DE3050026C2

DE3050026C2 - Akustische Membran

Info

Publication number: DE3050026C2
Application number: DE3050026A
Authority: DE
Inventors: Yasuyuki Tokio/Tokyo Arai; Sumio Hagiwara; Kazuyoshi Tokorozawa Saitama Kobayashi; Etsuro Nemoto; Tsunehiro Tsukagoshi; Shinichi Yokozeki; Toshikazu Yoshino
Original assignee: Pioneer Electronic Corp
Current assignee: Pioneer Corp
Priority date: 1979-05-28
Filing date: 1980-05-20
Publication date: 1986-11-13
Also published as: US4404315A; GB2051106B; DE3019121C2; DE3019121A1; GB2051106A

Description

Die Erfindung betrifft eine akustische Membran, die aus einer Formmasse besieht, die ein aus einer Mischung verschiedener Kunstharze bestehendes Kunstharz enthält, dem durch Kneten Graphitflocken beigemischt sind, die im wesentlichen parallel zur Membranfläche ausgerichtet sind.

Eine derartige Membran schlägt die ältere deutsche Patentanmeldung P 29 38 182 vor. Durch die erwähnte Ausrichtung der Graphitflocken im wesentlichen parallel zur Membranfläche wird dort der Elastizitätsmodul des Materials verbessert. Dcr-t wird das Material während des Knetens oberhalb des Erweichungspunktes des Kunstharzes ausgerollt, nämlich bei einer Temperatur zwischen etwa 120° und 250° C.

Die ältere deutsche Patentanmeldung P 28 53 022 beschreibt ein ähnliches Herstellungsverfahren für aku.stisehe Membrane, wonach die Ausgangsmaterialien zunächst miteinander gemischt werden, worauf die Mischung blattförmig ausgerollt wird. Anschließend wird daraus die Membran hergestellt. In einem sich daran anschließenden Ve. .'ahrensschritt wird das Formteil gebrannt und anschließend karbonisiert. Beim Formen des Blattes, üblicherweise zu einem Kon;,",, herrscht Zimmertemperatur.
Akustische Bauelemente im weitesten Sinne, beispielsweise Membrane, Tonkopfgehäuse, Tonarme und dergleichen, sollen sich durch eir geringes Gewicht, eine hohe Steifigkeit und eine hohe Elastizität auszeichnen. Zusätzlich ist ein hoher innerer Verlustfaktor wünschenswert. Bei Lautsprechermembranen ermöglichen das geringe Gewicht und die erhöhte Steifigkeit das Reproduzieren des Schaüs bis in höhere Frequenzbereiche, und zwar ohne Teilschwingungen. Die inneren Verluste sollen so groß sein, daß ein schneller Anstieg des Schalldrucks im Breich der Resonanzfrequenzen verhindert wird, und daß die Dämpfungseigenschaften verbessert werden. Bei Bauelementen für Schwingungssysteme, beispielsweise Tonkopfgehäuscn, Toriarmen und dergleichen, muß die äquivalente Masse an der Nadelspitze so klein wie möglich sein. Das bedeutet, daß derartige Materialien ein geringes Gewicht haben sollen, eine hohe Steifigkeit und eine hohe Elastizität, um eine ausreichende mechanische Stärke auch bei verringerte,' Wandstärke zu ergeben. Die inneren Verluste sollen groß genug sein, um Teilschwingungen aufzunehmen.

Bekannte Materialien mit geringerem Gewicht und hoher Elastizität sind Aluminium, Titan und Beryllium sowie zusammengesetzte Materialien, beispielsweise mit Kohlenfasern verstärkte Kunststoffe und Graphit in Kunststoffen. Diese Metalle werden bisher insbesondere verwendet, um Membrane und Tonkopfgehäuse zu formen. Sie haben aber einen schlechten inneren Verlustfaktor. Materialien, die sich durch einen hohen inneren „, Verlustfaktor auszeichnen, sind Papier, Kunstharze und daraus zusammengesetzte Materialien. Diese Maieria- |

üen haben aber eine niedrige Elastizität und daher auch einen geringen spezifischen Elastizitätsmodul VJμ. Es j besteht daher ein Bedarf an Materialien mit geringem Gewicht, hoher Elastizität und einem hohen inneren Verlustfaktor.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine akustische Membran der eingangs genannten Art vorzuschlagen, die sich, verglichen mit den eingangs erwähnten beiden bekannten akustischen Membranen, durch einen weiterhin verbesserten Elastizitätsmodul und durch einen weiterhin verbesserten inneren Verlustfaktor aus- | zeichnet. g

Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß das Kunstharz aus einer Mischung aus einem Kunstharz mit einer Glasübergangstemperatur höher als die Zimmertemperatur und einem anderen Kunstharz mit einer Glasübergangstemperatur niedriger als die Zimmertemperatur besteht.

Im allgemeinen haben Kunststoffe mit hohen Molekulargewichten einen erniedrigten spezifischen Elastizitätsmodul, verbunden mit einem sehr schnellen Anstieg des inneren Verlustfaktors, wenn die Umgebungsiempe iratur die Glasübergangstemperatur überschreitet. Es werden sowohl der Elastizitätsmodul wie auch der innere Verlustfaktor dadurch gesteuert, daß die relativen Anteile der beiden unterschiedlichen Ausgangs-Kunstharze entsprechend eingestellt werden, die sich in ihren Glasübergangstemperaturen unterscheiden.

Materialien mit hohen Molekulargewichten haben im allgemeinen eine verringerte Elastizität und zeigen einen steilen Anstieg des inneren Verlustfaktors, wenn die Umgebungstemperatur die Glasübergangstempcratur überschreitet. Wird daher eine Mischung aus einem Kunstharz, einer hohen Glasübergangstemperatur und aus einem anderen Kunstharz mit einer niedrigen Glasübergangstemperatur mit Graphit kombiniert, so kann

der innere Verlustfaktor eines daraus geformten Gegenstandes dadurch eingestellt werden, daß der Anteil dieser beiden verschiedenen Kunstharze entsprechend gewählt wird.

Beispiele für Kunstharze mit hoher Glasübergangstemperatur, das. heißt mit einer Glasübergangstemperatur, die höher ist als die Zimmertemperatur, sind Polyvinylchlorid (PVC), ein Vinylchlorid-Vinylacetat-Mischpolimerisau ein Vinylchlorid-Acrylnitril-Mischpolimerisat und ähnliche Homopolymere und Kopolymere. Beispiele von Kunstharzen mit niedriger Glasübergangstemperatur, das heißt mit einer Glasübergangstemperatur, die niedriger ist als die Zimmertemperatur, sind Polyvinylidenchlorid (PVDC), ein Vinylidenchlorid-Vinylchlorid-Mischpolimerisat. ein Vinyiidenchlorid-Acrylnitril-Mischpolimerisat und ähnliche Homopolymere und Kopolymere.

Graphitflocken sind scheibenförmig geformt und haben einen verhältnismäßig großen Durchmesser verglichen mil de'- Dicke. Die Graphitflocken haben vorzugsweise eine mittlere Korngröße von etwa 20 .um oder weniger, weiter vorzugsweise von etwa 5 μπι oder weniger. Die Ausrichtung der Graphitflocken in einer Matrix aus Kunstharz verbessert die Elastizität sehr stark. Graphitflocken können sehr leicht durch Ausrollen einer Mischung aus Graphitflocken und Kunstharz ausgerichtet werden, bevor der betreffende Artikel geformt wird.

Eine wesentliche Verbesserung wird erreicht, wenn 10—90 Gewichtsprozent Graphitflocken mit 90—10 Gewichtsprozent der Kunstharzmischung gemischt werden. Diese Mischungsanteile stellen sicher, daß das Gemisch geformt werden kann und führt auch zu keinem Verspröden des Formlings. Vorzugsweise werden 50—70 Gewichtsprozent Graphitflocken mit 50—25 Gewichtsprozent Kunstharzmischung gemischt. Das Gewichlsverhältnis des Kunstharzanteils mit hoher Glasübergangstemperatur zum Kunstharzanteil mit niedriger Glasübergangstemperatur kann innerhalb eines weiten Bereichs schwanken, und zwar abhängig von den gewünschten Eigenschaften des Endprodukts. Die Kunstharze können mit den Graphitflocken unter Verwendung einer Knetmaschine oder einer Walzvorrichtung bei einer erhöhten Temperatur gemischt wer⁴ rn, die über den Erweichungstemperaturen der Kunstharze liegen, im allgemeinen bei einer Temperatur von 13y~ -200° C.

Bekannte Weichmacher und/oder Stabilisierungsmittel können beim Kneten zugefügt werden.

Das Ausrollen der Mischung ergibt ein blattförmiges Material. Weil die Graphitflocken parallel zu den Oberflächen des Blattes wegen des Auswalzens ausgerichtet sind, hat das Blatt einen hohen Elastizitätsmodul.

Das Ausrichten der Graphitfiocken parallel zu der Oberfläche des Formlings ist wichtig, um einen verbesserten Elastizitätsmodul zu erhalten. Beim Formen einer Graphitmischung mit verschiedenen Kunstharzen soll ein Formungsverfahren Verwendung finden, mit dem die Ausrichtung der Graphitflocken erleichtert wird. Bei einer bevorzugten Ausführungsform kann eine geknetete Mischung von Graphit in geschmolzenen, unterschiedlichen Kunstharzen in Blattform ausgerollt werden, wobei die Graphitflocken parallel zur Oberfläche des Blattes ausgerichtet sind, bevor das Blatt durch Vakuumverformung oder durch Druckluft zum gewünschten Artikel verformt wird. Bei einer anderen Ausführungsform kann eine geknetete Mischung aus Graphit und aus wenigstens zwei Kunstharzen direkt in eine gewünschte Form durch Preßverformen oder durch andere bekannte Formlcchniken geformt werden, sofern Sorge dafür getragen wird, daß die Graphitflocken zumindest teilweise ausgerichtet sind. Direktes Formen kann angewendet werden, wenn das Endprodukt keinen sehr hohen Elastizilälsmodul haben muß.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt

!■' i g. 1 einen Schnitt durch eine Formmasse zur Herstellung einer akustischen Membran:

F i g. 2 einen Schnitt durch ein aus der Formmasse nach F i g. 1 durch Auswalzen hergestelltes Blatt:

I" i g. 3 einen Schnitt durch eine aus dem Blatt nach F i g. 2 geformte Membran;

F i g. 4 ein Diagramm, wobei der prozentuale Anteil an zugefügtem PVDC über dem Elastizitätsmodul bzw. dem inneren Verlustfaktor aufgetragen ist.

Die neuartige Formmasse kann dadurch hergestellt werden, daß ein bestimmter Anteil an Graphitflocken einer Mischung aus einem Kunstharz mit hoher Glasübergangstemperatur und einem anderer. Kunstharz mit niedriger Glasübergangstemperatur beigemischt wird. Ein geeigneter Weichmacher und/oder ein geeignetes Stabilisierungsmittel werden vorzugsweise der Mischung zugesetzt. Die Mischung wird durch Kneten oder Walzen gemischt, während sie auf eine Temperatur erwärmt wird, bei der die Kunstharze erweicht werden, im allgemeinen auf eine Temperatur von etwa 130° —200°C.

F i g. 1 zeigt, daß eine Kunstharzmatrix 1 Graphitflocken 2 in zufälliger Verteilung enthält, woraus eine Masse 3 entsteht. Akustische Membranen können aus dieser Masse direkt durch Druckformen geformt werden.

Die geknetete Masse wird anschließend zu einem Blatt 4 ausgerollt, das in F i g. 2 gezeigt ist. Durch das Ausrollen werden die Graphitflocken parallel zu der Blattfläche ausgerichtet, wodurch der Elastizitätsmodul und die Steifigkeit des Blattes erhöht werden.

Eine Membran 11 nach Fig. 3 kann aus dem Blatt 4 durch e'fien geeigneten Verformungsprozeß hergestellt werden, beispielsweise durch Vakuumverformen oder durch Druckverformen. In F i g. 3 hat die Membran eine konusförmige Gestalt. Sie kann aber auch abgeflacht geformt werden. Das Verformen wird vorzugsweise bei einer Temperatur von 70° bis 150°C oder in der Nähe der Erweichungspunkte der Kunstharze durchgeführt.

Die Membran 11 kann karbonisiert oder graphitisiert werden, um ihre Steifigkeit zu erhöhen.

Die Membran wird hierzu beispielsweise in eine entsprechende Stütze eingesetzt, so daß sie bei der nachfolgenden Wärmebehandlung nicht verformt werden kann. Die Membran wiro dann in einer oxidierenden Atmo-Sphäre schrittweise erwärmt, beispielsweise in Luft auf eine Temperatur von 250° —350°C, und zwar mit einer (Rate von Γ — 10°C/Std., unrein Vorsintern zu bewirken. Die Membran wird an ihrer Oberfläche oxidiert UQd bei diesem Vorsintern unschmelzbar gemacht.

Die nicht schmelzbare Membran kann dadurch karbonisiert werden, daß sie in einer nicht oxidierenden Atmosphäre oder in Vakuum auf eine Temperatur von 1000° —1500°C bei einer Rate von 10°—20°C/Std. erwärmt wird.

-Das Graphitisieren kann durch Erwärmen der nicht schmelzbaren Membran auf eine Temperatur von 2000°— 3000°C unter fehnlichen Bedingungen wie beim Karbonisieren erreicht werden. Das Karbonisieren und

Graphitisieren erhöht den Elastizitätsmodul des geformten Artikels.

Die Erfindung wird anhand der folgenden Beispiele weiterhin näher erläutert.

Beispiel 1
5

Eine Formmasse bestehend aus Graphit und Kunstharz wird hergestellt. Die Kunstharzmischung besteht aus einem Vinylchlorid-Vinylacetat-Mischpolimerisat, das zur Vereinfachung als »PVC« bezeichnet wird, und das eine hohe Glasübergangstemperatur hat. Ein zweiter Bestandteil der Kunstharzmischung besteht aus einem Vinylidenchlorid-Acrylnitril-Mischpolimerisat, das im folgenden als »PVDC« bezeichnet wird, und das als Kunstharz mit niedriger Glasübergangstemperatur verwendet wird. Diese beiden Kunstharze werden in unterschiedlichen Beträgen miteinander gemischt. Die verschiedenen Kunstharzkombinationen werden mit Graphitflockcn in einem festen Gewichtsverhältnis von 1 :2 vermischt, sowie mit einem bekannten Weichmacher und einem bekannten Stabilisierungsmittel, jeweils in üblichen Anteilen.

Graphit 100

Kunstharzkombination 50

Weichmacher (BPBG) 5
Stabilisierungsmittel

(Bleistearat) 1

Die sich ergebende Mischung wird bei einer Temperatur von 150" geknetet und dann blattförmig ausgewalzt. Der Elastizitätsmodul und der innere Verlust des Blattes wird gemessen. Der Elastizitätsmodul wird bei einer Frequenz von 500 Hz gemessen. Die gemessenen Werte werden über den prozentualen Anteilen an zugefügtem PVDC aufgetragen, das heißt über dem Maß PVDC/(PVC + PVDC)x 100%. Fig.4 zeigt das Verhalten des Elastizitätsmoduls und des inneren Verlustfaktors in Abhängigkeit vom prozentualen PVDC-Anteil. Es ergibt sich, daß der Elastizitätsmodul £", der gestrichelt eingetragen ist, nur unwesentlich vom prozentualen Anteil an PVDC abhängt. Der innere Verlust tan δ, der durch die ausgezogene Linie wiedergegeben wird, zeigt dagegen einen sehr steilen Anstieg proportional zum Anwachsen des prozentualen PVDC-Anteils.
Diese Materialien haben eine Dichte ρ von etwa 1,84 g/cm³.

Beispiel 2

Ein Blatt, das wie vorstehend bei Beispiel 1 beschrieben hergestellt war, wurde durch Erwärmen einer oxidierenden Atmosphäre auf eine Temperatur von etwa 300°C bei einer Rate von Γ —10°C/Std. karbonisiert, um das Blatt nicht schmelzbar zu machen. Anschließend wurde es in einer nicht oxidierenden Atmosphäre auf eine Temperatur von etwa 1200⁰C bei einer Rate von 10° — 20° C/Std. erwärmt.

Beispiel 3

Ein weiteres ausgewalztes Blatt wurde, wie vorstehend beschrieben, nicht schmelzbar gemacht und dann in einer nicht oxidierenden Atmosphäre auf eine Temperatur von etwa 2500⁰C mit einer Rate von 10°— 20"CAStd. erwärmt Das Blatt wurde dadurch graphitisiert.

Die physikalischen Eigenschaften eines typischen Materials der Zusammensetzung nach Beispiel 1 mit einer Kunstharzkombination von 30 Gewichtsprozent PVDC und 70 Gewichtsprozent PVC wurde nach dem Formen (Beispiel 1), nach dem Karbonisieren (Beispiel 2) und nach dem Graphitisieren (Beispiel 3) gemessen.

Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 zusammen mit den Eigenschaften herkömmlicher Materialien aufgeführt.

Tabelle 1
so

Beispiel 1 Beispiel 2 Beispiel 3

Aluminium

Titan
Beryllium

Kraftpapier

Die Tabelle 1 zeigt, daß der Zusatz und die Ausrichtung der Graphitflocken bei einem Kunslharzmaterial '■■

einen verbesserten Elastizitätsmodul ergibt. Der Zusatz eines Kunstharzes mit niedriger Glasübergang.siempe- ;

ratur vergrößert den inneren Verlust, während das sich daraus ergebende zusammengesetzte Material wegen \

der Verwendung dieser Komponenten leicht ist Verglichen mit Metallen wie Aluminium und Titan hai die ,,

neuartige Formmasse einen vergleichbaren Elastizitätsmodul und innere Verluste, die wenigstens zehnmal I

höher sind. Das Karbonisieren und Graphitisieren kann weiterhin den Elastizitätsmodul des Metalles um das 1,8 jj

Elastizitätsmodul	Dichte	Spezifischer	Innerer
E	ρ	Elastizitätsmodul	Verlust
(xl0^loN/m)	(kg/m³)		tan ο
		(x 10³m/sec)
7,0	1840	6,2	0.05
12,5	1790	8.4	0,02
18,0	1790	10,0	0.01
7,1	2690	5,1	0,003
	4390	52	0.003
25,0	1800	IU	0,005
0,2	570	15	0,08

b/w. 2,5PiIcIiC über den Ausgangswert vergrößern, wobei der Elastizitätsmodul von Beryllium angenähert wird. Oiis Anwachsen des Elastizitätsmoduls wird ohne eine Beeinträchtigung der inneren Verluste erreicht, die etwa viermal höher sind als diejenigen der Metalle.

Die neuartige Formmasse zeichnet sich durch ein leichteres Gewicht und durch eine höhere Elastizität aus als Metalle, wie beispielsweise Aluminium und· Titan. Trotz dieser vergrößerten Elastizität bleiben die inneren 5 Verluste vergleichbar mit denen von Papier. Die Formmasse ist insbesondere geeignet für die Herstellung von Membranen, das heißt von akustischen Bauelementen, die ein leichtes Gewicht haben sollen, einen hohen RliistizitiHsmodu! und einen ausreichenden inneren Verlust. Abhängig von dem Zweck der jeweiligen Formulasse^ann eine optimale Kombination des Elastizitätsmoduls und des inneren Verlustes dadurch erhalten werden, daß das Verhältnis der Kunstharzanteile mit hoher bzw. niedriger Glasübergangstemperatur entsprechend io eingestellt wird. Auch kann der Anteil des zugeführten Graphits entsprechend eingestellt werden. Die Formmassen haben den weiteren Vorteil, daß sie aus preisgünstigen, handelsüblichen Ausgangsmaterialien hergestellt werden können. Sie können weiterhin leicht durch bekannte Verfahren geformt werden. Insbesondere ist es wichtig, daß die Formmasse sich durch ein leichtes Gewicht, einen verbesserten Elastizitätsmodul und durch einen guten inneren Verlust auszeichnet. _I5

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Akustische Membran, die an·: einer Formmasse besteht, die ein aus einer Mischung verschiedener Kunstharze bestehendes Kunstharz enthält, dem durch Kneten Graphitflocken beigemischt sind, die im wesentlichen parallel zur Membranfläche ausgerichtet sind, dadurch gekennzeichnet. d;iU das Kunstharz aus einer Mischung aus einem Kunstharz mit einer Glasübergangstemperatur höher al.s die Zimmertemperatur und einem anderen Kunstharz mit einer Glasübergangstemperatur niedriger ;ils die Zimmertemperatur besteht.

2. Akustische Membran nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kunsih.ir/ mit ilen to Graphitflocken nach dem Mischen und Durchkneten blattförmig ausgewal/t ist. worauf das Blau in die gewünschte Form zu einem Formkörper geformt ist.

3. Akustische Membran nach Patentanspruch 2. dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper karbonisiert ist.

4. Akustische Membran nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper graphiiisiert ist.

5. Akustische Membran nach einem der Patentalisprüche 1—4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunsiharzmischung Polyvinylchlorid und Polyvinylidenchlorid einschließt.