ضرورت کاهش تولید مواد آلاینده محیط زیست، منجر به ارائه طرح‌هایی در زمینه‌ کاهش مصرف سوخت و کاهش وزن وسایل حمل و نقل شده است. استفاده از مواد جدید، بهینه‌سازی کیفیت سوخت‌های فسیلی، معرفی و ارائه سوخت‌های جدید و پاک، بهینه‌سازی سیستم احتراق وسایل حمل و نقل و تغییر در طراحی و آیرودینامیک آن‌ها و چند طرح دیگر، معلول نیاز بشر به حفظ محیط زیست خود و ایجاد زمینی سبز و آسمانی آبی است. فلزها و آلیاژهای سبک نظیر آلومینیوم و تیتانیوم، مواد پلیمری (که خود شامل پلاستیک‌ها (گرمانرم، گرماسخت)، لاستیک‌ها، کامپوزیت‌ها و…) از جمله موادی هستند که در آغاز هزاره سوم کاربرد گسترده‌تری را در صنایع مدرن به ویژه صنعت حمل و نقل پیدا کرده اند. مواد پلیمری با توجه به خصوصیات و ویژگی‌های خاص و تنوع آن‌ها قادرند در آینده‌ای نزدیک، اکثر نیازهای صنعت حمل و نقل را جواب‌گو باشند و مصرف فلزات سنگین را کاهش دهند.

در کلیه بخش‌های صنعت حمل و نقل اعم از راه آهن، جاده، هوا و دریا، مسئله حائز اهمیت سایش بیش از حد، تنزل وزن، لرزش، اصطکاک، محیط های سرد و گرم، شرایط عملیاتی سخت، بارگیری سنگین بوده و نیاز به تجهیزات قوی می باشد. پلیمرها می‌توانند جای‌گزین مواد سنتی استفاده شده در این صنعت از قبیل برنج، برنز، فولاد ضد زنگ و …. باشند.

استفاده از کامپوزیت‌های پیشرفته موجب گسترش دامنه مصرف و به کارگیری کامپوزیت‌ها شده است و به دلیل شاخص‌ها و ویژگی‌های بسیار خوب، ارزش افزوده کالاهای تولیدی حساس را بالا برده است و با توجه به عمر مفید بیش‌تر، از هزینه‌های تعمیر و جای‌گزینی می‌کاهد امروزه تقریباً ۶۰% بازار کامپوزیت‌های پیش‌رفته در اختیار صنعت هوا-فضا است. ۲۰% به وسایل و دستگاه‌های ورزشی و تفریحی، ۱۵% به مواد صنعتی و ۵% باقی‌مانده نیز به صنعت خوردوسازی تعلق دارد. مزیت کامپوزیت‌ها در برابر فلزها در ذیل آمده است: قیمت ساخت و مونتاژ کاری کم‌تر، انعطاف‌پذیری بیش‌تر در طراحی، چقرمگی بیش‌تر در شکست، مقاومت ضربه‌ای بیش‌تر، هزینه کم‌تر تضمین کیفیت، ضریب انبساط گرمایی کم‌تر، مقاومت خستگی بهتر، مقاومت خوردگی بسیار بهتر، سفتی و استحکام ویژه بالاتر، هزینه ساخت کم‌تر، ایجاد ضایعات کم‌تر، ساخت یک‌پارچه و یک تکه کامپوزیت، نیاز کم‌تر به اتصال‌ها، امکان تنظیم و طراحی لایه‌ها متناسب با مسیر اعمال بار و تنش، ضخامت کم‌تر با استحکام مساوی.

از کل بازار مصرف کامپوزیت‌ها در صنعت حمل و نقل ۴۵% به خودرو و ۳۰% به راه‌آهن اختصاص یافته است. حمل ون قل هوایی و دریایی به ترتیب ۱۵% و ۱۰% بازا مصرف کامپوزیت‌ها را شامل می‌شوند.

کاربرد پلیمرها در صنعت حمل و نقل جاده‌ای

 از دیگر شاخه های علم و صنعت می‌توان صنعت خودروسازی را نام برد که مهندسین پلیمر به خودروسازان و طراحان خودرو کمک کرده اند تا اتومبیل‌های با قابلیت‌های بیش‌تر نسبت مدل‌های قدیمی تولید کنند. در صنعت خودروسازی پلیمرها در بخش‌های مختلف از ساخت صندلی، شیشه ها، تایر، سپر، کفپوش تا ساخت شیلنگ‌های مناسب جهت انتقال بنزین و چرخش آب و ساخت تجهیزات مختلفی از جمله ساخت انواع تسمه، پروانه، انواع درزگیرها و کانال‌های تهویه هوا استفاده شده اند و کاربرد وسیعی را به خود اختصاص داده اند. مهندسین پلیمر با تکیه بر علم شناخت انواع پلیمرها، با توجه به کابرد و خواص مورد نیاز، پلیمر مورد نظر را به خودرو ساز معرفی می‌کنند و با کمک مهندسین خودرو ساز، طرحی مناسب را جهت ایجاد خواص مکانیکی مطلوب و قیمت مناسب برای قطعه مورد نظر انتخاب کرده و فرآیند شکل‌دهی مناسب این قطعه را مشخص کرده و قطعه هدف را در اختیار صنعت و خودروساز قرار می‌دهند. علاوه بر آن در خودروهای بسیار پیش‌رفته قابلیت‌های دیگری همچون ساخت سنسورهای هوشمند توسط مهندسان پلیمر امکان جلوگیری از تلفات جانی را فراهم آورده است که این تکنولوژی به شدت مورد توجه خودروسازان بزرگ قرار گرفته است. تولید خودروهایی با بدنه‌های از جنس مواد پلیمری تقویت شده با خواص مکانیکی فوق‌العاده و همچنین ساخت انواع کیسه‌های هوا از دیگر فعالیت‌های مهندسین پلیمر است. همچنین مهندسین پلیمر با تخصص رنگ امکان تولید خودروهایی با رنگ‌هایی شکیل و مقاوم در برابر عوامل محیطی را فراهم آورده اند. ساخت انواع تایر اتومبیل همچون تایرهای فاقد تیوب و تایرهای عاج دار با طراحی مناسب جهت رانندگی مطمئن در شرایط یخبندان، از دیگر فعالیت‌های مهندسین پلیمر است.

بدون شک صنعت خودروسازی هنوز قوی‌ترین نیروی محرک برای توسعه مواد پلاستیک و همچنین توسعه فناوری های جدید شکل‌دهی آن‌هاست. ۱۰% وزن اتومبیل‌های پیشرفته امروزی از قطعه‌های پلاستیک تشکیل می‌شود. برای یک اتومبیل ساخت اروپای غربی با اندازه متوسط، این به معنای وجود ۱۵۰ کیلوگرم قطعه‌ها و محصولات پلاستیک در اتومیبل است. از مقدار ذکر شده، ۱۲۰ کیلوگرم ان به مواد گرمانرم پلاستیک تعلق دارد که بیش‌تر قطعه های تزریقی هستند.

کاربرد انواع پلاستیک‌ها در صنعت خودرو

بررسی خودروهای اروپایی نشان می‌دهد که ۶۳% تزئینات داخلی، ۱۵% بدنه خارجی، ۹% موتور و جعبه دنده، ۸% سیستم الکتریکی و ۵% وزن شاسی از مواد پلیمری ساخته شده اند که پلاستیک‌ها در این مقادیر از اهمیت زیادی برخوردار هستند.

مهم‌ترین کاربردهای جدید پلاستیک‌ها

انواع پلاستیک‌های مورد مصرف خودرو

ژ

یکی از مصارف پلی‌اتیلن به عنوان عایق و غلاف کابل‌هاست. همچنین برای ساخت باتری و جداکننده‌های آن مورد استفاده قرار گیرند.

پلی‌پروپیلن (PP)

از میان بسیاری از کاربردهای پلی‌پروپیلن در ساخت قطعه‌های داخل اتومبیل می‌توان به پانل داخلی درب اتومبیل، پانل مورب زیر داشبورد، کنسول، قاب پوشش ستون مابین در عقب و جلو زیردستی و… در ساخت  قطعه‌های بیرونی خودرو می‌توان به سپر بیرونی از آلیاژهای آن با یک ماده لاستیکی اشاره کرد.

پلی‌وینیل کلراید (PVC)

از PVC برای عایق‌کاری (پوشش سیم و کابل) استفاده می‌شود، از این پلیمر قبلاً در مبلمان و تزئینات داخلی خودرو استفاده می‌شده است و امروزه از چسب‌های PVC (حاوی نرم‌کننده) در خودروسازی استفاده می‌شود.

پلی‌آمید (PA)

نایلون‌های ۶ و ۶۶ عمدتاً برای تولید الیاف مصرف می‌شوند اما کاربردهای پلاستیکی متعددی هم پیدا کرده‌اند. از جمله کاربردهای پلی‌آمید می‌توان به اتاقک فیلتر روغن اتومبیل‌ها، مغزی دسته دنده، دنده، بادامک، یاتاقان، نگه‌دارنده سیم و کابل و… اشاره کرد. از نایلون ۱۱ برای تولید لوله‌های مخصوص حمل روغن و بنزین و مخزن نگه‌داری روغن ترمز انتخاب می‌شود. از نایلون‌های تقویت شده با الیاف شیشه به شکل گسترده در ساخت اجزاء خودرو مثل قطعه‌های رادیاتور استفاده می‌شود.

پلی‌اکریلونیتریل-بوتادی‌ان-استایرن (ABS)

استفاده از ABS در قطعه‌های تحمل‌کننده بار به دلیل پایداری ابعادی خوب و خزش کم آن در حال رشد است.

پلی‌کربنات (PC)

پلی‌کربنات کاربردهای بسیاری در جایی که شفافیت مورد نیاز است مثل چراغ‌های اتومبیل و چراغ‌های راهنمایی دارد. یکی دیگر از کاربردهای آن شیشه و پنجره‌های خودرو است.

پلی‌استال (POM)

از این ماده برای چسب استفاده می‌شود ولی گران و سمی است. اصطکاک کم، سبب استفاده از پلی‌استال در ساخت چرخ‌دنده و یاتاقان شده است. از این پلیمرها همچنین برای ساخت جلو داشبورد، محفظه و اجزای پمپ بنزین خودرو و… استفاده می‌شود.

پلی‌متیل‌متاکریلات (PMMA)

چراغ‌های اتومبیل به دلیل کنترل نوری، دقت رنگی، چقرمگی و مقاومت در برابر هوازدگی از این پلیمر ساخته می‌شود.

قطعه‌های پلاستیکی داخلی خودرو

قسمت جلوی خودرو (داشبورد، صفحه کنترل و علائم)، کنسول، رودری، تودوزی داخل و سقف، صندلی، فرمان، پدال‌ها و دست‌گیره‌ در، کیسه هوا

قطعه‌های پلاستیکی خارجی خودرو

سپر و جلو پنجره، قالپاق، قاب آینه‌های بغل، سیستم‌های روشنایی، سیستم برق ماشین (محفظه اجزا، سوییچ‌ها و سوکت‌ها، رابط‌ها، مدار چاپی و سیم کشی) پنجره، بدنه خودرو، سیستم تعلیق و میل گاردان، اکسل و رینگ، پروانه و فیلتر هوا، مخزن رادیاتور، پمپ بنزین، پمپ آب، باک بنزین

پلاستیک‌ها در عملیات تزئینی قطعه‌های خودرو در قالب

پلی‌کربنات (PC): ساخت سقف خودرو (سان‌روف)

پلی‌وینیلیدین فلوراید (PVDF): در انواع قطعه‌های خودرو مانند نگه‌دارنده چراغ عقب، قاب‌های آینه بغل، شبکه‌های جلوی پنجره خودرو، دهانه خروجی هوا، سپر، صفحه‌های چرخنده، دست‌گیره‌های در خودرو، قالپاق و کناره‌های بدنه

پلی‌اکریلونیتریل-بوتادین-استایرن (ABS): کاربرد این ماده در تولید قطعه‌های جلو پنجره و قالب‌های جانبی بدنه است.

پلی‌متیل‌متاکریلات (PMMA): سقف، در عقب خودرو، گِل‌گیر، سپر و لاینرهای داشبورد

انواع لاستیک‌های مورد مصرف خودرو

لاستیک‌‌ها دسته‌ای از مواد منحصر به فرد هستند که در یک حوزه دمایی گسترده، رفتاری کشسان دارند. خودرو ترکیبی از مواد مختلف است که تغییر در مواد تشکیل‌دهنده آن می‌باید با تغییر در فرآیند تولیدی و طراحی کلی خودرو هماهنگ باشد. بدون اجزاء لاستیکی، اتومبیل در سطح فناوری فعلی نمی‌تواند وجود داشته باشد. لاستیک‌ها تقریباً ۵% از قطعه‌های یک خودرو را تشکیل می‌دهند.

امروزه در خودرو تقریباً ۵۰۰-۶۰۰ قطعه را لاستیک‌ها به خود اختصاص می‌دهند که این مصرف‌ها از مدلی به مدل دیگر و از سالی به سال دیگر متغیر است. نمونه ای از این کاربردهای ویژه عبارتند از: تایرها، شیلنگ‌های سوخت، شیلنگ‌ها و لنت‌های ترمز، واشرهای روغن، واشرهای موتور، درزگیرهای پنجره، تیغه‌های برف‌پاک‌کن، شیلنگ‌های رادیاتور، لرزه گیرها، کاهش‌دهنده‌های صدا، سیستم انتقال نیرو و عایق‌کاری سیم‌کشی الکتریکی.

لاستیک کلروپرن (CR)

تسمه‌های Vشکل، شیلنگ‌ها، پروفیل‌ها، واشرها، قطعه‌های قالب‌گیری و اکستروژنی، پوشش‌ها، روکش کابل‌ها و… (به طور کلی قطعه‌های مورد مصرف در صنعت خودرو برای زیر کاپوت، شاسی‌ها و چسب‌ها است).

اکریلونیتریل-بوتادی‌ان‌رابر (NBR)

واشرهای استاتیک، اورینگ، درزگیر شیرها، شفت‌های میل‌لنگ، دیافراگم، لنت ترمز، دریچه پمپ سوخت، تسمه پروانه، جذب‌کننده ضربه، شیلنگ هیدرولیک.

سیلیکون‌ رابرها

دمای احتراق مشتقات این لاستیک‌ها بسیار بالا و حدود ۴۰۰ درجه سانتی‌گراد است، ضمناً این لاستیک‌ها عایق‌های الکتریکی بسیار خوبی هستند و این خواص آن‌ها تا ۱۸۰ درجه سانتی‌گراد حفظ می‌شود. یکی دیگر از ویژگی‌های این لاستیک‌ها ماهیت نچسب و آب‌گریز (هیدروفوبیک) آن‌هاست. از این رو یکی از ویژگی‌های آن‌ها نچسبیدن به سطح‌های چسبنده و یخ است. لازم به ذکر است به دلیل حجم بزرگ مولی این لاستیک‌ها، محصول ولکانیزه شده، مقاومت نفوذ گاز و مایعات کمی دارد.

لاستیک‌های آکریلیک (ACM)

بیش از ۹۰% کاربردهای ACM در کاربردهای مهندسی و صنایع خودروسازی است. کاربرد عمده آن در واشرها، لرزه گیرها، درزگیری شفت تمام سازه‌ها از جمله درزگیری میل لنگ سیستم‌های انتقال دیفرانسیلی و انوماتیک، رینگ‌ها و شیلنگ روغن است.

فلوئوروالاستومرها

این لاستیک‌ها به دلیل داشتن خواص ویژه، در ساخت قطعه‌های ویژه لاستیکی نظیر درزگیرهای سوخت و شفت موتور اتومبیل، شیلنگ‌ها و واشرهای خودرویی و قطعه‌های هواپیما و موشک‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند.

لاستیک طبیعی (NR)

از کاربردهای NR می‌توان به استفاده در فرمولاسیون تولید تایر خودرو و… استفاده کرد.

لاستیک استایرن‌بوتادی‌ان (SBR)

بیش‌ترین حجم مصرف را در تایر دارد. آمیزه‌های SBR یا SBR/BR در آج تایر خودروهای سواری مصرف می‌شوند. کاربردهای دیگر آن در قطعه‌های مکانیکی قالب‌گیری شده یا اکستروژنی کابل و سیم و… است.

لاستیک بوتادی‌ان (BR)

حوزه اصلی کاربرد این ماده، تولید تایر به ویژه آمیزه‌های آج برای خودروهای سواری است (همچنین در آمیزه‌های دیواره و منجید تایر هم به کار می‌رود). از دیگر کاربردهای مهم آن، تولید پلی‌استایرن مقاوم به ضربه است که در صنعت خودرو کاربرد دارد.

لاستیک اتیلن پروپیلن (EPR و EPDM)

از جمله کاربردهای EPR می توان به استفاده در تولید تایر و شیلنگ بخار آب، درزگیر و واشر اشاره کرد، ولی امروزه EPDM در تولید تایر خودرو، درزگیرهای پنجره ها و… استفاده می‌شود.

لاستیک‌های بیوتیل (IIR)

از ویژگی‌های مهم این لاستیک پایداری گرمایی، میرایی ارتعاش‌ها و ضریب اصطکاک بالا و مقاومت به رطوبت است. از کاربردهای خودرویی آن می توان به تولید تویی تایر، لرزه‌گیرها و یاتاقان های کشسان، لایه داخلی تایر و دیافراگم اشاره کرد.

ترموپلاستیک‌الاستومرها  (TPE)

تزئینات داخلی و خارجی خودروها، سپرها، ضربه‌گیرها، و قطعه‌های دیگر لاستیکی مورد استفاده در خودرو توسط این مواد جای‌گزین شده اند. از کاربردهای دیگر این مواد می‌توان به چسب‌ها، واشرها، درزگیرها، پوشش‌ها، عایق‌های صوتی، پوشش‌های سیم و کابل و… اشاره نمود.

برای به کارگیری کامپوزیت‌ها در خودرو با توجه به نوع وسیله نقلیه، کاربرد آن و فرآیند تولید قطعه‌ها، ویژگی‌های گوناگونی مورد نیاز است که در زیر به آن اشاره شده است:

• قابلیت هدایت الکتریکی (جهت جلوگیری از تخلیه الکترواستاتیکی و عدم تداخل امواج رادیویی و الکترومغناطیس) و ویژگی‌های الکتریکی (مثل ثابت دی‌الکتریک)
• مقاوم شیمیایی و مقاومت در برابر خوردگی و حرارت
• آزادی در طراحی (در طراحی سیستم معلق و بدنه آئرودینامیک) و قیمت مونتاژ قطعه‌ها
• ویژگی‌های مکانیکی (مقاومت در برابر خستگی دینامیکی، مقاومت پیچشی، ضربه و…)
• قابلیت رنگ‌پذیری و کیفیت سطحی (بسته به این که قطعه در کجا مورد استفاده قرار می گیرد)
• مقاومت در برابر تغییرهای درجه حرارت (مثلاً از ۴۴- تا ۱۷۷ درجه سانتی‌گراد)
• مقاومت در برابر شرایط جوی و اشعه ماوراء بنفش خورشید

با توجه به ویژگی‌های فوق، شش منطقه مهم از اتومبیل که در آن‌ها مواد کامپوزیت به کار رفته است عبارتند از: پانل‌های بدنه بیرونی (از رزین‌های پلی‌یورتان، پلی‌اوره، آکریلات، ABS آلیاژ شده با پلی‌کربنات، نایلون، پلی‌اتیلن‌ترفتالات، PPO/Nylon 66، نایلون آمورف و پلی‌بوتیلن‌ترفتالات (PBT) فشرده، چارچوب‌های سه بعدی، سپرها و ضربه گیرها (ترموپلاستیک‌های تقویت‌شده از قبیل الفین‌های ترموپلاستیک‌‌‌‌‌‌‌الاستومری، RIM/PUR و انواع آلیاژها از قبیل PPO/Nylon، PET، PBT آلیاژ شده با پلی‌کربنات، سپرهای جلو و عقب ساخته شده از پلی‌پروپیلن تقویت‌شده با ۴۰% الیاف حجمی الیاف شیشه‌ای رشته‌ای، سپرهایی از جنس نایلون آمورف و ABS)، محورهای انتقال نیرو (کامپوزیت‌های فنولیک تقویت‌شده با الیاف شیشه یکی از کامپوزیت‌های مناسب برای این کاربرد است که سازندگان خودرو در آمریکا در حال جای‌گزینی آن با فلز در واشرهای فشاری سیستم انتقال نیرو و محل‌های عبور سوخت هستند)، سیستم تعلیق، پانل‌ها و تجهیزات داخل اتاق (این قطعه‌ها بر حسب کاربردشان از پلاستیک‌های تقویت‌شده، تقویت‌نشده، فوم‌ها و نیز ورق‌ها ساخته می‌شوند. جنس این قطعه‌ها بر حسب کاربردشان می‌تواند از پلی‌کربنات، آلیاژهای پلی‌کربنات با SMA، ABS و پلی‌پروپیلن، PPO، PPE، اکریلیک، PUR، PVC باشد.

از دیگر کاربردهای پیشرفته‌ این کامپوزیت‌ها استفاده در پولی‌ها، ستون فرمان، مانیفولد مکش هوا بوش‌های بدون نیاز به مواد روان‌کننده بلبرینگ‌ها، چرخ‌دنده، یاتاقان‌های اسپیرالی، چرخ پنجم بدون نیاز به مواد روان‌کننده است.

منبع: کتاب Application of Polymers in Automobile Industry

همراهان عزیز می‌توانند جهت برقرای ارتباطات دوسویه، انتقال سوالات، نظرات و پیشنهادات سازنده خود از طریق پست الکترونیک زیر ما را یاری فرمایند.

info@fara-ps.com