20. dubna 2015 00:31

Polymérne materiály

a ich využitie pri výrobe automobilov

Polyméry a polymérne kompozity sa v súčasnosti intenzívne využívajú pri výrobe automobilov. V roku 1970 sa pri výrobe automobilu strednej triedy spotrebovalo asi 40 kg plastov, v roku 1983 až 90 kg a v roku 1995 približne 130 kg. Podiel plastov na celkovej hmotnosti automobilu dnes predstavuje 10 až 15 %.

Úvod

Z plastov sú dnes vyrábané rôzne časti automobilu: nárazníky, blatníky, čelo vozidla, prístrojová doska, vnútorné obloženie, kostra a vnútro sedadiel, kryty kolies, držiaky motora, puzdro akumulátora, tepelný štít katalyzátora, tesnenie, izolácia, pérovanie, trysky topenia a klimatizácia, fólie na displej, svetelné zdroje. Z materiálov sa uplatňujú predovšetkým termoplasty vystužené sklenými vláknami (v špeciálnych prípadoch sa používajú uhlíkové vlákna). V roku 1970 plasty predstavovali 6 % hmotnosti automobilu a v súčasnosti sa tento podiel zvýšil na 15 % hmotnosti, pričom sa predpokladá, že v roku 2020 budú plasty tvoriť až 25 % hmotnosti automobilu. S rastom počtu vyrábaných vozidiel narástla aj celková spotreba materiálov. Od sedemdesiatych rokov klesá priemerná hmotnosť cestných motorových vozidiel. Priemerné európske vozidlo váži takmer 1 100 kg (v USA takmer 1 500 kg), pričom sú v tom zastúpené železné kovy (60 % hmotnosti vozidla), neželezné kovy (7 %, hlavne hliník), plasty (10 %), guma (4,5 %), sklo (3 %), textil a protihluková hmota (4 %), farba a tmel (1,5 %), kvapaliny a iné materiály (7 %). Materiál predstavuje v súčasnosti 30 % v kalkuláciách pri tvorbe ceny výrobku, preto je veľká snaha výrobcov o znižovanie jeho spotreby. Automobily pozostávajú približne z 50 rôznych materiálov a 10 000 súčiastok. Hlavné konštrukčné prvky automobilu sú vyrobené z ocele a liatiny. Plasty majú výrazne nižšiu hmotnosť ako kovy. 1 m3 ocele má hmotnosť 7 850 kg a hliníka 2 700 kg, pričom 1 m³ plastov dosahuje hmotnosť od 1 000 do 2 000 kg podľa druhu používaného plastu. Ďalším dôvodom použitia plastov je ich teplota spracovania. Oceľ sa taví pri teplote 1 350 °C (v prípade hliníka je táto teplota 658 °C), v prípade plastov je však teplota ich tavenia len 140 až 260 °C. Výrazne nižšia teplota tavenia plastov v porovnaní s kovmi prináša veľkú energetickú úsporu pri výrobe dielcov automobilu. Dôležitou je tiež úspora pohonných látok pri použití plastov na výrobu automobilov. Zníženie hmotnosti automobilu o 100 kg umožňuje zníženie spotreby paliva o 0,4 litra na 100 km. Priaznivým argumentom pre používanie plastov pri výrobe automobilov je recyklovateľnosť prakticky všetkých termoplastov. V súčasnosti sa až 90 % vyťaženej ropy využíva na výrobu pohonných látok a len 10 % ropy sa spracováva pri výrobe plastov. Plasty predstavujú ekologické riešenie výroby automobilov a podstatnou mierou prispievajú k redukcii emisií CO₂.

História využitia polymérov pri výrobe automobilov

Veľké využitie v oblasti automobilového priemyslu našli najmä polymérne kompozitné materiály, ktoré sú v porovnaní s tradičnými kovovými aj polymérnymi materiálmi ľahšie a disponujú lepšími mechanickými vlastnosťami. Na začiatku 20. storočia pripravil belgický chemik Baekeland plastickú látku bakelit a odvtedy sa začala éra plastických látok, resp. polymérov. Po objave epoxidov v priebehu druhej svetovej vojny sa impregnovaním sklených vlákien pripravili prvé polymérne kompozity vo forme epoxidových laminátov. Po druhej svetovej vojne sa začali tieto kompozity používať pri konštruovaní automobilov, najskôr pri výrobe pretekárskych automobilov a neskôr aj sériovo vyrábaných automobilov. Podstatné rozšírenie možností aplikácií plastov v automobilových výrobách umožnila až masová výroba termoplastických polymérnych materiálov v šesťdesiatych rokoch 20. storočia. V sedemdesiatych a osemdesiatych rokoch rokoch minulého podstatne vzrástli požiadavky na bezpečnosť jazdy motorovými vozdidlami a na vyššiu hospodárnosť využívania automobilov. Používanie polymérov a ich kompozitov umožnilo výrazne znížiť jednak hmotnosť motorových vozidiel a jednak spotrebu pohonných látok. V dôsledku rýchleho vývoja nanokompozitných polymérnych materiálov sa po roku 2000 získali nové polymérne kompozitné materiály s vyššími mechanickými a povrchovými vlastnosťami „šitými na mieru“ a nehorľavosťou, ktorých aplikácia znamenala revolúciu pri výrobe automobilov. Súčasne sa našli nové technologické postupy pri výrobe karosérie automobilov, ktoré umožnili z polymérov vyrobiť presné a aj veľmi zložito tvarované dielce s vysokou odolnosťou proti pôsobeniu mechanického namáhania pri náraze, resp. s veľmi vysokou rázovou húževnatosťou.

Spájanie konštrukčných materiálov zváraním a lepením

Elektrické bodové zváranie plechov karosérie automobilov bolo v mnohých prípadoch nahradené alternatívnou metódou spájania plechov lepením alebo použitím kombinácie oboch metód spájania dielcov karosérie – zvárania aj lepenia. Polyméry používané na konštruovanie automobilov si však vyžadujú používanie špeciálnych metód pri ich spájaní a lakovaní. Pred lepením alebo lakovaním plastových dielcov je potrebná špeciálna povrchová úprava ich povrchu, napr. aplikáciou primerov alebo promótorov adhézie a postupov povrchovej úpravy s použitím napr. nízkoteplotnej plazmy elektrického výboja. Pri použití veľkého sortimentu špeciálnych adhezív na účely výroby moderných automobilov a motorových vozidiel však určité odlišnosti pri aplikácii polymérov a ich kompozitov v porovnaní s kovmi nepredstavujú žiadny problém, a naopak umožňujú zrýchliť a zjednodušiť výrobu motorových vozidiel.

Syntetické polymérne materiály

Z polymérnych materiálov sa v moderných automobiloch najčastejšie môžeme stretnúť s termoplastami so zastúpením cca 10 % z celkovej hmotnosti vozidla čo zodpovedá cca 100 kg jeho hmotnosti. Polyméry sa využívajú najmä pri výrobe karosérií automobilu a menej sa využívajú pri konštrukcii podvozkov. Z najviac využívaných polymérov pri výrobe automobilov možno uviesť izotaktický polypropylén a jeho kopolyméry (30 %), nízkohustotný a vysokohustotný polyetylén (10 %), polyamid 6, polyamid 12 a iné polyamidy (10 %) a terpolymér akrylonitril-butadién-styrén (ABS) s 10% zastúpením. Izotaktický polypropylén našiel v automobiloch uplatnenie najmä v prípade veľkoplošných, rázovo namáhaných dielov karosérie, a to jednak vonkajších (nárazníky, spoilery) a jednak vnútorných (panel prístrojovej dosky, obloženie kabíny). Materiály na báze polyamidov nachádzajú v konštrukcii automobilov tiež široké využitie, pričom sú z nich vyrábané rôzne ovládacie prvky, ako sú kľučky dverí, súčasti napínacieho mechanizmu bezpečnostných pásov a ďalšie drobné diely interiéru vozidla.

Prírodné polymérne materiály

Pri konštrukcii automobilov sa uplatňujú aj najrôznejšie druhy prírodných polymérnych materiálov na báze celulózy (napr. bambus či kokosové vlákna), z ktorých sa vyrábajú ekologické bioplasty pre interiéry niektorých automobilov. Kompozity, ktoré boli ešte relatívne nedávno extravagantnými a používanými pri malosériovej alebo kusovej výrobe drahých špeciálov sa v súčasnosti už široko využívajú. Rozvoj nanotechnológií a pokles ceny týchto kompozitných materiálov s novými možnosťami priemyselnej výroby túto situáciu zmenil.

Použitie plastov sa spája aj s ďalšími inováciami, ktoré majú zvyšovať bezpečnosť, komfort a zvýšiť šetrný prístup k životnému prostrediu.

Polymérne kompozity

V súčasnosti a tiež v blízkej budúcnosti by sa malo zaviesť používanie špeciálnych kompozitných výstužných materiálov v nárazníkoch automobilov, ktoré vykazujú trikrát vyššiu tuhosť a absorpciu energie ako má obyčajný plast. Plastové opierky hlavy prispievajú k vyššej bezpečnosti pasažierov. V prípade spätného nárazu sa v dôsledku aktivácie posunie predná polovica opierky dopredu, pričom sa zníži riziko zranenia osôb v automobile. Hlavné použitie nových polymérnych materiálov, alebo existujúcich materiálov nahradením kovov si vyžaduje množstvo skúšok a testov ich efektívneho a účelného použitia. Nové trendy vývoja automobilov sa orientujú na využívanie nových, odľahčených alebo kompozitných materiálov, na špeciálne povrchové úpravy karosérií, používanie ľahkých kovových konštrukcii ako aj na zvyšovanie podielu plastických látok pre montáž vývojovo moderných typov automobilov.

Karoséria automobilu Porsche Carrera GT obsahuje polymérny kompozit na báze uhlíkových vlákien s vysokou tepelnou odolnosťou © foto: Porsche, www.porsche.de

Nové polymérne konštrukčné materiály

Novým konštrukčným materiálom na výrobu automobilov je ľahká pena na báze polypropylénu, umiestnená medzi dvoma tenkými hliníkovými plechmi s názvom Inrekor. Britská spotečnost Inrekor Ltd. predstavila verejnosti tento nový konštrukčný materiál, ktorý bude ponúkať automobilkám. Hmotnosť áut by vďaka nemu mohla klesnúť až o tridsať percent pri zachovaní pôvodnej pevnosti. Inrekor je výrazne lacnejší ako uhlíkové kompozity a na rozdiel od nich je kompletne recyklovateľný. Konštrukcia automobilu vyrobená z Inrekoru sa jednoducho poskladá ako stavebnica z presne opracovaných dielov, pričom na ich spojenie slúži lepidlo. Ak vás predstava zlepovaného auta desí, nemusíte sa báť, lepené spoje dnes dosahujú rovnaké pevnosti ako spoje zvárané a v prípade nehody sa správajú úplne predvídateľne. Lepenie miesto zvárania používa napríklad automobilka Lotus pre svoje flexibilné modulárne platformy. Vysokú bezpečnosť konštrukcií z Inrekoru overilo niekoľko nezávislých testov. Špecialisti britskej spoločnosti MIRA potvrdili, že tento materiál výborne disipuje energiu. Šasi z nového materiálu by malo v testoch Euro NCAP dosiahnuť rovnaké výsledky ako päťhviezdičková oceľová konštrukcia. Konštrukcia vyhotovená z Inrekoru však je o štyridsať kilogramov ľahšia ako oceľ. Briti už majú z Inrekoru skonštruované auto. Replika Porsche 356 vznikla v spolupráci s Chesil Motor Company, ktorá ináč vyrába retro stavebnice s konvenčnými podvozky. Prototyp je rovnako pevný ako bežné modely, ale váži o pätnásť percent menej.

Polymérne materiály vystužené vláknami

Termoplasty, elastoméry, textil a kompozity zosilnené vláknami patria dnes v modernej konštrukcii automobilov k bežným materiálom. Tento druh materiálov trvalo napomáha ľahkej konštrukcii vozidiel, ich aktívnej a pasívnej bezpečnosti a optickému a hmatovému aspektu konštrukčných prvkov. Karosérie z plastu sú vo veľkosériovej výrobe známe od 80. rokov. Pôvodne mali plasty využitie ako obloženie nárazníkov a neskôr sa z nich konštruovali doplnkové časti karosérií automobilov – bočné steny a dvere vyrobené z termoplastov. V minulosti sa plastové dielce na výrobu automobilov vyrábali napúšťaním sklolaminátového polotovaru epoxidovou živicou. Neskôr sa bočné časti karosérie vyrábali vstrekovaním termoplastov, ktoré sa katodicky lakovali. V súčasnosti sa plastové prvky vyrábajú aj z nového termoplastu – zmesi polyamidu a akrylonitril-butadién-styrénového (ABS) terpolyméru s minerálmi ako plnidlom. K výhodám tohto kompozitu patrí nízka tepelná rozťažnosť a nasiakavosť vlhkosti a tiež nízke výrobné náklady. Použitie plastov spevnených uhlíkovým vláknom umožňuje znížiť hmotnosť a ťažisko vozidla a zvýšuje akceleráciu športových vozidiel. Pri výrobe karosérie sa používa aj polyester vystužený vláknami, pretože v porovnaní s termoplastami dosahuje lepšiu rozmerovú stabilitu a tuhosť. Táto konštrukcia dosahuje vysokú tepelnú stabilitu a má tiež dobré vlastnosti pri náraze.

Polyméry v interiéri vozidla

Cieľom použitia plastov vo vnútri vozidla je dosiahnutie čo najlepších optických a hmatových vlastností a dôležité je zvýšenie pasívnej bezpečnosti. V poslednom čase sa venuje veľká pozornosť plastovým materiálom so špeciálnymi povrchovými vlastnosťami pri výrobe prístrojovej dosky v automobile a kompozitným materiálom používaným ako obloženie v interiéri. Pri tvorbe povrchov prístrojových dosiek sa v závislosti od požiadaviek na ich geometriu používajú penové a kompaktné plastové fólie a tvarované povlaky vyrábané rozprašovacia technikou, rotačným odlievaním (vratným výklopným liatím) a odlievaciou technikou. Aktuálnym použitím rotačného odlievania je tzv poťahovanie vo forme, pričom sa pri tomto postupe v prvom kroku nanesie do odlievacieho zariadenia farebná polyuretánová vrstva s hrúbkou niekoľkých milimetrov a potom sa výklopným liatím vyrobí vlastný tvarovací povlak z termoplastického PVC. Výsledkom tohto postupu sa dosiahnu tieto výhody: vysoká hospodárnosť výroby, dosiahnutie širokého spektra farebných odtieňov, cielené nastavenie dotykových vnemov ako aj cielená tvorba priehlbín. Pri výrobe obloženia a výplní (napr. výplň dverí vrátane nosnej štruktúry) sú dôležité optické vlastnosti dielcov s požiadavkou ich minimálnej hmotnosti. Z výrobno-technického hľadiska sa najlepšie osvedčili plastové kompozity plnené prírodnými vláknami ľanu, bavlny alebo sisalu. S použitím týchto kompozitov sa dosiahne veľká tvarová stabilita vyrobených dielcov, ich dobrá bezpečnosť pri náraze, minimálne emisie v interiéri a vysoká tvarová voľnosť.

Hybridné konštrukčné materiály

Na zvýšenie bezpečnosti osôb sa na konštruovanie prednej časti automobilov používajú hybridné materiály reprezentujúce kombinácie kovov s plastami, pričom sa v nich spájajú charakteristické vlastnosti kovov, resp. ocele (vysoká pevnosť a tuhosť) s vlastnosťami plastov, ktorými sú ekonomické tvarovanie a rozsiahle možnosti ich integrovania do celku. Ako hybridné materiály sa aplikujú oceľové výstuže obalené polyamidom plneným sklenenými vláknami. Použitie hybridných materiálov má v porovnaní s čisto kovovou konštrukciou za následok optimalizáciu energetickej bilancie vozidiel. Pri použití kompozitných plastov je aktuálnym vkladanie plastových štrukturálnych penových prvkov do štruktúry karosérie vozidiel. Pomocou tejto techniky je možné cielene dosiahnuť významné zosilnenie tuhosti karosérie a odolnosti proti nárazu. Štruktúrne prvky na báze epoxidových pien sa pri výrobe karosérie umiestňujú do dutých profilov, pričom sa aktivácia, expanzia a vytvrdnutie epoxidových pien dosiahuje pôsobením teploty pri lakovaní.

Využívanie nanotechnológií pri aplikáciach polymérov

Plasty v spojení s nanotechnológiami pri výrobe automobilov rozširujú spektrum využívaných vlastností polymérov a textílií. Nanotechnológické postupy využívania polymérov sa často spájajú s vysokými hydrofóbnymi vlastnosťami exotických rastlín, napr. lotosu, pričom sa tieto vlastnosti označujú ako lotosový efekt (úplna odpudivosť vody z takto upraveného povrchu). Pri stavbe automobilov sa využívajú hlavne tieto fyzikálne vlastnosti nanomateriálov: zlepšená mechanická pevnosť, zlepšená odolnosť voči oderu a poškriabaniu, znížené trenie, odpudzovanie nečistôt a antireflexný charakter. Tieto vlastnosti nových konštrukčných materiálov ponúkajú široké možnosti pre zavedenie inovácií pri konštrukcii automobilov, pričom ide o plasty zosilnené nanočasticami, laky odolné proti poškriabaniu, nezahmlievajúce sa povrchy, napr. skla, antireflexné povrchy, napr. krycej vrstvy prístrojových dosiek. Aktuálnym je aj používanie zasúvacích lepených spojov s magnetickými nanočasticami, pričom sa energia potrebná na vytvrdnutie lepidla zavádza cielene prostredníctvom indukcie mikrovĺn. Tento postup otvára ďalšie možnosti na prípravu modulárnych a ľahčených konštrukcií pri stavbe automobilov. Nekovové časti spojené adhezívom sa pri tomto technologickom postupe môžu bez poškodenia oddeliť. Pri opravách je možné potom vymieňať jednotlivé konštrukčné prvky automobilu a plasty možno dlhodobo opakovane používať. V súčasnosti sa pracuje aj na zlepšení ochrany povrchu automobilových lakov a plastových dielcov, najmä čo sa týka ich odolnosti proti poškriabaniu pomocou nanotechnologických postupov. Predpokladom zavedenia nanotechnológií vo veľkosériovej výrobe automobilov je dostatočná dlhodobá životnosť pripravených dielcov a veľmi dôležité sú aj ekonomické hľadiská.

Poďakovanie

Táto práca je založená na výsledkoch projektu Centra aplikovaného výskumu nových materiálov a transferu technológií, ITMS 26240220088, podporeného z Operačného programu veda a výskum, financovaného z ERDF.

Igor Novák, Ondrej Žigo, Marian Valentin

Ústav polymérov SAV
Dúbravská cesta 9
845 41 Bratislava
polymer.sav.sk