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WO1998038370A1 - Schallschutzmaterial und seine verwendung - Google Patents

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WO1998038370A1
WO1998038370A1 PCT/EP1998/000686 EP9800686W WO9838370A1 WO 1998038370 A1 WO1998038370 A1 WO 1998038370A1 EP 9800686 W EP9800686 W EP 9800686W WO 9838370 A1 WO9838370 A1 WO 9838370A1
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WO
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soundproofing material
fibers
nonwoven fabric
soundproofing
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PCT/EP1998/000686
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Inventor
Udo Thorn
Gholam Reza Sinambari
Wolfgang Riediger
Georg Jochim
Original Assignee
Lohmann Gmbh & Co. Kg
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Priority to CA002280772A priority patent/CA2280772A1/en
Priority to AT98909415T priority patent/ATE218171T1/de
Priority to DE59804245T priority patent/DE59804245D1/de
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Priority to AU63959/98A priority patent/AU6395998A/en
Priority to EP98909415A priority patent/EP0963473B1/de
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    • Y10T442/697—Containing at least two chemically different strand or fiber materials

Definitions

  • the invention relates to a soundproofing material made of nonwovens containing thermoplastic fibers for the sound frequency range 100 to 5000 Hz and its use in secondary soundproofing
  • porous absorbers such as artificial mineral fibers
  • porous inorganic bulk goods or natural fibers in the medium to high-frequency range into warmth
  • anti-freeze materials based on textile fleece.
  • porous absorbers generally only survive in the medium to high-frequency range is due to their physical damping principle.
  • the strength of the damping material In order to dampen a sound wave with the highest possible absorption, the strength of the damping material must be at least% of the wavelength to be steamed ⁇ , since here the Amplitude has its maximum deflection, i.e.
  • the lower frequencies determine the required thickness of the dam material due to their longer wavelength. This effect can also be achieved by using thinner material in combination with an air gap.
  • the dam material is arranged at a distance corresponding to ⁇ / 4 here, however, in the higher-frequency range marked by dips.
  • An essential requirement for secondary sound insulation materials, especially in room acoustics, is the lowest possible insulation thickness in order to lose as little space as possible. Since a significant decrease in the absorption properties below approx. 800 Hz is observed even with a thickness of 10 cm, these absorbers are also used in the low-frequency range in combination with so-called resonators to achieve broadband absorption properties Vibration processes at a resonance frequency draw narrowband energy from the sound wave. Their effect is observed primarily in the lower frequency range.
  • nonwovens in sound insulation are varied, whereby they are often used in combination with other surface materials or serve as carriers for sound absorbing materials. Pure nonwovens in needled form have been examined for sound absorption by P. Banks-Lee, H.Peng and A.L.Diggs (TAPPI Proceedings 1992 Nonwovens Conference, pp. 209-216). It was found that, despite the variation of the various test parameters, the nonwovens in the frequency range ⁇ 1,000 Hz have an insufficient sound absorption for practical use.
  • EP 0 607 946 describes pure nonwovens with thermoplastic fibers as
  • the invention is therefore based on the object of developing a soundproofing material which, in addition to requiring little space, has broadband absorption in the frequency range from 100 to 5,000 Hz.
  • Fig. 1 Graphical representation of the sound absorption versus frequency for the product of the embodiment.
  • the nonwoven suitable for the invention consists of natural and / or synthetic organic or inorganic primary fibers, which are mixed with 10-90% thermoplastic secondary fibers. These have a softening range of at least 5 ° C, which is in any case below a possible softening or decomposition range of the primary fibers.
  • polyethylene terephthalate fibers in combination with copolyester fibers as secondary fibers have proven particularly useful as primary fibers.
  • the primary and / or secondary fibers can be formed by suitable fiber mixtures, the addition of recycled fibers being of particular interest With a density of 250 to 500 kg / m 3 , preferably 270 to 330 kg / m 3 , the thickness of the nonwovens according to the invention is 0.3 to 3.0 mm and particularly preferably 0.8 to 1.2 mm.
  • the first stage of compaction of the nonwoven is a mechanical one
  • Solidification which is achieved by needling with barbed needles, by the spun-laced method by water jets or by a sewing method by means of wedge needles. Needling is particularly preferred and is carried out with 40 to 150 punctures / cm 2 , preferably 60 to 80 punctures / cm 2 .
  • the pressure-AV heat treatment as the second stage of compression can be carried out batchwise or continuously.
  • the temperature range to be selected lies within the softening range of the secondary fibers, which in turn lies below the softening or decomposition range of the primary fibers.
  • the line pressure for calenders is in the range of 0.5 to 3.0 KN / cm, preferably 1.5 to 2.0 KN / cm.
  • the specific flow resistance of the compressed nonwovens is of particular importance because it correlates directly with the degree of sound absorption.
  • the nonwovens according to the invention are generally used as such, but, if necessary, can also be used as laminates with other fabrics. Fibers are used for special purposes, which are already mixed with dye and / or flame retardant and / or electrically conductive components during the manufacturing process. There is also the possibility of finishing the finished nonwoven: - Flame retardant with, for example, metal hydroxides and / or ammonium polyphosphate and / or melamine and / or red phosphorus
  • a nonwoven with a uniform weight per unit area is made from a homogeneous mixture of 50% by weight PES fiber 1.7 / 38 (dtex / pile length) and 50% by weight. % CoPES fiber 2.2 / 50 manufactured.
  • After the carding and cross-laying device there is a fleece with a weight per unit area of approximately 300 g / m 2 .
  • This is lightly needled with two needle passages of 40 to 150 punctures / cm 2 each and compacted by a smooth pair of rollers heated to about 135 ° C with a line pressure of approx. 1.7 KN / cm.
  • This nonwoven fabric produced in this way has a specific flow resistance of approximately Rs - 1,100 Ns / m 3 .
  • Fig. 2 Schematic representation of a spatial arrangement of the soundproofing material:
  • a broadband sound absorption effect of the material is achieved by combining resonator and porous absorption mechanisms combined at the same time in the nonwoven fabric according to the invention in connection with an air gap, the width of which is based on the lowest frequency to be controlled, behind the nonwoven fabric layer according to the invention.
  • 2 shows, by way of example, the implementation of the arrangement of the nonwoven fabric C in front of a reflective wall element E. Dips in the degree of absorption in the frequency range of interest can be avoided by further additional nonwoven fabric layers of the material D according to the invention.
  • the nonwovens according to the invention can be used above all in the area of secondary soundproofing indoors, for example as an acoustically effective position in soundproofing cabin walls and screens or as an acoustically effective position in suspended ceiling constructions (acoustic ceilings). They are characterized by a double function, since they combine resonance and absorption effects. This makes it possible to achieve broadband sound absorption in the low sound frequency range with just one material.

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Abstract

Ein Schallschutzmaterial aus thermoplastische Fasern enthaltenden Vliesstoffen für den Schallfrequenzbereich 100 bis 5.000 Hz ist dadurch gekennzeichnet, daß der Vliesstoff in zwei Stufen durch einen mechanischen Verfestigungsprozeß und eine anschließende Druck-/Wärmebehandlung bis zu einem spezifischen Strömungswiderstand von Rs = 800 - 1.400 Ns/m3 dauerhaft verdichtet ist.

Description

Schallschutzmaterial und seine Verwendung
Die Erfindung betrifft ein Schallschutzmaterial aus thermoplastische Fasern enthaltenden Vliesstoffen für den Schallfrequenzbereich 100 bis 5 000 Hz und seine Verwendung im sekundären Schallschutz
Viele akustische Problemstellungen lassen sich mit primären Schallschutzmaßnahmen, die mindernd an der Schallquelle ansetzen, alleine nicht zufriedenstellend losen und erfordern zusatzlich sekundäre Maßnahmen, die in der Regel in den Ubertragungs- weg der Schallenergie eingreifen Entweder wird hierbei die Energie reflektiert, also umgelenkt, oder in eine andere Energieform, meist Warme, umgewandelt Im ersten Fall spricht man von Dämmung, im letzteren von Dampfung des Schalls Stand der Technik bei der konventionellen Schalldämmung als Instrument der sekundären Minderungsmaßnahmen im engeren Sinne (in einiger Entfernung von der Quelle) ist es, reflektierende Wandungen in den Ausbreitungsweg der Schallenergie zu bringen Beispielhaft seien hier Kapselwandungen, Trennwände oder Schallschirme zu nennen Bei der konventionellen Schalldampfung ist es Stand der Technik, in Abhängigkeit vom Frequenzbereich die Schallenergie in porösen Absorbern wie z B. kunstlichen Mineralfasern, offenzel- ligen Schaumstoffen, porösen anorganischen Schüttgütern oder Naturfasern im mittel- bis hochfrequenten Bereich in Warme umzuwandeln Um Abrieb und ein Herausrieseln der Stoffe zu vermeiden, werden sie oft mit Rieselschutzmaterialien auf Textilvliesbasis kaschiert. Daß sich poröse Absorber in der Regel nur im mittel- bis hochfrequenten Bereich bewahren, ist in ihrem physikalischen Dampfungsprinzip begründet Um eine Schallwelle mit höchstmöglicher Absorption zu dampfen, muß die Starke des Dampf- ungsmaterials mindestens % der zu dampfenden Wellenlange λ betragen, da hier die Amplitude ihren Maximalausschlag hat, d.h. die tiefen Frequenzen bestimmen durch ihre größere Wellenlange die erforderliche Dammstoffstarke Diesen Effekt kann man auch durch dünnere Materialstarken in Kombination mit einem Luftspalt erreichen Das Dammaterial wird hierbei in einer λ/4 entsprechenden Entfernung angeordnet Der das Dammpfungsvermogen beschreibende LuftschasUabsorptionsgrad α wird hierbei allerdings im höherfrequenten Bereich von Einbrüchen geprägt. Eine wesentliche Anforderung an sekundäre Schallschutzmaterialien vor allem in der Raumakustik ist eine möglichst geringe Dämmstoffstärke, um möglichst wenig Raumvolumen zu verlieren. Da bei diesen Absorbern selbst bei einer Dicke von 10 cm ein deutlicher Rückgang der Absorptionseigenschaften unterhalb von ca. 800 Hz beob- achtet wird, werden sie zum Erreichen breitbandiger Absorptionseigenschaften auch bis in den tieffrequenten Bereich in Kombination mit sog. Resonatoren eingesetzt, die aufgrund von Schwingungsvorgängen bei einer Resonanzfrequenz der Schallwelle schmal- bandig Energie entziehen. Ihre Wirkung wird vor allem im unteren Frequenzbereich beobachtet.
Da es im sekundären Schallschutz vor allem auf die Bekämpfung von Geräuschen im Frequenzbereich von ca. 200 bis 4.000 Hz ankommt, können in der Regel weder poröse Absorber noch Resonatoren alleine eine effiziente Schalldämpfung über den gesamten interessierenden Frequenzbereich breitbandig erzielen. Die möglichen Kombina- tionen beider Typen sind allerdings raumgreifend und kostspielig.
Die Rolle von Vliesstoffen im Schallschutz ist vielfältig, wobei sie oft in Kombination mit anderen Flächenmaterialien eingesetzt werden oder als Träger für schallabsorbierende Stoffe dienen. Reine Vliesstoffe in genadelter Form sind von P. Banks-Lee, H.Peng und A.L.Diggs (TAPPI Proceedings 1992 Nonwovens Conference, S. 209 - 216) auf Schallabsorption untersucht worden. Dabei wurde festgestellt, daß trotz Variation der verschiedenen Versuchsparameter die Vliesstoffe im Frequenzbereich < 1.000 Hz eine für den praktischen Gebrauch nur unzureichnede Schallabsorption aufweisen.
In der EP 0 607 946 sind reine Vliesstoffe mit thermoplastischen Fasern als
Schalldämmaterial beschrieben. Wie aus Tabelle 2 zu ersehen ist, liegen auch hier die Absorptionswerte im unteren Frequenzbereich in einer für den praktischen Einsatz unzureichenden Höhe.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Schallschutzmaterial zu entwickeln, das neben geringem Raumbedarf im Frequenzbereich von 100 bis 5.000 Hz eine breitbandige Absorption aufweist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein thermoplastische Fasern enthaltender Vliesstoff in zwei Stufen durch einen mechanischen Verfestigungsprozeß und eine anschließende Druck-AVärmebehandlung bis zu einem spezifischen Strömungswiderstand von Rs = 800 - 1.400 Ns/m3 dauerhaft verdichtet ist.
Der überraschende Effekt soll an Fig. 1 erläutert werden.
Fig. 1 : Graphische Darstellung des Schallabsorptionsgrades gegen die Frequenz für das Produkt des Ausführungsbeispieles.
Aus dem Gesamtkurvenverlauf (in Fig. 1 mit B gekennzeichnet) erkennt man, daß hier aufgrund der hohen Absorptionswerte im niederen Frequenzbereich (z.B. 80% bei 315 Hz) kombiniert mit Absorptionswerten von 40 - 85% im höheren Frequenzbereich eine Kombination von Resonator und Absorber in einem Material vorliegt. Im Vergleich hierzu ist der Gesamtkurvenverlauf des Vliesstoffes (in Fig. 1 mit A gekennzeichnet) ohne anschließende Druck-AVärmebehandlung wiedergegeben. Diese Kurve zeigt das Verhalten eines rein porösen Absorbers ohne die ergänzenden resonatorbeeinflußten Absorptionen im niedrigen Frequenzbereich.
Der für die Erfindung geeignete Vliesstoff besteht aus natürlichen und /oder synthetischen organischen oder anorganischen Primärfasern, die mit 10 - 90% thermoplastischen Sekundärfasern versetzt sind. Diese weisen einen Erweichungsbereich von mindestens 5°C auf, der in jedem Falle unterhalb eines eventuellen Erweichungs- oder Zersetzungsbereiches der Primärfasern liegt.
Für beide Fasertypen kommen solche mit Titern von 0,5 - 17 dtex, vorzugsweise
0,9 - 6,7 dtex, und Stapellängen von 20 - 80 mm, vorzugsweise 30 - 60 mm, zum Einsatz. Besonders bewährt haben sich als Primärfasern Polyethylenterephthalat-Fasern in Kombination mit Copolyesterfasern als Sekundärfasern. Die Primär- und/oder Sekundärfasern können durch geeignete Fasermischungen gebildet werden, wobei von beson- derem Interesse der Zusatz von Recycling Fasern ist Bei einem Raumgewicht von 250 bis 500 Kg/m3, vorzugsweise 270 bis 330 Kg/m3 liegt die Dicke der erfindungsgemäßen Vliesstoffe bei 0,3 bis 3,0 mm und besonders bevorzugt bei 0,8 bis 1,2 mm.
Die erste Stufe der Verdichtung des Vliesstoffes besteht in einer mechanischen
Verfestigung, die durch Vernadelung durch Nadeln mit Widerhaken, nach dem Spun- laced-Verfahren durch Wasserstrahlen oder nach einem Nähwirkverfahren durch Kulier- nadeln bewerkstelligt wird. Die Vernadelung ist besonders bevorzugt und wird mit 40 bis 150 Einstichen/cm2, vorzugsweise 60 bis 80 Einstichen/cm2 ausgeführt.
Die Druck-AVärmebehandlung als zweite Stufe der Verdichtung kann diskontinuierlich (taktweise) oder kontinuierlich gestaltet werden. Dazu sind im ersten Fall beheizte Pressen und im zweiten Fall beheizbare Kalander geeignet. Der zu wählende Temperaturbereich liegt dabei innerhalb des Erweichungsbereiches der Sekundärfasern, der seinerseits unterhalb des Erweichungs- oder Zersetzungsbereiches der Primärfasern liegt. Der Liniendruck bei Kalandern liegt im Bereich von 0,5 bis 3,0 KN/cm, bevorzugt bei 1,5 bis 2,0 KN/cm.
Dem spezifischen Strömungswiderstand der verdichteten Vliesstoffe kommt eine besondere Bedeutung zu, da er unmittelbar mit dem Schallabsorptionsgrad korreliert. Als brauchbar haben sich spezifische Strömungswiderstandswerte von Rs = 800 - 1.400 Ns/m3 und besonders solche von 1.100 ± 150 Ns/m3 bewährt. Nach der ersten Verdichtungsstufe liegen die spezifischen Strömungswiderstandswerte bei etwa einem Fünftel dieser Werte.
Die erfindungsgemäßen Vliesstoffe werden in der Regel als solche eingesetzt, können aber erforderlichenfalls auch als Laminate mit anderen Flächengebilden verwendet werden. Für spezielle Zwecke kommen Fasern zum Einsatz, die bereits beim Herstellungsprozeß mit Farbstoff und/oder Flammschutzmittel und/oder elektrisch leitfähigen Komponenten versetzt werden. Außerdem besteht die Möglichkeit der Ausrüstung des fertigen Vliesstoffes: - Flammhemmend mit z.B. Metallhydroxyden und/oder Ammoniumpolyphosphat und/ oder Melamin und/oder rotem Phosphor
- Färbung
- Zugabe von Antioxydationsmitteln - Zugabe von Antistatika
Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert: Unter Verwendung einer Krempel wird ein Vlies mit einem gleichmäßigen Flächengewicht aus einer homogenen Mischung aus 50 Gew.-% PES-Faser 1,7/38 (dtex/Stapel- länge) und 50 Gew.-% CoPES-Faser 2,2/50 hergestellt. Nach Krempel und Querlege- einrichtung liegt ein Vlies mit einem Flächengewicht von etwa 300 g/m2 vor. Diese wird mit zwei Nadelpassagen von jeweils 40 bis 150 Einstichen/cm2 leicht vernadelt und durch ein auf etwa 135°C beheiztes glattes Walzenpaar durch einen Liniendruck von ca. 1,7 KN/cm verdichtet. Dieser so hergestellte Vliesstoff hat einen spezifischen Ström- ungswiderstand von etwa Rs - 1.100 Ns/m3.
Die Abhängigkeit des Schallabsorptionsgrades von der Frequenz ist in Fig. 1 graphisch dargestellt, wobei die Kurve A für den Vliesstoff nach der ersten Verdichtungsstufe und die Kurve B für das Endprodukt gilt.
Fig. 2: Schematische Darstellung einer räumlichen Anordnung des Schallschutzmaterials:
Eine breitbandige Schallabsorptionswirkung des Materials erzielt man durch Kombination von Resonatoren- und porösen Absorptionsmechanismen gleichzeitig vereint im er- findungsgemäßen Vliesstoff in Verbindung mit einem Luftspalt, dessen Breite sich an der niedrigsten zu bekämpfenden Frequenz orientiert, hinter der erfindungsgemäßen Vliesstofflage. Fig. 2 zeigt beispielhaft die Realisierung der Anordnung des Vliesstoffs C vor einem reflektierenden Wandelement E. Einbrüche des Absorptionsgrades im interessierenden Frequenzbereich können durch weitere zusätzliche Vliesstofflagen des er- findungsgemäßen Materials D vermieden werden. Die erfindungsgemäßen Vliesstoffe können vor allem im Bereich des sekundären Schallschutzes im Innenbereich eingesetzt werden, z.B. als akustisch wirksame Lage bei Schallschutzkabinenwänden und -schirmen oder als akustisch wirksame Lage bei abgehängten Deckenkonstruktionen (Akustikdecken). Sie zeichnen sich durch eine Doppel- funktion aus, da sie Resonanz- und Absorptionswirkung in sich vereinen. Damit wird es möglich, eine breitbandige Schallabsorption auch im niederen Schallfrequenzbereich mit nur einem Material zu erreichen.
Prüfmethoden
- Luftschallabsorptionsgradbestimmung
Nach DLN 52 215 Bestimmung des Schallabsorptionsgrades und der Impedanz im
Rohr.
Nach diesem Verfahren wurden in Fig. 1 die Luftschallabsorptionswerte gemessen. - Spezifischer Strömungswiderstand
Nach DIN EN 29053, Verfahren B - Dickenmessung
Handelsübliche Dickenmeßgeräte unter Verwendung von Tasteroberflächen von 25 cm2, einem Auflagedruck von 10 cN/cm2 und einer Einwirkzeit von 5 sec.

Claims

PATENT ANSPRÜCHE
1. Schallschutzmaterial aus thermoplastische Fasem enthaltenden Vliesstoffen für den Schallfrequenzbereich 100 bis 5.000 Hz, dadurch gekennzeichnet, daß der Vliesstoff in zwei Stufen durch einen mechanischen Verfestigungsprozeß und eine anschlies- sende Druck-AVärmebehandlung bis zu einem spezifischen Strömungswiderstand von Rs = 800 - 1.400 Ns/m3 dauerhaft verdichtet ist.
2. Schallschutzmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Vliesstoff neben natürlichen und/oder synthetischen organischen oder anorganischen Primärfasern 10 - 90 Gew.-% thermoplastische Sekundärfasern mit einem Erweichungsbereich von mindestens 5°C enthält, der in jedem Falle unterhalb eines eventuellen Erweichungs- oder Zersetzungsbereiches der Primärfasern liegt.
3. Schallschutzmaterial nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß für die Primär- und Sekundärfasern solche mit Titern von 0,5 bis 17 dtex, vorzugsweise 0,9 bis 6,7 dtex, und Stapellängen von 20 bis 80 mm, vorzugsweise 30 bis 60 mm, eingesetzt sind.
4. Schallschutzmaterial nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Primärfasern Polyethylenterephthalat-Fasern und als Sekundärfasern Copolyesterfasern eingesetzt sind.
5. Schallschutzmaterial nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Vliesstoff eine Dicke von 0,3 bis 3,0 mm, vorzugsweise 0,8 bis 1,2 mm und ein Raumgewicht von 250 bis 500 Kg/m3, vorzugsweise 270 bis 330 Kg/m3 aufweist.
6. Schallschutzmaterial nach Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Stufe der Verdichtung des Vliesstoffes durch einen Nadelungsprozeß realisiert wird.
7. Schallschutzmaterial nach Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Stufe der Verdichtung innerhalb des Erweichungsbereiches der Sekundärfasern bei Liniendrücken von 0,5 bis 3,0 KN/cm, vorzugsweise 1,5 bis 2,0 KN/cm realisiert ist.
8. Schallschutzmaterial nach Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der verdichtete Vliesstoff einen spezifischen Strömungswiderstand von 1.100 + 150 Ns/m3 aufweist.
9. Schallschutzmaterial nach Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Vliesstoff durch Metallhydroxyde und/oder Ammoniumpolyphosphate und/oder Melamin und/oder roten Phosphor flammhemmend ausgerüstet ist.
10. Verwendung des Schallschutzmaterials nach Ansprüchen 1 bis 9 als sekundärer Schallschutz im Innenraumbereich.
11. Verwendung des Schallschutzmaterials nach Ansprüchen 1 bis 10, dadaurch gekennzeichnet, daß eine breitbandige Schallabsorptionswirkung durch Kombination von Resonatoren- und porösen Absorptionsmechanismen in Verbindung mit einem Luftspalt, dessen Breite sich an der niedrigsten zu bekämpfenden Frequenz orientiert, hinter der VHesstofflage erzielt wird.
12. Verwendung des Schallschutzmaterials nach Ansprüchen 1 bis 11. dadurch gekennzeichnet, daß Einbrüche des Absorptionsgrades im interessierenden Frequenzbereich durch weitere zusätzliche Vliesstofflagen des erfindungsgemäßen Materials vermie- den werden können.
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