Plasty / materiály | 9. 1. 2020

Zelené kompozitné materiály a ich využitie v automobilovom priemysle

Úvod

Kompozitné materiály sú tvorené minimálne z dvoch alebo viacerých chemicky rozdielnych zložiek. Jedna zo zložiek je označená ako matrica (je kontinuálna), druhá zložka- plnivo, je v matrici rozptýlená. Základným zložením zelených kompozitných materiálov je bio- rozložiteľná matrica a prírodná výstuž (Obr.1).

Obr. 1 – Základné zloženie zelených kompozitných materiálov [autor]

Obr. 2 – „Zelený“ kompozitný automobil [3]

V dnešnej dobe, nekovové autá nie sú žiadnou novinkou (Obr.2). Plastové diely karosérie už pred rokmi do svojej výroby aplikoval napr. Renault Espace, dnes sú na autách štandardom plastové blatníky. [1],[2] Fiat Tipo mal v osemdesiatich rokoch 20. storočia veko kufra tiež z plastového materiálu. Automobilový výrobca Ford montuje do svojich dodávok od roku 1991 listové pružiny z plastov a plastové priečne listové perá mal už športový Chevrolet Corvette z roku 1984. [3]

Aplikačné možnosti použitia zelených kompozitných materiálov v automobilovom priemysle

V Európe je Nemecko popredným výrobcom kompozitných materiálov z prírodných vlákien. Nemeckí výrobcovia automobilov Mercedes, BMW, Audi a Volkswagen prevzali iniciatívu a predstavili kompozitné materiály z prírodných vlákien pre vnútorné aj vonkajšie použitie v automobile. Výsledky výskumu vo svete poukazujú na to, že plnivo do kompozitných materiálov môže byť aj prírodné vlákno napr. z konope, bambusu, kokosu, ľanu, juty, banánovníka, z vlny kôz, oviec. (Obr.3). [3]

Prvým komerčným príkladom je panel vnútorných dverí Mercedes-Benz z roku 1999 vyrobený v Nemecku s 35% polo pevným elastomérom Baypreg F (PUR) firmy Bayer a 65% zmesou ľanu, konope a sisalu. Treba zdôrazniť, že lídrami sú výrobcovia luxusných automobilových vozidiel, čo možno považovať za dôkaz o používaní kompozitných materiálov z prírodných vlákien pre environmentálne potreby a nie je to vždy iba o znižovaní nákladov. [4] Vo vozidlách triedy E v roku 1996, Mercedes-Benz používal epoxidovú matricu s pridaním juty do dverných panelov. V roku 2000, keď spoločnosť Audi uviedla na trh automobil strednej triedy A2, sa komerčne objavila ďalšia paradigma aplikácie kompozitných materiálov z prírodných vlákien, a to konkrétne panely obloženia dverí boli vyrobené z polyuretánu vystuženého zmesovým materiálom ľanu a sisalu. [3], [5] Výsledky výskumu vo svete poukazujú na to, že plnivo do kompozitných materiálov môže byť aj prírodné vlákno napr. z konope, bambusu, kokosu, ľanu, juty, banánovníka, z vlny kôz, oviec. (Obr.3, Obr.4).

Obr.3 – Prírodná výstuž zelených kompozitných materiálov (horný rad zľava doprava: areca (palma)- banánovník- bambus, stredný rad zľava doprava: konope-juta-kenaf (ibištekové vlákno), dolný rad zľava doprava: palma-ananás-sisal (listy agáve sisalovej)) [5]

Obr. 4 – Príklady vlákien zvieracieho pôvodu (vlna) (horný rad zľava doprava: alpaka-angora-ťava-kašmír, dolný rad zľava doprava : mohér, hodváb, ovčia vlna) [5]

Obr. 5 – Možnosti aplikácie zelených kompozitných materiálov v automobile [6]

Výrobcovia automobilov Toyota vyvinuli ekologickú plastovú trstinu z cukrovej trstiny a využila ju na líniu interiérového obkladu automobilov (Obr.5). V kombinácii s epoxidovými živicami boli tiež použité ľanové vlákna. Najväčšou nevýhodou rastlinných vlákien je príliš vysoká absorpcia vlhkosti, čo komplikuje ich aplikáciu. Vo svojich modeloch C70 a V70 spoločnosť Volvo začala používať penové obklady na báze sóje pre svoje sedadlá z prírodných vlákien. [7] Vyrobili tiež podložky na podlahu a to na báze celulózy, čím chceli dosiahnuť zlepšenie kvality redukcie hluku.

Výhody použitia prírodných vlákien v kompozitných materiáloch

Hlavné výhody kompozitného materiálu z prírodných vlákien sú:

  • Nízka špecifická hmotnosť, čo má za následok väčšiu špecifickú pevnosť a tuhosť v porovnaní so sklom.
  • Vyrobiteľné pri nízkych nákladoch a pri nízkych vstupných investíciách, vďaka čomu je materiál zaujímavým produktom.
  • Znížené opotrebovanie náradia, zdravšie pracovné podmienky.
  • Dobré izolačné, tepelné a akustické vlastnosti.

Výhody (v porovnaní so sklenenými vláknami) sú:

  • Produkcia prírodných vlákien je menej nebezpečná.
  • Možné zníženie obsahu polymérnej bázy.
  • Menej emisií vo výrobnom štádiu eko-kompozitnej časti.
  • Výroba automobilov s nižšou spotrebou paliva vďaka nízkej hustote prírodných materiálov vlákna.

Záver

Zelené materiály sú materiálmi budúcnosti. Rozvoj nových bioproduktov ponúka obrovskú príležitosť, ale skutočnou výzvou, je hlavne navrhovanie trvalo udržateľných bioproduktov a to nielen pre automobilový priemysel. Hľadanie nových materiálov a procesov kompatibilných so životným prostredím bolo a bude realizované v synergii s novými celosvetovými environmentálnymi predpismi a spoločenskými záujmami.

Dopyt po nových materiáloch v globálnom kombinovanom priemysle je silnejší ako kedykoľvek predtým a obmedzenia dodávok sa stávajú čoraz dôležitejšími. Súčasné výskumné zistenia ukazujú, že výkonnosť prírodných vlákien v určitých kompozitných aplikáciách je konkurencieschopná v porovnaní napr. so sklenými vláknami. Výhody prírodných vlákien oproti syntetickým vláknam, ako je sklo a uhlík, zahŕňajú biologickú odbúrateľnosť, znížené emisie skleníkových plynov, nízku spotrebu energie, nízke náklady, nízku hustotu a prijateľné špecifické pevnostné vlastnosti. [5], [6]

Zelené kompozitné materiály sú vo všeobecnosti priaznivé pre životné prostredie a majú potenciál byť novými materiálmi 21. storočia. Tiež môžeme konštatovať, že predstavujú čiastočné riešenie mnohých globálnych environmentálnych problémov.

doc. Ing. Lucia Knapčíková, PhD., Ing.Paed.IGIP
Fakulta výrobných technológií TU Košice so sídlom v Prešove, Bayerova 1, 080 01 Prešov
e-mail: lucia.knapcikova@tuke.sk


Použitá literatúra

  1. Knapčíková, L. Charakteristika kompozitných materiálov na polymérnej báze (2015). In: Plastics Production. Vol. 10, no. 1, p. 78-79. – ISSN 1802-1549.
  2. Craft Tech industries.: 13 High performance thermoplastics in automotive industry available from http://www.craftechind.com/13-high-performance-plastics-used-in-the-automotive-industry/
  3. Global green composites market trends 2019. Dostupné z http://b2bnewz.com/22634/global-green-composites-market-trend-2019-flex-form-technologies-tecnaro-gmbh-procotex-sa-corporation-nv/
  4. Myvizhirajeswari G.,Saravanan., K.. Manufacturing and application of jute fiber composites.Dostupné z http://www.indiantextilejournal.com/articles/FAdetails.asp?id=3732. (2011).
  5. Discover natural fibres.:profiles of the worlds major plant and animal fibres. Dostupné z http://www.fao.org/natural-fibres-2009/about/15-natural-fibres/en/. (2009).
  6. M. R. Sanjay, G. R. Arpitha, L. Laxmana Naik, K. Gopalakrishna, B. Yogesha.,et al.: Applications of Natural Fibers and Its Composites an Overview :Natural resources, s.108-114. http://dx.doi.org/10.4236/nr.2016.73011.(2016).
  7. Ptáček, L. Náuka o materiálu I., Akademické nakladatelství CERM, s.r.o., 505 p., ISBN 80-7204-193-2.(2001).