DE10154364A1 - Dämmstoff für Schallwellen - Google Patents

Abstract

Matrixmaterialien auf Basis nativer Rohstoffe, die mit nativen Fasern zu einem Verbundmaterial kombiniert werden, eignen sich als leichtgewichtige Dämmaterialien für Schallwellen.

Description

• Die vorliegende Anmeldung betrifft die Verwendung von Faserverbundwerkstoff als Dämmstoffe, vorzugsweise zum Einsatz im Lautsprecherbau.
• Faserverbundwerkstoffe bestehen wenigstens aus Fasern und einem Matrixmaterial. Dabei dienen die Fasern der Verstärkung des Werkstoffes. Die Fasern nehmen dabei insbesondere am Werkstoff wirkende Zugkräfte auf, die Matrix füllt Hohlräume zwischen den Fasern und umhüllt die Fasern. Damit überträgt die Matrix insbesondere die Schubkräfte, die auf das Verbundmaterial einwirken. Darüber hinaus schützt die Matrix die umhüllten Fasern vor Außeneinflüssen wie z. B. Eindringen von Wasser oder Feuchtigkeit, oxidative oder photooxidative Einflüsse. Bekannt sind Faserverbundwerkstoffe beispielsweise aus glasfaser-, metallfaser- oder kohlenstoffaserverstärkten synthetischen Kunststoffen. Diese Verbundwerkstoffe haben sich in der Vergangenheit wegen ihrer hohen Belastbarkeit, Dauerhaftigkeit und Reproduzierbarkeit in vielen Anwendungsfeldern bewährt. Im Zuge der Forderung nach langfristig tragfähigen Entwicklungen (sustainable development) werden jedoch immer häufiger auch für Verbundmaterialien solche Produkte gefordert, die auf der Basis von Biomasse und/oder landwirtschaftlichen Produkten als nachwachsenden Rohstoffen gefertigt werden. Im Gegensatz zu petrochemischen und fossilen Rohstoffen erschöpfen sich nachwachsende Rohstoffe nicht, sie können über den Anbau geeigneter Pflanzen durch Photosynthese jederzeit regeneriert werden.
• Naturfaserverstärkte Kunststoffe sind an sich bekannt; ihre Vorteile gegenüber glasfaserverstärkten Kunststoffen sind hinsichtlich Rohstoffbasis, Ökobilanz, Arbeitsschutz, Gewicht oder thermische Entsorgung sind bereits beschrieben, siehe z. B. Kohler, R.; Wedler, M.; Kessler, R.: "Nutzen wir das Potential der Naturfasern?" In: Gülzower Fachgespräche "Naturfaserverstärkte Kunststoffe" (Hrsg. Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe, Gülzow 1995), S. 95-100 oder "Leitfaden Nachwachsende Rohstoffe, Anbau, Verarbeitung, Produkte", 1. Auflage, Heidelberg: Müller, 1998, insbesondere Kapitel 8. Bei der Entwicklung von Verbundwerkstoffen stehen, neben der Frage der Auswahl von ökologisch unbedenklichen, möglichst nachwachsender Rohstoffe, natürlich die mechanischen Eigenschaften dieser Werkstoffe im Vordergrund.
• Überraschenderweise wurde nun gefunden, daß bestimmte Verbundwerkstoffe hervorragende Eigenschaften als Dämmstoffe für Schallwellen aufweisen. Derartige Dämmstoffe werden vorzugsweise beim Bau von Lautsprechersystemen, aber auch bei der Lärmdämmung in Gebäuden oder im Fahrzeug- bzw. Flugzeugbau eingesetzt. Dabei ist zum einen eine hohe Dämmung gegen Schall gefordert, gleichzeitig soll aber der Werkstoff auch möglichst leicht sein, sich einfach verarbeiten lassen und kostengünstig herzustellen sein.
• Ein erster Gegenstand der vorliegenden Erfindung betrifft die Verwendung von Verbundwerkstoffen, enthaltend Fasern auf Basis von Naturstoffen und als Matrix
  
• a) Umsetzungsprodukte aus Ringöffnungsprodukten von epoxidierten Fettstoffen mit
• b) kurzkettigen olefinisch ungesättigten Carbonsäuren und ggf. weiteren olefinisch ungesättigten Comonomeren, in Gegenwart von
• c) bifunktionellen Vernetzern,
als Dämmstoffe für Schallwellen.
• Die Umsetzungsprodukte a) sind bekannte Verbindungen und ausgewählt aus der Gruppe der epoxidierten, mit Carbonsäuren ringgeöffneten Fettstoffe. Die epoxidierten Fettstoffe werden durch Umsetzung geeigneter Ausgangsmaterialien mit Ethylenoxid erhalten. Beispiele für geeignete Ausgangsmaterialien sind vorzugsweise die natürlichen Fette und Öle von Raps, Sonnenblumen, Soja, Lein, Hanf, Ricinus, Kokusnüssen, Ölpalmen, Ölpalmkernen und Ölbäumen. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung von epoxidiertem Sojaöl, das vorzugsweise 5 bis 10 Gew.-% Epoxidgruppen enthält. Die Reaktion der epoxidierten Fettstoffe mit olefinisch ungesättigten Carbonsäuren verläuft im Sinne einer nucleophilen Ringöffnungsreaktion am Epoxidring der Fettstoffe. Die Carbonsäuren sind vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe der ungesättigten C₃ bis C₁₀ Carbonsäuren, namentlich von Acrylsäure, Methacrylsäure, Crotonsäure, Itakonsäure, Maleinsäure, Fumarsäure. Besonders bevorzugt sind Monomere a) die durch Ringöffnung von epoxidierten Fettstoffen mit Acrylsäure erhalten werden. Besonders bevorzugt sind Verbindungen a) aus Sojaölepoxid, ringgeöffnet mit Acrylsäure. Bei der Umsetzung der Epoxide mit den Carbonsäuren ist es vorteilhaft, einen Überschuß an olefinisch ungesättigter Carbonsäure einzusetzen, um eine möglichst vollständige Umsetzung zu erreichen. Vorzugsweise werden die Reaktanden im Molverhältnis von ca. 1 : 2 (Epoxid: Säure) eingesetzt. Die Ringöffnungsreaktion findet bei erhöhten Temperaturen von 100 bis 200°C statt und kann, in Abhängigkeit der Reaktivität der Säurekomponente auch ohne Katalysator durchgeführt werden. Vorzugsweise findet die Polymerisation bei Temperaturen von 130 bis 200°C und insbesondere bei Temperaturen von 150 bis 180°C statt. Wenn notwendig können aber bekannte alkalische oder saure Katalysatoren zur Reaktionsbeschleunigung zugesetzt werden. Bei Verwendung sehr reaktiver Carbonsäuren, wie der Acrylsäure, kann es vorteilhaft sein, durch Zugabe geeigneter Inhibitoren, z. B. Hydrochinon oder p-Benzochinon, eine Polymerisation der Säure untereinander zu verhindern. Der Inhibitor wird dann in Mengen von 1 bis 20 Gew.-% bezogen auf das Gewicht an Carbonsäure, zugesetzt.
• Die Umsetzungsprodukte a) werden in Gegenwart mindestens eines Co-Monomeren b) vorzugsweise in einer Form bei erhöhter Temperatur zusammen mit den Fasern zu den gewünschten Werkstücken verarbeitet. Es kann aber auch eine Verarbeitung nach dem sogenannten Handlaminierverfahren durchgeführt werden. Es findet jeweils eine radikalische Polymerisation zwischen den Komponenten a) und b) statt, die zu einer Aushärtung der Ausgangskomponente a) führt. Bei dieser Umsetzung reagieren die ungesättigten Stellen der Komponenten a) und b) miteinander was zu einer Aushärtung des Materials führt. Die Matrix umschließt dabei das Fasermaterial und führt so zur Bildung eines stabilen Werkstoffs. Bei der Herstellung der Faserverbundwerkstoffe kann es vorteilhaft sein, Fasern und Matrixmaterial unter erhöhtem Druck zur Reaktion zu bringen. In diesem Falle liegt der Druck im erfindungsgemäßen Verfahren dann typischerweise zwischen 20 und 200 bar und vorzugsweise zwischen 20 und 60 bar. Die Reaktionszeiten für die Polymerisation liegen vorzugsweise zwischen 30 Sekunden und etwa 20 Minuten und insbesondere zwischen 1 und 5 Minuten.
• Die Co-Monomeren b) enthaltend mindestens eine olefinische ungesättigte Doppelbindung und sind vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe der Acrylsäure und deren Derivate, wie der Methacrylsäure. Generell sind Alkylmethacrylsäuren der allgemeinen Formel (I)
  
  
  in der R für einen Alkylrest mit 1 bis 22 C-Atomen steht, geeignet. Es können aber auch mehrere Co- Monomere b) in Abmischung mit den Monomeren a) radikalisch polymerisiert werden. Dabei werden, mit Bezug auf das Gewicht an Monomeren a) 0,1 bis 10 Gew.-% an Co-Monomeren b), vorzugsweise 1 bis 10 Gew.-% und insbesondere 2 bis 7 Gew.-% eingesetzt.
• Neben den bereits oben beschriebene Vertretern der Co-Monomeren b) können auch weitere Verbindungen, vorzugsweise aus der Gruppe gebildet aus den Derivaten von Acryl-, Methacryl- und Alkylacrylsäure, insbesondere deren Ester mit C₁- bis C₃₀-Alkoholen, vorzugsweise von C₁₀- bis C₂₂- Alkoholen sowie allgemein Allylester, oder Vinylester wie Vinylacetat, Vinylproprionat oder Vinylversatat, Vinyllaurat oder Styrol, Divinylbenzol oder deren Mischungen eingesetzt werden. Zur Umsetzung mit den Monomeren a) werden in ans ich bekannter Weise Radikalstarter, wie organische Peroxide, z. B. t- Butyl-per-3,5,5-trimethylhexanoat (TBPIN) zugesetzt. Bei erhöhten Temperaturen (> 100°C) zerfallen diese und setzten damit die eigentliche Polymerisation in Gang. Die Herstellung derartiger Matrices ist Gegenstand der nicht vorveröffentlichten DE 199 30 770 bzw. DE 199 52 364 der Anmelderin.
• Bei den Vernetzer c) handelt es sich erfindungsgemäß um organische Verbindungen, die mindestens zwei reaktive Stellen im Molekül aufweisen, die mit den Verbindungen gemäß a) und b) reagieren können. Es sind aber auch Verbindungen mit drei, vier oder einer noch größeren Anzahl von reaktiven, zur Vernetzung geeigneten Stellen im Molekül geeignet. Vorzugsweise sind die Komponente c) ausgewählt aus Verbindungen der allgemeinen Formel (II)
  
  H₂C = CR³-(CH₂)n-X-A-X-(CH₂)_n-CR³=CH₂ (II)
  
  in der A für einen zweiwertigen, ggf. von Heteroatomen unterbrochenen, aliphatischen Rest mit 2 bis 24 C-Atomen oder einen aromatischer Rest mit 6 bis 10 C-Atomen und X für eine Gruppe CO, OCO oder COO, R³ für ein Wasserstoffatom oder eine CH₃-Gruppe und n die Zahlen Null oder 1 bis 3 bedeuten. Besonders geeignet sind Komponenten c) aus der Gruppe die ausgewählt ist aus Diallylphthalaten, Dipropylenglykoldiacrylat oder Diethylenglykoldiacrylat. Weiterhin geeignet sind reaktive Anhydride als Komponente c), hier wiederum vorzugsweise das Maleinsäureanhydrid. Es hat sie als vorteilhaft erwiesen, wenn bei der Herstellung des Matrixmaterials das Gewichtsverhältnis zwischen den Komponente a) und ggf. b) auf der einen Seite und c) auf der anderen Seite im Bereich von 70 : 30 bis 50 : 50 eingestellt wird.
• Weiterhin können den Verbundwerkstoffen an sich bekannte weitere Hilfsstoffe zugesetzt werden, hierzu gehören Flammschutzmittel, Farbpigmente, UV-Absorber sowie organische und/oder anorganische Füllstoffe. Als anorganische Füllstoffe eignen sich natürliche und synthetische Kieselsäuren (Aerosiltypen auch hydrophobiert, Amosiltypen, Zeolithe wie Sasil und Flavith D (Geruchsabsorber der Fa. Degussa), silikatische Mikrohohlkugeln (Fillite der Fa. Omya) und natürliche Silikate wie Betonite, Montmorillonite, Talk, Kaolinit und Wollastonit. Geeignete Farbpigmente sind beispielsweise Calciumcarbonat, Calciumsulfat, Bariumsulfat, Titandioxid und Ruß. Verschiedene Rußtypen (Furnaceruße, Gasruße z. B. Printex 60 Fa. Degussa) färben schon in geringen Konzentrationen das Bauteil schwarz ein und schützen es gegen UV-Strahlen. Die Einsatzkonzentration der Hilfsstoffe liegt bei 0,1 bis 5 Gew.-%. Organische Füllstoffe sind beispielsweise Stärke und Stärkederivate, Weizenproteine, Cellulosepulver und Chitin-Chitosanpulver.
• Obwohl die vorgenannten Matrizes auch mit synthetischen Fasern wie Glasfasern, Kohlenstoffasern, Metallfasern und dgl. zu Faserverbundwerkstoffen verarbeitet werden können, werden erfindungsgemäß vorzugsweise Naturfasern eingesetzt. Dabei können diese Naturfasern in Form von Kurzfasern, Garnen, Rovings oder vorzugsweise textile Flächengebilde in Form von Vliesen, Nadelvlies, Wirrvliesen, Geweben, Gelegen oder Gewirken auf der Basis von Flachs-, Hanf-, Stroh-, Holzwolle-, Sisal-, Jute-, Kokos-, Ramie-, Bambus-, Bast-, Cellulose-, Baumwoll- oder Wollfasern, Tierhaaren oder Fasern auf Basis von Chitin/Chitosan oder deren Kombination eingesetzt werden. Im Falle der Verwendung als Dämmstoff für Schallwellen sind insbesondere Flachs/Sisal- und Bast-Fasern bevorzugt. Neben der bevorzugten Verwendung als Dämmaterial in Lautsprechern können die Verbundwerkstoffe auch in anderen Bereichen zur Schalldämmung eingesetzt werden. Hier sei bevorzugt der Fahrzeug- bzw. Flugzeugbau genannt, wo hohe Schalldämmung mit niedrigem Gewicht gefordert wird. Besonders vorteilhaft ist die erfindungsgemäße Verwendung zum Dämmen von Trittschall in Gebäuden, insbesondere bei Treppen.
Beispiele
• Sojaölacrylat aus der Umsetzung von Sojaölepoxid mit Acrylsäure wird mit Diallylphtalat als bifunktioneller Vernetzer im Gewichtsverhältnis 70 : 30 vermischt. Die Viskosität der Mischung betrug 1000 mPa.s (Brookfield, 23°C). Anschließend wurden 2 Gew.-% TBPIN zugesetzt, die so vorbereitete Matrixmischung wurde bei Raumtemperatur (21°C) auf eine Flach/Sisal-Fasermischung aufgetragen und bei 150°C für 10 Minuten ausgehärtet. Der so hergestellte Faserverbundwerkstoff wurde als Abschlußdeckel in einem Basslautsprechersystem verwendet und mit Deckeln aus Holz und Aluminium verglichen. Es zeigte sich, daß der Faserverbundwerkstoff trotz seines geringen Gewichts eine hervorragende Dämpfung in allen Frequenzbereichen aufwies.

Claims (8)

1. Verwendung von Verbundwerkstoffen, enthaltend Fasern auf Basis von Naturstoffen und als Matrix

a) Umsetzungsprodukte aus Ringöffnungsprodukten von epoxidierten Fettstoffen mit

b) kurzkettigen olefinisch ungesättigten Carbonsäuren und ggf. weiteren olefinisch ungesättigten Co-Monomeren, in Gegenwart von

c) bifunktionellen Vernetzern, als Dämmstoffe für Schallwellen.

2. Verwendung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die olefinisch ungesättigten Carbonsäuren aus der Gruppe Acrylsäure, Methacrylsäure, Crotonsäure, Itakonsäure, Maleinsäure, Fumarsäure oder deren Mischungen ausgewählt sind.

3. Verwendung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die weiteren Comonomeren aus der Gruppe gebildet aus ungesättigten Carbonsäuren gemäß Anspruch 2, deren Ester von C₁- bis C₃₀-Alkoholen, vorzugsweise von C₁₀- bis C₂₂-Alkoholen sowie Allylestern, oder Vinylestern wie Vinylacetat, Vinylproprionat oder Vinylversatat, Vinyllaurat oder Styrol, Divinylbenzol oder deren Mischungen ausgewählt werden.

4. Verwendung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die epoxidierten Fettstoffe ausgewählt sind aus epoxidierten Triglyceriden nativen Ursprungs, vorzugsweise aus epoxidiertem Kokos-, Hanf-, Lein-, Palm-, Palmkern-, Raps-, Ricinus-, Sonnenblumen-, Sojaöl oder deren Mischungen.

5. Verwendung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die ringgeöffneten epoxidierten Fettstoffe a) ggf. in Kombination mit den Co-Monomeren b) mit den Vernetzern c) im Gewichtsverhältnis 70 : 30 bis 50 : 50 eingesetzt werden.

6. Verwendung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Naturfasern, Kurzfasern, textile Flächengebilde in Form von Vliesen, Nadelvlies, Wirrvliesen, Geweben oder Gewirken auf der Basis von Flachs-, Hanf-, Stroh-, Holzwolle-, Sisal-, Jute-, Kokos-, Ramie-, Bambus-, Bast-, Baumwoll- oder Wollfasern, Tierhaaren oder Fasern auf Basis von Chitin/Chitosan oder deren Kombination verwendet werden.

7. Verwendung nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Dämmaterial in Lautsprechern eingesetzt wird.

8. Verwendung nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Dämmaterial in Gebäuden zur Dämmung von Trittschall eingesetzt wird.