کاربرد مواد اولیه و کامپاند پلیمری در خودروسازی

استفاده از این مواد در صنعت خودروسازی به تسریع اجرای ایده‌های آیرودینامیکی و طراحی کمک بسزایی کرده است. از سوی دیگر نه تنها استفاده از مواد پلیمری در بخش‌های مختلف باعث بهبود عملکرد، کارایی و زیبایی شده است بلکه استفاده از آنها در اتومبیل‌ها باعث کاهش مصرف سوخت و به تبع آن کاهش تولید گازهای گلخانه ای و در نتیجه کمک بسیاری به محیط زیست می‌شود. به همین دلایل است که صنایع خودروسازی امروزه دیگر نمی توانند از استفاده از این مواد پلیمری چشم پوشی کنند و روز به روز تحقیقات در بخش‌های مختلف به‌کارگیری این مواد در صنعت خودرسازی افزایش می یابد و مهندسین و محققین این رشته با توجه به کاربرد مورد نظر، فرآیند ایجاد قطعه را مشخص و تولید می کنند. در ادامه این مقاله به کاربرد مواد پلیمری در بخش‌های داخلی خودرو، خارجی و موتور می پردازیم و نیز نگاهی کوتاه به آینده کاربرد مواد پلیمری در صنعت خودروسازی می اندازیم.

کاربرد مواد پلیمری در قطعات خارجی خودرو

کاربرد اصلی پلاستیک‌ها در قسمت بیرونی اتومبیل‌ها به دلیل ملاحظات آیرودینامیکی و طراحی است که استفاده از پلاستیک‌ها با توجه به قابلیت شکل پذیری آسانشان این امر را محقق ساخته است و باعث رشد مصرف پلاستیک‌های مهندسی شده است. مواد پلیمری جدیدی جهت قسمت بیرونی اتومبیل تولید شده اند که خواص عملکردی همچون پایداری ابعادی (۱۶۰- ۱۴۰ سانتی گراد)، استحکام ضربه ای بالا، چقرمگی مناسب، مقاومت در برابر روغن‌ها و بنزین و سختی را تامین می‌کنند.

در سال ۱۹۸۵ شرکت جنرال الکتریک، دو پلیمر جدید برای قطعات بیرونی خودرو تولید کرد:یکی از آن‌ها نوریل GTX (آلیاژ پلی فنیلن اکساید با پلی آمید PPO/Nylon) به عنوان ضربه گیر و بعضی پنلها و دیگری یک ترموپلاستیک الاستومر (TPE) (پلی اتر استرالاستومر) برای سپر است. نوریل GTX دارای خواص عالی از جمله مقاومت حرارتی و پایداری ابعادی بالا است. PPO جذب آب کمی دارد و نایلون هم به دلیل ساختار کریستالین مقاومت شیمیایی را بالا می برد. در نهایت از آلیاژ این دو پلیمر یک قطعه با خواص بسیار مناسب جهت کاربردهای بیرونی اتومبیل پدید می آید.

یک الزام بسیار مهم برای مواد پلاستیک در صنعت اتومبیل رنگ پذیری و مقاومت حرارتی بالای آنها در کوره‌های پخت رنگ بدنه اتومبیل است. نوریل GTX دارای خاصیت رنگ پذیری و مقاومت عالی در دمای کوره  (C°۱۶۰-۱۵۰) است. گریدهای تقویت شده این ماده در کاربردهای داخل موتور به دلیل پایداری حرارتی بسیار بالا کاربرد بسیاری پیدا کرده است.

شرکت Ford Sierra اولین بار سپر تمام پلاستیکی را در اتومبیل‌های خودرو اروپا استفاده کرد. شرکت GE آلیاژ  خاصی را برای سپرها تولید کرد که از پلی کربنات و پلی بوتیلن ترفتالات (PBT) تشکیل شده بود. مقاومت ضربه خوب پلی کربنات و مقاومت در برابر روغن و بنزین و فرآیندپذیری آسان PBT منجر به استفاده گسترده آلیاژ  PC/PBT در سپر شد که به نام تجاری ماکرولون ( Makrolon) معروف شد.

کامپاندهای PP نیز در تولید سپر استفاده می‌شوند که امروزه ترموپلاستیک الاستومر  PP+EPDM  یکی از پر مصرف‌ترین آن‌ها است. شرکت Arpco ترکیبی ارائه کرد که دارای خواص مقاومت ضربه ای عالی بود. این شرکت با معرفی این گرید باعث کاهش قیمت چشمگیر و کاهش وزن ۵۰ درصدی سپر در مقایسه با سپرهای فلزی شد.

شرکت تویوتا به کمک چندین کامپاندر ژاپنی، اخیراً گریدی از TPO که شامل پلی پروپیلن (PP) پخش شده در ماتریس لاستیکی است، معرفی کرده است.این  TPO نرمتر، مقاومت در برابر خراش بهتر ، فرآیند قالبگیری بهتری نسبت به TPOهای معمولی دارد.

کاربرد مواد پلیمری در قطعات داخلی خودرو

در حال حاضر رقابت شدیدی بین سازندگان مواد پلاستیکی برای قطعات داخل خودرو وجود دارد. ABS یکی از پر مصرف ترین پلیمرهای مورد استفاده در قطعات داخلی اتومبیل است. اگر چه مواد جدیدی مانند آلیاژهای PC/ABS شرکت Dcw chemical و Bayer ( با نام تجاری BayBlend ) امروزه گسترش زیادی در کاربردهایی مانند داشبورد و قاب آینه داخلی و بعضی قطعات داخلی خودرو یافته اند. این آلیاژها دارای ویژگی رنگ پذیری متنوع توسط انواع مستربچ‌های رنگی هستند که این خود باعث رشد مصرف آنها در کاربردهای داخلی شده است.

فوم‌های پلی الفینی (پلی اتیلن و پلی پروپیلن) به دلیل مقاومت شیمیایی بالا و مقاومت حرارتی مناسب در حال جایگزینی با فومهای قدیمی است. کاربرد اصلی آنها در پشتی صندلی، محل قرار گرفتن سر در صندلی و نواحی که از نظر ضربه پذیری اهمین زیادی دارند، است. صنعت اتومبیل سازی بازار اصلی PP است. فرآیندپذیری آسان و استفاده مجدد از ضایعات PP بدون کاهش چشمگیر خواص از ویژگی‌های اصلی PP در کاربردهای خودرویی است. PP کوپلیمر هتروفاز در قطعاتی که پایداری حرارتی بالا احتیاج دارند مورد استفاده قرار می‌گیرد.

هنگام تولید PP در راکتور، پلیمریزاسیون پتروشیمی از یک لاستیکی که معمولاً EPR ( اتیلن پروپیلن رابر) استفاده می‌شود. اضافه کردن این لاستیک باعث افزایش شدید مقاومت ضربه شده این در حالیست که فاز PP هموپلیمر سختی مورد نیاز را تامین می‌کند.

کاربرد مواد پلیمری در قطعات موتور خودرو

 امروزه استفاده از قطعات پلاستیکی در موتور اتومبیل رشد فزاینده ای پیدا کرده است. ‌PPهای تقویت شده با تالک و الیاف شیشه و همچنین پلی آمیدهای تقویت شده با الیاف شیشه جهت چنین کابردهایی طراحی شده اند.

از پلی اتر اترکتون (PEEK)تقویت شده با الیاف در هنیفولد موتور ماشین‌های مسابقه Rover به دلیل مقاومت حرارتی بسیار بالا استفاده می‌شود. فلوئور و پلاستیک‌ها نیز کاربرد زیادی به عنوان رینگهای آب بندی در صنعت اتومبیل پیدا کرده اند. آلیاژهای تفلون (PTFE)در حال جایگزین شدن با قطعات فلزی در کاربردهایی همچون واشرها و رینگهای پیستون در موتور اتومبیل هستند. در سیستم‌های الکتریکی PBT وPETهای تقویت شده با الیاف به علت پایداری حرارتی بالا و پایداری ابعادی مناسب استفاده می‌شوند.

آینده کاربرد مواد پلیمری در صنعت خودروسازی

انواع مختلف پلاستیک‌ها در حال حاضر در قسمت‌های مختلف اتومبیل استفاده می‌شود. تولیدکنندگان خودرو به چهار نوع پلیمر اصلی پلی الفین‌ها، پلی آمیدها، پلی یورتان‌ها، پلیمرهای بر پایه استایرن در صنعت خودرو اطمینان بیشتری دارند. در ادامه نگاهی کوتاه به آینده استفاده از مواد پلیمری در صنعت خودروسازی می اندازیم.

استفاده از  PVC در کاربردهای خودرویی به علت فشارهای زیست محیطی ناشی از باقیماندن مونومر سمی وینیل کلراید در پلیمر در هاله ای از ابهام وجود دارد.

پلی پروپیلن (PP) در انواع مختلف ( تقویت شده با الیاف ، تالک ، کربنات تقویت نشده و اصلاح شده با لاستیک ) مصرف عظیمی از پلاستیک‌های مورد مصرف در صنعت خودرو را به خود اختصاص داده است.

به نظر می رسد استفاده از کامپاندهای PP به علت قابلیت تولید مجدد و کاهش قیمت تولید آن گسترش بیشتری پیدا کند. تکنیک‌های ساخت جدید نیز ممکن است باعث افزایش PP در خودرو شود. تکنیک‌های ساختاری ساندویچی و لانه زنبوری باعث افزایش مقاومت قطعه می‌شود که استفاده از این ساختارها توسط PP در حال گسترش است . رقابت شدیدی بین مواد در صنعت اتومبیل وجود دارد.

به عنوان مثال استفاده از TPO به جای پلی یورتان رشد زیادی پیدا کرده است. TPO‌ها دارای ویژگی‌هایی شامل قابلیت رنگ پذیری درون قالب، وزن سبک، قیمت پایین و قابلیت استفاده مجدد هستند که همین عوامل باعث شده این مواد سهم عظیمی از بازار آمریکای شمالی و اروپا را از آن خود کند. به علاوه، TPO‌ها از نظر قیمت بسیار اقتصادی تر از پلی یورتان هستند. TPO‌ها را می توان بدون رنگ آمیزی ثانویه تنها با استفاده از مستربچ رنگ کرد در حالیکه پلی یورتان حتماً باید رنگ شود که همین امر باعث افزایش ۶۰ درصدی قیمت پلی یورتان در مقایسه با TPO‌ها شد. مقاومت دمایی و استحکام مکانیکی تقریباَ پایین پلی الفینها ( در مقایسه با پلیمرهای مهندسی ) استفاده از این نوع مواد را در کاربردهای بیرونی اتومبیل محدود کرده است. البته توسعه کاتالیست‌های متالولسن ممکن است منجر به تولید نسل جدیدی از پلی الفینها شود که بتوانند الزامات قطعات بیرونی اتومبیل را برآورده کنند.

نتیجه گیری

در حال حاضر، یکی از صنایعی که تقریبا با صنعت پلیمر رابطه ی بسیار نزدیکی پیدا کرده است صنعت خودروسازی است. در این مقاله ضمن معرفی نقش پلیمر‌ها در این صنعت، همچنین به کاربرد آن‌ها در سه بخش اساسی این صنعت یعنی بخش قطعات داخلی، خارجی و موتور اشاره کردیم و در هر یک از آنها به ذکر کاربرد‌ها و مثال‌هایی از به‌کارگیری مواد پلیمری پرداختیم.

شمس جاوید