Composites with thermoplastic matrix and automotive, Part 1

Evropská komise schválila dvì naøízení. Podle prvního mají novì vyrobené osobní automobily do roku 2020 vypouštìt maximálnì 95 gramù CO2 na jeden ujetý kilometr - o 40 g CO2 / 1 km ménì než dnes. V pøípadì lehkých užitkových vozidel se mají emise do roku 2020 snížit na 147 g CO2 / 1 km - o 34 g CO2 / 1 km ménì než v roce 2010.

Je pravdìpodobné, že tato nová naøízení nastolí obrat v pohonu osobních automobilù, kde dnes zaèínají pøevažovat vznìtové motory nad zážehovými. U vznìtových motorù menších objemù bude velmi složité dosáhnout požadované emisní hodnoty.

Podle výpoètù Cambridge Econometric a Ricardo - AEA pøinesou inovace potøebné ke snížení emisí do roku 2020 náklady ve výši cca 1 000, - EUR na jedno vyrobené vozidlo. Tyto vývojové a výrobní náklady by, podle uvedené studie, mìly být vyváženy nižší spotøebou paliva - cca 400, - EUR na jeden automobil a rok.

Po dosažení uvedeného emisního standardu, zemì EU ušetøí na provozu uvedených typù automobilù až 35 miliard eur roènì. V souvislosti se zavedením emisních limitù do roku 2020 studie též uvádí vytvoøení nových pracovních míst, kterých by mohlo vzniknout až cca 440 000.

Automobilový prùmysl snižování emisí nezpochybòuje, ale stejnì jako v roce 2008, kdy vstoupily v platnost souèasné emisní limity platné do roku 2015, namítá napøíklad, že je obtížné specifikovat úspory z nižších nákladù na palivo, protože ceny paliv jsou závislé nejen na promìnlivé cenì ropy, ale zejména na politických rozhodnutích jako je výše spotøební danì, DPH a podobnì.

Pøi nákupu osobních i užitkových automobilù bývá dùležitìjší poøizovací cena, která v dùsledku zavedení úsporných technologií bude navýšena, což potvrzuje i bývalý øeditel vnìjších vztahù spoleènosti Škoda Auto Michal Kadera, když øíká: Cíl patøí v mezinárodním srovnání s USA, Japonskem, Èínou a dalšími automobilovì vyspìlými státy k nejvíce ambiciózním a jeho dosažení si vyžádá dodateèné náklady, které se neodvratnì promítnou do ceny vozu pro zákazníka v zemích EU.

Emisní standardy jsou ve vyspìlých zemích rùzné:

 - Austrálie - v roce 2005 byl zde zaveden dobrovolný národní prùmìr emise oxidu uhlièitého pro lehká užitková vozidla 222 g CO2 / 1 km s termínem do roku 2010

 - Kanada - do roku 2010 pro osobní automobily platily stejná pravidla jako v USA, v roce 2016 má být dosaženo limitu 153 g CO2 / 1 km

 - Èína - v roce 2009 byl pøedstaven program Phase III, který do roku 2015 stanovil pro nové osobní automobily limitní spotøebu do 7 l / 100 km, což pøibližnì odpovídá 167 g CO2 / 1 km

 - Evropská Unie - v roce 2009 byl stanoven povinný požadavek na limit v roce 2015 na hodnotu 130 g CO2 / 1 km; tento závazek byl pro osobní automobily zpøísnìn na 95 g CO2 / 1 km v roce 2020 a pro dodávkové automobily platí hodnoty 175 g CO2 / 1 km v roce 2017 a v roce 2020 147 g CO2 / 1 km

 - Japonsko - v roce 2007 byla stanovena norma spotøeby pro osobní automobily registrované v roce 2015 na 16, 8 km / l paliva, tj. cca 125 g CO2 / 1 km

 - Rusko - platí standardy EU

 - Jižní Korea - v roce 2010 byl pro rok 2015 stanoven standard spotøeby paliva pro rok 2015 na 17 km / l paliva nebo 140 g CO2 / 1 km

 - USA - pro rok 2016 platí limity 250 g CO 2 / 1 míle nebo 34, 1 míle / 1 galon paliva, èemuž odpovídá ekvivalent cca 172 g CO2 / 1 km

Uvedené údaje jsou zobrazeny na pøiloženém grafu:

S výše uvedenými limity, o kterých, zejména v EU, zástupci automobilového prùmyslu hovoøí jako o velmi pøísných a zdražujících vývoj a výrobu osobních a užitkových automobilù a zástupci zelených, ekologických organizací jako o málo ambiciózních, souvisí cesty jak pøedepsaných cílù dosáhnout.

Jednou z cest je další využití plastù a kompozitních materiálù s termoplastickou matricí v jejich konstrukci.

Historie použití plastù v automobilech

S urèitou nadsázkou lze øíci, že plasty a automobily spolu prožívají již cca 150 letou historii. Plasty v souèasném slova smyslu byly vynalezeny o 27 let døíve, než byl postaven první automobil pánù Daimlera a Benze a to v roce 1862. V tomto roce Anglièan Alexander Parkes modifikoval celulózu do tvárného materiálu a tím vznikl první termoplastický materiál - parkesin a položil základy k vývoji celuloidu.

Ten v roce 1870 patentovali Amerièani bratøi John a Isaich Hyattové pod obchodním názvem Celluloid. S bratry Hyattovými je také spjata historie vstøikování termoplastù, postavili první pístový vstøikovací stroj.

První termoplasty byly hoølavé, a proto se do tehdejších automobilù s pøíliš mnoha rozžhavenými souèástkami nehodily.

V roce 1907 jako první pøipravil belgický chemik Leo Hendrik Baekeland fenolformaldehydový polykondenzát, který se stal prvním prùmyslovì vyrábìným plastem, který se nejdøíve prosadil jako izolátor do elektroinstalací - pojistkové skøínky, rozdìlovaèe apod. V roce 1917 byl tento materiál pod názvem Bakelite, respektive Bakelit, což jsou do dneška ochranné známky nìmecké spoleènosti Bakelite AG, Duisburg, použit pro výrobu knoflíku na rychlostí páce luxusního automobilu Rolls - Royce. Po vypršení platnosti základního patentu v roce 1926 se stal reaktoplast „bakelit“ nejpoužívanìjším plastem pøed druhou svìtovou válkou.

Stejnì jako v jiných odvìtvích automobilového prùmyslu byl prùkopníkem v oblasti použití plastù a i dnes velmi èasto diskutovaných bioplastù Henry Ford. Ten, pùvodem z farmáøského prostøedí, podporoval i biopaliva - lihobenzin. V roce 1915 osazoval vozy Ford T pouzdry zapalovacích cívek vyrobenými z rostlinné bílkoviny vyztužené sklenìnými vlákny. Nejrozšíøenìjší bioplasty do vozù Ford kombinovaly sójový protein - obsah 10 až 20 % - s vlákny z konopí - až 70 %. Jako pojivo byl použit fenolformaldehydový polykondenzát. Z takovýchto materiálù se technologií lisování a pøetlaèování vyrábìly pøístrojové desky, ovladaèe, èásti výplní dveøí, volanty a další díly.

S postupným vývojem dalších plastù, tøicátá léta minulého století PVC a PE, na bázi ropy a derivátù uhlí se staly uvedené materiály cenovì nevýhodnými. I pøes urèitý pokrok ve vývoji bioplastù je uvedené konstatování stále platné.

V roce 1942, 13. ledna, pøihlásil Henry Ford patent na karosérii z plastù. Pøedvedl ji na podvozku velkého kupé Ford V8. Byla sestavena ze 14 panelù a mìla hmotnost pouhých 113 kg. Díky ní klesla celková hmotnost automobilu v porovnání s ocelovou o 30 % na 1 043 kg. Bohužel, v dùsledku probíhající svìtové války a vysokým nákladùm potøebným na zmìnu výrobních technologií (a snad i intrikám chemického koncernu DuPont) se tehdy plastové karosérie do sériové výroby neprosadily.

Po 2. svìtové válce na experimenty nebyla správná doba a navíc od padesátých let minulého století se zaèíná sledovat i bezpeènostní hledisko konstrukce automobilù a tehdejší plastové konstrukce neumožòovaly vytváøení deformaèních zón.

Bez ohledu na bezpeènostní požadavky - deformaèní zóny - byl v NDR vyvinut a sériovì vyrábìn osobní automobil Trabant s plastovou karosérií. Prvních 50 prototypù bylo veøejnosti pøedstaveno 7. 11. 1957, od roku 1964 do èervna 1990 se prakticky bez velkých zmìn vyrábìl typ Trabant 601, výroba Trabantù byla ukonèena 30. 4. 1991.

Lisované díly karosérie Trabantù byly vyrobeny z reaktoplastu o obchodním názvu Duroplast, lisovací teplota byla 170 °C, mìrná hmotnost materiálu 1, 38 g / cm3. Duroplast byl vyroben na bázi fenolových pryskyøic, vyrábìných z odpadního dehtu z chemického zpracování hnìdého uhlí, kterého bylo v tehdejší NDR více než dost a z odpadní sovìtské bavlny nepoužitelné v odìvním prùmyslu.

V souèasné dobì kdy je automobilový prùmysl vystaven stále pøísnìjším ekologickým omezením - emise, recyklovatelnost, atd. - a požadavkùm na bezpeènost je aplikace plastù v konstrukci automobilù ekonomicky nejefektivnìjší.

Souèasné široké uplatnìní termoplastù pøi konstrukci a výrobì automobilù je výsledkem sladìní specifických požadavkù konstrukce a a technologie výroby automobilù se specifickými materiálovými vlastnostmi plastù a technologiemi jejich zpracování.

Se zavedením výroby nových termoplastických polymerù v padesátých a šedesátých letech minulého století se i pozornost automobilových konstruktérù zaèíná na nì zamìøovat. V tomto období plní plasty roli náhradních materiálù k materiálùm bìžnì v konstrukcích automobilù používaných. Razantní vzestup používání plastù nastal v sedmdesátých letech a byl odstartován zvyšujícími se požadavky na pasivní bezpeènost automobilù a požadavky na jejich hospodárnost v souvislosti s ropnými krizemi.

Obecnì platí, že osobní automobil se skládá ze tøí základních konstrukèních skupin. Podíl jednotlivých konstrukèních podskupin na celkové hmotnosti je možno urèit takto:

• hnací jednotka - cca 28 %
• podvozek - cca 27 %
• karosérie, vèetnì výbavy - cca 38 %
• do sta procent jsou díly, které není možno jednoznaènì zahrnout do nìkteré z uvedených skupin

Jednotlivé druhy materiálù jsou v osobním automobilu zastoupeny procentuálnì takto:

Do cca 13 % zastoupení plastù patøí jak termoplasty, tak i reaktoplasty mezi nìž se poèítají i pìnové polyuretany na èalounìní sedaèek, interiéru karosérie a zvuk izolujících dílù karoserie a guma.

Podíl termoplastù na materiálovém složení osobního automobilu je zhruba 8 %. Podíl je samozøejmì závislý na typu automobilu, jeho technické úrovni a velikosti. Pro výrobu støední tøídy osobních automobilù se použije cca 130 až 150 kg termoplastù.

Nejvìtší podíl plastových dílù je obsažen ve skupinì karosérie a nejménì jich obsahuje podvozek. Podle druhu plastù jsou nejvíce zastoupeny materiály na bázi polypropylenu ( cca 35 %), následují rùzné typy polyamidù ( cca 14 %), polyetylen ( cca 10 %) a ABS ( cca 7 %). 

Konstrukce automobilu vyžaduje, pro jednotlivé konstrukèní skupiny, materiály se specifickými užitnými i zpracovatelskými vlastnostmi a to jak vzhledem k požadavkùm na bezpeènost, komfort posádky, design a hospodárnost provozu spolu s ekologickými požadavky.

Samotné termoplasty svými vlastnostmi obvykle požadavkùm na materiály vhodné ke konstrukci automobilových dílù nevyhovují. Proto, že je druhový vývoj plastù více ménì ukonèen, je technicky nejschùdnìjší a ekonomicky nejpøijatelnìjší cesta k široké škále materiálù s vlastnostmi vhodnými pro konstrukci a výrobu automobilových dílù modifikace vlastností standardních termoplastù.

Pod pojmem modifikace zde rozumíme modifikaci vlastností plastù jejich mícháním s vhodnými aditivy - polymerními, organickými i anorganickými - mìnícími požadovaným smìrem jejich vlastnosti.

Pro potøeby automobilových aplikací se zejména jedná o zvýšení:

• houževnatosti - zejména díly karosérií
• estetických vlastností - vnitøní vybavení karosérie
• tuhosti - ovládací prvky, držadla, úchyty
• tepelné odolnosti - díly svìtlometù, chladící soustavy, topení a klimatizace, konektory v motorovém prostoru
• kluzných vlastností - samomazná pouzdra a kluzná ložiska
• nepropustnosti pro páry uhlovodíkù - palivová nádrž a potrubí

Podstatnou roli hraje i specifická hmotnost používaných materiálù se snahou o její co nejnižší hodnotu - zde nabývá na významu modifikace polypropylénu a kompozitní materiály na bázi plniva s uhlíkových vláken.

Aplikace kompozitù s uhlíkovými vlákny nabývá na významu s rozvojem hybridních a plnì elektrických automobilù.

Podle øeditele Centra pro automobilový výzkum na Duisbursko - Essenské universitì v Nìmecku, profesora Ferdinanda Dudenhöffera do roku 2025 klesne celosvìtovì podíl nových aut s motory na klasické pohonné hmoty o 35 %. Podle jeho dalších odhadù se bìhem pøíštích 10 let roènì prodá dvacet ètyøi miliónù hybridních a elektrických osobních automobilù.

To pøinese pro každou automobilku další problém - zvýšení hmotnosti aut. Hmotnost elektromobilu s instalovanou baterií se zvýší o cca 250 kg, v pøípadì hybridních automobilù s elektrickým pohonem o cca 200 kg.

Výše uvedené požadavky mohou splnit kompozitní materiály s termoplastickou matricí.

• pokraèovanie èlánku bude uverejnené 22.12.2014.