Kompozity s termoplastickou matric� a automobilov� pr�mysl, 1. ��st

Evropská komise schválila dv� na�ízení. Podle prvního mají nov� vyrobené osobní automobily do roku 2020 vypoušt�t maximáln� 95 gram� CO2 na jeden ujetý kilometr - o 40 g CO2 / 1 km mén� ne� dnes. V p�ípad� lehkých u�itkových vozidel se mají emise do roku 2020 sní�it na 147 g CO2 / 1 km - o 34 g CO2 / 1 km mén� ne� v roce 2010.

Je pravd�podobné, �e tato nová na�ízení nastolí obrat v pohonu osobních automobil�, kde dnes za�ínají p�eva�ovat vzn�tové motory nad zá�ehovými. U vzn�tových motor� menších objem� bude velmi slo�ité dosáhnout po�adované emisní hodnoty.

Podle výpo�t� Cambridge Econometric a Ricardo - AEA p�inesou inovace pot�ebné ke sní�ení emisí do roku 2020 náklady ve výši cca 1 000, - EUR na jedno vyrobené vozidlo. Tyto vývojové a výrobní náklady by, podle uvedené studie, m�ly být vyvá�eny ni�ší spot�ebou paliva - cca 400, - EUR na jeden automobil a rok.

Po dosa�ení uvedeného emisního standardu, zem� EU ušet�í na provozu uvedených typ� automobil� a� 35 miliard eur ro�n�. V souvislosti se zavedením emisních limit� do roku 2020 studie té� uvádí vytvo�ení nových pracovních míst, kterých by mohlo vzniknout a� cca 440 000.

Automobilový pr�mysl sni�ování emisí nezpochyb�uje, ale stejn� jako v roce 2008, kdy vstoupily v platnost sou�asné emisní limity platné do roku 2015, namítá nap�íklad, �e je obtí�né specifikovat úspory z ni�ších náklad� na palivo, proto�e ceny paliv jsou závislé nejen na prom�nlivé cen� ropy, ale zejména na politických rozhodnutích jako je výše spot�ební dan�, DPH a podobn�.

P�i nákupu osobních i u�itkových automobil� bývá d�le�it�jší po�izovací cena, která v d�sledku zavedení úsporných technologií bude navýšena, co� potvrzuje i bývalý �editel vn�jších vztah� spole�nosti Škoda Auto Michal Kadera, kdy� �íká: Cíl pat�í v mezinárodním srovnání s USA, Japonskem, �ínou a dalšími automobilov� vysp�lými státy k nejvíce ambiciózním a jeho dosa�ení si vy�ádá dodate�né náklady, které se neodvratn� promítnou do ceny vozu pro zákazníka v zemích EU.

Emisní standardy jsou ve vysp�lých zemích r�zné:

 - Austrálie - v roce 2005 byl zde zaveden dobrovolný národní pr�m�r emise oxidu uhli�itého pro lehká u�itková 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 dosa�eno limitu 153 g CO2 / 1 km

 - �ína - v roce 2009 byl p�edstaven program Phase III, který do roku 2015 stanovil pro nové osobní automobily limitní spot�ebu do 7 l / 100 km, co� p�ibli�n� odpovídá 167 g CO2 / 1 km

 - Evropská Unie - v roce 2009 byl stanoven povinný po�adavek na limit v roce 2015 na hodnotu 130 g CO2 / 1 km; tento závazek byl pro osobní automobily zp�ísn�n 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 spot�eby pro osobní automobily registrované v roce 2015 na 16, 8 km / l paliva, tj. cca 125 g CO2 / 1 km

 - Rusko - platí standardy EU

 - Ji�ní Korea - v roce 2010 byl pro rok 2015 stanoven standard spot�eby 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, �emu� odpovídá ekvivalent cca 172 g CO2 / 1 km

Uvedené údaje jsou zobrazeny na p�ilo�eném grafu:

S výše uvedenými limity, o kterých, zejména v EU, zástupci automobilového pr�myslu hovo�í jako o velmi p�ísných a zdra�ujících vývoj a výrobu osobních a u�itkových automobil� a zástupci zelených, ekologických organizací jako o málo ambiciózních, souvisí cesty jak p�edepsaných cíl� dosáhnout.

Jednou z cest je další vyu�ití plast� a kompozitních materiál� s termoplastickou matricí v jejich konstrukci.

Historie pou�ití plast� v automobilech

S ur�itou nadsázkou lze �íci, �e plasty a automobily spolu pro�ívají ji� cca 150 letou historii. Plasty v sou�asném slova smyslu byly vynalezeny o 27 let d�íve, ne� byl postaven první automobil pán� Daimlera a Benze a to v roce 1862. V tomto roce Angli�an Alexander Parkes modifikoval celulózu do tvárného materiálu a tím vznikl první termoplastický materiál - parkesin a polo�il základy k vývoji celuloidu.

Ten v roce 1870 patentovali Ameri�ani brat�i John a Isaich Hyattové pod obchodním názvem Celluloid. S bratry Hyattovými je také spjata historie vst�ikování termoplast�, postavili první pístový vst�ikovací stroj.

První termoplasty byly ho�lavé, a proto se do tehdejších automobil� s p�íliš mnoha roz�havenými sou�ástkami nehodily.

V roce 1907 jako první p�ipravil belgický chemik Leo Hendrik Baekeland fenolformaldehydový polykondenzát, který se stal prvním pr�myslov� vyráb�ným plastem, který se nejd�íve prosadil jako izolátor do elektroinstalací - pojistkové sk�ínky, rozd�lova�e apod. V roce 1917 byl tento materiál pod názvem Bakelite, respektive Bakelit, co� jsou do dneška ochranné známky n�mecké spole�nosti Bakelite AG, Duisburg, pou�it pro výrobu knoflíku na rychlostí páce luxusního automobilu Rolls - Royce. Po vypršení platnosti základního patentu v roce 1926 se stal reaktoplast „bakelit“ nejpou�ívan�jším plastem p�ed druhou sv�tovou válkou.

Stejn� jako v jiných odv�tvích automobilového pr�myslu byl pr�kopníkem v oblasti pou�ití plast� a i dnes velmi �asto diskutovaných bioplast� Henry Ford. Ten, p�vodem z farmá�ského prost�edí, podporoval i biopaliva - lihobenzin. V roce 1915 osazoval vozy Ford T pouzdry zapalovacích cívek vyrobenými z rostlinné bílkoviny vyztu�ené sklen�nými vlákny. Nejrozší�en�jší bioplasty do voz� Ford kombinovaly sójový protein - obsah 10 a� 20 % - s vlákny z konopí - a� 70 %. Jako pojivo byl pou�it fenolformaldehydový polykondenzát. Z takovýchto materiál� se technologií lisování a p�etla�ování vyráb�ly p�ístrojové desky, ovlada�e, �ásti výplní dve�í, volanty a další díly.

S postupným vývojem dalších plast�, t�icátá léta minulého století PVC a PE, na bázi ropy a derivát� uhlí se staly uvedené materiály cenov� nevýhodnými. I p�es ur�itý pokrok ve vývoji bioplast� je uvedené konstatování stále platné.

V roce 1942, 13. ledna, p�ihlásil Henry Ford patent na karosérii z plast�. P�edvedl ji na podvozku velkého kupé Ford V8. Byla sestavena ze 14 panel� a m�la hmotnost pouhých 113 kg. Díky ní klesla celková hmotnost automobilu v porovnání s ocelovou o 30 % na 1 043 kg. Bohu�el, v d�sledku probíhající sv�tové války a vysokým náklad�m pot�ebným na zm�nu výrobních technologií (a snad i intrikám chemického koncernu DuPont) se tehdy plastové karosérie do sériové výroby neprosadily.

Po 2. sv�tové válce na experimenty nebyla správná doba a navíc od padesátých let minulého století se za�íná sledovat i bezpe�nostní hledisko konstrukce automobil� a tehdejší plastové konstrukce neumo��ovaly vytvá�ení deforma�ních zón.

Bez ohledu na bezpe�nostní po�adavky - deforma�ní zóny - byl v NDR vyvinut a sériov� vyráb�n osobní automobil Trabant s plastovou karosérií. Prvních 50 prototyp� bylo ve�ejnosti p�edstaveno 7. 11. 1957, od roku 1964 do �ervna 1990 se prakticky bez velkých zm�n vyráb�l typ Trabant 601, výroba Trabant� byla ukon�ena 30. 4. 1991.

Lisované díly karosérie Trabant� byly vyrobeny z reaktoplastu o obchodním názvu Duroplast, lisovací teplota byla 170 °C, m�rná hmotnost materiálu 1, 38 g / cm3. Duroplast byl vyroben na bázi fenolových prysky�ic, vyráb�ných z odpadního dehtu z chemického zpracování hn�dého uhlí, kterého bylo v tehdejší NDR více ne� dost a z odpadní sov�tské bavlny nepou�itelné v od�vním pr�myslu.

V sou�asné dob� kdy je automobilový pr�mysl vystaven stále p�ísn�jším ekologickým omezením - emise, recyklovatelnost, atd. - a po�adavk�m na bezpe�nost je aplikace plast� v konstrukci automobil� ekonomicky nejefektivn�jší.

Sou�asné široké uplatn�ní termoplast� p�i konstrukci a výrob� automobil� je výsledkem slad�ní specifických po�adavk� konstrukce a a technologie výroby automobil� se specifickými materiálovými vlastnostmi plast� a technologiemi jejich zpracování.

Se zavedením výroby nových termoplastických polymer� v padesátých a šedesátých letech minulého století se i pozornost automobilových konstruktér� za�íná na n� zam��ovat. V tomto období plní plasty roli náhradních materiál� k materiál�m b�n� v konstrukcích automobil� pou�ívaných. Razantní vzestup pou�ívání plast� nastal v sedmdesátých letech a byl odstartován zvyšujícími se po�adavky na pasivní bezpe�nost automobil� a po�adavky na jejich hospodárnost v souvislosti s ropnými krizemi.

Obecn� platí, �e osobní automobil se skládá ze t�í základních konstruk�ních skupin. Podíl jednotlivých konstruk�ních podskupin na celkové hmotnosti je mo�no ur�it takto:

• hnací jednotka - cca 28 %
• podvozek - cca 27 %
• karosérie, v�etn� výbavy - cca 38 %
• do sta procent jsou díly, které není mo�no jednozna�n� zahrnout do n�které z uvedených skupin

Jednotlivé druhy materiál� jsou v osobním automobilu zastoupeny procentuáln� takto:

Do cca 13 % zastoupení plast� pat�í jak termoplasty, tak i reaktoplasty mezi n� se po�ítají i p�nové polyuretany na �aloun�ní seda�ek, interiéru karosérie a zvuk izolujících díl� karoserie a guma.

Podíl termoplast� na materiálovém slo�ení osobního automobilu je zhruba 8 %. Podíl je samoz�ejm� závislý na typu automobilu, jeho technické úrovni a velikosti. Pro výrobu st�ední t�ídy osobních automobil� se pou�ije cca 130 a� 150 kg termoplast�.

Nejv�tší podíl plastových díl� je obsa�en ve skupin� karosérie a nejmén� jich obsahuje podvozek. Podle druhu plast� jsou nejvíce zastoupeny materiály na bázi polypropylenu ( cca 35 %), následují r�zné typy polyamid� ( cca 14 %), polyetylen ( cca 10 %) a ABS ( cca 7 %). 

Konstrukce automobilu vy�aduje, pro jednotlivé konstruk�ní skupiny, materiály se specifickými u�itnými i zpracovatelskými vlastnostmi a to jak vzhledem k po�adavk�m na bezpe�nost, komfort posádky, design a hospodárnost provozu spolu s ekologickými po�adavky.

Samotné termoplasty svými vlastnostmi obvykle po�adavk�m na materiály vhodné ke konstrukci automobilových díl� nevyhovují. Proto, �e je druhový vývoj plast� více mén� ukon�en, je technicky nejsch�dn�jší a ekonomicky nejp�ijateln�jší cesta k široké škále materiál� s vlastnostmi vhodnými pro konstrukci a výrobu automobilových díl� modifikace vlastností standardních termoplast�.

Pod pojmem modifikace zde rozumíme modifikaci vlastností plast� jejich mícháním s vhodnými aditivy - polymerními, organickými i anorganickými - m�nícími po�adovaným sm�rem jejich vlastnosti.

Pro pot�eby automobilových aplikací se zejména jedná o zvýšení:

• hou�evnatosti - zejména díly karosérií
• estetických vlastností - vnit�ní vybavení karosérie
• tuhosti - ovládací prvky, dr�adla, úchyty
• tepelné odolnosti - díly sv�tlomet�, chladící soustavy, topení a klimatizace, konektory v motorovém prostoru
• kluzných vlastností - samomazná pouzdra a kluzná lo�iska
• nepropustnosti pro páry uhlovodík� - palivová nádr� a potrubí

Podstatnou roli hraje i specifická hmotnost pou�ívaných materiál� se snahou o její co nejni�ší hodnotu - zde nabývá na významu modifikace polypropylénu a kompozitní materiály na bázi plniva s uhlíkových vláken.

Aplikace kompozit� s uhlíkovými vlákny nabývá na významu s rozvojem hybridních a pln� elektrických automobil�.

Podle �editele Centra pro automobilový výzkum na Duisbursko - Essenské universit� v N�mecku, profesora Ferdinanda Dudenhöffera do roku 2025 klesne celosv�tov� podíl nových aut s motory na klasické pohonné hmoty o 35 %. Podle jeho dalších odhad� se b�hem p�íštích 10 let ro�n� prodá dvacet �ty�i milión� hybridních a elektrických osobních automobil�.

To p�inese pro ka�dou automobilku další problém - zvýšení hmotnosti aut. Hmotnost elektromobilu s instalovanou baterií se zvýší o cca 250 kg, v p�ípad� hybridních automobil� s elektrickým pohonem o cca 200 kg.

Výše uvedené po�adavky mohou splnit kompozitní materiály s termoplastickou matricí.

• pokra�ovanie �lánku bude uverejnené 22.12.2014.