automotive | 27. 11. 2018

Plasty a kompozitné materiály využívané v automobiloch

Plasty v automobiloch
Rýchly rast spotreby plastov pri výrobe automobilov nastal najmä v sedemdesiatych rokoch 20. storočia a súvisel so zvyšujúcimi sa požiadavkami na pasívnu bezpečnosť a hospodárnosť vozidiel. Polyméry čoraz do vyššej miery nahrádzali kovové súčastky karosérie vozidiel, pričom sa získala vyššia pasívna bezpečnosť. V aplikáciach plastov pri výrobe automobilov je dôležitým faktorom ekologické hľadisko a tiež sú dôležité požiadavky týkajúce sa recyklovateľnosti polymérnych materiálov z ojazdených automobilov. Okrem výhodných úžitkových a spracovateľských vlastností majú súčastky vyrobené z plastov netradičný vizuálny vzhľad a sú príjemné na dotyk. Využitie plastov pri výrobe automobilov umožňuje tiež progresívne riešenie dizajnu automobilu, najmä v prípade karosérie, pričom sa optimalizuje a zefektívňuje výroba vozidiel, klesajú náklady na ich výrobu a rastie kvalita.

Dôvody aplikácií plastov pri výrobe automobilov a ich využitie
Najdôležitejšie dôvody využitia plastov pri konštruovaní automobilov sú tieto:

  • umožní sa splnenie predpísaných bezpečnostných predpisov pre užívateľov vozidla,
  • zníži sa hmotnosť automobilu, spotreba pohonných látok a cena,
  • zvýši sa komfort a úroveň dizajnu automobilu,
  • zabezpečí sa recyklácia použitých polymérov pri súčasnom vyhovení environmentálnym požiadavkám.

Z plastov sa dnes vyrábajú 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 a svetelné zdroje. Z materiálov sa uplatňujú predovšetkým termoplasty vystužené sklenými vláknami, pričom sa v špeciálnych prípadoch používajú uhlíkové vlákna.

Náhrada kovových dielcov plastovými
S cieľom minimálnej spotreby paliva musí vozidlo disponovať čo najnižšiou hmotnosťou. Z týchto príčin sa kovové súčastky vozidiel nahrádzajú plastami, ktoré sú lepšie spracovateľné a majú nižšiu cenu. Plasty sú v súčasnosti neoddeliteľnou súčasťou interiéru a exteriéru vozidiel a vyskytujú sa aj v nárazníkoch a pneumatikách. Plasty používané pri výrobe automobilov možno pripraviť s cenovo menej náročnými nástrojmi v porovnaní s kovmi a sú tvarovateľné do ľubovoľného tvaru. Plasty umiestnené do vhodných častí karosérie automobilov môžu podstatne eliminovať následky kolízií automobilov s chodcami. Okrem toho sú plasty odolné proti korózii. Plasty okrem toho vytvárajú komfort a estetický vzhľad interiérových komponentov, zvyšujú ochranu prepravovaných osôb, znižujú hluk a tlmia vibrácie. Pri znížení hmotnosti motorového vozidla sa okrem zníženia spotreby pohonných látok znížuje aj množstvo emisií a aj náklady na prevádzku motorového vozidla.

Druhy používaných plastov
Z využívaných plastov sa v moderných automobiloch najčastejšie môžeme stretnúť s termoplastami so zastúpením 10 % z celkovej hmotnosti vozidla, ktoré zodpovedá cca 100 kg hmotnosti. Plasty sa využívajú najmä pri výrobe karosérie automobilu, menej pri konštrukcii podvozkov. Pri výrobe automobilov sa často používa izotaktický polypropylén a jeho kopolyméry (30 %), nízkohustotný a vysokohustotný polyetylén (10 %), polyamid 6, polyamid 12 a iné polyamidy (10 %) ako aj terpolymér akrylonitril-butadién-styrén (ABS) (10 %).

Znižovanie hmotnosti vozidiel
V roku 1970 plasty predstavovali 6 % hmotnosti automobilu a v súčasnosti sa tento podiel zvýšil na 19 %, 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 má hmotnosť takmer 1 100 kg, pričom sú tam zastúpené železné kovy (60 %), neželezné kovy najmä hliník (7 %), 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 automobilu, preto je veľká snaha výrobcov o znižovanie jeho spotreby. 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.

Aplikácie nanokompozitov
Rozvoj nanotechnológií a pokles ceny nanokompozitných materiálov s novými možnosťami priemyselnej výroby ovplyvnil konštruovanie automobilov. V dôsledku rýchleho vývoja nanokompozitných polymérnych materiálov po roku 2000 sa pripravili nové materiály s vyššími mechanickými a povrchovými vlastnosťami „šitými na mieru“ a s nehorľavosťou, ktorých aplikácia znamenala revolúciu pri výrobe automobilov. Súčasne sa pripravili nové technologické postupy pri výrobe karosérie automobilov, ktoré umožnili z plastov vyrobiť presné a aj veľmi zložito tvarované dielce s vysokou odolnosťou proti pôsobeniu mechanického namáhania pri náraze, resp. s veľmi vysokou rázovou húževatosťou. Plasty v spojení s nanotechnológiami pri výrobe automobilov rozširujú spektrum využívaných vlastností plastov a textílií. Nanotechnologické postupy využívania plastov sa často spájajú s vysokými hydrofóbnymi vlastnosťami exotických rastlín, ktoré sa označujú ako lotosový efekt. Pri stavbe automobilov sa využívajú tieto fyzikálne vlastnosti nanokompozitných polymérnych materiálov: zlepšená mechanická pevnosť, zlepšená odolnosť voči oderu a poškriabaniu, znížené trenie, odpudzovanie nečistôt a antireflexný charakter. Tieto vlastnosti ponúkajú široké možnosti pri zavedení inovácií pri konštrukcii automobilov, pričom ide o využitie plastov zosilnených nanočasticami, lakov odolných proti poškriabaniu, nezahmlievajúcich sa sa povrchov, napr. skla a antireflexných povrchov, napr. krycej vrstvy prístrojových dosiek.

Spájanie plastov lepením a ich povrchová úprava
Elektrické 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. Plasty používané na konštruovanie automobilov si vyžadujú používanie špeciálnych metód pri ich spájaní lepením alebo zváraním a pri ich lakovaní. Pred lepením alebo lakovaním plastových dielcov je potrebná špeciálna povrchová úprava ich povrchu s využitím promótorov adhézie a postupov povrchovej úpravy nízkoteplotnou plazmou elektrického výboja. Pri použití veľkého sortimentu špeciálnych adhezív na účely výroby moderných automobilov a motorových vozidiel však odlišnosti pri aplikácii polastov a ich nanokompozitov v porovnaní s kovmi nepredstavujú žiadny problém a umožňujú zrýchliť a zjednodušiť výrobu automobilov.

Polymérne kompozitné materiály
Použitie plastov sa spája aj s inováciami, ktoré majú zvyšovať bepečnosť, komfort a zvýšiť šetrný prístup k životnému prostrediu. V súčasnosti a tiež v blízkej budúcnosti sa predpokladá použitie 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 materiálov alebo existujúcich materiálov nahradením napr. 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 konštrukcií ako aj na zvyšovanie podielu plastických látok pre montáž vývojovo moderných typov automobilov. Z výrobno-technického hľadiska sa najlepšie osvedčili plastové kompozity plnené prírodnými vláknami ľanu, bavlny alebo sisalu. 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 v čelnej časti automobilov používajú hybridné konštrukčné materiály. Spájajú sa u nich charakteristické vlastnosti ocele (vysoká pevnosť a tuhosť) s možnosťami plastov, ktorými sú ekonomické tvarovanie a rozsiahle možnosti ich začlenenia do celku. Ako hybridné konštrukčné materiály sa aplikujú oceľové výstuže obalené polyamidom plneného sklenenými vláknami. Použitie hybridných materiálov má v porovnaní s čisto kovovou konštrukciou za následok optimalizáciu energetickej bilancie vozidiel. Aktuálnym pri použití kompozitných plastov je 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 dosiahne pôsobením teploty pri lakovaní.

Igor Novák
Ondrej Žigo
Ústav polymérov SAV, v.v.i., Bratislava