obrPožiadavky automobilového priemyslu sa v poslednom čase pomerne výrazne menia. Tromi najvýznamnejšími faktormi, ktoré ovplyvňujú výrobu automobilu sú v súčasnosti náklady, výsledná spotreba pohonných hmôt a emisia škodlivých exhalátov.
Konštrukčné materiály na výrobu automobilov musia spĺňať základné kritéria, musia byť lacnejšie, ľahšie a jednoduchšie vyrobiteľné alebo zmontovateľné. Tieto materiály musia súčasne ponúkať vysokú mieru recyklovateľnosti, pričom sa každý výrobca snaží byť pri ich výrobe čo najefektívnejší.

Kovy vs. polyméry
Najdôležitejšie konštrukčné prvky automobilu sú vyrobené z ocele a liatiny. Polymérne materiály sú ľahšie a disponujú výrazne nižšou hustotou ako kovy.
Dôležitým dôvodom použitia polymérov pri konštrukcii automobilov je nižšia teplota ich spracovania. Oceľ sa taví pri teplote 1 350 °C (hliník pri teplote 658 °C), v prípade plastov je teplota ich tavenia 140 °C až 260 °C. Teplota tavenia polymérnych materiálov v porovnaní s kovmi prináša veľkú energetickú úsporu pri výrobe dielcov automobilu. Významnou je úspora pohonných látok pri použití plastov na výrobu automobilov.

Akcent na ekológiu
Priaznivým argumentom pre používanie plastov pri výrobe automobilov je recyklovateľnosť termoplastov. V súčasnosti sa až 90 percent vyťaženej ropy využíva na výrobu pohonných látok a len 10 percent ropy sa spracováva pri výrobe plastov.
Plasty predstavujú ekologické riešenie výroby automobilov a podstatnou mierou prispievajú k redukcii emisií oxidu uhličitého. Konštrukčné materiály používané pri stavbe automobilov sa vyrábajú až z 20 percent zo syntetických polymérov a gumy, pričom 80 percent dielcov je z kovových materiálov (ocele, hliníka) a iných materiálov. Plasty umožňujú zníženie nákladov potrebných na energiu pri spracovaní. Používanie plastových konštrukčných dielcov znižuje aj spotrebu pohonných látok v automobile, pretože polymérne materiály sú podstatne ľahšie ako materiály na báze kovov.

* * * * *
Zníženie hmotnosti automobilu pri použití polymérov o 100 kg spôsobuje pokles spotreby pohonných hmôt o 0,4 l/100 km.
* * * * *

Polymérne konštrukčné materiály v kompozitnom prevedení dosahujú vysoké pevnosti, disponujú vysokou chemickou a tepelnou odolnosťou, ako aj odolnosťou voči pôsobeniu UV žiarenia. Na konštrukciu automobilov sa používajú nehorľavé alebo samozhášavé polyméry, ktoré v prípade požiaru zvyšujú bezpečnosť posádky vozidla. Na konštrukciu interiéru automobilu sa používajú polymérne materiály, ktoré sú netrieštivé a v prípade havárie eliminujú riziko možného poranenia posádky vozidla.

obr1

Všadeprítomná chémia
Zo syntetických polymérov pri konštruovaní automobilov sa najviac aplikuje polypropylén, polyuretány a polyamidy. Na výrobu automobilov sú používané aj iné polyméry ako je polyetyléntereftalát, polybutyléntereftalát, polykarbonáty, polyoxymetylén a polyfenylénoxid. Z polymérov použitých pri konštruovaní automobilov má významné zastúpenie polyetylén, akrylonitril-butadién-styrénový (ABS) terpolymér, polyvinylchlorid a polymetylmetakrylát. Polyméry sa aplikujú v interiéri ako aj v exteriéri automobilu a používajú sa na výrobu konštrukčných dielcov motora a tiež protivibračných a protihlukových dielcov. V menších množstvách sa používajú aj podstatne drahšie špeciálne polymérne materiály so zvýšenou tepelnou a chemickou odolnosťou. Z týchto špeciálnych plastov možno uviesť polysulfóny, polyéterketón, polyéteréterketón, polysulfidy, polyimidy, ktoré odolávajú vysokým teplotám. Okrem toho sa používajú aj biodegradovateľné polymérne materiály a polymérne materiály vyrobené z obnoviteľných zdrojov. V súčasnosti sa zvyšuje aj podiel prírodných výstužných materiálov na báze ľanu alebo konope v polymérnych konštrukčných kompozitoch. Ľahšie tvarovanie polymérov a polymérnych kompozitov v porovnaní s kovovými materiálmi umožňuje pri konštrukcii automobilov použiť zložitejší dizajn, ktorý je v prípade aplikácie kovových dielcov karosérie vzhľadom na zložitejšie tvarovanie kovov energeticky a finančne náročný.

Náhrada skla
Z dôvodu ochrany životného prostredia sa nahrádzajú polymérne dielce, ktoré sú rizikové vzhľadom na možné uvoľňovanie halogénov (napr. polyvinylchlorid) inými polymérnymi materiálmi, napr. kopolymérmi polyolefínov, kopolymérmi polystyrénu s polyizoprénom alebo polybutadiénom. Tieto polymérne materiály disponujú vysokou eleasticitou a aplikujú sa v interiéri automobilu na obklady zvyšujúce bezpečnosť posádky automobilu, na výrobu prístrojových dosiek a na výrobu povrchov s tzv. mäkkým dotykom v interiéri automobilov.
Polymérne dielce sú dôležité aj na zníženie hlučnosti automobilu. Na tento účel sa využívajú termoplastické elastoméry, ktoré majú schopnosť odstrániť vibrácie vozidla v dôsledku ich absorbovania. Zvyšuje sa pritom pasívna bezpečnosť posádky vozidla. Za účelom znižovania hmotnosti automobilu sa nahrádzajú sklá polykarbonátom, ktorý disponuje vysokou transparentnosťou a odolnosťou proti nárazu. Na výrobu dielcov vystavených pôsobeniu vysokých teplôt sa používajú fluórované polyméry. Tieto polyméry sa používajú najmä na výrobu dielcov určených na špeciálne aplikácie. Polyméry sa aplikujú aj na výrobu dielcov automobilu dôležitých z hľadiska bezpečnosti, napr. olejovej vane a štruktúrnych dielcov nárazníkov.

obr2

Kompozity v praxi
Polymérnymi kompozitmi na báze uhlíkových a aramidových vlákien sa nahrádzajú plechy karosérie pri výrobe rýchlych športových automobilov. Pre rast výkonu tohto typu automobilov je dôležité zníženie celkovej hmotnosti automobilu a zvýšenie merného výkonu, ktorý sa vzťahuje na jednotku hmotnosti vozidla.

* * * * *
Polymérne kompozity majú v porovnaní s kovmi výhodné bariérové vlastnosti.
* * * * *

Pri výrobe polymérnych kompozitov sa využíva polymérna matrica, ktorá obsahuje vystužujúce plnivo. Ako vystužujúce plnivo sa používajú polyamidové, uhlíkové, sklené ale aj prírodné vlákna. Polymérne kompozity po vystužení sklenými, prírodnými a polymérnymi vláknami získajú vyššie mechanické vlastnosti ako mal pôvodný polymér. Používajú sa na výrobu mechanicky namáhaných častí karosérie, konštrukciu nárazníkov a na výrobu dielcov do interiérov automobilov slúžiacich na zvýšenie pasívnej bezpečnosti. Na výrobu odľahčených palivových nádrží sa aplikujú kompozity na báze polyamidu alebo polyacetálu, ktoré sa pôvodne vyrábali z ťažších kovov. Polymérne kompozity majú v porovnaní s kovmi výhodné bariérové vlastnosti, ktoré umožňujú odstránenie prestupu pár pohonných hmôt cez stenu nádrže, pričom sa chráni životné prostredie.

Lepenie, mikro a nano kompozity
Elektrické zváranie plechov karosérie automobilov je v súčasnosti často nahrádzané metódou spájania plechov lepením alebo použitím kombinácie oboch metód spájania dielcov karosérie – zvárania aj lepenia. Polyméry používané na konštruovanie automobilov si vyžadujú používanie špeciálnych metód pri ich spájaní a lakovaní. Pred lepením alebo lakovaním plastových dielcov je potrebná špeciálna povrchová úprava ich povrchu, napr. s využitím promótorov adhézie a metód povrchovej úpravy s využitím napr. nízkoteplotnej plazmy elektrického výboja.
Pri použití veľkého sortimentu špeciálnych polymérnych adhezív na účely výroby moderných automobilov a motorových vozidiel odlišnosti pri aplikácii polymérov a ich kompozitov nepredstavujú v porovnaní s kovmi problém, ale umožňujú zrýchliť a zjednodušiť výrobu automobilov. Poznatky zo štúdia (nano)kompozitných polymérnych materiálov vystužených grafénovými, polymérnymi alebo prírodnými vláknami umožňujú navrhovať nové konštrukčné materiály, ktoré sa môžu využiť na výrobu zdokonalených typov automobilov. Neprestávajúci dynamický rozvoj pri konštruovaní automobilov úzko súvisí s poznatkami získanými vedeckým výskumom nových typov polymérnych materiálov, ich mikrokompozitov a nanokompozitov a tiež plnív, napr. grafénu, ako aj s rozšírením nových aplikácií termoplastických elastomérov.

TEXT: Igor Novák, Ondrej Žigo, Ústav polymérov SAV FOTO: archív redakcie