächen anlöst und den Einzelschichten 50 eine Klebeeigenschaft verleiht.

Während des Vereinigungsvorgangs der Filme oder Schichten 50 zu dem Block 60 ändert sich die Ausrichtung der Schuppen 24 in dem Materialgemisch nicht, d. h. die Hauptoberflächen der Schuppen 24 in dem Block 60 liegen wiederum parallel zur oberen (oder unteren) Fläche des Blockes 60. Wie anhand von F i g. 4 gezeigt ist. kann eine Schicht 20ß des Materialgemisches, in der die Schuppen 24 senkrecht zu den großen Flächen der Schicht 20 ß ausgerichtet sind, aus dem Block 60 in vertikaler Richtung ausgeschnitten werden. Diese Schicht 205 ist dann für den Einsatz als Zwangs-Scher-Dämpfungsmaterial entsprechend F i g. 1 geeignet.

Ein Block aus einem Materialgemisch der erfindungsgemäßen Art analog dem Block 60 in F i g. 3 kann auch durch ein anderes Verfahren erhalten werden. Zunächst wird eine entsprechende Menge von als Füllstoff verwendbaren Schuppen erzeugt Das wird dadurch erreicht, indem die Schuppen entweder in Luft oder in einer entsprechenden Flüssigkeit aufgeschwemmt werden und man sie langsam zur Erzeugung eines Sediments absetzen läßt. Durch dieses Verfahren ist es möglich, die Schuppen zufriedenstellend auszurichten, wobei die Schuppen in der Anhäufung allgemein horizontal liegen. Dann wird ein polymeres Material mit genügend kleiner Viskosität langsam unter ausreichendem Druck in die aufgehäuften Schuppen eingebracht, d. h. die Schuppenlage wird mit diesem polymeren Material imprägniert, und das Material wird dann ausgehärtet, bis die Ausbildung des Blockes aus dem Materialgemisch vollendet ist. Um das Imprägnieren der Anhäufung von Schuppen mit dem Polymer erfolgreich durchzuführen, ist es von großer Wichtigkeit, daß das flüssige Polymer eine sehr geringe Viskosität besitzt Als Abwandlung dieses Verfahrens kann ein flüssiges polymerisierbares monomeres Material in das Schuppensediment eingebracht und darauffolgend polymerisiert und ausgehärtet werden. Es ist als weitere Abwandlung auch möglich, eine dicke Schicht aus Schuppen zu erzeugen, die bereits mit einem polymerisierbaren Monomer imprägniert sind, indem die Schuppen in einem flüssigen Monomer so zum Schweben gebracht werden, daß sie langsam sedimentieren, und daß dann, wenn sich alle Schuppen angesetzt haben, der überflüssige Anteil des flüssigen Monomers abgelassen wird. Auch in diesem Fall befindet sich das flüssige Monomer in der Schuppenanhäufung, und man läßt es daraufhin polymerisieren und aushärten.

Üblicherweise wird ein erfindungsgemäßes Vibrationsdämpfungsmaterial zu einer Schicht oder zu einem Band geformt, bevor es auf die zu dämpfenden Gegenstände aufgebracht wird.

Bei einer Zwangsscher-Vibrationsdämpfungsschicht der erfindungsgemäßen Art unterscheidet sich die Deckschicht 30 (Fig. 1) nicht von denen, die bei üblichen Vibrationsdämpfungsmaterialien eingesetzt werden. Das Materia! der Deckschicht kann somit aus einer großen Vielzahl von relativ harten oder steifen Materialien wie Metallen, Metallegierungen, faserverstärkten Kunststoffen, glasfaserverstärktem Beton, flexiblen Kunststoffkarten. Asbestkarten, Holz und Sperrholz ausgewählt werden. Es kann auch ein Materialgemisch auf Basis eines organischen Polymers benutzt werden, falls der Elastizitätsmodul eines solchen Materials beträchtlich höher als der des Vibrationsdämpfungsmaterials unter der Deckschicht ist.

Beispiel 1

Ein thermoplastischer Polyurehtanelastomer (abgekürzt PUR) wurde als polymeres Matrixmaterial und Glasschuppen (abgekürzt GFL) als schuppenförmiger Füllstoff verwendet Die Glasschuppen hatten einen gewichteten durchschnittlichen Durchmesser von ca. 230 μηι und eine Dicke von etwa 25 μπι. so daß ein Verhältnis von Durchmesser zur Dicke von 92 errechnet wurde.

Das PUR in Pulverform wurde vorher bei 8O⁰C 2 Stunden lang getrocknet, und 10 Gew.-Teile des getrockneten PUR wurden in 70 Gew.-Teilen Dimethylformamid (DMF) gelöst Die vorbestimmte Menge von GFL wurde der PUR-Lösung hinzugefügt und das sich ergebende Gemisch durchgearbeitet so daß sich eine angemessene viskose Aufschlämmung ergab. Nach Entgasung wurde die Aufschlämmung mit einem Fließbeschichtungs\ erfahren auf ein plattenförnüges Substrat mit einer ebenen und glatten Oberfläche so aufgebracht daß sich eine dünne Beschichtung ergab, die bei 8O⁰C 5 Stunden lang getrocknet wurde. In der getrockneten Beschichtung waren die Glasschuppen allgemein parallel zu der Schichtebene ausgerichtet Nach dem Trocknen wurde die Schicht von dem Substrat abgenommen und weiter bei Unterdruck getrocknet Dann wurde in einer Heißpresse der Film 10 Minuten auf 180° C erhitzt und dann gleichförmig bei der gleichen Temperatur mit einem Druck von ca. 50 bar so gedruckt, daß sich eine etwa 150 μτη starke Schicht aus einem Materialgemisch aus PUR und GFL ergab. Da die Stärke dieser Schicht geringer als der durchschnittliche Durchmesser der einzelnen Glasschuppen war, waren alle Schuppen parallel zur Hauptfläche der Schicht ausgerichtet D. k, daß diese Schicht den gleichen Aufbau besaß, wie er in F i g. 2 dargestellt ist, wobei sich also eine Schicht 50 aus dem Materialgemisch ergab, das sich aus einer PUR-Matrix 22 und GFL-Schuppen 24 zusammensetzte. Eine Anzahl gleicher Filme 50 wurde durch dieses Verfahren hergestellt

Diese Filme 50 wurden aufeinandergeschichtet, so daß sich ein vorläufiges Laminat ergab. In einer Heißpresse wurde das vorläufige Laminat 10 Minuten auf 180°C erhitzt und dann bei der gleichen Temperatur 3 min mit einem Druck komprimiert, der 5 bar nicht überstieg. Damit wurde aus dem vorläufigen Laminat aus den Schichten 50 ein einheitlicher Block 60, wie er in Fig.3 dargestellt ist Dieser Block 60 wurde unter dem

angegebenen Kompressionsdruck gehalten und dann rasch von 180°C mit einer Abkühlrate von 12°C/min auf 30⁰C abgekühlt unter Durchleiten von Kühlwasser durch in der Metallfcm vorgesehene Leitungen. Nach der Entnahme des Blockes 60 aus der Metallform wurde derselbe Block 60 wieder in der oben beschriebenen Weise vorgeheizt, gedrückt und rasch abgekühlt. Bei dem so erhaltenen Block 60 aus dem Materialgemisch waren die Glasschuppen 24 parallel zur oberen und unteren Fläche des Blockes 60 ausgerichtet, d. h. senkrecht zu der Stapelrichtung der urspünglichen Schichten 50 und zur Richtung des auf das Laminat ausgeübten Druckes.

Dann wurd«, wie in Fig.3 und 4 dargestellt, eine Schicht 205 aus dem Block 60 so ausgeschnitten, daß die Glasschuppen 24 in dieser Schicht 20J3 senkrecht zu den Hauptebenen der Schicht 20Ö ausgerichtet waren. Durch die Untersuchung mit einem Raster-Elektronenmikroskop wurde bestätigt, daß in der Schicht 20fl nach

ίο F i g. 4 die Orientierungsabweichungen der einzelnen Glasschuppen 24 in der jeweiligen Schicht innerhalb von ± 15° von der Vorgaberichtung lagen. In dem Block 60 aus dem Materialgemisch und damit in der Schicht 2OS betrug der Anteil der Glasschuppen 24 annähernd 32 Vol.-%.

Die Schicht 20ß nach F i g. 4 wurde als Vibrationsdämpfungsmaterial für eine Zwangsscherdämpfung verwendet. Die Vibrationsdämpfungseigenschaften der Schicht 20ß wurden dann im Vergleich mit zwei Arten bekannter Vibrationsdämpfungsmaterialien gemessen, wie sie nachstehend als Vergleichsbeispiel 1 beschrieben sind.

Vergleichsbeispiel 1

Eine vorbestimmte Menge von GFL, wie sie in Beispiel 1 benutzt wurden, wurde dem (vorher ebenfalls bei

?n 80⁰C >n 2 Stunden getrocknetem) pulverisierten PUR hinzugefügt, wie es in Beispiel 1 benuUi wurde, und danach wurde trockengemischt. Das Gemisch kam in eine Metallform und wurde in einer Heißpresse 10 Minuten auf 180⁰C erhitzt und dann bei der gleichen Temperatur durch Aufbringen eines Druckes von ca. 50 bar während 3 Minuten zur Ausbildung eines Blockes aus dem Materialgemsich komprimiert. Der Block wurde unter Beibehaltung des Kompressionsdruckes mit einer durchschnittlichen Abkühlrate von 12°C/min unter Durchleiten von Kühlwasser durch in der Metallform vorhandenen Leitungen rasch von 180⁰C auf 30⁰C abgekühlt. Danach wurde der Block aus der Form entnommen und in diesem Fall der Heißpreßvorgang nicht wiederholt. In dem so erzeugten Block betrug der Glasschuppenanteil annähernd 32 Vol.-% wie beim Beispiel 1, jedoch waren die einzelnen Schuppen willkürlich ausgerichtet Verschiedene Schichten wurden aus diesem Block in verschiedenen Richtungen ausgeschnitten und mit dem Rasterelektronenmikroskop untersucht. Es bestätigte sich, daß in jeder Schicht die einzelnen Glasschuppen zufallsorientiert waren, ohne einen Hinweis auf eine bestimmte Ausrichtung bezüglich der Hauptoberfläche der Schicht. Diese Schichten werden nachfolgend als Vibrationsdämpfungsmaterial R bezeichnet.

Daneben wurde eine PUR-Schicht ohne Zugabe eines Füllstoffes ausgebildet. Diese reine PUR-Schicht wird als Vibrationsdämpfungsmaterial M bezeichnet.

An der Schicht 20^> nach F i g. 4 aus zusammengesetztem Material, die nach Beispiel 1 erzeugt wurde, und auch an den zwei Proben Mund R nach Vergleichsbeispiel 1, wurden Messungen des dynamischen Verlustfaktors oder der Größe der Verlusttangente tan δ unter Benutzung eines dynamischen Viskoelastometers vom nicht resonanten Zwangsdehnungstyp durchgeführt unter der Voraussetzung, daß diese Schichten bei der Vibrationsdämpfung vom Zwangs-Schertyp eingesetzt werden. Die Ergebnisse sind in den F i g. 5 und 6 festgehalten, wobei

das Symbol fldie Schicht 20ß nach Beispiel 1 und die Symbole M bzw. R die zwei Probenarten nach Vergleichsbeispiel 1 bezeichnen. Das Symbol 2?7"bedeiuet eine weitere zusammengesetzte Materialschicht der erfindungsgemäßen Art, die so erreicht wurde, daß die nach Beispiel 1 erzeugte Schicht 2OB einer Anlaß-Temp-raturbehandlung von 3 Stundoli bei 100°C unterworfen wurde, um die an den Grenzflächen zwischen den einzelnen Schuppen und der polymeren Matrix verbliebenen thermischen Spannungen zu lösen. F i g. 5 zeigt die Abhängigkeit des dynamischen Verlustfaktors von der Temperatur, bei 110 Hz gemessen. Der niedrige Temperaturbereich wurde dabei in zwei Bereiche Γι, und T\b und der Bereich hoher Temperaturen in zwei Bereiche Tu und Tib unterteilt Fig. 6 zeigt die Abhängigkeit des dynamischen Verlustfaktors von der Frequenz. Diese Kurven sind synthetische Kurven oder sogenannte »Stammkurven«, die erhalten werden, indem man unter unterschiedlichen Zeit/Temperatur-Zuständen erhaltene Daten einander überlagert Die zugehörige Standardtemperatur betrug

so -25°C. Der Bereich hoher Frequenz wurde in zwei Bereiche F_u und Fi* und der Bereich niedriger Frequenz ebenfalls in zwei Bereiche Fu und Fv, unterteilt

Bei der PUR-Schicht Mohne Füllstoff war der dynamische Verlustfaktor sehr klein, bis auf den besonderen Temperaturbereich Tu oder den besonderen Frequenzbereich Fu- Wie bekannt, ist diese Tendenz allen im allgemeinen für Vibrationsdämpfungszwecke eingesetzten polymeren Materialien gemeinsam, und diese Eigen-

schaft bildet einen sehr ernsthaften Nachteil beim Einsatz eines reinen polymeren Materials als viskoelastische Schicht eines Vibrationsdämpfungsmittels bei Zwangsscher-Vibrationsdämpfung, obwohl ein Mischen oder Copolymerisieren zweier oder mehrerer Arten von polymeren Materialien diesen Nachteil in einem gewissen Ausmaß reduzieren kann, so ist doch diese Auswirkung zum praktischen Einsatz weithin nicht zufriedenstellend. Der Zusatz eines anorganischen Füllstoffes zu einem polymeren Material, wie bei der Probe R nach Vergleichsbeispiel 1 hat allgemein die Wirkung, daß die Spitze des dynamischen Verlustfaktors etwas verbreitert wird.

jedoch wird diese Verbreiterung der Spitze durch eine beträchtliche Erniedrigung des Maximalwertes des Verlustfaktors begleitet Deshalb wurden bisher polymere Materialien mit einem anorganischen Füllstoff als ungeeignet für die Zwangsscher-Vibrationsdämpfung angesehen.

Dagegen wird bei der nach Beispiel 1 durch Kontrolle der Ausrichtung der als Füllstoff verwendeten Schuppen in der beschriebenen Art erzeugten Schicht 205 ein beträchtlich vergrößerter dynamischer Verlustfaktor insbesondere in dem Bereich der erhöhten Temperaturen 7™ nach F i g. 5 und dem Bereich der niedrigeren Frequenzen F2b in F i g. 6 erzielt Es ist daz*¹. besonders darauf hinzuweisen, daß bei der erfindungsgemäBen Schicht 20ß ein hoher Spitzenwert des dynamischen Verlustfaktors sowohl im nicht ganz so tiefen Temperatur-

beruch 7ii>fiach Fig. 5 als auch im nicht ganz so hohen Frequenzbereich Fk, in Fig. 6 erreicht wird, während bei der Probe M ohne Füllstoff der dynamische Verlustfaktor einen recht geringen Wert in den angeführten Temperatur- oder Frequenzbereichen besitzt. Wie wichtig es ist, die Ausrichtung der als Füllstoff benut/ien Schuppen zu kontrollieren, kann man aus der Tatsache ersehen, daß die Probe R. die die gleichen Schuppen in willkürlicher Ausrichtung enthält, gegenüber der Probe 20ß stark abfällt. Wie sich aus diesen anschaulichen experimentellen Ergebnissen ergibt, zeigt des erfindungsgemäße Material zum Einsatz bei der Zwangsscher-Vibrationsdämpfung eine beträchtliche Erhöhung des dynamischen Verlustfaktors in einem breiten Temperaturbereich und ebenfalls in einem breiten Frequenzbereich.

Aus einem Vergleich zwischen den Kurven B und BT in den beiden F i g. 5 und 6 ist zu sehen, daß die Wärmebehandlung des erfindungsgemäßen Vibrationsdämpfungsmaterials eine geringe Abnahme des dynami- ^o sehen Verlustfaktors ergibt. Es ist deshalb zu empfehlen, die thermischen Spannungen in dem Material an der Grenzfläche zwischen den einzelnen Schuppen und der polymeren Matrix ungelöst zu lassen, außer, wenn angenommen wird, daß die Aufrechterhaltung dieser Spannungen ein gewisses Problem bei dem Aufbringen des Vibrationsdämpfungsmaterials ergibt.

Beispiel 2

Unter Benutzung der gleichen Stoffe PUR und GFL wie in Beispiel 1 wurden mit Abänderung des GFL-Anteils zwei verschiedene zusammengesetzte Materialien nach der Erfindung in Form eines Blockes 60 nach F i g. 3 nach dem in Beispiel 1 beschriebenen Verfahren hergestellt. Der Anteil von. GFL (wobei die Schuppen einen durchschnittlichen Durchmesser von ca. 230 μΐη, eine Dicke von 2,5 μπι und ein Verhältnis von Durchmesser zur Dicke vo}>92 besaßen) in den jeweiligen Blöcken 60 ist in der nachfolgenden Tabelle 1 angeführt. Proben von Schichten 20ß nach F i g. 4 wurden aus den hergestellten Blöcken 60 ausgeschnitten. Bei diesen Proben und den entsprechenden Proben nach Vergleichsbeispiel 2 wurde der dynamische Verlustfaktor tan δ bei 30⁰C und 110 Hz gemessen, um das Zwangsscher-Vibrationsdämpfungsverhalten der Materialproben zu ermittein. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 dargestellt.

Vergleichsbeispiel 2

Unter Benutzung der gleichen Materialien wie in Beispiel 2 und mit dem Herstellvorgang für das Material R nach Vergleichsbeispiel 1 wurden zwei verschiedene schichtartige Materialien mit unterschiedlichem GFL-Anteil erzeugt (ohne die Ausrichtung der Glasschuppen zu steuern), wobei gleiche Anteilswerte wie bei den entsprechend bezifferten Proben nach Beispiel 2 gewählt wurden. Auch für diese Proben ist der gemessene dynamische Verlustfaktor tan δ in Tabelle 1 festgehalten, wobei die Messung wie in Beispiel 2 angegeben erfolgte.

Tabelle 1

Statt der in den Beispielen 1 und 2 benutzten Glasschuppen GFL wurden in diesem Beispiel Glasschuppen mit einem anderen Verhältnis von Durchmesser zu Dicke benutzt. Die Glasschuppen hatten einen gewichteten durchschnittlichen Durchmesser von ca. 640 μηι und eine Dicke von 2,5 μπι. so daß sich ein Verhältnis von 260 errechnen ließ. Als polymere Matrix wurde PUR wie in den Beispielen 1 und 2 verwendet.

Entsprechend der Verfahrensweise von Beispiel 2 wurden zwei verschiedene Arten von erfindungsgemäßen Materialien in Form von Blöcken 60 erzeugt Bei den aus den jeweiligen Blöcken 60 ausgeschnittenen Schichten 20ß nach Fig.4 wurden ebenso wie bei den entsprechenden Proben, die nach nachstehend beschriebenem Vergleichsbeispiel 3 erzeugt wurden, die in Beispiel 2 beschriebenen Messungen unter den gleichen Bedingungen ausgeführt Die Ergebnisse sind in der Tabelle 2 zusammengefaßt

Vergleichsbeispiel 3

Unter Benutzung der gleichen Materialien wie in Beispiel 3 und nach dem gleichen Vorgang, wie er in den Vergleichsbeispielen 1 und 2 beschrieben ist, wurden zwei Arten schichtförmiger Materialien hergestellt, wie sie in Tabelle 2 aufgeführt sind, und entsprechend den Proben nach Beispiel 3 untersucht Die Ergebnisse sind ebenfalls in der Tabelle 2 angeführt

*'„'S* ε-	Proben nach Bsp. 2	Schuppenanteil (Vol.-%)	tan δ	Beispiel	Proben nach Vgl. 2	Schuppenanteil (VoL-o/o)	tan δ
¹I	Nr. l(B) Nr. 2(B)	43 12	0,10 0,078	Nr. 1 Nr. 2	43 12	0,045 0,040
ίϊ ;i				A/nach Vgl.l	0	Ü,U35
			3

Tabelle 2	Glasschuppen Verhält nis	Anteil inVoL-%	33	37	526	Glasschuppen Verhält nis	Anteil inVoL-%	tan J
Proben nach Bsp.3	260 260	44 6	tan J		Proben nach VgL3	260 260	44 6	0.043 0.041
Nr. l(B) Nr. 2(B)		0,090 0,090		Nr. 1 Nr. 5

ίο Beispiel 4

Start der bei den vorangehenden Beispielen verwendeten Glasschuppen wurde schuppiger Naturglimmer

benutzt Die Glimmerschuppen hatten einen gewichteten durchschnittlichen Durchmesser von etwa 230 um und eine Dicke von etwa 3,0 um, so daß das Verhältnis 77 errechnet wurde. Als Material für die polymere Matrix

15 wurde wie in den vorhergehenden Beispielen PUR benutzt Der Anteil an Glimmerschuppen in VoL-% betrug

Die Herstellung der erfindungsgemäßen Materialien und die Untersuchung der Materialien in Form von Schichten 2QB nach F i g. 4 wurden entsprechend den Beschreibungen in Beispiel 2 ausgeführt. Die Messung des dynamischen Verlustfaktors tan if ergab einen Wert von 0,20. 20

Vergieichsbeispiei4

Unter Benutzung der in Beispiel 4 erwähnten Materialien wurden mit dem gleichen Vorgang wie nach Vergleichsbeispiel 1 ein schichtförmiges Material hergestellt mit ungesteuerter Ausrichtung der Glimmerschup-25 pen. Der Anteil der Glimmerschuppen in VoL-% betrug 43 wie in Beispiel 4. Das Material wurde wie in Beispiel 4 untersucht. Der dynamische Verlustfaktor tan <f betrug 0.07Z

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vibrationsdämpfungsmaterial, das eine schichtförmige Matrix aus einem organischen Polymer und einen darin verteilten schuppenfömiigen Füllstoff aufweist, dessen Schuppen eine Dicke von 1 bis ΙΟΟμπι und einen Durchmesser von mindestens dem lOfachen der Dicke haben, wobei die Hauptoberflächen der einzelnen Schuppen in einem Winkel von 0°+30° zu einer vorbestimmten Ebene ausgerichtet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die vorbestimmte Ebene senkrecht zur schichtförmigen Matrix verläuft.

2. Vibrationsdämpfungsmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptobertlächen der einzelnen Schuppen in einem Winkel von 0° ± 15° zu der vorbestimmten Ebene ausgerichtet sind.